沪科版生物选修3第1单元 第1章 第2节 基因工程的应用.docx

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沪科版生物选修3第1单元第1章第2节基因工程的应用

第二节　基因工程的应用

1．举例说出基因工程的应用及取得的丰硕成果。

（重点）

2．了解基因工程在农业和医学等方面的应用。

（难点）

知识点一|基因工程在农业上的应用

1．抗虫棉

（1）目的基因：

苏云金杆菌的毒蛋白基因。

（2）培育过程：

通过基因工程的四步操作将毒蛋白基因导入棉花细胞并且在棉花细胞内成功表达出毒蛋白。

（3）意义：

抗虫作物的培育和种植，不但降低了作物的生产成本，使作物能稳产、高产，还降低了农药的使用，减少对环境的污染。

2．金米

（1）目的基因：

有关胡萝卜素合成的酶的基因。

（2）培育过程：

通过基因工程的四步操作将有关胡萝卜素合成的酶的基因导入水稻细胞中，并诱导它们在水稻细胞内得以表达，使水稻中的双香叶素二磷酸转化成β胡萝卜素。

（3）作用：

人们食用“金米”后，其中的β胡萝卜素在人体内转化成维生素A，为深受维生素A缺乏症之苦的人们带来了“金色希望”。

科学家通过基因工程的方法，将苏云金杆菌的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。

其过程大致如下图所示。

探讨

：

Ti质粒是农杆菌中的一种质粒，其上有TDNA，把目的基因插入Ti质粒的TDNA中是利用TDNA的什么特点？

提示：

TDNA可转移至受体细胞，并且整合到受体细胞染色体DNA上。

探讨

：

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，在基因工程中称为什么？

提示：

转化。

探讨

：

将目的基因导入受体细胞的方法有很多种，该题中涉及的方法是什么？

提示：

农杆菌转化法。

探讨

：

目的基因能否在棉株体内稳定遗传的关键是什么？

提示：

目的基因是否插入到受体细胞染色体DNA上。

1．抗虫转基因植物

（1）方法：

将从某些生物中分离出的具有杀虫活性的基因导入农作物中，使其具有抗虫性。

（2）杀虫基因种类：

Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。

（3）成果：

抗虫棉、抗虫水稻等。

（4）意义：

减少化学农药的使用，降低生产成本，减少环境污染，降低了对人类健康的损害。

2．抗病转基因植物

（1）病原微生物

（2）方法：

将抗病基因导入植物中，使其具有抗病特性。

（3）抗病转基因植物实例：

目前人们已获得抗烟草花叶病毒的转基因烟草、抗病毒的转基因小麦、转基因甜椒、转基因番茄等多种作物。

（4）目的基因：

抗病转基因植物所采用的基因，使用最多的是病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因；抗真菌转基因植物中可以使用的基因有几丁质酶基因和抗毒素合成基因。

【特别提示】　基因工程技术为培养作物抗病品种开辟了新途径。

抗病转基因植物根据抗病原体的类型分为抗病毒转基因植物、抗真菌转基因植物和抗细菌转基因植物。

3．其他抗逆转基因植物

（1）不良环境条件的影响：

盐碱、干旱、低温、涝害等不利环境条件是造成低产、减产的常见因素。

（2）方法：

将抗逆基因导入植物，获得抗逆转基因作物。

（3）抗逆基因：

调节细胞渗透压的基因，可使作物抗盐碱、抗干旱；鱼的抗冻蛋白基因使作物耐寒；抗除草剂基因使作物抗除草剂。

（4）成果：

抗盐抗旱烟草、抗寒番茄、耐除草剂玉米等。

4．利用转基因改良植物的品质

（1）利用转基因技术可以提高生物中氨基酸的含量、延长储存时间、改变花色等，从而提高作物品质。

（2）成果：

实例一　我国科学家将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米，获得的转基因玉米中赖氨酸的含量比对照提高30%。

实例二　我国科学家将控制番茄果实成熟的基因导入番茄，获得转基因延熟番茄，储存时间可延长1～2个月，有的可达80多天。

实例三　我国科学家还成功地将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了花卉的观赏价值。

1．利用基因工程技术培育能固氮的水稻新品种，在环保上的重要意义是（　　）

A．减少氮肥的使用量，降低生产成本

B．减少氮肥的使用量，节约能源

C．避免氮肥使用过多引起环境污染

D．改良土壤结构

【解析】　固氮水稻减少了氮肥的使用，避免了氮肥使用过多引起的水体富营养化。

【答案】　C

2．金茶花是中国特有的观赏品种，但易被有害真菌感染得枯萎病，降低观赏价值。

科学家在某种植物中找到了抗枯萎病的基因，用转基因方法培育出了抗枯萎病的新品种。

请据图回答：

（1）将②连接到①上并形成③，常用到的酶有________________________。

（2）抗枯萎病的金茶花培育成功，从变异的角度来说属于________。

（3）经过转基因方法获得的抗病金茶花，将来产生的配子中是否一定含有抗病基因？

________。

（4）通过检测，被③侵染的金茶花叶片细胞具备了抗病性，这说明②已经________。

探究抗病基因是否表达可以从个体水平上做________实验，请简述实验过程。

_________________________________________________________

_________________________________________________________。

【解析】　

（1）①是用限制性内切酶切割质粒；②是指目的基因的获取；③是指目的基因与质粒在DNA连接酶的作用下形成重组质粒。

（2）基因工程是在人为作用下将控制不同性状的基因重新组合从而改造生物性状，从本质上来说这种变异属于基因重组。

（3）转基因方法获得的抗病金茶花可能属于杂合子如Aa，将来产生的配于可能是A或a，故将来产生的配子不一定含有抗病基因。

（4）金茶花叶片细胞具备了抗病性，说明目的基因已在受体细胞中得到了表达

【答案】　

（1）限制性内切酶、DNA连接酶　

（2）基因重组　（3）不一定　（4）表达　抗病接种　将普通金茶花和转基因金茶花分成两组，分别接种有害真菌，其他培养条件适宜且相同。

培养一段时间观察两组金茶花的抗病情况，通过对照确定抗病基因是否表达

知识点二|基因工程在医学上的应用

1．基因工程药物

（1）化学成分：

医用多肽和蛋白质类产品。

（2）实例：

重组人胰岛素、重组人干扰素等。

（3）标志：

重组胰岛素投放市场，标志着世界上第一种基因工程药物应用于临床医学。

2．基因工程疫苗

与传统疫苗相比最大的优点是：

目的性强、安全性强，不会含有病毒或有害细菌以及它们的遗传物质。

3．基因治疗

（1）治疗对象：

治疗因基因异常导致的遗传疾病。

（2）概念：

将正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入靶细胞内，可以纠正基因缺陷而达到治疗疾病的目的。

（3）策略：

基因置换、基因修复、基因增补、基因失活等。

探讨

：

干扰素是治疗癌症的重要药物，它必须从血液中提取，每300升人血中只能提取1mg，所以价格昂贵。

美国加利福尼亚的某生物制药公司用如下方法生产干扰素（如下图所示）。

从上述方式中可以看出该公司生产干扰素运用的方法是什么？

提示：

基因工程。

探讨

：

请说出科学家制备基因工程疫苗的思路。

提示：

首先找到病毒或细菌中起关键作用的序列保守的蛋白质和编码它们的基因，然后利用基因工程的方法，由受体细胞来生产这些蛋白质。

探讨

：

1990年，医生对一位由于基因缺陷，导致体内缺乏腺苷酸脱氨酶而患先天性体液免疫缺陷病的美国女孩进行治疗。

医生首先采集患者的血液样品，从中分离出一些白细胞进行体外培养，然后用病毒将正常腺苷酸脱氨酶基因转入白细胞中，再将这些转基因白细胞回输到患者的体内，经过多次治疗，患者的免疫功能趋于正常。

（1）该病的治疗属于基因工程技术运用中的什么手段？

提示：

基因治疗。

（2）上述实例中的目的基因、载体、受体细胞分别是什么？

提示：

腺苷酸脱氨酶基因、病毒、白细胞。

1．基因工程药物

（1）利用工程菌生产基因工程药品

①工程菌：

用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系一般称为“工程菌”，如含有人胰岛素基因的大肠杆菌菌株、含有抗虫基因的土壤农杆菌菌株都是“工程菌”。

②产品：

用基因工程方法制造的“工程菌”，可以高效率地生产各种高质量、低成本药品，如胰岛素、干扰素和乙肝疫苗等。

基因工程药品是制药工业上的重大突破。

（2）利用转基因动物生产药物

①产品：

目前，科学家已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α抗胰蛋白酶等重要医药产品。

②产品本质：

用基因工程生产的药品，从化学成分上分析都应该是蛋白质。

③乳腺（房）生物反应器有以下主要用途：

2．基因治疗的原理、过程及途径

（1）原理：

利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法，即把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。

（2）过程

（3）途径

途径

比较

体外基因治疗

体内基因治疗

不同点

方法

从患者体内获得某种细胞→体外完成基因转移→筛选、细胞扩增→输入体内

直接向患者体内组织细胞中转移基因

特点

操作复杂，但效果可靠

方法较简单，但效果难以控制

相同点

都是将外源基因导入靶细胞，以纠正缺陷基因，目前两种方法都处于临床试验阶段

【名师点拨】　基因检测与基因治疗的比较

项目

方法

备注

基因检测

制作相应探针，利用DNA分子杂交原理，快速、准确检测人类某种疾病

临床应用阶段

基因治疗

把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，可分为体外基因治疗和体内基因治疗两种方法

仅处于初期的临床试验阶段，仍有许多问题和困难制约该技术的发展

1．基因治疗是人类疾病治疗的一种新手段，下列有关叙述中不正确的是（　　）

A．基因治疗可使人类遗传病得到根治

B．基因治疗是一种利用基因工程产品治疗人类疾病的方法

C．以正常基因替换致病基因属于基因治疗的一种方法

D．基因治疗的靶细胞可以是体细胞和生殖细胞

【解析】　基因治疗时，主要是使外源基因（正常基因）的表达产物发挥作用，并没有使正常基因替换致病基因。

【答案】　C

2．在药品生产中，有些药品如干扰素、白细胞介素、凝血因子等，以前主要是从生物体的组织、细胞或血液中提取的，由于受原料来源限制，价格十分昂贵，而且产量低，临床供应明显不足。

自70年代遗传工程发展起来以后，人们逐步地在人体内发现了相应的目的基因，使之与质粒形成重组DNA，并将重组DNA导入大肠杆菌，最后利用这些工程菌，可以高效地生产出上述各种高质量低成本的药品。

请分析回答：

（1）在基因工程中，质粒是一种最常用的______，它广泛地存在于细菌细胞中，是一种很小的环状______分子。

（2）在用目的基因与质粒形成重组DNA过程中，一般要用到的工具酶是________和________。

（3）将含有“某激素基因”的质粒导入细菌细胞后，能在细菌细胞内直接合成“某激素”，则该激素在细菌体内的合成包括________和________两个阶段。

（4）在将质粒导入细菌时，一般要用________处理细菌，以增大________。

【答案】　

（1）载体　DNA　

（2）限制性内切酶　DNA连接酶　（3）转录　翻译　（4）氯化钙　细菌细胞壁的通透性

[课堂小结]知识网络构建

核心语句归纳

1.利用基因工程培育抗虫作物，降低了生产成本，使作物能稳产、高产，还降低了农药使用，减少对环境的污染。

2.人们将有关酶的基因导入水稻中，并诱导它们在水稻细胞中得以表达，使水稻成为含有β胡萝卜素的“金米”。

3.基因工程疫苗是指将病毒或细菌中起关键作用的、序列保守的蛋白质和编码它们的基因，利用基因工程的方法，由受体细胞来生产的蛋白质。

4.基因治疗是指将正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入靶细胞内，可以纠正基因缺陷而达到治疗疾病的目的。

1．我国科学工作者培育成的抗棉铃虫的转基因抗虫棉，其抗虫基因来源于（　　）

A．普通棉花的基因突变

B．棉铃虫变异形成的致死基因

C．寄生在棉铃虫体内的线虫

D．苏云金杆菌体内的抗虫基因

【解析】　转基因生物抗虫棉，它的目的基因是Bt毒蛋白基因，Bt毒蛋白基因是从苏云金杆菌中分离出来的抗虫基因。

【答案】　D

2．应用基因工程生产胰岛素的主要原因是（　　）

A．工艺简单，容易操作

B．生产量大，价格较低

C．所生产的胰岛素可以用于口服

D．所生产的胰岛素疗效大大提高

【解析】　基因工程技术科技含量高，工艺复杂，操作起来非常严格；胰岛素是蛋白质，只能注射，不能口服；重组人胰岛素是人体胰岛素基因控制合成的，疗效与人体自身产生的相同。

【答案】　B

3．（2018·海南高考）甜蛋白是一种高甜度的特殊蛋白质。

为了改善黄瓜的品质，科学家采用农杆菌转化法将一种甜蛋白基因成功导入黄瓜细胞，得到了转基因植株。

回答下列问题：

（1）用农杆菌感染时，应优先选用黄瓜________（填“受伤的”或“完好的”）叶片与含重组质粒的农杆菌共同培养，选用这种叶片的理由是

_________________________________________________________

_________________________________________________________。

（2）若在转基因黄瓜中检测到这种甜蛋白，则表明该重组质粒中________已转移到植物细胞中且能够表达；用该转基因黄瓜的某一植株与一株非转基因植株杂交，发现子代中含甜蛋白个体数与不含甜蛋白个体数之比为1∶1，则说明甜蛋白基因已经整合到________（填“核基因组”“线粒体基因组”或“叶绿体基因组”）中。

（3）通常，基因工程操作主要有4个步骤，即目的基因获取、重组表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。

因此，基因工程的含义可概括为__________________________________________________

_________________________________________________________

_________________________________________________________。

【解析】　

（1）由于叶片伤口处的细胞释放出大量酚类物质，可吸引农杆菌移向这些细胞，因此用农杆菌感染时，应优先选用黄瓜受伤的叶片与含重组质粒的农杆菌共同培养。

（2）若在转基因黄瓜中检测到这种甜蛋白，则表明该重组质粒中甜蛋白基因已转移到植物细胞中且能够表达；用该转基因黄瓜的某一植株与一株非转基因植株杂交，发现子代中含甜蛋白个体数与不含甜蛋白个体数之比为1∶1，则说明甜蛋白基因已经整合到核基因组中。

（3）根据基因工程的操作步骤可推知基因工程的概念是将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂交DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。

【答案】　

（1）受伤的　叶片伤口处的细胞释放出大量酚类物质，可吸引农杆菌移向这些细胞　

（2）甜蛋白基因　核基因组　（3）按照人们的愿望进行设计，并通过体外重组和转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出符合人们需要的新生物类型

4．SCID患者缺乏正常的人体免疫功能，只要稍被细菌或病毒感染，就会发病死亡。

经研究证实，SCID病人细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶的基因（ada）发生了突变。

（1）请你利用所学知识，设计一个治疗SCID病的方案。

第一步：

将人体正常ada基因克隆后用来替换反转录病毒的原有基因，构建重组载体；

第二步：

从SCID病人体内分离出T淋巴细胞；

第三步：

__________________________________________________

_________________________________________________________；

第四步：

__________________________________________________

_________________________________________________________。

（2）还有哪些遗传病可用基因治疗方案进行治疗？

【解析】　本题考查基因工程的操作程序和基因治疗的相关知识，该实验方案的其余步骤即是基因工程基本操作程序的剩余步骤，对于基因治疗用于治疗的遗传病，举出常见的遗传病即可。

【答案】　

（1）将这些T淋巴细胞与携带了正常ada基因的反转录病毒混合培养，让病毒感染T淋巴细胞，使正常的ada基因扩增并插入到T淋巴细胞的基因中　在实验室中通过细胞培养并确认转入的基因成功表达后，将成千上万个重建的转基因T淋巴细胞注射到SCID患者的骨髓组织中

（2）血友病、镰刀型细胞贫血症等。