高中生物教材(人教版)细胞工程部分疑难点分析

JOURNAL OF BEIJING INSTITUTE OF EDUCATION (NATURAL SCIENCE EDITION)

Vol.llNo.4

Dec.2016

高中生物教材(人教版)细胞工程部分

疑难点分析

杨文航

(北京市日坛中学，北

京

100020)

摘要：高中生物教材(人教版)选修三细胞工程部分内容涉及许多现代生物技术手段，同时 与必修教材存在广泛联系。基于此种知识结构上的联系，针对细胞工程部分的疑难点进行 教材分析，旨在提高人教版教材选修三细胞工程部分内容新授课与第一轮复习的效率，加 深学生对此部分内容的理解。关键字：高中生物;细胞工程;教材分析中图分类号:G633.91

文献标识码:A

文章编号：1673-6923(2016)04-0043-04

DOI ： 10.16398/j.cnki.jbjie(n)issn1673-6923.2016.04.007

1《普通高中生物课程标准（实验)》(以下简称《课标》)以及《2016普通高等学校

招生全国统一考试北京卷考试说明院理科》（以下简称《考试说明》）中关于细胞工程教 学内容的要求

表

1《普通高中生物课程标准（实验)》中对细胞工程教学内容的要求[1]

活动建议

具体内容标准

简述植物的组织培养

简述动物的细胞培养与体细胞克隆举例说出细胞融合与单克隆抗体

表

讨论克隆技术的社会意义

搜集通过动物体细胞核移植进行克隆的实例

2《2016普通高等学校招生全国统一考试北京卷考试说明:理科》中细胞工程部分的要求咱2暂

克隆的定义和理论基础植物组织培养的原理

克隆技术动物的细胞培养与体细胞克隆细胞融合单克隆抗体

II

IIIII

1.1核心概念“克隆”在《课标》中出现了“体细胞克隆”与“单克隆抗体”两处“克隆”，都有比较强的指向性，明确了什 么是“克隆”或“克隆”什么。但是在《考试说明》中对于“克隆”的定义是二级要求，这就需要教师在教

收稿日期：2016-08-24

作者简介:杨文航(1981—)，男，北京市人，北京市日坛中学，中学一级教师。

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授“体细胞克隆”与“单克隆抗体”的时候渗透“克隆”的内涵与本质。

克隆的原始含义:是“Clone”的音译，指以幼苗或嫩枝插条，以无性繁殖或营养繁殖的方式培育 植物。而克隆的拓展含义是:个体通过无性繁殖可连续传代并形成群体，这样的群体称为无性繁殖 系。克隆就指无性繁殖系。所以高中阶段生物学科中的“克隆”可以分为以下三个层次院

分子水平：基因克隆是指某种目的基因的复制、分离过程。通常是将生物材料的遗传物质

(DNA)用性内切酶切成片段，插人到载体分子中，并将所得的重组载体转人宿主细胞中，通过

宿主细胞的无性繁殖使其扩增，然后再用某种探针选择、调取目的基因。

细胞水平:细胞克隆技术在利用杂交瘤制备单克隆抗体的操作中得到充分运用。在这一操作过 程中，永生性的骨髓瘤细胞与某种抗体生成细胞渊B淋巴细胞)融合后，接种于多孔培养板或软琼脂 培养基上，采用特定的标记抗原，从所生成的性状各不相同的细胞集落中即可筛选到产生抗体的杂 交瘤细胞系。

个体水平:即不通过两性细胞的结合，从一个单一的细胞繁殖出生物个体。基于以上三个水平，可以整理出与“克隆”相关的教材(选修三）内容：

分子水平:DNA重组技术的重要部分;细胞水平:动物细胞培养、单克隆抗体;个体水平:植物 组织培养、核移植技术。在新授课过程中，教师需要将植物、动物细胞工程中的各种技术与克隆的类 型加以区别与对应，帮助学生加深对“克隆”这个概念的理解。

2细胞工程部分与必修教材的联系以及相关疑难点分析

2.1植物细胞究竟能否吸收蔗糖

产生此疑问的原因是《高中生物(必修一)曳(人教版)质壁分离及复原实验中使用0.3/mL蔗糖 溶液，紫色洋葱外表皮细胞在高浓度蔗糖溶液作用下，细胞失水，原生质层与细胞壁分离曰在拓展训 练与题目训练中则有利用KN〇3溶液使植物细胞发生质壁分离继而质壁分离自动复原的实验。由 于植物细胞可以利用主动运输的方式吸收K4离子，所以在发生质壁分离后可以自动复原，而教材 的实验中并没有提及在高浓度蔗糖溶液作用下植物细胞是否可以发生质壁分离自动复原，所以学 生会理解为植物细胞无法吸收蔗糖。但教材中在植物组织培养中常用的MS养基中添加的是蔗糖 而不是葡萄糖，那么植物究竟能否吸收并利用蔗糖呢？在植物组织培养基中添加的蔗糖究竟是以何 种方式成为外植体培养所需的能源物质呢？

通过查阅资料与论文得知“质子泵将质子泵出细胞，在质外体中形成较高的质子浓度。建立起 细胞内外的质子梯度:质外体中的质子趋向于向细胞内扩散。在细胞膜上的特殊载体可以利用质子 的顺化学梯度的扩散将细胞外的蔗糖分子与质子共同转运至细胞内。这种运输方式称为蔗糖一质 子同向共运输，负责这种共运输的载体称为蔗糖一质子共运输载体。另外，在植物体细胞的细胞质、 液泡和细胞壁中都存在着蔗糖酶，蔗糖分解产生的葡萄糖和果糖进入产能代谢的糖酵解过程。正因 为细胞壁中有蔗糖酶，有人认为植物组织培养基中的蔗糖分子扩散进入细胞壁后，能够被蔗糖酶水 解为葡萄糖和果糖，这些单糖分子再以主动运输方式进入外植体细胞”。[3]

这样就明确了几个问题:首先，利用蔗糖进行紫色洋葱外表皮细胞质壁分离实验不是植物细胞 不能吸收蔗糖，而是吸收速度相对较慢，发生质壁分离自动复原的时间也很长;其次，在植物组织培 养基中添加蔗糖而不添加葡萄糖，是因为使用葡萄糖被微生物污染的可能性更大，培养基渗透压也 偏高，不利于外植体生长。如果能够在高中生物必修一、选修三相关知识新授课或复习过程中明确 这些内容，学生对这两部分的理解将更加透彻。

2.2细胞分化究竟是否可逆

《高中生物(必修一)曳(人教版)对于细胞分化是这样定义的:在个体发育中，由一个或一种细胞

增殖产生的后代在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程，叫作细胞分化，细胞分化是一 种持久性的变化。对于持久性的理解，不能把它与植物组织培养过程中的脱分化过程对立起来，植

杨文航院高中生物教材(人教版)细胞工程部分疑难点分析45

物细胞分化并非不可逆，而是不能随时可逆。选修三教材中是这样叙述的在理论上，生物的任何 一个细胞都具有发育成完整植株的潜力。但是，在生物的生长发育过程中，细胞并不会表现出全能 型，而是分化成各种组织和器官。这是因为在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会有选择性 地表达出各种蛋白质，从而构成生物体的不同器官。

”那么植物细胞脱分化的先决条件是植物细胞

需要离体，这才是课程中需要向学生重点讲解与分析的。

另外有很多学生对于细胞分化与植物组织培养中的再分化二者的区别非常疑惑，在大学教材 中对于细胞分化与再分化是这样描述的:在活体内，基因表达由生物体的遗传性规定了严格的程序 和模式，通过调节机制，决定某一细胞在何时、何地、何种情况下表达哪一类基因。在离体条件下，当 细胞脱分化以后，无序生长的细胞及其愈伤组织要重新进入有序生长才能再生为个体，因此，通常 把离体培养下的这一过程称为再分化(redifferentiation)。再分化的过程事实上是基因选择性表达与 修饰的人工过程咱4暂。这样，对于细胞分化与再分化的区别就清楚了 :细胞分化是机体自身基因 选择性表达或是基因程序性表达过程导致的，而植物组织培养过程中植物细胞的再分化是在人工 过程诱导下的基因选择性表达。

2.3植物组织培养过程中生长素与细胞素的“激素杠杆”问题

在植物组织培养过程中，培养基中添加的生长素与细胞素的比例会影响到愈伤组织形态 的维持与再分化方向，此部分内容的新授课教师往往一刀切式地告诉学生:生长素与细胞素含 量相同，维持愈伤组织;生长素多于细胞素，会诱导植物组织脱分化和根原基形成;细胞素 多于生长素则主要诱导植物组织再分化与芽原基的形成。这个说法存在可质疑之处。在研究教材过

2012年以前的版本是这样叙述的：野当生长素含量高于细胞分 裂素时，主要诱导植物组织脱分化和根原基的形成;而当细胞素的效应高于生长素时，则主要 诱导植物组织再分化和芽原基的形成。”然而在2012年后版本的教材中多了这样一句话:野当生长 素与细胞素的比例适中，且生长素含量高于细胞素时……”，新版教材为什么要加入“当生 长素与细胞素与细胞素比例适中”这句话？它的意义究竟是什么？通过查找资料并结合本

校校本课程的实验研究结果分析后发现，一刀切式地把生长素与细胞素的含量多少与分化方 向加以联系是错误的：野烟草愈伤组织培养时，Skoog和M

程中，笔者发现《高中生物(必修三)》

iller等人发现较高的生长素/激动素可以

刺激生根;相反，较高的激动素/生长素可以刺激芽的发生。而适中的生长素和激动素可以维持愈伤 组织的生长而不发生分化。另外Taiz和Zeiger的研究证实，生长素(mg.L-1)与激动素(mg.L-1)比例 为2:0.02时，即较高的生长素和细胞素比例促进根的分化;生长素(mg • L-1)与激动素(mg • L-1)比 例为2:0.2时，即中等的生长素和细胞素比例维持愈伤组织的生长;生长素(mg.L-1)与激动素

(mg.L-1)比例为2:0.5时即较低的生长素和细胞素比例促进芽的分化”咱5暂。由此可以发现，在某 些植物组织培养过程中，生长素的含量其实一直高于细胞素，而起到“激素杠杆”作用的是两种 激素的比例而非绝对含量，教材中谈到两种激素的时候用的是“效应”而非含量。另外上文引用的数

据与课本中的内容存在不符，此情况在文献中也能够找到合理的解释:野诱导愈伤组织形成时，多数 种类的植物生长素与细胞素的浓度配比是1:1或细胞素的浓度大于生长素，也有少数种 类的植物生长素浓度大于细胞素的浓度。外源激素诱导愈伤组织增殖分化时，多数种类植物是 细胞素的浓度大于生长素浓度时促进丛芽形成，也有两者相反或浓度相同的情况。促进生根 时，多数种类植物是只使用生长素而不适用细胞素的培养基即可，也有生长素的浓度大于细胞 素的”咱5暂。《高中生物(必修三)》(人教版)中也提到“植物生长调节剂在培养基中的用量要组织 内源激素的含量……”以上引用的文献中所提及的比例关系与分化方向在《高中生物(必修一)》(人 教版)教材33页旁栏中也有所说明：野生长素用量比细胞素用量，比值高时，有利于根的分化、 抑制芽的形成；比值低时，有利于芽的分化、抑制根的形成；比值适中时，促进愈伤组织的生长”这应 该是结合了内源激素的含量所得出的结果。

2.4单克隆抗备过程中究竟经过了几种筛选

《高中生物（必修三)》(人教版)53页关于单克隆抗备过程示意图中标注着将杂交细胞在

46北京教育学院学报（自然科学版)

“具有筛选作用的培养基上培养”“专一抗体检验阳性”“将不同种杂交细胞分开，并克隆专一抗体， 检验阳性细胞”等内容，但是教材正文中并没有对这些筛选的原理、目的、技术手段进行介绍。学生 在学习此部分内容的时候感到知识非常抽象，与必修三免疫部分的知识很难进行衔接，理解不到 位。在新授课的时候，教师有必要对此部分内容进行扩展，把原理讲清楚，将必要的技术手段介绍给 学生，让其明确这几次筛选过程的目的与必要性，流程如下：

(1) (2)

从经过特定抗原免疫的小鼠脾脏内获得的B淋巴细胞，应当是能够产生抗体的浆细胞(效 经过融合手段处理之后的细胞在具有筛选作用的培养基上培养，这里所用的培养基是HAT

应B细胞)但不一定是产生所需特定抗体的浆细胞(效应B细胞)。

培养基。有必要介绍一下HAT培养基的成分及其相应的作用，把为什么没有发生融合的细胞、融合 错误的细胞不能在此培养基上存活的原理讲清楚(细胞中进行DNA复制原料合成的途径有D途径

denovopathway---主要合成途径与S途径salvagepathway----补救合成途径，参与融合的浆细胞具

有这两种途径，但是浆细胞无法在体外条件下增殖;骨髓瘤细胞是一种DNA复制原料合成缺陷细胞---只有D途径，而没有S途径。HAT培养基中的三种主要有效成分分别是:H—Hypoxanthine次黄嘌吟，A—Aminopterin氣基蝶吟，T—Thymidine胸腺啼陡核昔，其中氣基蝶吟可以阻断D途径， 从而导致骨髓瘤细胞无法合成脱氧核苷酸，进而阻断其DNA复制与细胞增殖。只有浆细胞与骨髓 瘤细胞融合后的杂交瘤细胞，不仅具备了体外培养条件下增殖的能力，而且获得两种DNA复制原 料合成的途径。在D途径被阻断的条件下，通过S途径合成原料，完成DNA复制与增殖，继而在

HAT选择培养基上存活下来)。

(3) 存活下来的杂交瘤细胞不一定是能够产生所需特定抗体的杂交瘤细胞，这时候进行了专一

抗体检验阳性，在这里也有必要把检验抗体的技术手段给学生进行介绍（酶联免疫法或放射免疫 法)。

(4) 通过抗体的检验筛出可以产生所需特定抗体的杂交瘤细胞。

(5) 再对能够产生所需特定抗体的杂交瘤细胞进行体内或体外培养，获得单克隆抗体。经过这样的讲解与介绍，学生才有可能真正理解教材图示上的文字标注，明确制备单克隆抗体 的流程以及各个步骤的原理及技术手段。

3结语

高中生物教学有区别于其他理科学科教学的特殊性:生物科学、生物技术正在以极快的速度发 展和更新，仅停留于教材进行教学已经很难满足多数学生学习的需求，很难应对以考查理解能力为 根本的考试。很多知识不说透，就不能帮助学生理解其本质。学生对于高中生物学科的学习就很容 易只停留在背诵与记忆的层面，把生物当成文科来学，这从根本上违背了《课标》所要求的基本理 念。提高学生生物科学素养是《课标》中课程基本理念中的核心任务，教师需要有深挖教材内容、明 确知识本质内容的能力。教师需要有不断在自己学科领域乃至跨学科领域拓展丰富知识的自觉性 与能力，在课堂上与课下和学生的交流中帮助学生真正地理解知识，激发其学习与求知的欲望，提 升其探究能力，更加全面和真实地了解生物科学的本质。

参考文献：

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(下转第68页）

68北京教育学院学报（自然科学版冤

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Practice Research of Core Concept Teaching Approach of Information Technology

Yu Xiaoya1, Niu Limin2, Liu Yan3

(l.Faculty of Information Technology and Vocational Education, Beijinglnstitute of Education, Beijing 100120, China;2.Xicheng Experimental School of The Second High School Attached to Beijing Normal

Abstract: The core concept is the conceptual knowledge in the center of a discipline, focusing on

the excavation of the essence of things, and cultivating students 爷 creativity and complex thinking. Core

concept teaching approach requires teachers to inspire students* deep understanding ability. In the re­search of teaching design and practice exploration of animation module, this paper found that comple­menting the knowledge structure of information technology and clarifying core concepts can help teach­ers grasp the overarching knowledge, and thus help guide students* upper-level thinking and cultivate their critical thinking in order to help them adapt to the complex and diversified reality in the era of Internet Plus era. In view to the difficulties that exist in implementing core concept teaching approach in the subject of information technology, this paper suggested some solutions and strategies based on case studies.

Keywords: core concept; information technology; knowledge structure; critical thinking

(责任编辑曹青）

University, Beijing100120, China; 3.BeijingNo. 7 Middle School, Beijing100120, China)

(上接第46页）

Difficult Points of Cell Engineering in High School Biology Textbooks of People's Education

Press

Yang Wenhang

Abstract: The cell engineering part in the Third Volume of Elective Modules of high school biolo­

gy textbooks published by People's Education Press (PEP) involves many modern biological technology, and is with a widespread contact with the Compulsory Modules. Based on the link in the knowledge structure, this paper analyzed the difficult points of cell engineering in high school biology textbooks of PEP in order to improve the efficiency of the new teaching of cell engineering in the third volume of Elective Modules and also the first round review to help deepen students 爷 understanding of this part.

Keywords: high school biology; cell engineering; textbook analysis

(责任编辑李骞）

(BeijingRitan High School, Beijing 100020, China)