改造动植物及创造有特殊用途生物的方法.docx

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改造动植物及创造有特殊用途生物的方法

生物工程专题

本专题包括以下内容：

选修第三章遗传和基因工程，第四章细胞和细胞工程和第五章微生物和发酵工程。

生物技术也称为生物工程，是利用生物体或生物体的一部分制造产品，改造动植物及创造有特殊用途生物的方法。

生物工程的核心技术是细胞工程和基因工程，这也是生物工程的上游工程，而发酵工程和酶工程是下游工程。

本讲所涉及的内容大都是社会热点、焦点问题，很可能成为遵循大纲，但又不拘泥于大纲的高考题目的素材，要求我们要有足够的重视。

本专题一方面各章知识相关，另一方面与工农业生产、医药卫生、环境保护和人类生活密切相关。

第一学时

基因工程和

细胞工程

基因工程的主要考点

①基因工程的工具

②基因工程的基本步骤：

③转基因技术的应用：

（1）转基因动植物

（2）基因药物（3）基因治疗等

细胞工程的主要考点有：

①植物细胞工程——植物细胞的全能性、植物组织培养、植物体细胞杂交。

②动物细胞工程——动物细胞培养、动物细胞融合、单克隆抗体。

尤其是组织培养和细胞融合、胚胎移植等。

第二学时微生物和发酵工程：

①微生物的类群

②微生物的营养和功能，培养基的配置原则和种类，

③微生物的代谢产物种类；代谢调节和人工控制

④微生物的生长规律和生长影响因素

⑤发酵工程的概念、内容和应用

一、基因工程

（一）基因操作的工具：

1．基因剪刀－限制性内切酶（微生物中）

特点：

一种限制性内切酶只能识别特定的核苷酸序列，并能在特定的切点上切割DNA分子。

2．基因的针线－DNA连接酶：

作用是把两条DNA末端之间的缝隙“缝合”起来。

3．基因的运输工具－运载体

（1）作用：

将外源基因导入受体细胞

（2）特点：

能在宿主细胞内复制并稳定地保存；具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接；具有某些标记基因，便于进行筛选。

（3）举例：

经常使用的有质粒、噬菌体和动植物病毒等。

注意：

区分题目中的“工具”和“工具酶”

（二）基因操作的步骤：

1．提取目的基因的方法

①直接分离法：

常用方法－鸟枪法（散弹射击法）

②人工合成法：

有两条途径，一个反转录酶法，二是据已知的氨基酸序列逆推合成。

比较不同方法的优缺点和适用范围。

2．目的基因与运载体结合

（1）含义：

是不同来源的DNA重新组合的过程。

（2）过程：

同种限制酶切割质粒和目的基因；结合形成重组DNA分子（重组质粒）。

3．将目的基因导入受体细胞

（1）常用的受体细胞：

大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌、动植物细胞等。

（2）方法：

主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径

4．目的基因的检测和表达（进行比较）

①目的基因的检测是检测目的基因是否进入受体细胞。

依据是受体细胞是否表现出运载体特有的标记基因所控制的性状。

②目的基因的表达是检测目的基因是否已经表达。

依据是受体细胞是否表现出目的基因所控制的性状。

（三）基因工程的成果与发展

基因工程的成果与发展前景是相当诱人的，是社会和科技关心的热点，也往往是和基因工程的步骤结合起来考。

1．转基因药物

（1）用“工程菌”生产基因工程药品：

胰岛素、干扰素、乙肝疫苗等60多种

2．基因诊断DNA探针，利用DNA分子杂交原理，

3．基因治疗（针对有缺陷的基因）

①含义：

把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。

4．转基因动物

培育转基因动物；利用外源基因在哺乳动物体内的表达获得人类所需要的各种物质，如激素、抗体及酶类等。

5．与环境保护

（1）用于环境监测：

用DNA探针可快速、灵敏地检测饮水中病毒的含量

（2）用于被污染环境的净化：

“超级细菌”；“吞噬”汞和降解土壤中DDT的细菌等。

二、细胞工程

通过比较归纳植物细胞工程与动物细胞工程。

并综合本专题的相关知识点，分析和解决科学、生产、生活和人体健康等有关现实问题。

出题方式既有选择题又有简答题。

（1）植物细胞的组织培养与动物细胞培养

①原理：

细胞的全能性

②过程：

（a）植物组织培养：

●离体的植物器官、组织或细胞愈伤组织

根、芽植物体

（b）动物的组织培养：

●动物胚胎或幼龄动物器官、组织单个细胞

细胞悬浮液10代细胞50代细胞……

（2）植物组织培养与动物细胞培养的比较

项目

原理

培养基

结果

培养目的

植物组织培养

细胞全能性

固体、营养物质、激素

培养成植株

快速繁殖、培育无病毒植株等

动物细胞培养

细胞增殖

液体、营养物质、动物血清

培养成细胞株或细胞系

获得细胞产物或细胞等

（3）植物体细胞杂交与动物细胞融合的比较

细胞工程

植物体细胞杂交

动物细胞融合

实质内容

改变遗传物质、产生新的性状，获得细胞产品（使后代具有双亲的特性）

理论基础

植物细胞全能性

细胞增值

诱导手段

物理法离心、振动、电刺激

化学法聚乙二醇

物理离心、振动、电刺激

化学聚乙二醇

生物灭活病毒（灭活仙台病毒）

诱导过程

1.去细胞壁纤维素酶、果胶酶

2.原生质体融合获得杂种原生质体

3.植物细胞培养植株或用于发酵

1.获得分离的单个动物细胞胰蛋白酶处理

2.诱导融合杂种原生质体

3.动物细胞培养细胞产品

应用

白菜—甘兰等杂种植物

单克隆抗体的制备（杂交瘤细胞）

A

B

结合以下知识进行拓展，如：

若A、B为植物细胞则为植物体细胞杂交；若A、B为动物细胞则为细胞融合；若B为精子，A为卵细胞则表示受精过程；若A为除去细胞核的细胞质、B为细胞核，则表示克隆的基本过程。

（4）细胞工程的应用

（1）单克隆抗体：

①定义：

化学性质单一、特异性强的抗体

②制备过程

③应用：

生物学基础理论的研究；疾病诊断、治疗、预防；“生物导弹”

（2）核移植：

是将细胞核和细胞质用某种方法拆开，然后再把分离的细胞核和胞质体重新组合成一个新细胞。

把从细胞中分离出来的染色体或基因转入另一个细胞中，赋予重建的细胞以某种新的功能，这属于染色体导入或基因转移的技术范畴。

（3）胚胎移植技术：

可以是有性生殖，也可以是无性生殖。

核移植后的重组细胞或体外受精后的受精卵在体外发育到胚胎阶段再植入母体。

（4）胚胎分割技术

指来自于同一受精卵的胚胎分割成几个分别移植到多个母体。

因是一个受精卵有丝分裂而成，所以后代基因型完全相同，表现型也基本一至。

三、发酵工程

发酵工程主要掌握发酵工程的过程及注意事项。

复习时要重视生物新技术在生产生活实践中的应用，重视发酵工程与基因工程和细胞工程的相互关系，这既是科技发展热点课题之一，也是考试命题热点之一。

典例1．下图是将人的生长激素基因导入细菌B细胞内制造“工程菌”示意图，所用载体为质粒A。

已知细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因，质粒A导入细菌B后，其上的基因能得到表达。

请回答下列问题。

（1）人工合成目的基因的途径一般有哪两条？

（2）如何将目的基因和质粒结合成重组质粒？

（3）目前把重组质粒导入细菌细胞时，效率还不高，导入完成后得到的细菌，实际上有的根本没有导入质粒，有的导入的是普通质粒A，只有少数导入的是重组质粒。

此外可以通过如下步骤鉴别得到的细菌是否导入了质粒A或重组质粒：

将得到的细菌涂布在一个含有氨苄青霉素的培养基上，能够生长的就导入了质粒A或重组质粒，反之则没有。

使用这种方法鉴别的原因是            　。

（4）若把通过鉴定证明导入了普通质粒A或重组质粒的细菌放在含有四环素的培养基上培养，会发生的现象是　　　　，原因是　　　　。

（5）导入细菌B细胞中的目的基因成功表达的标志是什么？

解析：

（1）①将从细胞中提取分离出的目的基因作为模板转录成

单链

双链DNA；②据蛋白质中氨基酸序列

中碱基序列

DNA碱基序列

目的基因。

（2）将目的基因和质粒结合形成重组质粒的过程是：

①用一定的限制酶切割质粒，使其出现一个有粘性末端的切口；②用同种限制酶切割目的基因，产生相同的粘性末端；③将切下的目的基因片段插入到质粒的切口处，再加入适量的DNA连接酶，使质粒与目的基因结合成重组质粒。

（3）检测质粒或重组质粒是否导入受体细胞，均需利用质粒上某些标记基因的特性。

即对已经做了导入处理的、本身无相应特性的受体细胞进行检测，根据受体细胞是否具有相应的特性来确定。

抗氨苄青霉素基因在质粒A80重组质粒上，因为目的基因插入了四环素抗性基因的a处，所以用含氨苄青霉素这种选择培养基培养经导入质粒处理的受体细胞。

凡能生长的则表明质粒导入成功；不能生长的则无质粒导入。

（4）抗四环素基因不仅在质粒A上，而且它的位置正是目的基因插入之处，因此当目的基因插入质粒A形成重组质粒时，此处的抗四环素基因的结构和功能就会被破坏，含重组质粒的受体细胞就不能在含四环素的培养基上生长，而质粒A上无目的基因插入的四环素基因结构是完整的，这种受体细胞就能在含四环素的培养基上生长。

（5）基因成功表达的标志是受体细胞通过转录、翻译合成相应的蛋白质，即人的生长激素。

变式练习．

1．（2005·全国卷Ⅲ·5）科学家通过基因工程的方法，能使马铃薯块茎含有人奶主要蛋白。

以下有关基因工程的叙述，错误的是（）

A、采用反转录的方法得到的目的基因有内含子

B、基因非编码区对于目的基因在块茎中的表壳是不可缺少的

C、马铃薯的叶肉细胞可用为受体细胞

D、用同一种限制酶，分别处理质粒和含目的基因的DNA，可产生粘性末端而形成重组DNA分子

命题意图：

本题考查了基因结构、基因工程的有关知识。

解析：

真核生物的基因结构包括非编码区和编码区，其中编码区包括外显子和内含子，非编码区对基因的表达起调控作用，对基因的表达是不可缺少的；只有外显子能编码蛋白质，因此通过反转录的方法只能得到的目的基因的外显子的脱氧核苷酸序列。

因植物细胞具有全能性，故马铃薯的叶肉细胞可用为受体细胞。

必须用用同一种限制酶，分别处理质粒和含目的基因的DNA，这样才能产生2对互补的粘性末端而形成重组DNA分子。

2．下列关于基因工程的叙述，正确的是（）

　　A、基因工程经常以抗菌素抗性基因为目的基因

　　B、细菌质粒是基因工程常用的运载体

　　C、通常用一种限制性内切酶处理含目的基因的DNA，用另一种处理运载体DNA

　　D、为育成抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体

典例2．据下图回答问题：

（1）过程①②应使用______________处理细胞去除植物细胞的细胞壁；

（2）过程③叫做_____________技术，该过程的诱导方法有__________和_________两大类；

（3）过程④是___________过程，与此过程密切相关的细胞器是______________；

（4）⑤过程中进行的细胞分裂方式是_________________，通过分裂形成___________，然后再分化形成杂种植物幼苗；

（5）若番茄细胞内含A个染色体，马铃薯细胞内含B个染色体，则番茄－马铃薯细胞内含________个染色体；若采用杂交育种方法成功的话，得到的后代含_____个染色体，必须用______________来处理幼苗，才能得到可育的番茄－马铃薯，其中含有_____个染色体。

这两种方法相比，体细胞杂交方法的优点是：

______________________。

[解析]这是一道以植物体细胞杂交为题材的简单综合试题。

植物体细胞杂交：

两种植物细胞→原生质体→原生质体融合→杂种细胞重新长出细胞壁→利用组织培养技术将杂种细胞培养成完整植株。

本题结合植物体细胞杂交考察了细胞结构、结构与功能的适应性、酶的特性、原生质体的制备、融合、细胞壁的再生等知识点。

[答案]

（1）纤维素酶和果胶酶　

（2）呈圆球形失去了细胞壁保护的细胞，在等渗溶液中由于其细胞表面张力的作用形成的　（3）原生质体融合　物理法　化学法　（4）细胞壁的再生　高尔基体　　（5）有丝分裂　愈伤组织　　（6）A＋B　（A＋B）/2　秋水仙素　克服远缘杂交不亲合的障碍，培育作物新品种方面有重大突破。

变式练习

1.下列关于细胞工程的叙述中,错误的是（C）

A.植物细胞融合必须先制备原生质体

B.试管婴儿技术包括人工受精和胚胎移植两方面

C.经细胞核移植培育出的新个体只具有一个亲本的遗传性状

D.用于培养的植物器官或组织属于外植体

2.下列关于细胞工程的叙述中，正确的是（B）

A．植物细胞工程中，融合叶肉细胞时，应先去掉细胞膜，制备原生质体

B．克隆羊“多莉”的培育技术主要包括核移植和胚胎移植两方面

C．植物细胞工程中，叶肉细胞经再分化过程可形成愈伤组织

D．单克隆抗体制备过程中，采用不经免疫的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合从而获得杂交瘤细胞

微生物和发酵工程：

（一）、微生物的类群

1、细菌：

单细胞的原核生物

2、放线菌：

单细胞的原核生物

3、病毒:

无细胞结构

（二）、微生物的营养

（三）、初级代谢产物和次级代谢产物的比较

产生时间

功能

例子

存在部位

初级代谢产物

不停地合成

生长和繁殖的必需物质

氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素

细胞内

次级代谢产物

一定阶段才合成

生长和繁殖的非必需物质

抗生素、毒素、激素、色素

细胞内或外环境中

（四）、微生物代谢

的调节

酶合成的调节：

其诱导酶由诱导物诱导而生成，在微生物需要时合成，不需要时不合成。

酶活性的调节：

通过改变已有酶的催化活性来调节代谢的速率，分激活和抑制（反馈抑制）两种

（五）、细胞群体生长四个主要时期比较

细菌数目变化

特征

调整期

基本不增加

细菌的代谢活跃，体积增长较快，大量合成细胞分裂所需的酶类，ATP以及其他细胞成分。

对数期

以几何指数增加

代谢旺盛，个体的形态和生理特性比较稳定，常作为生产用的菌种（也叫种子）和科研的材料

稳定期

增加的细菌数等于死亡的细菌数

活菌数目达到最高峰，细胞内大量积累代谢产物，特别是次级代谢产物，某些细菌的芽孢也是在这个时期形成的

衰亡期

活菌数急剧下降

细胞会出现多种形态，甚至畸形，有些细胞开始自溶，释放出代谢产物

（六）、发酵工程生产产品的流程：

经典例题分析

例1．右表是某微生物培养基成分，请据此回答：

编号

成分

含量

①

粉状硫

10g

②

（NH4）2SO4

0.4g

③

K2HP04

4.0g

④

MgS04

9.25g

⑤

FeS04

0.5g

⑥

CaCl2

0.5g

⑦

H20

100mL

（1）右表培养基可培养的微生物类型是。

（2）若不慎将过量NaCl加入培养基中。

如不想浪费此培养基，可再加入，用于培养。

　　（3）若除去成分②，加人（CH2O），该培养基可用于培养。

　　（4）表中营养成分共有类。

　　（5）不论何种培养基，在各种成分都溶化后分装前，要进行的是。

　　（6）右表中各成分重量确定的原则是。

　　（7）若右表培养基用于菌种鉴定，应该增加的成分是。

[解析]对于一个培养基，它能培养何种微生物，要看它的化学成分。

当然这只适用于合成培养基，如果是一个天然培养基就不能从培养基的成分上区分出它是培养何种微生物的。

分析化学成分要从营养物质的类型出发。

右表中的营养物质有水、无机盐、氮源三类，缺乏碳源和生长因子。

对于生长因子，有的微生物是不需要的，但没有微生物是不需要碳源的。

该培养基中没有碳源，说明培养的微生物是从空气中获得碳源的，即可培养的微生物就是自养型生物了。

该培养基中加入了过量NaCl，就可以成为金黄色葡萄球菌的鉴别培养基，但金黄色葡萄球菌是异养型微生物，这个培养基就还需要加入有机碳源。

该培养基若加入（CH2O），培养基中就有了碳源，但除去成分②，却使培养基中没有了氮源，这时就只能用于培养固氮微生物了。

对于菌种鉴定，往往用的是固体培养基，而表中没有凝固剂，需要加入常见的凝固剂——琼脂。

　　[答案]

（1）自养型生物

（2）含碳有机物金黄色葡萄球菌（3）固氮微生物（4）3（5）调整pH（6）依微生物的生长需要确定（7）琼脂（或凝固剂）

变式练习

1．若将酵母菌和根瘤菌混合在一起，可采用下列哪一种培养基将它们分开　　（　D　）

A．加食盐培养基和牛肉膏、蛋白胨、培养基　B．斜面固体培养基和液体培养基

C．加伊红-美蓝培养基和含硝酸盐培养基　　D．加青霉素培养基和无氮培养基

2．有关自养微生物的营养的叙述中,正确的是（D）

A.NaHCO3可提供两类营养物质

B.N2在一般情况下可作为氮源

C.培养自养微生物需要补充五类营养物质

D.含有C,H,O,N的物质可以提供碳源,氮源和能源

生物工程专题训练

1.采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的工因的做法正确的是

①将毒素蛋白注射到棉受精卵中②将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中③将编码毒素蛋白的DNA序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养④将编码毒素蛋白的DNA序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵

A．①②B．②③C．③④D．①④

2.下列在于基因工程的叙述，正确的是

A．基因工程经常以抗菌素抗性基因为目的基因

B．细菌质粒是基因工程常用的运载体

C．通常用一种限制性内切酶处理含目的基因的DNA，用另一种处理运载体DNA

D．为育成抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体

3．转基因抗虫棉可以有效地用于棉铃虫的防治。

在大田中种植转基因抗虫棉的同时，间隔种植少量非转基因的棉花或其他作物，供棉铃虫取食。

这种做法的主要目的是（　　）

 A．维持棉田物种多样性   B．减缓棉铃虫抗性基因频率增加的速度

 C．使食虫鸟有虫可食     D．维持棉田生态系统中的能量流动

4．下列关于基因工程的说法中，正确的是（）

A基因工程的设计和施工都是在细胞水平上进行的

B目前基因工程所有的目的基因都是从供体细胞中直接分离得到的

C基因工程能使科学家打破物种界限，定向改造生物性状

D只要检测出受体细胞中含有的基因，那么目的基因一定能成功进行表达

5．在基因诊断技术中所用探针DNA分子中必须存在一定量的放射性同位素，后者的作用是

A为形成杂交DNA分子提供能量B引起探针DNA产生不定向的基因突变

C作为探针DNA的示踪元素D增加探针DNA的分子量

6．下列哪一组生物是通过基因工程方法培育成功的？

（）

A向日葵豆与无籽西瓜B超级小鼠与克隆羊

C超级绵羊与无籽西瓜D超级鱼与抗虫棉

7．1982年，美国科学家将人的生长素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠的受精卵中得到了体型巨大的“超级小鼠”。

此项研究遵循的原理是（）

ADNA---RNA---蛋白质BRNA---DNA---蛋白质

CDNA---蛋白质---RNADRNA---蛋白质---DNA

8.（2003年新课程理综高考题，7）采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的做法正确的是

①将毒素蛋白注射到棉受精卵中②将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中③将编码毒素蛋白的DNA序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养④将编码毒素蛋白的DNA序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵

A.①②B.②③C.③④D.①④

9.用高度分化的植物细胞、组织和器官进行组织培养可以形成愈伤组织，下列叙述错误的是

A．该愈伤组织是细胞经过脱分化和分裂形成的

B．该愈伤组织的细胞没有全能性

C．该愈伤组织是由排列疏松的薄壁细胞组成

D．该愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构

10.（2002年全国理综）一只羊的卵细胞的核被另一只羊的体细胞核置换后，这个卵细胞经过多次分裂，再植入第三只羊的子宫内发育，结果产下一只羊羔。

这种克隆技术具有多种用途，但是不能

A．有选择地繁殖某一性别的家畜

B．繁殖家畜中的优秀个体

C．用于保存物种

D．改变动物的基因型

11.表现型不同的母牛生育出基因型完全相同的小牛。

产生这一结果最可能的原因是（   ）

A．试管动物培养       B．胚胎移植        C．胚胎分割移植       D．受精卵移植

12.（2003江苏高考题）要将胡萝卜韧皮部细胞培养成完整植株，需要（）

A．具有完整细胞核的细胞B．离体状态

C．导入外源基因D．一定的营养物质和激素

13．动物细胞培养与植物组织培养的重要区别在于（）

A．培养基不同B．动物细胞能够大量培养，而植物细胞只能培养成植株

C．动物细胞培养不需要在无菌条件下进行D．动物细胞可以传代培养，而植物细胞不能

14．（2005·广东生物·5）关于单克隆抗体，下列叙述不正确的是（）

A、可以制成诊断盒．用于疾病的珍断B、可以与药物结合，用于病变细胞的定向治疗

C、可以利用基因工程技术生产D、可以在生物体内生产，不能体外生产

15．下列哪一项属于克隆（）

A．将鸡的某个DNA片段整合到小鼠的DNA分子中

B．将抗菌药的某基因引入到草履虫的细胞内

C．将鼠骨髓瘤细胞与经过免疫的脾细胞融合成杂交瘤细胞

D．将某种瘤细胞在体外培养成一个细胞系

16．在以下4种细胞工程技术中，培育出的新个体中，体内遗传物质均来自一个亲本的是（   ）

A．细胞和组织培养   B．细胞融合

C．动物胚胎移植     D．细胞核移植

17．列关于微生物的叙述中,不正确的是（）

A.组成微生物的各种化学元素主要是碳源、氮源、生长因子、无机盐和水提供,

B.根瘤菌的固氮基因位于拟核大型环状DNA上

C.细胞形态和生理特征比较稳定的时期为稳定期

D.流感病毒为原核生物

18．下列关于微生物代谢产物的说法中，不正确的是　　（　　）

A．微生物的代谢产物是指营养物质氧化分解产生的产物

B．微生物的初级代谢产物既可以分布在细胞内也可以分布在细胞外

C．微生物的次级代谢产物具有物种的特异性

D．氨基酸、核苷酸、维生素都属于微生物初级代谢产物

19．酵母菌培养过程中的生长曲线如右图所示，a、b、c、d分别表示不同的生长时期，其中适于作为生产

用菌种的时期是

A．aB．bC．cD．d

20下列关于微生物代谢调节的正确说法是　　　（）

A．酶活性的调节比酶合成的调节更精细、更快速

B．诱导酶一旦产生，其活性就一直保持下去

C．在微生物体内，一般先进行酶合成的调节，再进行酶活性的调节

D.在大肠杆菌体内，半乳糖苷酶是一种组成酶

21．发酵工程的第一个重要工作是选择优良的单一纯种。

消灭杂菌，获得纯种的方法不包括（　　）

 A．根据微生物对碳源需要的差别，使用含不同碳源的培养基

 B．根据微生物缺乏生长因子的种类，在培养基中增减不同的生长因子

 C．根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同比例的核酸

 D．根据微生物对抗菌素敏感性的差异，在培养基中加入不同的抗菌素

22．家庭制作泡菜并无刻意的灭菌环节，在