第第2节节 基因工程及其应用基因工程及其应用课程标准1简述基因工程的原理和应用。2关注转基因生物和转基因食品的安全性。课标解读1简述基因工程的基本原理。2举例说出基因工程在农业、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前景。4通过对书中插图、照片等的观察，学会科学的观察方 法，培养学生收集和处理科学信息的能力、获取新知 识的能力、分析和解决问题的能力。1基因工程的概念基因工程的原理基因工程的原理别称别称基因拼接技术基因拼接技术或或_操作对象操作对象_目的目的定向改造生物定向改造生物的的_DNA重组技术重组技术基因基因遗传性状遗传性状2. 基因工程的操作工具 (1)基因的“剪刀”与“针线”名称名称作用作用限制性核酸内限制性核酸内切酶切酶识别识别_，并并在在_ _上上切割切割DNA分子分子DNA连接酶连接酶连接连接_之间之间的缺口的缺口特定的核苷酸序列特定的核苷酸序列特定特定的切点的切点脱氧核糖和磷酸脱氧核糖和磷酸(2)基因的运载体作用：将外源基因送入_。受体细胞受体细胞细菌细菌自主复制自主复制环状环状DNA分子分子噬菌体噬菌体动植物病毒动植物病毒3基因工程的步骤基因工程的步骤提示基因工程的理论基础主要有两个：一是密码子的通用性，即生物界共用一套遗传密码；二是所有生物的DNA分子结构及碱基互补配对原则相同。(2)要想从DNA上切下某个基因，应切几个切口？产生几个末端？提示2个切口；2个黏性末端。思维激活思维激活1 (1)基因工程的理论基础是什么？基因工程的理论基础是什么？(1)基因的“剪刀”限制酶存在：主要存在于微生物中，种类有200多种。作用与特性：一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点切割DNA分子，也就是说限制酶具有专一性和特异性。1基因操作的工具基因操作的工具作用结果：一般产生黏性末端(碱基能互补配对)。(2)基因的“针线”DNA连接酶黏性末端可通过碱基互补配对连接起来，两条DNA分子切点断口处的“缝合”则需DNA连接酶，如下图：(3)基因的“运输工具”运载体作用：a.作为运载工具将目的基因转移到宿主细胞中去；b.利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量的复制。需要具备的条件：a.能够在宿主细胞中复制并稳定地保存；b.具备多个限制酶切点，以便于与外源基因连接；c.具有某些标记基因便于进行筛选。常见的种类：质粒、噬菌体和动植物病毒等。但天然运载体往往不能满足上述条件，需经人工改造。2基因工程的步骤特别提醒(1)培育转基因动物，受体细胞一般选用受精卵。而培育转基因植物，受体细胞通常选用体细胞。(2)用同一种限制酶切割目的基因和运载体，才能产生相同的黏性末端，使得DNA分子的碱基重新实现互补配对。A定向提取生物体的DNA分子B定向地对DNA分子进行人工“剪切”C在生物体外对DNA分子进行改造D定向地改造生物的遗传性状解析基因工程是按照人们的意愿，定向改变生物的遗传性状，从而培育出人们所需要的生物类型。答案D【巩固巩固1】 科学家们经过多年的努力，创立了一种新兴生物科学家们经过多年的努力，创立了一种新兴生物 技术技术基因工程，实施该工程的最终目的是基因工程，实施该工程的最终目的是 ()。A限制酶只用于提取目的基因B细菌体内的环状DNA均可作运载体CDNA连接酶可用于目的基因和运载体的连接D重组DNA分子一旦进入受体细胞，基因工程则完成解析限制酶不仅用于提取目的基因，还用于运载体的切割。并不是所有质粒都可以作为运载体，作为运载体一般要满足三个条件：能自我复制，有多个限制酶切点，有标记基因。基因工程完成的标志并不是重组DNA分子进入受体细胞，而是目的基因在受体细胞中成功地表达。答案C【巩固巩固2】 下列有关基因工程的叙述中，正确的是下列有关基因工程的叙述中，正确的是()。(1)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_ _的作物新品种。在_，培育出了转基因奶牛、超级绵羊等多种转基因动物。(2)药物研制：能够_地生产出各种高质量、低成本的药品，如胰岛素、干扰素和乙肝疫苗等。(3)环境保护：利用_降解有毒有害的化合物，吸收环境中的重金属，分解泄漏的石油，处理工业废水等。基因工程的应用与安全性基因工程的应用与安全性1基因工程的应用基因工程的应用抗逆抗逆性性畜牧养殖业畜牧养殖业转基因细菌转基因细菌高效率高效率2转基因生物和转基因食品的安全性思维激活2 胰岛素是分泌蛋白，但利用大肠杆菌产生的胰岛素却没有生物活性，还需进一步加工，请从真、原核细胞的结构特点分析其中的原因？ 提示大肠杆菌中无内质网、高尔基体等加工分泌蛋白的细胞器，所以形成的胰岛素还不成熟，需进一步加工。转基因生物和转基因食品的优、缺点(1)优点：解决粮食短缺问题；减少农药使用，从而减少环境污染；节省生产成本，降低粮食售价；增加食物营养，提高附加价值；增加食物种类，提升食物品质；提高生产效率，带动相关产业发展。(2)缺点：可能产生新毒素和新过敏原；可能产生抗除草剂的杂草；可能使疾病的散播跨越物种障碍；可能会损害农田的生物多样性；可能干扰生态系统的稳定性。使危害农作物的害虫灭绝农药用量减少环境污染降低农业生产成本降低A BC D解析使害虫灭绝会破坏生物多样性。答案B【巩固巩固3】 中国农业科学院的科学家继成功培育出了抗棉铃虫中国农业科学院的科学家继成功培育出了抗棉铃虫转基因抗虫棉后，又成功培育出了抗虫烟草、抗虫玉米、抗转基因抗虫棉后，又成功培育出了抗虫烟草、抗虫玉米、抗虫水稻等多种农作物，下列属于转基因抗虫作物的推广意义虫水稻等多种农作物，下列属于转基因抗虫作物的推广意义的是的是 ()。A限制酶广泛存在于各种生物中，但微生物中很少B一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列C不同的限制酶切割DNA后都会形成黏性末端D限制酶的作用部位是特定核苷酸形成的氢键思维导图：示例示例一一基因工程的工具基因工程的工具【例例1】 下列关于限制酶的说法正确的是下列关于限制酶的说法正确的是()。深度剖析本题考查限制酶的来源、特性及作用部位。具体分析如下：答案B选项判断选项判断原因分析原因分析A项错误项错误限制酶的存在非常广泛，主要存在于微生限制酶的存在非常广泛，主要存在于微生物中物中B项正确项正确一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割列，并在特定的切点上切割DNA分子分子C项错误项错误限制酶切割后一般形成黏性末端，但部分限制酶切割后一般形成黏性末端，但部分限制酶切割后会形成平末端限制酶切割后会形成平末端D项错误项错误限制酶的作用部位是特定核苷酸序列中两限制酶的作用部位是特定核苷酸序列中两个核苷酸间的磷酸二酯键个核苷酸间的磷酸二酯键归纳提升理解限制酶需注意以下几点(1)限制酶主要存在于微生物中，尤其是原核生物中；(2)限制酶具有特异性，不同的限制酶切割DNA的位点一般不同；(3)限制酶的作用主要是切割出目的基因。【例2】 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。示例二示例二基因工程的步骤及应用基因工程的步骤及应用(1)图中过程叫_。(2)图中物质的化学本质是_，它之所以能作为运载体，必须具备的特点是_ _(写出任两点)。(3)切割和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_，受体细胞是_(填字母)，重组DNA分子是_(填序号)，在形成的过程中需要_。(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_。(6)人的干扰素基因能在大肠杆菌内表达，其根本原因是_。思维导图：深度剖析图中为目的基因的提取过程，采用的方法为酶切法；图中为从大肠杆菌中提取的质粒；表示重组DNA分子；切割和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DNA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b，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遗传密码。答案(1)提取目的基因(2)双链环状DNA分子(或DNA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，有特殊的标记基因等(3)为了产生相同的黏性末端(4)人的体细胞bDNA连接酶(5)大肠杆菌结构简单、繁殖快，其内的遗传物质少(任写两点即可)(6)它们共用一套遗传密码规律方法有关图形题的解题策略图形题有结构图、过程图、系谱图、概念图等，上题为过程图。针对过程图，一要读懂图形，特别要理清图中的过程，获取相关信息、找出图中的细节，挖出图中的隐含信息。二要结合相关原理剖析图形，如基因工程操作过程的“四步曲”就是剖析该图的相关知识原理，从中找出关键点、过程的交接点等。质粒上含有抗性基因等标记基因，以供目的基因是否导入受体细胞的鉴定和选择。欲探究质粒上抗性基因的情况，需将导入了重组质粒的受体细胞接种于含相应抗生素的培养基上培养，然后根据受体细胞的生存情况来推断质粒上抗性基因的情况。质粒上抗性基因的实验探究质粒上抗性基因的实验探究技法必备技法必备探究大肠杆菌的质粒所含的抗生素抗性基因的类别。请根据提供的实验材料和用具，回答相关问题。(1)材料用具：青霉素、四环素的10万单位溶液、菌种试管、灭菌的含细菌培养基的培养皿、酒精灯、接种环、一次性注射器、蒸馏水、恒温箱。(2)方法步骤第一步：取三个含细菌培养基的培养皿并标记1、2、3号，在酒精灯旁，用三支注射器，分别注入1 mL蒸馏水、青霉素、四环素液，并使之分布在整个培养基表面。第二步：_。第三步：_。能力展示能力展示(3)预期结果及分析设置1号培养皿的目的是_。出现的现象是_。若3号中不存活，2号中存活，则_ _。若2号中不存活，3号中存活，则_ _。解析作为运载体的质粒须有标记基因，这一标记基因是抗生素抗性基因。故凡有抗生素抗性基因的细菌，其质粒才可能用作运载体。具有抗生素抗性基因的细菌能在具有抗生素的培养基上生长，微生物在培养的过程中，一定要无菌操作。答案(2)第二步：将接种环在酒精灯火焰上灼烧以灭菌，并在酒精灯火焰旁取种，然后对三个培养皿接种第三步：将接种后的三个培养皿放入37 恒温箱中培养24 h(3)对照细菌能正常生长培养的细菌含有抗青霉素基因，而无抗四环素基因，因而对青霉素有抗性，而对四环素无抗性培养的细菌含有抗四环素基因，而无抗青霉素基因，因而对四环素有抗性，而对青霉素无抗性A病毒、质粒、DNA连接酶BDNA连接酶、RNA聚合酶、质粒C限制酶、RNA连接酶、质粒D限制酶、DNA连接酶、质粒解析“剪刀”是切取目的基因的限制酶；在缝合目的基因和运载体时，要用“针线”DNA连接酶；“运载体”是将目的基因导入到受体细胞中的工具，质粒是最为常用的运载体。答案D1.在基因工程中，科学家所用的在基因工程中，科学家所用的“剪刀剪刀”、“针线针线”和和“运载运载 体体”分别是指分别是指 ()。A B C D2下列黏性末端由同一种限制酶切割而成的是下列黏性末端由同一种限制酶切割而成的是()。解析同一种限制酶切割出的黏性末端应是互补的，是互补的，切点都是在G与A之间，识别序列为GAATTC。答案BCTGCAGGAATTCG CTTAAACGTCGA； B；C； DA、B、C都对解析只有具相同黏性末端时，才可依据碱基互补配对原则结合为双链DNA，然后再用DNA连接酶连接其骨架。答案A3下列是由限制酶切割形成的下列是由限制酶切割形成的DNA片段，能用相应片段，能用相应DNA连接连接 酶将它们恢复连接的组合是酶将它们恢复连接的组合是()。A干扰素 B白细胞介素C青霉素 D乙肝疫苗解析青霉素是诱变育种方法得到的高产青霉素菌株生产的药物。答案C4下列不属于用基因工程方法生产的药物是下列不属于用基因工程方法生产的药物是 ()。A该转基因玉米对非靶生物有毒B转基因生物均有一定的毒性C转基因食品不能食用DBt基因对所有害虫均有毒性解析考查转基因生物的安全性问题。该实验没有对其他所有非靶生物进行对比实验，不能说明转基因生物对所有生物都有毒性。答案A51999年年自然自然杂志刊登了美国康奈尔大学杂志刊登了美国康奈尔大学Losey等人的实等人的实验结果：将转验结果：将转Bt基因玉米花粉撒在苦荬菜上，喂食非靶生基因玉米花粉撒在苦荬菜上，喂食非靶生物黑脉金斑蝶幼虫，物黑脉金斑蝶幼虫，4 d后幼虫死亡率达后幼虫死亡率达44%，而对照组无，而对照组无一死亡。该实验说明一死亡。该实验说明 ()。(1)能否利用人的皮肤细胞来完成过程？_，为什么？_ _。(2)过程必需的酶是_酶。(3)在利用A、B获得C的过程中，一般用_切割A和B，使它们产生_，再加入_，才可形成C。6如图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图，如图是利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图， 请据图回答下面的问题。请据图回答下面的问题。(4)由此可知，基因工程操作一般要经过A的获取、_(填字母)和_(填字母)的结合、_(填字母)导入D、目的基因在大肠杆菌中表达与检测等四个步骤。答案(1)不能胰岛素基因在皮肤细胞内不表达，不能形成胰岛素mRNA(2)逆转录(3)同一种限制酶相同的黏性末端DNA连接酶 (4)ABC课堂小结