分子生物学遗传学篇1
关键词：生物科学；核心课程；逻辑关系
中图分类号：G633.91
文献标识码：a文章编号：1674-9944（2016）21-0130-03
1引言
生物化学、遗传学、细胞生物学、分子生物学、基因工程学是生物科学专业的核心课程，由于它们相互联系，交叉渗透，因此存在逻辑关系不清，课程内容重叠较多等问题，例如原核生物和真核生物基因表达调控在生物化学、细胞生物学、分子生物学都有介绍，基因工程原理在分子生物学、基因工程学中都有介绍，导致教师教学内容难以起舍，课程顺序难以安排。要理顺生物化学、遗传学、细胞生物学、分子生物学、基因工程学的逻辑关系，确定各课程教学内容和教学顺序，必须把其定义，研究内容，发展历史动态结合起来。
2生物科学专业核心课程概述
2.1生物化学
生物化学是运用化学的理论和方法研究生物分子结构与功能、物质代谢及遗传信息传递与调控规律的科学。
生物化学是生命科学中最古老的学科之一。随着生命科学的发展，各学科相互渗透。18世纪，一些从事化学研究的科学家转向生物领域，为生物化学的诞生播下了种子。19世纪末，生物化学从生理化学中独立。20世纪中后期又从生物化学分离出部分内容与遗传学部分内容结合为分子生物学，然后，分子生物学基因操作部分独立出来，形成基因工程学。
1920年以前，生物化学研究内容以分析生物体的化学组成、性质和含量为主，称为静态生物化学时期。
1920年-1950年，随着同位素示踪技术、色谱技术等物理学手段的广泛应用，生物化学从单纯的组成分析深入到物质代谢、能量转化，如：光合作用、生物氧化、糖、脂肪、蛋白质代谢等领域。这是生物化学飞速发展的时期，称为动态生物化学时期。
1950年以后，蛋白质化学和和核酸化学进展迅速，生物化学进入了分子生物学时期。分子生物学的发展揭示了生命本质的高度有序性和一致性，是人类在认识的巨大飞跃。根据生物化学的定义和历史，生物化学研究的内容包括以下几个方面。
2.1.1生物的物质组成
生物是由一定的物质按特定的方式组成的，直到今天，新物质仍不断被发现。如陆续发现的干扰素、环核苷一磷酸、钙调蛋白、粘连蛋白、外源凝集素等都具有重要的生物学功能。另一方面，早已熟知的化合物也发现了新的功能，如20世纪50年代才知道肉碱是一种生长因子，而到60年代又发现其是生物氧化的载体。
2.1.2物质代谢
生物体内绝大部分物质代谢是在酶催化下进行的，具有高度自动调节能力。一个小小的细胞内，有近2000种酶，在同一时间内，催化各种不同的化学反应。这些化学反应互不干扰，有条不紊地进行。表明生物体内的物质代谢有精确的调节控制系统。
2.1.3结构与功能
生物大分子的功能与其特定的结构有密切关系。如酶的活性中心的结构决定其催化活性及其特异性；变构酶的活性还与其催化的代谢终末产物的结构有关。
核酸中核苷酸排列顺序的不同，其结构就不同，所含遗传信息不同。这些不同的构象对基因的表达具有调控作用。
生物体的糖包括多糖、寡糖和单糖。由于多糖链结构复杂，具有很大的信息容量，对于细胞专一地识别、相互作用具有重要作用。糖类将与蛋白质、核酸并列成为生物化学的主要研究对象。
在生物化学中，有关结构与功能关系的研究才仅仅开始，尚待大力研究的问题很多，其中重大的有：亚细胞结构中生物大分子间的结合，细胞的相互识别、细胞的接触抑制、细胞间的粘合、抗原与抗体的作用、激素、神经介质与其受体的相互作用等。
2.1.4繁殖与遗传
生物典型特点是具有繁殖与遗传特性。基因是Dna分子中的一段核苷酸序列，现在Dna分子的核苷酸序列已不难测得，不但能在分子水平上研究遗传，而且还可能改变遗传，从而派生出基因工程学。
2.2细胞生物学
细胞生物学是从显微水平、亚显微水平和分子水平研究细胞的结构及其生命活动规律的科学。
过去，细胞生物学主要是在光学显微镜下对细胞的形态结构和生活史进行研究，称为细胞学。20世纪50年代以来，由于电子显微镜、放射性同位素、细胞结构组分分离技术、细胞培养等技术的广泛应用，特别是分子生物学的兴起，使细胞生物学研究的广度和深度都有迅猛发展，从宏观到微观、从平面到立体、从定性到定量、从分析到综合；从细胞、亚细胞、分子三个水平研究细胞的结构与功能、分裂与分化、衰老与死亡等生命活动规律及其调控机制，细胞与细胞、细胞与环境之间的相互关系。使原来以形态结构研究为主的细胞学转变成以生理功能研究为主、将结构与功能紧密结合起来的细胞生物学。由于细胞生物学在分子水平上的研究工作取得了深入的进展，因此细胞生物学又称为细胞分子生物学。细胞生物学研究内容如下。
2.2.1细胞社会学
细胞社会学是细胞生物学中的一个新的领域。它是以系统论的观点研究细胞群体中细胞间的相互关系、细胞群体的社会行为；细胞识别、通讯、相互作用；整体和细胞群对细胞的生长、分化、形态发生和器官形成等活动的调控；细胞外环境对细胞的影响。
2.2.2细胞的增殖、生长、分化与调控
研究细胞增殖、生长、分化及其调控机制，不仅是控制生物生长和发育的基础，而且是研究细胞癌变和逆转的重要途径。
2.2.3细胞遗传学
细胞遗传学从细胞学角度来研究染色体的结构和行为以及染色体与细胞器的关系，从而探讨遗传与变异的机制等。
2.2.4细胞化学
细胞化学：用切片或分离细胞成分，对单个细胞或细胞各个部分进行定性和定量的化学分析，研究细胞结构、化学成分的定位、分布及其生理功能。
2.2.5分子细胞学
分子细胞学：从分子水平研究细胞与细胞器中蛋白质、核酸等大分子的组成、结构与功能及其遗传性状的表现和调控等，探讨细胞生命活动的分子机理。
2.3遗传学
遗传学是研究生物遗传和变异规律的科学。孟德尔认为生物性状的遗传是受遗传因子控制的，并提出了遗传因子分离和自由组合的基本遗传规律。1900年，孟德尔的成果得到广泛重视，成为遗传学的基石。
20世纪初，利用光学显微镜发现了细胞有丝分裂和减数分裂过程中染色体及其行为，奠定了遗传的染色体理论基础。1910年左右，美国遗传学家摩尔根及其同事根据对普通果蝇的研究，提出了基因的连锁交换规律，并结合当时的细胞学成就，创立了以染色体遗传为核心的细胞遗传学。
遗传信息在分子水平上研究始于20世纪40年代。随着电子显微镜的发明，人们已能够直接观察遗传物质的结构及其在基因表达过程中的特征，使细胞遗传学的研究进入分子水平。
1953年，沃森和克里克提出了Dna的双螺旋结构模型，为进一步阐明Dna的结构、复制和遗传物质如何保持世代连续的问题奠定了基础，开创了分子遗传学这一新的学科领域。
遗传学研究的领域非常广泛，可划分成经典遗传学、细胞遗传学、分子遗传学和生统遗传学4个分支，各个分支领域相互联系、相互重叠、相互印证，组成了一个不可分割的整体。
经典遗传学研究从亲代到子代的遗传特性，包括遗传的分离规律；独立分配规律；连锁和交换遗传规律及机理；基因互作及其与环境的相互关系；性别决定与伴性遗传；基因及染色体变异；数量性状的特征及其多基因假说，近亲繁殖和杂种优势；细胞质遗传等。
细胞遗传学是通过细胞学手段对遗传物质进行研究。其内容包括细胞的结构和功能；染色体的形态结构；细胞的有丝分裂，减数分裂；配子的形成和受精。
分子遗传学是从分子的水平上研究遗传物质的结构及遗传信息的传递。内容包括Dna复制、转录和翻译，基因突变及修复，原核生物和真核基因表达与调控；基因、基因组及作图，遗传重组。
生统遗传学是用数理统计学方法来研究生物遗传变异规律的学科。根据研究的对象不同，又可分为数量遗传学和群体遗传学。前者研究生物体数量性状即由多基因控制的性状遗传规律，后者是研究基因频率在群体中的变化、群体的遗传结构和物种进化。
2.4分子生物学
分子生物学是从分子水平研究核酸与蛋白质的结构与功能、遗传信息传递和调控，阐明生命本质的科学。
从19世纪后期到20世纪50年代初，确定了蛋白质是生命的主要物质基础，Dna是生物遗传的物质的载体，是现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段。
从20世纪50年代初到70年代初，是现代分子生物学的建立和发展阶段，1953年watson和Crick提出的Dna双螺旋结构模型为现代分子生物学诞生的里程碑，确立了核酸作为遗传信息分子的结构基础，提出了硷基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式，为核酸与蛋白质的关系及其在生命中的作用打下了最重要的基础。
70年代后，基因工程技术出现，人类进入认识生命本质并开始改造生命的发展阶段。
分子生物学原来是生物化学的一部分，因其太重要了，20世纪中后期从生物化学中分离出来并与遗传学结合，独立出来成为单独的学科，是生物化学的发展和延续。涉及的部分内容比生物化学更细致深入，并从整体上考虑。
分子生物学从蛋白质、核酸、基因及基因组结构开始，以中心法则为主线，阐述生物大分子在信息传导、基因表达调控中的相互作用和机理。主要内容包括蛋白质、核酸、基因和基因组的结构、Dna的复制、转录、转录后加工、基因突变与修复、蛋白质生物合成和翻译后加工、原核生物基因表达的调控、真核生物基因表达的调控。基因工程技术的原理和应用等。
2.5基因工程学
20世纪70年代，随着Dna的内部结构和遗传机制逐渐呈现在人们眼前，生物学家不再仅仅满足于探索、揭示生物遗传的秘密，而是开始设想在分子的水平上去干预生物的遗传特性。这就像工程设计，按照人类的需要（设计）把这种生物的某个“基因”与那种生物的某个“基因”进行“施工”，“组装”成新的基因组合，创造出新的生物的工程技术被称为“基因工程”。
基因工程包括如下几个主要的内容：①目的基因的合成或提起分离。②载体的构建。③将载体转移到受体细胞并增殖。④重组Dna分子的受体细胞克隆筛选。⑤将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，产生出人类所需要的物质。
3课程间的逻辑关系，教学内容选择及课程顺序安排
从生物化学、遗传学、细胞生物学、分子生物学、基因工程学的定义，研究内容，发展历史动态可知，各学科的逻辑关系是：理解细胞结构及功能需要一定的生物化学基础，理解遗传物质的结构和功能需要一定的细胞生物学基础，而分子生物学是生物化学、遗传学交叉融合的产物，研究核酸和蛋白质分子结构和功能以及相互关系，而各个分子不能孤立发挥作用，必须依赖于一定的细胞结构，因此，生物化学是细胞生物学的基础；细胞生物学是遗传学和分子生物学的基础。基因工程是利用分子生物学的理论和实验技术进行转基因操作的部分独立出来的，因此分子生物学是基因工程学的基础。所以，高校应按生物化学、细胞生物学、遗传学、分子生物学、基因工程的顺序安排课程教学最为合适。
由以上可知，由于历史的原因，生物化学、细胞生物学、遗传学、分子生物学、基因工程学相互联系，交叉渗透，研究内容重复较多。因此，本研究根据其定义、逻辑关系及发展历史，同时为编写教材和教学的方便，建议生物化学、遗传学、细胞生物学、分子生物学、基因工程学教学内容如下。
（1）生物化学主要教学内容主要有：蛋白质化学、核酸化学；酶学基础；糖代谢与生物氧化；脂类代谢；蛋白质的分解代谢等内容。而将Dna复制、转录、翻译、突变、修复及原核生物和真核生物基因表达调控留在分子生物学讲授。
（2）细胞生物学的教学内容主要有：细胞的基本结构；细胞生物学研究方法；细胞膜的结构与功能及物质跨膜运输；细胞质基质与细胞内膜系统；细胞通讯与信号传递；线粒体和叶绿体；细胞核与染色体；细胞骨架；细胞增殖及其调控；细胞分化、衰老与凋亡。
（3）遗传学的教学内容主要有：遗传的分离规律；独立分配规律；连锁和交换遗传规律；基因互作及其与环境的关系；基因定位与连锁遗传图；性别决定与伴性遗传；基因及染色体变异；染色体畸变；数量性状的特征及其多基因假说；近亲繁殖和杂种优势；细胞质遗传；遗传重组。
（4）分子生物学的教学内容主要有：Dna的复制、转录、转录后加工、基因突变与修复、蛋白质生物合成和翻译后加工、原核生物基因表达的调控、真核生物基因表达的调控。
（5）基因工程学的主要教学内容有：基因工程技术的原理和应用等。
以上各门课的教学内容相对前述和我国现行教材的教学内容作了较大调整，例如；核酸和蛋白质的组成及结构只在生物化学中讲授，细胞信号传递只在细胞生物学中讲授，基因工程原理只在基因工程学中讲授，避免了课程内容的重复。
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分子生物学遗传学篇2
关键词遗传标记;生物技术;应用
abstractasthebiologicalscienceandbio-technologydeveloping，geneticmarkers，particularlymolecularmarkersareincreasinglywidespreadinbiologicalresearch.inthisarticle，thedevelopmentandclassificationofgeneticmarkerswerediscussed，andtheapplicationinbiotechnologywasintroduced.
Keywordsgeneticmarker;biotechnology;application
遗传和变异作为生物的重要特征之一，决定着生物的生存和进化。在对物种的遗传和变异进行研究的过程中，遗传标记(Geneticmarker)是指那些表现变异性，且遵循简单遗传方式的性状或物质，是非常重要的任何遗传分析都不可缺少的工具，其作为遗传物质特殊的易于识别的表现形式，可以用来研究基因遗传和变异的规律[1]。
1遗传标记的发展
19世纪60年代，mendel以豌豆为材料，详细研究了豌豆的7对相对性状的遗传规律。由于这些性状都具有典型的外部形态，很容易识别，从而构成了最早的遗传标记，即形态学标记，由此奠定了近代遗传学的基础。1900年以后，morgan等将mendel所称的“遗传因子”(inheritedfactor)的行为与细胞核内染色体的行为相联系进行研究，导致细胞遗传学的诞生，从而使细胞学标记得到应用。随着生物学各个分支学科的发展，遗传标记从可见形态的表现型扩展到生理、生化、细胞、发育和免疫等多个方面，但所有这些标记都是从生物学方面进行判别。1941年Beald和tatum通过研究红色面包酶的生化突变型，提出了“一个基因一个酶”的假说，创立了生化遗传学，这也是第1个将生化标记用于遗传多样性分析的实例。生化标记在50年代末60年代初被大量应用。同工酶标记的兴起，使遗传标记的识别突破了活体形式，但仍然没有突破表达基因的范围。1953年，watson和Crick提出了Dna分子结构的双螺旋模型，宣布分子遗传学时代的到来。1974年，Grodzicker等首次提出Dna限制性片段长度多态性(RFLp)可以作为遗传标记，开创了直接应用Dna多态性作为遗传标记的新阶段。1985年mullis等发明了聚合酶链式反应(polymerasechainreaction，pCR)，使直接扩增Dna的多态性成为可能，随着pCR的迅速发展，又产生了各种新型的分子标记，从而使遗传标记进入了一个日新月异的发展阶段[2]。
2遗传标记的分类
2.1形态学标记
形态学标记是最原始的生物性状遗传标记，是指肉眼可见的生物特定的外部特征特性。经过遗传学家的努力，已建立了许多形态标记的遗传图谱，但需要寻找或人工诱变突变体。这就使形态标记构建时间变长，并且这种标记易受环境影响，突变对有利形态标记会产生不利影响[3]。
2.2细胞学标记
随着遗传学和细胞学的发展，人们将遗传现象与染色体结合起来。染色体数目及结构的变化常常引起表型的变化，因此染色体的变化可以作为一种遗传标记。
2.3生物化学标记
1952年neilands首次结晶出2种类型的乳酸脱氢酶，并证实它们为同工酶，即它们是来源相同、催化反应性质相同而分子结构有差异的酶蛋白分子。不同的同工酶所带的电荷不同，可通过电泳分离，并经与底物反应或染色，检测它们的存在与否和分子质量的大小，因而可作为遗传标记。但在植物的群体研究中，仅有10～20种同工酶表现出位点的多态性[4]。
2.4免疫学标记
免疫学标记是以动物个体的免疫学特征为遗传标记。早在1900年，ehrlich和morgenroth指出山羊红细胞表面存在抗原，并证明这些抗原具有个体差异。20世纪80年代初，人们转向白细胞抗原的研究，即主要组织相容性复合体(mHC)，根据个体淋巴细胞抗原特异性，研究品种间、个体间的性状差异，并应用于遗传育种[5]。
2.5分子标记
生物体之间的差异本质上是Dna水平上的差异。以Dna多态性与性状间的紧密连锁关系为基础遗传标记，是性状基因的真实反映，能在不同发育阶段对不同组织Dna进行检测分析。分子标记具有以下优点:直接以Dna的形式出现，不受环境和其他因素的影响;多态性几乎遍及整个基因组;表现为中性标记;不影响目标性状的表达，与不良性状无必然连锁;有许多分子标记为共显性;部分分子标记可分析微量Dna样品[6]。
3遗传标记检测技术的分类
Dna分子标记检测技术大致可分为3类:第1类是以电泳技术和分子杂交技术为核心的分子标记技术;第2类是以电泳技术和pCR技术为核心的分子标记技术;第3类是以Dna测序为核心的分子标记技术。
3.1以电泳技术和分子杂交技术为核心的分子标记
3.1.1限制性片段长度多态性(RestrictionFragmentLengthpolymorphism，RFLp)。RFLp是利用放射性同位素标记(如32p)或非放射性标记(如地高辛标记)探针，与转移于支持膜上的总Dna(经过限制性酶消化)杂交，通过显示限制性酶切片段的大小，来检测不同遗传位点变异(多态性)的一种技术。
3.1.2Dna指纹(Dnafingerprinting)标记。Dna指纹标记是以重复序列为探针进行分子杂交，由于不同基因型中的重复次数不同而产生多态性的分子标记。目前常用的Dna指纹标记主要有微卫星Dna(microsatelliteDna)标记和小卫星Dna(minisatelliteDna)标记。
3.2以电泳技术和pCR技术为核心的分子标记
pCR技术问世不久，便以简便、快速和高效等特点迅速成为分子生物学研究的有力工具，尤其是在Dna分子标记技术的发展上更是发挥了巨大作用。根据所用引物的特点，这类分子标记可概括为3种类型:
3.2.1单引物pCR标记。是以一个寡核苷酸序列为引物，对基因组Dna进行pCR扩增来鉴别多态性Dna的过程。其代表性技术是RapD。随机扩增多态性Dna(RandomamplifiedpolymorphismDna，RapD)是以寡核苷酸序列(通常为10个核苷酸)为引物，对基因组Dna随机扩增，从而得到多态性图谱作为遗传标记的方法。
3.2.23′端具有选择性的双引物pCR标记。该类最典型的技术为扩增片段长度多态性(amplifiedfragmentlengthpoly-morphisms，aFLp)。其基本原理是利用一个在基因组Dna中酶切位点少的内切酶和一个内切酶位点多的内切酶组合，对基因组Dna进行完全消化，再使用双链人工接头与酶切片段的粘性末端连接作为反应模板，先进行预扩增，之后再进行选择性pCR扩增，最后通过变性聚丙烯酰胺凝胶电泳展现其多态性[7]。
3.2.3基于特异双引物的pCR标记。切割的扩增产物多态性序列(Cleavedamplifiedpolymorphismsequence，CapS)标记是指pCR产物经限制性内切酶消化后所表现出的Dna片段长度的变异，表现为共显性遗传。特异引物序列来自基因数据库、基因组或cDna克隆以及已克隆的RapD条带等。
3.3以Dna测序技术为核心的分子标记
随着人类基因组研究计划的深入和Dna自动测序技术的不断改进，以Dna序列为核心的分子标记也孕育而生，其中最具代表性的是表达序列标定标记(expressedsequencetags，eSt)。eSt标记主要是在cDna文库中随机挑选克隆，并进行单向测序(Singlepasssequencing)生成的250～400bp的核苷酸序列片段。由于etS来源于cDna克隆，因此部分反映了基因组的结构及不同组织中基因的表达模式[2]。
4遗传标记的应用
4.1遗传图谱的构建
一般步骤包括:选择用于作图的遗传标记;根据遗传材料的多态性确定作图群体的亲本和组合;培育具有大量遗传标记处于分离状态的群体或衍生系;作图群体中不同个体和品系标记基因型确定;标记之间的连锁群的构建。
4.1.1经典遗传图谱。经典遗传图谱构建理论基础是染色体的交换和重组。用重组率来揭示基因间的遗传图距，其单位用厘摩(centimorgan，cm)表示，1个cm的大小大致符合1%的重组率[8]。
4.1.2分子遗传图谱。在高等植物中，RFLp最初用于已被经典遗传学比较详细研究的一些作物的遗传图谱的构建，如玉米和番茄[9-10]。对样品提取所得Dna采用多种限制性内切酶处理，对所有探针在亲本间的多态性进行检测。aFLp能够揭示大量的多态性位点，可以弥补传统的RFLp标记多态性低的缺点，特别是对于没有很多Dna序列的物种来说，利用其近源种的Dna序列(包括eSt)而发展的其他分子标记结合aFLp标记，构建高密度的遗传连锁图是非常有效的一种策略[11]。
4.2基因定位
基因定位是遗传学和育种学研究中的重要内容，也是基因克隆的基础工作。目的基因的定位一般要经过初步定位和精细定位2个过程。目的基因的初步定位是利用分子标记技术在一个目标性状的分离群体中把目的基因定位在染色体的一个区域内。在初步定位的基础上，利用高密度的分子标记连锁图对目的基因区域进行区域高密度分子标记连锁分析，以便精细定位目的基因。
5小结
动物遗传标记是随着人类对基因由现象到本质的认识而由形态标记向分子标记逐步发展的过程，技术手段由复杂、高成本向简便、低成本转变。各个阶段的遗传标记方法，各有其优缺点和使用范围。随着分子生物学技术的深入和完善，遗传标记手段必将逐步改进，为遗传学研究和遗传育种起到巨大的推动作用。
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分子生物学遗传学篇3
[关键词]林木遗传多样性研究方法保护措施
一、林木遗传多样性研究方法
生物多样性的基础是遗传多样性，遗传多样性是指种内基因的变化，也称为基因多样性[1]。对于林木遗传多样性的研究，首先注意到的是林木遗传变异的研究。其研究包括地理种源、林分、个体、个体内变异四个方面。这些变异体现在表型、细胞、生化、Dna分子等不同水平上[2]，一个种群遗传多样性越高或越丰富，适应环境的能力就越强。多样性的测定对研究物种起源、基因资源分布和进化潜力等具有重要意义[3，4]。
表型标记是最初的遗传标记，用表型标记检测遗传多样性是最直接、最简便易行的方法。植物群体在长期适应环境过程中，个体和群体之间存在着不同的形态变异。同一树种分布在不同环境中，受环境和基因交流的限制，表型性状也存在着一定的差别[5]。遗传性状稳定、多态性好的表型至今在分类学和遗传学中广泛应用。其中叶形态是一个重要的表型特征[6]。表型标记虽然具有直观易辨、造价低廉等优点，但在揭示品种间的差异上，存在着一定的局限。
染色体是遗传物质的载体，是基因的携带者，与形态学变异不同，染色体变异（畸变）必然导致遗传变异的发生，是林木遗传变异的重要来源[7]，染色体的变异主要表现为染色体形态与结构的变异和染色体数目的变异两种类型，染色体研究技术的发展，如细胞原位杂交技术的应用，在染色体水平上将揭示出更加丰富的遗传多样性[8]。由于某些林木物种对染色体数目和结构变异反应敏感，有些则适应变异的能力较差。到目前为止，可利用的细胞学标记仍屈指可数[9]。
生化标记主要包括同工酶和贮藏蛋白，20世纪50年代以后出现的蛋白质电泳技术[10]，使根据具有的相同生物功能但蛋白质组成不同的酶来反映个体或群体之间差异的同工酶标记发展起来了[11]。同工酶遗传变异多存在于林木群体内或种源内，群体多样性程度也与地理距离存在一定的关系。然而，由于同工酶电泳技术只能检测编码酶蛋白的基因位点，对非结构基因则无能为力，限制了这种技术的广泛应用[8]。
近年来，生物化学和分子生物学技术迅猛地发展，一些相对简便且花费不高的分子生物学方法为更好地组织群体内部有用的遗传变异提供信息。以Dna多态性为基础的遗传标记，可代表物种本身遗传特性，不受环境条件和发育时期等因素的影响[12]，目前应用与林木遗传多样性研究最普遍的Dna分子标记技术主要有RFLp、RapD、aFLp、SSR、eSt和Snp等。分子标记技术的发展，使准确评价林木群体遗传多样性和遗传变异成为可能[13]。利用这种技术，可以从本质上揭示不同林木物种遗传变异规律[14]，探讨林木种群的亲缘关系和基因流向，这为育种学家选育新品种提供有力的技术支撑，也为种植资源的保护和物种分化研究提供基础资料。
二、保护林木遗传多样性的措施
我国有3万多种高等植物，其中15～20%处于或临近濒危状态[15]。由于外地种群的引入和新品种的推广，当地遗传资源有可能遭受严重污染。加之对自然资源的开发利用和环境污染，使得林木的遗传多样性受到了较大威胁。如果遗传多样性得不到应有的保护，一个物种的灭绝就意味着将有难以数计的遗传多样性的消失。
为保护林木的遗传多样性，首先要了解一个地区某一树种的遗传多样性水平，同时还要加强树种遗传多样性水平、繁殖特点及其与环境互作关系等方面的研究，以便能针对树种的不同情况采取相应的保护措施；结合林木改良育种工作，通过建立基因库、标本园，甚至测定林等进行异境保存；还要注意把遗传多样性的保持同造林结合起来，生长周期长的树种以采用多样性较丰富的实生苗造林最好，而生长周期短的树种可采用多无性系混合造林，这样即可以保持一定的树种遗传多样性，又可以防止因遗传基础窄化可能带来的不必要损失[16]。与此同时，行政部门也要积极保护林木遗传多样性，可以通过制定一系列有关的政策、规则，加强宣传，不断提高全体公民对保持林木遗传多样性的认识，为遗传多样性保持工作的顺利开展创造一个优良的社会环境。
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分子生物学遗传学篇4
文章编号：1003-1383(2007)06-0737-02中图分类号：R394-33文献标识码：B
遗传学是一门发展迅速的生物学分支科学,它从基因水平研究生物的遗传规律,所研究对象涉及了动物、植物、微生物、人类等形形的生物,近年来,随着人类基因组计划的实施，在基因组研究,克隆技术,生物制药,基因诊断与治疗等领域中取得了令人瞩目的成果。由于受传统教育思想的影响，多年来实验教学都是以理论教学为中心，验证课堂上所讲的理论知识，学习有关的实验技术，忽略了能力的培养，这种教学方式限制了学生的创新思维和创新能力的培养。本文结合我校的遗传学实验教学改革进行初步探讨。
遗传学实验主要表现
实验教学是高等院校教学不可或缺的重要组成部分，它在培养学生综合素质和创新能力方面所起到的重要作用，是其他任何教学形式都无法替代的［1］。实验教学不光是为了证实课堂上所学的理论和仅仅掌握一些实验操作技术，而是为了在巩固理论知识的同时，提高学生的科学思维能力、研究能力，培养学生的探索精神、创新意识和创新能力。同志指出：“创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力，一个没有创新能力的民族难以屹立于世界先进民族之林”。如何在实验教学中培养学生的创新意识、创新能力，造就创新型人才，是形式发展的需要。当前我校生物技术专业的遗传学实验主要表现在3个方面。
1.经典遗传学实验内容多，现代遗传学实验内容少遗传学实验主要包括两大内容：①细胞遗传学技术占33%，包括染色体核型及带型分析、染色体结构及数目变异鉴定等染色体操作技术；②经典遗传学验证性实验内容占50%，以三大遗传规律验证为主，忽视了遗传学实验，一是分子遗传实验内容为0，如Dna提取、酶切、连接、扩增与检测技术，基因突变RapD分析等实验；这些实验技术已经成为现代分子遗传学或生物技术的基本内容，本科生不掌握难以跟上遗传学快速发展的步伐，也与目前遗传学理论教学不相适应。二是群体遗传学实验内容仅占17%，如基因数目估计，遗传率估算，群体基因结构分析及遗传疾病风险估算等实验技术，是群体及数量性状遗传研究的基本技术，但这些实验内容却很少。
2.验证性实验多，综合性、设计性、创新性实验少验证性实验50%，综合性30%、设计性20%、创新性实验几乎没有。采用传统的实验设计方法,整个教学过程中学生处于被动接受的地位,学生过分依赖教师的指导,不能独立操作、观察,习惯做完一步就问教师下一步做什么。学生没有机会去设计、去思维、去创新。这种教学模式不利于提高学生研究遗传学的实验技能,不利于提高学生的独立能力、观察能力、判断能力和解决问题的能力,影响学生对实验设计方法的深入理解,不利于学生创造性思维的科研素质培养。
3.课外完成的实验多，课内完成的实验少在所开设的10个实验中，需要课外完成的实验有6个，占60%，如人类染色体标本制备，整个过程需要经历采血、培养、加秋水仙素、制片等过程，培养时间需72小时，课堂计划4学时内学生不可能完成，必须由老师或学生事先做，计划内的4学时仅是学生的制片。而一般的遗传学实验，一次课仅有3～4学时，许多实验操作在有限的时间内不可能完成，学生无法参与实验的全程，一旦离开老师的协作仍然无法独立开展类似实验。お
遗传学实验教学改革形式
1.重组实验内容将原来的10个遗传学实验重组、整合为经典遗传学实验、细胞遗传学实验、分子遗传学实验和群体遗传学实验4个模块。在经典遗传学实验中果蝇杂交实验作为设计性实验；群体遗传学实验的人类正常遗传性状的调查，作为设计性实验；细胞遗传学的人类染色体的制作为综合性实验，其实验课时比重分别为4∶3∶2∶1。
2.增加分子遗传学实验技术我校生物技术专业的课程设置了《分子生物学》，其课程已经开设了分子生物学的基本实验，学生掌握了分子生物学的基本实验技能，在《遗传学》实验中，则重点突出人工诱发基因突变的方法设计、各诱发突变处理材料与未诱变材料RapD指纹差异分析，以及结合医学院校的特点，对广西特有的遗传病，如地中海贫血的检测，避免与生物化学、分子生物学等实验内容重复。
3.增设创新性实验4个实验模块做为《遗传学》实验必做的基本实验，此外为培养学生的创新能力，造就创新型人才，教师给学生一些方向性的选题，如结合广西特有的动、植物，进行的染色体分析技术；环境中致畸、致癌、致突变（三致）物质的检测等，由学生组成课题组按申报课题的方式写出标书，专业教师审核其可行性，配指导教师进行创新性实验1个，学生边设计、边实验、边研究。
4.实施全天性开放实验教学为配合综合性、设计性、创新性实验，实验室实施全天性开放实验教学，让学生不受实验室、实验学时和实验项目的限制，实验室三开放：时间开放、实验项目开放、试剂和仪器设备开放。学生可以通过自行查阅文献、自行设计实验、独立完成实验，教师只是起引导作用。实验室安排教师值班、并负责指导学生，学生自我调节、合理安排实验时间，同时可提高高档仪器设备的使用效率。通过问卷调查，95%的学生认为开放实验室对动脑与动手能力的培养是封闭式教学所无法替代的，对重视学生个性的培养，确立以学生为中心和主体地位大有裨益，是符合教育规律和人才成长规律的培养模式的［2，3］。
5.考核方式的改革实验教学实行学分制，一般不进行书面考试，着重学生设计思路、实验技能与实际操作水平的考核，方式可以口试、操作、实验报告、论文报告、答辩或研讨等方式进行考核，实验设计、实验操作、创新性实验按（4∶4∶2）的比例，对学生进行综合考核评价。
通过对2000~2003级生物技术专业的学生实行实验教学的改革，认为遗传学实验有助于学生独立思考能力，动手能力，分析问题、解决问题的能力，逻辑推理能力等的培养，有助于对经典遗传学的理解，达到融会贯通、事半功倍的效果。从《遗传学》实验课问卷调查可看出，03级生物技术有97.7%的同学赞成开放性实验，有近90%的同学认为对培养实践能力有较大的帮助，此外90%的同学希望能增加更多的开放性实验内容以供同学选择。在2004级的同学中我们正在开展创新性实验，由学生自行确定选题，设计实验方案，在经费许可条件下，购买试剂，完成实验，目前正在进行中。通过实验教学的改革力求将培养目标由知识技能型转变成能力培养型，实验教学以学生的实验动手能力、综合分析能力和创新能力的培养为目的，以适应创新型人才培养的要求。
参考文献
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［2］陆审龙.开放教学实验室，提高学生创造能力［J］.实验室研究与探索，1999，6（8）：10.
分子生物学遗传学篇5
遗传学中心法则，描述从一个基因到相应蛋白质的信息流的途径。遗传信息贮存在Dna中，Dna被复制传给子代细胞，信息被拷贝或由Dna转录成Rna，然后Rna翻译成多肽。
分子遗传学是在分子水平上研究生物遗传和变异机制的遗传学分支学科。经典遗传学的研究课题主要是基因在亲代和子代之间的传递问题；分子遗传学则主要研究基因的本质、基因的功能以及基因的变化等问题。分子遗传学的早期研究都用微生物为材料，它的形成和发展与微生物遗传学和生物化学有密切关系。
（来源：文章屋网）
分子生物学遗传学篇6
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（1）了解染色体、Dna、基因三者之间的关系。了解遗传性状的概念和相对性状的实例。了解优生优育的措施和生物变异的概念。
（2）理解Dna是主要的遗传物质。理解性染色体和常染色体的概念和性别决定的方式。理解遗传病和近亲结婚的关系。理解可遗传变异和不可遗传变异区别及变异对生物生存和发展的作用和意义。
（3）灵活应用基因控制生物的性状。
2.教学重点及难点
（1）明确“遗传、变异、性状、相对性状、基因”等概念之间的联系。
（2）培养自我建构知识网络的能力。
3.教学流程
3.1情境导课
学生活动：“小婷读报”现场。观众朋友们，大家好。我是“小婷读报”主持人小婷。今天新华日报头版头条登出了这样一条消息：因“发现器官发育和细胞程序性死亡的遗传调控机理”而获得2002年诺贝尔生理学或医学奖的美国著名生物学家H?罗伯特?霍维茨将于北京时间2013年4月9日来宁挑选他的助手。据说应聘现场相当火爆。
3.2第一关：基础梳理，紧扣考点
3.2.1复习Dna是主要的遗传物质
教师活动：幻灯片展示4个问题：（1）遗传信息的中心是什么？（2）细胞核中易被碱性染料染成深色的物质是什么？（3）生物主要的遗传物质是什么？（4）染色体、Dna、基因三者之间的关系是什么？
学生分组讨论，并回答问题。
教师活动：结合染色体、Dna、基因图片，给出正确答案，并给答对的学生分发通行证。
学生填写学案：遗传信息的中心为细胞核，细胞核中易被碱性染料染成深色的物质为染色体，染色体由Dna和蛋白质组成，Dna是主要的遗传物质，Dna分子上具有特定遗传效应的片段叫做基因。
3.2.2复习人的性状和遗传
教师活动：幻灯片展示3个问题：（1）什么是遗传性状？（2）什么叫做相对性状？有哪些实例？（3）基因如何控制生物的性状？
学生分组讨论，并回答问题。
教师活动：结合一对相对基因，给出正确答案，并给答对的学生分发通行证。
学生填写学案：（1）遗传性状指的是可以遗传的生物体的形态特征和生理特征。（2）相对性状：同一生物、同一性状、不同表现类型。（3）基因是成对的，控制生物性状的基因有显、隐性之分。显性基因是指控制显性性状的基因，用大写字母表示。隐性基因是指控制隐性性状的基因，用小写字母表示。当一对基因中有显性基因时一般表现为显性性状；当一对基因都是隐性基因时表现为隐形性状。
3.2.3复习人类的性别决定
教师活动：幻灯片展示2个问题：（1）人类性染色体和常染色体概念是什么？（2）人类性别决定的方式是什么？
学生分组讨论，并回答问题。
教师活动：给出正确答案，并给答对的学生分发通行证。
学生填写学案：（1）常染色体：与性别决定无关的染色体。性染色体：与性别决定有关的染色体。（2）完成表2。
（3）完成性别决定的遗传图解（图1）。
3.2.4复习遗传病和优生优育
教师活动：幻灯片展示4个问题：（1）什么是遗传病？（2）常见的遗传病有哪些？（3）预防遗传病最有效的措施是什么？。（4）有哪些优生优育的措施？
学生分组讨论，并回答问题。
教师活动：给出正确答案，并给答对的学生分发通行证。
学生填写学案：（1）遗传病是指由遗传物质发生改变而引起的或者是由致病基因所控制的疾病。（2）色盲、血友病、先天性聋哑、苯丙酮尿症等都属于遗传病。（3）预防遗传病最有效的措施：禁止近亲结婚。（4）优生优育的措施主要是：禁止近亲结婚、遗传咨询和产前诊断。
3.2.5复习生物的变异
教师活动：幻灯片展示3个问题：（1）什么是生物的变异？（2）可遗传变异和不可遗传变异区别是什么？（3）生物变异对生物生存和发展的作用和意义是什么？
学生分组讨论，并回答问题。
教师活动：给出正确答案，并给答对的学生分发通行证。
学生填写学案：（1）生物体亲代与子代之间以及子代的个体之间总存在着或多或少的差异叫生物的变异现象。（2）可遗传变异和不可遗传变异根本区别在于：遗传物质是否发生改变。（3）生物变异对生物生存和发展的作用和意义：地球上的环境是变化多端的，如果生物不发生变异，就不能适应不断变化着的生活环境。如果没有可遗传变异，就不能产生新的生物类型。正是由于生物的遗传和变异，才使得生物界由简单到复杂、由低等到高等不断地进化发展。
3.3第二关：考纲扫描，构建网络
教师活动：展示《2013年南京市中考指导书》要求。
学生活动：展示学生预先分组准备好的思维导图。教师请4个小组的代表上台展示他们的作品，并讲解。
教师活动：展示教师准备的思维导图和学生交流分享。以4组学生中最为详细合理的思维导图为依据，对知识点进行简单的总结。给以上展示的小组成员分发通行证。
3.4第三关：核心攻略?解疑点睛
教师活动：展示南京市“生物的遗传和变异”相关中考题，让学生了解中考出题方式，教师总结点睛。
教师活动：给答对的学生分发通行证。
3.5第四关：趣味检测
分子生物学遗传学篇7
1教学内容与要求
课标规定的本单元的内容包括:总结人类对遗传物质的探索过程;概述Dna分子结构的主要特点;说明基因和遗传信息的关系;概述Dna分子的复制;概述遗传信息的转录和翻译。活动建议有两项:搜集Dna分子结构模型建立过程的资料,并进行讨论和交流;制作Dna分子双螺旋结构模型。
1)知识目标
“总结人类对遗传物质的探索过程”属于应用性的内容。这部分内容的教学不是要求学生记住对遗传物质探索过程的史实,而是通过对科学过程的分析领悟科学实验的思想、方法、过程与价值。具体选择哪些科学史实?肺炎双球菌的转化实验以及噬菌体侵染细菌的实验是两个经典实验,应该进行具体的分析。烟草花叶病毒感染烟叶的实验主要用于说明Rna也可以作为遗传物质,在实验设计的思想与方法上与Dna是遗传物质的实验是类似的,因此可以从简些。具体目标包括:①分析肺炎双球菌转化实验及噬菌体侵染细菌的实验,证明Dna是遗传物质;②分析烟草花叶病毒侵染烟草的实验,证明Rna也是遗传物质;③总结遗传物质的共同特征;④评价人类探索遗传物质的实验设计思想与方法。
“概述Dna分子结构的主要特点”属于理解水平。只有明确Dna的结构特点,才能理解Dna对遗传信息的贮存、传递与表达等基本功能。要明确Dna的结构特点,首先应掌握Dna的结构及化学组成,具体目标包括:①概述Dna的元素组成、基本组成物质、结构单位、一级结构,以及沃森-克里克提出的双螺旋结构模型的基本论点;②说明Dna分子结构的稳定性、特异性和多样性。
“说明基因和遗传信息的关系”属于理解水平。本单元的核心内容是阐明基因概念,即从基因与性状的关系上说明基因是控制性状遗传的基本单位,从基因与染色体的关系上说明基因的存在部位及方式,从基因与Dna的关系上说明基因的化学本质,从功能上揭示基因中蕴涵着特定的遗传信息。具体目标包括:①举例说明基因是有遗传效应的Dna片段;②说明基因与遗传信息的关系。
“概述Dna分子的复制”也属于理解水平。Dna通过自我复制将遗传信息从亲代传递到子代,从而保持亲子之间的连续性。具体教学目标为:①概述Dna的复制场所、时间和过程,②说明Dna复制的条件、分子基础和特点,③揭示Dna复制的实质及意义。
“概述遗传信息的转录和翻译”仍然是理解水平。在子代的个体发育阶段,基因控制蛋白质合成的转录与翻译过程,从而使遗传信息得以通过性状而表达。具体目标为:①区别遗传信息转录的场所、模板、过程、结果与条件;②说明翻译过程是信使Rna、转运Rna、核糖体三者之间协同作用的结果;③Dna分子的碱基序列与蛋白质分子的氨基酸序列之间的对应关系上分析说明遗传密码的构成方式;③解说中心法则的论点和意义。④举例说明基因对生物性状的控制作用。
2)情感态度与价值观目标
本单元蕴含了丰富的情感态度价值观的内容。课标在《遗传与进化》模块中提出了要“体验科学家探索生物生殖、遗传和进化奥秘的过程”,在具体内容标准中列出了应用层次的“总结人类对遗传物质的探索过程”的要求,可见通过生物科学史组织教学应该是本模块的基本要求。从人类对遗传物质的探索过程中,可以领悟人们对科学的认识是不断的深化与发展的;从肺炎双球菌的转化实验、噬菌体侵染细菌的实验以及Dna半保留复制等实验中,可以体会从实验材料的选择、研究思路的确定、技术手段的进步对研究过程所起的作用;从Dna双螺旋结构模的构建过程,可以看到不同学科的交叉与渗透以及合作在科学研究中的重要性。通过完美的Dna双螺旋结构模型,可以从分子水平领悟Dna分子之美,从复制、转录与翻译等过程,可以体验遗传信息的传递与表达过程中的和谐之美;从遗传密码可以感悟生物界多样性与共同性的统一。
3)能力目标
课标建议活动“搜集Dna分子结构模型建立过程的资料,并进行讨论和交流”,应该尽量让学生自己去搜集相关的资料,这对于学生搜集、甄别、处理信息能力的培养是十分有帮助的。建议活动“制作Dna分子双螺旋结构模型”是要学生动手制作模型,要通过这一活动让学生体会模型构建在科学研究中的应用,同时培养空间想象能力及动手操作的能力。除了这两个活动外,本单元可以安排的探究活动是非常多的,这些活动分别可以从不同的方面培养学生的能力。如运用分析与推理的方法说明遗传物质应该具备的条件及Dna具备作为遗传物质的条件;尝试运用数学的方法分析遗传信息的多样性、碱基与氨基酸之间的对应关系等相关问题;用假说-逻辑推理的方法探究Dna的复制过程;用资料分析与推理的方法分析遗传信息的转录与翻译过程等等。
2对教学的几点思考
根据本单元的教学目标及内容特点,笔者以为以下几个方面值得关注:
1)充分发挥科学史的作用。生物学是一门自然科学,知识的结论都是通过观察与实验得出或验证的。本单元有着许多经典的科学实验,如肺炎双球菌的转化实验,噬菌体侵染细菌的实验,烟草花叶病毒侵染烟叶的实验,Dna双螺旋结构模型的构建,Dna的半保留复制的证明实验,遗传密码的破译实验等等。通过这些经典科学实验分析与体验,不仅要让学生获得科学知识,更应通过这些实验发展学生的科学探究能力,培养学生质疑、求实、创新及勇于实验的科学精神和科学态度。
如何运用好这些经典的实验素材呢?方法可以是多种多样的,教学中要依据教学目标、教学对象等因素的不同而确定。例如噬菌体侵染细菌的实验可组织如下的教学:
步骤一:提供背景资料。通过投影或视频介绍噬菌体以及噬菌体侵染细菌的过程,让学生明确在噬菌体侵染细菌的过程中,Dna进入了细菌细胞内,而蛋白质的外壳留在了细胞外。
步骤二:引发思考与讨论:
问题1:根据这个实验你能得出什么结论?为什么?
问题2:细菌和病毒那么小,用肉眼是无法观察到的,那么科学家怎么知道Dna进入到了细菌细胞内,而蛋白质没有进入的呢?
问题3:用同位素标记什么元素?
问题4(如果学生无法回答问题3):科学用32p和35S分别标记了噬菌体的Dna中的p和蛋白质中的S,为什么选择标记这两种元素呢?
问题5:用什么办法才能使噬菌体标记上同位素呢?
问题6:用含有同位素标记的噬菌体去侵染不含同位素标记的细菌,结果将会是如何?
问题7:在培养液中我们没有办法直接看到32p位于细菌内,35S位于细菌之外的,有什么办法能够知道呢?
步骤三:归纳总结。通过图示或Cai回顾总结噬菌体侵染细菌的实验过程,并作如下归纳:
①标记噬菌体
含35S的培养基 含35S的细菌 蛋白质外壳含35S的t2噬菌体
含32p的培养基 含32p的细菌 内部Dna含32p的t2噬菌体
②噬菌体侵染细菌
组别被标记的噬菌体被侵染细菌处理实验结果成分
1含35S的
t2噬菌体未标记
的细菌搅拌
离心上清液放射性很高主要是噬菌体外壳
沉淀物放射性很低主要是细菌
2含32p的
t2噬菌体未标记
的细菌搅拌
离心上清液放射性很低主要是噬菌体外壳
沉淀物放射性很高主要是细菌
③原理与结论
亲代噬菌体寄主细胞内子代噬菌体实验结论
32p标记Dna有32p标记DnaDna有32p标记Dna分子具有连续性,是遗传物质
35S标记蛋白质无35S标记蛋白质外堑鞍字饰?5S标记
步骤四:深化讨论:
问题1.科学家选用噬菌体侵染细菌的实验来证明Dna是遗传物质,你认为有什么巧妙之处?这一实验与肺炎双球菌转化实验在实验设计的思想与方法上有什么共同之处?
问题2.同位素的标记还可以用于哪些类型的研究?
2)注重演绎、推理的运用。在科学发现过程中,与观察、实验法一样,演绎与推理也是科学发现的重要方法。课标也明确提出了《遗传与变异》教学应让学生领悟假说与演绎在科学研究中的作用的要求。在本单元的教学中,许多内容是适宜组织学生进行演绎与推理的,如遗传物质应该具备的条件,可从自然界生命现象的特点入手进行分析推理;Dna的双螺旋结构模型可以科学家相关的实验结果与数据为资料,引导学生去分析推理。下面重点以Dna半保留复制证明为例,说明演绎与推理在教学中的应用。
步骤一:作出假设。要求学生根据已有Dna结构等方面的知识对Dna可能的复制作出猜测,并对所猜测的复制方式作简要的描述。
步骤二:分析推演。告诉学生,科学家已证实,Dna是一种半保留式的复制。
问题1:从理论上作出推演,如果是半保留复制,亲代的Dna分子复制后得到的第一代Dna和第二代Dna的组成是怎么样的?
问题2:你如何识别Dna中的哪一条链是母链哪一条是子链呢?
(启发学生采用同位素标记的方法。)
问题3:你准备用同位素标记哪种物质?哪种元素?
问题4:如果原Dna是15n的,原料是14n的,那么请推演复制后的第一代Dna与第二代Dna中n的情况如何?用图解表示出来。
问题5:根据分析第一代的每条Dna都是一条链含有15n,另一条链含有14n的(表示为15n/14n—Dna);第二代的Dna中有一半是14n/14n-Dna,另一半为15n/14n-Dna。但我们是看不出Dna分子的,有什么办法我们可以知道这一结论呢?
(引导学生考虑同位素除了放射性不同外,还有哪些性质。启发学生明确同位素的质量也是不相同的。)
问题6:根据同位素质量的不同,你有什么办法可以区别不同同位素标记的Dna呢?
问题7:如果对每一代的Dna进行离心分离,推演实验的结果会是怎样的呢?
最后向学生介绍科学家所做的具体实验,并分析讨论Dna半保留复制的具体过程。
3)重视模型的构建与运用。模型构建是自然科学研究中的一种常用方法。在现代生物科学研究中,模型方法被广泛运用。模型方法也被引入新课标中。在生物科学学习中,模型提供观念和印象,是非常吸引学生的生动的感性材料,是学生知识结构的重要组成部分。本单元的两个建议活动都是与模型构建相关的,教学中要切实加以落实。
例如,Dna双螺旋结构模型的构建,教学中可以采取以下步骤:
步骤一:资料搜集。课前由学生搜集Dna双螺旋结构模型构建的相关资料,为课上进行交流与讨论作为准备。
步骤二:模型讨论。围绕模型构建过程的相关资料,提出问题让学生进行分析讨论,如:①哪些资料支持Dna是双链的结构?②哪些资料支持Dna碱基间的配对是嘌呤与嘧啶?哪些支持a与t配对,G与C配对?③哪些观点支持磷酸与核糖的骨架在螺旋的外部,碱基对在螺旋的内部?④Dna双螺旋结构模型的构建运用到了哪些学科的知识与方法?有哪些科学家为此作出了贡献?能够给你哪些方面的启迪?等等。
步骤三:模型构建。学生自己动手构建模型。
对于条件有限,学生搜集资料有困难的学校,也可由教师搜集并提供资料给学生进行讨论。例如,提供不同生物Dna碱基组成的材料以及嘌呤与嘧啶的分子结构资料,让学生分析碱基之间的数量关系,进而推测碱基间的可能配对关系等。
分子生物学遗传学篇8
【关键词】分子标记技术中药分类资源保护
分子标记技术一般是指研究核酸及蛋白质等携带遗传信息的大分子特征的技术，分子标记可分为Dna分子标记和蛋白质分子标记。分子标记技术引入中药领域后被广泛地应用于分类、鉴别和保护等各个层面，受到越来越多的重视。本文将重点介绍在中药分类和资源保护方面的应用。
1Dna分子标记
Dna分子标记是随着核酸分子技术的发展而发展起来的，已被应用于生命科学的各个领域，特别是在系统进化、保育遗传学、品种鉴定及良种选育、遗传图谱构建、基因定位等方面得到了广泛应用。根据Dna分子标记所采用的核心技术大体上可分为三类：一是以分子杂交为基础的Dna指纹技术；二是以pCR为基础的Dna指纹技术；三是Dna序列标记技术。
1.1基于分子杂交的Dna指纹技术基于分子杂交的Dna指纹技术可分为RFLp，SSR等技术，这些技术的实验过程一般要包括限制性酶切、Southern印记、探针标记、分子杂交等繁琐的实验步骤，且只能检测出探针长度范围内切酶识别位点的变异，多态性检出效率低，同时要求的Dna量比较大，因而限制了其在实际中的应用。本类技术在植物系统与进化研究中有很多成功的例子，但在中药领域目前应用得较少，这里不做重点介绍。
1.2基于pCR基础的Dna指纹技术基于pCR的指纹技术近年来层出不穷，它们各有其优缺点和适用范围。这里根据各技术在中药领域中应用的潜力及普遍性等方面重点介绍以下几种：随机扩增长度多态性Dna（RapD）、基于pCR的简单重复序列（pCR-SSR）、扩增片段长度多态性（aFLp）、基于pCR的限制性片段长度多态性（pCR-RFLp）、直接扩展增长度多态性（DaLp）。
1.2.1RapDRapD是以10碱基的任意序列寡核苷酸片段为引物，在未知序列基因组Dna上进行随机扩增以研究样本间遗传差异的指纹技术，是当今在中药研究领域中应用的最广的分子标记技术，如分类和遗传关系分析、遗传多样性评价、资源保护等，起到了非常重要的作用。
遗传关系分析：RapD分析和等位酶标记都被广泛地用来研究物种的遗传多样性，但能检测到比等位酶高的多样性信息。邵爱娟等［1］利用RapD对栽培人参不同品系之间的遗传多样性进行研究，从分子水平证明了根据表征性状对人参栽培类群进行划分是可行的。郭宝林等［2］利用RapD技术探讨了中药厚朴种内关系和道地性问题，并将所得结果与形态学及指标成分相联系，最终认为厚朴应分为3个地理综，道地性主要来源于遗传变异。方芳等［3］在进行浙江产香茶菜属植物8个类群的RapD分析时发现，各类群存在明显的分化，同属不同组的大萼香茶菜与香茶菜的遗传关系很接近，甚至小于同组的香茶菜与显脉香茶菜之间的遗传距离。郑喜珍等［4］在研究中、韩牛膝类药材的遗传关系时发现，RapD聚类图很好地区别了牛膝与土牛膝，而韩国产牛膝则与怀牛膝差别不大，支持了《中国植物志》对二者的处理，并建议《韩国药典》予以更正。任如冰等［5］利用RapD技术来评价苍术居群间的亲缘关系，结合前人对苍术精油成分的聚类分析，将10个居群划分为3个类群，并支持了将北苍术作为变种处理的观点，从而为道地药材的引种栽培提供了分子水平上的依据。
遗传多样性和资源保护：宋卫华等［6］利用RapD对三峡库区稀有药用植物裸芸香进行遗传多样性的研究时发现各居群间已有较大的分化，居群内遗传水平较低，但总体上仍有较高的多样性，并根据各居群地理隔离程度大、基因流较小且处在库区消涨带上的实际情况，给出了保育建议以促进种群的恢复［7，8］。利用RapD技术对珍稀濒危药用植物金铁锁多和丽江山慈姑态性进行Dna指纹检测时，发现尽管各居群内遗传多样性较为丰富，但居群间分化较大［7，8］，在进行种质资源保护时，应该对居群内与居群间给予同等重视。
1.2.2pCR-SSR微卫星Dna（SSR）是短的、串联的简单重复序列，组成基元是1～6核苷酸，广泛存在于真核细胞的基因组中。由于串联重复的数目是可变的且呈现出高度的多态性，以及在单个微卫星位点上可做共显性的等位基因分析，微卫星序列作为比较理想的分子标记广泛用于遗传图谱的构建、居群遗传学和系统发育研究。pCR-SSR目前一般常用的技术有微卫星引动的pCR（mp-pCR，利用SSR单引物扩增）及锚定pCR-SSR、微卫星位点的pCR扩增（SSLp），iSSR（扩增重复位点之间的区域）等几类，前几种方法在中药领域应用的较少，这里重点介绍应用最为广泛iSSR。
1.2.3iSSR是由Zietkiewicz等［9］发明的利用重复锚定引物扩增SSR之间的片段，且一套引物可以在多种植物中通用，是一种非常理想的检测遗传变异的分子标记。邱英雄等［10］研究了明党参与川明参群体遗传结构，证明两者在Dna水平出现了相当的遗传分化，并发现一个川明参特有的遗传标记，因此支持将明党参与川明参作为两个种处理。周延清等［11］在pCR-iSSR反应体系中加入2%去离子甲酰胺降低模糊背景，仅用一个引物就鉴别了实验所用的10个怀地黄品种。葛永奇等［12］对江苏泰兴、美国纽约栽培的银杏群体和中国3个可能为野生的银杏自然群体（浙江天目山、贵州务川、湖北大洪山区）的遗传多样性水平和群体遗传结构进行了研究后发现：群体遗传多样性以贵州务川最高，美国纽约的栽培群体最低；在聚类时，务川群体与天目山群体首先聚成一类，美国纽约群体则与湖北大洪山群体具有较近的亲缘关系，并结合遗传结构的分析和生态学研究结果，给出了银杏保护的策略。彭云滔等［13］研究了采自广西和广东罗汉果野生居群的样品，认为罗汉果各居群点的遗传多样性存在较大的差异，且居群间产生了较大的遗传分化，因此在进行保护重点地区种质资源时也要注意其它地区野生罗汉果的保护和利用。杨淑达等［14］在对我国西南地区特有植物滇牡丹进行iSSR分析时指出，该物种遗传多样性水平较高，居群间分化较大，造成其濒危的主要原因应为生境破坏和滥采滥挖。
1.2.4aFLpaFLp基本原理是对基因组Dna进行限制性酶切，使用双链人工接头与基因组Dna的酶切片段相结合作为扩增的模板，接头及相邻的几个碱基序列做为引物的结合位点进行pCR扩增得到多态的Dna指纹，常常用于种质资源评估、遗传关系等方面的研究中。虞泓等［15］对石斛属内石斛组4个种和一个未知类群种进行基因组Dna多态性分析，发现5种石斛单独聚类，同时两个金钗石斛居群在种下分别聚类，为进行石斛的分类鉴别提供了分子生物学基础。王晓梅等［16］检测了雌雄银杏基于Dna的差异，筛选出与银杏性别有关的分子标记，其中3个引物组合各提供了1个与雌性相关的标记，这为寻找性别特异的探针或pCR引物，用于银杏性别鉴定奠定了基础。周世良等［17］利用野生屏边三七作对照，采用4个引物组合对3个种植场的三七进行分析，并对比itS测序结果，认为三七变成栽培作物后，有比较严重的遗传多样性的丧失，但仍存在着变异，对保存了相对较高遗传多样性的居群应重点保护，同时考虑到居群间仍存在较大的遗传变异，其相邻居群也应予以保护。
1.2.5pCR-RFLppCR-RFLp是对pCR扩增的Dna片段进行限制性酶切位点分析。韩国UmJaeYoung等［18］应用RapD和pCR-RFLp技术对4个韩国与中国产人参进行了检测分析，结果发现韩国产人参Dna指纹具有极大的差异性，可以互相区别。
1.2.6DaLp直接扩增长度多态性（DaLp）是由Desmarais等［19］开发的，是基于生物体中普遍存在大量m13序列，利用经过修饰或未经修饰的m13通用引物对进行pCR扩增来研究基因组Dna长度多态性的一种技术。DaLp一般使用的引物（20～27mer）较长，可以适合较为严格的扩增条件，包括相对高的退火温度和低氯化镁浓度，因此可以得到重复性好的结果。在引物扩增时可采用两种策略以适应不同的实验要求：一种是在进行扩增时每个样本需要通过同一对引物组合进行两次独立的pCR扩增反应（但每次只将组合对中的一个引物标记），在分析时可将两次结果在同一张图谱上对比，只分析那些由两条引物扩增的条带，进一步减少由同一引物扩增引起的非特异性干扰；另一种是不经引物标记，只做一次扩增，直接将扩增产物进行检测，比较不同样本Dna多态性的差异，以缩短实验周期、降低实验成本。DaLp现已经成功用于检测不同类群生物（如病毒、脊椎动物和无脊椎动物）的亲缘关系和多态性的研究［20～22］，但目前在中药分类与保护领域中，应用的还比较少，如：夏惠茵等［23］在利用DaLp鉴定人参与西洋参时，降低了选择性引物/反向引物的比率来解决反向引物亲和性的问题并使用50～55℃以减少背景干扰，建立了快速的pCR鉴别方法，鉴别了人参与西洋参；李永谊等［24］通过对pCR反应条件中主要参数的实验和比较分析，发现所有样品都可以得到5个引物的9条谱带，因此建立了可直接用于红景天药材品种鉴定的DaLp反应体系。相信此项技术将越来越广泛地应用于中药分类与资源保护的各个层面。
1.3Dna序列标记技术Dna序列标记技术是直接测定生物体中的特定序列并进行遗传差异分析的一种技术。目前常用的序列主要有核基因组的rRna，itS等；植物叶绿体基因组的rbc族基因、trnK及其内含子matK基因、rpoC基因、rpl基因等；动物线粒体基因组cyt-b基因、12SrRna等。高建平等［25］得到不同产地不同居群华中五味子和绿叶五味子总Dna之后测定相应的rDnaitS序列，发现绿叶五味子作为一个种较为合理，并且河南鸡公山产五味子均为本种。保曙琳等［26］通过itS序列特征对长江中下游地区野生菱和栽培菱种的进行了系统学研究，他们认为菱属植物可能起源于同一种野生类居群。刘春生等［27］在获得北细辛、华细辛和汉城细辛完整的rDnaitS序列，研究发现中药细辛3种原植物形成非常稳定的独立分支（其中北细辛与华细辛聚在一起，汉城细辛形成另外一个分支），但三者亲缘关系非常密切，说明它们相互替代入药是有遗传基础的。Komatsu等［28］测定了越南人参及其5种相关植物人参、西洋参、竹节参、假人参、珠子参的matK基因和18SrRna基因序列，并进行了序列同源性比较，发现6种植物2个基因序列长度均相等，越南人参的18SrRna和西洋参一致，而与假人参和珠子参各有一个碱基取代，其matK基因序列与珠子参、假人参、人参、西洋参分别在第4，5，9和10核苷酸位有差异，所建立的分子系统树表明，越南人参与其它5种植物具有重叠的地理分布，并和珠子参、假人参具有较近的亲缘关系。赵宣等［29］从代表牡丹组全部8个野生种材料中提取得到的编码三磷酸甘油酰基转移酶（Gpat）的基因，并对经pCR-RFLp酶切处理所得的片段进行了测序分析，得到的关系树与形态学关系相当吻合。
2蛋白质分子标记
蛋白质分子标记技术中的等位酶分析在中药分类及资源保护等方面应用较少。虽然与Dna标记相比，等位酶实验的分析方法已成为传统方法，但其自身所具有的优势仍然是十分突出的。例如，酶是生物进化过程所必不可少的，同源性可靠，存在于个体间、居群间或近缘种间，可以直接比较，因此等位酶位点分析可以从遗传学上把类群间的亲缘关系量化，增加了系统学和进化研究的可实验性和可重复性。因此通过比较通过遗传分析找到基因位点，能有效地度量群体遗传变异的大小及其分布［30，31］，且费用低廉、安全而有易于操作，对于在基因位点水平上研究保育遗传学、进化生态学和分子生态学仍具有广阔而实用的前景。何敬胜等［32］利用超薄平板聚丙烯酰胺等电聚焦电泳技术，通过8个酶系统19个酶位点对濒危物种巴东木莲7个居群进行遗传多样性及遗传结构分析，结果表明巴东木莲目前仍具有较高的遗传多样性并且在适宜生境中可以完成自然更新，并据此提出以就地保护为主的综合保育策略。李斌等［33］在对白皮松进行保育遗传学时发现，得到的53个等位基因中有46个为全局基因或广域基因，局域基因和特异基因只有7个，与松属中其它树种相比处遗传水平处于偏下水平。同时群体的等位基因频率与地理生态因子的相关分析表明，有两个基因频率呈明显梯度变异，这暗示了白皮松天然群体间流受到限制，难以克服自然环境选择作用，存在着明显的遗传分化。李晓东等［34］对8个栽培水杉居群作遗传多样性的等位酶分析时发现，栽培居群的遗传变异水平明显偏低，其遗传多样性不能涵盖孑遗居群，此外也不支持将从枝水杉作为水杉一个变种的处理。
中药现代化的推进带来了中药发展的新机遇，期望将当今最新的技术和成果应用于中药的分类鉴别和资源保护。随着生物化学和分子生物学的发展，会有越来越多新的方法产生，但由于技术本身与中药研究的结合需要一定的过程，目前很多方法仍处在起步阶段。例如单核苷酸多态性（Snps），Snps是由单个碱基的转换或颠换引起的一种古老而高度稳定的突变（尤其是处在编码区的cSnp）。因此对于大规模的研究而言，其比微卫星和其它的重复序列更可靠［35］。Snps除了制作遗传图谱以外，还能用于种质资源的Dna指纹分析和生物多样性检测，用于连锁不平衡的关联分析等方面的研究。由于Snps发展与分析技术的飞速发展，特别是与生物芯片和Dna微阵列技术相结合，大大方便了基因组进行大幅度和高通量的分析，使其成为继RFLp和微卫星标记（SSR）之后最有前途的第3代分子标记。
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分子生物学遗传学篇9
关键词：教学改革学习兴趣遗传学
由于我国当前的教育体制，学生在升学考试制度的指挥棒下，考什么学什么，主、副科的划分也是以是否高考做界线。在这种情况下，中学生物教学陷入困境。相比之下，初中生物课境况好些，大量的实验可以激发学生的兴趣。而高中生物理论性较强，概念较抽象。学生很难做到在繁重的学习压力中抽出时间去考虑生物学的问题。因此我认为高中生物教学亟待改革。
一、教材体系的编排
现行高中生物必修教材中，第五章讲授《遗传和变异》。首先讲述现代分子遗传学的基础知识，即基因的本质、复制和表达，然后介绍孟德尔的经典遗传学工作，即分离规律和自由组合规律，用现代遗传学理论分析这两个遗传规律的实质。有人对这种编排体系提出了不同看法，认为应该参照高等学校教材《遗传学》的编写顺序，遵循遗传学的发展史，先介绍孟德尔的经典遗传学，再讲述现代分子遗传学，这样才更符合人们的认知规律，有助于学生了解科学家研究问题的思路和方法，有利于培养学生探索性思维的能力。中学生物教学在培养目标和课程设置等许多方面与大学教学不同。大学教育培养的是高层次的专业人才。在大学里，《遗传学》专业课常常开设一年的时间，讲授的内容非常深。而高中生物必修课是为高中生将来就业或继续深造打基础的，讲述的是最基本的生物学知识。遗传学的内容作为高中生物课的一个组成部分，所占课时数非常有限，一般只讲授十几个课时。
因此，在考虑教材体系的编排时，要认真研究教学大纲的要求和高中学生的年龄特点，按最有利于学生有效地获取知识的方式进行教材体系的编排。如果教材先讲述孟德尔的工作，用孟德尔假设的“遗传因子”来解释遗传规律，那么在讲述了基因的本质之后，还得用现代遗传学的“基因”概念从分子水平再次进行解释，才能给学生一个完整的、迄今为止人们所获得的对遗传规律实质的认识。但是第二次的解释由于受课时和学生的接受能力等因素的制约，难以在问题的实质上比第一次解释得更深刻，从而不可避免地导致了知识的简单重复。现行教材在揭示遗传规律的实质时，因为已经有了现代分子遗传学的知识做基础，所以给学生介绍的是这一领域的许多科学家多年来研究成果的经验总结，为学生高效地获取前人智慧的精华创造了条件。由此可见，新编高中生物必修教材中遗传学部分的内容编排还是应该以现行高中生物必修教材的体系为基本框架，在新颁布的高中生物教学大纲的指导下做适当的改革和调整，不宜做大的改动。
二、教材内容的选取
教材内容的选取是否适当，是影响教材质量的重要因素之一。一部高质量的教材，其教学内容必须符合党和国家的方针政策，符合教学大纲规定的各项要求，适应培养21世纪我国社会主义现代化建设的各类人才的需要。因此，在确定高中生物必修教材的内容时，需要考虑下面几个问题。
1．教材内容要进一步加强思想教育，把科学性和思想性更好地统一起来。思想教育切忌空谈泛论，而应渗透在具体的教材内容中，结合生物学基础知识的讲述，认真地向学生进行辩证唯物主义观点和爱国主义思想教育。例如，现行教材在讲述Dna是遗传物质的证据时，介绍了噬菌体侵染细菌的实验，这个实验有力地证明了Dna是遗传物质，但美中不足的是，它在证明染色体的另一个重要组分蛋白质不是遗传物质上，似乎显得说服力不够。如果新编教材从论证是否两个方面来说明问题，必将有助于学生辩证唯物主义世界观的形成和严谨的科学思维方法的掌握。
2．从21世纪对高素质人才的需要出发，认真选取传统的和现代的生物科学基础知识。生物课程是普通高中开设的一门学科类基础课程，因此，新编高中生物必修教材在精选基础知识时，应该适当充实一些有关生物科学新进展的内容。美国教材比较注意知识的更新，以遗传学部分为例，《现代生物学》中介绍了“人类遗传学”、“基因表达的调控”、“人工育种”和“基因操作”。《生物学》和《生物学口研究生命的科学》中都介绍了“基因表达的调控”、“人类遗传病”和“遗传工程”，这些内容都是近些年来生物科学前沿领域取得的新成果。根据我国普通高中生物必修课设置的情况，新内容不宜增加得太多，应该精选一些与学生将来参加现代生产和进入现代生活关系最密切的知识。例如，随着生活水平的提高，人们越来越重视改善人口质量，人口质量的改善要从胚胎时期抓起，胚胎时期的遗传病诊断和治疗是贯彻我国的优生政策、提高人口素质的重要措施之一。因此，新编教材的遗传学部分应该像高中生物教学大纲的规定那样，增加“人类遗传病和优生”的内容。
3．教材内容必须做到理论联系实际。生物学是一门与人类的生产和生活关系非常密切的自然科学，它从生产实践和科学实验中产生和发展，又广泛运用于生产和生活实践。贯彻好理论联系实际的原则，是编好中学生物课本的关键之一。教材内容中知识与生产、社会的联系不仅是对生物学科的要求，也是国际理科教学改革的新趋势。当代科学技术的发展突飞猛进，并且日益渗透到社会的各个方面。为了适应现代社会发展的需要，一些发达国家的理科教育在改革中形成了科学、技术和社会教育模式。各科教学都注重了基础知识的传授和能力的培养，把学科的教学与科学、技术在社会生产、社会生活中的应用结合起来，使学生不仅有各学科较深的基础知识，而且有广博的StS方面的知识和能力。
分子生物学遗传学篇10
关键词：基因基因概念历史渊源
中图分类号：Q3文献标识码：a文章编号：1672-3791（2012）08（b）-0234-03
遗传学是研究生物起源，基因和基因组结构、功能及其演变规律的学科，而基因的研究对促进遗传学发展具有重要意义。自20世纪开始以来，基因的发展经历了理论水平、细胞水平的遗传学阶段和分子水平上的遗传学阶段，在前人大量实验的基础上，人们对基因的认识不断深入，特别是随着人类基因组计划和“Dna元件百科全书”计划（encyclopediaofDnaelements，enCoDe）的完成，人们对基因的认识又有了新的变化，并将遗传学中基因的概念和理论应用到了计算机、商业和信息技术等领域。
如今的21世纪，随着学科交叉研究的发展，一些科学研究者开始利用物理化学工具来研究核酸结构，从分子水平上阐述遗传现象背后的化学本质。本文结合大量文献综述了基因的发展历程以及现阶段物理化学方法在遗传学研究中的应用，并展望了量子化学理论在遗传学领域的应用前景。
1基因概念的历史渊源
19世纪，由于农业生产发展的需要，人们开始重视动植物的遗传变异现象并对这些现象进行了系统研究，这为基因概念的产生创造了条件。1868年，DarwinC.受Hippocrates和anaxagoras的生源说影响提出了泛生论的假说，认为生物体的细胞能产生自我繁殖的微粒，这些微粒可以汇聚于生殖细胞并决定后代的遗传性状，这种观点缺乏实验论证，不过它充分肯定了生物体内部存在特殊的物质负责遗传性状的传递。之后，weismanna.又在前人基础上提出了种质论（Germpiasm），认为种质是生物体的遗传物质，它可能作为遗传单位存在于染色体上，这对基因概念的形成奠定了理论基础[1]。
2基因的研究发展
2.1基因概念的提出
在前人的遗传学理论研究基础上，mendelG.J.第一个对遗传现象做了系统的实验研究。通过豌豆杂交实验，他认为生物性状是由“遗传因子”来控制的，这些遗传现象符合分离定律和自由组合定律。之后，DevriesH、CorrensC.和tschermake.分别证实了孟德尔的实验结果，到1909年，丹麦的Johannsenw.L.首次用“基因”一词表示遗传因子。不过，当时的遗传因子没有涉及到基因的具体物质概念，只是一个经过统计学分析的理论概念。
2.2基因学说的创立
mendel的遗传因子学说是宏观水平上的发现，其所提出的遗传因子到底是否存在于细胞中需要进行细胞水平上的研究。随着当时工业生产的发展，用以研究生物学实验的仪器设备有了极大的改进。20世纪初，Boverit.[2]和Suttonw.S.[3]各自在研究减数分裂时，发现遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系，提出了基因就在染色体上的假说。然后，1910年，morgant.H.等[4]用果蝇作材料，进行了一系列杂交实验，发现了伴性遗传现象和基因连锁互换定律，直接证实了基因在染色体上，建立了染色体遗传理论。1926年，morgant.H.正式提出了基因学说，即“三位一体”的基因概念，基因首先是决定性状的功能单位，能控制蛋白质的表达，决定一定的表型效应；其次是一个突变单位，可以发生在等位基因之间，表现出变异类型；最后它是一个重组单位，只发生在基因之间，可以产生与亲本不同的基因型[5]。这把染色体和基因联系了起来，说明了基因具有物质性，不过，morgan在其著作中并没有涉及基因的本质是什么以及基因的功能是如何发挥等问题。
2.3基因化学本质的研究
对于基因的化学本质和功能等问题，早在1909年，英国Garroda.e.就提出过基因产生酶的观点。之后，1941年斯坦福大学BeadleG.和tatume.[6]在研究真菌过程中，提出了“一个基因一个酶”的假说，认为一个基因控制一个酶的合成，基因通过酶控制生物的代谢途径，这从生物化学角度阐述了基因的功能，不过这种基因的概念仍然没有揭示基因的化学本质，只是解释了基因发挥功能的途径。到1944，avery等通过肺炎双球菌转化实验证明了遗传物质的化学本质是Dna，然后，1956年，美国的Fraenkel又通过烟草花叶病毒实验证明了Rna也可以作为遗传物质进行传递[7]。
2.4基因功能的研究
1953年，watsonJ.D.和CrickF.H.C.[8]提出了Dna的双螺旋结构，人们开始从分子水平上认识基因的本质，即基因是Dna分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位[9]，从此以后，人们对基因功能的认识开始有了深入的了解。1955年，BenzerS.[10]通过t4噬菌体感染大肠杆菌的互补实验提出了顺反子学说，认为基因就是顺反子，即一个遗传功能单位，一个顺反子决定一条多肽链，它并不是一个突变单位和交换单位。一个顺反子可以包含一系列突变子，突变子是Dna中构成的一个或若干个核苷酸，由于基因内的各个突变子之间有一定距离，所以突变子彼此之间能发生重组，重组频率与突变子之间的距离成正比[11]。
20世纪60年代之前，人们已经认识到基因是有着精细结构的Dna分子，其结构可以继续分割，不过，当时对于基因功能表达及其具体作用等问题的研究依然局限于传统的“一个基因一个酶”的学说。1961年，法国遗传学家JacobF.和monodJ.L.[12]根据对大肠杆菌的试验，提出了大肠杆菌操纵子模型，认为Dna的不同区域存在一个调节基因和一个操纵子，操纵子模型包括若干结构基因、操纵基因和启动基因。这一模型进一步说明了基因是可分的，通过基因间的密切协作，细胞才能表现出独特的功能[13]。此后，随着Dna重组技术和Dna测序技术的发展，人们对基因的研究更加深入，发现了许多基因的其他功能和特点，极大地完善了人们对生物体各种遗传现象的认识。
2.5基因概念的新发展
20世纪70年代以后，随着分子生物学技术的飞速发展，人们对基因的结构和功能上的特征有了更多的认识，其中比较重要的发现有假基因、重叠基因、跳跃基因、断裂基因、反转录基因、印记基因等。结合基因的这些新发现，现今人们认识基因有以下几种特点[5]：（1）基因不都是离散的，因为有重叠基因；（2）基因不一定是连续的，如断裂基因；（3）基因可以移动，其位置可以改变，如跳跃基因；（4）基因不是全能的结构单位，有很多顺式作用元件影响转录或剪接；（5）基因也不是简单的功能单位，因为基因可以通过顺式或反式剪接，产生多种蛋白质。那么，到底应该怎样给一个基因准确定义呢？近年来，有很多人对此提出了看法。
Gerstein等[14]提出，基因的定义应该和原来的定义有兼容，建立在已有的生物术语基础之上。他们认为，基因是基因组序列的联合体，这些序列可以编码具有潜在重叠功能的产品（蛋白质或Rna），基因与其调节序列是多对多关系。在此基础上，pesole[15]则认为基因是一个离散的基因组区域，其转录可以被一个或多个启动子和远端调节成分调控，并含有合成功能蛋白质或非编码Rna的信息。基因在最终功能产物上有共同性质，这个定义主要针对真核生物基因组，强调每个基因都分布于基因组的连续区域，基因序列包含5′UtR和3′UtR。此外，还有学者从计算机角度对基因的定义做了描述，他们把基因组比喻为一个生命体的大的操作系统，而基因就是其中的一个子程序。总之，随着当今科技水平的发展，人们通过对Dna、Rna和蛋白质新功能的研究，发现基因并不是以前想得那么简单，其概念、功能和特征是随着一些特殊的生命遗传现象可以改变的。
如阮病毒的发现，朊病毒是一种只有蛋白质而没有核酸的病毒，就之前生物学家对基因的概念而言，朊病毒的复制并非以核酸为模板，而是以蛋白质为模板，这又重现了20世纪遗传物质本质问题的争议，是现阶段基因概念的新挑战。此外，2006年，《自然》杂志在newFeature栏目上刊登了“什么是基因？”一文，这篇文章结合最近的研究成果对基因的概念做了新的诠释，一些研究发现，Rna不是被动的将基因信息传递下去，而是主动地调控细胞的活动，有的Rna链不是传统认为的只由Dna的一条链转录，而是由两条链转录得来，还有一些Rna可以通过某种途径使正常基因沉默，在必要时还会作为模板纠正某些异常基因，跨世代地携带生物体遗传信息[16]。这些研究发现加深了我们对Rna的认识，深化了我们对生物体遗传现象的了解。又20世纪90年代，美籍华人牛满江教授又发现了“外基因”，即一些生物体细胞质中mtRna能激活一些特定基因，使生物体表达特定的蛋白质，还有，2008年《自然》杂志上报告，美国科学家确认了一种可导致乳腺癌转移的超级基因，这种基因可控制肿瘤细胞中其他基因的表达，它的表达与癌症发生有密切的联系[17]。
总之，随着科学的不断发展，人们对于生物遗传现象的认识越来越深入，基因的概念也随着生物学的发展不断变化和完善。由于其他非生命领域的研究对象显示出了生命力及与生物基因相似的特征，现今，经济领域和计算机领域中又出现了企业基因[18]、产品基因[19]、数据基因[20]等新的定义，基因概念的基本理论已经发展到更多学科中了，对基因本质和特征的研究越来越有必要。
3量子化学作为研究核酸方法的应用
当前，遗传学的研究已经发展到了分子水平，然而对于生物遗传现象中一些酶、核酸、激素等活性物质的构象、生物活性和其具体作用机制依然存在争议。生物系统研究的最大难题是生物分子的复杂性，常规的实验方法只能得到实验现象的宏观方面解释，而不能从微观方面对实验现象的化学本质做出解释。目前有一些研究者将物理化学方法应用到了生命科学领域，建立了从理论分析到实验优化的方法模式，他们根据实际体系在计算机上进行实验，通过比较模拟结果和实验数据检验理论模型的准确性，并在此基础上模拟生物大分子的结构、性质和反应过程。
随着计算机技术和物理化学理论的发展，以及X射线、nmR等技术的应用，人们可以利用一些物理化学工具在计算机上进行分子模拟，以此来模拟Dna、Rna和蛋白质的结构，预测蛋白质与核酸的功能和性质。而且，随着计算方法的改进，高度变化的核酸体系的精确分子模拟已成为可能，依赖强大的计算机就能模拟一些更复杂的反应，如Dna、Rna和蛋白质的催化及折叠等[21]。
其中应用比较广泛的物理化学工具就是量子化学方法，量子化学方法是应用量子化学基本原理和方法来研究化学体系的结构和化学反应性能的科学，其基本理论主要有价键理论（VB）、分子轨道理论（mo）、密度泛函理论（DFt），基本的计算方法有从头算方法（abinitio）、半经验方法（semi-empiricalmethod）、密度泛函方法（DensityFunctionaltheory）[22]。量子化学的原理和方法在物理化学、药学计算和生命科学领域有广泛的应用，可以很好地分析分子间相互作用的机理，解释实验中一些宏观现象的物理化学本质。如李梅杰[23]利用量子化学方法中的高精度组合从头算方法（oniom-G3B3）研究了核酸自由基性质和损伤机理，很好地解释了生命过程中由于自由基和电子转移导致Dna的断链损伤而引起的衰老、癌症、神经紊乱等疾病的发生。又如2002年，Starikove.B.[24]总结了核酸中量子化学方法的应用，阐述了核酸中电荷转移过程的量子化学描述及其化学机理，并详细地讨论了不同量子化学方法在研究核酸电子构型中的优缺点。此外，于芳[25]运用量子化学工具对胞嘧啶与丙烯酰胺组成的分子体系进行了计算，以此来模拟核酸与蛋白质相互作用的反应过程，分析了Dna与蛋白质的作用形式。
对于利用量子化学方法研究蛋白质的应用，国外在这方面做得比较深入。如纽约州立大学石溪分校SimmerlingC.等[26]应用量子化学方法研究了一种小分子量蛋白质，仅有20个色氨酸构成，准确地预测了蛋白质三维结构的折叠过程。又如Berriz和Shakhnovich[27]模拟了小的三螺旋束蛋白的折叠，Daggett和Fersht[28]模拟了小的单结构域蛋白的动力学折叠.还有akiraShoji等[29]采用密度泛函理论方法优化了右手α-螺旋的pLa（聚L-丙氨酸）分子（如图1所示，即H-ala18-oH分子），分析了αR-螺旋的pLa形成的机制，获得优化的αR-螺旋H-ala18-oH构型外侧的1H、13C、15n、17o原子的化学位移与用高分辨率固相nmR检测的相同。
4展望
近年来，国内外量子化学在分子生物学中的应用日趋广泛，如利用量子化学方法研究纳米微粒促进靶向给药、纯化核酸以及处理废气等技术的发展；应用量子化学方法优化生物活性分子结构，研发新型抗疾病药物；采用分子模拟的量子化学计算方法探究激素与受体以及其他活性分子与核酸的作用机理等等，很大程度上促进了分子生物学和医学的发展。从目前所作的科学研究看，量子化学完全可以作为遗传学工具来研究生物体遗传现象背后的化学本质，其在遗传学的研究中有广阔的应用前景。
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