2019 年度

⾼校⽣科学⼤賞
報告書
テーマ「メンデルの法則をバイテクで証明しよう 」

貞静学園中学校・⾼等学校
教諭

⼤倉⾹⼈

2019 年度 取り組み概要
1.

Fast Plants を⽤いたメンデル遺伝の再現

2.

miniPCR による遺伝現象の可視化

3.

授業実践から教材化の検討

4.

成果発表

1.

Fast Plants を⽤いたメンデル遺伝の再現

1.1.

Fast Plants とはFAST PLANTS ™
• ⽶ウィスコンシン⼤学ポールウィリアムズ博⼠が開発したアブラナ科の教育⽤モデル植物。
• 種まきから14⽇(最短)で開花、約40⽇で結実。
• アメリカ、カナダなど世界中の学校で活⽤。

アントシアニンを合成し茎や葉が紫⾊を呈する系統と、⾊素を合成できない系統があり、単純なメンデル遺伝のモデル植物として開発されている。
1.2.

Fast Plants の栽培環境の構築

既存の⼈⼯気象器ではなく、栽培環境を満たすものを⾃作した。市販のメタルラックにアルミシートを貼り付けたプラスチック段ボールを張り合わせて囲い、光量を確保した。照明は LED ライトを吊り下げ、タイマーで照射時間を管理できるようにした。

1.3.

栽培器具
遠沈管の底を抜き、プラスチック容器にさして底⾯から⽔を供給できるようにした。
Fast Plants を１株ごとに栽培できるので、それぞれナンバリングをして、記録を明確にできるようにした。これにより交配作業のしやすさと組み合わせの⾃由度が上がった。また、給⽔も簡単で、満⽔にすれば⽣育段階にもよるが１週間⽔やりがいらない。

1.4.

交配作業

播種後、約２週間で開花が始まる。花弁が展開しおしべの葯が⼗分に熟したところで綿棒を⽤いて交配作業を⾏う。⿊い綿棒を使うことで、微⼩な花粉も明瞭に観察することができるので、⽣徒も簡単に⾏うことができ交配作業の確実性が増した。
1.5.

雑種世代の育成

採種した雑種世代の種⼦を播種しその表現形質を確認する。F２の作出も同様に⾏う。

2.

miniPCR による遺伝現象の可視化

2.1.

miniPCR について

https://www.minipcr.comアメリカのベンチャー企業である AMPLYUS 社で開発された⼩型のサーマルサイクラーで、安価でありながら⾼性能なスペックを有している。タブレットで操作する点や、⼩型でシンプルな構造であることからも教育現場で使うことに適した製品であると⾔える。何よりも、⾼校の教育現場で当たり前のように安価に PCR 実験が⾏えることが画期的である。
2.2.

PCR 実験⼿法

Fast Plants の P 世代、F１世代をサンプルとして、PCR 反応を⾏うための⼿順を検討し、2〜３時間の授業でも⼗分に⾏える内容にまで単純化した。⼤まかな⼿順は、抽出→PCR ミックスの調整→反応→泳動確認となる。

Blue Gel による電気泳動の結果、ホモ接合体とヘテロ接合体において遺伝⼦の構成に変化が⽣じていることを視覚的に観察することができた。

3.

授業実践から教材化の検討

3.1.

Fast Plants の栽培歴

Fast Plants は１ヶ⽉弱で１世代が終わるので、F２まで作出しても６ヶ⽉以内で結果を⾒ることができる。また、室内で LED 照明を⽤いて栽培可能なため場所も取らずに済む

播種

開花

1day
3.2.

受粉

2weeks

結実

採種

4~5week

本取り組みのワークフローs

AMPLYUS 社が公開している実験資料を元に実験の展開を再構成した。

P世代

基本サイクル

＜緑純系＞

F1世代

播種
遺伝子採種

確認

交配

3.3.

＜紫純系＞

F2世代

授業での実験の展開
１時
間目
２時
間目

•器具の練習（10分）•DNAの抽出（20分）•PCRセット（20分）•泳動準備（30分）•電気泳動（20分）

⼿技の熟練は求められないので、できる限りシンプルでわかりやすい実験展開を構築した。また時間的制約も⼤きいので、省略できるステップはなるべく省き、授業全体の調和を取れるように配慮した。器具の練習（特にマイクロピペット）の時間を取ることで、その後の実験がスムーズに展開できる。また、恐れずにドンドンやらせることで予想以上に器具の扱いには慣れてくることもわかった。

3.4.

この実験を通して得られるもの
⼤まかに２つが考えられる。
①Fast Plants によるメンデルの交配実験により⽣命の連続性を実感できる②miniPCR によるバイテク実験により遺伝⼦の変化を視覚的に捉えられる①Fast Plants の優位性は、短期間・省スペースで⽣物の授業において重要な事項である「⽣命の連続性」を意識することができる点である。実際に植物を育て、交配することで世代を超えて⽣命が連続していくことを意識するだけでなく、遺伝現象を観察することができる。このことは案外、貴重な経験である。植物が花粉を介して交配することを知識として知ってはいても、交配実験を意識的に⾏うことは、多くの⼈が経験しないことであろう。それは、⽣物の授業を受けている多くの⾼校⽣も同じである（農学部に進学しても、である）。

②バイオテクノロジー分野の発展はめざましく、その内容が⾼等学校の⽣物にも速やかに移⾏してくる。我々教員も⽇々情報のアップデートに勤しんでいるが、⽣徒が⼀番⼤変である。PCR をはじめとしたバイオテクノロジーの理解は⾔葉が先⾏している感が否めない実際の PCR を体験し、その仕組みを理解した⾼校⽣は⼀体何⼈いるのだろうか。経験を通すことなく原理や⼿法の理解を深めずに問われる⼊試は空虚であり、本質の理解を測っているのとは程遠い。現状、多くの受験⽣にとって⼊試で出題される中での PCR はただの記号でしかない。また、その現状を打破する⼟台も今の教育現場にはほとんどない。このままでは、⽣物学を修めたすべての⾼校⽣が⼤⼈になっても、⼈類が抱える問題の解決のために議論をすることはできないだろう。今後、ますますバイオテクノロジーが我々にもたらす影響は拡⼤していくはずである。我々教員ができることは、この技術にアクセスする機会と術を次の世代に提供することである。

4.

成果発表

4.1.

⽂化祭
理科部の活動として、F１から F２の作出まで活動を⽀えてくれた部員と、今回の取り組みについて来場者に説明をした。来場者の「遺伝」に対する興味関⼼を引き出すことに成功していたのではないか。

4.2.

⽇本⽣物教育学会
今回の取り組みを⽇本⽣物教育学会⼤ 104 回全国⼤会で発表した。

第 104 回全国⼤会プログラム（2 ⽇⽬ B 会場）
http://sbsej.jp/event2/upload_items/201912/sbsej104program.pdf
5.

まとめ
最後に、今回の取り組みを通じて、⽬まぐるしく⽣物学の常識が塗り替えられていく現代において、⽣徒はもちろんのこと我々教員の側も⽇々授業スキルや、実験実習に関する研究をしなければいけないということに改めて気付かされた。特に PCR という⼿法に関して、⼀般⼤衆からこれほどまでに注⽬された時期はなかったのではないだろうか。今後、授業を通してバイオテクノロジーに関する実験・実習を⾏い、知識のボトムアップを図る必要性はさらに⾼まると思われる。より⼀層、効果的な授業や部活動を通した取り組み、情報発信を模索して⾏こうと強く感じる経験となりました。最後に、改めて本研究を⽀えてくださいま
した、バイテク情報普及会様に感謝の意を表したいと思います。