高中生物 第6章 从杂交育种到基因工程 第2节 基因工程及其应用学案 新人教版必修2.docx

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高中生物第6章从杂交育种到基因工程第2节基因工程及其应用学案新人教版必修2

第2节　基因工程及其应用

[学习目标]　1.概述基因工程的原理和应用。

2.了解转基因生物和转基因食品的安全性。

一、基因工程的原理

1．基因工程的概念

（1）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。

（2）基因工程是把一种生物的某种基因转移到另一种生物体的细胞内，基因的结构基本没有变化，只是位置发生了变化，所以应该属于基因重组。

2．基因工程的基本工具

（1）限制性核酸内切酶

限制性核酸内切酶的作用特点是识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子。

（2）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。

（3）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

例1

　如图是基因工程主要技术环节的一个基本步骤，这一步骤需用到的工具是（　　）

A．DNA连接酶和解旋酶

B．DNA聚合酶和限制性核酸内切酶

C．限制性核酸内切酶和DNA连接酶

D．DNA聚合酶和RNA聚合酶

答案　C

解析　如图所示为目的基因与运载体结合过程，需要基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶和基因的“针线”——DNA连接酶。

此过程不涉及DNA复制，不需要DNA聚合酶和解旋酶。

例2

　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性状，D正确。

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）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

例3

　转基因成果令人叹为观止，下列不是转基因成果的一项是（　　）

A．抗虫棉花

B．能清除石油污染的假单胞杆菌

C．我国奶牛的主要品种——中国荷斯坦奶牛

D．抗除草剂玉米

答案　C

解析　转基因生物是指运用基因工程操作程序，即通过提取目的基因、目的基因与运载体结合、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定等获得的含有外源基因的生物。

转基因生物包括转基因植物、转基因动物和转基因微生物。

抗虫棉花、能清除石油污染的假单胞杆菌、抗除草剂玉米都属于转基因成果。

我国奶牛的主要品种中国荷斯坦奶牛，是杂交育种技术的结果。

例4

　下列关于基因工程及转基因食品的安全性的叙述，正确的是（　　）

A．基因工程经常以抗生素抗性基因作为目的基因

B．通过转基因技术可获得抗虫粮食作物，从而增加粮食产量，减少农药使用

C．通常用一种限制性核酸内切酶处理含目的基因的DNA，用另一种限制性核酸内切酶处理运载体DNA

D．若转入甘蔗中的外源基因来源于自然界，则生产出来的甘蔗不存在安全性问题

答案　B

解析　基因工程常以抗生素抗性基因作为标记基因；在基因工程的实验操作中通常用同一种限制性核酸内切酶来处理含目的基因的DNA和运载体DNA，使它们产生相同的黏性末端；若转基因甘蔗中的外源基因来源于自然界，则仍可能存在食品安全、环境安全等安全性问题。

1．判断正误

（1）基因工程的原理是基因突变（　　）

（2）基因工程能够定向地改变生物的性状（　　）

（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（　　）

（6）转基因生物和转基因食品都是不安全的（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×　（5）×　（6）×

2．基因工程的正确操作步骤是（　　）

①目的基因与运载体相结合　②将目的基因导入受体细胞　③目的基因的检测与鉴定　④提取目的基因

A．③④②①B．②④①③

C．④①②③D．③④①②

答案　C

解析　基因工程技术操作的四个步骤是：

提取目的基因；目的基因与运载体相结合；将目的基因导入受体细胞；目的基因的检测与鉴定。

3．质粒是基因工程最常用的运载体，下列有关质粒的说法正确的是（　　）

A．质粒不仅存在于细菌中，某些病毒也具有

B．细菌的基因只存在于质粒上

C．质粒为小型环状DNA分子，存在于拟核或细胞核（区）外的细胞质中

D．质粒是基因工程中的重要工具酶之一

答案　C

解析　质粒存在于许多细菌以及酵母菌等生物中，是拟核或细胞核外能够自主复制的很小的环状DNA分子，在病毒、动植物细胞中是不存在的，故A错误；细菌的基因除少部分在质粒上外，大部分在拟核中的DNA分子上，故B错误；质粒是基因工程中的主要运载体，故D错误。

4．下列关于转基因生物与环境安全的叙述，错误的是（　　）

A．重组的微生物在降解污染物的过程中可产生二次污染

B．种植抗虫棉可以减少农药的使用量，对环境没有任何负面影响

C．如果转基因花粉中含有毒蛋白或过敏蛋白，可能会通过食物链传递到人体内

D．转基因生物有可能对生态系统的稳定性和人类的生活环境造成破坏

答案　B

解析　种植抗虫棉虽然可以减少农药的使用量，但由于抗虫害的转基因作物的长期大量种植，会使目标害虫发生群体改变，产生抗性，更难杀灭。

5．酵母菌的维生素、蛋白质含量高，可用于生产食品和药品等。

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。

基本的操作过程如下：

（1）该技术定向改变了酵母菌的性状，这在可遗传的变异的来源中属于____________。

（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）要使运载体与LTP1基因连接，首先应使用____________进行切割。

（4）切割完成后，利用____________将运载体与LTP1基因连接。

答案　

（1）基因重组　

（2）质粒　（3）同一种限制酶　

（4）DNA连接酶

解析　

（1）基因工程能克服远缘杂交不亲和的障碍，使原本不在一起的基因组合到一起，使生物具有特定性状，其原理为基因重组。

（2）运载体是取自大肠杆菌的质粒（见图）。

（3）（4）基因工程中的“剪刀”为限制酶，两个序列相同、能互补配对的黏性末端可用DNA连接酶“缝合”。

[对点训练]

题组一　基因工程的原理

1．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，质粒存在于细菌和真菌细胞中，是一种独立于核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．结合下图判断，下列有关基因工程中工具酶的功能的叙述，正确的是（　　）

A．切断a处的酶简称内切酶，被称为基因的“剪刀”

B．连接a处的酶为DNA聚合酶，被称为基因的“针线”

C．RNA聚合酶可通过识别基因中的特定碱基序列与DNA分子结合

D．DNA连接酶的作用点是b处

答案　C

解析　切断a处的酶是被称为基因的“剪刀”的限制性核酸内切酶，应简称为限制酶而不是内切酶，A项错误；连接a处的被称为基因的“针线”的酶是DNA连接酶，不是DNA聚合酶，B项错误；b处为碱基对内的氢键，切断b处的是解旋酶，但b处的连接是通过碱基互补配对实现的，DNA连接酶的作用点是a处而非b处，D项错误。

3．下列有关基因工程中运载体的说法，正确的是（　　）

A．在进行基因工程的操作中，作为运载体的质粒都是天然质粒

B．所有的质粒都可以作为基因工程的运载体

C．质粒是一种独立于细菌拟核DNA外的链状DNA分子

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

答案　D

解析　作为运载体的质粒，都是经过修饰的质粒；并不是所有质粒都能作为运载体，能作为运载体的质粒必须具备一定的条件；质粒是环状DNA分子。

4．某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶（Amy）基因a，通过基因工程的方法，将基因a与运载体结合后导入马铃薯植株中，经检测发现Amy在成熟块茎细胞中存在。

结合图形分析下列有关这一过程的叙述，不正确的是（　　）

A．获取基因a的限制酶的作用部位是图中的①

B．连接基因a与运载体的DNA连接酶的作用部位是图中的②

C．基因a进入马铃薯细胞后，可随马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞

D．通过该技术人类实现了定向改造马铃薯的遗传性状

答案　B

解析　限制酶和DNA连接酶均作用于磷酸二酯键，即①处，二者作用相反，分别是打开和连接该化学键；目的基因进入受体细胞后，会随着马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞，使之产生定向变异，从而改变其遗传性状。

5．基因工程是在DNA分子水平上进行的。

在基因工程操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的是（　　）

A．目的基因的获取

B．目的基因与运载体结合

C．将目的基因导入受体细胞

D．目的基因的检测与鉴定

答案　C

解析　基因工程操作过程中，将目的基因导入受体细胞没有发生碱基互补配对。

6．如图是利用基因工程技术培育抗虫植物的示意图，以下相关叙述正确的是（　　）

A．②的构建需要限制性核酸内切酶和DNA聚合酶参与

B．切割①的限制性核酸内切酶均特异性地识别6个核苷酸序列

C．②中通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因

D．⑤只要表现出抗虫性状就表明植株发生了可遗传变异

答案　D

解析　构建重组质粒需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶参与，A错误；限制性核酸内切酶大多数特异性识别6个核苷酸序列，但也有识别4、5或8个核苷酸序列的，B错误；抗生素抗性基因可作为标记基因，供重组DNA的鉴定和选择，并不是抗生素合成基因，C错误；植株表现出抗虫性状，说明含有目的基因，发生了基因重组，基因重组为可遗传变异，D正确。

7．（2018·石家庄二中月考）科学家用纳米技术制造出一种“生物导弹”，可以携带DNA分子，把它注入组织中，可以通过细胞的胞吞作用的方式进入细胞内，DNA被释放出来，进入到细胞核内，最终整合到细胞染色体中，成为细胞基因组的一部分，DNA整合到细胞染色体中的过程，属于（　　）

A．基因突变B．基因重组

C．基因互换D．染色体变异

答案　B

解析　该技术中，DNA整合到细胞染色体上，并与染色体DNA重组形成重组DNA，属于基因重组，B正确。

题组二　基因工程的应用及其安全性

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，而C项的青霉菌合成青霉素是其自身基因表达的结果，不属于基因工程制药。

9．（2018·成都树德中学月考）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，但也可以用不同的限制性核酸内切酶切割，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。

10．（2018·济宁高一检测）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。

11．下列关于基因工程及其产品的说法中，不正确的是（　　）

A．基因工程的一项关键技术是构建重组DNA分子

B．基因工程的优势是可定向地改造生物的遗传性状

C．消费者对转基因产品应该有选择权

D．基因工程中产生的可遗传变异属于染色体变异

答案　D

解析　转基因产品的安全性问题一直是个热点话题，虽然迄今为止，还未发现转基因产品对人类健康的负面影响，但是否接受转基因产品，消费者应该有选择权，C正确；基因工程中产生的可遗传变异属于基因重组，D错误。

12．美国科学家在研究生长在墨西哥某地的野生玉米后发现，这种玉米含有包括苏云金芽孢杆菌（一种产生抗虫毒蛋白的细菌）基因在内的转基因作物的基因，由此可见：

①转基因作物的基因可传播到野生植物中　②转基因作物可对天然植物的基因多样性构成威胁　③为防止基因污染，应当禁止转基因作物的研究　④自然杂交过程实质是一个长期的转基因过程，两者没有任何区别

其中正确的说法是（　　）

A．①②③④B．③C．①②D．①

答案　C

解析　根据题意可知，转基因植物的基因传播到野生植物中，这样会对植物的基因多样性构成威胁。

自然杂交是通过受粉的方式实现转基因过程，与转基因技术中通过重组运载体实现转基因过程有一定区别。

[综合强化]

13．基因工程是在现代生物学、化学和工程学基础上建立和发展起来的，并有赖于微生物学理论和技术的发展运用。

基因工程基本操作流程如图所示，请据图回答问题：

（1）完成图中A剪接过程需要______________________（工具酶）的作用。

（2）在上述过程中，遵循碱基互补配对原则的步骤有：

____________（用图解中字母表示）。

（3）不同种生物之间的基因能拼接成功，从分子结构角度分析是因为___________。

目的基因在不同的生物细胞中能正确表达，说明不同生物共用______________________。

（4）研究发现，番茄体内有一种酶可以抑制害虫的消化功能，现科学家已成功地分离出这种基因并导入玉米的体细胞中，培育出了具有与番茄相似抗虫性状的玉米植株，这种变异的来源属于__________（填“基因突变”“基因重组”或“染色体变异”）。

答案　

（1）限制酶和DNA连接酶　

（2）A、C　（3）不同生物的DNA分子都为双螺旋结构　一套遗传密码　（4）基因重组

14．中国青年科学家成功地把人的抗病毒干扰素基因“嫁接”到烟草的DNA分子上，使烟草获得了抗病毒的能力。

试分析回答：

（1）抗病毒烟草的培育应用了__________技术。

（2）在培育过程中，所用的基因的“剪刀”是________________，基因的“针线”是________________________，基因的“运输工具”是________。

（3）烟草具有抗病毒能力，说明烟草体内产生了__________________________。

（4）烟草DNA分子被“嫁接”上或“切割”掉某个基因，但并不影响抗病毒干扰素基因的表达，从基因功能角度考虑，说明________________________________________。

（5）人的抗病毒干扰素基因能与烟草的DNA分子拼接在一起的原因是___________________。

答案　

（1）基因工程　

（2）限制酶　DNA连接酶　运载体　（3）抗病毒干扰素　（4）基因是遗传物质的基本单位（5）具有相同的物质组成（基本单位都是脱氧核苷酸），都具有规则的双螺旋结构，且都遵循碱基互补配对原则

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，其内的遗传物质少（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，其内的遗传物质少。