生物学教学中有关“电泳鉴定”的理解误区及教学建议

 

梅捷凯 浙江省温州科技高级中学

摘要:“PCR扩增DNA片段及凝胶电泳鉴定”是高中生物学课程中的一个现代分子生物学实验，针对教学中学生对“电泳鉴定”存在的理解误区，进行解析并提出相应的教学建议，以帮助教师和学生加深对“电泳鉴定”知识的认识，为生物学教学提供参考。

关键词:凝胶电泳实验教学知识误区生物技术与工程

　　《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》提出为帮助学生达成对“基因工程赋予生物新的遗传特性”概念的理解,促进学生生物学学科核心素养的提升,应开展下列教学活动:(1)DNA的提取和鉴定; (2)利用聚合酶链式反应(PCR)扩增DNA片段并完成电泳鉴定,或运用软件进行虚拟PCR实验。其中, 电泳是电泳现象的简称,指的是带电颗粒在电场作用下,向着与其电性相反的电极移动的现象。利用带电粒子在电场中移动速度不同而达到分离的技术称为电泳技术,因其具有简单、快速、灵敏、成本低等优点,被广泛应用于分子生物学实验中。近年来,电泳已成为高考的热门考点之一,其命题趋势有PCR与电泳结果分析、电泳与DNA指纹和亲子鉴定技术、电泳与遗传系谱图分析、电泳与限制酶酶切结果分析等。受教材篇幅的限制,当前高中生物学教材只对凝胶电泳的基本原理和过程进行了简略的介绍,导致学生对电泳知识存在较多的理解误区。本文针对教学过程中学生常见的理解误区进行阐释,为生物学教学提供参考。

　　根据支持介质的不同,电泳可分为琼脂糖凝胶电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳、淀粉凝胶电泳、醋酸纤维素电泳、玻璃粉电泳等。高中阶段所涉及的电泳主要是指琼脂糖凝胶电泳。

1 误区1:PCR产物电泳后直接观察条带

　　由于教学中往往侧重于讲解PCR的扩增原理和电泳分离过程,而忽略了对染色和成像步骤的详细说明,不少学生误认为PCR反应结束后取其扩增产物进行凝胶电泳后,可以直接肉眼观察凝胶上的条带。这种误解反映出学生对实验完整流程和关键操作细节缺乏全面理解,需要在教学中加强对实验原理和观察条件的讲解,帮助学生建立科学、严谨的实验认知。

　　教学建议:教学中将PCR之后的操作进行细化。 DNA分子本身没有颜色,需进行相应的处理后,才能够观察凝胶上的条带,不同教材在此处所涉及的方法有所差别,以下以浙科版和人教版教材为例进行说明。 在人教版教材中,是将熔化的琼脂糖溶液稍冷却后,加入适量的核酸染料混匀,再进行电泳。电泳结束后,可以在紫外灯下直接观察到DNA条带的分布及粗细程度进而评价扩增的结果。溴化乙锭是早期使用较为广泛的一种核酸染料,很容易插入到DNA中的碱基对之间。DNA与溴化乙锭结合后,经紫外光照射,可发射出红-橙色可见荧光,这种方法免去电泳后染色的步骤。由于溴化乙锭具有剧毒,现常用Gold View或者Green View等核酸染料进行取代。

　　浙科版教材采用亚甲基蓝染液处理凝胶后,再观察凝胶上DNA条带的方法。亚甲基蓝染液是一种常用的生物染色剂,具有碱性特性能够与DNA结合并使其着色。亚甲基蓝染液使用方便、染色效果好、成本低廉,可以用于多种生物样品的染色和分析,但染色所需时间相对较久。

2 误区2:目的基因在电泳图谱上呈现3个条带

以基因组DNA为模块扩增目的基因时,通常会形成3种类型的DNA片段(图1),即仅含目的基因的双链DNA片段(A类型)、双链中有1条链含侧翼序列的DNA片段(B类型)和双链均含侧翼序列的DNA片段 (C类型)。假设在PCR仪中循环了n次,共产生2ⁿ个DNA分子,其中A类型DNA共(2ⁿ-2n)个,B类型DNA共2(n-1)个,C类型DNA共2个。基于上述分析,不少学生会存在理解误区:既然PCR扩增后出现了3种不同类型的DNA分子,它们的长度有所不同, 经琼脂糖凝胶电泳后会显现3个条带。

图1 PCR技术的原理

　　教学建议:进一步帮助学生明确凝胶上显示条带的原因。通常一次PCR循环的次数为30个,则产生的A、B、C三种类型的DNA分别为(2³⁰-60)个、58和2个。由于A类型的DNA (即仅含目的基因的双链DNA片段)数量巨大,能够在凝胶图谱上显现出1个条带。换言之,能够被观察到的1个条带里,包含了数量巨大的DNA分子。相对而言,另2种类型的DNA分子由于数量少,难以在图谱上显现出条带。因此,以基因组DNA为模板特异性扩增目的基因时,所形成的产物在电泳图谱上只呈现1个条带。此外,琼脂糖凝胶约可区分相差100 bp的DNA片段,若分离DNA分子之间大小差异不大,也不会出现多个条带。

3 误区3:凝胶上出现的相应条带即是目的基因

电泳实验中,通常会提供PCR后的产物要求学生进行凝胶电泳鉴定,如浙科版教材要求学生利用给定的引物扩增酵母细胞中编码核糖体RNA的DNA部分片段(长度为841bp),之后再进行凝胶电泳鉴定。实验操作后,学生观察到凝胶图谱上所呈现的1个条带, 即认为该条带就是目的基因。

教学建议:教师进一步介绍条带可能并非目的基因的原因。琼脂糖凝胶电泳技术仅能用于分析待检测DNA分子的大小,无法确定待检测DNA分子的碱基序列。实际上,引物设计不合理,DNA污染等原因会造成凝胶上所出现的条带有可能是假阳性,即扩增出来的是片段大小相差不大的非目的基因片段。PCR产物通过琼脂糖凝胶电泳中的DNA Marker(分子量标准参照物)可判断其长度是否为预期的长度,但只有通过核酸分子杂交试验、序列分析(测序)等方法才能判断其特异性。严格说来,PCR产物均应通过实验证实其特异性才能判断是否为目的基因。

4 误区4:电泳技术只能用于DNA的分离

教材中通常只要求学生进行DNA分子的电泳操作,使不少学生误认为电泳技术只能用于DNA的分离。

教学建议:教学中增加蛋白质电泳的具体实例。 实际上,电泳还可以用于氨基酸、蛋白质等生物分子的分离^[2],几种经典的核酸电泳与蛋白质电泳见表1。

5 教学实践与反思

　　在分子生物学中,电泳是应用最广泛的技术之一, 从第一代基因测序技术的发明,到各种DNA分子以及蛋白质的分离、鉴定等均离不开电泳技术。教学过程中,学生理解误区的产生与其未接触过电泳操作息息相关。当前,不少高中学校已经成立了分子生物学实验室,配备了PCR仪、凝胶电泳仪、离心机等仪器,具备了开展分子生物学实验的硬件基础。由于分子生物学实验耗时久,为克服课时不充足的问题,教师可以将基因工程单元教学中的“DNA的提取和鉴定”“利用聚合酶链式反应(PCR)扩增DNA片段并完成电泳鉴定” 实验进行优化并整合^[3]。通过实验操作,可以增强学生对电泳等技术的直观体验,从而有效减少学生误区的产生。

表1几种经典的核酸电泳与蛋白质电泳简介

来源：梅捷凯.生物学教学中有关“电泳鉴定”的理解误区及教学建议[J].生物学教学,2025,50(12):92-94.

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