備課素材：昆蟲不育技術(shù)的研究和應(yīng)用-2023-2024學(xué)年高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

昆蟲不育技術(shù)的研究和應(yīng)用先看一道試題：對(duì)基因進(jìn)行定點(diǎn)修飾的技術(shù)稱為基因編輯。昆蟲學(xué)家嘗試?yán)肅RISPR/Cas9對(duì)蚊子進(jìn)行基因編輯從而產(chǎn)生顯性不育基因，使蚊子受精卵不能發(fā)育為成體，以達(dá)到控制蚊子數(shù)量的目的。(1)研究發(fā)現(xiàn)，雌蚊一生只能交配0～1次，而一只雄蚊可以與不同的雌蚊交配。據(jù)此應(yīng)對(duì)

(雌/雄)蚊子進(jìn)行基因編輯。(2)根據(jù)題意，請(qǐng)對(duì)下列基因編輯改造蚊子的步驟進(jìn)行排序：

。①合成Cas9/gRNA復(fù)合物，對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行編輯②蚊子的基因組進(jìn)行測(cè)序，確定與生殖發(fā)育有關(guān)的目標(biāo)基因③實(shí)驗(yàn)室條件篩選出不育的轉(zhuǎn)基因蚊子④合成與目標(biāo)基因能堿基互補(bǔ)配對(duì)的gRNA⑤將轉(zhuǎn)基因蚊子釋放到野外發(fā)揮作用(3)與編輯前的基因相比，顯性不育基因可能

。(多選)A.堿基對(duì)的數(shù)量變多B.堿基對(duì)的數(shù)量變少C.某一位點(diǎn)堿基不同D.所在染色體位置不同答案∶（1）雄（2）②④①③⑤（3）ABC評(píng)析：問題（1）基于的課標(biāo)概念是"親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上"，同時(shí)需要學(xué)生能夠靈活運(yùn)用新情境信息，在明確了雌蚊和雄蚊在生殖上的區(qū)別以后，才能對(duì)問題有正確的解答。試題內(nèi)容在難度上能達(dá)到科學(xué)思維和科學(xué)探究的水平三問題（2）的設(shè)計(jì)是考查學(xué)生本體知識(shí)和新知識(shí)遷移融合的能力。對(duì)應(yīng)的課標(biāo)概念是"闡明基因工程的基本操作程序"，通過排序填空的方式，考查學(xué)生基于已有素材重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)探究過程的能力。題型在難度上可以達(dá)到科學(xué)探究的水平三。問題（3）考查了課標(biāo)中的概念"闡明基因中堿基序列的改變有可能導(dǎo)致所編碼的蛋白質(zhì)及相應(yīng)細(xì)胞功能發(fā)生變化"，并且對(duì)不同學(xué)生考查的層次不一樣。對(duì)于一般的學(xué)生，可能不能完全理解情境信息的內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)酶切就選擇堿基對(duì)減少。對(duì)于中等的學(xué)生，從等位基因的本體概念出發(fā)，能意識(shí)到編輯以后的基因?qū)儆诘任换?，就能夠把基因編輯的含義和基因突變的概念聯(lián)系起來，作出正確的判斷。對(duì)于更高層次的學(xué)生，引導(dǎo)他們?nèi)ジ形蛑R(shí)遷移的重要性，沿著情境經(jīng)歷科學(xué)家最初發(fā)現(xiàn)這種生命現(xiàn)象后如何來遷移應(yīng)用。此題提到了利用基因編輯技術(shù)使蚊子產(chǎn)生顯性不育基因。多年來，防治昆蟲傳播疾病一直是科學(xué)家們的優(yōu)先研究方向。盡管科學(xué)家們已經(jīng)取得了所有的進(jìn)展，但世界上仍有一半的人生活在蚊蟲肆虐的地方。而轉(zhuǎn)基因蚊子便是攻克頑疾的突破口，可以有效降低感染瘧疾和其他致命疾病的可能性。通過基因編輯技術(shù)——CRISPR/Cas9系統(tǒng)是一條新的途徑。蚊子是傳播寨卡、登革熱和黃熱病等致命疾病的“元兇”。2021年，一項(xiàng)發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》的新研究利用基因編輯技術(shù)使雄蚊不育，以減緩這些疾病的傳播。其實(shí)，不育昆蟲技術(shù)的研究也經(jīng)過較長時(shí)間的研究。1.不育昆蟲技術(shù)（SIT）的研究過程不育昆蟲技術(shù)（SIT）是美國農(nóng)業(yè)部的科學(xué)家在20世紀(jì)50年代開發(fā)出來的，最初用于對(duì)付造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的蠅類害蟲——螺旋蠅。他們發(fā)現(xiàn)，將螺旋蠅暴露于射線輻射下，可以使其變得不育。這些不育的螺旋蠅被釋放到自然環(huán)境中后，與野生蠅類競爭繁殖資源，結(jié)果螺旋蠅種群的數(shù)量顯著下降了。這一成功的實(shí)踐為SIT的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展和改進(jìn)，SIT已經(jīng)在世界各地得到了廣泛應(yīng)用，與其他技術(shù)結(jié)合已成功防治了多種高發(fā)害蟲，比如：會(huì)在動(dòng)物身上引起“蠅蛆病”的螺旋蠅已在美國、墨西哥、中美洲、波多黎各和利比亞被完全清除；對(duì)蘋果產(chǎn)業(yè)造成毀滅性打擊的蘋果蠹蛾，在加拿大的不列顛哥倫比亞省和南非得到了有效控制。除了通過輻射讓昆蟲“不孕不育”從而控制其數(shù)量的SIT，還有一種不兼容昆蟲技術(shù)（IIT），主要使用沃爾巴克氏體屬的內(nèi)生菌感染昆蟲，讓昆蟲的繁殖產(chǎn)生異常，從而控制昆蟲數(shù)量。在不兼容昆蟲技術(shù)中，若雌雄蚊子都感染了同一菌株的沃爾巴克氏體，它們的后代還是會(huì)正常發(fā)育，野外的蚊子種群可能會(huì)逐漸全部攜帶沃爾巴克氏體的種群，即發(fā)生“種群替換”，滅蚊效果也隨之削弱。進(jìn)入21世紀(jì)，人們開始用SIT控制一些傳播疾病的昆蟲——蚊子。美國陸軍合作生物技術(shù)研究所和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員利用CRISPR-Cas9基因編輯工具，以雄蚊生育能力相關(guān)基因?yàn)槟繕?biāo)，對(duì)埃及伊蚊進(jìn)行了“絕育”實(shí)驗(yàn)。研究闡述了基因突變是如何抑制蚊子繁殖能力的。2.不育蚊子的培育機(jī)理——基因編輯技術(shù)通過輻射使雄性蚊子絕育，這些方法會(huì)對(duì)蚊子的健康造成傷害，有可能降低它們與雌蚊成功交配的幾率。美國陸軍合作生物技術(shù)研究所和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究團(tuán)隊(duì)決定開辟新路，他們?cè)谖米芋w內(nèi)突變一種基因，從而導(dǎo)致雄蚊不育，但不會(huì)影響到蚊子的其他健康狀況，相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。研究人員首先運(yùn)用CRISPR-Cas9基因編輯工具，選擇性破壞一個(gè)專門影響雄性生育能力的β2-微管蛋白(B2t)基因，并繁育出一批攜帶突變基因的雄性埃及伊蚊，這些蚊子無法產(chǎn)生精子，但在其他方面卻完全健康。這些雄蚊被引入到雌蚊群體中后，也能有效抑制雌蚊的生育能力。研究者將15只攜帶突變基因的雄性埃及伊蚊與15只雌蚊關(guān)在一起，讓其交配，在24小時(shí)后將無生育能力的15只雄蚊換為15只野生雄蚊（有生育能力），結(jié)果顯示，所有雌蚊的生育能力都受到影響。也就是說，雖然突變雄蚊無法產(chǎn)生精子，與不育雄蚊交配后，健康的雌蚊子再遇到健康的雄蚊子也無法生育了。然而，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，這種基因編輯的效果如何隨著時(shí)間而變化。雌蚊必須要與許多不育雄蚊進(jìn)行長時(shí)間的交配，才會(huì)完全失去生育能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，讓雌蚊與變異雄蚊交配4小時(shí)，雌蚊的生育能力會(huì)降低到正常水平的20%。當(dāng)交配時(shí)間達(dá)到8小時(shí)，這個(gè)比例會(huì)穩(wěn)定在10%左右。原理如圖所示：這項(xiàng)研究結(jié)果預(yù)示著，連續(xù)不斷地釋放不育雄蚊，有可能帶來更有效的控蚊效果。在未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)探索蚊子的交配行為和繁殖能力，以尋找新的有效抑制蚊子數(shù)量的方法。3.可能帶來的安全性問題轉(zhuǎn)基因蚊子這種新技術(shù)在生態(tài)環(huán)境中引發(fā)了許多不確定性，其潛在影響遠(yuǎn)超出了我們的想象。轉(zhuǎn)基因蚊子釋放到自然環(huán)境中可能會(huì)與野生蚊子交配，導(dǎo)致野生蚊子基因的改變。盡管目前的研究表明轉(zhuǎn)基因蚊子的基因變異不會(huì)對(duì)蚊子種群的繁衍能力產(chǎn)生顯著影響，但我們不能忽視這種不確定性的可能性。一旦野生蚊子的基因發(fā)生變異，我們將很難預(yù)測(cè)這些變異將如何改變蚊子種群的適應(yīng)能力和生態(tài)角色。轉(zhuǎn)基因蚊子對(duì)非靶生物的影響也是一個(gè)重要的問題。雖然轉(zhuǎn)基因蚊子被設(shè)計(jì)成只針對(duì)傳播疾病的蚊子物種，但我們不能完全排除它對(duì)其他昆蟲和動(dòng)物的潛在影響。例如，如果這些轉(zhuǎn)基因蚊子不小心傳播到其他地區(qū)，可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞，影響到其他昆蟲的生存和物種多樣性。例、細(xì)菌在長期進(jìn)化過程中形成一種免疫機(jī)制——CRISPR/Cas9系統(tǒng)，以此來清除入侵的外源DNA，如病毒DNA，具體過程如圖。圖中細(xì)菌CRISPR序列的間隔區(qū)負(fù)責(zé)儲(chǔ)存入侵過的外源DNA片段，當(dāng)相同外源DNA再次入侵時(shí)，可更快地清除外源DNA。注：gRNA，又稱引導(dǎo)RNA，通過與外源DNA的靶序列堿基互補(bǔ)配對(duì)，進(jìn)而識(shí)別。Cas9，Cas9蛋白，能對(duì)DNA進(jìn)行切割。（1）圖中CRISPR序列指導(dǎo)合成gRNA的過程稱為

。

（2）下列有關(guān)CRI