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新人教版生物学选择性必修3《生物技术与工程》知识梳理
第一章 发酵工程
第一节 传统发酵技术的应用
1. 发酵与发酵技术
发酵工程：是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品，它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。
2. 发酵
(1)发酵概念
发酵是指人们利用_微生物_，在_适宜_的条件下，将原料通过_微生物的代谢_转化为人类所需要的产物的过程。
(2)发酵原理
不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力 ，因此利用它们既可以生产出人们所需要的多种产物。
(3)发酵类型
好氧发酵：醋酸发酵
厌氧发酵：酒精发酵 、乳酸发酵
尝试制作传统发酵食品
(1)乳酸菌
①代谢特点
_厌氧_细菌，代谢类型为_异养厌氧型_；在_无氧_的情况下能将_葡萄糖_分解成_乳酸_；
②发酵原理(反应简式)
C6H12O62C3H6O3(乳酸)+能量
③生产应用
可用于_乳制品的发酵_、_泡菜的腌制_等
④分布
_空气_、_土壤_、植物体表_、_人或动物的肠道内_
⑤常见类型
_乳酸链球菌_和_乳酸杆菌_
(2)酵母菌
①代谢特点
是一类_单细胞真菌_，是_兼性厌氧_微生物；在_无氧_的条件下能进行_酒精发酵_
②重要影响因素
__温度__是影响酵母菌生长的重要因素；酿酒酵母的最适生长温度约为_28℃_；
③发酵原理(反应简式)
④生产应用
可用于_酿酒_、_制作馒头和面包_等
⑤分布
在一些_含糖量较高_的_水果_、蔬菜表面_
(3)醋酸菌
①代谢特点
_好氧_细菌，代谢类型是异养需氧型 ；当_O2、糖源都充足 时，能将_糖_分解为_醋酸_； 当_缺少糖源_时则将_乙醇_转化为_乙醛_，再将_乙醛_变为_醋酸 ；多数醋酸菌的最适生长温度为_30-35℃_；
②发酵原理(反应简式)
③生产应用
醋酸菌可用于制作各种风味的_醋_
探究.实践一：泡菜的制作
1．发酵原理
(1)菌种：乳酸菌 。
(2)原理：在 无氧 条件下，乳酸菌将葡萄糖分解成 乳酸 。
反应式：C6H12O6―→2C3H6O3(乳酸)+能量
2．实验流程
3．发酵条件
(1)选择气密性好的泡菜坛，以保证 无氧 条件。
(2)注意控制腌制 时间 、温度和 食盐 的用量。
①选择的泡菜坛要密封性好；
②加入蔬菜后要注入煮沸冷却的盐水，使盐水没过全部菜料；
③盖上坛盖后要在坛盖边沿的水槽中注满清水。
4．亚硝酸盐含量的测定
(1)原理
亚硝酸盐＋对氨基苯磺酸 →反应物＋N 1 萘基乙二胺盐酸盐→玫瑰红 色染料
(2)方法：比色法。即用显色反应后的样品与已知浓度的 标准显色液 进行对比，并估算泡菜中亚硝酸盐的含量。亚硝酸盐溶液的浓度越高，颜色越深；浓度越低，颜色越浅。
(3)操作步骤
→→→
探究.实践二：制作果酒和果醋
制作果酒：
1.参与发酵的主要微生物及来源：_新鲜水果的果皮表面附着的野生酵母菌 ；
2.发酵原理
①许多_新鲜水果的果皮表面__附着有大量的不同种类的__野生酵母菌_；
②在这些酵母菌的作用下，水果可以发酵成果酒(通过有氧呼吸 大量繁殖，通过无氧呼吸 产酒精)；
③相关反应式
3.发酵条件：
①温度：将温度控制在_18-30℃_进行发酵；
②氧气含量：氧气充足的情况下，_大量繁殖_；无氧条件下，进行_酒精发酵_；
制作流程:
制作果醋：
参与发酵的主要微生物及来源：_ 空气中的醋酸菌或人工接种的醋酸菌_；
发酵原理
①在_有氧_的条件下，果酒经醋酸菌的作用可以进一步发酵成果醋 ；
②当糖源充足时，醋酸菌还可以直接将糖分解为醋酸 ；
③相关反应式
发酵条件：
①温度：发酵温度为_30-35℃_；
②氧气含量：氧气供应_充足_
制作流程(以乙醇为底物的类型为例)
第二节 微生物的基本培养技术及应用
一、微生物的基本培养技术
1. 微生物的定义：
肉眼难以看清，需要借助光学显微镜或电子显微镜才能观察到的 一切微小生物 的总称。
微生物菌落：
分散的微生物在适宜的固体培养基表面或内部可以繁殖形成 肉眼可见 的、有 一定形态结构 的 子细胞群体 ，这就是菌落。由单个微生物繁殖 形成的纯培养物就是一个单菌落 ；
*一个单菌落就是一个种群。
培养基的配制
(1)概念：人们按照微生物对营养物质的不同需求，配制出的供其生长繁殖的营养基质。
(2)培养基作用：培养、分离、鉴定、保存微生物 或 积累其代谢物
(3)培养基类型：
按物理状态可分为 液体培养基 和 固体培养基 。
按功能可分为 选择培养基 和 鉴别培养基 。
(4)成分：各种培养基一般都含有 水、碳源、氮源 和 无机盐 ，此外还要满足微生物生长对pH、特殊营养物质以及氧气的要求。
5. 无菌技术
(1)关键：防止外来杂菌的入侵 。
(2)无菌技术工作两个方面：
①对操作的_空间 、操作者的_衣着_和_手_进行_清洁_和_消毒_；
②对用于微生物培养的_器皿_、__接种用具__和__培养基_等进行__灭菌_；
(3)无菌技术主要包括消毒和灭菌
项目 理化因素的作用强度 能否消灭芽孢和孢子 常用方法
消毒 较为温和 不能 煮沸消毒法、巴氏消毒法、化学药物消毒法、紫外线照射
灭菌 强烈 能 灼烧灭菌、干热灭菌、高压蒸汽灭菌、湿热灭菌法
6. 微生物的纯培养
(1)培养物：在微生物学中，将接种于_培养基_内，在_合适条件_下形成的__含特定种类微生物的群体_称为培养物。
(2)纯培养物：由_单一个体_繁殖所获得的_微生物群体_称为纯培养物。
*单菌落一般是由单个微生物繁殖形成的纯培养物 。
(3)纯培养：__获得纯培养物的过程_就是纯培养。
(4)微生物纯培养步骤：配制培养基—灭菌—接种—分离—培养。
探究.实践：酵母菌的纯培养
1.原理：
采用_平板划线法_和__稀释涂布平板法_将_单个_微生物_分散_在_固体培养基_上，之后得到的_单菌落_一般是由单个微生物形成的_纯培养物_。
2.步骤
(1)制备培养基：配制培养基—灭菌—倒平板
(2)(2)接种和分离酵母菌：通过接种环在固体培养基表面连续划线的操作，将聚集的菌种逐步稀释分散到培养基表面。经过数次划线后培养可以分离得到 单菌落 。
(3)培养酵母菌：完成平板划线后，待菌液被培养基吸收，将接种后的平板(一般做三组，重复实验)和一个未接种的平板倒置，放入 28 ℃左右(培养温度因酵母菌种类的不同而稍有差异)的恒温培养箱中培养24-48h 。
(4)实验注意事项
A.培养基灭菌后为什么要冷却到50℃左右时开始倒平板？
琼脂是一种多糖，在44℃以下凝固，倒平板时，若低于50℃不及时操作，琼脂会凝固。
B.为什么倒平板和接种整个过程要在酒精灯火焰旁进行？
避免杂菌污染
C.倒平板时为什么要使锥形瓶的瓶口通过火焰？
通过灼烧灭菌，防止瓶口的微生物污染培养基
D.在倒平板的过程中，若不小心将培养基溅在皿盖与皿底之间部位，这个平板还能用来培养微生物吗？为什么？
不能；因为空气中的微生物可能在皿盖与皿底之间的培养基上滋生
E.平板冷凝后，为什么要将平板倒置？
可避免培养基中的水分过快蒸发；可防止皿盖上的水珠落入培养基，造成污染
F.平板冷凝后，为什么要将平板倒置？
可避免培养基中的水分过快蒸发；可防止皿盖上的水珠落入培养基，造成污染
二、微生物的选择培养基与计数
1. 选择培养基：在微生物学中，_允许特定种类_的微生物生长，同时_抑制或阻止其他种类_微生物生长的培养基。
2. 微生物的选择培养：
(1)方法：_稀释涂布平板法__；
(2)方法概述：由于土壤细菌的数量庞大，要想得到特定微生物的纯培养物，必须要对土壤进行_充分稀释_，然后再将菌液_涂布_到制备好的_选择培养基_上；两个基本操作：_梯度稀释_和_涂布平板_。
(3)操作流程
―→―→―→―→
微生物的数量测定
间接计数法(稀释涂布平板法) 直接计数法(显微计数法)
原理 当样品的稀释度足够高时，培养基表面生长的一个菌落，来源于样品稀释液中的一个活菌，通过统计平板上的菌落数，就能推测出样品中大约含有多少活菌 利用特定细菌计数板或血细胞计数板，在显微镜下计算一定容积的样品中微生物的数量
公式 每克样品中的菌落数＝×M；C：某稀释度下平板上生长的平均菌落数；V：涂布平板时所用的稀释液的体积(mL)；M：稀释倍数 每毫升原液所含细菌数：每小格内平均细菌数×400×104×稀释倍数
缺点 当两个或多个菌体连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落 不能区分细胞死活
结果 比实际值偏小 比实际值偏大
探究.实践：土壤中分解尿素的细菌的分离与计数
(1)原理：分解尿素的细菌合成的脲酶 将尿素分解为氨 ，使培养基的碱性增强 。
(2)方法：在以尿素 为唯一氮源的培养基中加入酚红 指示剂，培养某种细菌，若指示剂变红 ，可初步鉴定该种细菌能够分解尿素。
4. 两种纯培养方法对比
比较项目 平板划线法 稀释涂布平板法
关键操作 接种环在固体培养基表面连续划线 ①一系列的梯度稀释 ②涂布平板操作
注意事项 每次划线前后 均需灼烧接种环 稀释度要足够高，为确保实验成功可以增加稀释度的范围
菌体获取 在具有显著的菌落特征的区域挑取菌体 从适宜稀释度的平板上的菌落中挑取菌体
适用范围 适用于好氧菌 适用于厌氧菌 和兼性厌氧菌
优点 可以根据菌落的特点获得某种微生物的单细胞菌落 既可以获得单细胞菌落，又能对微生物计数
缺点 不能对微生物计数 操作复杂，需要涂布多个平板
第三节 发酵工程及其应用
一、发酵工程的基本环节
选育菌种
(1)目的：获得_性状优良的菌种__
(2)菌种来源：从自然界中筛选、_诱变育种__或__基因工程育种__。
(3)实例：筛选产酸量高的黑曲霉 用来生产柠檬酸 ；使用基因工程改造的啤酒酵母 ，加速发酵、缩短生产周期；优良的菌种不仅具有健壮，不易退化 ，其发酵产品的 产量高、质量稳定 等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此 菌种选育 环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。
2.扩大培养
(1)目的：获得_更多的菌种_。
(2)原因：工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行 扩大培养 。
3.配制培养基
①在菌种确定之后，要_选择原料__制备培养基。
②在生产实践中，培养基的配方要经过_反复试验__才能确定。
4.灭菌
(1)灭菌原因：发酵工程种所用的菌种大多是_单一菌种_，一旦有杂菌污染，可能导致_产量大大降低_。
(2)_培养基和发酵设备__都必须经过严格的灭菌；
5.接种
将_扩大培养后_的菌种投放到_发酵罐_中。
6.发酵罐内发酵——(发酵工程的中心环节)
(1)要求：
①发酵过程中，要_随时检测_培养液中_微生物数量_、_产物浓度_等，以__了解发酵进程__；
②要及时添加_必需的营养物质_，要严格控制_温度_、__pH_和__溶氧量_等发酵条件。
(2)严格控制发酵条件的原因：
①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖 ，而且影响微生物代谢物的形成 ；②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于 最佳 状态。
(3)不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵
①在_中性_和__弱碱性__条件下会积累谷氨酸；②在_酸性__条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。
(4)现代发酵工程使用的发酵罐的优点：
均有_计算机控制系统__，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行_监测_和_控制_，还可以进行__反馈控制_，使发酵全过程处于__最佳状态__；
7.分离、提纯产物
①发酵产品是微生物细胞本身时，可在发酵结束之后，采用_过滤_、__沉淀_等方法将菌体_分离_和_干燥_；
②发酵产品是代谢物时，可根据 产物的性质_采取适当的_提取_、_分离_和_纯化_措施来获得产品。
8.获得产品
单细胞蛋白、味精等。
二、发酵工程的应用
1. 发酵工程的优点：
①生产条件温和 ；②原料来源丰富且价格低廉 ；③产物专一；④废弃物对环境的污染小 和容易处理 。
在食品工业上的应用
(1)生产传统的发酵食品：生产酱油 、酿酒
(2)生产食品添加剂：柠檬酸 、味精 、酸度调节剂、增味剂、着色剂、增稠剂、防腐剂。
(3)生产酶制剂：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 。
2.在医药工业上的应用
(1)采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物。
(2)直接对菌种进行改造，再通过 发酵技术 大量生产所需要的产品。
3.在农牧业上的应用
(1)生产微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥
(2)生产微生物农药：利用 微生物或其代谢物 来防治病虫害。
(3)生产微生物饲料：乳酸菌 饲料可以提高饲料的品质，使饲料保鲜 ，动物食用后还能提高免疫力 。
4.在其他方面的应用
(1)解决资源短缺与环境污染问题：利用纤维废料 发酵生产酒精、乙烯等能源物质。
(2)将极端微生物应用于生产实践：极端微生物：嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌 有助于提高热敏性产品的产量。新人教版生物学选择性必修3《生物技术与工程》知识梳理
第一章 发酵工程
第一节 传统发酵技术的应用
1. 发酵与发酵技术
发酵工程：是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品，它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。
2. 发酵
(1)发酵概念
发酵是指人们利用_微生物_，在_适宜_的条件下，将原料通过_微生物的代谢_转化为人类所需要的产物的过程。
(2)发酵原理
不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力 ，因此利用它们既可以生产出人们所需要的多种产物。
(3)发酵类型
好氧发酵：醋酸发酵
厌氧发酵：酒精发酵 、乳酸发酵
尝试制作传统发酵食品
(1)乳酸菌
①代谢特点
_厌氧_细菌，代谢类型为_异养厌氧型_；在_无氧_的情况下能将_葡萄糖_分解成_乳酸_；
②发酵原理(反应简式)
C6H12O62C3H6O3(乳酸)+能量
③生产应用
可用于_乳制品的发酵_、_泡菜的腌制_等
④分布
_空气_、_土壤_、植物体表_、_人或动物的肠道内_
⑤常见类型
_乳酸链球菌_和_乳酸杆菌_
(2)酵母菌
①代谢特点
是一类_单细胞真菌_，是_兼性厌氧_微生物；在_无氧_的条件下能进行_酒精发酵_
②重要影响因素
__温度__是影响酵母菌生长的重要因素；酿酒酵母的最适生长温度约为_28℃_；
③发酵原理(反应简式)
④生产应用
可用于_酿酒_、_制作馒头和面包_等
⑤分布
在一些_含糖量较高_的_水果_、蔬菜表面_
(3)醋酸菌
①代谢特点
_好氧_细菌，代谢类型是异养需氧型 ；当_O2、糖源都充足 时，能将_糖_分解为_醋酸_； 当_缺少糖源_时则将_乙醇_转化为_乙醛_，再将_乙醛_变为_醋酸 ；多数醋酸菌的最适生长温度为_30-35℃_；
②发酵原理(反应简式)
③生产应用
醋酸菌可用于制作各种风味的_醋_
探究.实践一：泡菜的制作
1．发酵原理
(1)菌种：乳酸菌 。
(2)原理：在 无氧 条件下，乳酸菌将葡萄糖分解成 乳酸 。
反应式：
2．实验流程
3．发酵条件
(1)选择气密性好的泡菜坛，以保证 无氧 条件。
(2)注意控制腌制 时间 、温度和 食盐 的用量。
①选择的泡菜坛要密封性好；
②加入蔬菜后要注入煮沸冷却的盐水，使盐水没过全部菜料；
③盖上坛盖后要在坛盖边沿的水槽中注满清水。
4．亚硝酸盐含量的测定
(1)原理
亚硝酸盐＋对氨基苯磺酸 →反应物＋N 1 萘基乙二胺盐酸盐→玫瑰红 色染料
(2)方法：比色法。即用显色反应后的样品与已知浓度的 标准显色液 进行对比，并估算泡菜中亚硝酸盐的含量。亚硝酸盐溶液的浓度越高，颜色越深；浓度越低，颜色越浅。
(3)操作步骤
→→→
探究.实践二：制作果酒和果醋
制作果酒：
1.参与发酵的主要微生物及来源：_新鲜水果的果皮表面附着的野生酵母菌 ；
2.发酵原理
①许多_新鲜水果的果皮表面__附着有大量的不同种类的__野生酵母菌_；
②在这些酵母菌的作用下，水果可以发酵成果酒(通过有氧呼吸 大量繁殖，通过无氧呼吸 产酒精)；
③相关反应式
3.发酵条件：
①温度：将温度控制在_18-30℃_进行发酵；
②氧气含量：氧气充足的情况下，_大量繁殖_；无氧条件下，进行_酒精发酵_；
制作流程:
制作果醋：
参与发酵的主要微生物及来源：_ 空气中的醋酸菌或人工接种的醋酸菌_；
发酵原理
①在_有氧_的条件下，果酒经醋酸菌的作用可以进一步发酵成果醋 ；
②当糖源充足时，醋酸菌还可以直接将糖分解为醋酸 ；
③相关反应式
发酵条件：
①温度：发酵温度为_30-35℃_；
②氧气含量：氧气供应_充足_
制作流程(以乙醇为底物的类型为例)
第二节 微生物的基本培养技术及应用
一、微生物的基本培养技术
1. 微生物的定义：
肉眼难以看清，需要借助光学显微镜或电子显微镜才能观察到的 一切微小生物 的总称。
微生物菌落：
分散的微生物在适宜的固体培养基表面或内部可以繁殖形成 肉眼可见 的、有 一定形态结构 的 子细胞群体 ，这就是菌落。由单个微生物繁殖 形成的纯培养物就是一个单菌落 ；
*一个单菌落就是一个种群。
培养基的配制
(1)概念：人们按照微生物对营养物质的不同需求，配制出的供其生长繁殖的营养基质。
(2)培养基作用：培养、分离、鉴定、保存微生物 或 积累其代谢物
(3)培养基类型：
按物理状态可分为 液体培养基 和 固体培养基 。
按功能可分为 选择培养基 和 鉴别培养基 。
(4)成分：各种培养基一般都含有 水、碳源、氮源 和 无机盐 ，此外还要满足微生物生长对pH、特殊营养物质以及氧气的要求。
5. 无菌技术
(1)关键：防止外来杂菌的入侵 。
(2)无菌技术工作两个方面：
①对操作的_空间 、操作者的_衣着_和_手_进行_清洁_和_消毒_；
②对用于微生物培养的_器皿_、__接种用具__和__培养基_等进行__灭菌_；
(3)无菌技术主要包括消毒和灭菌
项目 理化因素的作用强度 能否消灭芽孢和孢子 常用方法
消毒 较为温和 不能 煮沸消毒法、巴氏消毒法、化学药物消毒法、紫外线照射
灭菌 强烈 能 灼烧灭菌、干热灭菌、高压蒸汽灭菌、湿热灭菌法
6. 微生物的纯培养
(1)培养物：在微生物学中，将接种于_培养基_内，在_合适条件_下形成的__含特定种类微生物的群体_称为培养物。
(2)纯培养物：由_单一个体_繁殖所获得的_微生物群体_称为纯培养物。
*单菌落一般是由单个微生物繁殖形成的纯培养物 。
(3)纯培养：__获得纯培养物的过程_就是纯培养。
(4)微生物纯培养步骤：配制培养基—灭菌—接种—分离—培养。
探究.实践：酵母菌的纯培养
1.原理：
采用_平板划线法_和__稀释涂布平板法_将_单个_微生物_分散_在_固体培养基_上，之后得到的_单菌落_一般是由单个微生物形成的_纯培养物_。
2.步骤
(1)制备培养基：配制培养基—灭菌—倒平板
(2)(2)接种和分离酵母菌：通过接种环在固体培养基表面连续划线的操作，将聚集的菌种逐步稀释分散到培养基表面。经过数次划线后培养可以分离得到 单菌落 。
(3)培养酵母菌：完成平板划线后，待菌液被培养基吸收，将接种后的平板(一般做三组，重复实验)和一个未接种的平板倒置，放入 28 ℃左右(培养温度因酵母菌种类的不同而稍有差异)的恒温培养箱中培养24-48h 。
(4)实验注意事项
A.培养基灭菌后为什么要冷却到50℃左右时开始倒平板？
琼脂是一种多糖，在44℃以下凝固，倒平板时，若低于50℃不及时操作，琼脂会凝固。
B.为什么倒平板和接种整个过程要在酒精灯火焰旁进行？
避免杂菌污染
C.倒平板时为什么要使锥形瓶的瓶口通过火焰？
通过灼烧灭菌，防止瓶口的微生物污染培养基
D.在倒平板的过程中，若不小心将培养基溅在皿盖与皿底之间部位，这个平板还能用来培养微生物吗？为什么？
不能；因为空气中的微生物可能在皿盖与皿底之间的培养基上滋生
E.平板冷凝后，为什么要将平板倒置？
可避免培养基中的水分过快蒸发；可防止皿盖上的水珠落入培养基，造成污染
F.平板冷凝后，为什么要将平板倒置？
可避免培养基中的水分过快蒸发；可防止皿盖上的水珠落入培养基，造成污染
二、微生物的选择培养基与计数
1. 选择培养基：在微生物学中，_允许特定种类_的微生物生长，同时_抑制或阻止其他种类_微生物生长的培养基。
2. 微生物的选择培养：
(1)方法：_稀释涂布平板法__；
(2)方法概述：由于土壤细菌的数量庞大，要想得到特定微生物的纯培养物，必须要对土壤进行_充分稀释_，然后再将菌液_涂布_到制备好的_选择培养基_上；两个基本操作：_梯度稀释_和_涂布平板_。
(3)操作流程
―→―→―→―→
微生物的数量测定
间接计数法(稀释涂布平板法) 直接计数法(显微计数法)
原理 当样品的稀释度足够高时，培养基表面生长的一个菌落，来源于样品稀释液中的一个活菌，通过统计平板上的菌落数，就能推测出样品中大约含有多少活菌 利用特定细菌计数板或血细胞计数板，在显微镜下计算一定容积的样品中微生物的数量
公式 每克样品中的菌落数＝×M；C：某稀释度下平板上生长的平均菌落数；V：涂布平板时所用的稀释液的体积(mL)；M：稀释倍数 每毫升原液所含细菌数：每小格内平均细菌数×400×104×稀释倍数
缺点 当两个或多个菌体连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落 不能区分细胞死活
结果 比实际值偏小 比实际值偏大
探究.实践：土壤中分解尿素的细菌的分离与计数
(1)原理：分解尿素的细菌合成的脲酶 将尿素分解为氨 ，使培养基的碱性增强 。
(2)方法：在以尿素 为唯一氮源的培养基中加入酚红 指示剂，培养某种细菌，若指示剂变红 ，可初步鉴定该种细菌能够分解尿素。
4. 两种纯培养方法对比
比较项目 平板划线法 稀释涂布平板法
关键操作 接种环在固体培养基表面连续划线 ①一系列的梯度稀释 ②涂布平板操作
注意事项 每次划线前后 均需灼烧接种环 稀释度要足够高，为确保实验成功可以增加稀释度的范围
菌体获取 在具有显著的菌落特征的区域挑取菌体 从适宜稀释度的平板上的菌落中挑取菌体
适用范围 适用于好氧菌 适用于厌氧菌 和兼性厌氧菌
优点 可以根据菌落的特点获得某种微生物的单细胞菌落 既可以获得单细胞菌落，又能对微生物计数
缺点 不能对微生物计数 操作复杂，需要涂布多个平板
第三节 发酵工程及其应用
一、发酵工程的基本环节
选育菌种
(1)目的：获得_性状优良的菌种__
(2)菌种来源：从自然界中筛选、_诱变育种__或__基因工程育种__。
(3)实例：筛选产酸量高的黑曲霉 用来生产柠檬酸 ；使用基因工程改造的啤酒酵母 ，加速发酵、缩短生产周期；优良的菌种不仅具有健壮，不易退化 ，其发酵产品的 产量高、质量稳定 等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此 菌种选育 环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。
2.扩大培养
(1)目的：获得_更多的菌种_。
(2)原因：工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行 扩大培养 。
3.配制培养基
①在菌种确定之后，要_选择原料__制备培养基。
②在生产实践中，培养基的配方要经过_反复试验__才能确定。
4.灭菌
(1)灭菌原因：发酵工程种所用的菌种大多是_单一菌种_，一旦有杂菌污染，可能导致_产量大大降低_。
(2)_培养基和发酵设备__都必须经过严格的灭菌；
5.接种
将_扩大培养后_的菌种投放到_发酵罐_中。
6.发酵罐内发酵——(发酵工程的中心环节)
(1)要求：
①发酵过程中，要_随时检测_培养液中_微生物数量_、_产物浓度_等，以__了解发酵进程__；
②要及时添加_必需的营养物质_，要严格控制_温度_、__pH_和__溶氧量_等发酵条件。
(2)严格控制发酵条件的原因：
①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖 ，而且影响微生物代谢物的形成 ；②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于 最佳 状态。
(3)不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵
①在_中性_和__弱碱性__条件下会积累谷氨酸；②在_酸性__条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。
(4)现代发酵工程使用的发酵罐的优点：
均有_计算机控制系统__，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行_监测_和_控制_，还可以进行__反馈控制_，使发酵全过程处于__最佳状态__；
7.分离、提纯产物
①发酵产品是微生物细胞本身时，可在发酵结束之后，采用_过滤_、__沉淀_等方法将菌体_分离_和_干燥_；
②发酵产品是代谢物时，可根据 产物的性质_采取适当的_提取_、_分离_和__ 措施来获得产品。
8.获得产品
单细胞蛋白、味精等。
二、发酵工程的应用
1. 发酵工程的优点：
①生产条件温和 ；②原料来源丰富且价格低廉 ；③产物专一；④废弃物对环境的污染小 和容易处理 。
在食品工业上的应用
(1)生产传统的发酵食品：生产酱油 、酿酒
(2)生产食品添加剂：柠檬酸 、味精 、酸度调节剂、增味剂、着色剂、增稠剂、防腐剂。
(3)生产酶制剂：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 。
2.在医药工业上的应用
(1)采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物。
(2)直接对菌种进行改造，再通过 发酵技术 大量生产所需要的产品。
3.在农牧业上的应用
(1)生产微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥
(2)生产微生物农药：利用 微生物或其代谢物 来防治病虫害。
(3)生产微生物饲料：乳酸菌 饲料可以提高饲料的品质，使饲料保鲜 ，动物食用后还能提高免疫力 。
4.在其他方面的应用
(1)解决资源短缺与环境污染问题：利用纤维废料 发酵生产酒精、乙烯等能源物质。
(2)将极端微生物应用于生产实践：极端微生物：嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌 有助于提高热敏性产品的产量。新人教版生物学选择性必修3《生物技术与工程》知识梳理
第二章 细胞工程
第一节 植物细胞工程
细胞工程： 细胞工程是指应用细胞生物学 、分子生物学 和发育生物学 等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得 特定的细胞、组织、器官、个体 或其产品的一门综合性生物工程。
1．原理和方法：细胞 生物学和分子 生物学。
2．操作水平：细胞 水平或细胞器 水平。
3．目的：按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质 或获得细胞产品 。
一、植物细胞工程的基本技术
1. 细胞的全能性：细胞经_分裂_和_分化_后，仍然具有_产生完整生物体_或__分化成其他各种细胞__的_潜能_，即细胞具有_全能性_。
2. 细胞具有全能性的原因(物质基础)
生物体的细胞中都含有该物种的全套遗传物质_，都有_发育成为完整个体所需的全部遗传信息_。
生物体生长发育过程中细胞不表现全能性的原因(不离体的细胞无法表现出全能性的原因)
在特定的时间时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达
全能性大小比较
(1)受精卵、体细胞、生殖细胞
__受精卵＞生殖细胞＞体细胞____
(2)分化程度高的细胞、分化程度低的细胞
__分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞_____
(3)分裂能力强的细胞、分裂能力弱的细胞
__分裂能力强的细胞＞分裂能力弱的细胞____
(4)植物细胞、动物细胞
__植物细胞＞动物细胞__________
(5)幼嫩的细胞、衰老的细胞
__幼嫩的细胞＞衰老的细胞____
(一)植物组织培养技术
1. 概念：植物组织培养是指将_离体_的植物_器官__、_组织_或_细胞_(称为_外植体_)等，培养在人工配制的_培养基_上，给予_适宜的培养条件_，诱导其形成__完整植株_的技术。
2. 原理：__植物细胞的全能性__
3. 生殖方式：_无性生殖__
4. 分裂方式：__有丝分裂__
5. 过程：
脱分化：在一定的_激素_和_营养_等条件的_诱导_下，_已经分化_的细胞_失去其特有的结构和功能__，转变成_未分化的细胞__的过程。
再分化：_愈伤组织_能重新_分化_成_芽、根等器官_的过程。
探究.实践：菊花的组织培养
(1)原理
①植物细胞一般具有_全能性__；
②在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过_脱分化_和__再分化__，形成_胚状体__，长出__芽和根_，进而发育成_完整的植株_；
③植物激素中_生长素_和__细胞分裂素_是启动_细胞分裂_、_脱分化__和_再分化_的关键激素，它们的_浓度_、_比例_等都会影响植物细胞的发育方向。
生长素用量与细胞分裂素用来的比值 结果
比值高 有利于根的分化，抑制芽的形成
比值低 有利于芽的分化，抑制根的形成
比值适中 促进愈伤组织的形成
(2)材料用具
①外植体：_幼嫩的菊花茎段__：经常选择根尖(分生区)、茎的韧皮部(形成层)等分裂能力强、分化程度低的区域作为材料，容易诱导形成愈伤组织。
②体积分数为70%的酒精：对手、超净工作台、外植体进行消毒。
③质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液：对外植体进行消毒。
④无菌水：清洗外植体。
⑤培养基：包括无机营养成分(水和无机盐)、有机营养成分(蔗糖、氨基酸、维生素等)、特定浓度和比例的激素(主要是生长素和细胞分裂素)。
(3)方法步骤
①消毒—②外植体切段—③接种—④脱分化—⑤再分化—⑥移栽培养
6.植物组织培养中细胞表现出全能性的条件
(1)离体 (最关键)；
(2)严格的无菌条件 ；
(3)适宜的培养条件；
(4)适宜 浓度和比例 的激素；
(5)一定的营养条件；
(二)、植物体细胞杂交技术
1.概念：植物体细胞杂交是指将__不同来源_的_植物体细胞_，在一定条件下_融合_成__杂种细胞__，并把__杂种细胞__培育成_新植物体_的技术；
2.原理：__植物细胞的全能性、细胞膜具有一定的流动性__
3.生殖方式：_无性生殖_
4.分裂方式：__有丝分裂__
5.可遗传变异类型：_染色体(数目)变异__
6.意义：__打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种__
8.过程：
―→―→―→―→
(1)去除细胞壁
①去壁原因：_细胞壁阻碍着细胞间的杂交__
②方法：_酶解法_
③所用酶：_纤维素酶和果胶酶__
(2)原生质体间的融合
①原理：__细胞膜具有一定的流动性_
②方法：物理法：_电融合法、离心法__；化学法； 聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2+-高pH融合法 。
(3)再生出新的细胞壁
再生出新的细胞壁 、高尔基体和线粒体。
(4)植物组织培养——脱分化、再分化
①原理：_植物细胞的全能性__
②植物体细胞杂交完成的标志：_培育出杂种植株__
二、植物细胞工程的应用
(一)植物繁殖的新途径
1.微型繁殖
(1)概念：用于_快速繁殖优良品种_的__植物组织培养技术_；
(2)优点：①_可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖_；②__可以保持优良品种的遗传特性_。
(3)实例：_观赏植物、经济林木、无性繁殖作物、濒危植物__。
2.作物脱毒
(1)适用范围_无性繁殖的作物__
(2)进行作物脱毒的原因：用无性繁殖的方式进行繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传给后代，病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低、品质变差_。
(3)外植体选材部位：_植物顶端分生区附近部位，如茎尖__。
(4)选分生区的原因：_植物顶端分生区附近病毒极少，甚至无病毒__。
(5)优点：__脱毒作物的产量和品质明显优于没有脱毒的作物_。
3.单倍体育种
(1)定义：通过_花药_(或_花粉_)培养获得__单倍体植株___，然后经过__诱导染色体加倍__，_当年__就能培育出__遗传性状相对稳定_的__纯合二倍体植株__。
(2)原理：_染色体(数目)变异__和_植物细胞的全能性_
(3)优点：
①_大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力_。
②__可作为进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料_。
4.突变体的利用
(1)过程：
(2)诱变处理对象：一般为_愈伤组织_。
(3)原因：__在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此它们容易受到培养条件和诱变因素的影响而产生突变_。
(4)原理：__基因突变_和__植物细胞的全能性__。
(5)优点：通过人工诱变提高愈伤组织的突变率，从而筛选获得抗病、抗盐、高产、优质的新品种，加快育种进程__。
(6)缺点：__突变具有不定向性和低频性，因此需大量处理实验材料___
5.细胞产物的工厂化生产
(1)植物的代谢产物分类：
①初生代谢产物：初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动；
产物：糖类、脂质、蛋白质、核酸 等
②次生代谢产物：次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行；
产物：一类小分子有机化合物：如酚类、萜类和含氮化合物 等
(2)细胞产物的工厂化生产的目标产物：__次生代谢产物__
(3)技术—_植物细胞培养_
在_离体_条件下对_单个植物细胞_或_细胞团_进行培养使其增殖_的技术。
(4)细胞产物的工厂化生产的一般过程
(5)优点：__不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。
第二节 动物细胞工程
一、动物细胞培养
1.概念：从动物体中_取出_相关的_组织_，将它__分散成单个细胞_，然后在__适宜的培养条件_下，让这些细胞_生长_和_增殖_的技术。
2.原理：__细胞增殖__
3.地位：__动物细胞工程的基础__
4.关键操作：_原代培养_和__传代培养_。
(一)动物细胞培养的条件
1.营养
(1)成分
①已知成分
将细胞所需的__营养物质_(糖类、氨基酸、无机盐、维生素等)按其_种类__和_所需量__严格配制而成的培养基，称为_合成培养基_。
②未知成分
使用合成培养基时，通常需加入_血清_等一些天然成分。
(2)培养基的物理性质
培养动物细胞一般使用_液体培养基__，也称为_培养液__。
2.无菌、无毒的环境
①对_培养液_和_所有培养用具_进行_灭菌_处理；②在_无菌环境__下进行操作；③还需要__定期更换培养液__。
3.温度、pH和渗透压
(1)适宜的温度：哺乳动物细胞培养的温度多以__36.5±0.5℃_为宜。
(2)适宜的pH：多数动物细胞生存的适宜pH为_7.2-7.4_。
(3)适宜的渗透压：维持适宜渗透压的目的_维持细胞正常的形态和功能__。
4.气体环境
(1)组成：动物细胞培养所需气体主要有_O2_和_CO2_。
(2)气体作用：①O2：_O2是细胞代谢所必需的_；②CO2：_CO2的主要作用维持培养液的pH__。
(二)动物细胞培养的过程
①原代培养：将__分瓶之前_的细胞培养，即动物组织经处理后的__初次培养__称为原代培养。
②传代培养：将_分瓶后_的细胞培养称为传代培养；
③细胞贴壁：__大多数_体外培养的细胞需要__贴附于某些基质表面__才能生长增殖，这类细胞往往贴附在培养瓶的_瓶壁_上，这种现象称为细胞贴壁；
④接触抑制：当_贴壁_细胞生长到_表面相互接触_时，细胞通常会_停止分裂增殖__。
1.取动物组织
(1)取材：__动物胚胎__或__幼龄动物__的组织、器官。
(2)取材原因：_细胞分化程度低，增殖能力强，容易培养___。
2.制成细胞悬液
(1)制成细胞悬液的步骤：①__将组织分散成单个细胞__；②__用培养液将细胞制成细胞悬液__
(2)将组织分散成单个细胞的原因：①从动物体取出的成块组织中，细胞与细胞__靠在一起__，彼此__限制了生长和增殖_；②__能使细胞与培养液充分接触，更易进行物质交换_。
(3)将组织分散成单个细胞的方法：①__机械法__；②___用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理一段时间___。
3.原代培养
将_细胞悬液__放入__培养皿或培养瓶_内
4.分瓶、传代培养
悬浮生长类： __直接用离心法收集_；贴壁生长类：重新用胰蛋白酶等处理，使之分散成单个细胞，然后再用离心法收集；将收集的细胞制成 细胞悬液 ，分瓶培养。
5.植物组织培养与动物细胞培养的比较
比较项目 植物组织培养 动物细胞培养
理论基础 植物细胞全能性 细胞增殖
区 别 培养基 类型 固体或半固体培养基 液体 培养基
成分 水、矿质元素、维生素、植物激素、蔗糖、氨基酸、琼脂等 葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、促生长因子、动物血清等
取材 离体植物器官、组织、细胞 动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织
关键环节 细胞的脱分化和再分化 细胞增殖和癌变
结果 新的组织或植株个体，可以体现全能性 新的细胞系或细胞株，不形成个体，不体现全能性
应用 ①植株快速繁殖；②脱毒植株的培育； ③人工种子；④生产药物、杀虫剂等； ⑤转基因植物的培育 ①蛋白质生物制品的生产；②皮肤移植材料的培育；③检测有毒物质；④生理、病理、药理等方面的研究
相同点 两种技术手段培养过程中细胞都进行有丝分裂，都是无性繁殖，都可称克隆，都不涉及减数分裂；②均为无菌操作，需要适宜的温度、pH等条件
(三)干细胞培养及其应用
1.分布
干细胞存在于_早期胚胎__、_骨髓_和__脐带血__等多种组织和器官中。
2.分类
干细胞包括__胚胎干细胞_和_成体干细胞__等
(1)胚胎干细胞(简称ES细胞 )
①分布：存在于_早期胚胎_中
②特点：__具有分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞，并进一步形成机体的所有组织和器官甚至个体的潜能___。
(2)成体干细胞
①分布：存在于_成体组织或器官内__中
②类别：包括_骨髓__中的_造血干细胞__、_神经系统_中的__神经干细胞__、_睾丸_中的__精原干细胞_等。
③特点：_一般认为，成体干细胞具有组织特异性，只能分化成特定的细胞或组织，不具有发育成完整个体的能力___。
3.干细胞的应用
(1)原理：干细胞有着_自我更新__能力及_分化_潜能的干细胞，与__组织、器官_的_发育、再生和修复_等密切相关。
(2)应用：
造血干细胞：治疗白血病及一些恶性肿瘤放疗或化疗后引起的造血系统、免疫系统功能障碍等疾病 。
神经干细胞：治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病(如帕金森病、阿尔茨海默病等) 。
诱导多能干细胞(iPS细胞)：可治疗小鼠的镰状细胞贫血症，在治疗阿尔兹海默病、心血管疾病等领域 。
二、动物细胞融合与单克隆抗体技术
(一)动物细胞融合技术
1.概念：使_两个_或_多个_动物细胞结合形成_一个_细胞的技术。
2.结果：形成的_杂交细胞__具有__原来两个或多个细胞的遗传信息_。
3.原理：_细胞膜具有一定的流动性__。
4.意义：__突破了有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能__。
5.诱导融合的常用方法：__电融合法__、_聚乙二醇PEG融合法__和__灭活病毒诱导法__。
6.融合实质及完成的标志：_细胞核的融合___。
7.应用：
①细胞融合技术已经成为研究__培育生物新品种_、_细胞遗传__、_细胞免疫_和__肿瘤_等的重要手段。
②利用动物细胞融合技术发展起来的__杂交瘤技术__，为__制造单克隆抗体_开辟了新途径。
8.动物细胞融合和植物体细胞杂交比较
项目 植物体细胞杂交 动物细胞融合
原理 细胞膜具有一定的流动性 植物细胞的全能性 细胞膜具有一定的流动性
细胞融合前的处理方法 用果胶酶和纤维素酶去除细胞壁 用胰蛋白酶或胶原蛋白酶使细胞分散成单个细胞
诱导细胞融合的方法 电融合法、离心法 、聚乙二醇(PEG)融合法 、高Ca2+-高pH融合法 PEG融合法 、电融合法 、灭活病毒诱导法
细胞融合成功的标志 再生出细胞壁 细胞核 的融合
主要用途 获得完整的杂种植株 主要用于制造单克隆抗体
意义 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种 突破了有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能
(二)单克隆抗体的制备
1.制备过程
2.突出优点：特异性强、灵敏度高，可大量制备。
3.实际应用：
(1)作为诊断试剂；①多种疾病的诊断②病原体的鉴定③其他类型诊断。
(2)用于治疗疾病和运载药物：与药物结合，制成__抗体-药物偶联物(ADC)__，杀伤癌细胞；ADC通常由_抗体_、__接头_和_药物_三部分组成。
(3)治疗疾病：单克隆抗体单独使用，也可直接用于治疗疾病。
三、动物细胞核移植技术和克隆动物
(一)动物细胞核移植技术
1.概念：将动物一个细胞的__细胞核__移入__去核的卵母细胞__中，使这个__重新组合的细胞__发育成_新胚胎_，继而发育成__动物个体_的技术。
2.结果：形成__重新组合的细胞__并发育成__新胚胎_，继而发育成__动物个体_。
3.原理：_动物细胞核的全能性__。
4.生殖方式：__无性生殖__。
5.哺乳动物核移植分类
①胚胎细胞核移植：动物胚胎细胞分化程度_低_，表现全能性_相对容易_。
②体细胞核移植：动物体细胞分化程度_高_，表现全能性_十分困难__。
6.非人灵长类动物体细胞核移植的困难原因
①_供体_细胞的__细胞核__在__去核卵母细胞__中_不能完全恢复_其__分化前的功能状态__，这导致了_胚胎发育率低__。
②对非人灵长类动物_胚胎_进行操作的技术尚不完善。
7.体细胞核移植的过程
(二)体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题
应用前景 畜牧生产 加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育。
保护濒危动物 有望增加濒危物种 的存活数量。
医药卫生 转基因克隆动物可以作为生物反应器，生产珍贵的医用蛋白 。
治疗人类疾病 ①转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以作为异种移植的供体； ②以患者作为供体培育的人核移植胚胎干细胞，经过诱导分化能形成相应的细胞、组织或器官，将它们移植给患者时可以避免免疫 排斥反应。
科研 ①研究克隆动物可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程； ②克隆一批遗传背景相同的动物，可以通过它们之间的对比来分析致病基因； ③克隆特定疾病模型的动物，还能为研究该疾病机制和开发相应的药物提供帮助；
存在的问题 ①成功率非常低 ； ②各个技术环节有待进一步改进； ③绝大多数克隆动物存在健康问题，表现出遗传和生理缺陷 。
第三节 胚胎工程工程
胚胎工程：指对生殖细胞、受精卵 或早期胚胎 细胞进行多种显微操作和处理，然后将获得的胚胎移植到雌性动物体内生产后代，以满足人类的各种需求。胚胎工程技术包括体外受精、胚胎移植和胚胎分割等。
1.操作对象：__动物生殖细胞、受精卵、早期胚胎细胞__。
2.技术种类：__体外受精、胚胎移植、胚胎分割_。
3.特点：____获得的胚胎需移植到雌性动物体内生产后代_。
4.理论基础：__哺乳动物受精和早期胚胎发育的规律__。
一、胚胎工程的伦理基础
(一)受精
1.概念：受精是_精子_和__卵子__结合形成_合子(受精卵)__的过程。
2.场所：在_自然条件_下，哺乳动物的受精在_输卵管内 _完成。
3.过程：包括__受精前的准备阶段___和__受精阶段_。
(1)准备阶段1—精子获能
①概念：刚刚排出的精子_不能立即_与卵子受精，必须在__雌性动物的生殖道__发生__相应的生理变化__后，才能获得_受精能力_，这一生理现象称为“精子获能”。
②研究精子获能机制的意义：实现了各种哺乳动物在体外条件下的获能，为_体外受精技术_的建立奠定了基础。
③使精子获能的方法：直接利用__雌性动物生殖道__使精子获能；将精子培养在__人工配制的获能液__中使其获能。
(2)准备阶段2—卵子的准备
卵子一般在排出_2-3h_后才能被精子穿入；动物排出的卵子成熟程度_不同__有的可能是_初级卵母细胞_，如马、犬等；有的可能是__次级卵母细胞_，如猪、羊等；排出的卵子都要在_输卵管内_进一步成熟；卵子具备与精子受精能力的时期_MⅡ_期。
(3)受精阶段
(二)胚胎早期发育
二、胚胎工程技术及其应用
(一)体外受精
1.过程：包括_卵母细胞的采集_、__精子的获取 _和_受精_等步骤。
2.意义：__是提高动物繁殖能力的有效措施，可以为胚胎移植提供可用胚胎__。
(二)胚胎移植
1.概念：指将通过_体外受精__及__其他方式_得到的胚胎，移植到_同种的__、__生理状态相同_的_雌性_动物体内，使之__继续发育为新个体_的技术。
(1)胚胎来源：_体外受精及其他方式得到的胚胎_。
(2)供体和受体：①提供胚胎的个体称为_供体_ ②接受胚胎的个体叫_受体_。
2.实质：_早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移_。
3.地位：__胚胎工程的最终技术环节__。
4.意义：
①__充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力__；
②__缩短了供体本身的繁殖周期__；
③对供体施行_超数排卵_处理后，可获得_多枚胚胎_，经__移植可得到多个后代__，使供体生产下的后代数量是自然繁殖的__十几倍到几十倍__。
5.过程：
(1)对供、受体的选择和处理
①对供、受体进行的相同处理：_同期发情处理_
②只对供体进行的操作：_超数排卵处理__
(2)配种或人工授精：应选择__同种的优良公牛_
(3)胚胎的收集、检查、培养或保存
①胚胎收集的基础：哺乳动物早期胚胎形成后，在一定时间内不会与母体子宫建立组织上的联系，而是处于游离状态___；②该阶段检查的目的：__检查胚胎的质量___；③胚胎保存的方法：__-196℃液氮中保存___
(4)胚胎的移植：一般选择移植__桑葚胚或囊胚阶段的胚胎__
(5)移植后的检查：第二次检查的目的：__对受体进行妊娠检查(检查受体是否妊娠)__
(三)胚胎分割
1.概念：采用_机械方法_将__早期胚胎_切割成__2等份、4等份或8等份__等，经移植获得__同卵双胎或多胎_的技术。
2.材料：应选择发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚。
3.实质：胚胎分割可增加动物后代的数量，其实质是动物的无性繁殖或克隆。
4.操作要求：对 囊胚 阶段的胚胎进行分割时，要注意将内细胞团均等分割。
5.胚胎干细胞：
(1)来源：从早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞。
(2)特点
(3)应用
6.胚胎分割的优点：
①可以促进优良动物品种的繁殖；
②产生的遗传性状相同的后代是进行遗传学研究 的宝贵材料；
③在胚胎移植前，进行性别鉴定、遗传病筛查 等，对于人工控制动物性别、动物繁育健康后代有重要意义。
7.胚胎移植的局限性
采用胚胎分割技术产生 同卵多胎 的可能性是有限的，分割次数越多，分割后胚胎成活的概率越小 ，目前仍然以二分胚胎 的分割和移植效率最高。新人教版生物学选择性必修3《生物技术与工程》知识梳理
第二章 细胞工程
第一节 植物细胞工程
细胞工程： 细胞工程是指应用细胞生物学 、分子生物学 和发育生物学 等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得 特定的细胞、组织、器官、个体 或其产品的一门综合性生物工程。
1．原理和方法：细胞 生物学和分子 生物学。
2．操作水平：细胞 水平或细胞器 水平。
3．目的：按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质 或获得细胞产品 。
一、植物细胞工程的基本技术
1. 细胞的全能性：细胞经_分裂_和_分化_后，仍然具有_产生完整生物体_或__分化成其他各种细胞__的_潜能_，即细胞具有_全能性_。
2. 细胞具有全能性的原因(物质基础)
生物体的细胞中都含有该物种的全套遗传物质_，都有_发育成为完整个体所需的全部遗传信息_。
生物体生长发育过程中细胞不表现全能性的原因(不离体的细胞无法表现出全能性的原因)
在特定的时间时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达
全能性大小比较
(1)受精卵、体细胞、生殖细胞
__受精卵＞生殖细胞＞体细胞____
(2)分化程度高的细胞、分化程度低的细胞
__分化程度低的细胞＞分化程度高的细胞_____
(3)分裂能力强的细胞、分裂能力弱的细胞
__分裂能力强的细胞＞分裂能力弱的细胞____
(4)植物细胞、动物细胞
__植物细胞＞动物细胞__________
(5)幼嫩的细胞、衰老的细胞
__幼嫩的细胞＞衰老的细胞____
(一)植物组织培养技术
1. 概念：植物组织培养是指将_离体_的植物_器官__、_组织_或_细胞_(称为_外植体_)等，培养在人工配制的_培养基_上，给予_适宜的培养条件_，诱导其形成__完整植株_的技术。
2. 原理：__植物细胞的全能性__
3. 生殖方式：_无性生殖__
4. 分裂方式：__有丝分裂__
5. 过程：
脱分化：在一定的_激素_和_营养_等条件的_诱导_下，_已经分化_的细胞_失去其特有的结构和功能__，转变成_未分化的细胞__的过程。
再分化：_愈伤组织_能重新_分化_成_芽、根等器官_的过程。
探究.实践：菊花的组织培养
(1)原理
①植物细胞一般具有_全能性__；
②在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过_脱分化_和__再分化__，形成_胚状体__，长出__芽和根_，进而发育成_完整的植株_；
③植物激素中_生长素_和__细胞分裂素_是启动_细胞分裂_、_脱分化__和_再分化_的关键激素，它们的_浓度_、_比例_等都会影响植物细胞的发育方向。
生长素用量与细胞分裂素用来的比值 结果
比值高 有利于根的分化，抑制芽的形成
比值低 有利于芽的分化，抑制根的形成
比值适中 促进愈伤组织的形成
(2)材料用具
①外植体：_幼嫩的菊花茎段__：经常选择根尖(分生区)、茎的韧皮部(形成层)等分裂能力强、分化程度低的区域作为材料，容易诱导形成愈伤组织。
②体积分数为70%的酒精：对手、超净工作台、外植体进行消毒。
③质量分数为5%左右的次氯酸钠溶液：对外植体进行消毒。
④无菌水：清洗外植体。
⑤培养基：包括无机营养成分(水和无机盐)、有机营养成分(蔗糖、氨基酸、维生素等)、特定浓度和比例的激素(主要是生长素和细胞分裂素)。
(3)方法步骤
①消毒—②外植体切段—③接种—④脱分化—⑤再分化—⑥移栽培养
6.植物组织培养中细胞表现出全能性的条件
(1)离体 (最关键)；
(2)严格的无菌条件 ；
(3)适宜的培养条件；
(4)适宜 浓度和比例 的激素；
(5)一定的营养条件；
(二)、植物体细胞杂交技术
1.概念：植物体细胞杂交是指将__不同来源_的_植物体细胞_，在一定条件下_融合_成__杂种细胞__，并把__杂种细胞__培育成_新植物体_的技术；
2.原理：__植物细胞的全能性、细胞膜具有一定的流动性__
3.生殖方式：_无性生殖_
4.分裂方式：__有丝分裂__
5.可遗传变异类型：_染色体(数目)变异__
6.意义：__打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种__
8.过程：
―→―→―→―→
(1)去除细胞壁
①去壁原因：_细胞壁阻碍着细胞间的杂交__
②方法：_酶解法_
③所用酶：_纤维素酶和果胶酶__
(2)原生质体间的融合
①原理：__细胞膜具有一定的流动性_
②方法：物理法：_电融合法、离心法__；化学法； 聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2+-高pH融合法 。
(3)再生出新的细胞壁
再生出新的细胞壁 、高尔基体和线粒体。
(4)植物组织培养——脱分化、再分化
①原理：_植物细胞的全能性__
②植物体细胞杂交完成的标志：_培育出杂种植株__
二、植物细胞工程的应用
(一)植物繁殖的新途径
1.微型繁殖
(1)概念：用于_快速繁殖优良品种_的__植物组织培养技术_；
(2)优点：①_可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖_；②__可以保持优良品种的遗传特性_。
(3)实例：_观赏植物、经济林木、无性繁殖作物、濒危植物__。
2.作物脱毒
(1)适用范围_无性繁殖的作物__
(2)进行作物脱毒的原因：用无性繁殖的方式进行繁殖的作物，它们感染的病毒很容易传给后代，病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低、品质变差_。
(3)外植体选材部位：_植物顶端分生区附近部位，如茎尖__。
(4)选分生区的原因：_植物顶端分生区附近病毒极少，甚至无病毒__。
(5)优点：__脱毒作物的产量和品质明显优于没有脱毒的作物_。
3.单倍体育种
(1)定义：通过_花药_(或_花粉_)培养获得__单倍体植株___，然后经过__诱导染色体加倍__，_当年__就能培育出__遗传性状相对稳定_的__纯合二倍体植株__。
(2)原理：_染色体(数目)变异__和_植物细胞的全能性_
(3)优点：
①_大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力_。
②__可作为进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料_。
4.突变体的利用
(1)过程：
(2)诱变处理对象：一般为_愈伤组织_。
(3)原因：__在植物组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此它们容易受到培养条件和诱变因素的影响而产生突变_。
(4)原理：__基因突变_和__植物细胞的全能性__。
(5)优点：通过人工诱变提高愈伤组织的突变率，从而筛选获得抗病、抗盐、高产、优质的新品种，加快育种进程__。
(6)缺点：__突变具有不定向性和低频性，因此需大量处理实验材料___
5.细胞产物的工厂化生产
(1)植物的代谢产物分类：
①初生代谢产物：初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动；
产物：糖类、脂质、蛋白质、核酸 等
②次生代谢产物：次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行；
产物：一类小分子有机化合物：如酚类、萜类和含氮化合物 等
(2)细胞产物的工厂化生产的目标产物：__次生代谢产物__
(3)技术—_植物细胞培养_
在_离体_条件下对_单个植物细胞_或_细胞团_进行培养使其增殖_的技术。
(4)细胞产物的工厂化生产的一般过程
(5)优点：__不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。
第二节 动物细胞工程
一、动物细胞培养
1.概念：从动物体中_取出_相关的_组织_，将它__分散成单个细胞_，然后在__适宜的培养条件_下，让这些细胞_生长_和_增殖_的技术。
2.原理：__细胞增殖__
3.地位：__动物细胞工程的基础__
4.关键操作：_原代培养_和__传代培养_。
(一)动物细胞培养的条件
1.营养
(1)成分
①已知成分
将细胞所需的__营养物质_(糖类、氨基酸、无机盐、维生素等)按其_种类__和_所需量__严格配制而成的培养基，称为_合成培养基_。
②未知成分
使用合成培养基时，通常需加入_血清_等一些天然成分。
(2)培养基的物理性质
培养动物细胞一般使用_液体培养基__，也称为_培养液__。
2.无菌、无毒的环境
①对_培养液_和_所有培养用具_进行_灭菌_处理；②在_无菌环境__下进行操作；③还需要__定期更换培养液__。
3.温度、pH和渗透压
(1)适宜的温度：哺乳动物细胞培养的温度多以__36.5±0.5℃_为宜。
(2)适宜的pH：多数动物细胞生存的适宜pH为_7.2-7.4_。
(3)适宜的渗透压：维持适宜渗透压的目的_维持细胞正常的形态和功能__。
4.气体环境
(1)组成：动物细胞培养所需气体主要有_O2_和_CO2_。
(2)气体作用：①O2：_O2是细胞代谢所必需的_；②CO2：_CO2的主要作用维持培养液的pH__。
(二)动物细胞培养的过程
①原代培养：将__分瓶之前_的细胞培养，即动物组织经处理后的__初次培养__称为原代培养。
②传代培养：将_分瓶后_的细胞培养称为传代培养；
③细胞贴壁：__大多数_体外培养的细胞需要__贴附于某些基质表面__才能生长增殖，这类细胞往往贴附在培养瓶的_瓶壁_上，这种现象称为细胞贴壁；
④接触抑制：当_贴壁_细胞生长到_表面相互接触_时，细胞通常会_停止分裂增殖__。
1.取动物组织
(1)取材：__动物胚胎__或__幼龄动物__的组织、器官。
(2)取材原因：_细胞分化程度低，增殖能力强，容易培养___。
2.制成细胞悬液
(1)制成细胞悬液的步骤：①__将组织分散成单个细胞__；②__用培养液将细胞制成细胞悬液__
(2)将组织分散成单个细胞的原因：①从动物体取出的成块组织中，细胞与细胞__靠在一起__，彼此__限制了生长和增殖_；②__能使细胞与培养液充分接触，更易进行物质交换_。
(3)将组织分散成单个细胞的方法：①__机械法__；②___用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理一段时间___。
3.原代培养
将_细胞悬液__放入__培养皿或培养瓶_内
4.分瓶、传代培养
悬浮生长类： __直接用离心法收集_；贴壁生长类：重新用胰蛋白酶等处理，使之分散成单个细胞，然后再用离心法收集；将收集的细胞制成 细胞悬液 ，分瓶培养。
5.植物组织培养与动物细胞培养的比较
比较项目 植物组织培养 动物细胞培养
理论基础 植物细胞全能性 细胞增殖
区 别 培养基 类型 固体或半固体培养基 液体 培养基
成分 水、矿质元素、维生素、植物激素、蔗糖、氨基酸、琼脂等 葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、促生长因子、动物血清等
取材 离体植物器官、组织、细胞 动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织
关键环节 细胞的脱分化和再分化 细胞增殖和癌变
结果 新的组织或植株个体，可以体现全能性 新的细胞系或细胞株，不形成个体，不体现全能性
应用 ①植株快速繁殖；②脱毒植株的培育； ③人工种子；④生产药物、杀虫剂等； ⑤转基因植物的培育 ①蛋白质生物制品的生产；②皮肤移植材料的培育；③检测有毒物质；④生理、病理、药理等方面的研究
相同点 两种技术手段培养过程中细胞都进行有丝分裂，都是无性繁殖，都可称克隆，都不涉及减数分裂；②均为无菌操作，需要适宜的温度、pH等条件
(三)干细胞培养及其应用
1.分布
干细胞存在于_早期胚胎__、_骨髓_和__脐带血__等多种组织和器官中。
2.分类
干细胞包括__胚胎干细胞_和_成体干细胞__等
(1)胚胎干细胞(简称ES细胞 )
①分布：存在于_早期胚胎_中
②特点：__具有分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞，并进一步形成机体的所有组织和器官甚至个体的潜能___。
(2)成体干细胞
①分布：存在于_成体组织或器官内__中
②类别：包括_骨髓__中的_造血干细胞__、_神经系统_中的__神经干细胞__、_睾丸_中的__精原干细胞_等。
③特点：_一般认为，成体干细胞具有组织特异性，只能分化成特定的细胞或组织，不具有发育成完整个体的能力___。
3.干细胞的应用
(1)原理：干细胞有着_自我更新__能力及_分化_潜能的干细胞，与__组织、器官_的_发育、再生和修复_等密切相关。
(2)应用：
造血干细胞：治疗白血病及一些恶性肿瘤放疗或化疗后引起的造血系统、免疫系统功能障碍等疾病 。
神经干细胞：治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病(如帕金森病、阿尔茨海默病等) 。
诱导多能干细胞(iPS细胞)：可治疗小鼠的镰状细胞贫血症，在治疗阿尔兹海默病、心血管疾病等领域 。
二、动物细胞融合与单克隆抗体技术
(一)动物细胞融合技术
1.概念：使_两个_或_多个_动物细胞结合形成_一个_细胞的技术。
2.结果：形成的_杂交细胞__具有__原来两个或多个细胞的遗传信息_。
3.原理：_细胞膜具有一定的流动性__。
4.意义：__突破了有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能__。
5.诱导融合的常用方法：__电融合法__、_聚乙二醇PEG融合法__和__灭活病毒诱导法__。
6.融合实质及完成的标志：_细胞核的融合___。
7.应用：
①细胞融合技术已经成为研究__培育生物新品种_、_细胞遗传__、_细胞免疫_和__肿瘤_等的重要手段。
②利用动物细胞融合技术发展起来的__杂交瘤技术__，为__制造单克隆抗体_开辟了新途径。
8.动物细胞融合和植物体细胞杂交比较
项目 植物体细胞杂交 动物细胞融合
原理 细胞膜具有一定的流动性 植物细胞的全能性 细胞膜具有一定的流动性
细胞融合前的处理方法 用果胶酶和纤维素酶去除细胞壁 用胰蛋白酶或胶原蛋白酶使细胞分散成单个细胞
诱导细胞融合的方法 电融合法、离心法 、聚乙二醇(PEG)融合法 、高Ca2+-高pH融合法 PEG融合法 、电融合法 、灭活病毒诱导法
细胞融合成功的标志 再生出细胞壁 细胞核 的融合
主要用途 获得完整的杂种植株 主要用于制造单克隆抗体
意义 打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种 突破了有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能
(二)单克隆抗体的制备
1.制备过程
2.突出优点：特异性强、灵敏度高，可大量制备。
3.实际应用：
(1)作为诊断试剂；①多种疾病的诊断②病原体的鉴定③其他类型诊断。
(2)用于治疗疾病和运载药物：与药物结合，制成__抗体-药物偶联物(ADC)__，杀伤癌细胞；ADC通常由_抗体_、__接头_和_药物_三部分组成。
(3)治疗疾病：单克隆抗体单独使用，也可直接用于治疗疾病。
三、动物细胞核移植技术和克隆动物
(一)动物细胞核移植技术
1.概念：将动物一个细胞的__细胞核__移入__去核的卵母细胞__中，使这个__重新组合的细胞__发育成_新胚胎_，继而发育成__动物个体_的技术。
2.结果：形成__重新组合的细胞__并发育成__新胚胎_，继而发育成__动物个体_。
3.原理：_动物细胞核的全能性__。
4.生殖方式：__无性生殖__。
5.哺乳动物核移植分类
①胚胎细胞核移植：动物胚胎细胞分化程度_低_，表现全能性_相对容易_。
②体细胞核移植：动物体细胞分化程度_高_，表现全能性_十分困难__。
6.非人灵长类动物体细胞核移植的困难原因
①_供体_细胞的__细胞核__在__去核卵母细胞__中_不能完全恢复_其__分化前的功能状态__，这导致了_胚胎发育率低__。
②对非人灵长类动物_胚胎_进行操作的技术尚不完善。
7.体细胞核移植的过程
(二)体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题
应用前景 畜牧生产 加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育。
保护濒危动物 有望增加濒危物种 的存活数量。
医药卫生 转基因克隆动物可以作为生物反应器，生产珍贵的医用蛋白 。
治疗人类疾病 ①转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以作为异种移植的供体； ②以患者作为供体培育的人核移植胚胎干细胞，经过诱导分化能形成相应的细胞、组织或器官，将它们移植给患者时可以避免免疫 排斥反应。
科研 ①研究克隆动物可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程； ②克隆一批遗传背景相同的动物，可以通过它们之间的对比来分析致病基因； ③克隆特定疾病模型的动物，还能为研究该疾病机制和开发相应的药物提供帮助；
存在的问题 ①成功率非常低 ； ②各个技术环节有待进一步改进； ③绝大多数克隆动物存在健康问题，表现出遗传和生理缺陷 。
第三节 胚胎工程工程
胚胎工程：指对生殖细胞、受精卵 或早期胚胎 细胞进行多种显微操作和处理，然后将获得的胚胎移植到雌性动物体内生产后代，以满足人类的各种需求。胚胎工程技术包括体外受精、胚胎移植和胚胎分割等。
1.操作对象：__动物生殖细胞、受精卵、早期胚胎细胞__。
2.技术种类：__体外受精、胚胎移植、胚胎分割_。
3.特点：____获得的胚胎需移植到雌性动物体内生产后代_。
4.理论基础：__哺乳动物受精和早期胚胎发育的规律__。
一、胚胎工程的伦理基础
(一)受精
1.概念：受精是_精子_和__卵子__结合形成_合子(受精卵)__的过程。
2.场所：在_自然条件_下，哺乳动物的受精在_输卵管内 _完成。
3.过程：包括__受精前的准备阶段___和__受精阶段_。
(1)准备阶段1—精子获能
①概念：刚刚排出的精子_不能立即_与卵子受精，必须在__雌性动物的生殖道__发生__相应的生理变化__后，才能获得_受精能力_，这一生理现象称为“精子获能”。
②研究精子获能机制的意义：实现了各种哺乳动物在体外条件下的获能，为_体外受精技术_的建立奠定了基础。
③使精子获能的方法：直接利用__雌性动物生殖道__使精子获能；将精子培养在__人工配制的获能液__中使其获能。
(2)准备阶段2—卵子的准备
卵子一般在排出_2-3h_后才能被精子穿入；动物排出的卵子成熟程度_不同__有的可能是_初级卵母细胞_，如马、犬等；有的可能是__次级卵母细胞_，如猪、羊等；排出的卵子都要在_输卵管内_进一步成熟；卵子具备与精子受精能力的时期_MⅡ_期。
(3)受精阶段
(二)胚胎早期发育
二、胚胎工程技术及其应用
(一)体外受精
1.过程：包括_卵母细胞的采集_、__精子的获取 _和_受精_等步骤。
2.意义：__是提高动物繁殖能力的有效措施，可以为胚胎移植提供可用胚胎__。
(二)胚胎移植
1.概念：指将通过_体外受精__及__其他方式_得到的胚胎，移植到_同种的__、__生理状态相同_的_雌性_动物体内，使之__继续发育为新个体_的技术。
(1)胚胎来源：_体外受精及其他方式得到的胚胎_。
(2)供体和受体：①提供胚胎的个体称为_供体_ ②接受胚胎的个体叫_受体_。
2.实质：_早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移_。
3.地位：__胚胎工程的最终技术环节__。
4.意义：
①__充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力__；
②__缩短了供体本身的繁殖周期__；
③对供体施行_超数排卵_处理后，可获得_多枚胚胎_，经__移植可得到多个后代__，使供体生产下的后代数量是自然繁殖的__十几倍到几十倍__。
5.过程：
(1)对供、受体的选择和处理
①对供、受体进行的相同处理：_同期发情处理_
②只对供体进行的操作：_超数排卵处理__
(2)配种或人工授精：应选择__同种的优良公牛_
(3)胚胎的收集、检查、培养或保存
①胚胎收集的基础：哺乳动物早期胚胎形成后，在一定时间内不会与母体子宫建立组织上的联系，而是处于游离状态___；②该阶段检查的目的：__检查胚胎的质量___；③胚胎保存的方法：__-196℃液氮中保存___
(4)胚胎的移植：一般选择移植__桑葚胚或囊胚阶段的胚胎__
(5)移植后的检查：第二次检查的目的：__对受体进行妊娠检查(检查受体是否妊娠)__
(三)胚胎分割
1.概念：采用_机械方法_将__早期胚胎_切割成__2等份、4等份或8等份__等，经移植获得__同卵双胎或多胎_的技术。
2.材料：应选择发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚。
3.实质：胚胎分割可增加动物后代的数量，其实质是动物的无性繁殖或克隆。
4.操作要求：对 囊胚 阶段的胚胎进行分割时，要注意将内细胞团均等分割。
5.胚胎干细胞：
(1)来源：从早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞。
(2)特点
(3)应用
6.胚胎分割的优点：
①可以促进优良动物品种的繁殖；
②产生的遗传性状相同的后代是进行遗传学研究 的宝贵材料；
③在胚胎移植前，进行性别鉴定、遗传病筛查 等，对于人工控制动物性别、动物繁育健康后代有重要意义。
7.胚胎移植的局限性
采用胚胎分割技术产生 同卵多胎 的可能性是有限的，分割次数越多，分割后胚胎成活的概率越小 ，目前仍然以二分胚胎 的分割和移植效率最高。新人教版生物学选择性必修3《生物技术与工程》知识梳理
第三章 基因工程
第一节 重组DNA技术的基本工具
基因工程：指按照人们的愿望，通过转基因 等技术，赋予生物新的遗传特性 ，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物制品 。从技术操作层面看，由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫 重组DNA技术 。
一、分子手术刀—限制性内切核酸酶
1.全称和简称
全称：_限制性内切核酸酶_
简称：__限制酶_
2.来源：主要是从_原核生物__中分离纯化出来的
3.作用：
①能够识别_双链_DNA分子的某种_特定核苷酸序列 。
②使_每一条_链中_特定部位_的_磷酸二酯键__断开。
4.作用部位：_磷酸二酯键__
5.识别序列：大多数限制酶的识别序列由_6_个核苷酸组成，也有少数限制酶的识别序列由_4_个、_8_个或__其他数量_的核苷酸组成。
6.切割结果：DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式__黏性末端_和__平末端__。
(1)EcoRⅠ限制酶切割
EcoRⅠ识别序列为GAATTC
EcoRⅠ切割部位为GA之间的磷酸二酯键
(2)SmaⅠ限制酶切割
SmaⅠ识别序列为CCCGGG
SmaⅠ切割部位为CG之间的磷酸二酯键
二、分子缝合针—DNA连接酶
1.功能：将__两个DNA片段连接起来_，恢复被限制酶切开的_磷酸二酯键__。
2.分类和对比
种类 E·coli DNA连接酶 T4DNA连接酶
来源 大肠杆菌 T4噬菌体
特点 只缝合 黏性 末端 缝合 黏性 末端 平 末端
作用 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键
3．比较与DNA有关的六种酶
名称 作用部位 作用底物 作用结果
限制酶 磷酸二酯键 DNA 将DNA切成两个片段
DNA连接酶 磷酸二酯键 DNA片段 将两个DNA片段连接为一个DNA分子
DNA聚合酶或热稳定DNA聚合酶 磷酸二酯键 脱氧核苷酸 将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端
DNA(水解)酶 磷酸二酯键 DNA 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸
解旋酶 碱基对之间的氢键 DNA 将双链DNA分子局部解旋为单链，形成两条长链
RNA聚合酶 磷酸二酯键 核糖核苷酸 将单个核糖核苷酸依次连接到单链末端
三、分子运输车——载体
1.作用：携带外源DNA片段进入受体细胞。
2.种类：质粒、噬菌体 的衍生物、动植物病毒 等。
3.作为载体需具备的条件
①_有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段(基因)插入其中__；
②_能在细胞中进行自我复制或整合到受体DNA上，随受体DNA同步复制_；
③_常有特殊的标记基因，便于重组DNA分子的筛选_；
④_对受体细胞无害_。
探究.实践：DNA的粗提取与鉴定
1.提取思路：利用DNA与RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面存在的差异，选用适当的物理或化学方法对他们进行提取。
2.提取原理：
①DNA不溶于酒精 ，但某些蛋白质溶于酒精，利用这一原理，可以初步分离DNA与蛋白质；
②DNA在不同浓度的NaCl溶液 中的溶解度不同，它能溶于2mol/L的NaCl溶液。
3.鉴定原理：在一定温度下(沸水浴)，DNA遇二苯胺试剂 会呈现蓝色，因此二苯胺试剂 可以作为鉴定DNA的试剂。
4.比较DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同
溶解规律 2 mol/L NaCl溶液 0.14 mol/L NaCl溶液
DNA 溶解 析出
5．DNA粗提取中的注意事项
(1)本实验不能用哺乳动物成熟的红细胞作实验材料，原因是哺乳动物成熟的红细胞 无细胞核(无DNA)。可选用鸡血细胞作材料。
(2)加入洗涤剂后，动作要轻缓、柔和，否则容易产生大量的泡沫。加入酒精 和用玻璃棒搅拌时，动作要轻缓，以免加剧DNA分子的断裂，导致DNA分子不能形成絮状沉淀 。
(3)二苯胺试剂要现配现用 ，否则会影响鉴定的效果。
(4)提取植物细胞的DNA时，加入的洗涤剂能溶解细胞膜 ，有利于DNA的释放；加入食盐(主要成分是NaCl)的目的是溶解DNA。
(5)在DNA进一步提纯时，选用冷却的95%的酒精 的作用是溶解杂质和析出DNA。
第二节 基因工程的基本操作程序
一、目的基因的筛选与获取
(一)目的基因的筛选与获取
1.目的基因概念
在基因工程的设计和操作中，用于__改变受体细胞性状__或__获得预期表达产物_等的基因就是目的基因(根据不同的需要，目的基因是不同的，主要是指__编码蛋白质的基因___)。
2.筛选目的基因的方法
(1)从相关的__已知结构__和__功能清晰__的基因中进行筛选。
(2)获取方法
3.利用PCR获取和扩增目的基因
(1)PCR的概：PCR是__聚合酶链式反应__的缩写，是一项根据_DNA半保留复制_的原理，在_体外_提供参与DNA复制的__各种组分__与_反应条件_，对_目的基因的核苷酸序列_进行__大量复制__的技术。
①全称：__聚合酶链式反应___
②原理：___DNA半保留复制___
③操作环境：__体外(PCR扩增仪/PCR仪)___
④目的：__对目的基因的核苷酸序列进行大量复制___
⑤优点：___可以在短时间内大量扩增目的基因___
(2)DNA体内复制的条件
参与的组分 在DNA复制中的作用
DNA母链 提供DNA复制的模板
4种脱氧核苷酸 合成DNA子链的原料
解旋酶 打开DNA双链
DNA聚合酶 催化合成DNA子链
引物 使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
注：引物是一小段能与_DNA母链__的一段碱基序列__互补配对_的_短单链核酸__。
(3)DNA体外复制(PCR)的条件
参与的组分 在DNA复制中的作用
DNA母链 提供DNA复制的模板
4种脱氧核苷酸 合成DNA子链的原料
引物 使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
90℃以上高温 打开DNA双链(变性温度)
耐高温的DNA聚合酶 催化合成DNA子链
缓冲液(含Mg2+ ) 激活真核细胞和细菌的DNA聚合酶
其他不同的温度 变性、复性和延伸 需要不同温度
注：复制的原料实为dNTP (dATP、dTTP、dCTP、dGTP)，同时水解产生能量为合成DNA子链提供能量，因此体系中不需要添加ATP 。
(4)过程
目的基因DNA__受热变性__后_解为单链_，_引物 与单链相应_互补序列_结合；然后以__单链DNA__为模板在_DNA聚合酶_作用下进行_延伸__，即将4种_脱氧核苷酸__加到__引物的3’__，如此__重复循环多次__， 每次循环一般可以分为_变性、复性和延伸_三步。
注：
变性 温度上升到90 ℃左右，双链DNA解聚为单链
复性 温度下降到55 ℃左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合
延伸 温度上升到72 ℃左右，Taq酶从引物起始合成互补链，可使新链由5′端向3′端延伸
拓展：DNA复制的相关计算
1.子代DNA分子总数： _2n_ 个；
2.第n代产生的DNA数：_2n-1_个；
3.子代DNA脱氧核苷酸链总数= _2n+1_ 条
4.第n代产生的DNA链数：_2n_条
①n代后，DNA分子有_2n_个
②n代后，DNA链有_2n+1_条
③第____代出现完整的目的基因
④n代后，含引物的DNA分子有_2n__个
⑤n代后，共消耗_2n+1-2_个引物
⑥第n代复制，消耗了_2n_个引物
⑦n代后，完整的目的基因有_2n-2n_个
4.获取目的基因的其他方法
(1)构建基因文库来获取目的基因：将含有某种生物不同基因的许多DNA 片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因，称为基因文库。
①基因组文库：包含一种生物所有的基因。
②部分基因文库：只包含一种生物一部分基因，如cDNA文库。
(2)利用化学方法人工合成：用DNA合成仪，要获取的基因比较小，核苷酸序列又已知，不需要模板。
(二)基因表达载体的构建(核心)
1.基因表达载体的组成
基因表达载体必须包括_目的基因_、__标记基因_、_启动子_、_终止子_等(若需要能完成自主复制，还应有_复制原点_)。
(1)启动子
①本质：一段有特殊序列结构的_DNA_片段。
②位置：位于基因的_上游_，紧挨__转录的起始位点__。
③功能：__RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA___。
④特殊类型：_诱导型启动子___。
⑤诱导型启动子的特点：__当诱导物存在时，可以激活或抑制目的基因的表达__。
(2)终止子
①本质：一段有特殊序列结构的_DNA__片段。
②位置：位于基因的_下游_。
③功能：__使转录在所需要的地方停下来__。
注：启动子、终止子、起始密码子、终止密码子对比
比较项目 启动子 终止子 起始密码子 终止密码子
本质 DNA片段 DNA片段 mRNA上三个相邻的碱基 mRNA上三个相邻的碱基
位置 目的基因上游 目的基因下游 mRNA首端 mRNA尾端
功能 RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA 使转录在所需要的地方停下来 翻译的起始信号(编码氨基酸) 翻译的结束信号(不编码氨基酸)
(3)标记基因
①作用：_便于重组DNA分子的筛选_
②常见类型：抗生素抗性基因、荧光蛋白基因等
(4)基因表达载体的构建过程
(三)将目的基因导入受体细胞
1.将目的基因导入植物细胞—花粉管通道法
(1)操作方式
①用__微量注射器_将__含目的基因的DNA溶液_直接注入_子房_中。
②在_植物受粉后_的一定时间内，_剪去柱头_，将__DNA溶液___滴加在_花粉管通道__上，使目的基因借助_花柱切面__进入_胚囊_。
(2)受体细胞：_受精卵__。
2.将目的基因导入植物细胞—农杆菌转化法
(1)转化：__目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程__。
注：此处“转化”与肺炎链球菌转化实验中的“转化”含义相同，实质都是基因重组。
(2)农杆菌特点：
①能在自然条件下侵染__双子叶植物_和_裸子植物__，而对大多数__单子叶植物_没有侵染能力。
②农杆菌细胞内含有__Ti质粒_，当它侵染植物细胞后，能将_Ti质粒_上的_T-DNA_( 可转移的DNA )转移_到被侵染的细胞，并且将其__整合到该细胞的染色体DNA上__。
(3)农杆菌转化法的过程：将目的基因插入_Ti质粒的T-DNA__中，通过农杆菌的_转化_作用，就可以使目的基因_进入植物细胞_，并___整合到受体细胞的染色体DNA上__，使目的基因能够_维持稳定和表达__。
3.将目的基因导入动物细胞—显微注射法
1.受体细胞：_受精卵_
注：受精卵容易表现出全能性。
2.过程：
4.将目的基因导入微生物细胞—Ca2+处理法
(1)受体细胞：常用__原核生物__作为受体细胞，其中以__大肠杆菌_最广泛
(2)原核生物的优点：_繁殖快、单细胞、遗传物质相对较少、易于培养__
(3)Ca2+处理法(感受态细胞法)的一般过程：
(四)目的基因的检测与鉴定
检测目的 检测方法 判断标准
目的基因是否插入转基因生物的DNA DNA分子杂交技术 是否出现杂交带
目的基因是否转录出了mRNA 分子杂交技术 是否出现杂交带
目的基因是否翻译出蛋白质 抗原—抗体杂交技术 是否出现杂交带
个体水平的检测 如抗虫、抗病的接种实验 是否表现出相应的特性
1.DNA片段的电泳鉴定
(1)实验原理：DNA分子具有可解离的基团，在一定的pH下，这些基团可以带上正电荷或负电荷。带电粒子在电场作用下，向与其携带电荷相反 的电极移动。
(2)影响DNA分子的迁移率的因素：DNA的分子大小，DNA分子的构象，凝胶的浓度。
(3)电泳出现位置不等的几条条带，说明存在长短不一的DNA片段，鉴定的PCR产物不纯净。
第三节 基因工程的应用
一、基因工程在农牧业方面的应用
分类 实例 处理或作用
转基因抗虫植物 转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯 从某些生物中分离出抗虫基因导入作物，使之具有抗虫性状。可减少因　化学农药　的使用而造成的环境污染和对人类健康的损害，降低生产成本、提高产量 。
转基因抗病植物 抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等 将源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入作物,培育出抗病作物。 抗病毒的目的基因 抗真菌的目的基因
转基因抗逆植物 抗除草剂玉米、转鱼抗寒基因番茄等 抗逆性基因：调节细胞渗透压的基因(提高作物抗盐碱、抗干旱)；抗除草剂基因；鱼的抗冻蛋白基因。
改良植物的品质 高赖氨酸玉米、含大量纤维素的转基因玉米、转基因矮牵牛 改善植物的营养成分含量(如氨基酸、蛋白质)或提升观赏价值等。
提高动物的生长速率 转生长激素基因的鲤鱼 由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长更快，可将这类基因导入动物体内，以提高动物的生长速率 。
改善畜产品的品质 转肠乳糖酶基因牛 将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
分类 实例 处理或作用
转基因动物生产药物 乳腺生物反应器(乳房生物反应器) 将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起。
转基因动物作器官移植的供体 克隆猪器官 抑制或除去　抗原　决定基因，结合克隆技术培育出没有免疫排斥反应 的转基因克隆猪器官。
基因治疗 镰状细胞贫血的治疗方案 基因治疗的策略主要有基因置换、基因修复、基因增补、基因失活等。
三、基因工程在食品工业方面的应用
淀粉酶、凝乳酶、天冬氨酸和苯丙氨酸等的生产 利用基因工程菌生产食品工业 用酶、氨基酸和维生素等。如将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过　工业发酵　生产凝乳酶。
四、乳腺生物反应器与基因工程菌生产药物比较
比较项目 乳腺生物反应器 工程菌
基因表达 合成的药物蛋白 与天然蛋白质 相同 细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器，产生的药物蛋白可能没有活性。
受体细胞 动物的受精卵 微生物细胞
导入目的基 因的方式 显微注射技术 感受态细胞法
药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞中提取
第四节 基因工程的延伸——蛋白质工程
蛋白质工程：是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能 的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质 ，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
1.概念理解
(1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
(2)操作：　基因修饰　或基因合成。
(3)结果：　改造了　现有蛋白质或制造出　新的蛋白质　。
(4)目的：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对　蛋白质结构　进行分子设计。
2.操作过程
从预期的蛋白质　功能　出发→设计预期的　蛋白质结构　→推测应有的　氨基酸序列　→找到并改变相对应的　脱氧核苷酸序列　(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
一、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质：将一种生物的_基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状 。
2.基因工程的局限性：__只能生产自然界中已存在的蛋白质____
3.蛋白质工程崛起的缘由：
(1)基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质 。
(2)天然蛋白质是生物长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活 的需要。
二、蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质__功能__的特定需求，因此要对蛋白质的__结构_进行设计改造。
2.蛋白质工程的实质：__改造或合成基因 (定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质)。
3.天然蛋白质合成过程：天然蛋白质合成的过程是按照__中心法则__进行的。
基因→ 表达 →形成具有特定氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→形式生物功能
4.蛋白质工程思路
蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程_相反_，而从__预期的蛋白质功能_出发→设计_预期的蛋白质结_→推测__应有的氨基酸序列_→找到并改变_相对应的脱氧核苷酸序列_或__合成新基因_→获得所需要的蛋白质。
三、蛋白质工程和基因工程的比较
比较项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象 基因 基因
操作起点 预期蛋白质功能 目的基因
操作水平 DNA分子水平 DNA分子水平
操作流程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞 →目的基因的检测与鉴定
结果 可生产自然界没有 的蛋白质 可生产自然界已有的蛋白质
实质 通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质 将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状
联系 ①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 ； ②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程 基本操作。
四、蛋白质工程的应用
1.研发速效胰岛素类似物
2.延长干扰素体外保存时间
3.降低人对小鼠单抗了抗体的免疫反应
通过_改造基因__，将小鼠抗体上_结合抗原_的区域(即_可变区__)“嫁接”到_人的抗体_(即_恒定区_)上，经过这样改造的抗体_诱发免疫反应的强度就会降低很多__。
4.其他
(1)改进酶的性能 或开发新的工业用酶。
(2)改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的 速率 ，增加粮食的产量 。
(3)改造微生物蛋白质的结构，使它 防治病虫害 的效果增强。
5.蛋白质工程现状
蛋白质工程是一项难度很大的工程；主要原因是__蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂_。新人教版生物学选择性必修3《生物技术与工程》知识梳理
第三章 基因工程
第一节 重组DNA技术的基本工具
基因工程：指按照人们的愿望，通过转基因 等技术，赋予生物新的遗传特性 ，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物制品 。从技术操作层面看，由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫 重组DNA技术 。
一、分子手术刀—限制性内切核酸酶
1.全称和简称
全称：_限制性内切核酸酶_
简称：__限制酶_
2.来源：主要是从_原核生物__中分离纯化出来的
3.作用：
①能够识别_双链_DNA分子的某种_特定核苷酸序列 。
②使_每一条_链中_特定部位_的_磷酸二酯键__断开。
4.作用部位：_磷酸二酯键__
5.识别序列：大多数限制酶的识别序列由_6_个核苷酸组成，也有少数限制酶的识别序列由_4_个、_8_个或__其他数量_的核苷酸组成。
6.切割结果：DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式__黏性末端_和__平末端__。
(1)EcoRⅠ限制酶切割
EcoRⅠ识别序列为GAATTC
EcoRⅠ切割部位为GA之间的磷酸二酯键
(2)SmaⅠ限制酶切割
SmaⅠ识别序列为CCCGGG
SmaⅠ切割部位为CG之间的磷酸二酯键
二、分子缝合针—DNA连接酶
1.功能：将__两个DNA片段连接起来_，恢复被限制酶切开的_磷酸二酯键__。
2.分类和对比
种类 E·coli DNA连接酶 T4DNA连接酶
来源 大肠杆菌 T4噬菌体
特点 只缝合 黏性 末端 缝合 黏性 末端 平 末端
作用 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键
3．比较与DNA有关的六种酶
名称 作用部位 作用底物 作用结果
限制酶 磷酸二酯键 DNA 将DNA切成两个片段
DNA连接酶 磷酸二酯键 DNA片段 将两个DNA片段连接为一个DNA分子
DNA聚合酶或热稳定DNA聚合酶 磷酸二酯键 脱氧核苷酸 将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端
DNA(水解)酶 磷酸二酯键 DNA 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸
解旋酶 碱基对之间的氢键 DNA 将双链DNA分子局部解旋为单链，形成两条长链
RNA聚合酶 磷酸二酯键 核糖核苷酸 将单个核糖核苷酸依次连接到单链末端
三、分子运输车——载体
1.作用：携带外源DNA片段进入受体细胞。
2.种类：质粒、噬菌体 的衍生物、动植物病毒 等。
3.作为载体需具备的条件
①_有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段(基因)插入其中__；
②_能在细胞中进行自我复制或整合到受体DNA上，随受体DNA同步复制_；
③_常有特殊的标记基因，便于重组DNA分子的筛选_；
④_对受体细胞无害_。
探究.实践：DNA的粗提取与鉴定
1.提取思路：利用DNA与RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面存在的差异，选用适当的物理或化学方法对他们进行提取。
2.提取原理：
①DNA不溶于酒精 ，但某些蛋白质溶于酒精，利用这一原理，可以初步分离DNA与蛋白质；
②DNA在不同浓度的NaCl溶液 中的溶解度不同，它能溶于2mol/L的NaCl溶液。
3.鉴定原理：在一定温度下(沸水浴)，DNA遇二苯胺试剂 会呈现蓝色，因此二苯胺试剂 可以作为鉴定DNA的试剂。
4.比较DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同
溶解规律 2 mol/L NaCl溶液 0.14 mol/L NaCl溶液
DNA 溶解 析出
5．DNA粗提取中的注意事项
(1)本实验不能用哺乳动物成熟的红细胞作实验材料，原因是哺乳动物成熟的红细胞 无细胞核(无DNA)。可选用鸡血细胞作材料。
(2)加入洗涤剂后，动作要轻缓、柔和，否则容易产生大量的泡沫。加入酒精 和用玻璃棒搅拌时，动作要轻缓，以免加剧DNA分子的断裂，导致DNA分子不能形成絮状沉淀 。
(3)二苯胺试剂要现配现用 ，否则会影响鉴定的效果。
(4)提取植物细胞的DNA时，加入的洗涤剂能溶解细胞膜 ，有利于DNA的释放；加入食盐(主要成分是NaCl)的目的是溶解DNA。
(5)在DNA进一步提纯时，选用冷却的95%的酒精 的作用是溶解杂质和析出DNA。
第二节 基因工程的基本操作程序
一、目的基因的筛选与获取
(一)目的基因的筛选与获取
1.目的基因概念
在基因工程的设计和操作中，用于__改变受体细胞性状__或__获得预期表达产物_等的基因就是目的基因(根据不同的需要，目的基因是不同的，主要是指__编码蛋白质的基因___)。
2.筛选目的基因的方法
(1)从相关的__已知结构__和__功能清晰__的基因中进行筛选。
(2)获取方法
3.利用PCR获取和扩增目的基因
(1)PCR的概：PCR是__聚合酶链式反应__的缩写，是一项根据_DNA半保留复制_的原理，在_体外_提供参与DNA复制的__各种组分__与_反应条件_，对_目的基因的核苷酸序列_进行__大量复制__的技术。
①全称：__聚合酶链式反应___
②原理：___DNA半保留复制___
③操作环境：__体外(PCR扩增仪/PCR仪)___
④目的：__对目的基因的核苷酸序列进行大量复制___
⑤优点：___可以在短时间内大量扩增目的基因___
(2)DNA体内复制的条件
参与的组分 在DNA复制中的作用
DNA母链 提供DNA复制的模板
4种脱氧核苷酸 合成DNA子链的原料
解旋酶 打开DNA双链
DNA聚合酶 催化合成DNA子链
引物 使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
注：引物是一小段能与_DNA母链__的一段碱基序列__互补配对_的_短单链核酸__。
(3)DNA体外复制(PCR)的条件
参与的组分 在DNA复制中的作用
DNA母链 提供DNA复制的模板
4种脱氧核苷酸 合成DNA子链的原料
引物 使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
90℃以上高温 打开DNA双链(变性温度)
耐高温的DNA聚合酶 催化合成DNA子链
缓冲液(含Mg2+ ) 激活真核细胞和细菌的DNA聚合酶
其他不同的温度 变性、复性和延伸 需要不同温度
注：复制的原料实为dNTP (dATP、dTTP、dCTP、dGTP)，同时水解产生能量为合成DNA子链提供能量，因此体系中不需要添加ATP 。
(4)过程
目的基因DNA__受热变性__后_解为单链_，_引物 与单链相应_互补序列_结合；然后以__单链DNA__为模板在_DNA聚合酶_作用下进行_延伸__，即将4种_脱氧核苷酸__加到__引物的3’__，如此__重复循环多次__， 每次循环一般可以分为_变性、复性和延伸_三步。
注：
变性 温度上升到90 ℃左右，双链DNA解聚为单链
复性 温度下降到55 ℃左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合
延伸 温度上升到72 ℃左右，Taq酶从引物起始合成互补链，可使新链由5′端向3′端延伸
拓展：DNA复制的相关计算
1.子代DNA分子总数： _2n_ 个；
2.第n代产生的DNA数：_2n-1_个；
3.子代DNA脱氧核苷酸链总数= _2n+1_ 条
4.第n代产生的DNA链数：_2n_条
①n代后，DNA分子有_2n_个
②n代后，DNA链有_2n+1_条
③第____代出现完整的目的基因
④n代后，含引物的DNA分子有_2n__个
⑤n代后，共消耗_2n+1-2_个引物
⑥第n代复制，消耗了_2n_个引物
⑦n代后，完整的目的基因有_2n-2n_个
4.获取目的基因的其他方法
(1)构建基因文库来获取目的基因：将含有某种生物不同基因的许多DNA 片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因，称为基因文库。
①基因组文库：包含一种生物所有的基因。
②部分基因文库：只包含一种生物一部分基因，如cDNA文库。
(2)利用化学方法人工合成：用DNA合成仪，要获取的基因比较小，核苷酸序列又已知，不需要模板。
(二)基因表达载体的构建(核心)
1.基因表达载体的组成
基因表达载体必须包括_目的基因_、__标记基因_、_启动子_、_终止子_等(若需要能完成自主复制，还应有_复制原点_)。
(1)启动子
①本质：一段有特殊序列结构的_DNA_片段。
②位置：位于基因的_上游_，紧挨__转录的起始位点__。
③功能：__RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA___。
④特殊类型：_诱导型启动子___。
⑤诱导型启动子的特点：__当诱导物存在时，可以激活或抑制目的基因的表达__。
(2)终止子
①本质：一段有特殊序列结构的_DNA__片段。
②位置：位于基因的_下游_。
③功能：__使转录在所需要的地方停下来__。
注：启动子、终止子、起始密码子、终止密码子对比
比较项目 启动子 终止子 起始密码子 终止密码子
本质 DNA片段 DNA片段 mRNA上三个相邻的碱基 mRNA上三个相邻的碱基
位置 目的基因上游 目的基因下游 mRNA首端 mRNA尾端
功能 RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA 使转录在所需要的地方停下来 翻译的起始信号(编码氨基酸) 翻译的结束信号(不编码氨基酸)
(3)标记基因
①作用：_便于重组DNA分子的筛选_
②常见类型：抗生素抗性基因、荧光蛋白基因等
(4)基因表达载体的构建过程
(三)将目的基因导入受体细胞
1.将目的基因导入植物细胞—花粉管通道法
(1)操作方式
①用__微量注射器_将__含目的基因的DNA溶液_直接注入_子房_中。
②在_植物受粉后_的一定时间内，_剪去柱头_，将__DNA溶液___滴加在_花粉管通道__上，使目的基因借助_花柱切面__进入_胚囊_。
(2)受体细胞：_受精卵__。
2.将目的基因导入植物细胞—农杆菌转化法
(1)转化：__目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程__。
注：此处“转化”与肺炎链球菌转化实验中的“转化”含义相同，实质都是基因重组。
(2)农杆菌特点：
①能在自然条件下侵染__双子叶植物_和_裸子植物__，而对大多数__单子叶植物_没有侵染能力。
②农杆菌细胞内含有__Ti质粒_，当它侵染植物细胞后，能将_Ti质粒_上的_T-DNA_( 可转移的DNA )转移_到被侵染的细胞，并且将其__整合到该细胞的染色体DNA上__。
(3)农杆菌转化法的过程：将目的基因插入_Ti质粒的T-DNA__中，通过农杆菌的_转化_作用，就可以使目的基因_进入植物细胞_，并___整合到受体细胞的染色体DNA上__，使目的基因能够_维持稳定和表达__。
3.将目的基因导入动物细胞—显微注射法
1.受体细胞：_受精卵_
注：受精卵容易表现出全能性。
2.过程：
4.将目的基因导入微生物细胞—Ca2+处理法
(1)受体细胞：常用__原核生物__作为受体细胞，其中以__大肠杆菌_最广泛
(2)原核生物的优点：_繁殖快、单细胞、遗传物质相对较少、易于培养__
(3)Ca2+处理法(感受态细胞法)的一般过程：
(四)目的基因的检测与鉴定
检测目的 检测方法 判断标准
目的基因是否插入转基因生物的DNA DNA分子杂交技术 是否出现杂交带
目的基因是否转录出了mRNA 分子杂交技术 是否出现杂交带
目的基因是否翻译出蛋白质 抗原—抗体杂交技术 是否出现杂交带
个体水平的检测 如抗虫、抗病的接种实验 是否表现出相应的特性
1.DNA片段的电泳鉴定
(1)实验原理：DNA分子具有可解离的基团，在一定的pH下，这些基团可以带上正电荷或负电荷。带电粒子在电场作用下，向与其携带电荷相反 的电极移动。
(2)影响DNA分子的迁移率的因素：DNA的分子大小，DNA分子的构象，凝胶的浓度。
(3)电泳出现位置不等的几条条带，说明存在长短不一的DNA片段，鉴定的PCR产物不纯净。
第三节 基因工程的应用
一、基因工程在农牧业方面的应用
分类 实例 处理或作用
转基因抗虫植物 转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯 从某些生物中分离出抗虫基因导入作物，使之具有抗虫性状。可减少因　化学农药　的使用而造成的环境污染和对人类健康的损害，降低生产成本、提高产量 。
转基因抗病植物 抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等 将源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入作物,培育出抗病作物。 抗病毒的目的基因 抗真菌的目的基因
转基因抗逆植物 抗除草剂玉米、转鱼抗寒基因番茄等 抗逆性基因：调节细胞渗透压的基因(提高作物抗盐碱、抗干旱)；抗除草剂基因；鱼的抗冻蛋白基因。
改良植物的品质 高赖氨酸玉米、含大量纤维素的转基因玉米、转基因矮牵牛 改善植物的营养成分含量(如氨基酸、蛋白质)或提升观赏价值等。
提高动物的生长速率 转生长激素基因的鲤鱼 由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长更快，可将这类基因导入动物体内，以提高动物的生长速率 。
改善畜产品的品质 转肠乳糖酶基因牛 将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
分类 实例 处理或作用
转基因动物生产药物 乳腺生物反应器(乳房生物反应器) 将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起。
转基因动物作器官移植的供体 克隆猪器官 抑制或除去　抗原　决定基因，结合克隆技术培育出没有免疫排斥反应 的转基因克隆猪器官。
基因治疗 镰状细胞贫血的治疗方案 基因治疗的策略主要有基因置换、基因修复、基因增补、基因失活等。
三、基因工程在食品工业方面的应用
淀粉酶、凝乳酶、天冬氨酸和苯丙氨酸等的生产 利用基因工程菌生产食品工业 用酶、氨基酸和维生素等。如将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过　工业发酵　生产凝乳酶。
四、乳腺生物反应器与基因工程菌生产药物比较
比较项目 乳腺生物反应器 工程菌
基因表达 合成的药物蛋白 与天然蛋白质 相同 细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器，产生的药物蛋白可能没有活性。
受体细胞 动物的受精卵 微生物细胞
导入目的基 因的方式 显微注射技术 感受态细胞法
药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞中提取
第四节 基因工程的延伸——蛋白质工程
蛋白质工程：是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能 的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质 ，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
1.概念理解
(1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
(2)操作：　基因修饰　或基因合成。
(3)结果：　改造了　现有蛋白质或制造出　新的蛋白质　。
(4)目的：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对　蛋白质结构　进行分子设计。
2.操作过程
从预期的蛋白质　功能　出发→设计预期的　蛋白质结构　→推测应有的　氨基酸序列　→找到并改变相对应的　脱氧核苷酸序列　(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
一、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质：将一种生物的_基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状 。
2.基因工程的局限性：__只能生产自然界中已存在的蛋白质____
3.蛋白质工程崛起的缘由：
(1)基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质 。
(2)天然蛋白质是生物长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活 的需要。
二、蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质__功能__的特定需求，因此要对蛋白质的__结构_进行设计改造。
2.蛋白质工程的实质：__改造或合成基因 (定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质)。
3.天然蛋白质合成过程：天然蛋白质合成的过程是按照__中心法则__进行的。
基因→ 表达 →形成具有特定氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→形式生物功能
4.蛋白质工程思路
蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程_相反_，而从__预期的蛋白质功能_出发→设计_预期的蛋白质结_→推测__应有的氨基酸序列_→找到并改变_相对应的脱氧核苷酸序列_或__合成新基因_→获得所需要的蛋白质。
三、蛋白质工程和基因工程的比较
比较项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象 基因 基因
操作起点 预期蛋白质功能 目的基因
操作水平 DNA分子水平 DNA分子水平
操作流程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞 →目的基因的检测与鉴定
结果 可生产自然界没有 的蛋白质 可生产自然界已有的蛋白质
实质 通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质 将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状
联系 ①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 ； ②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程 基本操作。
四、蛋白质工程的应用
1.研发速效胰岛素类似物
2.延长干扰素体外保存时间
3.降低人对小鼠单抗了抗体的免疫反应
通过_改造基因__，将小鼠抗体上_结合抗原_的区域(即_可变区__)“嫁接”到_人的抗体_(即_恒定区_)上，经过这样改造的抗体_诱发免疫反应的强度就会降低很多__。
4.其他
(1)改进酶的性能 或开发新的工业用酶。
(2)改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的 速率 ，增加粮食的产量 。
(3)改造微生物蛋白质的结构，使它 防治病虫害 的效果增强。
5.蛋白质工程现状
蛋白质工程是一项难度很大的工程；主要原因是__蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂_。新人教版生物学选择性必修3《生物技术与工程》知识梳理
第四章 生物技术的安全性与伦理问题
第一节 转基因产品安全性
一、转基因成果简直令人叹为观止
分类 成果
转基因微生物 (1)清除石油污染，例如假单胞杆菌。 (2)基因工程技术生产药物(胰岛素、人生长激素、干扰素、乙肝疫苗、人促红细胞生成素、肿瘤坏死因子、降钙素基因相关因子等)。
转基因动物 (1)用于提高动物生长速率 。 (2)用于改善畜产品 的品质。 (3)用转基因动物生产药物 。 (4)用转基因动物作 器官移植 的供体。
转基因植物 (1)抗虫 转基因植物。 (2)抗病 转基因植物。 (3)其他抗逆 转基因植物。 (4)利用转基因改良植物的品质 。
二、对转基因产品安全性的争论
关注焦点 态度 理由
转基因食品是否安全 转基因食品不安全 (1)担心安全性检测 不全面。 (2)担心出现滞后效应,合成出有潜在毒性 的蛋白质。 (3)担心出现新的过敏原 。 (3)担心出现营养成分 改变。 ……
转基因食品安全 (1)转基因食品经过了严格的安全检测。 (2)仅极少数品种中出现了导致人体过敏的蛋白,并已被科学家销毁了。 (3)至今未发现因食用转基因食物 而影响人体健康的实例。 ……
三、理性看待转基因技术
1.认识到转基因技术的应用前景是非常广阔的，以基因工程为代表的一大批生物技术成果进入人类的生产和生活，特别是在 医药和农牧业生产 上发挥了极大的作用。
2.正视 转基因技术带来的安全性问题，切实认识到个别有害转基因生物的危害性，要趋利避害 。
3.完善相应的法律法规 ，利用法规手段确保转基因生物的安全性 。
4.增强科学家的法律意识 ，提高科学家的科学研究道德水平 。不能单纯从技术角度去理解人们对待转基因产品的态度，其中包含有复杂的 政治、经济和文化 背景。
第二节 关注生殖性克隆人
一、生殖性克隆人面临的伦理问题
观点 理由
不赞成 ①生殖性克隆人严重违反了人类伦理道德。 ②生殖性克隆人“有违人类尊严”。 ③生殖性克隆人是在人为地制造在心理上和社会地位上都不健全的人。 ④克隆技术尚不成熟。
赞成 生殖性克隆人是一项科学研究,既然是科学，就应该允许研究克隆人。
二、我国禁止生殖性克隆人
我国禁止生殖性克隆人。四不原则是不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人的实验，主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。
三、设计试管婴儿引发的伦理问题
观点 理由
不符合伦 理道德 ①把试管婴儿当作人体零配件工厂，是对生命的不尊重 。 ②早期的生命也有活下去的权利，抛弃或杀死多余胚胎，无异于“谋杀”。 ③有人会滥用设计试管婴儿技术来设计婴儿 性别 等。
符合伦理 道德 ①设计试管婴儿是为了救人，是救治患者最好、最快捷的办法之一。 ②提供骨髓中的造血干细胞 并不会对试管婴儿造成损伤。 ③脐带血乃试管婴儿的“身外之物”。
中国政府观点 中国卫生部在《体外受精—胚胎移植及其衍生技术规范》中规定，“实施体外受精—胚胎移植 及其衍生技术必须获得卫生部的批准证书”。
第三节 禁止生物武器
一、禁止生物武器
1.生物武器的种类：致病菌类、病毒类 和生化毒剂类等。
2.生物武器的特点：致病能力强 ，攻击范围广。
3.传播方式：直接吸入，食物传播，接触 带菌生活必需品和被带菌昆虫叮咬等。经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人畜体内，造成大规模伤亡，也能大量损害植物。
4.我国政府：任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器，反对生物武器及其技术和设备的扩散，并主张全面禁止和彻底销毁 生物武器等各类大规模杀伤性武器。新人教版生物学选择性必修3《生物技术与工程》知识梳理
第四章 生物技术的安全性与伦理问题
第一节 转基因产品安全性
一、转基因成果简直令人叹为观止
分类 成果
转基因微生物 (1)清除石油污染，例如假单胞杆菌。 (2)基因工程技术生产药物(胰岛素、人生长激素、干扰素、乙肝疫苗、人促红细胞生成素、肿瘤坏死因子、降钙素基因相关因子等)。
转基因动物 (1)用于提高动物生长速率 。 (2)用于改善畜产品 的品质。 (3)用转基因动物生产药物 。 (4)用转基因动物作 器官移植 的供体。
转基因植物 (1)抗虫 转基因植物。 (2)抗病 转基因植物。 (3)其他抗逆 转基因植物。 (4)利用转基因改良植物的品质 。
二、对转基因产品安全性的争论
关注焦点 态度 理由
转基因食品是否安全 转基因食品不安全 (1)担心安全性检测 不全面。 (2)担心出现滞后效应,合成出有潜在毒性 的蛋白质。 (3)担心出现新的过敏原 。 (3)担心出现营养成分 改变。 ……
转基因食品安全 (1)转基因食品经过了严格的安全检测。 (2)仅极少数品种中出现了导致人体过敏的蛋白,并已被科学家销毁了。 (3)至今未发现因食用转基因食物 而影响人体健康的实例。 ……
三、理性看待转基因技术
1.认识到转基因技术的应用前景是非常广阔的，以基因工程为代表的一大批生物技术成果进入人类的生产和生活，特别是在 医药和农牧业生产 上发挥了极大的作用。
2.正视 转基因技术带来的安全性问题，切实认识到个别有害转基因生物的危害性，要趋利避害 。
3.完善相应的法律法规 ，利用法规手段确保转基因生物的安全性 。
4.增强科学家的法律意识 ，提高科学家的科学研究道德水平 。不能单纯从技术角度去理解人们对待转基因产品的态度，其中包含有复杂的 政治、经济和文化 背景。
第二节 关注生殖性克隆人
一、生殖性克隆人面临的伦理问题
观点 理由
不赞成 ①生殖性克隆人严重违反了人类伦理道德。 ②生殖性克隆人“有违人类尊严”。 ③生殖性克隆人是在人为地制造在心理上和社会地位上都不健全的人。 ④克隆技术尚不成熟。
赞成 生殖性克隆人是一项科学研究,既然是科学，就应该允许研究克隆人。
二、我国禁止生殖性克隆人
我国禁止生殖性克隆人。四不原则是不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人的实验，主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。
三、设计试管婴儿引发的伦理问题
观点 理由
不符合伦 理道德 ①把试管婴儿当作人体零配件工厂，是对生命的不尊重 。 ②早期的生命也有活下去的权利，抛弃或杀死多余胚胎，无异于“谋杀”。 ③有人会滥用设计试管婴儿技术来设计婴儿 性别 等。
符合伦理 道德 ①设计试管婴儿是为了救人，是救治患者最好、最快捷的办法之一。 ②提供骨髓中的造血干细胞 并不会对试管婴儿造成损伤。 ③脐带血乃试管婴儿的“身外之物”。
中国政府观点 中国卫生部在《体外受精—胚胎移植及其衍生技术规范》中规定，“实施体外受精—胚胎移植 及其衍生技术必须获得卫生部的批准证书”。
第三节 禁止生物武器
一、禁止生物武器
1.生物武器的种类：致病菌类、病毒类 和生化毒剂类等。
2.生物武器的特点：致病能力强 ，攻击范围广。
3.传播方式：直接吸入，食物传播，接触 带菌生活必需品和被带菌昆虫叮咬等。经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人畜体内，造成大规模伤亡，也能大量损害植物。
4.我国政府：任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器，反对生物武器及其技术和设备的扩散，并主张全面禁止和彻底销毁 生物武器等各类大规模杀伤性武器。

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