“植物细胞工程”内容梳理及教学设计探索

［摘 要］ 植物细胞工程是植物生物技术领域中应用最广泛、取得多项里程碑式成果的一门技术。根据多年的教学实践，提出了一些教学体验。课程内容建设上，围绕“一个总则、两个方面”展开，给学生总结了一个线索图，使他们更好地理解章节之间的逻辑关系。讲课方式上，根据该课程的特点本着“生活中的植物细胞工程、科研中的植物细胞工程”原则进行讲述，既让学生感到植物细胞的成果就在身边，又通过生物技术领域的最新研究成果，开阔学生的视野，加深对理论的理解，激发学生的学习兴趣。

［关键词］ 植物细胞工程；线索图；课程建设

［基金项目］ 2021年度东北林业大学校级教改课题“基于新形势下‘植物细胞工程原理与技术’课程内容梳理及紧跟领域发展前沿的教学体系探讨”（DGY2021-27）

［作者简介］ 齐凤慧（1976—），女，黑龙江哈尔滨人，博士，东北林业大学生命科学学院高级工程师，主要从事细胞工程研究；由香玲（1971—），女，山东海阳人，博士，东北林业大学生命科学学院教授（通信作者），主要从事药用植物细胞工程与次生代谢调控研究；范桂枝（1974—），女，山西平遥人，博士，东北林业大学生命科学学院教授，主要从事植物抗逆境研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）07-0097-04 ［收稿日期］ 2022-12-29

植物细胞工程（plant cell engineering）是一门现代生物科学理论和工程技术相结合的综合性学科，已渗透到生物学科的各个领域，成为生物学研究的重要技术和手段。植物细胞工程在医疗卫生、农业、环保、轻化工、食品保健等重要领域发挥着越来越重要的作用［1］。为了进一步提高生命科学学院生物技术专业本科生的能力，从而更好地适应社会对植物生物技术发展的要求，我们在2010年开设了“植物细胞工程”课程。现就近年来我们对这门课程的建设和教学改革进行探讨。

一、“植物细胞工程”课程内容的建设

（一）教材和参考书选择

通过翻阅相关理论书籍以及长期在植物细胞工程方面研究的经验，我们先后将李志勇编著的《细胞工程学》［2-3］和朱至清编著的《植物细胞工程》［4］作为主要教材，将周维燕主编的《植物细胞工程原理与技术》［5］、刘进平编著的《植物细胞工程简明教程》［6］、谢丛华和柳俊主编的《植物细胞工程》［7］作为重要参考书。目前，随着人们对植物细胞工程的认识不断深入，有大量参考书出版，这些书对“植物细胞工程”的学习具有重要的参考价值。

（二）讲课内容围绕“一个总则、两个方面”展开

在讲述内容上，努力让学生在有限的时间内既要对整个课程的理论有整体把握，也要在每一个实验细节上操作准确。经过认真思考和查阅资料，我们先为学生准备了一个整体的“植物细胞工程”课程内容线索图（如图1）。从围绕植物细胞工程基本的“一个总则——细胞全能性理论”开始，证明这个理论的两个方面：植株再生和次生代谢物质生产，从一个细胞或多个细胞（愈伤组织）到一个完整的植株。紧紧把握两条途径：器官发生与体胚发生，从而让学生掌握这两条途径的区别和发生条件，植物次生代谢产物的产生也是细胞全能性理论的重要体现。这部分内容首先让学生了解为什么植物次生代谢产物的产生是细胞全能性的体现及该扩展理论的发现者。让学生重点掌握如何获得高含量目的次生代谢产物的材料，这涉及培养工艺——筛选材料和培养技术等。

植物细胞工程是理论和实践的结合。上述理论在实践中应用于很多方面，如农业育种、花卉培育、苗木生产等。器官发生途径这部分内容选择脱毒技术讲给学生，主要以马铃薯、红薯、大蒜等为题材，讲述脱毒的技术过程和要点。次生代谢物质生产这部分内容结合目前植物生物反应器技术，列举人参细胞和不定根、紫草细胞等产业化的过程，以及所需的设备、技术等，从而让学生了解时代技术的最新发展。

我们根据上述理论，把实验课程的内容设置成白桦芽分化、龙芽樬木体细胞胚发生、细胞融合观察、三七细胞培养生产人参皂苷等。这些实验涉及超净操作技术、小型生物反应培养技术、显微镜操作技术、物质提取技术、分光光度计分析技术、高压液相分离技术等。涉及设备和技术不仅能使学生进一步应用过去学过的操作技术，也有助于学生接触更多的设备，从而学习更多的操作技术，对理论也会有更深入的理解。

二、教学方法及方式探索

“植物细胞工程”理论课和实验课都采用多媒体课件的方式进行授课。理论课的讲述方式本着“生活中的植物细胞工程”的原则，让学生感觉到自己生活在植物细胞工程创造的世界中；而实验课本着先动手，后动脑的原则，让学生先按照教师的要求认真操作，然后仔细观察，根据理论动脑分析数据得出结论。

（一）讲述绪论部分——时光穿越

绪论部分是整个植物细胞工程的开篇之讲，能否激起学生学习的兴趣对今后整门课程影响很大。而这一部分的主要内容是介绍这门课的历史发展及取得的成绩。从1902年的细胞全能性思想的提出，到现在10吨生物反应器的规模化生产药用植物有效成分，如何在一堂课的时间里让学生对植物细胞工程研究的内容及意义有整体的认识呢？我们以细胞全能性为主线索，结合每个历史性突破时的社会背景，让学生感受到历史好像就是昨天。例如，介绍细胞全能性理论提出的时候，讲述了德国植物学家G.haberlandt如何提出这个观点的事例。Schleiden和Schwann于1838年和1839年提出了细胞学说：细胞是有机体，亦是生物体的基本结构单位，由它构成整个生物个体。当时（1902年）的植物学家对这个理论是承认的。因此，善于思考的G.haberlandt在此基础上认为高等植物的组织、器官可以不断分割直到为单个细胞；如果每个细胞都有植物个体一样的性质和能力，可以通过植物细胞培养使单个细胞发育成为一个新个体。如何才能证实该思想呢？于是G.haberlandt做了很多器官、组织、细胞的培养，但是都未获得成功，直到后来培养设备的提高，该培养才得以成功。截至目前，已经有上千种植物的离体培养获得了成功。为了让学生记住这位科学家及其理论的重要性，讲述时提到同时代的物理学家爱因斯坦，因为1905年爱因斯坦提出著名的相对论。同时，提问并启发鼓励学生，G.haberlandt在60多年前理论的基础上提出了伟大的细胞全能性理论，也希望同学们能够就目前的理论、技术提出自己新的观点，或延伸，或填补，或纠正，从而把学生从一百多年前又拉回到现在。

随后讲述20世纪30年代期间的一些典型事例来说明植物细胞工程技术的飞速发展。为了让学生能注意了解这段发展期，笔者列举了植物细胞工程技术领域中的很多瞩目成绩，推动着这一科学的进步。也可以听一两个爱好历史的同学讲一下那个年代相关的著名科研人物。学生将社会的情景、人与科学的发展联系起来，使讲述科学发展史的路线更加生动。

（二）课程中引入实际应用实例——生活中的植物细胞工程

“植物细胞工程”是一门技术性很强的课程。在讲述理论时联系实际的应用更能让学生体会到其魅力。在讲述植物脱毒培养时，除了讲述该技术的操作过程及技术要点外，配以马铃薯的图片——马铃薯花、大个头的果实、丰收成堆的马铃薯等。在讲述细胞融合技术时，讲述马铃薯和西红柿的故事，可以让学生想一下我们身边还有哪些可以通过细胞融合来创造的理想品种。能否通过奶牛和草的融合使牛不用吃草而直接通过身体里的叶绿素来进行光合作用，从而直接产奶。也可以举例是否可以把松树和小麦细胞进行融合，不必一年年的在土地上种小麦，松树上长出小麦就收割，然后再长……。这样既可以启发学生的想象，又能活跃课堂气氛。

在讲述“次生代谢产物生产”的应用时，将植物生物反应器技术加入进去，以大量的详细技术和丰富的图片介绍在日本、德国、韩国等国家这项技术的产业化进程。从具体药用植物的筛选技术、生物反应器的设计图片、主要部件材料图到生产材料加工的各种产品图片、价格图片等，以及该产业在这些国家每年创造的产值等信息。因为我国目前还没有利用植物细胞生物反应器产业化培养植物材料，生产有价值次生代谢物质的技术。对于这项技术的研究，都是查阅最新的研究报告，以及我们出国访问时所获得的最新进展和图片。因此在教学中，要开阔学生的视野，激发他们学习该课程的兴趣。

（三）课程中引入最新论文成果——科研中的植物细胞工程

在“植物细胞工程”中，利用植物细胞培养生产植物次生代谢是很重要的内容。除了给学生讲解目前实现产业化、商业化的人参不定根、紫草细胞、长春花等事例外，也可以讲解一些药用次生代谢物质的生物代谢调控机制，这也是目前基础研究的一个热点。讲述这部分内容时，以最近发表的高水平药用植物论文为例，通过相关的研究专题，把植物细胞工程的内容与其他领域的内容联合起来进行讲解，开阔同学的视野。

通过开辟丹参专题、人参专题，分别讲解丹参酮、人参皂苷代谢调控的目的、过程及现状。向学生介绍药用植物对人类的巨大作用，尤其在我们传统中医中药领域，药用植物为我们中华民族服务了上千年，保佑我们子孙繁衍不断，尤其是近三年来的新冠疫情，许多中药对抗击疫情起到了很大作用。还有中医中的艾灸、药浴等，其对提高人体免疫力、预防新冠病毒感染具有一定的作用，这是不是普遍现象呢？目前没有定论，还需要对此做进一步科学论证得出结论。在当下及以后，相信我们的中医中药会有耀眼的表现，也需要相关研究者更为深入研究，从而服务人民。

通过结合神医故事、神话传说等，为学生引出这些药用植物起作用的具体药用成分或单体物质，而我们要获得这些药用成分就要分析、研究其生物合成及代谢的调控机制，进而给学生讲解研究这些内容的技术过程。首先，通过组学（基因组、转录组、代谢组等）手段获得合成丹参酮和人参皂苷通路上的系列关键酶基因，通过生物技术手段对这些关键酶基因进行功能分析，揭示其对人参酮和人参皂苷合成的作用。其次，通过寻找相关转录因子，研究其对通路中更多关键酶因的调控。这些看似不是植物细胞工程的内容，要想完成其功能验证和基因调控，必须有非常完善的植物和高效的转基因体系，这些都是植物细胞工程的重要技术和内容，而目前很多植物的再生体系及高效转基因依然没有建立，需要学生去研究探索，从而激发他们的学习热情，进而向学生介绍我们研究这些代谢合成调控、关键基因酶还有一个重要的领域，即合成生物学。可以把这些关键酶基因组装到啤酒酵母中，从而实现单体物质的高效合成。通过一些产业化的青蒿素、人参皂苷单体RH、Rg3等的应用临床现状，鼓励学生努力学习。通过这些故事讲解，既能让学生整体了解整个生物技术领域，以及植物细胞工程技术在其中的作用和位置，又能激励学生继续学习生物工程的热情。

结语

本文主要就“植物细胞工程”课程建设内容及讲课方式进行了探讨。课程内容建设紧紧围绕一个总则、两个方面展开，并给学生总结了一个线索图，让他们对该课程有整体的把握。同时，在讲课方式上，绪论注重让学生有时空穿越的感觉，将植物细胞工程的一些伟大发现和思想，结合当时的社会环境更为立体地呈现在学生面前。根据该课程的特点，在实际应用和研究方面本着“生活中的植物细胞工程、科研中的细胞工程”原则进行讲解，让学生切身体会到植物细胞工程的成果就在身边，以及目前最新研究成果及未来发展趋势，从而激发学生的学习兴趣。

参考文献

［1］王华芳，吴田，姚洪军，等.基于科教融合的“植物细胞工程”研究生课程教学改革［J］.中国林业教育，2020，38（1）：75-78.

［2］李志勇.细胞工程学［M］.北京：高等教育出版社，2008：2-103.

［3］李志勇.细胞工程学［M］.北京：科学出版社，2021：3-186.

［4］朱至清.植物细胞工程［M］.北京：化学工业出版社，2016：3-185.

［5］周维燕.植物细胞工程原理与技术［M］.北京：中国农业大学出版社，2001：3-195.

［6］刘进平.植物细胞工程简明教程［M］.北京：中国农业出版社，2005：3-183.

［7］谢丛华，柳俊.植物细胞工程［M］.北京：高等教育出版社，2004：2-200.

Plant Cell Engineering Curriculum Content Design and Teaching Exploration： Course Design Based on the Living Examples and Newest Field Development Results