高中生物第一章基因工程第一节基因工程概述第3课时导入检测和鉴定目的基因同步备课教学案浙科选修3.docx

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高中生物第一章基因工程第一节基因工程概述第3课时导入检测和鉴定目的基因同步备课教学案浙科选修3

第3课时　导入、检测和鉴定目的基因

[学习导航]　1.理解目的基因导入受体细胞的方法。

2.掌握检测与鉴定目的基因的方法。

[重难点击]　1.目的基因导入受体细胞的方法。

2.检测和鉴定目的基因的方法。

方式一　通过前面的学习，我们了解了基因工程中目的基因的获取及基因表达载体的构建。

在目的基因与载体连接成重组DNA分子以后，下面的重要工作主要是将其导入受体细胞进行扩增和筛选，获得大量的重组DNA分子，这就是外源基因的无性繁殖，即克隆（cloning）。

由于外源基因与载体构成的重组DNA分子性质不同、宿主细胞不同，将重组DNA导入宿主细胞的具体方法也不相同。

方式二　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，只有通过检测和鉴定才能知道。

这是基因工程的第四步工作。

以上步骤完成后，在全部的受体细胞中，真正能够摄入重组DNA分子的受体细胞是很少的。

因此，必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了目的基因进行检测。

检测的方法有很多种，例如，大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因，当这种质粒与外源DNA组合在一起形成重组质粒，并被转入受体细胞后，就可以根据受体细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。

重组DNA分子进入受体细胞后，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。

一、导入目的基因

将目的基因导入受体细胞的方法和过程

受体细胞

植物细胞

动物细胞

微生物细胞

常用方法

农杆菌转化法

显微注射法

感受态细胞法

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→整合到受体细胞染色体的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→重组的基因表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子

1．农杆菌转化法的分析

（1）将基因表达载体导入农杆菌细胞时，应怎样处理农杆菌细胞？

答案　基因表达载体（重组质粒）导入农杆菌细胞时，要用Ca2＋处理农杆菌细胞，使其处于感受态，利于重组质粒的导入。

（2）在用土壤农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞的过程中，为什么一定要将目的基因插入到Ti质粒的T－DNA上？

答案　农杆菌中的Ti质粒上的T－DNA（可转移的DNA）可转移至受体细胞，并且整合到受体细胞的染色体DNA上。

2．植物基因工程常用的受体细胞为什么可以是体细胞，而动物基因工程一般只用受精卵？

答案　植物体细胞的全能性较高，可经植物组织培养过程形成完整植物体，因此受体细胞可以是体细胞；动物体细胞的全能性受到严格限制，因此动物基因工程中的受体细胞一般只用受精卵。

3．为什么微生物细胞适合作为基因工程的受体细胞？

答案　微生物细胞具有繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少的优点。

1．农杆菌是一种在土壤中生活的微生物，能在自然条件下感染植物，因而在植物基因工程中得到了广泛的运用。

如图为农杆菌转化法的示意图，试回答下列问题：

（1）一般情况下农杆菌不能感染的植物是____________，利用农杆菌自然条件下感染植物的特点，能实现________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

具体原理是在农杆菌的Ti质粒上存在T－DNA片段，它具有可转移至受体细胞并整合到受体细胞________上的特点，因此只要将携带外源基因的DNA片段插入到_______（部位）即可。

（2）根据T－DNA这一转移特点，推测该DNA片段上可能含有控制______________________酶合成的基因。

（3）图中c过程中，能促进农杆菌向植物细胞转移的物质是__________类化合物。

（4）植物基因工程中除了农杆菌转化法之外，还可采取____________________________（至少写出两种）。

答案　

（1）单子叶植物　将目的基因导入植物细胞　染色体的DNA　T－DNA片段（内部）　

（2）DNA连接酶、限制　（3）酚　（4）基因枪法、花粉管通道法

解析　

（1）一般农杆菌不能感染的植物是单子叶植物，可感染双子叶植物和裸子植物。

利用其感染性，可实现目的基因导入植物细胞。

真正可转移至受体细胞并整合到受体细胞染色体的DNA上的是农杆菌T－DNA片段，因此目的基因必须插入到该部位才能成功。

（2）根据T－DNA这一转移特点，可以推测该DNA片段能控制合成DNA连接酶、限制酶以实现与双子叶植物细胞染色体DNA的整合。

（3）植物细胞受伤后可产生酚类物质，促进农杆菌向植物细胞转移。

（4）植物基因工程中除了农杆菌转化法之外，还有基因枪法和花粉管通道法等。

一题多变

判断正误：

（1）获得上述转基因植物的核心步骤是a（　　）

（2）用含有重组Ti质粒的土壤农杆菌去感染植物细胞，从而把目的基因导入植物细胞，在这个过程中所有细胞都导入了目的基因（　　）

（3）在过程a中只需要DNA连接酶参与（　　）

（4）用含有重组Ti质粒的土壤农杆菌去感染植物细胞，要经过植物组织培养才能获得表现出新性状的植物（　　）

（5）因病毒能够侵染正常细胞，有的病毒还能将自己的核酸整合到宿主细胞的染色体上，所以动植物病毒也可作为基因工程的载体（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）√　（5）√

易错点拨

　农杆菌转化法中两次拼接、两次导入的辨析

第一次拼接是将目的基因拼接到Ti质粒的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拼接到受体细胞染色体的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导入受体细胞。

2．下列关于目的基因导入受体细胞的描述，不正确的是（　　）

A．基因枪法导入植物体细胞的方法比较经济和有效

B．显微注射技术是转基因动物中采用最多的方法

C．大肠杆菌最常用的转化方法，是使细胞的生理状态发生改变

D．农杆菌转化法是将目的基因导入植物细胞最常用的方法

答案　A

解析　不同受体细胞导入目的基因的方法不同，每种方法都有利弊。

目的基因导入植物细胞常用的方法是农杆菌转化法，该方法比较经济和有效；目的基因导入动物细胞常用的方法是显微注射法；目的基因导入大肠杆菌细胞最常用的转化方法就是用钙离子处理细胞，使细胞的生理状态发生改变，完成转化。

二、检测和鉴定目的基因

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，只有通过检测和鉴定才能知道。

1．DNA水平检测：

采用DNA分子杂交法。

主要做法是用放射性同位素标记的已知DNA片段作基因探针检测受体细胞。

如果能发生特异性结合，说明目的基因已经插入转基因生物染色体的DNA中。

2．RNA水平检测：

采用分子杂交技术。

用已标记的目的基因作为探针与待测生物体内提取的mRNA分子杂交，观察是否出现杂交带。

3．蛋白质水平检测：

采用抗原—抗体杂交法。

从待测转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行杂交，若有杂交带出现，表明目的基因已经表达了。

4．个体水平检测：

对个体的生物学特定性状进行检测。

1．观察目的基因的检测示意图（如上图所示），回答下列问题：

（1）检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，采用DNA分子杂交技术。

这种技术的主要做法是什么？

答案　主要做法是用标记了放射性同位素的目的DNA片段作为探针，检测受体细胞的DNA中有无目的基因。

显示出杂交带，说明目的基因已经插入染色体DNA中。

（2）DNA分子杂交的原理是什么？

除了用于目的基因的检测与鉴定以外，试举例说明还有哪些应用？

答案　碱基互补配对原则。

还可用于亲子鉴定、刑事侦察、生物亲缘关系确定等。

（3）检测目的基因是否转录出了mRNA，采用分子杂交技术，这种技术与DNA分子杂交技术有何异同？

答案　相同之处是都采用分子杂交技术，不同之处是从转基因生物中提取的是mRNA，同样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。

（4）检测目的基因是否翻译出蛋白质的方法是什么？

其原理是什么？

答案　抗原—抗体杂交法。

原理是抗原能与相应抗体特异性结合。

2．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？

答案　用叶片饲养棉铃虫，观察棉铃虫是否死亡。

归纳总结　关于不同分子检测的原理、场所、探针的异同

1原理：

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；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。

3．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检测受体细胞的染色体上是否有目的基因　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了mRNA　④检测目的基因是否翻译出了蛋白质

A．①②③　　　　　　　B．②③④

C．①③④D．①②④

答案　C

4．判断正误

（1）如果检测出标记基因表达的性状，说明载体已导入受体细胞（　　）

（2）检测目的基因是否翻译成蛋白质是目的基因能否在真核生物中稳定遗传的关键（　　）

（3）DNA探针用来检测目的基因是否导入（　　）

（4）鉴定转化的基因是否成功表达，在分子水平上可应用的方法是抗原—抗体杂交（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）√

题后归纳

　目的基因的检测与鉴定的方法汇总

1．将目的基因导入玉米茎尖分生区细胞和小鼠受精卵，应分别采用的方法是（　　）

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

答案　D

解析　玉米是单子叶植物，对单子叶植物来说，常用的方法是基因枪法；对于动物细胞来说，常用的方法是显微注射法。

2．下图表示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．质粒是细胞核或拟核外能自主复制的小型环状DNA

C．目的基因与质粒的重组只需要DNA连接酶

D．该细菌的性状被定向改造

答案　C

解析　分析题意和图示可知：

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。

质粒是一种常用载体，是在细胞核或拟核外能自主复制的小型环状DNA，B正确。

基因与载体的重组需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶，C错误。

基因工程的特点是能够定向改造生物的性状，D正确。

3．下列关于基因表达载体导入微生物细胞的叙述中，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

答案　D

解析　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。

4．检测转基因生物染色体DNA上是否插入了目的基因的常用方法是（　　）

A．DNA分子杂交技术

B．荧光分子标记技术

C．放射性同位素标记技术

D．显微注射技术

答案　A

解析　检测目的基因常采用DNA分子杂交技术，即在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素进行标记，以此作为基因探针，并使基因探针与基因组DNA杂交，若显示出杂交带，则表明目的基因已插入染色体DNA中。

5．1957年，生物学家了解到，病毒感染的细胞能产生一种因子，这种因子能作用于其他细胞，干扰病毒的复制，故将其命名为干扰素；从1987年开始，用基因工程方法生产的干扰素进入了工业化生产，并且大量投放市场。

（1）若已知干扰素的氨基酸序列，则获取目的基因的较简单方法是______________________；目的基因还可以从________________文库中获取，而从cDNA文库中不一定能得到，原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）用限制酶处理质粒和目的基因后，用______________酶处理，可形成基因表达载体，该载体的化学本质是_________________________________________________________。

（3）转基因技术是否成功，需要对受体细胞进行分子水平的检测，首先是检测受体细胞______________上是否插入了目的基因，这是目的基因能否在真核生物中稳定遗传的关键。

检测方法是采用__________________________________________________________。

最后还要检测目的基因是否翻译成了相应的蛋白质，利用的技术是______________。

答案　

（1）人工合成法　基因组　cDNA是由生物发育的某个时期的mRNA逆转录产生的（其他合理答案也可）

（2）DNA连接　DNA　（3）染色体的DNA　DNA分子杂交法　抗原—抗体杂交技术

解析　

（1）若已知干扰素的氨基酸序列，则可以通过人工合成的方法获得目的基因；cDNA文库是部分基因文库，因为cDNA是由生物发育的某个时期的mRNA逆转录产生的，所以cDNA文库中不一定有目的基因，最好从基因组文库中获取。

（2）用限制酶处理载体和目的基因后，将目的基因与载体连接，需要使用DNA连接酶处理，基因与载体的化学本质是相同的，都是DNA。

（3）检测目的基因使用DNA分子杂交法；检测蛋白质采用的是抗原—抗体杂交技术。

课时作业

[学考达标]

1．目前将目的基因导入动物细胞最常用、最有效的方法是（　　）

A．显微注射法B．农杆菌转化法

C．基因枪法D．花粉管通道法

答案　A

解析　显微注射法是迄今为止转基因动物中采用最多、最有效的一种将目的基因导入动物细胞的方法。

2．在基因工程技术中，可能需要用到CaCl2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

答案　C

解析　将目的基因导入原核生物受体细胞时，首先用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，然后在一定条件下促进感受态细胞吸收DNA分子，完成转化。

3．在检测抗虫基因是否成功转入棉花基因组的方法中，不属于分子水平的是（　　）

A．观察害虫吃棉叶是否死亡

B．检测目的基因片段与DNA探针能否形成杂交带

C．检测目的基因转录形成的mRNA与DNA探针能否形成杂交带

D．检测目的基因表达产物蛋白质能否与特定抗体形成杂交带

答案　A

解析　A项属于个体生物学水平的鉴定；B、C两项为分子水平的检测，利用分子杂交技术，观察目的基因及目的基因转录形成的mRNA能否与DNA探针进行杂交形成杂交带；D项也为分子水平检测内容，利用抗原—抗体杂交的原理，检测基因表达产物能否与特定抗体形成杂交带。

4．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，导入农杆菌，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，借助花粉管通道进入受精卵

A．①②B．②③C．③④D．①④

答案　C

解析　将毒素蛋白直接注射到棉受精卵中，没有获得目的基因，子代细胞不会有抗虫性状，①错误；将编码毒素蛋白的DNA序列，直接注射到棉受精卵中而没有将目的基因与载体结合，这样目的基因是不会被保留下来的，很容易被水解掉，②错误；在植物细胞基因工程中，利用农杆菌转化法将目的基因导入受体细胞，然后通过植物组织培养技术将植物细胞培养成完整植株，③正确；在植物细胞基因工程中，可以利用花粉管通道法将目的基因导入受精卵中，然后发育为转基因植株，④正确。

故C项正确。

5．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。

下列选项中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

答案　D

解析　基因表达的产物是蛋白质，因此，只有在受体细胞中检测或提取到了相应蛋白质才能证明目的基因在受体细胞中完成了表达，A、C项只能说明完成了目的基因的导入，B项只能说明完成了目的基因的导入和目的基因的转录过程。

6．下列有关基因工程的叙述，正确的是（　　）

A．基因工程所用的工具酶是限制酶、DNA聚合酶

B．所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列

C．选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细菌繁殖快

D．只要目的基因进入了受体细胞就能成功地实现表达

答案　C

解析　基因工程所用的工具酶是限制酶、DNA连接酶，A错误；限制酶能够识别某种特定的核苷酸序列，并在特定位点切割磷酸二酯键，B错误；细菌作为受体细胞原因有多个，如细胞体积小、繁殖周期短、遗传物质少等，C正确；目的基因进入受体细胞中，由于操作失误和不可预测的干扰等，并不是所有受体细胞都能按照预先设计的方案进行重组和表达，真正能有效表达的只是一小部分，D错误。

[高考提能]

7．下列有关基因工程的说法，正确的是（　　）

A．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

B．基因表达载体的组成，除了目的基因外，还必须有启动子、终止密码子等

C．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

D．将目的基因导入植物细胞和动物细胞的常用方法是显微注射法

答案　C

8．利用细菌大量生产人的胰岛素，下列叙述错误的是（　　）

A．用适当的酶对载体与人的胰岛素基因进行切割与黏合

B．用适当的化学物质处理受体细菌表面，将重组DNA导入受体细菌

C．通常通过检测目的基因产物来检测重组DNA是否已导入受体细菌

D．重组DNA必须能在受体细菌内进行复制与转录，并合成人的胰岛素

答案　C

解析　人胰岛素基因进行切割需要限制酶，将人胰岛素基因与载体黏合需要DNA连接酶，A正确；用Ca2＋处理受体细菌表面，将重组DNA导入受体细菌，B正确；通常通过检测标记基因来检测重组DNA是否已导入受体细菌，C错误；重组DNA必须能在受体细菌内进行复制与转录，并合成人的胰岛素，D正确。

9．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的基因B。

现用基因工程技术培育蓝玫瑰，下列操作正确的是（　　）

A．提取矮牵牛蓝色花的mRNA，经逆转录获得互补的DNA，再扩增基因B

B．利用DNA聚合酶将基因B与质粒连接后导入玫瑰细胞

C．将基因B直接导入大肠杆菌，然后感染并转入玫瑰细胞

D．将基因B导入玫瑰细胞后即可通过植物组织培养培育出蓝玫瑰

答案　A

解析　获取目的基因的方法有：

①从基因文库中获取，②利用PCR技术扩增，③人工合成。

本题可以采用逆转录获取目的基因并采用PCR技术扩增，A正确。

利用DNA连接酶将基因B与质粒连接形成重组质粒后导入玫瑰细胞，B错误。

受体细胞是植物细胞时，常采用农杆菌转化法，即将含基因B的重组质粒导入农杆菌，然后感染并转入玫瑰细胞，C、D错误。

10．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”的示意图。

已知细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因。

判断下列说法正确的是（　　）

A．将重组质粒导入细菌B常用的方法是显微注射法

B．将完成导入过程后的细菌涂布在含有四环素的培养基上，能生长的是导入了重组质粒的细菌

C．将完成导入过程后的细菌涂布在含有氨苄青霉素的培养基上，能生长的就是导入了质粒A或重组质粒的细菌

D．目的基因成功表达的标志是受体细胞能在含有氨苄青霉素的培养基上生长

答案　C

解析　将目的基因导入细菌细胞中常用的方法是Ca2＋处理法，A错误。

基因必须保持结构的完整性才能得以表达，氨苄青霉素抗性基因结构完整，能够表达而使细菌具有对氨苄青霉素的抗性，在含有氨苄青霉素的培养基上能存活的是导入了质粒A或导入了重组质粒的细菌；由于将人的生长激素基因导入质粒的四环素抗性基因上，破坏了四环素抗性基因的完整性，导入了重组质粒的细菌没有对四环素的抗性，在含有四环素的培养基上不能存活，能存活的是导入了质粒A的细菌，故B错误、C正确。

目的基因成功表达的标志是产生人的生长激素，D错误。

11．下面是将某细菌的基因A导入大肠杆菌内，制备“工程菌”的示意图。

请据图回答下列问题：

（1）获得A有两条途径：

一是以A的mRNA为模板，在____________的催化下，合成互补的单链DNA，然后在______________作用下合成双链DNA，从而获得所需基因；二是根据目标蛋白质的__________序列，推测出相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测其DNA的______________序列，再通过化学方法合成所需基因。

（2）利用PCR技术扩增DNA时，需要在反应体系中添加的有机物质有________、________、4种脱氧核苷酸和热稳定DNA聚合酶，扩增过程可以在PCR扩增仪中完成。

（3）由A和载体B拼接形成的C通常称为__________。

（4）在基因工程中，常用Ca2＋处理D，其目的是________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）逆转录酶　DNA聚合酶　氨基酸　脱氧核苷酸　

（2）引物　模板（A基因）　（3）基因表达载体　（4）使其成为感受态细胞，有利于吸收重组DNA分子

解析　

（1）利用逆转录法合成目的基因的过程是：

以mRNA为模板，在逆转录酶的催化作用下合成单链DNA，然后在DNA聚合酶的作用下，合成双链DNA分子；根据目标蛋白质的氨基酸序列，推测相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测DNA中脱氧核苷酸的排列顺序，通过化学方法合成。

（2）PCR过程中需要酶、底物、模板、引物和能量等条件。

（3）目的基因和载体结合，形成基因表达载体。

（4）在利用大肠杆菌做受体细胞时，需要先用Ca2＋处理，使之成为感受态细胞，有利于其吸收重组DNA分子。

12．在培育转基因植物的研究中，卡那霉素抗