学年高中生物 第六章 从杂交育种到基因工程 第2节 基因工程及其应用教学案 新人教.docx
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学年高中生物第六章从杂交育种到基因工程第2节基因工程及其应用教学案新人教
第2节 基因工程及其应用
[学习导航] 1.结合教材图文，概述基因工程的基本原理和基本步骤。
2.结合具体实例，了解基因工程的应用及其安全性。
[重难点击] 基因工程的基本原理和基本步骤。
科幻电影《蜘蛛侠》中的男主角意外被转基因的蜘蛛咬伤，蜘蛛的基因整合到了他的基因上，并且在他体内表达，从而使他成了具有特殊本领的超级英雄。
现实中，我们已经运用类似的技术来改造生物的性状，获得人们所需要的品种，这就是基因工程。
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
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？
答案 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？
答案 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．如果要检测D中是否含有C，通常如何检测？
答案 利用C上的标记基因进行检测。
4．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？
答案 所有生物共用一套遗传密码。
5．该方法和诱变育种相比，有什么优点？
答案 可以定向地改造生物的遗传性状。
知识整合 胰岛素基因只在胰岛细胞中转录出mRNA；目的基因和运载体结合时，通常用同一种限制酶切割，再加入DNA连接酶；操作后的产物也有目的基因和运载体自我环化的产物。
基因工程可以定向地改造生物的遗传性状。
1．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。
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
1．你所知道的我国转基因成果都有哪些？
答案 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？
答案 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。
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。
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一定要注意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．科学家们经过多年的努力创立了一种新兴生物技术——基因工程，实施该工程的最终目的是（ ）
A．定向提取生物体的DNA分子
B．定向地对DNA分子进行人工“剪切”
C．在生物体外对DNA分子进行改造
D．定向地改造生物的遗传性状
答案 D
解析 基因工程就是通过对生物体的基因进行修饰改造，使之按照人们的意愿表现出人们所需要的性状，产生人类所需要的基因产物，可见基因工程的目的是定向改造生物的遗传性状。
2．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。
3．一旦禽流感病毒与人类病毒重组，从理论上讲，就有可能在人与人之间传播该疾病。
届时，这种病毒就会成为人类病毒。
这里所说的重组与下列哪项本质相同（ ）
A．基因工程B．太空育种
C．单倍体育种D．多倍体育种
答案 A
解析 不同类型的病毒重组实质是病毒间的基因转移和拼接，与基因工程本质是相同的，都是基因重组，只是基因工程是人为操作的，病毒之间的基因重组是自发的。
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”。
课时作业
[学考达标]
1．下图表示限制酶切割某DNA分子的过程，从图中可知，该限制酶能识别的碱基序列及切点是（ ）
A．CTTAAG，切点在C和T之间
B．CTTAAG，切点在T和A之间
C．GAATTC，切点在G和A之间
D．GAATTC，切点在C和T之间
答案 C
解析 一种限制酶只能识别某种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子。
该限制酶能专一性识别GAATTC的序列，并在G和A之间将这段序列切开。
2．下列关于限制酶和DNA连接酶的理解，正确的是（ ）
A．其化学本质都是蛋白质
B．DNA连接酶可以恢复DNA分子中的氢键
C．它们不能被反复使用
D．在基因工程操作中可以用DNA聚合酶代替DNA连接酶
答案 A
解析 限制酶与DNA连接酶的化学本质都是蛋白质；DNA连接酶连接的是两个DNA片段间相邻两个碱基间的磷酸二酯键；酶在化学反应前后其数量、性质、功能均不发生改变，因此可以反复利用；DNA聚合酶是在细胞内DNA分子复制时发挥作用的，不能替代DNA连接酶。
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我复制的很小的环状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．科学家运用基因工程技术将人胰岛素基因与大肠杆菌的质粒DNA分子重组，并且在大肠杆菌体内获得成功表达。
图示a处为胰岛素基因与大肠杆菌质粒DNA结合的位置，它们彼此能结合的依据是（ ）
A．基因自由组合定律
B．半保留复制原则
C．基因分离定律
D．碱基互补配对原则
答案 D
解析 用限制酶切割人的DNA分子，获得胰岛素基因，用同一种限制酶切割质粒，产生相同的黏性末端，它们通过碱基互补配对形成重组DNA分子。
5．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；目的基因与运载体结合；将目的基因导入受体细胞；目的基因的检测与鉴定。
6．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．③
C．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。
[高考提能]
7．水母发光蛋白由236个氨基酸构成，其中Asp（天冬氨酸）、Gly（甘氨酸）、Ser（丝氨酸）构成发光环，现已将这种蛋白质的基因作为生物转基因的标记，在转基因技术中，这种蛋白质的作用是（ ）
A．促使目的基因导入受体细胞
B．使目的基因容易被检测出来
C．促使目的基因在受体细胞内复制
D．使目的基因容易成功表达
答案 B
解析 该发光蛋白的作用是使目的基因容易被检测出来，从而确认目的基因是否已经成功导入受体细胞中。
8．下列关于基因工程的叙述，错误的是（ ）
A．目的基因和受体细胞均可来自动物、植物或微生物
B．限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶
C．人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性
D．运载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达
答案 D
解析 基因工程中目的基因和受体细胞均可来自动物、植物或微生物；常用的工具酶是限制性核酸内切酶和DNA连接酶；人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性，只有经过一定的物质激活以后，才能有生物活性；运载体上的抗性基因主要是有利于筛选含重组DNA的细胞，不能促进目的基因的表达，所以D错误。
9．基因工程技术在农业、医药等领域中得到广泛的应用，下列关于基因工程成果的叙述中，错误的是（ ）
A．在农业上主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗逆性的农作物
B．在医药卫生方面，主要用于生产药品和诊断治疗疾病
C．在畜牧养殖业方面培育了体型巨大，品质优良的动物
D．在环境保护方面主要用于环境监测和对环境的净化
答案 C
解析 基因工程技术在畜牧业上的主要目的是能生产人们所需要的各种品质优良的动物，如具有抗病能力、高产仔率、高产奶率等，而不是要求体型巨大。
10．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。
11．棉铃虫是一种严重危害棉花的害虫。
我国科学工作者发现一种生活在棉铃虫消化道内的苏云金芽孢杆菌能分泌一种毒蛋白使棉铃虫致死，而这种毒蛋白对人畜无害。
通过基因工程方法，我国已将毒蛋白基因转入棉花植株并成功表达。
由于棉铃虫吃了这种转基因棉花的植株后就会死亡，所以该棉花新品种在1998年推广后，已取得了很好的经济效益。
请根据上述材料回答下列问题：
（1）毒蛋白对人畜无害，但能使棉铃虫致死，从蛋白质特性来看，是因为蛋白质具有______________。
（2）利用苏云金芽孢杆菌防治棉铃虫属于生物防治，它突出的优点是____________________。
（3）转基因棉花的抗虫变异来源属于可遗传变异类型中的________________。
（4）从苏云金芽孢杆菌中切割抗虫基因所用的工具是__________________，其特点是__________________________________________________。
（5）进行基因工程操作一般要经过的四个步骤是______________、________________、________________、______________。
（6）“毒蛋白基因转入棉花植株内并成功表达”的含义是____________________。
答案
（1）特异性
（2）不用农药或减少农药用量，减少环境的污染 （3）基因重组 （4）限制酶 一种限制酶只能识别某种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子 （5）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 （6）棉花植株产生了苏云金芽孢杆菌的毒蛋白
解析 每种蛋白质分子往往都有特定的结构和功能，具有特异性。
区别于化学防治，生物防治的优点是可以减少农药的用量，减少对环境的污染。
转基因技术的原理是基因重组。
所谓基因的表达就是目的基因在受体细胞内通过转录和翻译合成蛋白质的过程。
12．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______________________。
（6）人的干扰素基因能在大肠杆菌内表达，其根本原因是________________________________
_______________________________________________。
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） （6）它们共用一套密码子
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。
人的基因能在大肠杆菌中表达是由于它们共用一套密码子。
13．通过DNA重组技术使原有基因得以改造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，如图表示这一技术的基本过程，在该工程中所用的基因
“剪刀”能识别的序列和切点是—
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”后连接在羊染色体中需要的酶是______________。
（2）人体蛋白质基因之所以能连接到羊的染色体DNA中，原因是___________________。
人体蛋白质基因导入羊细胞时常用的工具是________________________。
（3）此过程中目的基因的检测与表达中的表达是指______________________________。
（4）你认为此类羊产的奶安全可靠吗？
理由是什么？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
（1）限制性核酸内切酶 DNA连接酶
（2）具有相同的物质基础和结构基础（有互补的碱基序列） 细菌质粒或病毒
（3）人体蛋白质基因在羊体细胞内控制合成人体蛋白质
（4）安全，因为目的基因导入受体细胞后没有改变，控制合成的人体蛋白质成分没有改变（或不安全，因为目的基因导入受体细胞后，可能由于羊细胞中某些成分的影响，合成的蛋白质成分会发生一定的改变）
解析
（1）剪切获取目的基因的酶是限制性核酸内切酶，将不同的DNA片段连接起来的酶是DNA连接酶。
（2）不同生物的DNA化学组成和空间结构相同，即都具有相同的物质基础和结构基础。
目的基因导入受体细胞需要先与运载体结合，最常用的运载体是质粒，也可以用病毒。
（3）基因的表达是指基因通过转录和翻译过程合成相应的蛋白质。
（4）为开放性问题，理由与观点相对应即可。
[真题体验]
14．（2013·江苏，25）现有小麦种质资源包括：
①高产、感病；②低产、抗病；③高产、晚熟等品种。
为满足不同地区及不同环境条件下的栽培需求，育种专家要培育3类品种：
a.高产、抗病；b.高产、早熟；c.高产、抗旱。
下述育种方法可行的是（多选）（ ）
A．利用①、③品种间杂交筛选获得a
B．对品种③进行染色体加倍处理筛选获得b
C．a、b和c的培育均可采用诱变育种方法
D．用转基因技术将外源抗旱基因导入③中获得c
答案 CD
解析 利用①、②品种间杂交后筛选可获得a，A错误；染色体加倍并不改变原有的基因，只有通过诱变育种，可由③选育出b，B错误；诱变育种和转基因技术均可获得原品种不具有的新性状，C、D正确。
15．（2015·重庆，6）下列有关人胰岛素基因表达载体的叙述，正确的是（ ）
A．表达载体中的胰岛素基因可通过人肝细胞mRNA逆转录获得
B．表达载体的复制和胰岛素基因的表达均启动于复制原（起）点
C．借助抗生素抗性基因可将含胰岛素基因的受体细胞筛选出来
D．启动子和终止密码子均在胰岛素基因的转录中起作用
答案 C
解析 人肝细胞不能合成胰岛素，则人肝细胞中不含有胰岛素的mRNA，不能通过逆转录获得人胰岛素基因，A错误；表达载体的复制启动于复制起点，胰岛素基因的表达启动于启动子，B错误；抗生素抗性基因是标记基因，可用于筛选含胰岛
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