《基因组学前沿专题》研究生教学模式探析

     郑金水   

华中农业大学信息学院，湖北 武汉，430070

[摘  要]随着DNA测序技术的快速发展，以基因组为代表的组学技术在农林类院校生物学相关的研究中越来越受到重视，逐渐成为必备的研究方法和手段。然而，目前直接从事相关研究的大部分研究生一般均具有生物学背景，缺乏与组学相关的背景知识和思维方式，导致组学技术的推广与应用受到较大限制。研究生公选课程“基因组学前沿专题”旨在为具有生物学背景的低年级硕士、博士研究生提供以基因组学为中心的多组学的理论基础、应用场景以及分析技术原理等，帮助学生快速建立组学相关的研究意识，促进组学的理念和技术服务于后续的研究课题。在本课程中，我们通过课堂教学和讨论报告相结合的方式，增进学生和教师之间的交流，激发学生学习的积极性和主动性，加强学生对基因组学相关原理和分析方法的了解，并将其作为一种手段和方法，促进适用于农林类生物学的研究，满足现代社会对创新型人才的需求。

[关键词]基因组学；教学模式；讨论报告；农林类院校

[基金项目]2021年，华中农业大学研究生培养条件建设项目，与时俱进建设《基因组学前沿专题》课程[编号：无]

[作者简介]郑金水（1982-），男，湖北省麻城市人，博士，华中农业大学信息学院副教授，研究方向为生物信息学。

[中图法分类号]G642.0    [文献标识码]A      

基因组学主要以生物体所有的遗传物质为研究对象，研究其演化、结构、功能、编辑等以及如何与表型相关联。随着人类基因组计划的完成，DNA高通量测序技术得到了快速发展，越来越多的模式生物基因组测序工作逐渐被完成，生物学的研究进入了后基因组时代。这也使分子生物学中基因的研究从“单个”进入“整体”，即从生物体整体的观念研究全部遗传物质结构和功能^[1]。

基因组学的理念和方法已经被应用到生命科学研究的各个领域，并且相互融合、相互促进。同时以基因组学为起点的其它组学（表观组、转录组、宏基因组等）也快速发展，极大地推动了生命科学的跨越式发展。群体基因组、3D基因组、功能基因组、表观基因组与宏基因组学等新手段给人类对于表型与基因型的关系，变异与疾病的联系等带来了一系列全新的认识。基因组学不仅在人类疾病预测、新型药物开发、精准医疗等方面发挥重大作用，也在农作物改良育种、病虫害防治、生态环境保护等方面起到越来越重要的作用。

在农林院校，涉及以生物为对象的科学与应用研究中，基因组学已经成为必备的研究手段之一。然而大部分的直接从事研究工作的研究生们一般具有较好的生物学背景，却缺乏基本的组学相关的理念的技能。“基因组学前沿专题”从基因组学概念、测序技术原理、分析手段的算法基础出发，结合具体实例，带领低年级研究生深入认识基因组学的基本理念和方法，了解基因组学技术的应用场景以及如何与农林类科学研究相结合。作为一门快速发展的前沿交叉学科，其覆盖内容广泛、概念多、难度大，同时与其他学科逐渐有更多的交叉融合。这就要求授课者根据学生情况分析做好课程设计，在授课过程中，将复杂的问题简单化，将抽象的问题具体化，深入浅出地将系统知识传授给学生^[2]。

我们自2017年开课以来，累计选课人数接近200人，授课效果良好。本文将目前农林类院校教学现状和课堂过程中的实践相结合，从“基因组学前沿专题”课程概述、教学内容设置及考核方式等多方面的研究生教学模式探索进行分析，提出教学创新之处，拓展学生们对基因组学知识的理解，培养学生将所学知识应用于实践的能力。

一、“基因组学前沿专题”课程概述

基因组学涉及许多抽象的概念和多生物学学科交叉，使得目前一些院校与基因组学相关课程的开设有一定的难度。对基因组学知识的学习，既需要将学生前期具备的比较零散的遗传学、分子生物学、生物化学等生物学知识进行系统性的整合，又必须将这些系统知识逐步引入到组学范围，进而强化学生对基因组学的理解。同时，因为基因组学前沿性很强，很难统一课堂教材，给课堂上老师的授课也带来了一定的难度。许多农林类院校的大多数基因组学相关课程，大半篇幅实际是遗传学和分子生物学的内容。此外，目前大部分农林类院校生命科学类专业的研究生都具有生物学知识学习背景，但缺少组学相关的背景知识和思维方式，给以组学为手段的相关课题研究带来了一定的挑战^[3]。

本课程授课对象为全校生物类硕士、博士研究生，教师授课部分主要以基因学概述以及DNA测序技术为起点，介绍基因组学的基本理论；参照各大主流期刊（Nature Genetics，Nature Biotechnology，Genome Research等）发表的相关成果，介绍基因组学中普遍使用的分析流程和方法，着重解释算法原理，加强学生对基因组学技术原理和方法的了解，以便于将所学知识应用于实践，促进科学理论研究。文献分享部分，学生根据自身研究方向或兴趣在教师指定的文献库或话题范围中广泛浏览文献，选择报告话题、进行文献阅读和汇报，并组织老师和同学对相关话题进行讨论。在以往的教学模式中，教师的讲述往往占课堂总时间的90%以上，而基因组学这样的前沿交叉学科更需要新的教学内容、更加多元的教学方式。我们采用课堂讲授和小组讨论报告相结合的形式，将教师课堂讲授的时间降低至60%以下，充分发挥学生主体的主观能动性，将“教”与“学”相平衡，从而提高“基因组学前沿专题”课程的教学质量和学生积极主动学习的能力^[4]。

二、 教学内容设置

“基因组学前沿专题”的教学内容分为教师讲述和学生文献分享与讨论两个部分。第一部分内容包括基因组学概况、DNA测序技术、基因组学研究方法、微生物组学进展。第二部分主要围绕基因组学近期热点进展进行讨论。本课程为2学分的研究生课程，共32个学时。在上述两个部分中，前者内容占18学时，后者占14个学时。

2.1 基因组学概况

基因组学是涉及到的概念多、难度大，本章旨在引导学生全面认识基因组学的基本概念。本章授课内容主要分三个层次：（1）从基因组学基本概念入手，重点讲述基因组学与基础生物学之间的联系与区别，然后讲述由分子生物学向基因组学进行过渡的历史必然性。（2）以模式微生物、模式动物、模式植物到人类基因组计划为载体介绍基因组学的发展历史。（3）介绍基因组学的主要研究内容，以及后基因组学时代以基因组学为起点的其它组学的最新进展。

2.2 DNA测序技术

DNA测序技术是基因组学研究的基础，理解测序技术的原理和方法对充分掌握基因组学的研究理念和分析技术原理至关重要。根据测序技术发展历程，本章主要讲述四部分内容：（1）第一代DNA测序技术，重点讲述Sanger测序的基本思想和测序方法改进背后的理论基础。（2）第二代测序，在简介二代DNA测序技术发展历史的基础上，重点介绍454测序技术、Illumina测序技术以及DNA纳米球测序技术的测序原理。（3）第三代测序技术，主要介绍PacBio SMRT和纳米孔测序的基本原理。（4）现代测序技术不同平台之间的优劣势比较，以及应用场景分析与比较。

2.3 基因组学研究方法

本章主要介绍基因组学研究中基本分析流程，重点讲解关键分析步骤涉及到的基本原理和方法，注重讲述根据不同的科学目标设计不同的分析框架，选择不同的分析方法。主要内容包括：（1）来自不同DNA测序平台下机数据的处理；（2）序列组装，包括根据不同物种设计的不同测序策略下的多种组装方式的原理与方法；（3）基因组注释，主要涉及真核生物原核生物的基因结构注释和功能注释；（4）变异位点分析，针对真核生物和原核生物基因组的不同特点，分别介绍一般的设计与分析策略和方法；（5）比较基因组学，分别针对原核生物和真核生物，讲述比较分析的的基本概念和分析流程。

本章主要力争使得学生能够理解基因组研究的基本思想和一般方法，因此在课程设计上，我们重点介绍常见分析流程和软件在生物学方面的原理，并通过组织农林类生物学基因组分析的实例，以及少数明星开源软件工具的使用方法，对基因组学组学为代表的的组学分析方法背后的原理作详尽的介绍。

2.4 微生物组学进展

由于近年来微生物学研究快速发展，许多传统生物学科已经迅速与微生物组学交叉，本章将针对这个热点，重点讲述微生物学研究的基本思想和方法。本章从微生物组学研究实例出发，主要内容包括：（1）微生物学的概念，主要讲述微生物组学的定义，与宏基因组学的联系与区别，以及关键研究进展。（2）基于16S rDNA扩增子测序的微生物群体多样性，讲述主要的研究思路、一般的实验方法以及常见的数据分析流程等。（3）宏基因组与宏转录组，主要讲述宏基因组与宏转录组的基本概念、实验手段、常见的分析手段、以及与基于16S rDNA扩增子分析的联系与区别。（4）微生物组生物工程，主要讲述目前关于通过多种手段改造微生物群落结构，影响其功能，进而影响宿主与环境的健康状态等。

2.5 基因组学近期热点进展讨论

基因组学研究内容广泛，是生命科学的前沿学科和交叉学科，学习本课程的主要目的是促进学生在以后的研究工作中充分发挥组学作为研究手段的优势，推动科研活动更加全面进行。经过前一部分的学习，学生对于基因组学的基本理论和基本方法有了比较全面的认识，本部分重点引导学生通过关键文献的学习以及与老师和同学的充分交流，进一步加深对基因组学研究理念的认识，理解基因组学有关的实验设计、所学数据类型和数据的分析流程。

“基因组学前沿专题”的教学强调对课程内容和目前热点话题的活学活用、灵活讨论，仅靠课堂讲授是不能达到的, 需要采用不同于以往的方式，充分调动学生的自主学习积极，并且学以致用^[5-6]。因此，本课程在教学中设计讨论报告的方式，根据本领域最新研究进展，并结合农林类相关院校的研究重点，提供了6种主题，包括植物基因组进展，动物基因组进展，微生物基因组进展，单细胞测序技术热点，微生物组与现代农业、人类健康等。

基于教学效果考虑，本课程限选课人数为65人。学生主要来自括信息学院、植物科学技术学院、生命科学技术学院、动科动医学院，园艺林学学院、食品科学学院。根据所从事的研究课题的背景和个人兴趣，选课学生自由组合每组3-4人，共计20余小组。每个小组参考教师所提供的基因组学热点话题和候选文献库，通过查阅文献和背景资料, 确定自己小组感兴趣的话题，进行自学和讨论，每个小组内的具体分工及合作方式由小组自行决定。最终每个小组由一位成员进行15分钟左右的PPT展示汇报，组内其余同学可对报告内容进行补充，再由其他同学进行点评或者提问，该小组所有学生参与讨论。通过这种方式，对选择的及相关内容的文献反复阅读，同学之间进行积极讨论，能够理解其中科学的思维方法、实验设计思路和实验方法细节，融会贯通前沿学科知识，培养自己的科研思维能力，对当前基因组学研究中比较前沿的热点内容有更加深刻的认识。

三、考核方式

在本课程，课堂平时成绩占总成绩的40%，主要是课堂出勤、上课表现、与老师互动等多方面的考查，鼓励同学们多提问、多交流，形成良好的师生互动，在互动中加深理解。讨论报告成绩占30%，包括PPT讲解演示成绩、小组讨论中的表现、演示结束解答疑惑的状态，通过这种方式考查学生及其小组对所选主题的理解，组内是否充分讨论感兴趣热点话题的研究现状。最后课程论文成绩占30%，每位同学根据课堂讲授或选择其他自己所感兴趣的基因组学研究内容、研究手段、分析方法等主题，总结一份1000字以上的课程论文，以此考查同学们对课程重点内容的理解。综合多种考核方式，增强研究生对基因组学的理解和组学相关思维方式，促进学生自己发现并解决问题，从而促进在组学相关方面的科学研究。

四、总结

基因组学如今已经逐渐渗透到生命科学的各个领域，对农林类院校的生命科学专业研究来说更是如此，推动了生命科学领域的发展。本课程采用课堂讲授和讨论报告相结合的方式，多方位阐述了基因组学的理念、基本概念、研究领域和核心技术，特别是基因组学对农林类生命科学和生物技术的贡献。

[参考文献]

[1] 杨焕明. 基因组学[M]. 北京:科学出版社, 2016.

[2] 欧阳立明, 张惠展. 基因组学课程体系与教学实践[J]. 遗传, 2011, 033(003):278-282.

[3] 赵阳, 江海洋. 后基因组时代农林院校基因组学教学改革探析[J]. 现代农业科技, 2015, 000(003):337-338.

[4] 欧阳立明, 肖君华, 张惠展. 过程启发式教学在基因组学课程中的实践[J]. 微生物学通报, 2006, 33(4): 180–183.

[5] 于爱群, 马立娟, 郭学武,等. 主题研讨模式在"合成生物学导论"课程中的应用[J]. 高校生物学教学研究（电子版）, 2019, 9(1): 30-34.

[6] 张擎,郑凌伶. 基于整合互联网优势资源的基因组学课程教学新模式[J]. 教育教学论坛, 2020, 492(46): 156-158.

Analysis on the postgraduate teaching model for “Current topics on Genomics”

Zheng Jinshui

College of informatics, Huazhong Agricultural University, Wuhan, Hubei, 430070

Abstract: With the rapid development of DNA sequencing technology, omics technology represented by genomics has attracted more and more attention in biology related research in agricultural and forestry university, and has gradually become a necessary research method. However, at present, most postgraduates directly engaged in relevant research generally have biological background and lack of background knowledge and thinking mode related to omics, resulting in great restrictions on the promotion and application of omics technology. The public elective course "Current topics on Genomics" for postgraduates aims to provide junior masters and doctoral students with biological background with the theoretical basis, application scenarios and analytical technology principles of genomics centered multi-omics, help students quickly establish research awareness related to omics, and promote the idea and technology of omics to serve subsequent research topics. In this course, through the combination of classroom teaching and discussion report, we will enhance the communication between students and teachers, stimulate students' learning enthusiasm and initiative, strengthen students' understanding of relevant principles and analytical methods of genomics, and use them as a means and method to promote the research applicable to agricultural and forestry biology, Meet the needs of modern society for innovative talents.

Keywords: Genomics; Teaching mode; Discussion report; Agricultural and Forestry University