第第2节基因工程及其应用节基因工程及其应用课标解读课标解读1简简述基因工程的基本原理。述基因工程的基本原理。2.举例说出基因工程在农业、举例说出基因工程在农业、医药等领域的应用。医药等领域的应用。3.收集基因工程所取得的成果以及发展收集基因工程所取得的成果以及发展前景。前景。1概念概念基因工程的原理基因工程的原理 2基因工程的操作工具基因工程的操作工具(1)基因的基因的“剪刀剪刀”与与“针线针线”名称名称作用作用“剪刀剪刀”即即 酶酶识别识别 ，并，并在在 上切割上切割DNA分子分子针线即针线即 酶酶连接连接 之间的缺口之间的缺口限制性核酸内切限制性核酸内切特定的核苷酸序列特定的核苷酸序列特定的切点特定的切点DNA连接连接脱氧核糖和磷酸脱氧核糖和磷酸(2)运载体运载体作用：将作用：将 导入受体细胞。导入受体细胞。外源基因外源基因3基因工程的步骤基因工程的步骤思思维维激激活活1 要要想想从从DNA上上切切下下目目的的基基因因，应应切切几几个个切切口口？产产生生几几个个末末端端？质质粒粒运运载载体体需需切切出出几几个个切切口口，几几个个黏黏性性末末端？端？提提示示目目的的基基因因：2个个切切口口，2个个黏黏性性末末端端；运运载载体体：1个个切口，两个黏性末端。如图：切口，两个黏性末端。如图：1基因操作的工具基因操作的工具(1)基因的基因的“剪刀剪刀”限制酶限制酶存在：主要存在于微生物中，种类有存在：主要存在于微生物中，种类有4 000多种。多种。作作用用与与特特性性：一一种种限限制制酶酶只只能能识识别别一一种种特特定定的的核核苷苷酸酸序序列列，并并在在特特定定的的切切点点切切割割DNA分分子子，也也就就是是说说限限制制酶酶具具有有专专一一性性和特异性。和特异性。作用结果：一般产生黏性末端作用结果：一般产生黏性末端(碱基能互补配对碱基能互补配对)。(2)基因的基因的“针线针线”DNA连接酶连接酶黏黏性性末末端端可可通通过过碱碱基基互互补补配配对对连连接接起起来来，两两条条DNA分分子子切切点点断口处的断口处的“缝合缝合”则需则需DNA连接酶，如下图：连接酶，如下图：(3)基因的基因的“运输工具运输工具”运载体运载体作作用用：a.作作为为运运载载工工具具将将目目的的基基因因转转移移到到宿宿主主细细胞胞中中去去；b.利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量的复制。利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量的复制。需需要要具具备备的的条条件件：a.能能够够在在宿宿主主细细胞胞中中复复制制并并稳稳定定地地保保存存；b.具具备备1个个或或多多个个限限制制酶酶切切点点，以以便便于于与与外外源源基基因因连连接接；c.具具有某些标记基因便于进行筛选。有某些标记基因便于进行筛选。常常见见的的种种类类：质质粒粒、噬噬菌菌体体和和动动植植物物病病毒毒等等。但但天天然然运运载载体往往不能满足上述条件，需经人工改造。体往往不能满足上述条件，需经人工改造。名师点睛名师点睛DNA连接酶与连接酶与DNA聚合酶的比较聚合酶的比较DNA连接酶连接酶DNA聚合酶聚合酶不同点不同点连接连接DNA片段片段连接游离的脱氧核苷酸连接游离的脱氧核苷酸不需要模板不需要模板需要模板需要模板相同点相同点连接不同脱氧核苷酸之间的磷酸和脱氧核糖连接不同脱氧核苷酸之间的磷酸和脱氧核糖【强化训练【强化训练1】 下下列关于基因工程中有关基因操作的名词及对应的内列关于基因工程中有关基因操作的名词及对应的内容，正确的组合是容，正确的组合是 ()。供体供体剪刀剪刀针线针线运载体运载体受体受体A质粒质粒限制酶限制酶DNA连连接酶接酶提供目的基提供目的基因的生物因的生物大肠杆大肠杆菌等菌等B提供目的基提供目的基因的生物因的生物DNA连接酶连接酶限制酶限制酶质粒质粒大肠杆大肠杆菌等菌等C提供目的基提供目的基因的生物因的生物限制酶限制酶DNA连连接酶接酶质粒质粒大肠杆大肠杆菌等菌等D大肠杆菌等大肠杆菌等DNA连接酶连接酶限制酶限制酶提供目的基提供目的基因的生物因的生物质粒质粒解解析析供供体体是是提提供供目目的的基基因因的的生生物物，受受体体是是接接受受目目的的基基因因的的生生物物，剪剪刀刀是是限限制制酶酶，针针线线是是DNA连连接接酶酶，常常用用的的运运载载体体是是质粒。质粒。答案答案C1基因工程的应用基因工程的应用(1)作物育种作物育种获得高产、稳产和具有优良品质的农作物，培育具有获得高产、稳产和具有优良品质的农作物，培育具有 的作物新品种。的作物新品种。在在 ，培培育育出出了了转转基基因因奶奶牛牛、超超级级绵绵羊羊等等多多种种转转基因动物。基因动物。(2)药药物物研研制制：能能够够 地地生生产产出出各各种种高高质质量量、低低成成本本的的药药品，如胰岛素、干扰素和乙肝疫苗等。品，如胰岛素、干扰素和乙肝疫苗等。(3)环环境境保保护护：利利用用 降降解解有有毒毒有有害害的的化化合合物物，吸吸收收环境中的重金属，分解泄漏的石油，处理工业废水等。环境中的重金属，分解泄漏的石油，处理工业废水等。基因工程的应用基因工程的应用 抗逆性抗逆性畜牧养殖业畜牧养殖业高效率高效率转基因细菌转基因细菌2转基因生物和转基因食品的安全性转基因生物和转基因食品的安全性思思维维激激活活2 转转基基因因抗抗虫虫棉棉有有性性繁繁殖殖产产生生的的后后代代都都具具有有抗抗虫虫特特性性吗吗？为为什什么么？为为什什么么目目的的基基因因必必须须与与运运载载体体结结合合后后才才能导入受体细胞？能导入受体细胞？提提示示不不一一定定，因因为为性性状状分分离离或或变变异异的的原原因因，抗抗虫虫棉棉的的子子代代可可能能会会失失去去抗抗虫虫特特性性。目目的的基基因因必必须须与与运运载载体体结结合合后后才才能能导导入入受受体体细细胞胞，才才能能稳稳定定的的保保存存，并并进进行行复复制制和和表表达达，目的基因不能单独进入受体细胞。目的基因不能单独进入受体细胞。1基因工程的应用基因工程的应用目的目的实例实例作物作物育种育种把各种优良基因通过基因工程导把各种优良基因通过基因工程导入生物体内，从而改变生物的遗入生物体内，从而改变生物的遗传特性，培育出新品种传特性，培育出新品种培育高产、稳产和具培育高产、稳产和具有优良品质的农作物。有优良品质的农作物。培育各种抗逆性的作培育各种抗逆性的作物新品种物新品种药物药物研制研制把控制产生药物的基因通过基因把控制产生药物的基因通过基因工程转移到另一种生物工程转移到另一种生物(一般是一般是微生物微生物)体内，从而获得各种高体内，从而获得各种高质量、低成本的药物质量、低成本的药物例如胰岛素、干扰素，例如胰岛素、干扰素，以及预防乙肝的疫苗等以及预防乙肝的疫苗等环境环境保护保护通过基因工程通过基因工程清除环境中有清除环境中有害废物净化环害废物净化环境境利用转基因细菌降解有毒有害的利用转基因细菌降解有毒有害的化合物，吸收环境中的重金属，化合物，吸收环境中的重金属，处理工业废水，检测环境中病毒处理工业废水，检测环境中病毒含量，生产超级细菌等含量，生产超级细菌等2转基因生物和转基因食品的安全性转基因生物和转基因食品的安全性(1)转基因生物和转基因食品的优点转基因生物和转基因食品的优点解解决决粮粮食食短短缺缺问问题题；减减少少农农药药使使用用，从从而而减减少少环环境境污污染染；节节省省生生产产成成本本，降降低低粮粮食食售售价价；增增加加食食物物营营养养，提提高高附附加加价价值值；增增加加食食物物种种类类，提提升升食食物物品品质质；提提高高生产效率，带动相关产业发展。生产效率，带动相关产业发展。(2)转基因生物和转基因食品的缺点转基因生物和转基因食品的缺点可可能能产产生生新新毒毒素素和和新新过过敏敏原原；可可能能产产生生抗抗除除草草剂剂的的杂杂草草；可可能能使使疾疾病病的的散散播播跨跨越越物物种种障障碍碍；可可能能会会损损害害农农作物的生物多样性；作物的生物多样性；可能会干扰生态系统的稳定性。可能会干扰生态系统的稳定性。3要理性看待转基因技术要理性看待转基因技术要要理理性性看看待待科科学学技技术术，在在看看到到转转基基因因技技术术的的应应用用前前景景非非常常广广阔阔的的同同时时，也也要要正正视视转转基基因因技技术术带带来来的的安安全全性性问问题题，要趋利避害，而不能因噎废食。要趋利避害，而不能因噎废食。【强化训练【强化训练2】 下下列关于转基因生物与环境安全的叙述，错误的是列关于转基因生物与环境安全的叙述，错误的是()。A重组的微生物在降解污染物的过程中可产生二次污染重组的微生物在降解污染物的过程中可产生二次污染B种种植植抗抗虫虫棉棉可可以以减减少少农农药药的的使使用用量量，对对环环境境没没有有任任何何负负面面影响影响C如如果果转转基基因因花花粉粉中中含含有有毒毒蛋蛋白白或或过过敏敏蛋蛋白白，可可能能会会通通过过食食物链传递到人体内物链传递到人体内D转转基基因因生生物物有有可可能能对对生生态态系系统统的的稳稳定定性性和和人人类类的的生生活活环环境境造成破坏造成破坏解解析析本本题题考考查查转转基基因因生生物物与与环环境境安安全全的的知知识识。种种植植抗抗虫虫棉棉虽虽然然可可以以减减少少农农药药的的使使用用量量，但但抗抗虫虫害害的的转转基基因因作作物物的的长长期期大大量量种种植植，会会使使目目标标害害虫虫发发生生群群体体改改变变，产产生生抗抗性性，更更难难杀杀灭。灭。答案答案B【例【例1】 如如图为图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，分子在不同酶的作用下所发生的变化，图中依次表示限制性核酸内切酶、图中依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、聚合酶、DNA连连接酶、解旋酶作用的正确顺序是接酶、解旋酶作用的正确顺序是 ()。A B C D基因工程中相关酶的比较基因工程中相关酶的比较 深深度度剖剖析析限限制制性性核核酸酸内内切切酶酶用用于于切切割割DNA片片段段；而而与与之之作作用用相相反反的的是是DNA连连接接酶酶，用用于于连连接接DNA片片段段；DNA聚聚合合酶酶用用于于DNA的的复复制制过过程程，它它需需要要模模板板；解解旋旋酶酶会会使使DNA双双链链解解旋而分开，它作用于碱基对之间的氢键。旋而分开，它作用于碱基对之间的氢键。答案答案C规律总结规律总结 几种酶的比较几种酶的比较 种类种类项目项目限制酶限制酶DNA连连接酶接酶DNA聚合酶聚合酶解旋酶解旋酶作用底物作用底物DNA分子分子DNA分子分子片段片段脱氧核脱氧核苷酸苷酸DNA分子分子作用部位作用部位磷酸二磷酸二酯键酯键磷酸二磷酸二酯键酯键磷酸二磷酸二酯键酯键碱基对间碱基对间的氢键的氢键作用作用特点特点切割目的基因及切割目的基因及载体，能专一性载体，能专一性识别双链识别双链DNA分分子的某种特定的子的某种特定的核苷酸序列，并核苷酸序列，并且使每一条链中且使每一条链中特定部位的两个特定部位的两个核苷酸之间的磷核苷酸之间的磷酸二酯键断开酸二酯键断开将双链将双链DNA片片段段“缝合缝合”起起来，恢复被限来，恢复被限制酶切开了的制酶切开了的两个核苷酸之两个核苷酸之间的磷酸二酯间的磷酸二酯键键只能将单个脱只能将单个脱氧核苷酸添加氧核苷酸添加到脱氧核苷酸到脱氧核苷酸链上链上将将DNA两条链之两条链之间的氢键间的氢键打开打开作用作用结果结果形成黏性末端或形成黏性末端或平末端平末端形成重组形成重组DNA分子分子形成新的形成新的DNA分子分子形成单链形成单链DNA分子分子【例【例2】 基基因工程基本操作流程如图，请据图分析回答：因工程基本操作流程如图，请据图分析回答：基因工程成功的基础基因工程成功的基础 (1)图中图中A是是_；在基因工程中，需要在；在基因工程中，需要在_酶的酶的作用下才能完成剪接过程。作用下才能完成剪接过程。(2)图中遵循碱基互补配对原则的步骤有图中遵循碱基互补配对原则的步骤有_。(用图中序号表示用图中序号表示)(3)从分子水平分析不同种生物之间的基因移植能够成功的主从分子水平分析不同种生物之间的基因移植能够成功的主要原因是要原因是_，也说明了不同生物共用一套，也说明了不同生物共用一套_。深深度度剖剖析析图图中中A与与目目的的基基因因结结合合形形成成重重组组DNA分分子子，所所以以A应应为为运运载载体体；基基因因工工程程中中的的“剪剪”需需要要限限制制酶酶，“接接”需需要要DNA连连接接酶酶；图图中中的的“拼拼接接”和和“扩扩增增”过过程程需需进进行行碱碱基基互互补补配配对对，如如果果目目的的基基因因的的获获取取方方法法是是人人工工合合成成法法，也也需需进进行行碱碱基基互互补补配配对对；不不同同种种生生物物之之间间基基因因移移植植成成功功的的原原因因，也也就就是是基基因因工工程程的的理理论论基基础础，即即生生物物界界共共用用一一套套密密码码子子和和所所有有生生物物的的DNA分子的结构基本相同。分子的结构基本相同。答答案案(1)运运载载体体限限制制酶酶和和DNA连连接接(2)()(3)不同生物的不同生物的DNA分子化学组成和基本结构是相同的密码子分子化学组成和基本结构是相同的密码子规律总结规律总结 (1)基因工程成功的基础基因工程成功的基础 (2)基因工程操作时的相关提醒基因工程操作时的相关提醒获取目的基因时要保证其完整性。获取目的基因时要保证其完整性。切割质粒时要保证标记基因的完整性。切割质粒时要保证标记基因的完整性。一一般般情情况况下下，用用同同一一种种限限制制酶酶切切割割质质粒粒和和含含有有目目的的基基因因的的片片段段，但但有有时时可可用用两两种种限限制制酶酶对对质质粒粒和和目目的的基基因因分分别别进进行行切切割割，可可避避免免质质粒粒和和质质粒粒之之间间、目目的的基基因因和和目目的的基基因因之之间间的的连连接，即避免自身接，即避免自身“环化环化”。课堂小结课堂小结 1在在基基因因工工程程中中，科科学学家家所所用用的的“剪剪刀刀”、“针针线线”和和“运运载载体体”分别是指分别是指()。A病毒、质粒、病毒、质粒、DNA连接酶连接酶BDNA连接酶、连接酶、RNA聚合酶、质粒聚合酶、质粒C限制酶、限制酶、RNA连接酶、质粒连接酶、质粒D限制酶、限制酶、DNA连接酶、质粒连接酶、质粒答案答案D2(2013江江苏苏卷卷，25)(双双选选)现现有有小小麦麦种种质质资资源源包包括括：高高产产、感感病病；低低产产、抗抗病病；高高产产、晚晚熟熟等等品品种种。为为满满足足不不同同地地区区及及不不同同环环境境条条件件下下的的栽栽培培需需求求，育育种种专专家家要要培培育育3类类品品种种：a.高高产产、抗抗病病；b.高高产产、早早熟熟；c.高高产产、抗抗旱旱。下述育种方法可行的是下述育种方法可行的是()。A利用利用、品种间杂交筛选获得品种间杂交筛选获得aB对品种对品种进行染色体加倍处理筛选获得进行染色体加倍处理筛选获得bCa、b和和c的培育均可采用诱变育种方法的培育均可采用诱变育种方法D用转基因技术将外源抗旱基因导入用转基因技术将外源抗旱基因导入中获得中获得c解解析析利利用用、品品种种间间杂杂交交后后筛筛选选可可获获得得a，A错错误误；染染色色体体加加倍倍并并不不改改变变原原有有的的基基因因，只只有有通通过过诱诱变变育育种种，可可由由选选育育出出b，B错错误误；诱诱变变育育种种和和转转基基因因技技术术均均可可获获得得原原品品种种不不具具有的新性状，有的新性状，C、D正确。正确。答案答案CD3干扰素是一种糖蛋白，过去从人的血液中的白细胞中提干扰素是一种糖蛋白，过去从人的血液中的白细胞中提取，产量很低。我国的科研人员侯云院士等一批人，成取，产量很低。我国的科研人员侯云院士等一批人，成功运用基因工程技术提高了其产量，如图为其原理过程功运用基因工程技术提高了其产量，如图为其原理过程图。请据图回答下面的问题。图。请据图回答下面的问题。(1)图中图中过程叫过程叫_。(2)图中图中物质的化学本质是物质的化学本质是_，它之所以能作，它之所以能作为运载体，必须具备的特点是为运载体，必须具备的特点是_(写出任两点写出任两点)。(3)切割切割和和过程所需的酶一般是相同的，其原因是过程所需的酶一般是相同的，其原因是_。(4)该过程中，供体细胞是该过程中，供体细胞是_，受体细胞是，受体细胞是_(填字母填字母)，重组重组DNA分子是分子是_(填序号填序号)，在形成，在形成的过程中需要的过程中需要_。(5)大肠杆菌等微生物是基因工程最常用的实验材料，这是因为大肠杆菌等微生物是基因工程最常用的实验材料，这是因为_。(6)人的干扰素基因能在大肠杆菌内表达，其根本原因是人的干扰素基因能在大肠杆菌内表达，其根本原因是_。解析解析图中图中为目的基因的提取过程，采用的方法为酶切为目的基因的提取过程，采用的方法为酶切法；图中法；图中为从大肠杆菌中提取的质粒；为从大肠杆菌中提取的质粒；表示重组表示重组DNA分分子；切割子；切割和和过程所需的酶叫限制酶，所用的酶相同，产过程所需的酶叫限制酶，所用的酶相同，产生的黏性末端也相同，便于构建重组生的黏性末端也相同，便于构建重组DNA分子。在该过程中，分子。在该过程中，供体细胞是人的体细胞，受体细胞是大肠杆菌供体细胞是人的体细胞，受体细胞是大肠杆菌b，选择大肠，选择大肠杆菌作为受体细胞是因为其繁殖快、结构简单，其内的遗传杆菌作为受体细胞是因为其繁殖快、结构简单，其内的遗传物质少。人的基因能在大肠杆菌中表达是由于它们共用一套物质少。人的基因能在大肠杆菌中表达是由于它们共用一套密码子。密码子。答案答案(1)提提取目的基因取目的基因(2)双链环状双链环状DNA分子分子(或或DNA分子分子)具有一个或多个限制酶切割位点，在细胞中能够自我复制，具有一个或多个限制酶切割位点，在细胞中能够自我复制，有特殊的标记基因等有特殊的标记基因等(3)为了产生相同的黏性末端为了产生相同的黏性末端(4)人的人的体细胞体细胞bDNA连接酶连接酶(5)大肠杆菌结构简单、繁殖大肠杆菌结构简单、繁殖快，其内的遗传物质少快，其内的遗传物质少(任写两点即可任写两点即可)(6)它们共用一套密它们共用一套密码子码子