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第3节　基因工程的应用
【学习目标】
1.基于基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业应用的实例,说明基因工程给社会带来的巨大进步。(科学思维)
2.基于基因工程在各方面发展的前景,参与推广和应用基因工程产品的讨论,理性看待基因工程的安全性。(社会责任)
【自主预习】
一、基因工程在农牧业方面的应用
主要应用 主要过程
转基因抗虫植物 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
转基因抗病植物 将某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中,培育出了转基因抗病植物
转基因抗除草剂植物 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
改良植物品质 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因,导入植物中以提高氨基酸的含量;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
提高动物生长速率 将　外源生长激素　基因导入动物体内,以提高动物的生长速率
改善畜产品品质 将　肠乳糖酶　基因导入奶牛基因组,使获得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
应用 基因来源或处理 成果
转基因微生物或动植物细胞生产药物 对微生物或动植物的细胞进行　基因　改造 生产包括细胞因子、抗体、疫苗和激素等的药物
乳腺(或乳房)生物反应器生产药物 　药用蛋白　基因+乳腺中特异表达的基因的　启动子　 生产抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等
转基因动物作器官移植的供体 抑制　抗原决定　基因的表达或除去　抗原决定　基因 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
三、基因工程在食品工业方面的应用
1.生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
2.基因工程大规模生产天冬氨酸和苯丙氨酸,制造甜味剂。
3.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,生产凝乳酶。
四、其他应用
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。
【合作探究】
任务1　基因工程在农牧业方面的应用
活动1　基因工程应用的前景
基因工程常应用于提高植物的抗逆能力,下图表示抗虫棉的培育过程,请思考回答下列问题:
1.图中序号①和②代表的含义是什么
提示　①代表抗虫基因,②代表基因表达载体。
2.抗虫棉能抗病毒、细菌和真菌吗 为什么
提示　不能。抗虫基因具有专一性。
3.经上述过程培育的抗虫棉能否取得最后的成功,最简单的检测方法是什么
提示　做抗虫实验,让害虫吃转基因棉花的植株,观察害虫的生存状况。
4.从环境保护角度出发,分析转基因抗虫棉与普通棉花相比在害虫防治方面的优越性有哪些
提示　减少了化学农药的使用量,降低了环境污染。
5.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
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。
6.为提高动物的生长速度,需将外源胰岛素基因导入动物体内,应该选择的受体细胞是什么 并说明理由。
提示　受精卵。受精卵体积较大,操作较容易,营养物质含量丰富,也能保证发育成的个体的所有细胞都含有外源胰岛素基因,全能性较高。
例1　(改编)下列有关基因工程的成果及应用的说法,错误的是(　　)。
A.转基因抗虫、抗病植物的种植减少了农药的使用
B.基因工程在农业上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗逆性的农作物
C.通过基因工程技术可培育多种转基因抗虫植物
D.将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组可使奶牛肠道表达肠乳糖酶,从而改善牛奶品质
【答案】　D
【解析】　基因工程中转基因抗虫、抗病植物的种植减少了农药的使用,有利于降低生产成本,减少农药对环境的污染,A正确;基因工程的应用很广泛,基因工程在农业上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗逆性的农作物,B正确;通过基因工程技术可培育多种转基因抗虫植物,C正确;可将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组,使其乳腺表达肠乳糖酶,从而改善牛奶品质,而不是在肠道中表达该基因,D错误。
对点练1　(改编)下列有关基因工程的叙述,错误的是(　　)。
A.科学家将外源生长激素基因转入动物体内,能培育出生长迅速的转基因家禽
B.将某些抗病毒的基因导入动物体内,培育出能抵抗所有病毒的动物新品种
C.将Bt基因导入棉花体细胞所获得的转基因抗虫棉可将抗虫基因遗传给子代
D.科学家利用转基因技术抑制番茄中乙烯形成酶的活性,能培育出转基因耐储藏番茄
【答案】　B
【解析】　生长激素能够促进动物生长,科学家将外源生长激素基因导入动物体内,能培育出生长迅速的转基因家禽,A正确;科学家将某些病毒的基因导入动物体内,其编码外源性抗原的基因在动物体内中表达抗原蛋白,诱导机体产生免疫应答,增强了动物体的免疫功能,成功的培育出了抵抗相应病毒的动物新品种,但不能抵抗所有病毒,B错误;将Bt基因导入棉花体细胞所获得的转基因抗虫棉,因Bt基因插入了转基因抗虫棉的基因组中,所以转基因抗虫棉体内的Bt基因可以通过有性生殖遗传给子代,C正确;乙烯能够促进果实成熟,而科学家利用转基因技术抑制番茄中乙烯形成酶的活性,培育出了转基因耐储藏番茄,D正确。
活动2　目的基因的选择
1.在植物基因工程的应用中,你了解的目的基因有哪些
提示　抗虫基因有Bt抗虫蛋白基因;抗病基因有抗病毒基因和抗真菌基因;抗逆基因有调节细胞渗透压的基因、抗除草剂基因;优良基因有必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因、植物花青素代谢有关的基因。
2.在动物基因工程的应用中,你了解的目的基因有哪些
提示　生长基因有外源生长激素基因;优良基因有肠乳糖酶基因;用转基因动物生产药物的基因有药用蛋白基因;用转基因动物作器官移植的供体的有抑制或除去抗原决定基因。
3.结合你了解的目的基因,试归纳目的基因的来源和特点。
提示　目的基因是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因。
例2　(2022·郑州期中)基因工程操作中,需要筛选和获取目的基因。下列关于目的基因的说法,不正确的是(　　)。
A.目的基因是指用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因
B.目的基因都有自我复制能力
C.可以根据相应的表达产物,从序列数据库中寻找目的基因
D.目的基因可以人工合成,也可以利用PCR快速获取或扩增
【答案】　B
【解析】　目的基因主要是能合成相关蛋白质的基因,如胰岛素基因,也可以是调控因子,A正确;目的基因通常不具有自我复制能力,B不正确;我们可以根据目的基因的碱基序列、功能、表达产物等信息,从基因文库中寻找目的基因,C正确;目的基因可以人工合成(如DNA合成仪合成目的基因),也可以利用PCR快速获取或扩增,D正确。
知识拓展　　目的基因在转基因生物中的作用
1.Bt抗虫蛋白基因表达的Bt抗虫蛋白被分解成多肽后,多肽与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合,导致细胞膜穿孔,最后造成害虫死亡;植物凝集素基因表达的植物凝集素为糖蛋白,与害虫肠黏膜结合,影响其营养物质的吸收和利用。
2.转病毒外壳蛋白基因植物、转病毒复制酶基因植物具有抗病毒作用;转几丁质酶基因植物、转抗毒素合成基因植物具有抗真菌作用。
3.转调节细胞渗透压基因植物能通过改变细胞内渗透压,提高其抗盐碱、抗旱能力;转抗冻蛋白基因植物耐寒能力提高;转抗除草剂基因植物抗除草剂。
4.转必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因植物控制合成的蛋白质含必需氨基酸多;转控制果实成熟的基因延迟番茄成熟,有利于番茄的保鲜和长距离运输;转与花青素代谢有关的基因植物改变花瓣的颜色,用于花卉栽培。
5.转生长激素基因动物能促进生长,提高生长速度;肠乳糖酶基因能改善畜产品的品质。
对点练2　(2023·咸阳期末)基因工程自20世纪70年代兴起以来,在农牧业领域得到了广泛的应用。下列关于基因工程应用的叙述,正确的是(　　)。
A.我国科学家培育的Bt抗虫蛋白转基因抗虫棉对所有害虫都具有较强的抗性
B.我国科学家将赖氨酸合成酶基因导入玉米,获得富含赖氨酸的转基因玉米
C.我国科学家将乙烯合成相关基因导入番茄,获得的延熟番茄储存时间大大延长
D.我国科学家将花青素代谢相关基因导入矮牵牛,获得极具观赏价值的矮牵牛
【答案】　D
【解析】　Bt抗虫蛋白是苏云金芽孢杆菌分泌的一种抗虫蛋白,分解为多肽后能与害虫肠上皮细胞上的特异性受体结合,导致细胞膜穿孔,造成害虫死亡,主要针对棉铃虫,并不是对所有抗虫都有较强的抗性,A错误;我国科学家将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米,获得富含赖氨酸的转基因玉米,B错误;乙烯会促进果实成熟,将乙烯合成相关基因导入番茄,获得的番茄储存时间将缩短,C错误;我国科学家将花青素代谢相关基因导入矮牵牛,获得极具观赏价值的矮牵牛,D正确。
任务2　基因工程在医药卫生领域的应用
活动3　探讨几种生产药物的方式
1.通过转基因技术生产的药物有什么特点
提示　细胞因子、抗体、疫苗和激素等,以蛋白质类药物为主。
2.利用工程菌生产的药物蛋白可能没有活性,为什么
提示　细菌属于原核生物,细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器,核糖体合成的肽链不能被进一步加工和包装,因而产生的药物蛋白可能没有活性。
3.在构建乳腺生物反应器的相应基因表达载体时,为什么要把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
提示　只有连接了乳腺中特异表达的基因的启动子,才能保证相应的目的基因只在乳腺细胞中表达。
4.动物乳腺生物反应器生产药物有什么限制
提示　受动物性别以及是否处于泌乳期的限制。
5.为解决乳腺生物反应器的局限,科学家研制了膀胱生物反应器,构建基因表达载体时应如何操作
提示　将目的基因与膀胱组织中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起。
认知生成
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
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 细菌等原核生物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 细菌等原核生物合成的药物蛋白可能没有活性
受体细胞 哺乳动物的受精卵 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 无须严格灭菌;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 从哺乳动物乳汁中提取 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 发酵罐
例3　(2022·石家庄期中)W是一种具有特定功能的人体蛋白质。某学习小组利用膀胱生物反应器制备W的过程如下图,下列有关说法不正确的是(　　)。
A.步骤①构建的重组表达载体上应有供重组DNA的鉴定和选择的标记基因
B.步骤②可以使用显微注射技术
C.膀胱生物反应器与乳腺生物反应器相比具有不受年龄和性别限制等优点
D.W基因只在转基因动物膀胱细胞中存在并表达
【答案】　D
【解析】　标记基因是一种已知功能或已知序列的基因,能够起着特异性标记的作用,表达载体上应该有标记基因,以便于后期重组载体的筛选,A正确;步骤②是将重组载体导入到受精卵,显微注射技术常用于将目的基因导入动物细胞,B正确;乳腺生物反应器要求性别是雌性、年龄适宜,膀胱生物反应器没有这些要求,C正确;W基因导入到受精卵中获得的转基因动物,在所有体细胞中都有W基因,但只在转基因动物膀胱细胞中表达,D不正确。
对点练3　(2023·菏泽期末)红细胞生成素(EPO)是人体内促进红细胞生成的一种糖蛋白,可用于治疗肾衰性贫血等疾病。由于天然EPO来源极为有限,某科研团队采用基因工程培育转基因羊作为乳腺生物反应器,使其能合成EPO。下列说法错误的是(　　)。
A.用显微注射技术将含EPO基因的表达载体导入羊的乳腺细胞中,可得到乳腺生物反应器
B.构建基因表达载体时,需将EPO基因与乳腺蛋白基因的启动子重组在一起
C.该转基因羊中的EPO基因可在羊的乳腺细胞中表达
D.可通过PCR技术检测EPO基因是否插入山羊基因组
【答案】　A
【解析】　用显微注射技术将含EPO基因的表达载体导入羊的受精卵中,可得到乳腺生物反应器,A错误;在构建基因表达载体时,需要将EPO基因和乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起,这样才能使目的基因只在乳腺组织中表达,B正确;EPO基因与乳腺蛋白基因的启动子重组在一起,可以在羊的乳腺细胞中表达,其他细胞中不表达,C正确;目的基因进入受体细胞后,能否稳定维持和表达其遗传特性,只有通过检测与鉴定才能知道。可通过PCR技术检测EPO基因是否插入山羊基因组,D正确。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
1.农业害虫不会对转基因抗虫作物产生抗性。 (×) 提示　害虫仍会对抗虫作物产生抗性。 2.转基因抗虫植物也可以抵抗各种植物疾病。 (×) 提示　转基因抗虫植物只能抵抗害虫,而不能抵抗其他各种植物疾病。 3.培育转基因抗病植物的目的基因主要来源于病毒、真菌。 (√) 4.基因工程中,要培育转基因植物和动物,选用的受体细胞都是受精卵。 (×) 提示　培育转基因动物时,所选用的受体细胞一般是受精卵;培育转基因植物时,所选用的受体细胞可以是受精卵,也可以是体细胞。 5.利用工程菌可生产人的胰岛素等某些激素。 (√) 6.乳腺生物反应器就是把药用蛋白基因导入动物的乳腺细胞中。 (×) 提示　应把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,通过显微注射法导入哺乳动物的受精卵中。 7.由大肠杆菌工程菌获得的人的干扰素可直接使用。(×)
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