| 标题 | 土壤DNA提取技术在本科教学实验教学中的应用 |
| 范文 | 李亮 武洪庆 郭子渝 崔忠信 胡海诚 摘 要 开展科研训练、提高学生科学素养，一直是本科教学改革研究热点之一。以课题组常用的实验技术“土壤DNA提取”为基础，结合“大学生科技创新”等活动，设计综合创新实验，对可能参与课题组科研工作的学生进行选拔和培训。综合创新实验提高了学生的科研能力、训练了学生的科研思维，使学生顺利的参与到教师的科研工作中，实现了教学与科研的相互融合。 关键词 微生物DNA提取 教学与科研融合 创新 中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.06.056 Application of Soil DNA Extraction Technology in Undergraduate Teaching Experiment LI Liang， WU Hongqing， GUO Ziyu， CUI Zhongxin， HU Haicheng （College of Chemical Engineering and Technology， Hebei University of Technology， Tianjin 300130） Abstract Developing scientific research training and improving students' scientific literacy has always been one of the hotspots in undergraduate teaching reform. Based on the experimental technology "soil DNA extraction" commonly used by the research group and combined with the activities of "scientific and technological innovation of College students"， comprehensive innovation experiments were designed to select and train students who might participate in the research work of the research group. Comprehensive innovation experiment improves students' scientific research ability， trains students' scientific research thinking， makes students participate in teachers' scientific research work smoothly， and realizes the integration of teaching and scientific research. Keywords microbial DNA extraction； integration of teaching and scientific research； innovation 在本科生的培養过程中，实验教学具有重要的意义。传统的实验教学可以在预期的时间内实现学习基本实验方法、规范基本实验操作、检验某一理论或原理等目的。然而，这只是一种基础普众性教学，处于实验教学的初级阶段。其“实验设计能力缺失”“与科研结合不紧密”“学生动脑少、缺乏主动性”等缺点使传统实验教学方法远远达不到培养具备高水平实验技能优秀人才的目的。近年来，很多高校开展实验教学改革，构建了“基础规范实验”“综合设计型实验”“研究探索（创新、开放）型实验”相结合的新模式，[1-2]同时将实验教学与“大学生科研训练计划”、[3]大学生科技创新”等活动有机结合，使学生完成“从依附性到相对独立性的转变、从被动性到相对主动性的转变”，提高学生的综合实验能力，从而更加有利于拔尖创新人才的培养。 本课题组多年来致力于土壤污染微生物修复研究，[4]积极将以一些科研成果转化为综合型、设计型、创新型的实验，这类实验既能有效培养学生的科学素养，提高了学生参与科学研究的兴趣。同时，作为学生参与课题组科研工作前的培训，可以使学生熟悉课题组的基本工作，实现从学习性的基础实验教学到创新性的科研训练之间的无缝衔接和过渡。 本实验通过特定土壤样品DNA提取方法的选择和优化实验，锻炼了学生的实验技能，培养了学生实验方案选择和设计能力，完成学生实验由被动到主动的转变。在实验的过程中，学生文献检索、实数据处理、结果分析、总结和归纳的能力也得到了训练，从而为学生进入实验室参与科研工作奠定了初步基础。 1 教学设计 本专业学生可以根据自己的兴趣申请，利用课余时间参与课题组科研项目的实施。实验从文献查询、方案设计到结果分析均由学生自行完成；教师只对学生错误的实验操作进行纠正，并提供必要的引导。实验通过配制不同功能的试剂和洗脱剂，配制高效的土壤腐殖酸吸附剂，优化纳米TiO2和活性炭的比例，完成从土壤环境中获取微生物悬液，去除冗余杂质，获得粗制DNA、精制DNA的过程，并对最终获得的DNA进行浓度及纯度的检测。 2 实验方法 2.1 土壤样品 土壤样品取自于天津市静海区普通小麦田，农田土壤类型均为褐土，采样深度为表层土下10～20 cm，按5点取样法， -20℃保存。 2.2 土壤总DNA的提取 方法1：采用Mo Bio公司的土壤DNA提取试剂盒Power Soil DNA Isolation Kit，参照说明书提取。 方法2：凍融法提取土壤DNA，具体方法参见参考文献。[5]用70%乙醇洗沉淀，沉淀溶解于TE缓冲液，终体积50 L。 方法3：创新性配置腐殖酸吸附剂2 ml（0.2 mol/L纳米TiO2；0.1% 活性炭）混合充分震荡1 min；之后操作参考文献[6]并加以改进。最终用冷的70%乙醇洗涤沉淀2次，用TE缓冲液溶解沉淀，最终体积为50 L。 2.3 DNA浓度和纯度的检测 采用紫外分光光度法分别测定粗制DNA溶液的光密度值OD260，OD230， OD280，根据公式：[dsDNA]=50譕D260紫∈捅妒扑鉊NA的浓度（单位为 g/mL），换算出每克干土提取DNA的量，根据OD230/OD260，OD260/OD280估算DNA的纯度。 2.4 PCR 采用细菌16S rDNA基因的通用引物进行扩增，扩增后得到250 bp左右的片段。 3 实验结果 3.1 土壤总DNA的提取和检测 本研究所提取的土壤DNA经核酸蛋白测定仪检测，其浓度依次为每克土壤10.4～13.8 g、15.6～20.7 g、24.9～30.8 g，其中方法3土壤DNA提取得率最高（表1）。 DNA样品的纯度使用OD260/OD280和OD260/OD230两个指标检测，从表1可以看出，降低蛋白质污染的效果方法3（1.645～1.814）优于方法1（1.545～1.731）和方法2（1.548～1.666）；降低腐殖质污染的效果方法3（1.82～2.19）和方法1（1.71～2.50）相近，优于方法2（1.66～1.71）。 表1 土壤总DNA的提取量和纯度 3.2 PCR扩增结果 三种方法的琼脂糖凝胶电泳效果见图1。方法3所得的DNA浓度较高。对所得的DNA 进行16S DNA 扩增（图2），方法3所得的DNA条带清晰、明亮，说明扩增产物浓度较高，DNA模板获得有效扩增。 综合以上结果，方法3提取的DNA在浓度上有较大提高，DNA纯度无明显变化。考虑到学生实验试剂使用剂量上的变化，优先选用方法3，其DNA提取效率较高，经济合算。 4 结语 将课题组科研实践中常用的基础实验技术改造成适合本科生的实验内容，开设“土壤微生物高质量DNA提取实验”这一综合创新实验，旨在使学生掌握基本的实验操作，培育学生科研工作自主性。通过实验过程中的不断摸索，学生不但掌握土壤DNA提取技术的原理和操作要点，极大的提高了解决具体问题的能力，团队合作的意识也得到了进一步加强。以创新实验等形式作为学生参与科研实践的序曲，不仅能使学生顺利的融入课题组，更能够在自主的实验过程中训练学生的科研思维、培养学生严谨的科研素养，从而提高了本科人才培养的质量，促进了教学与科研的相互融合。 *通讯作者：李亮 基金项目：河北省高等学校科学技术研究青年基金（QN2018014）；国家自然科学基金 （31801948）；“河北工业大学大学生创新创业训练计划”项目（201810080013） 参考文献 [1] 陆国栋，李飞，赵津婷等.探究型实验的思路、模式与路径——基于浙江大学的探索与实践[J]. 高等工程教育研究，2015（03）：86-93. [2] 薛雅蓉，刘常宏.细胞生物学“半开放设计性实验”教学的意义与实施方法[J].实验技术与管理，2013.30（08）：167-170. [3] 蒲贤洁， 欧增福， 韩忠等.基于开放实验室的大学生科研训练项目实例[J]. 实验技术与管理， 2017（03）： 237-241，256. [4] Li L， Li L， Wang X， et al. Plant growth-promoting endophyte Piriformospora indica alleviates salinity stress in Medicago truncatula[J]. Plant Physiology & Biochemistry Ppb， 2017. 119： 211. [5] Tsai YL， Olson BH. Rapid method for direct extraction of DNA from soil and sediments[J]. Applied & Environmental Microbiology， 1991. 57（4）： 1070. [6] Zhou J， Bruns MA， Tiedje JM. DNA recovery from soils of diverse composition[J]. Appl Environ Microbiol， 1996. 62（2）： 316-322. |
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