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第3章 第3节
人教版 选择性必修3
还记得糖尿病的症状吗？
胰岛素是降低血糖的唯一激素
注射
质粒
载体
限制酶
目的基因
限制酶切割位点
限制酶切割位点
限制酶
DNA连接酶
重组
DNA分子
基因表达载体
人胰岛素的基因
导入
大肠杆菌
表达
重组人胰岛素
目录
CONTENTS
基因工程在医药卫生领域的应用
二/
基因工程在农牧业方面的应用
一/
基因工程在食品工业方面的应用
三/
01
基因工程在农牧业方面的应用
一
基因工程在农牧业方面的应用
×106/hm2
基因工程在农牧业中的应用发展迅速。1996—2017年，全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍。
一
基因工程在农牧业方面的应用
8.2%
6.6×108 t
1.3万亿元
化学杀虫剂施用量减少8.2%
作物产量增加了6.6×108 t
增加经济收益近1.3万亿元
一
基因工程在农牧业方面的应用
90%
10%
棉花
大豆
玉米
美国
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都超过了90%
一
基因工程在农牧业方面的应用
2017年，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。
一
基因工程在农牧业方面的应用
转基因三文鱼(上)与非转基因三文鱼(下)对比
2015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。
一
基因工程在农牧业方面的应用
基因工程在农牧业方面的应用：
改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等
转基因抗虫植物
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
改善畜产品的品质
转基因抗虫植物
转基因抗除草剂植物
转基因抗病植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改善畜产品的品质
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。已问世的转基因抗虫植物有转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
Bt毒蛋白基因是从苏云金芽孢杆菌中分离出来的抗虫基因。当害虫食用含有转基因的植物时，Bt基因编码的蛋白质会进入害虫的肠道，在消化酶的作用下，蛋白质能够降解成相对分子质量比解，最后造成害虫死亡。由于Bt毒蛋白对哺乳动物无毒害作用，因而广泛用于抗虫转基因植物。
蛋白酶抑制剂基因广泛存在于植物中它生的抑制剂可与害虫消化道中的蛋白酶结合形复合物，从而阻断或降低蛋白酶的活性，使昆虫不能正常摄取、消化食物中的蛋白质。这种复合物还能刺激昆虫分泌过量的消化酶，引起害虫的厌食反应。
淀粉酶抑制剂基因产生的粉酶抑制剂可以抑制昆虫消化道中的淀粉酶活性,使害虫不能消化所摄取的淀粉，从而阻断害虫的能量来源。
植物凝集素基因控制植物合成一种糖蛋白糖蛋白可与昆虫肠道黏膜上的某种物质结而影响害虫对营养物质的吸收和利用。
资料卡：可用于转基因植物的抗虫基因（了解）
转基因抗虫植物
转基因抗除草剂植物
转基因抗病植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改善畜产品的品质
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。已问世的转基因抗虫植物有转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
转基因马铃薯
非转基因马铃薯
转基因抗虫植物
转基因抗除草剂植物
转基因抗病植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改善畜产品的品质
科学家将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物，如转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
转基因抗虫植物
转基因抗除草剂植物
转基因抗病植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改善畜产品的品质
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。
目前已经获得转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
施用除草剂后的转基因抗除草剂玉米田
种植转基因抗除草剂大豆的农田
转基因抗虫植物
转基因抗除草剂植物
转基因抗病植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改善畜产品的品质
随着生活水平的提高，人们越来越关注植物的营养价值、观赏价值等，利用转基因技术可以改良这些品质。
某种必需氨基酸（赖氨酸）的含量比较低
对策：
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。
结果：
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%。
转基因抗虫植物
转基因抗除草剂植物
转基因抗病植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改善畜产品的品质
随着生活水平的提高，人们越来越关注植物的营养价值、观赏价值等，利用转基因技术可以改良这些品质。
某种必需氨基酸（赖氨酸）的含量比较低
对策：
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。
结果：
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%。
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。
转基因抗虫植物
转基因抗除草剂植物
转基因抗病植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改善畜产品的品质
由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，因此科学家将这类基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。
对照
转基因
我国科学家将外源生长激素基因导入鲤鱼，在同等养殖条件下，转基因鲤鱼的生长速率比非转
基因鲤鱼提高了42% 115%。
转基因抗虫植物
转基因抗除草剂植物
转基因抗病植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改善畜产品的品质
由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，因此科学家将这类基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。
对照
转基因
我国科学家将外源生长激素基因导入鲤鱼，在同等养殖条件下，转基因鲤鱼的生长速率比非转
基因鲤鱼提高了42% 115%。
转基因抗虫植物
转基因抗除草剂植物
转基因抗病植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改善畜产品的品质
乳糖不耐受:
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，
对策：
科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组。
结果：
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。
一
基因工程在农牧业方面的应用
基因工程在农牧业方面的应用：
改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等
一
基因工程在农牧业方面的应用
基因工程在农牧业方面的应用：
改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等
转基因抗虫植物
转基因抗除草剂植物
转基因抗病植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改善畜产品的品质
02
基因工程在医药卫生领域的应用
二
基因工程在医药卫生领域的应用
1.主要领域:
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。
（是目前基因工程取得实际应用成果非常多的领域。）
2.药物类型:
细胞因子、抗体、疫苗和激素等
3.预防和治疗疾病:
人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等。
4.我国上市的基因工程药物:
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
（一种细胞因子）重组人血小板生成素是高特异性的血小板刺激因子，直接作用于骨髓造血干细胞，调控血小板生成的各个阶段，特异性升高血小板。
(一种细胞因子）促红细胞生成素又称红细胞刺激因子、促红素，是一种人体内源性糖蛋白激素，可刺激红细胞生成。缺氧可刺激促红细胞生成素产生，早已有重组人促红细胞生成素用于临床，用于治疗肾功能不全合并的贫血、获得性免疫缺陷综合征/艾滋病本身或治疗引起的贫血、恶性肿瘤伴发的贫血及风湿病贫血等多种贫血。
二
基因工程在医药卫生领域的应用
干扰素
1.概念:
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。
2.干扰素的抗病毒机制（了解）:
3.干扰素其他疗效:
干扰素对治疗乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等也有一定的疗效。
4.传统生产干扰素的方法:
从人血液中的白细胞内提取，每300 L血液只能提取出1 mg干扰素。
（一种细胞因子）
二
基因工程在医药卫生领域的应用
5.基因工程方法:
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1 kg培养物中可以得到20 40 mg干扰素。
对比传统方法：从人血液中的白细胞内提取，每300 L血液只能提取出1 mg干扰素。
（1L血液，约为1050g至1060g之间）
6.成果:
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。
随堂练习
例：干扰素具有抗病毒、抑制细胞增殖、调节免疫及抗肿瘤作用。科研人员通过乳腺生物反应器可以大量生产干扰素。如表为几种限制酶识别的碱基序列和酶切位点，图1、图2为质粒和含干扰素基因的DNA片段，图3为获得转干扰素基因母羊的过程。请回答下列问题：
随堂练习
例：干扰素具有抗病毒、抑制细胞增殖、调节免疫及抗肿瘤作用。科研人员通过乳腺生物反应器可以大量生产干扰素。如表为几种限制酶识别的碱基序列和酶切位点，图1、图2为质粒和含干扰素基因的DNA片段，图3为获得转干扰素基因母羊的过程。请回答下列问题：
(1)_____（填“能”或“不能”）用HindⅢ和Sau3AⅠ两种限制酶切割含干扰素基因的DNA片段和质粒，原因是_____；请提供一个另外的限制酶选择方案，使用_____两种限制酶切割质粒，用_____两种限制酶切割含目的基因的DNA片段。
(2)人的干扰素基因能在羊体内表达，其根本原因是_____。
不能
Sau3AⅠ能切割BclⅠ的酶切位点，用Sau3AⅠ切割会破坏质粒上的四环素抗性基因和青霉素抗性基因
HindⅢ和BamHⅠ
HindⅢ和Sau3AⅠ
不同生物共用一套遗传密码
二
基因工程在医药卫生领域的应用
乳腺生物反应器
1.概念:
科学家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，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在进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物，这称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。
目的基因（如干扰素基因）
组织特异性启动子
诱导型启动子
组成型启动子
二
基因工程在医药卫生领域的应用
肌肉细胞
乳腺细胞
肌肉细胞核DNA
基因1
基因2
基因3
基因4
基因5
基因6
基因7
乳腺细胞核DNA
基因1
基因2
基因3
基因4
基因5
基因6
基因7
表达
表达
表达
表达
表达
表达
基因2和基因5为乳腺中特异表达的基因
二
基因工程在医药卫生领域的应用
肌肉细胞
肌肉细胞核DNA
基因1
基因2
基因3
基因4
基因5
基因6
基因7
表达
表达
表达
乳腺细胞核DNA
基因1
基因2
基因3
基因4
基因5
基因6
基因7
表达
表达
表达
基因2和基因5为乳腺中特异表达的基因
乳腺细胞
启动子
非编码区
非编码区
编码区
乳腺中特异表达的基因的启动子
基因5的启动子也可以
二
基因工程在医药卫生领域的应用
乳腺生物反应器
1.概念:
科学家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，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在进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物，这称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。
目的基因（如干扰素基因）
组织特异性启动子
诱导型启动子
组成型启动子
泌乳期，母畜从分娩后开始泌乳之日起到停止泌乳(人工停乳或自然停乳)之间的一段时间。泌乳期长短与母畜的泌乳性能有关。一般在泌乳前期产乳量较高。乳牛泌乳期通常为10个月,在分娩后第二个月产乳量达最高峰,以后逐渐减少,直到停乳。
二
基因工程在医药卫生领域的应用
请你来复述乳腺生物反应器的构建过程！
目前，科学家已经在牛、山羊等动物乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和 α - 抗胰蛋白酶等重要的医药产品。
二
基因工程在医药卫生领域的应用
膀胱生物反应器
拓展：
构建膀胱生物反应器是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，从而指导目的基因表达产物分泌在尿中，其原理是根据膀胱尿乳头顶端表面可表达一组称之为尿血小板溶素的膜蛋白。
你知道膀胱生物反应器相比乳腺生物反应器的优点吗？
从尿中提取蛋白质比在乳汁中提取简便、高效。
不受性别的限制
不受年龄的限制
二
基因工程在医药卫生领域的应用
转基因动物作为器官供体
器官移植面临的两个主要难题
器官短缺
免疫排斥
转基因动物作为器官供体有可能解决这两大难题！
哪种动物适合作为器官供体？为什么？
猪
二
基因工程在医药卫生领域的应用
由于猪的内脏构造、大小、血管分布与人的极为相似，而且与灵长类动物相比，猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒要少得多。
二
基因工程在医药卫生领域的应用
方法:
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，或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。
03
基因工程在食品工业方面的应用
三
基因工程在食品工业方面的应用
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。
如：大肠杆菌
三
基因工程在食品工业方面的应用
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。
如：大肠杆菌
阿斯巴甜是一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产。
三
基因工程在食品工业方面的应用
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。
阿斯巴甜是一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产。
奶酪
凝乳酶
奶中的蛋白质
（凝聚固化）
三
基因工程在食品工业方面的应用
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。
阿斯巴甜是一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产。
奶酪
凝乳酶
奶中的蛋白质
（凝聚固化）
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，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。
基因工程制备方法：
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。
三
基因工程在食品工业方面的应用
加工转化糖浆需要的淀粉酶
加工烘烤食品要用到的脂肪酶
三
基因工程在食品工业方面的应用
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。
纯度更高、生产成本显著降低、生产效率较高
基因工程获得的工业用酶的优点：
基因工程使人们更容易培育出具有优良性状的动植物品种，获得很多过去难以得到的生物制品，甚至还能培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染，利用经过基因改造的微生物来生产能源……未来，期待基因工程带给我们更多的惊喜。
本课小结
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
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
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
二、拓展应用
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；
限制酶和DNA连接酶
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。
矮牵牛
练习与应用
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：________________________________________
转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。
二、拓展应用
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。
练习与应用
（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？
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。
①对照组为非转基因矮牵牛
②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。

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