新教材学年人教版选择性必修3第3章 第3节 基因工程的应用 学案.docx

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新教材学年人教版选择性必修3第3章第3节基因工程的应用学案

第3节　基因工程的应用

1.通过基因工程在农牧业、医药卫生领域和食品工业方面的应用,说出基因工程取得的丰硕成果。

2.通过了解基因工程的应用,关注基因工程的进展。

3.通过了解基因工程为人类带来的改变,认同基因工程的应用促进生产力的提高。

一、基因工程在农牧业方面的应用

1.植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力,以及改良农作物的品质等方面

工程

原理或目的基因

成果

转基因抗虫植物

从某些生物中别离出具有抗虫功能的基因

抗虫植物:

棉花、玉米、大豆、水稻、马铃薯等

转基因抗病植物

将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物

转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等

转基因抗除草剂植物

抗性基因:

降解或抵抗某种除草剂的基因

抗除草剂大豆、油菜、甜菜、玉米等

利用基因工程改良植物的品质

优良基因:

必需氨基酸的蛋白质编码基因、植物花青素代谢有关的基因等

转基因高赖氨酸玉米、转基因矮牵牛等

①目的基因:

外源生长激素基因。

②成果:

转基因鲤鱼。

①目的基因:

如肠乳糖酶基因。

②成果:

转基因牛产生的牛奶,乳糖含量少,其他营养成分不受影响。

二、基因工程在医药卫生领域的应用

1.基因工程的改造对象:

微生物、植物或动物。

2.成果:

基因工程药物有细胞因子、抗体、疫苗和激素等;建立乳腺生物反响器利用哺乳动物批量生产药物,从乳汁中提取抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶;利用基因工程技术对动物进行改造,培育出不会引起免疫排斥反响的转基因克隆动物器官。

三、基因工程在食品工业方面的应用

1.基因工程食品添加剂种类:

食品工业用酶、氨基酸和维生素等。

2.成果:

①将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中,再通过工业发酵批量生产凝乳酶。

②通过构建基因工程菌,然后用发酵技术大量生产淀粉酶、脂酶等。

3.特点:

①用基因工程技术获得的工业用酶的纯度更高,而且它的生产本钱显著降低,生产效率较高。

②基因工程使人们更容易培育出具有优良性状的动植物品种,获得很多过去难以得到的生物制品;培育“超级细菌〞来处理环境污染;利用经过基因改造的微生物来生产生物能源。

新知探究一　基因工程在农牧业方面的应用

资料1:

草甘膦是全球使用量最大的除草剂,具有高效、广谱、低毒、低残留、易于被微生物分解,不破坏土壤环境,对大多数植物具有灭生性等优点。

为培育抗草甘膦的转基因大豆,科学家将农杆菌菌株上别离出CP4基因,将其导入大豆细胞中,选育出了抗草甘膦的大豆品种。

其原理是CP4基因表达后,原本对除草剂敏感的某种酶活性不易受到除草剂的影响。

问题

（1）:

上述抗草甘膦大豆的培育,根本步骤有哪些?

提示:

①从农杆菌中获取和扩增CP4基因;②将CP4基因与载体结合构建基因表达载体;③将重组表达载体导入大豆细胞中;④对大豆细胞中CP4基因的存在和表达情况进行鉴定,并进行除草剂喷洒实验。

问题

（2）:

基因工程用于改造植物的目的主要有哪些?

提示:

培育抗虫、抗病基因、抗除草剂和一些具有优良品质的植物。

资料2:

2021年11月,美国食品药品管理局批准第一种供食用的转基因动物上市,也就是一种生长快速的转基因三文鱼。

大西洋鲑是市场上最常见的三文鱼,为了让大西洋鲑快速生长,科学家将体型大的大鳞大马哈鱼的生长激素基因转给了大西洋鲑。

同时,为了能让生长激素基因在冬天也能发挥作用,科学家还转入了美洲绵鳚抗冻蛋白的启动子。

普通三文鱼需要养36个月才能上市,而转基因三文鱼仅需18个月。

问题（3）:

培育转基因三文鱼所选的目的基因是什么?

提示:

大鳞大马哈鱼的生长激素基因。

问题（4）:

如何通过基因工程降低牛奶中的乳糖?

提示:

以乳糖酶基因为目的基因,导入奶牛基因组。

乳糖酶基因可表达出乳糖酶,乳糖酶可催化乳糖的分解。

（1）利用基因工程培育植物新品种的优越性:

植物基因工程实现了原核生物与植物、不同植物、动物与植物之间的基因交流,从而大幅度地改良植物的遗传特性,表达出基因工程巨大的优越性。

（2）利用转基因技术改良植物品质的途径:

①直接导入控制所需性状的结构蛋白基因;②导入与所需性状有关的某种关键酶的基因或改变某种关键酶活性的基因。

1.科学家通过基因工程的方法,能使马铃薯块茎含有人奶蛋白。

以下有关该基因工程的表达错误的选项是（　A　）

D.用同一种限制酶处理质粒和含有目的基因的DNA,可产生相同的黏性末端

解析:

人工种植的转基因马铃薯种群的人奶蛋白基因频率会因突变或自然选择作用而发生改变;基因非编码区包括启动子和终止子,调控基因的转录开始与结束;马铃薯的叶肉细胞具有全能性,可作为基因工程的受体细胞;同一种限制酶识别并切割的脱氧核苷酸序列相同,处理质粒和含有目的基因的DNA,可产生相同的黏性末端。

新知探究二　基因工程在医药卫生领域的应用

资料1:

胰岛素——全球第一个上市的基因工程药物

2021年,全球糖尿病患者人数高达4.63亿!

胰岛素是治疗糖尿病的有效药物。

以前,临床上给病人注射用的胰岛素主要从猪或牛等家畜的胰腺中提取,每100kg猪胰腺只能提取4～5g胰岛素。

用这种方法生产的胰岛素产量低、价格昂贵,远远不能满足社会的需要。

1978年,美国一家公司利用重组DNA技术成功地使大肠杆菌生产出胰岛素。

通过基因工程技术,把编码胰岛素的基因导入到大肠杆菌中,造出能生产胰岛素的工程菌,从200L发酵液就可以得到10g胰岛素。

基因工程胰岛素不但产量大大提高,还具有免疫原性显著降低、吸收速率加快、生物活性增强和注射部位脂肪萎缩发生率下降等优点。

1982年,另一家公司推出全球第一个基因重组药物“人胰岛素〞,商品名为Humulin,用于治疗糖尿病。

1998年,我国科学家成功研发了投入量产的复合型基因工程胰岛素注射剂,商品名“甘舒霖〞。

问题

（1）:

分析基因工程生产胰岛素使用的目的基因、获取目的基因的方法是什么?

提示:

目的基因是人胰岛素基因。

筛选并获取该基因的方法有:

利用PCR技术对人的细胞中胰岛素基因进行扩增或构建含有人胰岛素基因的cDNA（互补DNA）文库。

问题

（2）:

将目的基因导入微生物细胞时,需要对微生物细胞进行何种处理?

提示:

需要用Ca2+处理微生物,使之处于一种容易从外界吸收DNA的生理状态。

资料2:

科学家将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起,通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中,由这个受精卵发育成的转基因动物在进入泌乳期后,可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物,这称为乳腺生物反响器或乳房生物反响器。

其根本过程如以下列图所示:

问题（3）:

乳腺生物反响器必须筛选哪种性别的转基因个体以获得药物?

是否可以在转基因个体的整个生命周期中均可以获得药物?

提示:

雌性;否,只有在雌性个体性成熟后进入泌乳期才可以从乳汁中提取药物。

问题（4）:

将目的基因导入受精卵细胞而不是乳腺细胞的原因是什么?

提示:

受精卵大、易操作,且具有发育的全能性,筛选的个体乳腺细胞均可以分泌含药物的乳汁。

乳腺细胞不具全能性且不易操作,也无法保证乳汁中药物的含量。

利用不同生物生产基因工程药物

目的

基因

作用

受体

生物

说明

转基因动物生产药物（乳腺生物反响器）

药用

蛋白

基因

通过分泌的乳汁来生产所需要的药品

牛、山羊等

已生产出的药品有抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α

抗胰蛋白酶等

转基因细菌（工程菌）生产药物

药用

蛋白

基因

通过微生物的大量繁殖生产药物

大肠杆菌、酵母菌等

已生产出的有细胞因子、抗体、疫苗、激素等

2.以下关于利用乳腺生物反响器生产药用蛋白的表达,错误的选项是（　B　）

解析:

培育转基因动物,通常采用显微注射法将目的基因导入动物受精卵。

新知探究三　基因工程在其他方面的应用

资料:

石油开采和运输过程中的泄漏,给很多地区带来了严重的污染。

为了更好地治理该污染,科学家通过基因工程设计了产生“超级细菌〞的方案。

在该菌的培育过程中,需要用到基因工程中经常选用的载体——pBR322质粒,该种质粒上含有氨苄青霉素抗性基因（AmpR）和四环素抗性基因（Tetr）。

目的基因如果插入某抗性基因中,将使该基因失活,而不再具有相应的抗性。

为了检查载体是否导入原本没有AmpR和Tetr的细菌,将待选育的该种细菌涂布在含氨苄青霉素的培养基上培养,得到如图b的结果（黑点表示菌落）。

再将灭菌绒布按到培养基上,使绒布面沾上菌落,然后将绒布按到含四环素的培养基上培养,得到如图c的结果（空圈表示与b对照无菌落的位置）。

问题

（1）:

将重组的DNA分子导入受体细菌时,为了提高转化率,应如何处理受体细胞?

提示:

用Ca2+处理,使细菌变成一种容易吸收外界DNA分子的状态。

问题

（2）:

c图空圈处在b图中对应的菌落,具有何种特征?

这说明了什么?

提示:

能抗氨苄青霉素,但不能抗四环素;由此说明目的基因插入了Tetr中。

3.20世纪70年代,科学家利用基因工程技术培育了一种能分解石油中四种主要成分的“超级细菌〞。

以下有关表达正确的选项是（　B　）

A.“超级细菌〞的培育需要限制酶、DNA连接酶和质粒等工具酶

D.该“超级细菌〞可能会对石油开采和生产提供便利

解析:

质粒不属于工具酶;基因工程的成功标志是培育的新个体具有了预期的新性状;“超级细菌〞可能会对石油开采和生产造成威胁。

[生产情境]

盐碱地是我国最主要的中低产田土壤类型,合理开发利用这些盐碱地资源,对保障我国粮食平安、促进农业可持续开展、改善生态环境以及推动区域经济社会协调开展具有重要意义。

科学家利用对植物耐盐机制的研究成果结合现代生物工程技术,创造了很多耐盐的候选作物。

存在于径柳匙叶草液泡膜上的Na+/K+逆向转运蛋白对于维持其液泡中的高K+环境、抵御盐胁迫起到重要的作用。

探究:

（1）如果利用基因工程技术通过径柳匙叶草获得耐盐棉花,目的基因是什么?

提示:

Na+/K+逆向转运蛋白基因。

（2）获得目的基因的方法有哪些?

提示:

从基因文库中获取、PCR技术筛选并扩增目的基因、化学人工合成。

（3）通过基因工程培育转基因耐盐棉花的最后一个步骤是什么?

提示:

目的基因的检测与鉴定。

（4）如何在个体生物学水平上确认转基因耐盐棉花培育成功?

提示:

将转基因棉花种植在盐碱地,观察其生长状况。

课堂小结

完善概念图

关键语句

1.基因工程可用于农牧业领域以培养各种抗逆性的转基因植物、改良农作物的品质、改善畜产品的品质和提高动物的生长速度。

2.医药卫生领域应用基因工程可以通过微生物和哺乳动物生产各种药物、培育可供移植的器官供体等。

3.基因工程还可以应用于食品工业领域用来生产各种食品添加剂和工具酶等。

随堂反响

1.以下有关基因工程在农牧业方面应用的表达,错误的选项是（　D　）

A.将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物,可培育出转基因抗病植物

B.将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物,可培育出转基因抗除草剂作物

C.将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物,可提高植物的营养价值

D.将基因工程生产的肠乳糖酶作为药物添加在食物中,可解决人的乳糖不耐受问题

解析:

肠乳糖酶属于蛋白质,口服会被胃蛋白酶消化而失效。

2.SOD是一种抗氧化酶,它能将

转化成H2O2,增强植物的抗逆性。

如图为培育农作物新品种的一种方式。

以下表达正确的选项是（　C　）

A.过程①可以用动物病毒作为运载体

B.从该农作物新品种的细胞中检测出了SOD基因,说明该基因工程成功了

C.新品种的获得属于可遗传的变异,可能将抗逆性状遗传给子代

D.基因工程又叫DNA重组技术,所用工具酶有限制酶、DNA连接酶和载体

解析:

病毒的寄生具有专一性,所以过程①不能用动物病毒作为运载体;从该农作物新品种的细胞中检测出具有活性的SOD才能说明该基因工程成功了。

3.（2021·天津等级考）在天花病毒的第四代疫苗研究中,可利用天花病毒蛋白的亚单位（在感染和致病过程中起重要作用的成分）制作疫苗。

注射该疫苗可诱导机体产生识别天花病毒的抗体。

以下分析错误的选项是（　B　）

解析:

天花病毒的遗传物质是核酸而不是蛋白质。

4.动物基因工程前景广阔,最令人兴奋的是利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反响器,以生产所需要的药品,如转基因动物生产人的生长激素。

科学家培养转基因动物成为乳腺生物反响器时（　D　）

A.仅仅利用了基因工程技术和胚胎工程技术等

D.需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂〞

解析:

培育转基因动物成为乳腺生物反响器时，除了采用基因工程技术，还采用了细胞工程技术等;构建重组质粒需要将人的生长激素基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控元件重组在一起;将重组质粒导入动物受精卵,常通过显微注射法导入哺乳动物的受精卵中,然后将受精卵送入母体内使其生长发育成转基因动物。

5.“基因敲除〞技术的主要过程如下列图,请据图答复以下问题。

（1）“基因敲除〞技术的原理是,将neoR基因插入到靶基因过程中使用的工具酶是和。

（2）将突变基因导入胚胎干细胞之前要构建,该操作的目的是,该步骤中常用不同的限制酶进行切割,这样做的优点在于可以防止。

（3）要获得一只含失活靶基因的小鼠,那么选择的受体细胞通常是,图中的neoR基因的作用是。

（4）用于器官移植的猪最终需要完成基因改造及PERV（猪内源性逆转录病毒）的删除等工作,改造过的猪胚胎可植入母猪体内,胚胎在母猪体内存活的原因是。

解析:

（1）由图可知,“基因敲除〞技术的实质就是使靶基因失活,方法是靶基因和neoR基因的拼接,所以原理是基因重组,基因拼接技术使用的工具酶是限制酶和DNA连接酶。

（2）依据基因工程的操作程序,将突变基因导入胚胎干细胞之前要进行基因表达载体的构建,从而有利于目的基因在受体细胞中稳定存在并发挥作用。

用同一种限制酶剪切DNA片段,片段两端黏性末端相同,这样会导致被剪切片段自身环化。

（3）培育转基因动物,由于体细胞体外培养不能发育成个体,受体细胞一般用受精卵,neoR基因的作用是使靶基因失活。

（4）胚胎工程中外来胚胎可以在受体子宫存活的根底是子宫不对外来胚胎产生免疫排斥反响,这也是改造过的猪胚胎可植入母猪体内存活的原因。

答案:

（1）基因重组　限制酶　DNA连接酶　

（2）基因表达载体　使目的基因在受体细胞中稳定存在并发挥作用　质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化　（3）受精卵　获得失活的靶基因　（4）受体对移入子宫的外来胚胎不发生免疫排斥反响