版高中生物 第1章 基因工程 13 基因工程的应用学案 新人教版选修3.docx

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版高中生物第1章基因工程13基因工程的应用学案新人教版选修3

1.3　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．了解基因工程的进展。

3．了解基因工程在农业和医疗等方面的应用。

（难点）

4．掌握基因治疗和基因检测。

（重、难点）

　植物基因工程的成果

1．植物基因工程的应用领域

（1）提高农作物的抗逆能力。

（2）改良农作物的品质。

（3）利用植物生产药物等。

2．抗虫转基因植物

（1）方法：

从某些生物中分离出具有杀虫活性的基因，将其导入作物中。

（2）目的基因：

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：

转基因抗虫棉、转基因抗虫水稻等。

（4）意义：

减少化学农药的使用，降低生产成本，减少环境污染，降低对人体健康的危害。

3．抗病转基因植物

（1）方法：

将抗病基因导入植物中。

（2）目的基因

①抗病毒基因：

病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因。

②抗真菌基因：

几丁质酶基因和抗毒素合成基因。

（3）成果：

抗烟草花叶病毒的转基因烟草，抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等。

（4）意义：

能获得用常规育种方法很难培育出的抗病毒新品种。

4．抗逆转基因植物

（1）抗逆基因：

调节细胞渗透压的基因使农作物抗盐碱、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。

（2）成果：

烟草、大豆、番茄、玉米等。

5．利用转基因改良植物的品质

（1）优良基因：

必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因、控制番茄果实成熟的基因和与植物花青素代谢有关的基因。

（2）成果：

成果一：

成果二：

成果三：

转基因矮牵牛

探讨

：

转基因抗虫棉的目的基因是什么？

是从哪种生物获取的？

抗虫棉能抗病毒、细菌、真菌吗？

提示：

Bt毒蛋白基因，是从苏云金芽孢杆菌体内提取出来的。

不能，因为抗虫基因具有专一性。

探讨

：

从环境保护角度出发，分析转基因抗虫棉与普通棉相比，在害虫防治方面有哪些优越性？

提示：

减少化学农药的使用量，降低环境污染。

探讨

：

转基因育种与传统育种方法相比较有哪些优点？

提示：

（1）目的性强，定向改造生物性状。

（2）克服远缘杂交不亲和的障碍。

（3）育种周期短。

1．转基因作物及其目的基因

作物种类

目的基因

抗虫棉、水稻

来自苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因

抗烟草花叶病毒的烟草、抗病毒的

小麦

病毒外壳蛋白基因和病毒复制酶基因

抗真菌的烟草

几丁质酶基因和抗毒素合成基因

抗盐碱和干旱的烟草

调节细胞渗透压的基因

耐寒的番茄、烟草

来自鱼类的抗冻蛋白基因

抗除草剂大豆、玉米

抗除草剂基因

富含赖氨酸的转基因玉米

富含赖氨酸的蛋白质编码基因

转基因延熟番茄

控制果实成熟的基因

转基因矮牵牛

与植物花青素代谢有关的基因

异想天开：

发荧光的烟草

荧光素和荧光酶基因

2.转基因作物中的目的基因的三点提醒

（1）目的基因都是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因，并不都是来自细菌、病毒等微生物，如抗冻蛋白基因来自鱼类。

（2）有的目的基因控制蛋白质的合成，直接控制生物的某种性状，这反映了基因与性状的直接关系；有的目的基因通过控制酶的合成来控制代谢，进而控制生物的性状，这体现的是基因和性状的间接关系。

（3）注意“抗虫”和“抗病”的区别，二者可以分别通过害虫接种和病毒接种来进行个体水平的检测。

1．下列关于基因工程的应用，说法正确的是（　　）

A．我国转基因抗虫棉是转入了植物凝集素基因培育出来的

B．可用于转基因植物的抗虫基因只有植物凝集素基因和蛋白酶抑制剂基因

C．抗真菌转基因植物中，可使用的基因有几丁质酶基因和抗毒素合成基因

D．提高作物的抗盐碱和抗干旱的能力，与调节渗透压的基因无关

【解析】　转基因抗虫棉转入了Bt毒蛋白基因。

可用于转基因植物的抗虫基因，除B项所列出的两种，另外还有淀粉酶抑制剂基因等。

提高作物抗盐碱和抗干旱的能力，与调节渗透压的基因有关。

抗真菌转基因植物中，可使用的基因有几丁质酶基因和抗毒素合成基因。

【答案】　C

2．北极比目鱼中有抗冻基因，其编码的抗冻蛋白具有11个氨基酸的重复序列，该序列重复次数越多，抗冻能力越强。

下图是获取转基因抗冻番茄植株的过程示意图，有关叙述正确的是（　　）

【导学号：

72240009】

A．过程①是获取抗冻基因的过程，用到的酶只有限制酶

B．在重组质粒上，抗冻基因首端和末端一定具有启动子和终止子，启动和终止翻译的进程

C．过程②用到的质粒是农杆菌的Ti质粒，要将重组质粒转入农杆菌才能进行筛选

D．根据抗冻基因制作的DNA探针，可以用来检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在

【解析】　据题图可知，该转基因技术操作中，获取目的基因的方法是利用抗冻基因（目的基因）的mRNA进行人工化学合成，需要的酶是逆转录酶和限制酶，A项错误；目的基因首端和末端的启动子和终止子均是DNA片段，分别启动和终止转录的进程，B项错误；重组质粒转入农杆菌的目的是通过农杆菌转化法将目的基因导入番茄细胞中，C项错误；检测目的基因是否导入受体细胞，通常是用DNA探针进行检测，即所谓DNA分子杂交技术，D项正确。

【答案】　D

动物基因工程、基因工程药物和

基因治疗

（一）动物基因工程及基因工程药物

1.动物基因工程应用的几个方面

项目

应用　　

基因来源或处理

成果

提高动物的

生长速度　

外源生长激素基因

转基因绵羊、转基因鲤鱼

改善畜产

品的品质　

肠乳糖酶基因

转基因牛分泌的乳汁中乳糖含量少

转基因动物

生产药物　

药用蛋白基因＋乳腺蛋白基因的启动子

乳腺生物反应器

转基因动物

作器官移植

的供体　　

抑制或除去抗原决定基因

结合克隆技术培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官

2.基因工程药物

（1）方式：

利用基因工程培育“工程菌”来生产药品。

（2）成果：

利用“工程菌”可生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等。

（二）基因治疗

1．概念：

把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，达到治疗疾病的目的。

2．方法

（1）体外基因治疗：

从病人体内获得某种细胞，进行培养，在体外完成基因转移，筛选出成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内。

（2）体内基因治疗：

直接向人体组织细胞中转移基因。

3．实质：

正常基因的表达掩盖病变基因的表达，达到治疗疾病的目的。

4．成果：

将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的淋巴细胞中，治疗复合型免疫缺陷症。

探讨

：

分析用转基因动物生产药物的过程，思考以下问题：

（1）就药物基因而言，最理想的表达场所是哪里？

提示：

转基因动物的乳腺。

（2）乳腺生物反应器有哪些优点？

提示：

产量高、质量好、成本低、易提取。

（3）讨论用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程是怎样的？

提示：

①获取目的基因；②构建基因表达载体；③显微注射导入哺乳动物受精卵中；④将受精卵送入母体内发育成转基因动物。

探讨

：

分析用转基因动物作器官移植的供体时，应采取什么措施？

提示：

抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因。

探讨

：

基因治疗的实质是利用外源基因替换了原基因本身，还是代替了原基因的功能？

治疗后的性状能否遗传给后代？

提示：

代替了原基因的功能。

基因治疗只是改变了病人体细胞的遗传物质，所以恢复的正常性状不会遗传给子女。

1．乳腺生物反应器：

（1）操作过程：

（2）乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别：

比较内容

乳腺生物反应器

工程菌

含义

指将外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白

指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系

受体基因结构与人类基因结构差异

动物基因结构与人类的基因结构基本相同

细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异

基因表达

合成的药物蛋白与天然蛋白质相同

细菌合成的药物蛋白可能没有活性

受体细胞

动物受精卵

微生物细胞

目的基因导入方式

显微注射法

感受态细胞法

生产条件

不需严格灭菌；温度等外界条件对其影响不大

需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件

药物提取

从动物乳汁中提取

从微生物细胞或其培养液中提取

生产设备

畜牧业生产、提取设备

工业生产，设备精良

2.基因治疗

（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

（4）基因诊断与基因治疗的比较

项目

方法

备注

基因

诊断

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

DNA分子制作探针进行检测时应检测单链，即需将待测的双链DNA分子打开。

1．近年来基因工程的发展非常迅速，科学家可以用DNA探针和外源基因导入的方法进行遗传病的诊断和治疗，下列做法不正确的是（　　）【导学号：

72240010】

A．用DNA探针检测镰刀型细胞贫血症

B．用DNA探针检测病毒性肝炎

C．用导入外源基因的方法治疗半乳糖血症

D．用基因替换的方法治疗21三体综合征

【解析】　基因工程是基因水平上的现代生物技术，21三体综合征是染色体异常遗传病，是患者第21号染色体比正常人多了一条，无法从基因水平上治疗。

【答案】　D

2．基因治疗是人类疾病治疗的一种崭新手段，下列有关叙述中不正确的是（　　）

A．基因治疗可使一些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．以正常基因替代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】　基因治疗是向有基因缺陷的细胞导入健康的基因，而不是利用基因工程产品治疗人类疾病。

【答案】　B

3．继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了一定进展。

最近，科学家培育出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。

请回答下列问题：

（1）将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用的方法是_____________。

（2）进行基因转移时，通常要将外源基因转入________中，原因是___________________________________________________________________。

（3）通常采用____________技术检测外源基因是否插入到小鼠的基因组。

（4）在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠的________细胞中特异表达。

【解析】　在基因工程中，若受体细胞是动物细胞，常采用显微注射的方法导入目的基因。

若要使小鼠膀胱上皮细胞合成人的生长激素，在进行基因转移时，当做受体细胞的通常是受精卵，其原因是受精卵具有全能性，可使外源基因在相应组织细胞中得到表达。

检测目的基因是否插入到受体细胞的基因组，通常采用的是DNA分子杂交技术。

【答案】　

（1）显微注射法

（2）受精卵（或早期胚胎）　受精卵（或早期胚胎细胞）具有全能性，可使外源基因在相应组织细胞中表达

（3）DNA分子杂交

（4）膀胱上皮

1．我国科学家运用基因工程技术，将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞并成功表达培育出了抗虫棉。

下列叙述不正确的是（　　）

A．启动子对于抗虫基因在棉花细胞中的表达不可缺少

B．重组DNA分子中改变一个碱基对，不一定导致毒蛋白的毒性丧失

C．抗虫棉的抗虫基因可通过花粉传递至近缘作物，从而造成基因污染

D．转基因棉花是否具有抗虫特性是通过检测棉花对抗生素抗性来确定的

【解析】　启动子是RNA聚合酶识别和结合位点，没有启动子，目的基因无法转录。

根据是否具有抗生素抗性可用来筛选含有目的基因的细胞，而不能用来检测转基因棉花是否具有抗虫特性。

【答案】　D

2．下列有关动物基因工程的说法，错误的是（　　）

【导学号：

72240011】

A．将外源生长激素基因导入动物体内可提高动物生长速度

B．将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组中，使获得的转基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大降低

C．利用基因工程技术，得到的乳腺生物反应器可以解决很多重要药品的生产问题

D．用转基因动物作为器官移植的供体时，由于导入的是调节因子，而不是目的基因，因此无法抑制抗原的合成

【解析】　用转基因动物作为器官移植的供体时，可将器官供体基因组导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。

【答案】　D

3．我国转基因技术发展态势良好，农业部依法批准发放了转植酸酶基因玉米、转基因抗虫水稻的生产应用安全证书。

下列关于转基因玉米和转基因水稻的叙述不正确的是（　　）

A．转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因

B．转基因抗虫水稻减少了化学农药的使用，减少了环境污染

C．转基因抗虫水稻是否具有抗虫性，可通过饲养卷叶螟进行检测

D．转基因抗虫水稻的外源基因是几丁质酶基因

【解析】　转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因；转基因抗虫水稻的外源基因是Bt毒蛋白基因，而几丁质酶基因是抗真菌转基因植物常用的基因；转基因抗虫水稻减少了农药的使用，减少了环境污染，同时降低了农业生产的成本；检测目的基因是否表达最简便的方法是个体水平的检测。

【答案】　D

4．下面为从苏云金芽孢杆菌中获取抗虫基因（简称Bt基因）培育转基因抗虫棉的图解。

请回答：

（1）图中a过程要用到的酶是________。

（2）在进行图中b过程时，由我国科学家独创的十分简便经济的方法是________，此外，也通常采用________法。

若要培育转基因绵羊，则此过程要用________的方法。

（3）为确定抗虫棉是否培育成功，既要用放射性同位素标记的________作探针进行分子杂交测试，又要在个体生物学水平上鉴定，后者具体过程是________

_______________________________________________________________。

（4）活化的毒性物质应是一种________分子，可以全部或部分嵌合于昆虫的细胞膜上，使细胞膜产生孔道，导致细胞由于渗透平衡的破坏而破裂。

（5）我国在“863”计划资助下开展Bt抗虫棉、抗虫水稻等研究，可以减少农药、杀虫剂的使用，这将对________起到重要作用。

【解析】　

（1）切割DNA分子以获取目的基因需用限制性核酸内切酶。

（2）将目的基因导入植物细胞的方法有农杆菌转化法、花粉管通道法，其中由我国科学家独创的方法是花粉管通道法，最常用的方法是农杆菌转化法。

将目的基因导入动物细胞的方法通常是显微注射法。

（3）DNA探针是指用放射性同位素标记的含目的基因的DNA片段。

个体生物学水平上的鉴定是通过检测其是否表现出抗虫性状。

（4）活化的毒性物质是由原毒素经蛋白酶处理而成，而原毒素是Bt基因表达的产物，为蛋白质，经蛋白酶处理后为多肽。

（5）Bt抗虫棉等可以在不使用农药的前提下防虫、治虫，避免了使用农药对环境造成污染。

【答案】　

（1）限制性核酸内切酶（限制酶）

（2）花粉管通道法　农杆菌转化　显微注射

（3）目的基因（或Bt基因）　让害虫吞食抗虫棉叶子，观察害虫的存活状态（合理即可）

（4）多肽　（5）环境保护

课堂小结：

网络构建

核心回扣

1.基因工程育种克服了远缘杂交不亲和障碍，并可以定向改良生物的遗传特性。

2．动物基因工程的应用主要有：

提高动物的生长速度，改善畜产品的品质，转基因动物生产药物，转基因动物作器官移植的供体。

3．乳腺生物反应器是指将所需目的基因导入到动物的受精卵，使转基因动物分泌的乳汁中含有所需要的药物蛋白。

4．用基因工程的方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系一般称为“工程菌”。

5．基因治疗是治疗遗传病最有效的手段。

包括体外基因治疗和体内基因治疗。