基因工程的應(yīng)用 高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

2023-05-25第3章基因工程新課導(dǎo)入從社會中來胰島素是治療糖尿病的特效藥物。傳統(tǒng)生產(chǎn)胰島素的方法是從豬、牛等動物的胰腺中獲取。曾經(jīng)生產(chǎn)供一位糖尿病病人使用一年的胰島素需要上千頭牛，生產(chǎn)的成本非常高。1978年，科學(xué)家將編碼人胰島素的基因?qū)氪竽c桿菌細(xì)胞中，使大腸桿菌表達(dá)重組人胰島素。我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的基因工程物——重組人胰島素已經(jīng)研制成功并得到廣泛應(yīng)用。除了生產(chǎn)胰島素，基因工程還有哪些應(yīng)用呢？新課講解自20世紀(jì)70年代興起后，得到飛速發(fā)展，展示出廣闊前景。醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域食品工業(yè)方面農(nóng)牧業(yè)方面基因工程的應(yīng)用新課講解一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展迅速。▼轉(zhuǎn)基因植物的應(yīng)用成果：1996-2017年，全世界轉(zhuǎn)基因作物的種植面積增加了一百多倍，目前，國際上獲得轉(zhuǎn)基因植株的植物種類很多，其中包括水稻、玉米、棉花、甜菜、油菜等作物；番茄、黃瓜、胡蘿卜等蔬菜；首蓉、白三葉草等牧草；番木瓜、蘋果、甜瓜、草莓等瓜果；矮牽牛、菊花、香石竹等花卉。新課講解

1.轉(zhuǎn)基因抗蟲植物：從某些生物中分離出具有抗蟲功能的基因，將它導(dǎo)入作物中培育出具有抗蟲性的作物，是目前防治作物蟲害的一種發(fā)展趨勢。已問世的轉(zhuǎn)基因抗蟲植物有轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花、玉米、大豆、水稲和馬鈴薯等。意義：減少農(nóng)藥用量，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染。2.轉(zhuǎn)基因抗病植物：許多栽培作物由于自身缺少抗病基因，因此用常規(guī)育種的方法很難培育出抗病的新品種?？茖W(xué)家將來源于某些病毒、真菌等的抗病基因?qū)胫参镏?，培育出了轉(zhuǎn)基因抗病植物，目前已經(jīng)獲得抗煙草花葉病毒的轉(zhuǎn)基因煙草和抗病毒的轉(zhuǎn)基因小麥、甜椒、番茄等多種作物。意義：提高農(nóng)作物的抗病力，使農(nóng)作物增產(chǎn)。3.轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物：雜草常常危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而大多數(shù)除草劑不僅能殺死田間雜草，還會損傷作物，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。將降解或抵抗某種除草劑的基因?qū)胱魑铮梢耘嘤隹钩輨┑淖魑锲贩N。這樣在噴灑除草劑時，田間雜草會被殺死而作物不會受到損傷。目前已經(jīng)獲得轉(zhuǎn)基因抗除草劑玉米、大豆、油菜和甜菜等。新課講解4.改良植物的品質(zhì)：隨著生活水平的提高，人們越來越關(guān)注植物的營養(yǎng)價值、觀賞價值等，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以改良這些品質(zhì)。例如，將必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)酥参镏校梢蕴岣哌@種氨基酸的含量，科學(xué)家培育的某種轉(zhuǎn)基因玉米中賴氨酸的含量比對照高30%。我國科學(xué)家成功地將與植物花青素代謝相關(guān)的基因?qū)氚珷颗Ｖ?，使它呈現(xiàn)出自然界沒有的顏色變異，大大提高了它的觀賞價值。(一)轉(zhuǎn)基因植物的應(yīng)用：1.主要用于提高農(nóng)作物的抗逆能力(如抗除草劑、抗蟲、抗病、抗干旱和抗鹽堿等)。2.改良農(nóng)作物的品質(zhì)和利用植物生產(chǎn)藥物等方面。新課講解新課講解轉(zhuǎn)基因動物的成果前景廣闊：(二)轉(zhuǎn)基因動物的應(yīng)用：1.用于提高動物的生長速度。將外源生長激素基因?qū)雱游锏氖芫阎校嘤D(zhuǎn)生長激素動物。2.改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)：轉(zhuǎn)腸乳糖酶基因奶牛。有些人喝了牛奶會腸胃不適，出現(xiàn)腹脹、肚痛、甚至腹瀉。其中多數(shù)人是由于體內(nèi)缺乏乳糖酶，對牛奶中的乳糖消化不好造成的。新課講解二、基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用對微生物或動植物細(xì)胞進(jìn)行基因改造，使它們能夠生產(chǎn)藥物，是目前基因工程取得實際應(yīng)用成果非常多的領(lǐng)域。1.用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物。2.用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體。新課講解1.用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物。(1)利用基因工程技術(shù)使哺乳動物本身變成“批量生產(chǎn)藥物的工廠”。利用乳腺生物反應(yīng)器或乳房生物反應(yīng)器生產(chǎn)抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素等。▼用基因工程技術(shù)實現(xiàn)動物乳腺生物反應(yīng)器的操作過程：①獲取目的基因（例如血清白蛋白基因）②構(gòu)建基因表達(dá)載體(提示：要在血清白蛋白基因前加上乳腺組織中特異性表達(dá)的啟動子，即乳腺蛋白基因的啟動子）③顯微注射導(dǎo)入哺乳動物受精卵中→形成胚胎→將胚胎送入母體動物→發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動物(只有在產(chǎn)下的雌性個體中，轉(zhuǎn)入的基因才能表達(dá))。▼乳腺生物反應(yīng)器的優(yōu)、缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：①產(chǎn)量高；②質(zhì)量好；③成本低；④易提取。缺點(diǎn)：乳腺生物反應(yīng)器受生物性別的限制，動物的泌乳期有一定的時間限制。新課講解(2)利用基因工程方法制造“工程菌”，可高效率地生產(chǎn)出各種高質(zhì)量、低成本的藥品。利用轉(zhuǎn)基因的工程菌生產(chǎn)藥品：細(xì)胞因子、抗體、疫苗、激素等。傳統(tǒng)制藥方法：⑴直接從生物體組織、細(xì)胞或血液中提取。由于原料來源有限，所以價格昂貴。⑵化學(xué)合成方法：易對環(huán)境造成污染。新課講解2.用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體：常用方法：將器官供體基因組導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子，以抑制抗原決定基因的表達(dá)，或設(shè)法除去抗原決定基因，再結(jié)合克隆技術(shù)，培育出沒有免疫排斥反應(yīng)轉(zhuǎn)基因克隆豬器官。接受了動物器官移植的人，在社會生活中否會受到他人的歧視呢？新課講解三、基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用基因工程菌是指用基因工程的方法，使外源基因得到高效率表達(dá)的菌類。利用基因工程菌除了可以生產(chǎn)藥物，還能生產(chǎn)食品工業(yè)用酶、氨基酸和維生素等。(1)阿斯巴甜是一種普遍使用的甜味劑，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，這兩種氨基酸可以通過基因工程實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。(2)科學(xué)家將編碼牛凝乳酶的基因?qū)氪竽c桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中，再通過工業(yè)發(fā)酵批量生產(chǎn)凝乳酶。新課講解利用基因工程培育的“指示生物”能十分靈敏地反映環(huán)境污染的情況，卻不易因環(huán)境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉(zhuǎn)化污染物。四、基因工程與環(huán)境保護(hù)1.用于環(huán)境監(jiān)測。2.用于被污染環(huán)境的凈化。通常一種細(xì)菌只能分解石油中的一種烴類，用基因工程培育成功的“超級細(xì)菌”卻能分解石油中的多種烴類化合物。有的還能吞食轉(zhuǎn)化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質(zhì)。課堂訓(xùn)練1.我國科學(xué)家成功地將人的抗病毒干擾素基因轉(zhuǎn)移到煙草DNA分子上，從而使煙草獲得了抗病毒的能力。這項技術(shù)所依據(jù)的遺傳學(xué)原理主要是（）A.堿基的互補(bǔ)配對原則B.中心法則C.基因分離定律D.基因重組2.下列不屬于利用基因工程技術(shù)制取的藥物是（）A.從大腸桿菌體內(nèi)制取的白細(xì)胞介素B.從酵母菌體內(nèi)獲得的干擾素C.從青霉菌體內(nèi)提取的青霉素D.從大腸桿菌體內(nèi)獲得的胰島素DC3.下列有關(guān)乳腺生物反應(yīng)器的敘述錯誤的是（）A.乳腺生物反應(yīng)器是將目的基因轉(zhuǎn)入哺乳動物受精卵獲得的B.乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)的藥物是自然界沒有的C.可從具有目的基因的轉(zhuǎn)基因雌性動物乳汁中提取藥物D.乳腺生物反應(yīng)器是轉(zhuǎn)基因技術(shù)在畜牧業(yè)中的應(yīng)用B課堂訓(xùn)練4.1987年，美國科學(xué)家將螢火蟲的螢光素基因轉(zhuǎn)入煙草植物細(xì)胞的染色體上，獲得高水平的表達(dá)。長成的植物通體光亮，堪稱自然界的奇跡。這一研究成果表明（

）①螢火蟲與煙草植物的DNA結(jié)構(gòu)基本相同②螢火蟲與煙草植物共用一套遺傳密碼③煙草植物體內(nèi)合成了螢光素

④基因工程可以克服不同種生物之間的雜交障礙A.①和③ B.②和③ C.①和④ D.①②③④D5.普通番茄細(xì)胞中含有多聚半乳糖醛酸酶的控制基因，控制細(xì)胞產(chǎn)生多聚半乳糖醛酸酶，該酶能破壞細(xì)胞壁,使番茄軟化,不耐儲藏?？茖W(xué)家通過基因工程將一種抗多聚半乳糖醛酸酶的基因?qū)敕鸭?xì)胞，獲得了抗軟化番茄。下列關(guān)于培育抗軟化番茄的敘述,錯誤的是（）A.運(yùn)載工具是質(zhì)粒B.受體細(xì)胞是番茄細(xì)胞C.目的基因為多聚半乳糖醛酸酶基因D.目的基因可能通過抑制多聚半乳糖醛酸酶基因的表達(dá),從而延緩細(xì)胞的軟化C課堂訓(xùn)練6.下圖表示利用基因工程生產(chǎn)胰島素的三種途徑,據(jù)圖判斷下列說法正確的是（）A.導(dǎo)入受體細(xì)胞C需要用Mg2+處理使大腸桿菌處于感受態(tài)B.利用顯微注射的方法將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞A即受精卵C.受體細(xì)胞B通常為萵苣的卵細(xì)胞,經(jīng)脫分化、再分化形成個體D.三種方法得到的胰島素結(jié)構(gòu)完全相同B課堂訓(xùn)練7.利用基因工程技術(shù)將人的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌制造“工程菌”的操作過程如下圖所示,請回答下列問題：(2)在基因工程中，大腸桿菌常作為受體細(xì)胞，原因是其

(至少答兩點(diǎn))。目的基因能否在真核生物中穩(wěn)定遺傳的關(guān)鍵是采用

檢測是否插入大腸桿菌的基因中。(3)經(jīng)過目的基因的檢測和表達(dá),獲得的胰島素卻往往無生物活性,導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是

。(4)目前，科學(xué)家已經(jīng)在牛和羊等動物乳腺生物反應(yīng)器中表達(dá)出多種重要醫(yī)藥產(chǎn)品，該過程是將藥用蛋白基因與

等調(diào)控元件重組在一起,通過

法，導(dǎo)入羊或牛的

中，使其生長發(fā)育為轉(zhuǎn)基因動物,轉(zhuǎn)基因動物進(jìn)入泌乳期后,通過分泌乳汁來生產(chǎn)所需要的藥物。(1)“工程菌”是指用基因工程的方法，

。過程⑦所需的酶，根據(jù)其來源不同分為

兩類。(1)使外源基因得到高效率表達(dá)的菌類E.coliDNA連接酶和T4DNA連接酶(2)為單細(xì)胞,遺傳物質(zhì)相對較少,繁殖快,容易培養(yǎng)PCR等技術(shù)(3)大腸桿菌不含有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體,不能對蛋白質(zhì)進(jìn)行加工、修飾(4)乳腺中特異表達(dá)的基因的啟動子顯微注射受精卵課堂訓(xùn)練8.CRISPR/Cas9系統(tǒng)基因編輯技術(shù)是近年來頗受關(guān)注的一項新技術(shù)。該基因表達(dá)系統(tǒng)主要包含引導(dǎo)RNA和Cas9蛋白兩個部分，引導(dǎo)RNA能識別并結(jié)合特定的DNA序列，從而引導(dǎo)Cas9蛋白結(jié)合到相應(yīng)位置并剪切DNA，最終實現(xiàn)對靶基因序列的編輯。研究人員試圖用CRISPR/Cas9系統(tǒng)對水稻產(chǎn)量基因Q基因進(jìn)行編輯，請回答下列問題：(1)研究發(fā)現(xiàn)，CRISPR/Cas9僅存在于原核生物，故需借助

技術(shù)才能在水稻細(xì)胞中發(fā)揮作用。Cas9蛋白與

酶的功能相似。(2)首先依據(jù)

的部分序列設(shè)計DNA片段A(負(fù)責(zé)編碼相應(yīng)引導(dǎo)RNA)，再將片段A與含有Cas9基因的質(zhì)粒B連接，以構(gòu)建編輯水稻Q基因的CRISPR/Cas9系統(tǒng)基因表達(dá)載體(如圖所示)。位點(diǎn)Ⅰ、位點(diǎn)Ⅱ分別表示

酶切位點(diǎn)。課堂訓(xùn)練(3)常用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將目的基因?qū)胨臼荏w細(xì)胞，依據(jù)農(nóng)桿菌的侵染特點(diǎn),目的基因?qū)⒉迦氲絋i質(zhì)粒的_____上，經(jīng)過轉(zhuǎn)化作用，進(jìn)入水稻細(xì)胞，并將其插入到______，從而使其得以維持穩(wěn)定和表達(dá)。(4)質(zhì)粒B大小為2.5kb(位點(diǎn)Ⅰ與位點(diǎn)Ⅱ相隔60b)，經(jīng)酶切后的片段A大小為0.5kb，連接形成的表達(dá)載體大小為________kb