细胞分化的研究进展小论文

给点对文特尔的评价

“细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础”的命题，只要求解释细胞增殖与生物体生长的因果关系。细胞周期是本单元知识的核心概念之一，教学时，首先让学生依据上面的图示表述细胞周期的定义，进而通过识图和分析，说出一个细胞周期的起止时间和划分的阶段。然后，教师用板书形式概括细胞周期划分的阶段及细胞分裂的方式。间期是细胞分裂期的准备阶段。教学时，首先提示学生依据细胞周期的图解说出间期的起止时间和持续时间的长短；进而在阅读课文的基础上，用表格整理间期细胞的代谢状况。最后，让学生概述间期细胞的主要特征，以及在细胞周期中的地位。有丝分裂是真核细胞的主要分裂方式，其知识点应包括：植物细胞有丝分裂、动物细胞有丝分裂、细胞有丝分裂的特征、细胞有丝分裂的意义。标准要求“观察细胞的有丝分裂并概述其过程”，按照这个要求，植物细胞有丝分裂的教学应先组织学生观察植物根尖细胞有丝分裂的制片，对照图片从显微镜视野中识别间期细胞和有丝分裂的各个时期细胞。在学生对植物细胞有丝分裂过程具有初步感性认识的基础上，教师再借助挂图、图片或录像等教学媒体，依次阐述有丝分裂各个时期细胞的分裂相，然后师生共同以表格的形式归纳植物细胞有丝分裂过程中发生的核、质分裂相变化。最后，组织学生独立完成制作和观察根尖临时压片，在亲自制作的根尖临时压片中寻找和鉴别各个分期细胞的核、质分裂相。为了帮助学生理解有丝分裂中DNA和染色体的动态变化，也可以组织学生用不同颜色的塑料或橡皮泥塑成染色体，模拟染色体行为和数量的动态变化。在细胞有丝分裂的教学过程中，组织学生制作并观察植物细胞有丝分裂装片是十分必要的，这个实验活动有助于提高学生的制作装片、显微观察和绘制生物图等基本技能。教学时，首先阐述制作洋葱根尖细胞有丝分裂临时装片的程序，进而演示制作装片的方法。然后指导学生制片和观察，并根据观察画出细胞有丝分裂各个时期的简图。在组织学生制作并观察植物细胞有丝分裂装片时，安排一定时间让他们观察马蛔虫卵细胞分裂的制片，识别细胞两极的中心体结构和核、质分裂状况，从而为比较动物细胞有丝分裂与植物细胞的异同，归纳细胞有丝分裂的特征打下基础。细胞有丝分裂是一个连续的过程，为了研究和揭示有丝分裂的具体过程中染色体和DNA分子的变化规律，人为地将其分为不同的时期。因此，教学中不仅要阐明分裂间期为分裂期进行着物质和能量的准备，而且还要揭示细胞分裂过程中染色体与纺锤体的动态变化及两者之间的关系，以此培养学生事物是相互联系，不断运动和发展的观点。细胞有丝分裂过程的特征可概括为：染色体复制一次后，平均地分配到两个子细胞中去，从而将亲代遗传信息传递给子代。为了强调细胞有丝分裂的重要意义，可用下面的曲线图概括细胞有丝分裂过程中DNA数量和染色体动态和数量之间的变化关系及规律。细胞无丝分裂最主要的特征是没有出现染色体和纺锤丝的变化。教学时，结合洋葱表皮细胞或蛙蟾类红细胞无丝分裂的图解描述无丝分裂过程，首先强调细胞分裂过程也分为核分裂和质分裂，然后启发学生比较无丝分裂的核质分裂相与有丝分裂的异同，从而理解细胞无丝分裂的主要特征。3.2 细胞分化、衰老和凋亡的教学前面提到，细胞增殖、分化、衰老和凋亡是细胞的正常生命活动，这些生命活动是细胞的行为表现，而不能误认为是细胞发育的4个阶段。这是因为细胞凋亡不是衰老细胞的死亡，细胞凋亡与细胞增殖都是维持生物体内细胞动态平衡的基本行为。因此，本单元教学的开始，可以蛙的个体发育为实例，概述细胞增殖、分化、衰老和凋亡之间的复杂关系，如下：本单元知识包含一系列概念，是教会学生学习概念的良好素材。高中生物的概念学习方法主要是：分析典型的正确例证，揭示一类事物的共同本质特征，进而以下定义的形式加以表述并赋予名称，最后确认概念应用的范围。因此，在细胞分化的教学中，首先借助图片、录像等媒体展示未分化的干细胞、分化的肌肉细胞、神经细胞、红细胞和胰岛分泌细胞（也可以植物细胞为例），引导学生认识到分化细胞与未分化细胞在形态、结构和功能上发生的差异，从而理解细胞分化的概念，进而列举受精卵与人体组织的发生、植物茎的形成层与木质部和韧皮部的形成等实例，使学生明确细胞分裂不仅发生在胚胎发育阶段，而且贯穿于生命个体的终生，以补充衰老和死亡的细胞。然后，以红细胞和胰岛细胞为例，阐明红细胞具有其他细胞没有的血红蛋白，胰岛细胞可分泌胰岛素，这表明分化细胞具有某种特殊的功能，这种特殊功能可以通过蛋白质表现出来，而蛋白质是基因表达的产物。由此，引导学生推理得出“细胞分化是基因在特定条件下选择性表达的结果”这一结论。细胞全能性的原意指受精卵的分化潜能。上课前一周，要布置学生搜集有关干细胞研究进展和应用的资料。教学时，先以植物组织培养或以动物克隆为实例，说明分化的细胞仍然保持其全能性；进而用动物细胞的核移植技术进一步说明细胞核的全能性。这些实例使学生认识到分化细胞的细胞核中含有本物种的全部核基因，因此，分化细胞与受精卵一样，具有分化出各种细胞和组织，形成一个完整个体的潜能。这样，细胞全能性的定义应运而生。在此基础上，可结合图解介绍造血干细胞的培养和分化，组织学生交流有关干细胞研究进展和应用的资料，讨论研究干细胞与人类健康的关系。细胞衰老又叫细胞老化，是指在正常情况下，随着年龄增长内稳态下降，机体组织细胞发生退行性变化并趋向死亡的不可逆现象。由于细胞衰老与个体衰老具有同步性，所以，教学时先启发学生从宏观上描述呈现衰老体态的老年人的面部特征，如老年斑、皮肤干燥和皱纹等；然后，让学生阅读课文，从微观角度初步认识衰老细胞的结构和功能的特征（如下表）：细胞凋亡是细胞发育过程中由基因引发的自动结束生命的生理过程。教学时，通过列举人体神经系统形成过程中的细胞凋亡的现象，以及健康成人的骨髓和肠黏膜上皮细胞凋亡的现象，使学生明确在胚胎发育阶段通过细胞凋亡清除多余或完成使命的分化细胞，保证胚胎发育正常；在成体发育阶段通过细胞凋亡清除衰老和病变的组织细胞，保证机体健康。因此，不能将细胞凋亡与细胞衰老而死亡混为一谈。最后，组织学生讨论如何延缓细胞衰老，关注老年人的健康问题。3.3 细胞癌变的教学细胞癌变的教学可以放在细胞分化部分，也可以与细胞的衰老和凋亡放在一起。学生对细胞癌变知之甚少，上课前布置他们搜集恶性肿瘤及防治方面的资料。教学可采用讨论式，让学生围绕以下问题展开讨论：什么是癌？癌细胞的主要特征是什么？细胞发生癌变的根源是什么？诱发原癌基因发生突变的因素是什么？怎样防治恶性肿瘤等等。针对上述问题开展的讨论活动，不仅有利于激发学生的兴趣和调动他们的学习主动性，而且还可以考查学生的学习能力、处理信息的能力、分析和解决问题的能力，以及他们的情感态度与价值观。 上述对“细胞的增殖、分化、衰老和凋亡”的教学构思是粗糙和肤浅的，但愿能够起到抛砖引玉的作用，深入学习和领会高中生物课程标准的精神，推动高中生物教学改革和提高生物教学质量。

植物单细胞转录组测序（sc RNA-seq）自2019年问世以来，已经被应用到植物细胞图谱、植物器官发育等领域的研究中。目前植物单细胞的研究大多是以细胞分群和差异基因分析为基础，进而解析细胞发育及其调控机制，再深度探究非生物胁迫环境下细胞的响应机制。受技术水平的限制，植物单细胞研究初期的物种仅局限于拟南芥，但随着技术瓶颈的不断突破，已逐步拓展到水稻、玉米、番茄、杨树和花生等多个物种，涉及根、茎、叶、花、花粉和精子以及种子胚乳等多种组织类型。本文选取2020年至2021年发表的各类植物的单细胞代表性文章（见文章末尾表格），归纳出每篇文章的主要内容及其亮点，总结其研究思路，让您对目前植物单细胞的研究动态一目了然。 1.研究概要 研究人员以5日龄水稻胚根（靠近根尖1 cm，约90个幼苗）为材料制备原生质体进行单细胞测序，设置两个生物学重复，构建了包含21个细胞群的水稻胚根的细胞图谱；描绘了水稻根表皮细胞（Epidermal Cell）和基本组织（Ground Tissue）细胞的分化轨迹；通过ATAC-seq和sc RNA-seq关联分析，阐明了细胞分化的转录因子调控机制；通过拟南芥根尖和水稻根尖的转录组图谱和标记基因分析，揭示了双子叶植物和单子叶植物根发育途径的保守性和差异性。 2.研究思路 3.评论 该文章虽然仅用2例水稻胚根的样本开展研究，但将单细胞转录组和单细胞ATAC的数据结合起来，从多组学的角度讨论植物器官发育的分子机制，这是未来单细胞发展的重要趋势。1.研究概要 研究人员以6周龄拟南芥成熟叶片为材料，富集了拟南芥叶片中的维管细胞，鉴定了至少19个细胞群，包括表皮细胞、保卫细胞、吐水细胞、叶肉细胞以及各种其他维管细胞类型，并且通过通路富集分析明晰了各类细胞发挥的功能作用和参与的代谢通路。具有韧皮部薄壁细胞特征的细胞群高表达转运蛋白相关基因，比如SWEET11和SWEET12（蔗糖和鲜味氨基酸）外排载体基因。作者发现韧皮部薄壁组织的发育独立于韧皮部分化必需的转录因子APL。韧皮部薄壁细胞具有独特的氨基酸代谢模式，该模式与伴胞（CC）的代谢模式明显不同，这就解释了叶脉中差异的氨基酸分布或代谢水平存在差异的原因。维管细胞的单细胞聚类分群结果与叶脉传统形态学的细胞分类吻合，只是伴胞（CC）与包括韧皮部薄壁细胞（PP）在内的其它维管细胞有明显的分化。综上，本文所报道的拟南芥叶片维管组织单细胞转录组分析为叶片的维管以及叶片不同细胞类型之间的关系提供了广泛的信息。 2.研究思路 3.评论 研究确定了所有维管组织细胞，对拟南芥叶片维管组织重要的细胞类型都做了比较深入的探讨，同时为研究特定的细胞类型，如韧皮部薄壁组织和维管束鞘细胞提供了新的见解，较为透彻地解析了维管组织发育过程中各类细胞的分化机制。1.研究概要 该研究以7日龄花生叶片为材料进行单细胞测序，共获得6815个细胞，聚类为8个细胞群，分别为栅栏叶肉细胞、海绵叶肉细胞、表皮细胞、原基细胞、韧皮部细胞、束鞘细胞、薄壁细胞和气孔保卫细胞。利用拟时序分析构建了花生叶片细胞分化轨迹，表明花生叶片分化发育过程存在明显的时间异质性，揭示了叶肉细胞的形成机制：由叶原基首先发育为实质细胞，然后发育为栅栏层叶肉细胞。通过拟时序分析还推断了表皮细胞的形成机制：一是茎尖分生组织驱动原始表皮细胞形成表皮细胞，二是原叶原基细胞直接进化为表皮细胞。该研究表明应用sc RNA-seq可以探究花生叶片的细胞分化，sc RNA-seq将使异源四倍体花生和其他植物的叶片细胞功能研究取得重大进展。 2.研究思路 3.评论 首次对非模式物种花生的叶片进行了研究，为其余物种的叶片研究提供大量marker基因，文章结合微分离、细胞壁消化、SMARTseq文库构建和qPCR检测进行了单细胞数据验证，同时对关键转录因子进行了拟南芥转基因功能验证，从实验层面支持了sc RNA-seq数据结果。参考文献 1. Zhang T Q, Chen Y, Liu Y, et al. Single-cell transcriptome atlas and chromatin accessibility landscape reveal differentiation trajectories in the rice root[J]. Nature communications, 2021, 12(1): 1-12. 2. Kim J Y, Symeonidi E, Pang T Y, et al. Distinct identities of leaf phloem cells revealed by single cell transcriptomics[J]. The Plant Cell, 2021, 33(3): 511-530. 3. Chen Y, Tong S, Jiang Y, et al. Transcriptional landscape of highly lignified poplar stems at single-cell resolution[J]. Genome biology, 2021, 22(1): 1-22. 4. Liu H, Hu D, Du P, et al. Single-cell RNA-seq describes the transcriptome landscape and identifies critical transcription factors in the leaf blade of the allotetraploid peanut (Arachis hypogaea L.)[J]. Plant biotechnology journal, 2021, 19(11): 2261-2276.

论细胞生物学的发展 悠悠300余年，关于细胞的研究硕果累累；近50年来更进入了分子水平，老树又绽新花。许多研究成果已经或将要走进我们的生活：植物细胞在培养瓶中悄然长成幼苗；动物体细胞核移植诞生了克隆动物；不同生物细胞间DNA的转移创造出新的生物类型及其产品；病危的生命期盼着干细胞移植的救助…… 现在，生物学在人类的生产生活中的使用愈加广泛。美国细胞生物学家威尔逊曾经说过：“每一个生物科学问题的答案都必须在细胞中。”这句话明显说明了细胞生物学对整个生物科学的研究有着怎样的重要性。细胞生物学的发展，越来越受到人们的重视。 谈起细胞生物学，不得不提的是建立于19世纪的《细胞学说》。《细胞学说》的建立可谓是自然科学史上的一座丰碑。《细胞学说》的两位建立者——德国科学家施莱登和施旺。经过长时间不断的探索和研究，分别从结构、功能和分裂三个方面对细胞进行了探究，并从中提炼出了三个要点，构成了《细胞学说》的主体。《细胞学说》的建立，不仅为达尔文的《进化论》奠定了基础，更为后人对细胞生物学的研究，做出了巨大贡献。 在细胞学说创立的100年间，人们对细胞的研究基本停留在简单观察和形态描述的水平，细胞在生物学家的眼中多多少少还像一团胶状物，里面杂乱地散布着一些含混不清的东西。此时出现了一名科学家——美国的细胞生物学科学家克劳德，他决心把细胞内部的组分分离开，探索细胞内组分的结构和功能。当时分离细胞器所遇到的困难是今天的人们难以想象的。许多人对他冷嘲热讽，认为把好好的细胞弄碎是毫无意义的。但是克劳德坚信，要深入了解细胞的秘密，就必须将细胞内的组分分离出来。经过艰苦的努力，他终于摸索出采用不同的转速对破碎的细胞进行离心的方法，将细胞内的不同组分分开。这就是一直沿用至今的“转速离心法”。 如果说《细胞学说》是通往细胞生物学的一扇门，那么我认为克劳德的“转速离心法”便是这扇门的钥匙。这种方法的发现，使人类对细胞内部的进一步探究，有着非常重要的意义。 随着对细胞内更深入的探究，人类发现了细胞中一个新的世界。细胞中每个组分如此精巧，一个个小小的细胞器，在细胞中都起到了非常关键的作用。霍中和院士在《细胞生物学》中写到：“我确信哪怕最简单的一个细胞，也比迄今为止设计出的任何只能电脑更精巧。”人类也曾经试图组装出一个细胞。1990年，科学家发现人体生殖道支原体可能是最小、最简单的细胞。1995年，美国科学见文特尔领导的研究小组，对这种支原体的基因组进行了测序，发现它仅有480个基因。如果在480个基因中辨认出对细胞生活必不可少的“基本基因”，那么就有希望人工合成这些基因——一段不很长的DNA分子。 文特尔的方法是破坏一个又一个的基因，看那些基因是绝对不可或缺的，终于筛选出了300个对生命活动必不可少的基因，但其中100个基因的重要性尚不清楚。 文特尔以及其他一些科学家认为，如果能人工合成这300个基因的DNA分子，再用一个细胞膜把它和环境分隔开，在培养基中培养，让他能够生存、生长和繁殖，组装细胞就成功了。科学家现在已经能够合成长度为5000个碱基因对的DNA片段，文特尔估计生殖道支原体的DNA的碱基对比这要多100倍，因此，DNA的人工合成还需要方法上的创新。怎样给DNA分子包上细胞膜也是一个难题。他们的设想是，把生殖道支原体细胞的DNA破坏掉，再把人工合成的基因组“注入”支原体细胞。 有关实验还在进行中，不过可以确信的是，人类对细胞生物学的研究愈加深入，对人类今后的发展就愈加有利。通过不断的科学探究和深入研究，我相信在不久的将来，细胞生物学将成为一个重要的科学领域，会吸引更多的人去探索、研究。它也会绽放出他耀眼的光辉，来迎接着这崭新的时代！