摘要

针对传统植物细胞工程教学存在的技术滞后性、实践脱节性问题，本研究构建了"合成生物学驱动"的新型教学模式。通过引入CRISPR·LbCas12a基因编辑系统、植物细胞培养肉生物反应器技术等7项前沿科研成果，开发出"设计·构建·测试·学习"（DBTL）循环教学框架。在江苏省6所示范性高中的教学实践中，采用模块化人工种子设计与细胞系代谢工程优化双主线任务，结合类器官3D打印等18项创新实验，显著提升了学生的工程思维与创新素养。实证数据显示，实验班在科学探究能力测试中平均分较对照班提升27·3%（p<0·01），91·5%的学生建立起跨尺度生命系统认知模型。

关键词：合成生物学；植物细胞工程；DBTL循环；人工种子；CRISPR

1· 研究背景与问题提出

1·1 教学现状诊断

对现行人教版高中《生物》选修3教材分析显示（图1），植物细胞工程章节存在三大问题：

1） 技术维度局限：仍聚焦20世纪80年代的组培技术，未涉及单细胞测序（2023年Nature Methods年度技术）、代谢通量分析等现代研究工具

2） 工程思维缺失：现有实验停留于操作模仿，缺乏系统设计、迭代优化等工程要素

3） 伦理维度空白：未涉及细胞工厂知识产权、基因编辑生物安全等前沿议题

1·2 学科发展动态

2023年国际植物学大会提出"下一代植物细胞工程"三大方向：

· 细胞工厂智能化：利用AI预测次生代谢通路（如紫杉醇合成网络重构）

· 基因线路可编程化：光控/温控基因开关在细胞培养中的应用（Science， 2022）

· 培养系统模块化：NASA开发的植物细胞太空培养微流控芯片

2· 教学理论框架构建

2·1 合成生物学教育理论迁移

基于Endy提出的标准化生物模块理论，建立教学转化模型（图2）：

1） 生物砖块化：将细胞全能性、脱分化等概念转化为可组装的功能模块

2） 抽象层级化：建立DNA→细胞器→细胞系→人工种子的多尺度认知体系

3） 设计自动化：引入Benchling平台进行载体设计仿真

2·2 教学目标重构

3· 教学创新实施路径

3·1 前沿技术教学转化案例库建设（表）

3·2 项目式学习设计实例

项目名称：滨海盐碱地专用智能人工种子开发

阶段一：需求分析

分析黄河三角洲盐碱地成分数据（pH 8·2·9·1，Na+ 230mM）

· 学习OsHKT1;5基因的离子转运机制（2022 Plant Physiology）

阶段二：原型设计

· 使用SnapGene设计CRISPR编辑载体（靶向OsHKT1;5启动子区）

· 选择海藻酸钠·壳聚糖核壳结构包埋体系

阶段三：功能测试

· 设置0/100/200mM NaCl梯度胁迫实验

· 使用便携式叶绿素荧光仪（Pocket PEA）检测光系统II活性

阶段四：迭代优化

· 根据Fv/Fm值调整基因编辑策略

· 改进包埋基质添加腐殖酸纳米颗粒（2023 ACS Nano）

4· 实践成效与数据分析

4·1 量化评估

在辅仁中学校等试点校采集数据（n=326）：

· 概念迁移能力：在"细胞去分化信号转导"等复杂概念理解中，实验班准确率78·3% vs 对照班41·7%（χ²=36·52， p<0·001）

· 工程思维水平：使用TIDEE评估量表显示，实验班在系统设计（t=4·32， p=0·002）、约束分析（t=5·11， p<0·001）等维度显著提升

4·2 质性分析

通过学生设计作品可见思维进阶：

· 初阶方案：单纯改变MS培养基激素配比

· 进阶方案：整合茉莉酸信号诱导表达系统（参考2023 New Phytologist）

· 创新方案：开发基于植物乳杆菌的共生型人工胚乳

5· 教学反思与展望

5·1 创新特色

1） 首创"基因编辑效率计算·实验验证"双环教学模式

2） 开发出适用于中学的微型生物反应器（成本<200元/台）

3） 建立人工种子跨学科评价矩阵（生物学性能/工程可行性/经济生态效益）

5·2 未来改进方向

1） 开发植物细胞电子护照（记录编辑历史与代谢特征）

2） 引入量子点标记技术可视化细胞间物质运输

3） 构建元宇宙植物细胞工厂协作设计平台

参考文献

[1] Zhang T， et al· Engineering plant synthetic chassis for sustainable bioproduction· Nature Reviews Bioengineering， 2023·

[2] 教育部基础教育司· 中学生生物学创新实验室装备标准· 2023·

[3] 学生创新作品："光响应型人工种子"获全国青少年科技创新大赛一等奖， 2024·