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[关键词]林麝;分子遗传学;分子标记;人工繁育;泌香
林麝Moschusberezovskii又名麝鹿、香獐,属偶蹄目Artiodactyla、麝科Moschidae、麝属Moschus,是目前养殖规模较大、数量最多的麝科动物之一。雄麝香腺分泌的外激素――麝香在传统中药领域发挥着重要的作用[1-2]。由于国际香料市场和医疗行业对麝香需求量的大增,人类“杀麝取香”和对其栖息地的严重破坏,已使该物种野生种群数量急剧减少,现存麝类已面临濒危。目前,林麝已被列人CITES附录Ⅰ中,《中国濒危动物红皮书》将麝列为濒危或易危动物[3]。我国1988年颁布的野生动物保护法将林麝列为国家二级保护动物,2002年又将其提升为一级保护动物。麝的珍贵引起了许多生物学工作者的浓厚兴趣,在林麝的生态学[4]、行为学[5]、分类学[6]、生理学[7]以及麝香的药理学与临床应用[8]等方面开展了积极的探索。
近年来,随着现代生物技术的不断发展,细胞生物学、分子生物学等新兴生物技术开始被不断地运用到林麝遗传育种工作中,为林麝的育种保护工作注入新的活力。其中,以新兴发展起来的分子遗传标记技术最引人注目,分子遗传标记的出现使基于此类标记的选择育种技术有了实现的可行性,显现出了巨大的应用潜力。当前,分子遗传标记在林麝遗传育种中的应用主要体现在遗传分类、人工繁育、泌香、疾病等方面。本文就分子遗传学在林麝研究中的应用现状做一综述,并对后期研究进行了展望,以期为提高林麝的生产性能提供参考。
1林麝分子遗传标记
分子遗传标记是基于DNA差异进行个体或群体遗传多样性分析的有力工具。常用于林麝遗传多样性分析的分子标记方法有AFLP,mtDNA,微卫星DNA等。
AFLP技术在种群结构和差异的调查中起着非常重要作用[9]。陈轩[10]根据AFLP分子标记的特点,以四川养麝研究所白沙养麝场21只林麝样品和金凤山养麝场14只林麝样品为材料,对2个种群的遗传多样性进行了比较分析,结果发现四川养麝研究所白沙养麝场圈养的2个林麝种群均具有较高水平的遗传多样性,但金凤山种群具有相对较高的遗传多样性。赵莎莎[11]利用相同的原材料进一步检测了22对选择性引物组合,共获得了908个AFLP多态片段,结果证明了麝香高产组在多态位点比率(PPL)上极显著高于参照组和低产组,在遗传多样性水平上也有更高的整体竞争优势。
mtDNA是核外遗传物质,由于mtDNA的控制区富含A,T碱基,属于遗传高变区,进化速度比其他区域快,多态性丰富,常被应用到野生动物群体遗传多样性检测中。彭红元等[12]通过分析四川省3个本地种群中林麝mtDNA控制区域582bp片段,发现94个变异位点,在109个个体中检测出27个单倍型,表明3个群体间很少进行遗传交流,建议建立系谱以增加群体间基因的交流。2014年,冯慧等[13]调查了陕西省林麝1个圈养种群3个野生种群mtDNAD-Loop632bp片段的遗传多样性和种群结构,结果表明,陕西省林麝群体mtDNAD-loop区序列存在着较丰富的变异和遗传多样性,凤县野生群体和凤县养殖场群体的核苷酸多样性和单倍型多样较高,养殖场种群没有出现近亲繁殖及遗传多样性下降的情况。凤县野生群体和凤县养殖场群体两者遗传分化较小,存在着较高的基因流水平。
微卫星DNA广泛分布与真核生物基因组中,具有多态性高、共显性遗传、选择中性、易于操作等特点,是一种极具应用价值的分子遗传标记,由于微卫星重复序列在群体间和不同的个体间通常表现出很高的序列变异性,并且这种变异呈共显遗传,因而在微卫星重复序列广泛应用于物种遗传多样分析。2004年,邹方东[14]运用微卫星标记法构建了3个林麝基因组微卫星富集文库,每个文库含有上万个转化子。2005年,Zou等[15]又运用了改进的富集文库方式来分离微卫星位点,获得了野生林麝的多态位点,结果发现70%的基因组文库为(AC)_n文库,8个微卫星位点呈现高度多态性,可作为研究林麝的分子遗传标记。2006年,夏珊[16]对构建林麝的微卫星文库筛选了6个多态性好的座位,并对林麝的遗传多样性进行初步的分析,6个微卫星座位的多态信息含量(PIC)最低为0.6214,最高为0.7984,说明这6个林麝微卫星座位具有高度多态性,进一步证明了微卫星DNA是很好的分子遗传标记。
2林麝遗传分类研究
目前,对林麝的遗传分类有3种研究手段,分别为形态解剖学、细胞遗传学和分子生物学。一种是根据外形、头骨和距骨的形态特点以及生态习性、分布等认为麝确是一个独立物种[17]。陈服官等[18]根据林麝生物标本,再一次肯定了这种分类方法。林麝作为麝科动物一个亚种除了在形态解剖学上得到了明确的肯定外,从细胞遗传学特征来看,也得到了有力的支持。细胞的染色体组型和染色体带型都代表着种的特性,它为不同物种在分类研究和确定其在进化过程中的位置提供了一个重要的依据。2004年,邹方东等[19]以林麝外周血淋巴细胞为实验材料,首先建立了适合林麝淋巴细胞增殖的培养体系,并用培养出的细胞制备染色体,确定林麝核型是2N=58,且全都是端着丝粒染色体,还首次应用染色体G-带技术,对林麝染色体的G-带带型进行了研究,确定了林麝染色体是2N=58,且全都是端着丝粒染色体,这与其他鹿科动物存在较大差异。结果表明,从细胞遗传学角度将麝分为单独一科也是比较合理的。
随着分子生物学的发展,麝作为独立的科在分子水平上相继得到了印证。Kuznetsova等[20]对鹿科家族成员和其他偶蹄动物的线粒体基因12S和16SrRNA(2445bp)的序列和核β-spectrin基因(828bp)的区域进行分析,发现鹿科和麝存在几个分子共源性特征。刘学东等[21]则利用测得梅花鹿、坡鹿、原麝和林麝的线粒体12SrRNA基因全序列,与GenBank中检索到的鼷鹿、长颈鹿和牛12SrRNA基因全序列进行对比,分别应用ME,ML,MP方法重建系统树,发现3种树拓扑结构一致,结果显示麝、鹿、牛、长颈鹿均各自为单系群,且麝作为一个单系进化。此外,采用PCR技术和序列测定方法从线粒体DNA上得到367bp的细胞色素b基因片段序列,分析其序列可得出在麝、獐、麂和鹿的系统进化中,麝约在600万年前与鹿科分歧,而鹿科的3个亚科是在350~500万年前开始分歧,表明麝可单独作为麝科[22]。张亮则采用克隆SRY基因的CDS区的方法,得到林麝和马麝的SRY基因,对其进行分析显示,支持麝作为独立一科的观点[23]。2009年,彭红元等[12]测定了林麝全线粒体序列,分别运用MP,Baryes方法与其他22种反刍亚目的动物相关基因序列进行系统进化分析,表明林麝与鹿科动物的亲缘关系最为接近,并单独形成一支,在牛科和鹿科之前分化出来,为鹿科、牛科互为姐妹群。2012年,冯慧等[13]从秦岭林麝的毛发样品中提取得到线粒体DNACytb基因的部分序列,并对其进行序列分析,发现林麝、原麝、马麝、喜马拉雅麝、黑麝是5种独立的种,林麝与原麝的亲缘关系最近,进一步弥补了现有形态分类研究的不足,得到更有说服力的分析结果。截至目前,运用各种克隆方法得到的林麝DNA序列,对其分析后发现其遗传学分类与形态解剖学、细胞遗传学得到的结果是相同,对麝作为单独一个物种的结果进行了充分的肯定。
3林麝分子遗传学在人工繁育上的应用
经过50多年的发展,我国在林麝的人工繁育方面取得了不少优秀成果。但是,由于基础研究及资金等方面的问题,我国的圈养林麝规模一直徘徊在6000只左右[24],并且在林麝养殖过程中出现的种群退化、后代抗病力下降等问题也不断凸显,因此,加大对林麝的人工繁育研究,特别是基础研究工作力度显得尤为重要。2004年,邹方东等[25]首次成功克隆了与林麝生殖相关的核β-A亚基成熟肽序列,为林麝的人工繁育和麝资源的保护利用提供了相关基础资料。也有人对俄罗斯西伯利亚地区、远东地区和萨哈林岛的麝进行遗传多样性分析,发现随着栖息地的分裂,麝的近亲繁殖遗传多样性在不断上升,进而出现种群隔离现象[26]。此外,岳碧松研究团队对四川省米亚罗、金凤、马尔康3个养殖场的林麝进行微卫星分析,表明都是有效的群体规模,其遗传结构具有重要的保护意义,并建议在林麝人工育种时应当充分考虑这种遗传结构[27],这为林麝的选育工作提供了新的认识。2013年,岳碧松研究团队再次对四川米亚罗地区人工繁育林麝的多态性进行微卫星分析,发现由于引入新的血缘,林麝的杂合程度和遗传多样性在不断增加[28],为林麝的人工繁殖管理提供了一种新的方法。
4分子遗传学与林麝泌香的关系
获取麝香是保护林麝遗传资源的本质因素,提高麝香的产量,对林麝泌香相关的研究已经从组织解剖水平深入到泌香分子机制的研究。陈轩[10]分析了林麝AFLP的多态性与产香量的关系,筛选出34个在高产组和低产组间等位基因频率分布有显著(P参照组>低产组(P
白康[29]采用PCR-SSCP、测序分析等生物技术手段对雄性激素受体(AR)基因外显子1,4,8进行研究,结果显示,AR基因外显子1,4,8在所做样本中不存在多态性,说明雄性林麝AR基因外显子(1,4,8)在林麝中具有高度保守性。王勤等[30]克隆了调控林麝的繁殖和泌香的重要垂体激素FSH-β和LH-β基因,这为开展林麝泌香过程中基因表达的关联分析提供了一定的理论依据。
5分子遗传学与林麝疾病相关分析
麝类疾病是长期阻碍林麝人工养殖发展的关键因素。随着分子生物学的发展,分子遗传标记技术已经运用到林麝的疾病诊治过程中,这为寻找麝类疾病起因,制定相应抗体提供了一种新的借鉴方法。罗燕等[31]对林麝肺源致病性Escherichiacoli毒力基因进行了检测及鉴定,为进一步研究林麝肺源致病性E.coli的致病机制奠定了基础,同时为防治林麝E.coli性肺炎提供了依据。2013年,邹丹丹等[32]克隆和表达了林麝IL-1β基因,为其用于林麝疾病的防治奠定基础。李灵等[33]以四川养麝研究所的115只林麝个体为对象,通过对MHCⅡ类经典的DR和DQ座位的分离、遗传变异分析和化脓性疾病相关性的分析,揭示了林麝MHCⅡ基因多态性的维持机制及其与化脓性疾病的密切关系。周鑫等[34]为调查林麝肺源致病性大肠杆菌O因子血清型以及相关耐药基因的流行状况,采用玻板凝集反应法进行O因子血清型鉴定,同时用PCR方法检测耐药基因,发现29株菌皆携带多种耐药基因,这对林麝临床科学合理用药有重要指导意义。
6问题及展望
6.1存在的问题
6.1.1林麝驯化程度低,对分子遗传工作的开展带来极大不便从1958年以来,全国陆陆续续开展了林麝的驯化研究,并取得了一定的成果,其中包括陕西镇坪、四川马尔康、重庆南川等养殖基地[35-37]。但由于科研经费有限及林麝养殖效益等问题,驯化研究并没有持续,这造成了林麝的驯化程度很低。这给林麝分子遗传研究过程中的样品采集、生产性能测定等工作带来极大不便,也给林麝带来强烈的应激反应。强烈的应激反应不仅给实验数据的可靠性与稳定性造成一定程度的影响,还对林麝自身的健康造成不利影响。
6.1.2林麝为一级保护动物且价格昂贵,限制了某些分子遗传相关工作的开展林麝为国家一级珍稀濒危药用动物,不允许因为科学研究而对林麝有任何伤害,因此无法及时地采集林麝内脏进行深入的分子生物学相关研究,只能采集林麝毛发、血液或因疾病死亡林麝的内脏,这给林麝分子遗传学相关研究带来了不便。同时,由于林麝资源量有限,存在非常严重的炒种情况,目前每对林麝的价格被炒到7万元,昂贵的种源成本大大降低了林麝产香的盈利能力,也大大提高了林麝研究的成本,这种现象不仅严重阻碍了林麝分子遗传相关研究,而且不利于整个林麝养殖产业的健康发展。
6.1.3相关科研人员稀缺,发展缓慢目前,相对与其他常见动物,从事林麝相关工作的人员极少,主要分布在四川养麝研究所、重庆市药物种植研究所、四川大学、华东师范大学、浙江大学、陕西动物研究所等科研院所,几乎没有进行过林麝养殖行业的专题研讨及技术交流会。因此先进的分子生物学技术在林麝上应用的时间相对靠后,这也大大地降低了林麝遗传学相关研究的进展。
6.2展望
6.2.1麝香资源奇缺是林麝分子遗传学研究开展的内在动力麝香具有极高的药用价值,但由于麝香的产量极低,远远不能满足市场需求,这使得麝香的价格长期维持在黄金的3倍左右,因此,提高麝香产量就成为了林麝养殖行业的最重要目标。但由于林麝资源量极少且驯化程度低,传统遗传育种方法很难在林麝上得到顺利开展,因此通过分子遗传学方法筛选麝香高产分子标记越来越成为关注的焦点。
6.2.2新技术新方法的应用将大大加快林麝分子遗传学研究进展林麝分子遗传学研究随着分子生物技术的不断进步已经取得了长足发展,DNA条形码鉴定物种技术[38]、DNA分子性别鉴定技术[39]已成功运用在林麝遗传资源保护与与繁育工作中。然而,相对于林麝如此丰富的遗传背景,仅靠分子生物学技术远远不够,而且相关的研究成果得不到充分应用,因此有必要进一步了解林麝的遗传结构,将传统研究方法和分子生物技术相结合,了解其遗传结构差异和特征,进行针对性保护和利用。另外,为了促进人工养麝事业的发展,提高林麝种群增长率和麝香产量,须继续加强对林麝的泌香性状、疾病抗性等表型的标记研究,为实现标记辅助选择(MAS),加速良种培育打下基础。
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Proove公司的主打产品是DNA检测。该公司声称能够以93%的准确度来判断受检者是否具有对类鸦片止痛药上瘾的危险。根据美国疾控与预防中心披露,每天平均有91名美国人死于类鸦片物质摄入过量,从2000年到2015年,超过50万人因过量服用而死亡。
而就在去年12月,健康与医药专业门户STAT发表文章,质疑Proove公司DNA检测的科学性,从事遗传关联的成瘾研究的洛克菲勒大学Mary Jeanne Kreek博士声称Proove的检测可谓“无稽之谈”。今年2月份,Proove公司又被STAT爆曾邀请医生参与临床试验并对其付费,这种作法有违反禁止医药回扣的相关法规之嫌。
Proove公司2016年年收入达到2800万美元。到目前为止,该公司已收集到超过10万份完整的DNA数据。这主要是因为监管方面依然存在空白和疏漏――在美国,DNA测试可以不受FDA监管,只要经营者能证明所有的测试“在单一实验室内完成从设计到制作、再到运用的全过程”。2016年11月,美国大选结束后奥巴马政府暂停了弥补这项监管空白的计划,将之移交特朗普政府。
经营者的“曲线救国”
从监管者角度而言,因DNA检测而带来的潜在风险包括,受检者可能会仅仅凭检测结果而作出“改变人生的决定”,而DNA检测的可信度还尚未被证明达到满意的程度。
值得一提的是,一些营者曾采取曲线救国策略。例如,总部位于加州的23andMe公司(由谷歌联合创始人Sergey Brin的前妻Anne Wojcicki女士创立)于2014年就尝试进军英国市场;但当地监管机构和医学学会组织等似乎并不买账。
英国药品和保健产品监管机构(MHRA)向消费者发出警示,称“23andMe基于唾液的测试旨在通过DNA指征提供个性化的健康风险详细信息,需谨慎使用。”
该机构称,“消费者应确保他们使用的产品具有CE标识,并时刻谨记无任何测试是100%可靠的,在使用个人基因组服务之前需审慎考虑……在使用服务之后,若有任何问题或疑虑,亦应咨询专业的医疗健康人士。”
而英国“阿尔茨海默氏症学会”的反应则更“不客气”一些。该机构向其用户表示:“如果你担心自己的记忆问题,那么你的全科医师应该是第一个呼叫端口――而不是一个家庭DNA测试工具包。尽管有研究表明痴呆症的发展过程中有若干基因追推的因素,但我们还尚未掌握足够的信息以使其用于诊疗工具。”
加州遗传与社会学会执行主任Marcy Darnovsky博士认为,像23andMe公司进军英国和加拿大等海外市场的行为,更多是一种监管博弈策略――通过“其他国家的监管者并没有指出产品有什么缺陷”来无形中向FDA“施压”。
“在某些情况下遗传检测是一项重要的医疗工具,但对于普通人来说,要在健康的情况下预测常见的复杂疾病,DNA检测基本没有什么帮助,” Darnovsky博士坦言,“最复杂的疾病以及几乎所有的常见复杂疾病,乃是‘众多基因加上其他的生物、社会和环境因素的合成归因’而导致――少数例外如(乳腺癌中的)BRCA 1和2基因。”
此外,业界对于基因检测经营者如何处置数据也表示出关注。因为毕竟,“大规模的、自愿的群体遗传学采样”及基因组分是很多制药公司和实验室“梦寐以求的资源”。斯坦福大学法律与生物科学中心主任Hank Greely曾向我的同事、BBC记者委婉地表示他的担忧:“他们的商业计划是什么?是想通过向消费者出售检测套餐获利?还是想把消费者基因数据汇总出售给其他公司(作为算盘中的主要部分)?这是需要搞清楚的……”
如何面对新现实(New Realities)
事实上,基因检测的类型林林总总,有携带者识别、植入前基因诊断 (PGD)、生殖前诊断、新生儿疾病筛查、大众群体测试、个人识别等不一而足。
必须承认,同为一人在不同DNA检测中所获得的报告甚至都不尽一致。2013年,时年28岁的Kira Peikoff(她当时也是哥伦比亚大学诊疗心理学生物伦理硕士在读生)分别在23andMe(选购的是99美元的含240种健康状况与特征报告的唾液测试套餐)、Genetic Testing Laboratories(285美元含25种疾病风险报告)以及Pathway Genomics(399美元含24项疾病风险报告)三家不同的公司作了DNA检测。等待了两个月之后拿到所有报告时Peikoff发现,三家公司的检测报告并不一致。
她后来咨询的生物伦理学教授和其他专家表示,即使用最不悲观的视角来看,这至少反映了该领域“缺乏风险因素衡量标准的行业共识、且未形成定义性的术语库”。
除了检测报告的准确性之外,基因检测带来的其他社会与伦理问题同样不容忽视。2016年2月,加州帕罗阿托市一位六年级学生Colman Chadam经DNA检测发现具有囊性纤维化的遗传标记,而医学上建议有遗传性肺部疾病的儿童不要近距离相处,因为他们易受传染性感染的侵害,Chadam尽管没有罹患上述疾病,他还是被学校劝退了。其后,他父母以“基因歧视”而向孩子所在学区提起了诉讼。
而另一则关于“基因歧视”的新闻更加令人哭笑不得。密歇根州黑斯廷斯市的一名白人警长Cleon Brown作了一家在线公司DNA测试后惊讶地发现,报告显示他具有18%的非洲血统。随后,在Cleon身上发生了一系列被他认为有种族歧视的事件――包括被同事以及当时的市长拿小说中的黑人名取笑、在办公室圣诞树袜子中塞入黑肤色圣诞老人小雕像、还在圣诞老人胡子上用“黑色墨水”写下“18%”的恶作剧字样……今年4月份,Brown向联邦法院递交了诉状,依据反歧视法规向黑斯廷斯市提出超过50万美元的索赔。然而,黑斯廷斯市府在回复函中并不支持Brown“有资格”提出这项指控――因为他(直到去年获得DNA测试结果之前)一直是确凿无异的白种人。
函中说,“反歧视法规旨在为那些成百上千年以来因为肤色而遭受歧视与骚扰的有色族裔人士提供法律援助和补偿,但不会因为一个白种人现在突然发现他的祖先可能(或者事实上就压根没有)与非洲大陆某一块区域具有渊源而自动使其具备诉讼资格。”
[关键词] 荧光原位杂交;产前诊断;染色体非整倍体
[中图分类号] R714.53 [文献标识码] A [文章编号] 2095-0616(2017)10-242-04
Comparative study on application of two fluorescence in situ hybridization (FISH) kits for inspecting amniotic fluid chromosomes
LIU Keling1 JIA Bei2
1.Department of Obstetrics Baoan District People's Hospital,Shenzhen 518101,China;2.Department of Obstetrics,Nanfang Hospital,Southern Medical University,Guangzhou 510512,China
[Abstract] Objective Two fluorescence in situ hybridization (FISH) kits were utilized to inspectamniotic fluid chromosomes,to compare the both kits in clinical application. Methods Two fluorescence in situ hybridization (FISH) kits from Beijing GPmedical and Abbott were utilized to inspect 30 samples of amniotic fluid chromosomes.Their differences in respect of signal intensityand hybridizing were compared. Results All samples of the 30 cases were successfully detected by the both FISH kits.The hybridizing ratethere was no significant difference (P>0.05).Vysis kits 21/13 chromosome fluorescent hybridization signal was stronger than the GP kits’.The GP kits 18 chromosomes signal was clear and not easy to fuse. Conclusion the FISH kits from the Beijing GPmedical and Abbott Vysis can make the same prenatal diagnosis for the chromosome abnormality.
[Key words] Fluorescence in situ hybridization;Prenatal dignosis;Chromosomal aneuploid
晒庠位原位杂交技术(FISH)基于分子细胞遗传学发展的学科,始于1998年,至今在临床研究中广泛应用,在产前诊断领域更是不断完善和推广[1-3]。由于商业试剂盒应用方便、高效、稳定且专业化,临床上更青睐采用FISH商业试剂盒进行产前诊断[4],如美国雅培Vysis公司(美国),其试剂以极高的灵敏度及可重复性在临床应用中极受欢迎。目前我国金菩嘉公司(中国)自行研发成功FISH商业试剂盒可满足产前诊断系列使用。本课题通过雅培Vysis公司和金菩嘉公司分别研制的FISH试剂盒进行临床应用比较,以便国产FISH商业试剂盒的优化,增强市场竞争力。
1 资料与方法
1.1 一般资料
随机选取2009年3~10月在南方医院行产前诊断的高危孕妇30例,年龄18~44岁,平均(30.4±5.3)岁。孕周17~37周,平均(23.1±4.4)周。产前诊断指征包括:(1)孕妇年龄≥35岁10例;(2)母血清唐氏筛查高风险15例;(3)超声筛查异常,指羊水过多、心室强光点、腹部双泡征、双侧脉络丛多回声区等共3例;(4)多项指征,符合前面任意两项或两项以上者1例;(5)IVF-ET术后且极度焦虑孕妇1例。所有孕妇均签署产前诊断知情同意书。选择这30例的液氮冻存的未培养的羊水标本,结合其核型分析进行两种FISH诊断试剂(金菩嘉及雅培Vysis)的检测。
1.2 主要试剂及仪器
1.2.1 试剂盒 采用美国 VysisFISH检测试剂盒及北京金普嘉公司FISH试剂盒。
1.2.2 仪器 采用OLYMPUS公司(BX-51)的荧光显微镜、OLYMPUS公司的显微照相机、Thermobrite原位杂交仪及VideoTest公司的FISH2.0分析软件。
主干课程;生物学
生物,无处不在
“当白衣天使给你服用抗生素类药物,使你很快恢复了健康时,你得感谢微生物给你带来的福音,因为抗生素是微生物的‘奉献’。”最初是在微生物课本中看到这段文字的,它告诉我生物就在身边,生物与我们的学习和生活密不可分。其实细细想来,何止是微生物。在我们丰富多姿的大千世界中,生物的种类成千上万,甚至自诩聪明智慧如你我的人类不也是一种生物。
生物科学专业属于理学大类下的生物科学类,毕业授予理学学位。其专业课程包括:动物学、植物学、生物化学、分子生物学、遗传学、微生物学、细胞生物学、植物生理学、动物生理学等。生物科学之下也有不同的专业发展方向,如动物生理学(Animal Physiology)研究生物机体的正常功能活动及其产生机制,以人体和哺乳动物生理学原理为主要内容;生化及分子生物学(Biochemistry and Molecular Biology)主要研究生命现象的化学本质,它在分子水平探讨生命的本质,即研究生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节及其在生命活动中的作用;遗传学(Genetics)主要研究生物的遗传和变异,研究内容包括遗传物质的结构、功能与变异,遗传物质的传递、遗传信息的表达与调控等诸多方面;微生物学(Microbiology)掌握微生物学的基本知识和基本理论,了解微生物在工业、农业、医药、环境保护等方面的实际应用以及微生物学在发展中的作用。
自然科学的前沿领域
生物科学既是一门具有悠久历史的学科,又是当今蓬勃发展的热门学科。在科技迅猛发展的21世纪,生物科学正从分子、细胞、个体和群体等不同层次上综合运用现代技术,系统地研究生命的奥秘。作为自然科学研究的前沿领域,生物科学正成为发展最快、应用前景最厂的学科之一,其研究成果为人类的健康与发展乃至整个世界的发展与变革带来了深远影响。本专业培养综合素质高、基础知识宽、创新能力强,具有相关农业知识的生命科学研究型人才。学生需要在大学期间加强生命科学的基础理论学习,及时了解学科的最新进展,注重科研训练和实践教育,大力培养科研素养和创新精神,熟练掌握现代生物科学研究的基本技能和技术。
生物科学专业有师范类与非师范类之分,而笔者所在学校的生物科学专业即为师范类。师范类生物科学专业旨在培养掌握生物科学的基本理论、基本知识、实验技能,能够在高等和中等学校从事教学和教学研究的教师、教学研究人员以及教育工作者。鉴于其与非师范专业不同的培养目标,在大学本科的实际教学中,师范类生物科学专业还会开设基础心理学、学校教育学和生物教学论等与教学有关的课程,以加强学生对教师这一职业的认知,从而为学生入职做好铺垫。除此之外,老师从重点讲解与举例方向性、差异性的拓展等方面,对于讲课内容也会有针对性的调整,以适应不同方向学生的发展需求。
“生科人”,就业需努力
与偏重实践的生物技术专业相比,生物科学的学习内容更重理论,因此,本专业很多学生在本科毕业后选择了读研继续深造。除此以外,生物科学专业的学生也有很多选择了从事教育行业。不过,生物科学专业的本科毕业生在求职过程中经常会有“高不成、低不就”之感。一方面,好的科研、企业单位是理想的择业对象,可是其要求自然也比较高,本科生的竞争优势不是很大;另一方面,基层单位就业容易,可是条件差,发展也不太理想。对于求职者来说,文凭其实只是一小方面,招聘单位对文凭作出规定,无非也是希望应聘者有更高的专业能力。所以说,专业知识强、能力过硬才是最重要的条件,在学习的过程中有意识地锻炼、提高自身的专业技能,也是增强竞争优势的方法。
拥有生物科学专业国家特色专业院校名单:北京大学、北京师范大学、河北师范大学、山西师范大学、内蒙古大学、东北师范大学、复旦大学、厦门大学、西南大学、海南师范大学、宁夏大学、福建农林大学、中国海洋大学、山东师范大学,鲁东大学、河南师范大学、湖南师范失学、中山大学、西华师范大学、山西大学、上海海洋大学、南京师范大学、浙江大学、湖北大学、四川大学、延安大学、南京大学、兰州大学等。
水产养殖学:“水产”不水 邹林虎
主干课程:生物学、环境科学、水产学
水产养殖,不只是养殖水产
2008年,伴随着5·12地震带来的恐慌,我秉烛夜读,取得最终的胜利。像中国健儿在奥运赛场上勇夺金牌一样,那年,我收到了西北农林科技大学(编者注:作者本科就读于西北农林科技大学,后考入中国科学院大学攻读硕士学位)水产养殖学专业的录取通知书。残奥会开幕了,我的大学生涯也拉开了序幕。
也许很多同学会问,水产养殖学专业是教养鱼呢还是养虾呢?那你就对水产养殖学专业的理解太狭隘了。水产养殖学专业旨在培养学生具有生物学、水产动植物养殖及水产动植物疾病诊断、防治的基本理论知识和实验、实践的基本技能,能从事水生动植物资源综合开发利用与保护、经济动植物的增养殖、疾病防治及相关领域的科研、教学、技术服务及经营管理等工作。主要学习生物科学、水域生态学、水环境科学、水生生物技术以及水产动物生产、水产品加工与贸易和水生资源开发和利用等方面的基本知识。通过四年大学的专业学习,水产养殖学专业的学生需要具备水产经济动植物生产、水产饲料生产、水生生物病害检测与控制、水域环境监测、水产资源开发、水产品加工等方面的基本能力。
与“水产品”打交道的专业
在此之后,鱼类增养殖学、海水贝类增养殖学、水产动物病害学、水产动物营养与饲料等专业课程也粉墨登场。大三、开始,本专业的课程涉及到更多方面,如动物遗传学、水产动物育种学、水环境化学、养殖水域生态学、分子生物学、水产品加工工艺学等。不过,随着学习的逐渐深入,我们也越来越觉得这些课似乎和水产养殖学专业没多大关系。
将近一年的实验室生活,我们才开始真正明白国家设立水产养殖学专业并不仅仅是为了培养渔民,更是为了解决水产养殖上的难题。比如养殖品种的培育、营养优化、病害防治、产业链整合等。同时,水产养殖学是生命学科的一个分支,它所学习的内容如生物化学、细胞生物学等在生命科学中也是通用的。
水产养殖学专业课程的学习其实有很多趣味,比如水生观赏动物养殖学的理论学习让我们了解了水生观赏动物养殖在国民经济中的地位和水生观赏动物的主要种类。实践中,我们在水族市场调研各种水生观赏动物的市价,在海洋世界里参观名贵品种和水族器材,并且在学院的资金支持下,进行水族箱的设计比赛。
守卫水域世界
四年的时间转瞬即逝,我们这个小家庭的成员也将奔向祖国各地开始新的生活了。他们的归宿如何呢?有的同学进入各大高校继续读研深造,有的同学在科研机构、高等院校、企事业单位的水生生物生产、水产动物营养与饲料加工、水生生物资源保护与开发、水域生态环境监测与保护及相关领域从事教学与科研、产品开发、市场营销和技术推广等工作,大家分布在祖国的各个角落。当然。水产养殖学专业的学生也可以选择自主创业,比如培育像七彩神仙鱼、金龙鱼、银龙鱼等名贵品种。大家都明白,物以稀为贵,之所以名贵不仅因为这些品种的外观光彩照人,更因为目前还没有完善的人工繁殖技术,这就需要更多的水产养殖学专业的学子发挥专业所长。
拥有水产养殖学专业国家特色专业院校名单:中国海洋大学、宁波大学、天津农学院,大连水产学院、华中农业大学、海南大学、广东海洋大学、上海海洋大学、淮海工学院、集美大学。
生物工程:生命通往应用的桥梁 李佳丽
主干课程:生物学、化学工程与技术
生物与工程的契合
生物工程是以生命科学为基础,利用生物体系(组织、细胞及其组分)和工程原理,提供商品性和社会的综合性科学技术体系。广泛应用于功能食品开发、生物制药、农产品综合利用等领域,促进传统产业的改造和新兴产业的形成。生物工程是加强技术创新、发展高科技、实现产业化的基础,是从实验室研究通向大规模生产的桥梁。在这一科技下,生物工程专业应运而生。
生物工程专业通过掌握生物技术及其产业化的科学原理、工艺技术过程和工程设计等基础理论,培养出具备生命科学基本理论和系统的生物技术基本理论、基本技能,掌握生物与化学实验基本技能,从而能在科研机构或高等学校从事科学研究或教学工作,能在医药、食品、农、林、牧、渔、环保等领域的生产企业及事业、行政管理部门从事与生物技术有关的应用研究、技术开发、生产管理和行政管理等工作的应用型高素质人才。
实验室与社会接轨
学习生物工程要求理论与实践的交替,包括不同领域的实验操作。比如:无机及分析化学实验、有机实验、生物化学实验、酶工程实验等。让学生尽可能掌握实验的基本操作和认识化学反应。在四年的大学生涯中,学生将会接触到如下课程:无机及分析化学、有机化学、物理化学、生物化学、微生物学、生化分离、基因工程、分子生物学、细胞生物学、细胞工程、微生物工程、发育生物学、酶工程、遗传学、化学基础实验、生物工程基础及专业实验等。
生物工程属于综合交叉发展学科,且与应用有紧密的结合,国外很多著名大学都很注重其发展,相比国内该专业的现状,出国深造对于以后发展更有利。生物工程专业的毕业生可以在医药、食品、环保、商检等部门中从事生物产品的技术开发、工程设计、生产管理及产品性能检测分析等工作及教学部门的研究与教学工作。
理性对待专业前景
如今,生物工程的应用领域越来越广泛,涵盖了农业、工业、医学、药物学、能源、环保、冶金、化工原料、动植物、净化等各个领域。它对人类社会的政治、经济、军事和生活等方面产生了巨大的影响,并为世界面临的资源、环境和人类健康等问题的解决提供美好的前景,生物工程专业也将日益壮大。
不过,本专业本科生直接从事科研方面工作的可能性不大,根据笔者经历,本专业大部分同学选择继续读研,直接就业的同学较少。原因是生物工程专业本科四年的学习不足以满足社会对于专业人才的需求,因此,大家希望能继续提升自己的知识储备与专业能力,掌握更多先进的专业技术。并且,生物工程专业各高校的教学水平与师资水平参差不齐,如果有意愿就读该专业的,大家一定要谨慎选择院校。
拥有生物工程专业国家特色专业院校名单:中国农业大学、南京工业大学、江南大学、上海交通大学、北京化工大学、华东理工大学、西北农林科技大学、华中农业大学、重庆大学、北方民族大学、天津科技大学、大连大学、浙江工业大学、大连工业大学、大连理工大学、沈阳药科大学、江西农业大学、湖北工业大学、华南理工大学、贵阳学院、湖南科技学院、大连民族学院、淮阴工学院、宜春学院、山东轻工业学院、四川理工学院、合肥学院、石家庄学院。
动物科学:畜牧人的摇篮 杜拜伦
主干课程:生物学、动物遗传育种学、动物营养与饲料学
向未来新兴产业转变
动物科学专业是生命科学的重要分支。它的基本任务是在认识和掌握动物遗传变异、生长发育、消化繁殖等生命规律的基础上,为人类提供质优量多的动物产品。动物科学旨在满足人们日益增长的高档肉类饮食需求,主要进行动物营养与饲料、饲料资源开发、饲料配方与饲料工艺设计,以及饲料鱼饲养企业管理的研究。通过对大量的动物实验和畜禽生产实践,将了解兔子、禽类、牛、猪、羊的动物生理特点和生活习性,并学习对其进行饲养管理、帮助他们繁殖后代等的科学方法。
随着动物基因组计划的全面启动和阶段成果的取得,动物科学已深入到基因层面认识动物的遗传、发育、繁殖和代谢的调控规律。分子与细胞工程技术已逐步成为畜禽新品种培育、良种快速扩繁、动物营养饲料的重要手段。动物科学专业除面向传统的优质畜禽产品生产外,从事动物生物技术新兴产业将是其未来最具发展潜力的重要方向。
掌握核心技术
顾名思义,动物科学专业学习的课程也与动物密不可分,大学四年需要学习动物解剖学、动物组织胚胎学、动物生理学、动物生物化学、畜牧微生物学、动物遗传学、动物营养学、饲料学、生物统计学、饲料分析技术、动物繁殖学、动物环境卫生与畜舍建筑学、畜牧生产系统、动物育种学、群体遗传学、数量遗传学、细胞遗传学、生化遗传学、分子遗传学、配合饲料工艺原理与技术、企业管理学、反刍动物营养、猪营养、家禽营养、鱼虾动物营养等。动物科学专业学生在毕业时需要具备丰厚的生命科学、动物生理生化、饲料工程、环境工程科学等基础,掌握动物产品高效安全生产与质量控制、动物生长发育规律、营养调控等理论与技术,成为能够从事动物科学教学与科研工作,胜任动物遗传资源开发与利用、特色动物产品开发、生态农业建设的科研与管理,从事高新技术研究与推广的高级专业人才。作为新一代“畜牧人”,在目前食品安全问题严峻的背景下,我们的目标不仅仅是数量的提升,更是质量的提升。我们的研究对象也从最初的陆生动物扩展到目前的水生动物。
发展中的“潜力股”
随着科技的进步,动物科学的研究领域在范围上已从传统的畜牧业扩展到了水产动物、珍禽异兽、伴侣动物、观赏动物的饲养、育种繁殖、产品加工等各个领域;在研究深度上已从动物整体水平、细胞水平和亚细胞水平深入到分子水平,使得人们可以在基因水平上认识动物遗传、发育、繁殖、代谢的规律。克隆动物、转基因动物的成功育成表明,动物科学是21世纪生命科学中最富有挑战性和最具发展潜力的领域之一。
本专业学生毕业后可以到农业部、国家检疫局等各级部委及相关机构、国内外著名上市公司、高等院校、科研院所、生产企业从事管理、技术总监、教学、科研和产品开发等工作。近3年有代表性的就业单位有:农业部、国家检疫局、中国农业科学院、中粮集团、首都农业集团等。
关键词 细辛 道地药材 方法论 GAP
“中药现代化”必须立足于“中药材的现代化”。所谓“中药材的现代化”即通过中药材的规范化种植(GAP),以提高中药材的质量与稳定性,从而使中药饮片和中成药的质量及其安全性、有效性和稳定性得以保证。作者认为,发展中药材GAP生产的科学前提有三,一要保证种质优良,二要确定适宜的生产环境,三是要有系统而标准化的田间管理和采收加工规程(SOP规程)。而道地药材的系统研究即能为这三个科学前提的确立提供有力的支持。作者曾对细辛道地药材进行过系统研究,下面就谈一下道地药材系统研究的方法、细辛道地药材系统研究的结论与细辛道地药材GAP生产的关键问题,以供同行讨论。
1 道地药材系统研究的方法学探讨
发展道地药材的规范化生产是提高中药质量的方向性战略方针。要保持道地药材的优势永久不衰,就必须加强对道地药材的科学研究,以确立道地药材的形成模式。道地药材的研究有其独特的内容和目的,因而也应有独特的方法学体系。作者认为该方法学体系至少应包括以下几个方面:
1.1 本草考证与现状调查 通过本草考证,确定所研究药材的主流品种和产地、药用部位以及用量的历史沿革;通过文献检索,掌握该种药材多学科研究的现状;通过市场调查与追踪,掌握该种药材的商品主流品种、非主流品种、代用品及伪品概况;通过实地调查、文献及标本的查阅,掌握药材原植物资源及药材栽培生产状况。通过上述工作,综合各种信息,力求掌握该种药材的历史沿革、现代应用及研究现状;找出继续研究的切入点与重点,确定采集供试样品的时间、地点与数量。
1.2 全方位、多层次的遗传学研究 所谓全方位,是指对主流品种与非主流品种、正品与非正品,道地产地与非道地产地所产药材原植物均进行遗传学分析;所谓多层次,是指运用细胞学、酶化学以及DNA指纹图谱技术等不同层次的手段进行研究。通过全方位、多层次的遗传学分析,力求掌握正品与非正品之间,道地药材与非道地药材之间以及主流品种与非主流品种之间的遗传学差异;搞清药材种质遗传多样性水平和遗传结构特点,为该药材的鉴别、种质资源保护、优良品种培育及道地药材的形成模式分析提供遗传学资料。需要特别注意的是,遗传学研究所用生物材料应严格按居群取样方法取样,确保取样的广泛性、代表性与可比性。
1.3 建立道地药材的鉴别与质量评价体系 即通过对道地药材和非道地药材的多学科比较研究,建立量化和系统化的多元鉴别与质量评价体系;并找出该药材的最佳品种和产地或不同品种的特点。所用指标至少应包括以下几个方面,药材的生物学和化学鉴别模式;药材的外观性状和常用物理指标5溶出度、灰分、主成分和主要有效成分或有效部位的含量;农药、化肥和除草剂等化学物质的残留量;重金属和其他有毒成分的含量;主要药理指标和临床药效评价等等。最终目的是实现药材质量控制的标准化,确定不同种质之间的鉴别模式和评价药材优劣的标准。
l.4 影响药材质量的多因子综合分析 即运用相关与回归、模糊集合论等现代科学观,借助计算机等现代科技手段,对影响药材质量的遗传因子,生态、地理因子与人文因子进行综合分析,力求找出该道地药材的形成模式及最优品种、生境和采收加工方法。需要指出的是,以上方法和手段是一个有机的方法体系,该方法体系有其独特的内在联系和运作过程(见附图1)。根据上述研究所得资料,我们可以制定该药材的合理生产布局、主要的栽培品种和规范化的生产技术;建立量化、系统化的鉴别与质量控制体系;进一步明确用药部位、剂量和用法;提出种质资源保护策略等等。总之,是为中药材的生产、质控、应用和可持续发展提供坚实的理论基础,为药材生产规范化、质量控制标准化、临床应用合理化和资源利用可持续化服务。 2 细辛道地药材的系统研究与细辛药材的GAP生产
在上述道地药材系统研究方法的指导下,在多年实地调查的基础上,作者采用本草学、植物学、抱粉学、细胞学、中药化学、分析化学、酶化学、药效学、微生态学及DNA指纹图谱技术等学科的方法对细辛道地药材进行了较为系统的研究,得出了如下与细辛药材GAP生产有关的结论:
2.1 细辛道地药材 道地药材是指包含有特定的产地,特定的植物品种,合理的栽培、加工、贮藏、经营等一系列符合祖国传统医药学理论,且经过医学实践优良的药材品种,细辛道地药材是指产于东北的辽细辛(包括北细辛AsarMm heterotroPoides var.mandslluricum和汉城细辛A.heterotropoides var.seoulense)和陕西华山附近的华细辛A.sieboldii;其中华细辛为历史上最早的细辛道地药材,辽细辛为新兴品种,是在用药发展过程中形成的道地药材。我们研究发现,华细辛和辽细辛的药材质量明显优于细辛属Asarum的其他植物。即细辛道地药材具有客观实在性。
2.2 细辛道地药材的形成模式 甄别道地药材的形成模式,寻找主导因子是进一步弘扬道地药材优势,发展道地药材生产的前提和关键。肖小河认为,道地药材的形成模式有生境主导型、种质主导型、技术主导型、传媒主导型以及多因子关联决定型。我们经过大量的实验分析发现,细辛道地药材的形成与种质、生态—地理条件、合理的田间管理和采收加工等多种因子有关,其中种质是主导因子。即细辛道地药材的形成模式是以种质为主导的多因子关联决定型。
2.3 细辛道地药材GAP生产基地所用优良种质和地点的优选 既然种质是决定细辛道地药材质量的主导因子,则优良种质的筛选成为搞好细辛GAP栽培、发展细辛道地药材生产最关键的因素。经过系统的实验研究和产地考查,作者认为,将细辛道地药材的生产基地建在东北地区,主要栽培用种选用辽细辛比较合适。原因如下:1)从主要有效成分挥发油的含量来看,辽细辛的挥发油含量较华细辛高;挥发油中有致癌活性的黄樟醚含量辽细辛较华细辛低;急性毒性辽细辛较华细辛小。从安全性和有效性来看辽细辛优于华细辛;2)辽细辛的野生资源保护较好,可以保证生产的可持续发展;3)辽细辛的植株较华细辛粗壮、产量高、抗逆性强;4)东北地区自70年代末即开始大规模栽培细辛,药农栽培细辛的经验丰富;5)辽细辛的栽培技术研究较多,现已有较成熟的栽培加工技术;6)东北地区气候较寒冷,病虫害较少,可以少施或不施用农药,药材中的农药残留问题就比较易于解决;东北地区土壤较肥沃,可以少施或不施用化肥;从而可以减少生产成本,提高经济效益;7)东北地区是细辛的传统道地产区之一,辽细辛是传统细辛道地药材品种之一,历史依据充分;8)东北地区土地资源相对丰富,在一些地区尚能找到大片未开垦的土地,东北地区的大型农场也较多,便于集中种植、集中管理,药材的质量和生产的经济效益较有保障。
需要引起注意的是,东北地区多将北细辛和汉城细辛混栽;也就是说辽细辛是北细辛和汉城细辛的混合物,且两者的比例不一。这样细辛药材的质量稳定性就易受到影响。为此,我们对东北地区不同产地的北细辛和汉城细辛药材进行了比较研究,从中筛选出了较为优良而纯正的种质,以用于细辛药材的GAP基地。
2.4 影响细辛道地药材质量的生态环境因子优选 特定的生态环境条件是道地药材形成的最重要的外在因素。作者认为,生态环境对药材质量的影响主要通过两个途径来实现,一是药用植物因其适应性特点而产生获得性遗传的种内变异;二是直接影响药用植物体内的生理生化反应,从而影响到植物化学成分的种类和含量。道地药材得天独厚的自然条件和地理环境,往往使药用植物特别适宜于某些活性成分和微量元素的形成和积累,从而直接影响到药材质量。
为研究各环境因子对细辛道地药材质量的影响,我们搜集了各细辛道地产地的生态—地理因子数据(见表1);并计算了各环境因子的变异系数(变异系数=各环境指标的最高值与最低值之差/该环境指标的最高值,见表2)。某环境因子的变异系数愈小,说明细辛道地药材对该环境条件的要求愈苛刻,该环境条件的细小变化对细辛道地药材的质量影响也就愈大。由表2可知,细辛道地产地各环境因子的平均变异系数由低到高的顺序是:土壤类型<年平均日照时数<土壤PH<年均无霜期<海拔<年均降水<年均气温;故各环境因子对细辛道地药材形成的重要性顺序应该是:土壤类型>年平均日照时数>土壤PH>年均无霜期>海拔>年均降水>年均气温。说明在各环境因子中合适的土壤和光照条件对细辛道地药材的形成最重要。
郁闭度对细辛类药材的挥发油含量、挥发油的化学成分种类及含量的影响已有研究证实。我们对细辛道地药材与生境土壤中的微量元素含量做过相关分析,结果发现,在所研究的31种元素中,17种元素呈正相关,其中7种元素有较显著的相关性(p<0.05=,土壤对细辛道地药材质量的影响是显而易见的。总之,特定的生态环境条件是细辛道地药材形成的最重要的外在因素:在各种环境因子中,光照和土壤对细辛道地药材的形成是最重要的。在对药材质量和产地生境资料进行分析比较的基础上,我们优选出了适于细辛药材生产的最优生态因子指数。
2.5 优良种质的鉴别 作者运用薄层层析、细胞学、酶化学和DNA指纹图谱技术为细辛道地药材的优良种质建立了多元鉴别体系。
2.6 采收加工与田间管理 细辛的主要有效成分是挥发油。有研究表明,细辛道地药材的挥发油含量及挥发油中主要成分甲基丁香酚和黄樟醚的含量随采收季节和生长年限的变化而不同。因此,采收季节和生长年限的合理确定对药材质量是至关重要的。同时,采收后合理的加工、贮藏方法(如阴干、密闭存贮)对保证细辛道地药材的质量也是必要的。我们在参阅文献和实地考察的基础上确立了规范化的生长年限、采收季节及采收加工、贮存方法。
需要特别注意的是,市售细辛道地药材中杂质的含量高达10%左右。远高于《药典》≤1%的标准。我们发现,杂质来源主要是根系中夹带的泥沙。如何在保证有效成分少散失的情况下最大程度的去掉泥沙是采收加工过程中的一个关键技术环节。
细辛挥发油90%以上存在于根系中。因此,如何提高根占全草重量的比例,是田间管理中的一个至关重要的环节。我们在文献检索、实验研究和实地考察的基础上,对田间管理的各个方面进行了详尽的比较研究,并制定了标准操作规程。