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本节聚焦:
基因工程的应用有哪些？
怎样理性地看待基因工程在生产和生活中的应用？
选择性必修3/第3章/基因工程/
第3节 基因工程的应用
胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素，需要上千头牛，生产的成本非常高。1978年，科学家将编码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中，使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工程药物--重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢？
重组人胰岛素注射液
基因工程自20世纪70年代兴起后，得到了飞速的发展，在农牧业、医药卫生和食品工业等方面，展示出广阔的前景。
一、基因工程在农牧业方面的应用
转基因作物方面：
全世界转基因农作物面积呈增加趋势。
①1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。转基因作物的种植使化学农药的施用量减少了8.2%，作物产量增加了6.6×108t，增加经济效益1.3万亿。
②美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家，转基因棉花、大豆、玉米的种植面积占相关作物种植面积的比例超过90%。
③我国转基因作物的种植面积位居世界第八位，商业化种植的转基因作物有棉花和番木瓜；
转基因动物方面：
①几乎每年都有令人瞩目的研究成果报道，有些成果正在进入实用化和商业化开发的阶段；
②2015年11月，第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑（俗称“三文鱼”）在美国获得批准上市。
转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）
转基因大西洋鲑的优点：
（1）缩短了生长周期
（2）都是雌性而且不育，避免了野生鲑鱼杂交的风险。
一、基因工程在农牧业方面的应用
目前，基因工程技术已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面。
转基因抗虫植物
农牧业方面的应用
转基因抗病植物
转基因抗除草剂植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改良畜产品的品质
抗逆性
一、基因工程在农牧业方面的应用
1.转基因抗虫植物
原理：
从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物，是目前防治作物虫害的一种发展趋势。
实例：
转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
转基因抗虫水稻(绿色)与对照(黄色)
转基因抗病毒甜椒
2.转基因抗病植物
将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物。
转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
原理：
实例：
一、基因工程在农牧业方面的应用
3.转基因抗除草剂植物
施用除草剂后的转基因抗除草剂玉米田
原理：
实例：
将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的作物品种。这样在喷洒除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。
抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
4.改良植物的品质
例如：将某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量，科学家培育的某种转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。
①改良植物的营养价值
富含赖氨酸的转基因玉米
一、基因工程在农牧业方面的应用
例如：我国科学家成功地将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了它的观赏价值。
4.改良植物的品质
②改良观赏价值
转基因矮牵牛
转生长激素基因鲤鱼（下）
与非转基因鲤鱼（上）
5.提高动物的生长速率
原理：
实例：
将外源生长激素基因导入动物体内，提高动物的生长速率。
转基因鲤鱼比非转基因鲤鱼生长速率提高了42%～115%。
一、基因工程在农牧业方面的应用
6.改善畜产品的品质
原因：
科学家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，而其他营养成分不受影响。
有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现腹泻等不适症状，这称为乳糖不耐受。我国约有1/3的成年人乳糖不耐受。
原理：
过程：
一、基因工程在农牧业方面的应用
乳糖酶基因
乳腺中特异表达的基因的启动子
重组载体
早期胚胎
代孕母体
转基因奶牛
牛受
精卵
显微注射
体外胚胎培养
胚胎移植
分娩
(乳汁中乳糖含量下降)
二、基因工程在医药卫生领域的应用
对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物，包括细胞因子，抗体，疫苗和激素等，可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病、类风湿关节炎等。
1.微生物制药
原因：
传统的蛋白质类药物生产中，是直接从生物的组织、细胞或血液中提取而来的，所以产量低，价格贵，供应不足。
解决问题：
对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物。
药物蛋白基因
载体
重组载体
微生物细胞
转基因微生物
药物蛋白
实例：
我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场。
1980-1982年，科学家用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从1Kg培养物中可以得到20—40mg干扰素。1993年我国批准生产重组人干扰素α-1b，它是我国批准生产的第一个基因工程药物，目前主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。
干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。此外，干扰素对于治疗乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等也有一定的疗效。传统生产干扰素的方法是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取1mg干扰素。
资料卡——干扰素（p90）
二、基因工程在医药卫生领域的应用
2.利用哺乳动物批量生产药物
实例：
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
药物蛋白基因
乳腺中特异表达的基因的启动子
哺乳动物受精卵中
重组载体
显微注射
早期胚胎
代孕
母体
转基因奶牛
乳汁中含有药用蛋白
过程：
目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品。
应用：
二、基因工程在医药卫生领域的应用
思考讨论：
7.用生物反应器生产药物的优点？
1.乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？
不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物。
2.为什么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？
让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达。
3.药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？
几乎所有细胞。
4.生物反应器除了用乳腺，还可以用什么器官？
膀胱。
5.膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器？
不局限于性别与生长期（乳腺生物反应器必须是雌性，且泌乳期才会分泌）。
6.研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？
将目的基因与膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子重组。
产物容易提取。
3.建立移植器官的工厂
人体移植器官短缺是一个世界性难题。
寻求可替代的移植器官。
猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似；而且与灵长类相比猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物。
免疫排斥。
在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达；设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
解决人体移植器官短缺问题；避免免疫排斥反应。
原因：
解决问题：
猪的优点：
最大难题：
改造方法：
优点：
二、基因工程在医药卫生领域的应用
调节因子
载体
重组载体
猪成纤维细胞
卵母细胞
取细胞核
去核卵母细胞
重组胚
代孕母猪
转基因克隆猪
显微注射
核移植
胚胎移植
体外胚胎培养
二、基因工程在医药卫生领域的应用
过程：
假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上健康人的生活，在生活中，他会遭到歧视吗？对此你怎么看？
生命和健康是人最宝贵的东西，如果一个病人换上了经过改造的猪心脏重获了健康，我们不仅不能歧视他，还应该从他身上看到现代生物技术在维持人体健康、治疗疾病等方面的应用价值。
三、基因工程在食品工业方面的应用
基因工程菌：
用基因工程的方法， 使外源基因得到高效表达的菌类。
应用：
生产药物、食品工业用酶、氨基酸和维生素等
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。
①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。
②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。
凝乳酶基因
载体
重组载体
微生物细胞
转基因微生物
大肠杆菌
黑曲霉
酵母菌
三、基因工程在食品工业方面的应用
过程：
实例2：凝乳酶
导入
凝乳酶
提取
用基因工程生产的凝乳酶已于1990年投入市场，截止2008年，它已占据市场份额的80%。
成果：
实例3：淀粉酶、脂酶
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。
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。
三、基因工程在食品工业方面的应用
实例4：环保领域的应用
利用经过基因改造的微生物生产清洁能源；
培育可以降解多种污染物的“超级细菌”治理环境污染；
基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。
利用基因工程培育的指示生物能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。
转基因技术自诞生以来，发展迅速，研发对象已涵盖至少35科、200 多种的植物，涉及大豆、玉米和棉花等重要作物，以及牧草、花卉和林木等。请调查：目前我国批准发放了哪些转基因作物的生产应用安全证书和进口安全证书
截至2019年年底,我国批准发放过转基因耐储藏番茄、转基因抗虫棉、改变花色的转基因矮牵牛、转基因抗病辣椒、转基因抗病番木瓜、转基因抗虫水稻、转植酸酶基因玉米以及转基因耐除草剂大豆的生产应用安全证书；批准了转基因棉花、大豆、玉米、油菜、甜菜和番木瓜的进口安全证书。但我国进口的基本上是转基因棉花的纤维，其他进口转基因作物的用途仅限于用作加工原料；我国没有批准任何一种转基因粮食作物种子进口到我国境内商业化种植。
课堂小结
转基因抗虫植物
基因工程的应用
农牧业方面
医药卫生方面
转基因抗病植物
转基因抗除草剂植物
改善畜产品的品质
提高动物的生长速率
改良植物的品质
让哺乳动物批量生产药物
建立移植器官工厂
食品工业方面
生产食品工业用酶
构建基因工程菌
练习与应用（P92）
一、概念检测
1.将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导入大肠杆菌的细胞内，再通过发酵工程就能大量生产人生长激素。下列相关叙述正确的是（ ）
A.转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶
B.发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢物
C.大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传
D.大肠杆菌质粒标记基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等
C
练习与应用（P92）
2.基因工程应用广泛，成果丰硕。下列不属于基因工程应用的是（ ）
A.培育青霉菌并从中提取青霉素
B.利用乳腺生物反应器生产药物
C.制造一种能降解石油的“超级细菌”
D.制造一种能产生干扰素的基因工程菌
A
练习与应用（P92）
二、拓展应用
1.除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘膦没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘膦的作物。
（1）下面是探究“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘膦”的流程，请补充完整。
①用____________________等处理含有目的基因的DNA片段和T质粒，构建重组Ti质粒；
②将重组Ti质粒转入农杆菌中；
③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染________细胞，再通过培育得到转基因植株；
④用草甘膦同时喷洒转基因植株和对照组植株。
限制酶和DNA连接酶
矮牵牛
练习与应用（P92）
二、拓展应用
1.除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘膦没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘膦的作物。
结果：对照组植株死亡，转基因植株存活，但也受到了影响。
结论：________________________________________
（2）请思考并回答下列问题。
①在该实验中，对照组是怎样设计的？
转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。
对照组为非转基因矮牵牛。
练习与应用（P92）
二、拓展应用
1.除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘膦没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘膦的作物。
（2）请思考并回答下列问题。
②如果增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，转基因矮牵牛对草甘膦的抗性是否会增加？请你给出进一步探究的思路。
理论上增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，矮牵牛体内EPSP合酶的表达水平会升高，它对草甘膦的抗性会增强。
将不同拷贝数的EPSP合酶基因分别转入矮牵牛细胞中，培育转基因植株，比较它们对草甘膦抗性的差异。
练习与应用（P92）
二、拓展应用
2.下图是某同学画的两幅基因工程卡通图。一幅是一头能进行光合作用的奶牛，一幅是一株能同时结岀多种蔬菜和水果的植物。请你像这位同学一样，展开想象的翅膀，畅想基因工程的未来，并用图画、文字或用音乐创作等表达岀来。

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