新课标创新人教生物选修312基因工程的基本操作程序.docx
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新课标创新人教生物选修312基因工程的基本操作程序
一、基因工程的基本操作程序阅读教材P8目的基因的获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定。
二、目的基因的获取阅读教材P8～11
1．目的基因主要是编码蛋白质的结构基因，也可以是一些具有调控作用的因子。
2．获取目的基因的依据基因的核苷酸序列，基因的功能，基因在染色体上的位置，基因的转录产物mRNA，基因的表达产物蛋白质。
3．目的基因的获取方法
（1）从基因文库中获取目的基因
1基因文库含义：
将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因，称为基因文库。
基因组文库：
含有一种生物的所有基因
2基因文库种类部分基因文库：
含有一种生物的部分基因，
如cDNA文库
（2）利用PCR技术扩增目的基因
1PCR技术全称是多聚酶链式反应，是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。
2原理：
DNA双链复制。
3扩增过程
变性：
目的基因DNA受热变性后解链为单链
↓
复性：
引物与单链相应互补序列结合
↓
延伸：
在DNA聚合酶作用下延伸子链
（3）人工合成法：
适于合成基因较小，且核苷酸序列已知的目的基因。
三、基因表达载体的构建——基因工程的核心阅读教材P111．基因表达载体的组成
（1）目的基因。
位置：
基因的首端
（2）启动子功能：
是RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA
位置：
基因的尾端
（3）终止子
（3）终止子功能：
终止转录
（4）标记基因：
鉴别受体细胞中是否含有目的基因。
2.基因表达载体的功能
（1）使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代。
（2）使目的基因能够表达和发挥作用。
四、将目的基因导入受体细胞阅读教材P11～13
1．转化：
目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
2．导入不同类型生物细胞的方法
（1）导入植物细胞
农杆菌转化法：
适用于双子叶植物和裸子植物
①方法基因枪法：
适用于单子叶植物
花粉管通道法
②受体细胞：
植物体细胞。
①方法：
显微注射技术
（2）导入动物细胞②常用受体细胞：
受精卵
（3）导入微生物细胞
1方法：
用Ca2＋处理细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态（这种细胞称为感受态细胞）。
②受体细胞：
原核细胞（使用最广泛的是大肠杆菌细胞）。
③原核生物的特点：
繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对较少等。
五、目的基因的检测与鉴定阅读教材P13～151．分子水平上的检测与鉴定
1检测转基因生物染色体上的目的基因
（1）DNA分子杂交技术②检测目的基因是否转录出mRNA
（2）抗原—抗体杂交技术：
用于检测目的基因是否翻译出蛋白质。
2．个体生物学水平上的检测与鉴定如一个抗虫或抗病的目的基因导入植物细胞后，是否赋予了植物抗虫或抗病特性，做抗虫或抗病的接种实验。
[共研探究]
1．目的基因的获取
获取目的基因是实施基因工程的第一步，随着科学技术的发展，目前获取目的基因的常用方法有以下几种。
阅读教材相关内容，结合提供的资料，完成下面的思考。
（1）目的基因主要是指编码蛋白质的基因。
（2）目的基因的获取方法有从基因文库中获取、PCR技术扩增和人工合成三种。
①直接分离：
从自然界中已有的物种中分离，如从基因文库中获取。
a．基因文库：
将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，
各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因。
b．基因文库种类
文库类型
cDNA文库
基因组文库
文库大小
小
大
基因中启动子（具有启动作用的DNA
无
有
片段）
基因中内含子（位于编码蛋白质序列
无
有
内的非编码DNA片段）
基因多少
某种生物的部分基因
某种生物的全部基因
文库类型
cDNA文库
基因组文库
物种间的基因交流
可以
部分基因可以
c.基因组文库含有一种生物的全部基因，而cDNA文库只含有一种生物的部分基因，
者都是基因文库。
2人工合成法：
如果基因较小，核苷酸序列又已知，可以通过DNA合成仪用化学方法
直接人工合成。
人工合成包括利用DNA进行化学合成和反转录法。
3利用PCR技术扩增目的基因的条件、过程a．原理：
DNA复制。
b．前提：
有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物。
c．条件：
DNA模板、引物、热稳定DNA聚合酶和4种脱氧核苷酸。
d．过程：
2．DNA复制与PCR技术的比较
DNA复制
PCR技术
区别
解旋方式
解旋酶催化
DNA在高温作用下变性解旋
场所
细胞内
细胞外
酶
解旋酶、普通的DNA聚合酶等
耐热的DNA聚合酶（Taq酶）
温度条件
细胞内温和条件
需控制温度，在较高温度下进行
合成的对象
DNA分子
DNA片段或基因
[总结升华]
获取目的基因方法的比较
方法
基因文库的构建
PCR技术扩增
人工合成
过程
供体细胞中的DNA↓限制酶许多DNA片段↓连接表达载体↓导入受体细胞↓外源DNA扩增，产生特定性状↓分离目的基因
目的基因的mRNA↓反转录单链DNA↓合成双链DNA↓插入载体
↓导入受体菌群（cDNA文库）
↓分离目的基因
蛋白质的氨基酸序列↓推测mRNA的核苷酸序列↓推测基因的核苷酸序列↓化学合成目的基因
优点
操作简单
专一性强
可在短时间内大量扩增目的基因
专一性强，可产生自然界中不存在的新基因
缺点
工作量大、盲目性大、专一性差
操作过程较麻烦，技术要求过高
需要严格控制温度、技术要求高
适用范围小
联系
①模板：
均需要脱氧核苷酸链作为模板进行物质合成②原料：
均为四种脱氧核苷酸③酶：
均需要DNA聚合酶进行催化④引物：
均需要引物，使DNA聚合酶从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸
[对点演练]
1．下列不属于获取目的基因的方法是（）
A．利用DNA连接酶复制目的基因
B．反转录法
C．从基因文库中获取目的基因
D．利用PCR技术扩增目的基因
解析：
选A对目的基因（DNA片段）进行复制需利用DNA聚合酶而不是DNA连接酶。
[共研探究]
1．基因表达载体的构建基因表达载体的构建是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。
其目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时，使目的基因能够表达和发挥作用。
依图填空，并回答有关问题。
（1）构建基因表达载体的目的
①使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代。
2使目的基因能够表达和发挥作用。
（2）构建基因表达载体的过程：
目的基因与载体结合的过程，实质上是不同来源的DNA重新组合的过程。
其过程如下：
（3）启动子和终止子与起始密码子和终止密码子相同吗？
提示：
不相同，启动子和终止子位于DNA上，是基因表达必需的部分。
起始密码子和
终止密码子位于mRNA上，决定翻译的开始和结束。
（4）基因表达载体的构建需要限制酶、DNA连接酶。
【归纳拓展】真核细胞基因结构
（1）
结构：
①编码区：
内含子、外显子；②非编码区：
启动子、终止子。
基因结构如图所示：
（2）表达：
只有编码区能转录生成RNA，且内含子转录的部分要剪切掉，即转录生成的mRNA只有外显子的对应部分。
因此，以mRNA为模板，反转录产生的目的基因中没有内含子、启动子和终止子。
2．将目的基因导入受体细胞
将目的基因导入受体细胞是实施基因工程的第三步。
目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程，称为转化。
结合图1、图2、图3，根据教材相关内容
完成下列思考。
（1）
结合图示理解农杆菌转化法的过程
（2）将目的基因导入受体细胞的方法
生物种类
植物细胞
动物细胞
微生物细胞
常用方法
农杆菌转化法
显微注射技术
Ca2＋处理法
受体细胞
体细胞
受精卵
原核细胞
转化过程
将目的基因插入Ti质粒的T－DNA上→农杆菌→导入植物细胞→融合到受体细胞的DNA上→表达
将含有目的基因的表达载体提纯→取卵（受精卵）→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物
Ca2＋处理细胞→感受态细胞→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子
（3）为什么植物的体细胞可以作为受体细胞，而动物的体细胞不能作为受体细胞？
提示：
植物体细胞的全能性较高，可经植物组织培养过程成为完整植物体；动物体细胞
全能性受到限制，不能发育为一个新个体，因此动物基因工程中的受体细胞一般是受精卵。
（4）从细胞器的功能上分析，若通过基因工程生产人的糖蛋白，可以用大肠杆菌作受体
细胞吗？
而内质网和
提示：
不可以。
因为糖蛋白上的糖链是在内质网和高尔基体上加工完成的，高尔基体存在于真核细胞中，大肠杆菌是原核生物，细胞中不含有这两种细胞器。
[总结升华]
易错易混】
（1）构建基因表达载体
①用同一种限制酶切割质粒和目的基因，以获得互补的黏性末端，利于重组质粒的构建。
②插入的目的基因只是结构基因部分，其表达需要调控序列，因而用作载体的质粒的插入部位前须有启动子，后须有终止子。
3终止子是DNA分子上决定转录停止的DNA序列；终止密码子是指mRNA分子上决定翻译停止的三个相邻碱基。
（2）农杆菌转化法中有两次拼接和两次导入。
第一次拼接是将目的基因拼接到Ti质粒上
T－DNA的中间部位，第二次拼接（非人工操作）指被插入目的基因的T－DNA被拼接到受体细胞的染色体DNA上；第一次导入是将含目的基因的Ti质粒重新导入农杆菌，第二次导入（非人工操作）是指含目的基因的T－DNA进入受体细胞。
[对点演练]
（）
2．如图为基因表达载体的模式图，下列有关基因工程中载体的说法，错误的是
A．基因工程的核心步骤是基因表达载体构建
B．任何基因表达载体的构建都是一样的，没有差别
C．图中启动子位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位
D．抗生素抗性基因的作用是作为标记基因，用于鉴别受体细胞中是否导入了目的基因
解析：
选B由于受体细胞有植物、动物和微生物，所以目的基因导入受体细胞的方式不同，因此，基因表达载体的构建也会有所差别，不可能是千篇一律的。
3．科学家通过基因工程的方法，将苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因转入普通棉株细胞内，并成功实现了表达，从而培育出了能抗棉铃虫的棉花植株——抗虫棉。
其过程大致如图所示，请分析回答：
（1）Ti质粒是农杆菌中的一种质粒，其上有T－DNA，把目的基因插入Ti质粒的T－DNA中是利用T－DNA的特点。
（2）Bt毒蛋白基因转入普通棉株细胞内并成功实现表达的过程，在基因工程中称为
（3）将目的基因导入受体细胞的方法有很多种，该题中涉及的是。
解析：
（1）Ti质粒的最大优点是能将目的基因导入受体细胞的染色体DNA中，从而使目
的基因在棉花体内稳定维持和表达。
（2）目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持
稳定和表达的过程称为转化。
（3）将目的基因导入植物细胞方法很多，以农杆菌中的Ti质粒
为目的基因载体的称为农杆菌转化法。
答案：
（1）可转移至受体细胞并且融合到受体细胞染色体DNA上
（2）转化（3）农杆菌
转化法
[共研探究]
目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能知道。
这是基因工程的第四步工作，也是检查基因工程是否做成功的一步。
结合下述材料，完成探究。
1．目的基因的检测（分子水平检测）
（1）从图中分析可得检测目的基因的方法为DNA分子杂交技术，其原理是采用一定的技
术手段，将两种生物的DNA分子的单链放在一起，如果这两个单链具有互补的碱基序列，那么，互补的碱基序列就会结合在一起，形成杂合双链区；若没有互补碱基序列的部位，仍然是两条游离的单链。
（2）分子检测的方法
DNA和
①DNA和DNA分子之间的杂交。
目的基因是否融合到受体生物的染色体DNA中，这是真核生物中的目的基因可否稳定存在和遗传的关键。
要验证这一点，就需要通过
DNA分子间的杂交技术。
主要做法是用放射性同位素标记目的基因DNA片段作探针，以此检测受体细胞的DNA中有无目的基因。
②DNA和RNA分子之间的杂交。
它是检测目的基因是否转录出mRNA的方法，具体做法是从转基因生物中提取mRNA，用标记的目的基因作探针，与mRNA杂交，如果显示出杂交带，则表明目的基因转录出了mRNA，意味着目的基因开始发挥功能。
3蛋白质分子（抗原—抗体）之间的杂交。
具体做法是：
用相应的抗体进行抗原—抗体杂
交，若有杂交带出现，表明目的基因已经表达出了蛋白质。
2．鉴定（个体生物学水平鉴定）
观察图示，判断抗虫棉的接种实验属于个体生物学水平鉴定，通过做抗虫（或抗病）的接
种实验以确定是否具有抗性及抗性的程度。
还可对基因工程产品与天然产品的功能进行活性比较，以确定转基因产品的功能活性是否与天然产品相同。
3．应用
（1）检测棉花中导入的抗虫基因是否表达的最简便的方法是什么？
提示：
用叶片饲养棉铃虫，观察棉铃虫是否死亡。
如果棉铃虫死亡，说明抗虫基因已经表达；否则，目的基因没有表达。
（2）DNA分子杂交的原理是碱基互补配对原则。
DNA分子杂交可用于亲子鉴定、刑事侦查、生物亲缘关系鉴定等。
[总结升华]
1．目的基因的检测与鉴定
2．不同分子检测的原理、场所、探针的异同
（1）原理：
进行转录水平的检测原理与复制水平的检测原理是相似的，只是被检测的物质不再是转基因生物的基因组DNA，而是转基因生物细胞内的mRNA；进行翻译水平的检测，则是利用抗原与抗体特异性结合的原理。
（2）场所：
不论是复制水平、转录水平还是翻译水平的检测，都是在体外进行的。
（3）探针：
在DNA分子、mRNA分子水平上检测目的基因是否插入、目的基因是否转录时，用的探针都是放射性同位素等标记的含有目的基因的DNA片段。
【易错易混】基因工程的几个易错点
（1）在基因工程的四个操作步骤中，只有第三步将目的基因导入受体细胞不涉及碱基互
补配对，其余三个步骤都涉及碱基互补配对。
（2）原核生物繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对较少，有利于目的基因的复制与表达，因此常采用大肠杆菌等原核生物作为受体细胞。
[对点演练]
4．目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过鉴定和检测才能知道。
下列属于目的基因检测和鉴定的是（）
①检测受体细胞是否有目的基因②检测受体细胞是否有致病基因③检测目的基因是否转录出mRNA④检测目的基因是否翻译成蛋白质
A．①②③B．②③④
C．①③④D．①②④
解析：
选C目的基因的检测包括：
检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是用DNA探针与基因组DNA杂交；检测目的基因是否转录出mRNA，方法是用基因探针与mRNA杂交；检测目的基因是否翻译成蛋白质，方法是进行抗原—抗体杂交。
1．下列关于基因文库的说法，错误的是（）
A．可分为基因组文库和部分基因文库
B．cDNA文库属于部分基因文库C．基因组文库的基因在不同物种之间均可进行基因交流D．同种生物的cDNA文库基因数量较基因组文库基因数量少解析：
选C基因组文库只有部分基因能够在不同物种之间进行交流。
2．基因表达载体的必需组成部分是（）①启动子②终止密码子③标记基因
4目的基因⑤终止子
A．①②③④B．①③④⑤
解析：
选B启动子位于基因表达载体的首端，有了它才能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需要的蛋白质；终止子相当于一盏红色信号灯，使转录在所需要的地方停止下来；标记基因是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来；目的基因是基因表达载体上必须具有的结构。
3．下列关于目的基因检测与鉴定的叙述，错误的是（）
A．可以根据受体细胞是否具有某种抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因B．受体细胞必须表现出目的基因控制的特定性状，才能说明目的基因完成了表达过程C．目的基因检测的第一步是检测目的基因是否插入到转基因生物的染色体DNA上
D．检测到受体细胞含有目的基因就标志着基因工程操作成功
标志着基
解析：
选D目的基因成功导入受体细胞只是基因工程操作成功的必要一步因工程操作成功的是目的基因在受体细胞中成功表达。
请据图回答问题。
4．如图表示基因工程的主要操作步骤，
（4）不同生物的基因能够进行重组，原因是
解析：
分析图示可知：
①过程是获取目的基因，该过程需要的酶是限制酶；②过程是构建基因表达载体的过程，该过程需要用到DNA连接酶。
若受体细胞是微生物细胞，将重组质粒导入时，首先应用Ca2＋处理受体细胞，可以增大细胞膜的通透性，使重组质粒易于进入受体细胞。
目的基因完成表达的标志是受体细胞内合成了相应的蛋白质。
不同生物之间能够进行转基因，其原因应从基因的化学组成和空间结构两方面考虑。
答案：
（1）获取目的基因限制构建基因表达载体DNA连接
（2）细胞膜的通透性
（3）表达出目的基因产物（4）不同生物的DNA具有相同的化学组成和空间结构
【基础题组】
1．下列有关目的基因获取的理解，不正确的是（）
A．目的基因可以从自然界中分离，也可以人工合成B．目的基因主要指编码蛋白质的结构基因
C．基因文库就是基因组文库
D．cDNA文库只含有某种生物的一部分基因
解析：
选C基因文库又分为基因组文库和部分基因文库。
cDNA文库是部分基因文库。
2．下列关于基因表达载体构建的相关叙述，不正确的是（）
A．需要限制酶和DNA连接酶
B．必须在细胞内进行
C．抗生素抗性基因可作为标记基因
D．启动子位于目的基因的首端
解析：
选B基因表达载体的构建是指目的基因与载体结合，在此过程中需用同一种限制酶切割目的基因与载体，用DNA连接酶将互补的末端连接起来；基因表达载体的构建是在细胞外进行的；基因表达载体包括启动子（位于基因首端使转录开始）、终止子、目的基因
和标记基因。
3．利用苏云金芽孢杆菌的抗虫基因培育的抗虫棉是否成功，最好检测（）
A．是否有抗生素产生
B．是否有目的基因表达
C．是否有抗虫的性状出现
D．是否能分离到目的基因
解析：
选C要检验导入了抗虫基因的棉花植株是否抗虫，需要做抗虫的接种实验，以确定棉花是否有抗虫的性状出现，如果有抗虫的性状出现，则说明抗虫棉培育成功。
4．在基因工程技术中，需要用Ca2＋处理的环节是（）A．目的基因的提取和导入
B．目的基因与载体结合
C．将目的基因导入受体细胞
D．目的基因的检测与鉴定
解析：
选C如果载体是质粒，受体细胞是细菌，一般是将细菌用Ca2＋处理，以增大
细菌细胞膜的通透性，使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。
5．将目的基因导入玉米茎尖分生区细胞和小鼠受精卵，常采用的方法分别是（）
A．显微注射法、农杆菌转化法
B．基因枪法、花粉管通道法
C．农杆菌转化法、显微注射法
D．基因枪法、显微注射法
解析：
选D玉米是单子叶植物，常用的转化方法是基因枪法；对于动物细胞，常用的转化方法是显微注射法。
6．下列关于cDNA文库和基因组文库的说法，不正确的是（）
A．cDNA文库中的DNA来源于mRNA的反转录
B．如果某种生物的cDNA文库中的某个基因与该生物的基因组文库中的某个基因控制的性状相同，则这两个基因的结构也完全相同
C．cDNA文库中的基因都没有启动子
D．一种生物的cDNA文库可以有许多种，但基因组文库只有一种
解析：
选B由于基因转录时只有编码区段才能转录，所以以mRNA反转录成的DNA就只有外显子区段，而缺少内含子和启动子等非编码区段，和原来的基因结构不相同。
7．利用外源基因在受体细胞中表达，可生产人类所需要的产品。
下列能说明目的基因完成了在受体细胞中表达的是（）
A．棉花二倍体细胞中检测到细菌的抗虫基因B．大肠杆菌中检测到人胰岛素基因及其mRNA
C．山羊乳腺细胞中检测到人生长激素DNA序列
D．酵母菌细胞中提取到人干扰素蛋白
解析：
选D目的基因的表达是指在受体细胞中产生了目的基因所控制合成的蛋白质。
在受体细胞中检测到目的基因或其转录产物RNA，并不能表明目的基因已经成功表达。
8．下列关于基因表达载体导入微生物细胞的叙述，不正确的是（）
A．常用原核生物作为受体细胞，是因为原核生物繁殖快，且多为单细胞，遗传物质相对较少
B．受体细胞所处的一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态称为感受态
C．感受态细胞吸收DNA分子需要适宜的温度和酸碱度
D．感受态细胞吸收重组表达载体DNA分子的液体只要调节为适宜的pH即可，没必
要用缓冲液
解析：
选D将基因表达载体导入微生物细胞时，需在一定条件（如适宜的温度、pH等）下，将基因表达载体和感受态的微生物细胞混合培养，在培养过程中，可能会影响pH的变化，因此要加入缓冲液，以保持适宜的pH。
【能力题组】
9．（2014重·庆高考）如图为利用基因工程培育抗虫植物的示意图。
以下相关叙述，正确的是（）
A．②的构建需要限制性核酸内切酶和DNA聚合酶参与
B．③侵染植物细胞后，重组Ti质粒整合到④的染色体上C．④的染色体上若含抗虫基因，则⑤就表现出抗虫性状D．⑤只要表现出抗虫性状就表明植株发生了可遗传变异解析：
选D构建重组质粒需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶，不需要DNA聚合酶。
含重组Ti质粒的农杆菌侵染植物细胞后，重组Ti质粒的T－DNA整合到受体细胞的染色体上，而不是重组Ti质粒整合到受体细胞的染色体上。
导入受体细胞的目的基因表达后，转基因植株方能表现出相应性状，若目的基因在受体细胞中不表达，转基因植株不能表现出相应性状。
⑤表现出抗虫性状则表明该植株细胞发生了基因重组，基因重组是可遗传变异。
10．天然的玫瑰没有蓝色花，这是由于缺少控制蓝色色素合成的基因B，而开蓝色花的
矮牵牛中存在序列已知
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