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人教版（2019）高二生物选择性必修三导学案
第3节　基因工程的应用
学习目标：举例说出基因工程的应用及其取得的丰硕成果。
学科素养：1.生命观念：举例说出基因工程的成果及其给人类带来的影响。
2．科学思维：运用归纳概括、创新思维的方法理解基因工程应用中运用的基因工程基本原理。
3．社会责任：展开想象，畅想基因工程的未来。
知识点一　基因工程在农牧业方面的应用
自主梳理
1．转基因抗虫植物
(1)方法：从某些生物中分离出具有________________，将其导入作物中。
(2)成果：________________、玉米、水稻等。
(3)意义：减少____________的使用，降低生产成本，减少环境污染。
2．转基因抗病植物
(1)方法：将来源于某些病毒、真菌等的________导入植物中。
(2)成果：转基因抗病毒甜椒、番木瓜等。
(3)意义：能获得用常规育种方法很难培育出的___________。
3．转基因抗除草剂植物
(1)方法：将__________________________导入作物中。
(2)成果：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
(3)意义：在喷施除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不受损伤。
4．改良植物的品质
(1)方法：将____________编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量。
(2)实例：转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。
5．提高动物的生长速率
(1)方法：将________基因导入动物体内，提高动物的生长速率。
(2)实例：转基因鲤鱼。
6．改善畜产品的品质
(1)方法：将________基因导入奶牛基因组。
(2)实例：乳汁中乳糖含量大大降低的转基因奶牛。
答案：
1．(1)抗虫功能的基因　(2)转基因抗虫棉花　(3)化学杀虫剂
2．(1)抗病基因　(3)抗病的新品种
3．(1)降解或抵抗某种除草剂的基因　
4．(1)必需氨基酸含量多的蛋白质
5．(1)外源生长激素
6．(1)肠乳糖酶
[互动探究]
1．(科学思维)基因工程应用于提高植物抗逆能力
(1)抗虫棉能抗病毒、细菌、真菌吗？为什么？
(2)对于基因工程生产的抗虫棉是否取得最后的成功，最简单的检测方法是什么？
(3)从环境保护角度出发，分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性有哪些？
(4)种植转基因抗虫棉若干年后，害虫会不会对转基因抗虫棉产生抗性？为什么？
(1)提示：不能。抗虫基因具有专一性。
(2)提示：让害虫去吃转基因棉花的植株，观察害虫的生存状况。
(3)提示：减少了化学农药的使用量，降低了环境污染。
(4)提示：会。害虫会因遗传物质发生改变产生对转基因抗虫棉的抗性。
2．(社会责任)改良植物的品质
从基因与性状的关系角度，思考利用转基因改良植物品质的途径(从直接控制法和间接控制法来回答)。
提示：直接控制法：导入控制该性状的结构蛋白基因；间接控制法：导入与该性状有关的某种酶的基因。
3．(社会责任)提高动物的生长速率
为提高动物的生长速率，需将外源生长激素基因导入动物体内，应该选择的受体细胞是什么？说明理由。
提示：受精卵。受精卵体积较大，操作较容易，含营养物质丰富，也能保障发育成的个体所有细胞都含有外源生长激素基因，全能性较高。
4．(社会责任)改善畜产品的品质
为什么将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组能降低牛奶中的乳糖含量？
提示：肠乳糖酶基因在奶牛乳腺细胞中表达出乳糖酶，可以分解乳汁中的乳糖。
归纳提升
1．转基因动物的培育过程(以转基因牛培育过程为例)
2．植物基因工程
项目 外源基因类型及举例 成果举例
转基因 抗虫植物 抗虫基因：Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因 抗虫水稻、抗虫棉、抗虫玉米
转基因 抗病植物 (1)抗病毒基因：病毒外壳蛋白基因、病毒复制酶基因；(2)抗真菌基因：几丁质酶基因、抗毒素合成基因 抗病毒烟草、抗病毒小麦、抗病毒番茄、抗病毒甜椒
转基因 抗逆植物 抗逆基因：调节细胞渗透压基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因 抗盐碱干旱的烟草、抗寒番茄、抗除草剂的大豆和玉米
改良品质 的转基因 植物 优良性状基因：提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、控制番茄成熟的基因、与花青素代谢有关的基因 高赖氨酸玉米、耐储存番茄、新花色矮牵牛
3.转基因植物培育过程
目的基因都是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因，并不都是来自细菌、病毒等微生物，如抗冻蛋白基因来自鱼类。
针对训练
1．关于基因工程应用描述错误的是(　　)
A．植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力
B．抗虫棉的Bt毒蛋白基因来源于棉铃虫
C．可以提高农作物抗盐碱和抗旱能力的目的基因是调节细胞渗透压的基因
D．外源生长激素基因表达可以使转基因动物生长更快
答案：B　
解析：将抗逆性基因导入农作物体内，可用于提高农作物的抗逆能力，A正确；我国转基因抗虫棉是转入了苏云金芽孢杆菌的抗虫基因培育出来的，B错误；因为盐碱和干旱对农作物的危害与细胞内调节渗透压有关，所以科学家可以调节细胞渗透压的基因，来提高作物抗盐碱、抗干旱的能力，这在烟草等植物中已获得了比较明显的成果，C正确；外源生长激素基因表达可以使转基因动物生长更快，D正确。
2．抗病毒转基因植物成功表达后，以下说法正确的是(　　)
A．抗病毒转基因植物可以抵抗所有病毒
B．抗病毒转基因植物对病毒的抗性具有局限性或特异性
C．抗病毒转基因植物可以抗害虫
D．抗病毒转基因植物可以稳定遗传，不会变异
答案：B　
解析：由于外源抗病毒基因具有特异性，因而其表达产物具有特异性或局限性，只能抵抗某种或某类病毒，不可能抵抗所有病毒，更不能抗害虫。目的基因导入受体细胞后，可以随受体内的自身遗传物质稳定遗传，也会同自身遗传物质一样发生变异。
知识点二　基因工程在医药卫生领域和食品工业方面的应用
自主梳理
1．基因工程在医药卫生领域的应用
(1)方法
①对微生物或动植物的细胞进行________，使它们能够生产药物。
②利用乳腺生物反应器生产药物：将________基因与乳腺中特异表达的基因的________等调控元件重组在一起，通过________导入哺乳动物的受精卵中，培育出的转基因动物通过________生产所需要的药物。
③培育移植器官：在器官供体的基因组中导入某种________抑制________基因的表达或设法除去________基因，然后再结合________技术，培育出不会引起________反应的转基因克隆器官。
(2)实例：重组人干扰素、促红细胞生成素、抗凝血酶、血清白蛋白等。
2．基因工程在食品工业方面的应用
(1)利用基因工程菌生产________________、氨基酸和维生素等。
①利用基因工程大规模生产天冬氨酸和苯丙氨酸。
②利用基因工程通过工业发酵批量生产________、淀粉酶、脂酶等。
(2)基因工程技术获得的工业用酶的优点：纯度高、生产成本低、生产效率高。
答案：
1．(1)①基因改造　②药用蛋白　启动子　显微注射　分泌乳汁　③调节因子　抗原决定　抗原决定　克隆　免疫排斥
2．(1)食品工业用酶　②凝乳酶　
[互动探究]
1．(科学思维)用乳腺生物反应器或乳房生物反应器可大量生产药物，构建这种药物基因的表达载体时，需要怎样的启动子？
提示：乳腺蛋白基因的启动子。
2．什么是干扰素？有何作用？用什么方法可大量生产干扰素？
提示：干扰素是动物或人体细胞受到病毒侵染后产生的一种糖蛋白。干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染，它是一种抗病毒的特效药。用基因工程的方法利用大肠杆菌及酵母菌细胞大量生产干扰素。
3．什么叫工程菌？利用工程菌可生产哪些药物？
提示：用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类一般称为工程菌。工程菌生产的药物有细胞因子、抗体、疫苗、激素等。
归纳提升
1．乳腺生物反应器的操作过程
2．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别
比较内容 乳腺生物反应器 工程菌
含义 指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白 指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系
受体基因 结构与人 类基因结 构差异 动物基因结构与人类的基因结构基本相同 细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异
基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白质相同 细菌合成的药物蛋白可能没有活性
受体细胞 动物受精卵 微生物细胞
目的基因 导入方式 显微注射法 感受态细胞法
生产条件 不需严格灭菌；温度等外界条件对其影响不大 需严格灭菌，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
生产设备 畜牧业生产、提取设备 发酵生产、提取设备
3.动物基因工程
项目 外源基因类型及举例 成果举例
提高生长 速度的转 基因动物 外源生长激素基因 转基因绵羊、转基因鲤鱼
改善畜产品 品质的转基 因动物 肠乳糖酶基因 乳汁中含乳糖较少的转基因奶牛
生产药物的 转基因动物 药用蛋白基因＋乳腺蛋白基因的启动子 乳腺生物反应器
作器官移植 供体的转基 因动物 外源的抗原决定基因表达的调节因子或除去供体的抗原决定基因 无免疫排斥的转基因猪器官
[易错提醒]
1．动物基因工程的目的主要是改良畜产品的品质或者是用转基因动物生产药物。
2．高产青霉菌是诱变产生的，不属于基因工程菌。
3．乳腺生物反应器的操作过程中，构建基因表达载体时，目的基因首端要连接乳腺蛋白基因的启动子等调控组件，否则目的基因在乳腺上皮细胞中不能转录。将构建好的基因表达载体导入受精卵，而不是乳腺上皮细胞，这样由受精卵发育成的个体体细胞均含有目的基因(如药用蛋白基因)，但该基因只在乳腺上皮细胞中表达。
4．与乳腺生物反应器相比，膀胱生物反应器的优点是从转基因动物一出生就可以收集产物，不用考虑动物的性别和是否正处于生殖期。膀胱生物反应器最显著的优势在于从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
针对训练
1．科学家已能运用基因工程技术，让羊的乳腺合成并分泌人体的某些抗体，以下叙述不正确的是(　　)
A．该技术可导致定向变异
B．表达载体中需要加入乳腺蛋白基因的特异性启动子
C．目的基因是抗原合成基因
D．受精卵是理想的受体细胞
答案：C　
解析：由题意分析可知该技术为基因工程技术，将目的基因导入受体细胞，可以定向改变生物性状，A正确；运用基因工程技术，让羊的乳腺生产抗体，则表达载体中目的基因上游要加入羊乳腺蛋白基因的启动子，B正确；目的基因是人体内控制某些抗体合成的基因，C错误；受精卵常作为动物基因工程的受体细胞，D正确。
2．近年来基因工程的发展非常迅猛，下列不属于基因工程应用的是( )
A．克隆猴“中中”和“华华”
B．利用乳腺生物反应器生产药物
C．制造一种能分解石油的“超级细菌”
D．制造一种能产生干扰素的工程菌
答案：A　
解析：克隆猴“中中”和“华华”应用了动物细胞核移植技术，A符合题意；利用乳腺生物反应器生产药物，这属于动物基因工程的应用，B不符合题意；制造一种能分解石油的“超级细菌”，这属于基因工程的应用，C不符合题意；制造一种能产生干扰素的工程菌，这属于基因工程的应用，D不符合题意。
[要语必背]
1．乳腺生物反应器的构建过程是将药用蛋白基因和乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中，由这个受精卵发育成的转基因动物通过分泌乳汁来生产所需要的药物。
2．利用基因工程解决移植器官短缺问题并可避免免疫排斥。
3．利用基因工程菌除了可以生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
巩固练习
1．在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作正确的是(　　)
A．用限制酶切割烟草花叶病毒的核酸
B．用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体
C．重组DNA分子只能导入烟草的受精卵
D．用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞属于细胞水平的检测
答案：B　
解析：限制酶一般只切割DNA分子双链，而烟草花叶病毒的核酸是RNA，A错误；DNA连接酶连接目的基因和载体，构建基因表达载体，即重组DNA分子，B正确；作为目的基因的受体细胞，可以是烟草的受精卵，也可以是一般的体细胞或烟草的原生质体，C错误；用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞属于个体生物学水平的检测，D错误。
2．促红细胞生成素是一种糖蛋白，必须经过内质网和高尔基体进一步加工合成。通过基因工程技术，可以使人的糖蛋白得以表达的受体是(　　)
A．大肠杆菌 B．T4噬菌体
C．中国仓鼠卵巢细胞 D．质粒DNA
答案：C　
解析：大肠杆菌中只有核糖体一种细胞器，没有内质网、高尔基体等其他细胞器，因此不能对该糖蛋白进行加工，因此不适用，A错误；T4噬菌体属于病毒，没有细胞结构，不能独立合成蛋白质，因此不能用作受体细胞，B错误；中国仓鼠卵巢细胞中具有核糖体、内质网、高尔基体等细胞器，能够对合成的促红细胞生成素进行加工，C正确；质粒为小型环状DNA，不能作为目的基因的受体，一般在基因工程中作为运载体，D错误。
3．下列关于培育转基因抗虫棉的叙述，正确的是(　　)
A．DNA连接酶能把Bt抗虫蛋白基因与噬菌体相连接
B．Bt抗虫蛋白基因可借助花粉管通道进入受体细胞
C．Bt抗虫蛋白对害虫和人都有不同程度的毒害作用
D．需制备相应抗原来检测Bt抗虫蛋白
答案：B　
解析：培育转基因植物常用农杆菌转化法，可用DNA连接酶将编码Bt 抗虫蛋白的基因与农杆菌的Ti质粒相连接，构建基因表达载体，A错误；在植物细胞基因工程中，可利用农杆菌转化法将目的基因导入受体细胞，也可以利用花粉管通道法将目的基因导入受精卵中，B正确；Bt 抗虫蛋白对哺乳动物无毒害作用，C错误；要检测目的基因是否成功翻译，可用抗原—抗体杂交技术进行检测，目的基因翻译的蛋白质作为抗原，故需制备相应抗体来检测Bt 抗虫蛋白，D错误。
4．下列有关目的基因的操作能够改善产品品质的是(　　)
A．将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内
B．将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组
C．将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达
D．将Bt抗虫蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达
答案：B　
解析：将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内是提高鲤鱼的生长速率；导入肠乳糖酶基因的奶牛的牛奶中乳糖含量降低，改善了牛奶的品质；将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达是乳腺生物反应器的应用；Bt抗虫蛋白基因是抗虫基因，能够提高植物的抗虫能力。
5．下列有关转基因植物的说法错误的是(　　)
A．科学家可以利用一些调节细胞渗透压的基因来提高作物的抗盐碱和抗旱的能力
B．由于抗虫棉可以抵抗一切危害棉花植株的害虫，所以抗虫棉已经推广应用
C．科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，以提高农作物的营养价值
D．引起植物生病的病原微生物，主要有病毒、真菌和细菌等
答案：B　
解析：由于盐碱和干旱对农作物的危害与细胞内渗透压的调节有关，所以目前科学家正在利用调节细胞渗透压的基因来提高农作物的抗盐碱和抗干旱的能力；转基因抗虫棉只是对棉铃虫有较强的抗性，并不是针对所有害虫；人体自身不能合成必需氨基酸，所以在改良植物品质上科学家更重视提高必需氨基酸的含量。
6．下面有关基因工程的叙述，正确的是(　　)
A．利用基因工程技术可分别从大肠杆菌和青霉菌体内获取基因工程药品胰岛素和青霉素
B．用大肠杆菌作受体细胞时，可用NaCl处理大肠杆菌
C．启动子也称为起始密码子，终止子也称为终止密码子
D．由大肠杆菌工程菌获得的人的干扰素不能直接利用
答案：D　
解析：青霉菌产生青霉素是一种自身基因的正常表达，故从青霉菌体内获得的青霉素不属于基因工程药品，A错误；用大肠杆菌作受体细胞时，可用CaCl2处理大肠杆菌，B错误；启动子和终止子都是一段特殊的DNA序列，负责调控基因的转录，而起始密码子和终止密码子都存在于mRNA上，分别决定翻译的起始和终止，C错误；大肠杆菌是原核生物，无内质网和高尔基体，由大肠杆菌工程菌生产的干扰素不具备天然活性，需经过人工加工处理后才能利用，D正确。
7．据报道，我国海水稻试种成功，并获得喜人的收成。如果能够在更多的盐碱地里种植海水稻，将会养活更多的人。回答下列问题。
(1)人们利用基因工程技术培育转基因海水稻，将耐盐基因导入高产水稻细胞内培育耐盐水稻。将耐盐基因导入水稻细胞之前必须先构建________，要大量获得耐盐基因可采用________技术扩增该基因。
(2)将耐盐基因导入水稻细胞常用的方法是____________；检测耐盐基因是否在水稻细胞内表达相应蛋白质，通常采用____________技术；要进一步鉴定水稻植株是否具有耐盐特性，可采用的方法是_______________。
(3)据了解，海水稻的产量还比较低。目前，科研团队正在进行高产攻关，利用杂种优势提高产量。杂交育种和基因工程依据的遗传学原理都是________，但二者的操作水平不同，基因工程技术相对于杂交育种的突出优点是___________________。
答案：(1)基因表达载体　PCR
(2)农杆菌转化法　抗原—抗体杂交　将该转基因水稻种植在用海水灌溉的土壤中，观察其生长状况
(3)基因重组　能克服远缘杂交不亲和障碍，可按照人们的意愿定向改变生物性状
解析：(1)为了使目的基因在受体细胞中稳定存在并发挥作用，将耐盐基因导入水稻细胞之前必须先构建基因表达载体；PCR技术是基因体外扩增的有效途径。(2)将目的基因(耐盐基因)导入植物细胞常用的方法是农杆菌转化法；检测目的基因是否在受体细胞内表达相应蛋白质，通常采用抗原—抗体杂交技术；要进一步鉴定水稻植株是否具有耐盐特性，可将水稻种在海水灌溉的土壤中或盐碱地中，观察其生长状况。(3)杂交育种和基因工程育种依据的遗传学原理都是基因重组；杂交育种的局限性是不能跨越种的障碍，对性状的改造也是在原有性状之上重新组合。基因工程技术相对于杂交育种的突出优点是能克服远缘杂交不亲和障碍，可按照人们的意愿定向改变生物性状。

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