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基因工程的应用价值
第二节第二节 基因工程的应用价值基因工程的应用价值
从人类认识基因到基因工程的迅猛发展只有短短一个多世纪，这期间无数科学家取得
了卓著的研究成果，这些成果已经造福于人类。基因工程给了人们无限遐想的空间，而它
的不断发展又将人类带入了实现梦想的年代。想一想，基因工程会有哪些应用价值呢？
事实：
1. 从远古时代的植物驯化到 20 世纪初植物育种
学的建立，人类无时无刻不在努力进行动植物的遗传
改良，希望能让它们更好地为人类服务。
2. 传统的育种方法从遗传学本质上讲，是以自然
条件下的基因突变体为种质基础，以有性杂交为基因
导入手段，以选择优良基因型重组体为目的的植物性
状改良过程。例如，我国祖先利用野生稻（图 3 - 2 - 1）
逐渐培育出栽培水稻的过程，依靠的就是传统育种
方法。
3. 由于远缘杂交会受到生殖隔离的影响，传统的
育种方法一般难以在短时间内获得新的突破。
4. 基因工程开辟了一条基因在植物、动物、微生
物等不同生物之间的“交流”新途径。
积极思维
3.由于远缘杂交会受到生殖隔离的影响，传统的育种方法一般难以在短时间内获得新的突破。
4.基因工程开辟了一条基因在植物、动物、微生物等不同生物之间的“交流”新途径。
1.从远古时代的植物驯化到20世纪初植物育种学的建立，人类无时无刻不在努力进行动植物的遗传改良，希望能让它们更好地为人类服务。
2.传统的育种方法从遗传学本质上讲，是以自然条件下的基因突变体为种质基础，以有性杂交为基因导入手段，以选择优良基因型重组体为目的的植物性状改良过程。例如，我国祖先利用野生稻逐渐培育出栽培水稻的过程，依靠的就是传统育种方法。
野生稻
此刻你最想通过基因工程创造出什么样的新成果，这个想法能利用现有的基因工程技术完成吗？
【学习目标】
举例说出基因工程在农牧业、医药业和食品业等方面的应用价值
阐明乳腺生物反应器的制备过程
目录
01
02
03
基因工程在农牧业中的应用价值
基因工程在食品业中的应用价值
基因工程在医药业中的应用价值
01
基因工程在农牧业中的应用价值
1.转基因生物：利用基因工程技术培育的、能稳定遗传外源基因所决定的性状的生物
2.植物基因工程硕果累累：植物基因工程在提高农作物的抗除草剂、抗虫、抗病和抗除草剂能力等方面大显身手
3.转基因抗病植物的生产带来效益
许多微生物会引起植物病害，这些微生物包括病毒、细菌和真菌
转基因抗病毒木瓜与对照
(1) 番木瓜环斑病在全球的番木瓜产地都有发生，在中国南方的多个省份也广泛流行。番木瓜环斑病毒是一种变异性很强的 RNA 病毒，不同地区的毒株感染番木瓜的能力差异较大。
在中国的番木瓜主要产地——华南地区，发现了 4 个番木瓜环斑病毒毒株，其中“黄点花叶”株是优势毒株。科学家将这个毒株的复制酶基因转入番木瓜细胞内，培育出具有很强抗病性能的转基因品系——“华农 1 号”。
(2)科学家将病毒的复制酶基因和衣壳蛋白基因以及几丁质酶基因、植物抗病毒基因导入小麦、甜椒或番茄等作物，获得了抗病的小麦、甜椒或番茄等新品种。
转基因抗病毒甜椒
抗条锈病小麦（右）
4.转基因抗虫植物已广泛投入生产
科学家已将从苏云金杆菌中分离出来的编码苏云金杆菌 Bt 毒蛋白的基因导入棉细胞，培育出了转基因抗虫棉。转基因抗虫棉对棉铃虫等具有很强的抗性。
抗虫棉叶
非抗虫棉叶
此外，转基因抗虫水稻、玉米、大豆、马铃薯、烟草、番茄、苹果、核桃、杨树和菊花等抗虫品种也相继问世。
5.转基因抗逆植物的培育带来新希望
(1)科学家已经将抗冻蛋白基因转入番茄细胞，培育出转基因抗冻番茄，这类番茄由于具有抗冻性状，保鲜期和贮藏期都大为延长。
(2)科学家已经成功地向某些作物转入一些可以调节细胞渗透压的基因来提高作物的抗盐碱和抗干旱的能力。
6.动物基因工程显示出诱人的应用前景
(1)改善畜牧产品的品质
①基因：ω－3脂肪酸去饱和酶基因
②成果：培育成可产生较多ω－3脂肪酸的转基因猪
(2)提高动物的生长速度
①基因：外源生长激素基因
②成果：转基因绵羊和转基因三文鱼
基因工程改良动植物品种的优点：能打破常规育种难以突破的物种之间的界限
02
基因工程在食品业中的应用价值
1.基因工程在食品业中的应用价值
(1)植物品质改良主要包括植物 、糖类、脂肪品质的改良以及维生素 的改良
1.基因工程在食品业中的应用价值
(1)植物品质改良主要包括植物蛋白质、糖类、脂肪品质的改良以及维生素种类和含量的改良
(2)基因工程在氨基酸、助鲜剂、甜味剂等食品添加剂的生产，以及广泛应用于食品制造业的淀粉酶、纤维素酶 、脂肪酶、蛋白酶的大规模生产方面也大显身手
实例1：阿斯巴甜 一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产
实例2：凝乳酶
大多数奶酪的生产需要使用凝乳酶来凝聚固化奶中的蛋白质。
传统制备方法：杀死未断奶的小牛，将其第四胃的黏膜取出来提取。
基因工程技术：将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉、酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。
实例3：淀粉酶、脂肪酶
加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食物要用到的脂酶等也可通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。
【优点】基因工程获得的工业用酶的纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。
03
基因工程在医药业中的应用价值
1.基因工程在医药业中的应用价值
(1)基因工程药物
①利用转基因工程菌生产药物
②利用生物反应器生产药物
a.生物反应器的种类：
乳腺生物反应器
膀胱生物反应器
输卵管生物反应器等
b.乳腺生物反应器的构建
药用蛋白基因
转基因动物
乳腺中特异表达的基因的启动子
代孕母体
重组载体
哺乳动物受精卵
早期胚胎
乳汁中含有药物蛋白
培养
显微注射
分娩
胚胎移植
优点：产量高、质量好、成本低、易提取
(2)基因治疗
①概念：是指利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法，包括基因诊断、基因分离、载体构建、目的基因导入等多项技术
②类型
种类 概念
体内基因治疗 将分离出来的带有治疗作用的基因通过载体转入患者体内的某些细胞，直接纠正或弥补缺陷基因的功能
体外基因治疗 采用转基因技术将带有治疗作用的基因导入病毒基因组，再用病毒感染受体细胞，治疗基因整合到受体基因组后，受体细胞经体外培养、增殖后导入患者体内
乳腺生物反应器 工程菌
含义 让外源基因在哺乳动物的乳腺中 特异性表达，利用动物的乳腺组织生产药用蛋白 用基因工程的方法，是外源基因得到
高效表达的微生物
基因表达 合成的药用蛋白与天然蛋白相同 合成的药用蛋白可能没有活性
受体细胞 哺乳动物受精卵 微生物细胞
目的基因 导入方式 显微注射法 Ca2+处理法
生产条件 不需要严格灭菌，温度等外界条件对其影响不大 需要严格灭菌，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
比较乳腺生物反应器和工程菌
1.与大肠杆菌相比，用酵母菌生产的人胰岛素有什么优势？
提示　酵母菌为真核生物，可通过内质网和高尔基体对产生的胰岛素进行加工和修饰，从而产生有活性的胰岛素
2.培育乳腺生物反应器转基因动物时为什么要选用乳腺蛋白基因的启动子等调控组件与药用蛋白基因重组在一起？
提示　目的是让药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达
思考
3.与工厂化生产药用蛋白相比，用动物乳腺作为反应器生产药用蛋白的优势有哪些？
提示　
(1)动物乳腺有完整的蛋白质翻译后修饰系统，生产的蛋白质活性高，更稳定
(2)产物直接经乳汁分泌，易提取
积极思维
腺苷脱氨酶基因缺陷症是一种罕见的遗传性免疫缺陷疾病，是由于缺少腺苷脱氨酶而引起的。腺苷脱氨酶缺乏者有反复受感染的危险，其中许多人在出生后几个月内就会死亡。如果一名儿童从双亲的一方遗传了有缺陷的基因，从另一方遗传了正常的基因，则这名儿童不会患这种疾病。
1990年9月，美国医生对一名患有该基因缺陷症的4岁女孩，进行了人类历史上的首次基因治疗。这次基因治疗的成功标志着基因治疗临床应用阶段的开始。一年之后，科学家们在另一名9岁儿童身上又进行了同样的临床实验，也取得了较好的治疗效果
课堂小结
基因工程的应用
农牧业方面
医药卫生领域
基因治疗
转基因抗虫植物
利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸、维生素
基因工程药物
改善畜产品的品质
提高动物生长速率
改善植物的品质
转基因抗逆植物
转基因抗病植物
食品工业方面
体内基因治疗
体外基因治疗
随堂练习
1.下列关于基因工程在食品工业方面的应用的叙述，错误的是( )
A.用于形成阿斯巴甜的主要氨基酸可以通过基因工程大规模生产
B.通过基因工程获得凝乳酶时，需将编码凝乳酶的基因导入受体菌的基因组中
C.相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶的纯度较低
D.生产淀粉酶和脂酶时，可通过构建工程菌，用发酵技术大量生产
解析：A、阿斯巴甜主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可以通过基因工程大规模生产，A正确；B、基因工程获得凝乳酶时，需将编码凝乳酶的基因导入受体菌，如大肠杆菌、黑曲霉等的基因组中，B正确；C、天然产物中酶的种类多，相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶的纯度较高，C错误；D、生产淀粉酶和脂酶时，可通过构建工程菌，用发酵技术大量生产，D正确。
C
2.研究人员利用E.coli DNA连接酶将药用蛋白基因与一系列调控元件、质粒等构建成重组质粒后,将其导入哺乳动物的受精卵中,由该受精卵发育成的转基因动物进入泌乳期后,可通过分泌乳汁来生产药用蛋白。利用上述乳腺生物反应器,科学家已获得了种类繁多的医药产品。下列说法正确的是( )
A.质粒是一种只存在于原核细胞拟核DNA外、具有自我复制能力的环状DNA分子
B.E.coli DNA连接酶连接具有平末端的DNA片段的效率高于T4DNA连接酶
C.构建重组质粒时使用的启动子应能启动药用蛋白基因在乳腺中特异表达
D.“将重组质粒导入哺乳动物的受精卵中”是乳腺生物反应器制作的核心工作
解析：质粒是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞(如酵母菌)的细胞核或原核细胞(如细菌)拟核之外,并具有自我复制能力的环状双链DNA分子,A错误;E.coli DNA连接酶连接具有平末端的DNA片段的效率低于T4DNA连接酶,B错误；构建重组质粒时使用的启动子等调控元件应能启动药用蛋白基因在乳腺细胞中特异表达,C正确;基因表达载体的构建是乳腺生物反应器制作的核心工作,D错误。
C
3.基因组编辑技术能对基因进行定点“修改”，以改变目的基因的序列和功能，可应用于物种改良和基因治疗。下列分析错误的是( )
A.对目的基因的碱基进行定点替换、增添或敲除，会引起基因突变
B.编辑过程中造成DNA小片段异常插入某基因中，将导致染色体变异
C.将抗性基因编辑后插入农作物基因组中改良物种，利用了基因重组原理
D.可通过导入正常基因或者精准编辑修复缺陷基因，达到治疗疾病的目的
解析：A、基因组编辑时对基因进行定点修改，以改变目的基因的碱基序列，属于基因突变，A正确；
B、编辑过程中造成DNA小片段异常插入某基因中，将导致基因中的碱基序列增添，属于基因突变，B错误；C、将抗性基因编辑后插入农作物基因组中，通过基因重组使该农作物获得抗性性状，改良物种，C正确；D、导入正常基因或者精准编辑修复缺陷基因，可纠正因遗传物质改变引起的病变，达到治疗疾病的目的，D正确。
B
4.我国科学家构建了B型血友病（由编码某种凝血因子的F基因发生碱基的替换导致）模型鼠，尝试对模型鼠进行基因治疗，并测定凝血时间，结果如图所示。下列分析错误的是( )
A.A组作为空白对照组，应选择健康鼠
B.基因治疗模型鼠完全恢复凝血能力
C.治疗中可能运用了基因编辑技术
D.设置B型血友病模型鼠组可判断基因治疗效果
解析：A、基于实验的对照原则，A组作为空白对照组，应选择健康鼠，A正确；B、与B型血友病模型鼠相比，基因治疗模型鼠的凝血时间显著缩短，但略长于健康鼠的凝血时间，因此基因治疗模型鼠能部分恢复凝血能力，B错误；C、B型血友病是由编码某种凝血因子的F基因发生碱基的替换导致的，因此可采用基因编辑技术对B型血友病模型鼠的异常F基因进行定点“修改”，C正确；D、设置B型血友病模型鼠组与基因治疗模型鼠组对照，可判断基因治疗效果，D正确。
B

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