1、遺傳學實驗 課程教學大綱Course Outline課程基本信息（Course Information）課程代碼（Course Code）BI362學時（Credit Hours）32學分（Credits）1課程名稱（Course Name）遺傳學實驗Genetics experiments授課對象（Target Audience）課程性質(Course Type)培養計劃課程授課語言(Language of Instruction)中文（列出中文、英文等類別供選擇。不同選擇所填寫的課程簡介和大綱等欄目及其語言有所不同。中文：除課程簡介必須有中英文版本外，其余欄目可為中文，亦可有英文版；中外雙

2、語，所有欄目皆須有中外文版本；全外文課程，所有欄目皆須有中英文版本。開課院系（School）生命科學技術學院先修課程（Prerequisite）生命科學導論、生命科學導論實驗、生物化學、生物化學實驗、遺傳學授課教師（Teacher）閆曉梅、秦敏君電郵、電話（email& phone）辦公時間（Office Time）工作日8:0017:00辦公地點（Office Location）生命學院4-408室課程網址(Course Webpage)（選填）*課程簡介（Description）遺傳學和其他生命科學分支學科一樣，是一門實驗性很強的學科。遺傳學實驗是開展遺傳學研究的重要基礎，是生命科學領域基

3、礎且重要的實驗課程之一，是生命科學、醫學、農學等學科相關專業本科生的一門專業必修課程。主要從個體、細胞和分子三個不同水平揭示遺傳學的基本現象和規律。實驗課程內容包括三個模塊，一是經典遺傳學模塊，主要利用果蠅野生型和突變型的雜交，來驗證經典的遺傳學規律，從個體水平上分析和深入理解遺傳學基本原理；二是細胞遺傳實驗模塊。通過制備果蠅的唾腺染色體來觀察巨大染色體，從染色體水平觀察和理解遺傳的染色體基礎。三是分子遺傳實驗模塊。學習和掌握基因定點突變的原理和方法，在雙子葉模式植物擬南芥中利用cysteine-rich secretory proteins (CRISPs)系統，定點突變氫番茄紅素脫氫酶（P

4、DS）基因，觀察基因敲除植物的突變表型并進行RT-PCR驗證。這些實驗模塊既有驗證性實驗也有綜合型、探索性實驗，使學生從個體形態、細胞、染色體到分子水平，逐步加深對遺傳學理論知識和對遺傳學各層次研究技術和方法的理解，規范使用基本遺傳學方法，掌握先進的遺傳學研究技術。通過遺傳學實驗的全面培養，學生不僅理解遺傳學知識，掌握先進的研究技術，還提高了分析問題和解決問題的能力，培養良好的科研素質，為今后獨立開展相關科研工作打下堅實的基礎。*課程簡介（Description）Genetics, together with other subjects in Life Sciences, contains

5、many experimental researches. Genetics Experiments provides the key basis for genetics study. It is one of the most important courses in Life Sciences and is compulsory for the undergraduates in the subjects of Life Sciences, Medicine, and Agronomy et al. It reveals the essential phenomenon and prin

6、ciples in genetics. The course contains three modules: First, it is the classical genetics module, which test and verify the classical principles, analyze and understand the basic theory in individual level by the hybridization of wide with mutant fruit fly. Second, it is the cellular genetics modul

7、e, which observe and understand the chromosomal basis of genetics by preparation of giant chromosome from fruit fly salivary glands. Thirdly, it is the molecular genetics module, which knocks out PDS gene in the model plant - arabidopsis thaliana using cysteine-rich secretory proteins (CRISPs) syste

8、m，observe the mutant phenotype and verify by RT-PCR. These give not only the validation experiments but also the integrated and exploratory experiments, which make students understand deeply the theory and relative technology from the individual, cellular, chromosomal to molecular levels. These expe

9、riments also help students grasp correctly the basic skills and advanced technology in genetics.After trained by Genetics Experiments, students can not only comprehend thoroughly the theory and grasp the advanced technology, but also analyze and resolve the problems effectively, promote the scientif

10、ic quality, which lays a solid foundation for scientific work in future.課程教學大綱（course syllabus）一、 經典遺傳學模塊實驗1. 果蠅的生活史、遺傳性狀觀察與培養教學內容：引導學生預習后討論模式生物的定義，果蠅作為模式生物之一的優點，描述果蠅的生活史，果蠅成蟲的雌雄區別，果蠅有哪些常見的突變性狀。討論如何飼養果蠅，如何觀察果蠅。重點用圖片和視頻的方式幫助學生理解果蠅的變態反應過程；果蠅的麻醉方法；用體視鏡觀察果蠅性狀的技術；區別雌性和雄性的性狀；紅眼和白眼，長翅、短翅和殘翅，直剛毛和焦剛毛，橫隔脈等野生型

11、和突變型的性狀對比；果蠅培養基的配制和果蠅的飼養方法。學生獨立操作，觀察野生型和三隱性突變體果蠅，探索適度和深度麻醉果蠅的方法，體視鏡深入觀察各性狀，及時記錄，并學會獨立配置果蠅培養基，掌握接種和飼養果蠅要點。目的要求：學生通過討論和實驗，系統地學習了果蠅整個生活周期、雌雄以及突變體的特點，學會飼養管理技術。能夠獨自進行果蠅培養基的配制。會對果蠅進行適度麻醉、并在解剖鏡下進行活體形態觀察、雌雄和突變體性狀的鑒別。能夠獨立進行果蠅的傳代培養，并會嚴格處理死棄果蠅。實驗2. 果蠅的三點測交和遺傳作圖教學內容：引導學生預習并討論，在20世紀初第一張genetic map 的繪制情況，三點測交的原理，

12、并發率和干涉等概念。設計實驗進行果蠅的三點測交。重點講述遺傳作圖的原理、果蠅三隱性突變體的遺傳基礎、野生型與突變型雜交的原理和方法、以及處女蠅的挑選技術，親本雜交方法，子一代的性狀分析和測交方法，子二代的性狀分析方法和計算方法、基因作圖方法。學生分組合作，每8小時挑選一次處女蠅，完成親本雜交，此后的每周固定時間開展子一代的測交，子二代的觀察。做實時記錄，統計1000只以上果蠅，計算和繪圖，并計算并發率和干涉。目的要求：學生通過討論和實驗，對三點測交與遺傳作圖的原理其發現歷史進行了系統地學習，獨立設計果蠅雜交的實驗方案。能夠獨立進行處女蠅的挑選并進行果蠅的雜交實驗。會對產生的后代進行不同性狀和性

13、別觀察、對實驗結果進行統計分析和相關計算。在以后的科研工作中能夠獨立進行果蠅的相關實驗操作。二、細胞遺傳學模塊實驗3. 果蠅唾腺染色體的制備與觀察教學內容：引導學生討論果蠅唾腺染色體在遺傳學研究上的重要作用，果蠅唾腺染色體的重要的結構特征，以及染色體的制片技術。重點通過圖片講述唾腺染色體的研究歷史、形成機制、形態結構、命名和形態特征（巨大染色體、多線染色體、染色體聯會、橫紋特征和puff結構等）。果蠅三齡幼蟲的挑選、唾液腺的分離、漂洗、低滲、染色、壓片和鏡檢技術。學生獨立操作，挑選三齡幼蟲開展耐心且細致的操作，按實驗步驟進行染色體制片，詳細觀察唾腺染色體的具體特征，完成實時記錄。學生對實驗結果

14、進行鏡檢觀察并相互分析與比較實驗條件對結果產生的影響，及時記錄數據和拍照，提交照片。引導學生討論產生最佳結果的條件和原因，總結經驗。目的要求：學生通過討論和實驗，掌握有效分離果蠅幼蟲唾腺的技術和制作唾腺染色體標本的方法。能夠解體細胞染色體聯會現象，觀察果蠅唾腺染色體的形態特征，并根據唾腺染色體上帶紋的形態和排列，能夠識別不同的染色體和染色體結構變異的細胞學表現，能夠繪制出清晰的多線染色體圖，理解遺傳規律的染色體基礎。 三、分子遺傳學綜合實驗模塊實驗48. 利用CRISPs/Cas9 系統進行擬南芥氫番茄紅素脫氫酶（PDS）基因的定點突變教學內容：CRISPR/Cas9系統是細菌在噬菌體長期選擇

15、壓力下進化出來的一種有效抵御外源DNA入侵的免疫機制之一。在菌體內，CRISPR簇在其前導區的調控下轉錄成precrRNA，在tracrRNA和Cas9參與下加工成成熟的crRNA，并引導crRNA/tracrRNA/Cas9復合體識別結合外源DNA特定序列，剪切DNA雙鏈，沉默外源基因的表達?；诖朔N原理，CRISPR/Cas9系統被開發成一種新型的基因打靶系統。相對于稍早的RNAi、Cre/LoxP、ZFN和TALEN系統，此新型打靶系統具有操作簡單、效率高、成本低、可同時沉默任意數量的基因等優點。擬南芥（Arabidopsisthaliana），是一種廣泛分布于亞洲、歐洲以及北非地區的小

16、型開花二年生草本植物，高740厘米，春型擬南芥萌發后3周左右就可開花，能在6周內完成一個世代，是實驗教學的好材料。農桿菌是普遍存在于土壤中的一種革蘭氏陰性細菌，它能在自然條件下趨化性地感染大多數雙子葉植物的受傷部位，并誘導產生冠癭瘤或發狀根。根癌農桿菌和發根農桿菌中細胞中分別含有Ti質粒和Ri質粒，其上有一段T-DNA，農桿菌通過侵染植物傷口進入細胞后，可將T-DNA插入到植物基因組中，并且可以通過減速分裂穩定的遺傳給后代，這一特性成為農桿菌介導法植物轉基因的理論基礎。人們將目的基因插入到經過改造的T-DNA區，借助農桿菌的感染實現外源基因向植物細胞的轉移與整合，然后通過細胞和組織培養技術，再

17、生出轉基因植株。植物基因遺傳轉化的關鍵環節之一在于用合適的選擇標記基因把極少數的轉化子從未轉化細胞中篩選出來，或者是殺死未轉化細胞，或者是給轉化細胞以生長優勢，或者使之有明顯的表型特征。通常所利用的選擇標記基因有潮霉素抗性基因hpt 、卡那霉素抗性基因npt 、除草劑抗性基因bar，這些篩選系統的原理都是未轉化細胞被殺死，轉化細胞能將篩選劑分解為無毒物質而得以生存繁殖。此綜合實驗首先從擬南芥的種植與培養開始，然后選擇靶點，設計引物，構建CRISP定點突變系統: MH載體酶切，PCR擴增PDS基因，利用新型基因打靶系統CRISPR/Cas9系統構建CRISP-PDS載體，并進行質粒驗證。此后，轉

18、化農桿菌，然后對含CRISP-PDS構建的農桿菌進行PCR驗證，再轉化擬南芥，繼續培養并收集種子。播種，待擬南芥生長，篩選出陽性轉化子并用RT-PCR進行表達模式分析。引導學生預習并討論CRISP/Cas 9定點突變系統的原理、擬南芥作為模式生物的重要性、農桿菌介導植物轉基因的原理、轉化子的篩選原理和反轉錄PCR驗證實驗結果的原理等。幫助學生制定整體實驗過程和步驟。學生分組，開展植物培養基的配制、擬南芥的種植、質粒的抽提、酶切與連接、PCR擴增、瓊脂糖凝膠電泳、電擊轉化克隆、RT-PCR具體等操作，實時指導學生，解答問題，提供充足的試劑。要求學生在整個實驗過程中詳細記錄實驗步驟和各項數據，及時

19、對數據進行分析比對并討論，在實驗結束時，組織學生分組匯報，總結各自的實驗過程和結果，講述實驗成功與失敗的經驗教訓，對實驗的深入認識和改進措施。具體安排為：實驗4. 實驗原理討論、培養基的配置與擬南芥的培養實驗5. 定點突變載體的構建（上）質粒抽提、酶切、PCP擴增實驗6. 定點突變載體的構建（下） 連接、轉化、鑒定、測序實驗7. 轉化農桿菌及鑒定實驗8. 轉基因定點突變擬南芥和轉化子篩選注: 由于該實驗歷時較長，果蠅培養與雜交實驗也要歷時1個月，因此CRISP定點突變綜合實驗需要與果蠅培養與雜交實驗同時開展。目的要求：學生通過講解、查閱文獻，學習和掌握基因定點突變的原理和方法，并在老師和助教帶

20、領下進行探索性實驗操作，熟練掌握植物分子生物學的各種技能，探索各種條件如引物、PCR條件、轉化條件等對實驗結果的影響，對結果進行總結與分析，訓練學生的科研思維能力，最終各自建立一個成熟的定點突變敲除擬南芥PDS基因的模型，并進行匯報答辯，以論文形式提交實驗報告。*學習目標(Learning Outcomes)1配合遺傳學的理論學習，幫助理解遺傳學規律和理論知識，加深記憶。2熟練掌握和規范使用遺傳學研究的基本技術，學習并會獨立使用當前先進的研究方法和技能。3. 開展文獻閱讀、小組討論、課上匯報，能夠圍繞課題自學并制定研究方案，提高團隊合作能力和流利的語言表達能力。4通過綜合型、探索式實驗的訓練，

21、培養和提高實驗設計能力、深入探索和優化實驗的能力、科學的思維能力、比較和分析問題的能力。5. 通過實驗課程的訓練，具備全面的科學研究素質和創新能力，為進一步開展創新研究打下堅實的基礎。*教學內容、進度安排及要求(Class Schedule& Requirements)教學內容學時教學方式作業要求基本要求考查方式果蠅觀察與培養 4學生匯報、授課、實踐預習報告、實時記錄和實驗報告圍繞題目預習，分組準備PPT，課上匯報與討論綜合考察三點測交和遺傳作圖4學生匯報、授課、實踐預習報告、實時記錄和實驗報告圍繞題目預習，分組準備PPT，課上匯報與討論綜合考察染色體制備和觀察5學生匯報、授課、實踐預習報告、實