第6章 第2节 基因工程及其应用.docx

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第6章第2节基因工程及其应用

第2节　基因工程及其应用

学习目标

　1.简述基因工程的原理。

2.举例说明基因工程在农业、医药等领域的应用。

3.关注转基因生物和转基因食品的安全性。

素养要求

　1.科学思维：

采用绘图方法逐步掌握基因工程的操作步骤。

2.社会责任：

关注现代科学技术对人类的影响，倡导健康生活。

一、基因工程的原理

1．基因工程的概念

基因工程，又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。

通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。

操作环境

生物体外

操作对象

基因

操作水平

DNA分子水平

结果

获得人类需要的基因产物或定向改造生物性状

原理

基因重组

2.基因工程的基本工具

（1）“剪刀”与“针线”

项目

名称

作用

“剪刀”

限制性核酸内切酶（简称限制酶）

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DNA分子

“针线”

DNA连接酶

连接黏性末端或平末端脱氧核糖和磷酸之间的缺口

（2）运载体

①作用：

将外源基因送入受体细胞。

②种类：

质粒、噬菌体和动植物病毒等。

质粒存在于许多细菌以及酵母菌等生物细胞中，是拟核或细胞核外能够自主复制的很小的环状DNA分子。

上面通常含有的抗性基因可以作为标记基因用于目的基因导入受体细胞的检测依据。

3．基因工程的操作步骤

提取目的基因——目的基因：

人们所需要的特定基因

↓

目的基因与运载体结合

↓

将目的基因导入受体细胞：

主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的方法

↓

目的基因的检测与鉴定

（1）基因工程的原理是基因突变（　　）

（2）基因工程能够定向地改造生物的遗传性状（　　）

（3）所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列（　　）

（4）基因工程中的运载体只有质粒（　　）

（5）只要目的基因进入了受体细胞就能成功实现表达（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×　（5）×

下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。

（1）能否利用人的皮肤细胞进行过程①？

过程②特别需要的酶是哪一种？

提示　不能，皮肤细胞中胰岛素基因不表达；过程②是逆转录，需要逆转录酶。

（2）如何将A和B连接成C？

操作后的产物只有C吗？

提示　用同一种限制酶切割A和B，再加入DNA连接酶，才能形成C。

操作后的产物除了C，还可能有A与A结合、B与B结合的产物。

（3）人的胰岛素基因能够在大肠杆菌细胞中表达的基础是什么？

提示　所有生物共用一套遗传密码。

二、基因工程的应用及其安全性

1．基因工程的应用

（1）基因工程与作物育种

①目的：

获得高产、稳产和具有优良品质的农作物，培育出具有各种抗逆性的作物新品种。

②实例：

抗棉铃虫的转基因抗虫棉。

③意义：

抗虫基因作物的使用，不仅减少了农药的用量，大大降低了生产成本，而且还减少了农药对环境的污染。

（2）基因工程与药物研制

①实例：

用基因工程方法生产胰岛素。

②过程：

胰岛素基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌内获得成功的表达。

③意义：

高效率地生产出各种高质量、低成本的药品。

（3）基因工程与环境保护

实例：

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，分解泄漏的石油、处理工业废水等。

2．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都是不安全的（　　）

（2）基因工程具有较大危害性，所以世界各国政府禁止进行转基因生物的研究和试验（　　）

（3）我国十分重视转基因食品的安全性（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）√

1．你所知道的我国转基因成果都有哪些？

提示　我国科学家培育的转基因猪、牛、鸡、鲤鱼等，还有大批具有抗虫、抗病、抗除草剂、抗逆等全新性状的农作物。

2．转基因抗虫玉米在环境保护上的重要作用是什么？

此种转基因玉米独立种植若干代后是否会出现不抗虫的植株，为什么？

提示　减少了农药使用对环境造成的污染。

转基因生物独立种植若干代后，也会出现不抗虫的植株，因为玉米螟（玉米植株上的一种害虫）可能会发生基因突变，基因突变是不定向的，突变后的玉米螟可能对苏云金芽孢杆菌杀虫晶体蛋白不敏感。

1．基因工程又叫基因拼接技术，基因工程的主要原理是（　　）

A．基因重组B．自然突变

C．染色体变异D．诱发突变

答案　A

解析　基因工程又叫基因拼接技术或DNA重组技术，其主要原理是基因重组。

2．下列有关基因工程的叙述正确的是（　　）

A．质粒上的抗生素抗性基因有利于质粒与目的基因连接

B．质粒仅存在于原核生物的细胞中，可以自主复制

C．检测到受体细胞中含有目的基因就标志着基因工程育种已经成功

D．利用同种限制性核酸内切酶切割质粒与含目的基因的DNA片段可获得相同的黏性末端

答案　D

解析　质粒上的抗生素抗性基因常作为标记基因，目的是筛选含有重组质粒的受体细胞，但对质粒与目的基因连接不起作用，A错误；质粒存在于细菌以及酵母菌等生物的细胞中，是拟核或细胞核外能够自主复制的很小的环状DNA分子，B错误；基因工程育种成功的标志是目的基因成功表达，C错误；用同种限制性核酸内切酶切割质粒与含目的基因的DNA片段可获得相同的黏性末端，便于目的基因与运载体的连接，D正确。

3．如图所示为一项重要生物技术的关键步骤，X是获得外源基因并能够表达的细胞。

下列有关说法不正确的是（　　）

A．X是能合成胰岛素的细菌细胞

B．质粒具有标记基因和多个限制酶切点

C．外源基因与运载体的重组只需要DNA连接酶

D．该细菌的性状被定向改造

答案　C

解析　根据图示，重组质粒导入的是细菌细胞，所以X是能合成胰岛素的细菌细胞，A正确；质粒作为运载体需要有多个限制酶切点以便转运多种目的基因，同时具有标记基因以便检测目的基因是否导入受体细胞内，B正确；基因与运载体的重组需要限制酶和DNA连接酶，C错误；基因工程的特点是能够定向改造生物的遗传性状，D正确。

4．下列关于基因工程应用的概述，错误的是（　　）

A．在医药卫生方面，运用基因工程获取白细胞介素和溶血栓剂

B．在农业上主要是培育高产、稳产、品质优良和具有各种抗逆性的农作物

C．在畜牧业上主要是培育体型巨大的动物

D．在环境保护方面，可利用转基因细菌降解有毒有害的化合物，处理工业废水中的重金属等

答案　C

解析　基因工程技术在畜牧业上的应用主要是能产生人们所需要的各种优良品质动物，如具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量皮毛等品质的动物，而不是要求动物的体型巨大，C错误。

5．科学家将大麦细胞中的LTP1基因植入啤酒酵母菌中，获得的啤酒酵母菌可产生LTP1蛋白，并酿出泡沫丰富的啤酒，基本的操作过程如图所示。

请据图回答下列问题：

（1）图中所示技术定向改变了酵母菌的性状，所利用的原理是____________。

（2）本操作中为了将LTP1基因导入酵母菌细胞内，所用的运载体是________。

（3）图中a、b过程使用到的酶分别是__________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）将LTP1基因导入酵母菌细胞并成功表达，这里“成功表达”的含义是________________。

答案　

（1）基因重组　

（2）质粒　（3）限制性核酸内切酶、DNA连接酶　（4）啤酒酵母菌可产生LTP1蛋白

解析　

（1）基因工程的原理是基因重组。

（2）分析题图可知，将目的基因导入酵母菌细胞使用的运载体是质粒。

（3）a过程中，用限制性核酸内切酶对含目的基因的DNA片段进行切割；b过程构建重组质粒需用DNA连接酶连接目的基因和运载体。

（4）将LTP1基因导入酵母菌细胞并成功表达，这里“成功表达”的含义是LTP1基因在酵母菌细胞中控制合成相关蛋白质，即啤酒酵母菌产生LTP1蛋白。

题组一　基因工程的原理

1．下列关于基因工程的叙述，正确的是（　　）

A．限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用部位相同，都是氢键

B．作为运载体的质粒，其核DNA分子上应有对重组DNA分子进行鉴定和选择的标记基因

C．通过基因工程制备转基因植物，可以选叶肉细胞作为基因工程的受体细胞

D．人体胰岛素基因通过基因工程技术转入大肠杆菌以后，传递和表达不再遵循中心法则

答案　C

解析　限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键，A错误；基因工程中常用的运载体是质粒，质粒存在于细菌和酵母菌等生物细胞中，是一种独立于拟核或细胞核DNA之外可自主复制的很小的环状DNA分子，所以质粒不属于核基因，B错误；植物体细胞具有全能性，所以可以选择叶肉细胞作为基因工程的受体细胞，C正确；人的胰岛素基因在大肠杆菌体内表达时，遗传信息的传递和表达仍遵循中心法则，D错误。

2．下列关于基因工程工具的说法，正确的是（　　）

A．运载体的作用是切割外源基因

B．一种限制酶能识别多种核苷酸序列

C．DNA连接酶不具有专一性

D．DNA连接酶连接的化学键是磷酸二酯键

答案　D

解析　基因工程中常用的运载体包括质粒、噬菌体、动植物病毒等，可将外源基因导入各种细菌、真菌、动植物细胞等，A错误；一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，B错误；酶都具有专一性，C错误；DNA连接酶连接的化学键是磷酸二酯键，D正确。

3．下列过程中没有涉及碱基互补配对的是（　　）

A．提取目的基因

B．目的基因与运载体结合

C．将目的基因导入受体细胞

D．目的基因的表达和检测

答案　C

解析　提取目的基因需用限制酶切割，限制酶识别特定的核苷酸序列；目的基因和运载体结合时，黏性末端的连接需要碱基互补配对；目的基因表达的转录和翻译过程需要碱基互补配对；只有目的基因导入受体细胞不涉及碱基互补配对，故选C。

4．检查基因工程是否成功的步骤是（　　）

A．第一步：

获取目的基因

B．第二步：

构建基因表达载体

C．第三步：

导入受体细胞

D．第四步：

目的基因检测与鉴定

答案　D

解析　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，也是检查基因工程是否成功的一步。

5．下列育种方法中可定向地改造生物的遗传性状的是（　　）

A．多倍体育种B．单倍体育种

C．诱变育种D．基因工程育种

答案　D

解析　基因工程可按照人们的意愿，定向地改造生物的遗传性状，正确选项为D。

题组二　基因工程的应用及其安全性

6．现在转基因技术已经相当成熟了，美国已批准转基因三文鱼进入市场，旨在利用生物技术提升水产品产量。

下列关于转基因技术的说法正确的是（　　）

A．转基因技术的原理是DNA分子的杂交

B．转基因技术的应用解决了人类史上很多难题，是有利无害的

C．现在很多转基因食品包装都有警示标志，就是揭示潜在的安全性

D．转基因食品比传统食品营养更丰富，因此在不久之后转基因食品会替代传统食品

答案　C

解析　转基因技术的原理是基因重组，A错误；转基因技术的应用可能存在潜在安全性问题，B错误；现在很多转基因食品包装都有警示标志，就是揭示潜在安全性问题，C正确；很多转基因食品存在潜在的安全性问题，还不能替代传统食品，D错误。

7．下列各项不属于基因工程的应用的是（　　）

A．转基因抗虫棉的培育成功

B．利用DNA探针检测饮用水中有无病毒

C．利用工程菌生产胰岛素

D．将甲植物的叶绿体移入乙植物，使光合效率提高

答案　D

解析　将甲植物的叶绿体移入乙植物，转移的是细胞器而非基因，故不属于基因工程的范畴。

8．下列不属于利用基因工程技术制取药物的是（　　）

A．从大肠杆菌体内制取的白细胞介素

B．在酵母菌体内获得的干扰素

C．在青霉菌体内获取的青霉素

D．在大肠杆菌体内获得的胰岛素

答案　C

解析　基因工程是使外源基因在受体细胞中表达以生产目的产品的技术。

A、B、D三项所述均属于基因工程技术，而C项的青霉菌合成青霉素是其自身基因表达的结果，不属于基因工程技术。

9．下列有关基因工程技术的应用中，对人类不利的是（　　）

A．导入外源基因替换缺陷基因进行基因治疗

B．创造“超级细菌”分解石油、DDT

C．运用基因工程技术生产药物和疫苗

D．重组DNA诱发受体细胞发生基因突变

答案　D

解析　基因突变的特点是具有不定向性和多害少利性，重组DNA诱发受体细胞发生基因突变可能对人体不利，而A、B、C选项所述的内容，对人类的生产、生活是有利的。

10．为了防止转基因农作物的目的基因通过花粉转移到自然界中其他植物体内，科学家设法将目的基因整合到受体细胞的叶绿体基因组中，其原因是（　　）

A．叶绿体基因组不会进入到生殖细胞中

B．植物杂交的后代不会出现一定的性状分离比

C．转基因植物中的质基因与其他植物间不能通过花粉发生基因交流

D．转基因叶绿体中的基因结构与其他植物体内基因结构不同

答案　C

11．某农业研究所将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因（Bt）导入棉花细胞，筛选出Bt基因成功整合到染色体上的抗虫植株，假定Bt基因都能正常表达。

某些抗虫植株体细胞含两个Bt基因，这两个基因在染色体上的整合情况有下图所示的三种类型，黑点表示Bt基因的整合位点。

让这些含两个Bt基因抗虫的植株自交，正常情况下后代不可能出现含四个抗虫基因的个体是（　　）

A．甲B．乙C．丙D．甲、乙、丙

答案　A

解析　甲的两个Bt基因位于一对同源染色体上，减数分裂时，同源染色体分离，每一个生殖细胞中只有一个Bt基因，所以正常情况下后代不可能出现含四个抗虫基因的个体。

乙、丙均可能产生含两个Bt基因的生殖细胞，所以有可能出现含四个抗虫基因的个体。

12．草甘膦是一种可以杀灭多种植物（包括农作物）的除草剂。

草甘膦杀死植物的原理在于能够破坏植物叶绿体或质体中的EPSPS合成酶。

通过转基因的方法，让农作物产生更多的EPSPS酶，就能抵抗草甘膦，从而让农作物不被草甘膦杀死。

下列有关抗草甘膦转基因大豆的培育的分析中，正确的是（　　）

A．可通过喷洒草甘膦来检验转基因大豆是否培育成功

B．只能以大豆受精卵细胞作为基因工程的受体细胞

C．在转基因操作过程中一定要用同一种限制性核酸内切酶

D．只要EPSPS合成酶基因进入大豆细胞，大豆就会表现出抗草甘膦性状

答案　A

解析　从个体水平上鉴定转基因大豆是否培育成功时，可通过喷洒草甘膦后观察转基因大豆的存活情况来检测，A正确；也可以用大豆的体细胞作为基因工程的受体细胞，再采用植物组织培养技术将受体细胞培育成转基因植株，B错误；在转基因操作过程中往往用同一种限制性核酸内切酶切割目的基因和运载体，但也可以用不同的限制性核酸内切酶同时切割目的基因和运载体，C错误；只有EPSPS合成酶基因进入大豆细胞并在大豆细胞中成功表达，大豆才会表现出抗草甘膦性状，D错误。

13．科学家将鼠体内的能够产生胰岛素的基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌中发现了胰岛素。

如图所示，请据图回答：

（1）图中[2][3][5][7]表示从供体细胞的DNA中直接分离基因获得________________________的过程。

（2）图中[3]代表________，在它的作用下将质粒和目的基因切出________________________末端。

（3）经[9]________________的作用将[6][7]“缝合”形成[8]________________。

[8]往往含有______________基因，以便将来检测。

（4）图中[10]表示将____________________的过程。

答案　

（1）目的基因

（2）限制酶　可互补配对的黏性

（3）DNA连接酶　重组DNA分子　标记

（4）重组DNA分子导入受体细胞

解析　

（1）通过[2]、[3]、[5]得到[7]，[7]是目的基因，该法属于直接从供体细胞的DNA中分离目的基因。

（2）[3]代表限制酶，作用是将目的基因和运载体切出相同的黏性末端。

（3）[9]是DNA连接酶，作用是将目的基因和运载体连接起来形成重组DNA分子。

为便于检测，运载体应含有特殊标记基因。

（4）[10]表示将重组DNA分子导入受体细胞的过程。

14．通过DNA重组技术使原有基因得以改造而得到的动物称为转基因动物。

运用这一技术可使羊奶中含有人体蛋白质，如图表示了这一技术的基本过程，在该过程中所用的基因“剪刀”能识别的序列和切点是—G↓GATCC—，请据图回答下列问题：

（1）从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是______________。

人体蛋白质基因“插入”到羊体细胞染色体中时需要的酶是______________。

（2）人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊的染色体内，原因是_____________________（答出一项即可）。

（3）将人体蛋白质基因导入羊体内并成功表达，使羊产生新的性状。

这种变异属于____________，这里“成功表达”的含义是_________________________________________。

答案　

（1）限制酶　DNA连接酶　

（2）人和羊DNA分子的空间结构、化学组成相同；有互补的碱基序列　（3）基因重组　人体蛋白质基因在羊体细胞内控制合成人体蛋白质

解析　

（1）基因工程的基本操作中用到的工具酶有限制酶、DNA连接酶。

（2）不同生物的DNA分子的化学组成和空间结构基本相同，即都具有相同的物质基础和结构基础。

（3）人体蛋白质基因导入羊体内并成功表达，使羊产生新的性状，这是将一种基因导入另一种生物，变异类型属于基因重组，目的基因成功表达的含义是人体蛋白质基因在羊体细胞内通过转录、翻译两个过程控制合成人体蛋白质。

15．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德院士等一批人，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：

（1）图中①过程叫做______________。

（2）图中③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②和③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）。

（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_______________________。

答案　

（1）提取目的基因　

（2）双链环状DNA分子（或DNA分子）　具有一个至多个限制酶切割位点，在细胞中能够自主复制，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　b　④　（5）大肠杆菌结构简单、繁殖快，遗传物质少（任写两点即可）

解析　图中①②为目的基因的提取过程，采用的方法为酶切法；图中③为从大肠杆菌中提取的质粒；④表示重组DNA分子；切割②和③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，遗传物质少。