资源简介

高二 年级 生物 学科 选择性必修二 课时教学设计
课题 基因工程的基本操作程序 课时 2
主备 辅备
课型 新授课 □复习课 □习题/试卷讲评课 □实践活动课
一、教学内容分析
课程标准要求： 1.运用系统思想解释基因工程的基本步骤和原理 2.结合资料和示意图阐明PCR的原理，说出PCR所需的条件及其反应过程 3.结合模式图说出基因表达载体的组成，并理解构建目的基因 （二）核心素养要求： 1.文化基础：明确基因工程的操作步骤及PCR扩增技术的应用。 2.自主发展：尝试进行PCR扩增获取产品。 （三）前后知识联系： 学生已经学过(重组DNA技术的工具)，本节课的内容就是在此基础上的发展。由于它还与后面的基因工程的基本操作程序（第2课时）有联系,所以在本学科中的作用是（承上启下）。
二、学情分析
在本节课的教学中，学生可能遇到的问题是：（不能正确理解基因工程的操作步骤及PCR扩增技术的应用），产生这一问题的原因是（基因工程的操作步骤及PCR扩增技术的应用比较难），解决的关键办法是（理论联系生活实际，多使用多媒体，激发学生的兴趣。）
三、重点难点分析
1.教学重点是(说出PCR所需的条件及其反应过程)，解决重点的关键是(在教学中要善于联系生活，从生活中来，到生活中去 )。 2.教学难点是说出基因表达载体的组成()，解决难点的关键是( 运用图示和演示实验等方法阐释，以及利用生活实际中的问题与生物知识相联系)。
四、教学活动设计 基于问题解决的设计 □讲授式设计 □自主探究式设计 □合作交流式设计
活动程序一 【深度学习】 课前自学、导学（用时5分钟内）
师生 活动 教师对上次课限时训练讲评。 图文情境导入： 展示图片 自上个世纪90年代以来，由于棉铃虫在我国大部分棉区持续性大发生或爆发，给棉花生产带来了巨大的威胁，棉农谈“虫”色变，仅1992年一年即造成直接经济损失60多亿元，间接损失超过100亿元，对整个国民经济发展造成了很大影响。同时由于棉铃虫的大爆发，防虫治虫使棉花的生产成本增加，植棉的比较效益降低。 1997年，我国政府首次批准商业化种植转基因抗虫棉。到2015年，我国已育成转基因抗虫棉新品种100多个，减少农药用量40万吨，增收节支社会经济效益450亿元。 展示学习目标： 4、学生自主梳理本课知识，发现问题：
【设计意图】激发学生学习兴趣
活动程序二 【深度学习】即本课学习 教师根据本次课教学需要组合选用自学、互学、模仿等相关环节，用时25-40分钟。
大问题一（请列出具体学习任务简称）：目的基因的筛选与获取
呈现知识小问题串或情境或知识清单 问题1 利用PCR技术扩增目的基因需要提供哪些条件？ 问题2 什么是引物？PCR过程中为什么需要引物？ 问题3 PCR过程中两种引物的碱基序列能否互补？说明理由。
【模仿变通】变式、训练 例题1. 1.目的基因就是指编码蛋白质的基因(　 　) 2.从已知结构和功能清晰的基因中筛选目的基因是获取目的基因的一种有效方法。（ ） 3.用PCR方法扩增目的基因时不必知道基因的全部序列(　 　) 4.用PCR方法扩增目的基因时需要设计两种引物(　 　) 5．Taq酶是用PCR仪对DNA分子扩增过程中常用的一种耐高温的DNA连接酶。（ ）6．基因表达载体中启动子是DNA聚合酶识别和结合的部位。 ( ) 变式题1利用PCR技术从某种生物的基因组DNA中获取目的基因。有关这一过程下列说法错误的是(　　) A.有目的基因的DNA片段作为模板 B.目的基因的一段核苷酸序列已知,以便根据这一序列合成两种引物 C.有足够的脱氧核苷酸作为原料 D.加入足够数量的DNA连接酶进行指数式扩
【师生活动】 【布置任务】 任务一：学生自主阅读课本，完成下列问题。 （一）阅读课本76页和77页1-3段及第一个相关信息，明确目的基因的概念和实例；筛选合适的目的基因的方法。 1.目的基因 （1）概念：用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因； （主要是编码特定蛋白质的基因，也可以是具有调控作用的因子） （2）实例：与生物抗逆性、优良品质、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关的基因。（Bt抗虫蛋白基因：转基因抗虫棉）。 2.筛选合适的目的基因 方法：从相关的已知结构和功能清晰的基因中筛选。 （二）阅读课本77页第4-6段和表3-1及第二个相关信息，阅读78和79页，明确目的基因获取的方法，并对这种方法的概念、条件和过程进行详细分析。 3.目的基因的获取 （一）方法：利用PCR获取和扩增目的基因 通过阅读，培养学生获取信息的能力，加深学生对概念的理解，激发学生的科学研究的兴趣。 （二）概念 聚合酶链式反应，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。 【旧知回顾】 （三）条件 （四）过程：变性→复性→延伸 【当温度上升到90℃以上时，双链DNA解聚为单链。】 变性：加热至90～95℃，双链DNA间的氢键断裂，解旋为单链。使用耐高温的Taq酶保证高温条件下仍具有活性。 【当温度下降到50℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。】 通过回忆体内DNA复制所需的基本条件及每个组分在复制过程中所发挥的作用，类比PCR激素所需要的条件，提高学生分析问题，解决问题的能力。 复性：冷却至55～60℃，两条引物与单链DNA结合 引物结合在模板DNA链的3’端，新合成的子链方向为5’到3’。 【当温度上升到72℃左右时，溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。】 延伸：加热至70～75℃，以目的基因为模板，合成互补的新DNA链。 【第一轮循环的产物作为第二轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环的产物。】 第一轮结束：此时目的基因的量是原始的2倍。 【布置任务】 任务一：学生自主阅读课本，完成下列问题。 （一）阅读课本76页和77页1-3段及第一个相关信息，明确目的基因的概念和实例；筛选合适的目的基因的方法。 1.目的基因 （1）概念：用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因； （主要是编码特定蛋白质的基因，也可以是具有调控作用的因子） （2）实例：与生物抗逆性、优良品质、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关的基因。（Bt抗虫蛋白基因：转基因抗虫棉）。 2.筛选合适的目的基因 方法：从相关的已知结构和功能清晰的基因中筛选。 （二）阅读课本77页第4-6段和表3-1及第二个相关信息，阅读78和79页，明确目的基因获取的方法，并对这种方法的概念、条件和过程进行详细分析。 3.目的基因的获取 （一）方法：利用PCR获取和扩增目的基因 （二）概念 聚合酶链式反应，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。 【旧知回顾】 （三）条件 （四）过程：变性→复性→延伸 【当温度上升到90℃以上时，双链DNA解聚为单链。】 变性：加热至90～95℃，双链DNA间的氢键断裂，解旋为单链。使用耐高温的Taq酶保证高温条件下仍具有活性。 【当温度下降到50℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。】 复性：冷却至55～60℃，两条引物与单链DNA结合 引物结合在模板DNA链的3’端，新合成的子链方向为5’到3’。 【当温度上升到72℃左右时，溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。】 延伸：加热至70～75℃，以目的基因为模板，合成互补的新DNA链。 【第一轮循环的产物作为第二轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环的产物。】 第一轮结束：此时目的基因的量是原始的2倍。 【第二轮循环的产物作为第三轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第三轮循环的产物。】 第二轮结束：此时目的基因的量是原始的22倍。 （五）扩增方式：以指数方式扩增，即2n（n为扩增循环的次数） （1）若开始只有一个DNA提供模板，则循环n次后获得的子代DNA数目为2n个。 （2）若开始有N个DNA提供模板，则循环n次后获得的子代DNA数目为NX2n个。 （三）对比PCR与DNA复制过程，完成下表
【设计意图】从实例中概括概念，培养学生沟通、交流能力，增强团队合作意识，提升学生的概括总结能力。
大问题二（请列出具体学习任务简称）：基因表达载体的构建
呈现知识小问题串或情境或知识清单 问题1 为什么必须构建基因表达载体？ 问题2 假设图中利用同一种限制酶切割质粒和外源DNA片段，分别产生几个黏性末端？ 问题3 构建基因表达载体时往往用两种限制酶分别切割目的基因的两端以及载体，请分析原因。作为基因工程表达载体，只需含有目的基因就可以完成任务吗？
【模仿变通】变式、训练 例题2.下列对基因工程中基因表达载体的叙述,错误的是(　　) A.基因表达载体上的标记基因不一定是抗生素抗性基因 B.基因表达载体的构建是基因工程的核心 C.基因表达载体中一定不含有起始密码子和终止密码子 D.基因表达载体的构建需要使用限制性内切核酸酶和DNA聚合酶等特殊工具 变式题2.在基因表达载体的构建中,下列说法中不正确的是(　　) ①一个表达载体的组成只需目的基因、启动子、终止子　②表达载体有了启动子才能驱动基因转录出mRNA　③终止子的作用是使转录在相应地方停止　④所有基因表达载体的构建是完全相同的 A.②③ B.①④ C.①② D.③④
【师生活动】任务二：学生自主阅读课本，完成下列问题。 （一）阅读课本80页1-3段，结合图3-6，明确基因表达载体的目的、组成和过程。 1.基因表达载体的目的 （1）使目的基因在受体细胞中稳定存在，且可以遗传给下一代； （2）使目的基因能够在受体细胞中表达和发挥作用。 2.基因表达载体的组成 3.基因表达载体的构建过程 【思考】使用一种DNA限制酶进行切割，共有几种连接情况？ 应用过程中往往选择2种不同的限制酶同时对目的基因和质粒切割，减少自连情况出现。
【设计意图】通过问答式教学引发学生求知欲望，通俗易懂 理解到位
活动程序三【学以致用】：检测反馈 约占本次课的10分钟内
【目标检测题】 白细胞介素是一类淋巴因子。研究人员将人白细胞介素的基因导入到酵母菌细胞中，使其分泌出有活性的白细胞介素。 (1)为增加白细胞介素基因的数量，可使用______________技术，但前提是必须知道基因的已知序列，目的是__________________。 (2)在重组载体导入酵母菌细胞之前，需用________处理酵母菌，白细胞介素基因进入酵母菌细胞内，并且在其细胞内维持稳定和表达的过程，称为________。在表达过程中，启动子需与________________识别和结合，从而驱动转录过程。 (3)在体液免疫过程中，白细胞介素是由________细胞分泌的，为了能成功表达出白细胞介素，不使用细菌，而使用酵母菌细胞作为受体细胞，原因可能是____________________。 (4)在分泌型表达载体和白细胞介素基因所在的DNA分子上均有多个限制酶的酶切位点，图示过程为获得有效表达的重组载体，使用了EcoRl和EcoR52两种限制酶，比使用单一的限制酶，其优点是____________________________。 2．下列有关人胰岛素基因表达载体的叙述，正确的是(　　) A．表达载体中的胰岛素基因可通过人肝细胞mRNA逆转录获得 B．表达载体的复制和胰岛素基因的表达均启动于复制原(起)点 C．借助抗生素抗性基因可将含胰岛素基因的受体细胞筛选出来 D．启动子和终止密码子均在胰岛素基因的转录中起作用 八、配餐作业
活动程序四 【课堂小结】用时5分钟内
基因工程的基本操作程序 1.目的基因的筛选和获得 筛选合适目的基因、PCR、 2.基因表达载体的构建 目的基因、标记基因、启动子、终止子
【学以致用】作业设计之限时训练 分ABC三层，学生选择AB或BC题做。用时30-45分钟，限时完成
A组 1．将两对PCR引物作特殊的设计，外侧两个引物大小为25bp，复性温度较高（68℃）；内侧两个引物大小为17bp，复性温度较低（46℃）。通过控制复性温度（68℃）使外侧引物先行扩增，经过20～30次循环后（第一轮PCR结束），再降低复性温度（46℃）使内侧引物以第一轮PCR产物为模板进行再次扩增，整个过程被称为巢式PCR，该技术更适用于DNA含量低的待扩增的样品。两轮PCR反应均在一个PCR管中进行。下列说法错误的是（ ） A．与常规PCR技术相比，两套引物的使用提高了扩增的特异性和敏感性 B．第二轮PCR反应能否进行，是对第一轮PCR反应正确性的鉴定 C．复性温度与引物长度成正相关 D．在一个PCR管中进行两轮PCR反应均使用了相同的模板 2．抗原检测阴性但临床仍然高度怀疑甲型流感病毒感染的患者，医生会建议做核酸检测。但等待核酸检测出报告需较长时间，该检测实际采用的技术是逆转录PCR，病毒刺突蛋白编码序列如下图所示，科研人员为该PCR分别设计了引物A（5'-CCC…TGTATGGGGTTCTAA-3'）和引物B（5'-ACG…ACT①TTA②CTGGTGCAG-3'），已知引物A中ATG对应起始密码子，引物B中TTA对应终止密码子，标记基因可以插入刺突蛋白编码序列的首端或末端。DNA编码链为转录时所用模板链的互补链。下列叙述正确的是（ ） A．获取甲流病毒的遗传物质后直接进行PCR扩增以节省出报告时间 B．扩增后的基因产物中引物A所在的子链是该基因的编码链 C．若标记基因需要插入引物B的①或②位置中则应选择①位置 D．PCR扩增产物经电泳后在琼脂糖凝胶中将出现宽度不同的5个条带 3．绿萝是一种常见的观叶植物，几乎没有开花的记录。EaLFY是决定绿萝开花的关键基因。在研究绿萝不开花原因的实验中，科学家将长势相同的绿萝均匀地分为六组，三组不施加赤霉素（-GA3，不开花），另外三组施加赤霉素（+GA3，开花），然后分别取绿萝的mRNA进行RT-PCR处理，得到下图电泳结果。已知RT-PCR技术是将RNA的反转录（RT）和DNA的聚合酶链式扩增（PCR）相结合的技术。下列叙述错误的是（ ） A．RT-PCR需要逆转录酶、RNA模板、DNA聚合酶、脱氧核苷酸、引物和能量等条件 B．绿萝EaLFY基因突变导致无法正常表达 C．据上述实验可知，绿萝无法开花的原因可能是自身赤霉素合成障碍 D．赤霉素的合成受基因控制，也会影响基因的表达过程 4．CD163蛋白是PRRSV病毒感染家畜的受体。为实时监控CD163蛋白的表达和转运过程，将红色荧光蛋白RFP基因与CD163基因拼接在一起（如下图），使其表达成一条多肽。该拼接过程的关键步骤是除去（ ） A．CD163基因中编码起始密码子的序列 B．CD163基因中编码终止密码子的序列 C．RFP基因中编码起始密码子的序列 D．RFP基因中编码终止密码子的序列 B组 5．大肠杆菌pSC101质粒中含有四环素抗性基因，金黄色葡萄球菌p1258质粒中含有氨苄青霉素抗性基因。用限制酶EcoRI分别处理pSC101和p1258，产物经琼脂糖凝胶电泳后分别得到1个和4个条带。将酶切产物混合后用DNA连接酶处理，然后转化到大肠杆菌中。下列叙述错误的是（ ） A．pSC101中至少含有1个EcoRI识别位点，p1258中至少含有4个EcoRI识别位点 B．进行琼脂糖凝胶电泳时，分子大小相同的DNA片段所形成的条带可能会重叠在一起 C．DNA连接酶处理酶切产物后，若仅考虑两种不同DNA片段连接，可得到10种不同序列的DNA片段 D．能在含有四环素和氨苄青霉素的培养基中存活的大肠杆菌含有p1258的部分基因 6．β-淀粉样前体蛋白（APP） 基因是一种重要的阿尔获海默病（AD）发病关联基因。科学家尝试构建含人APP基因的转基因小鼠动物模型（如图），以研究 AD疾病的发病机制。 限制性内切核酸酶BamHI XhoIBclISacI识别序列及切割位点5'-C↓GATCG-3' 5'C↓TCGAG-3'5'-↓GATC-3'5'-GAGCT↓C3'
注：Ampr为氨苄青霉素抗性基因 若对质粒pUC18选用了XhoI和BclI进行切割，为实现其与目的基因相连，可在人APP基因两端分别添加 。 A．XhoI和BclI的识别序列 B．SacI和BclI的识别序列 C．BclI和BamHI的识别序列 D．SacI和BamHI的识别序列 7．为了制备鹅细小病毒VP2蛋白的特异性单克隆抗体，科研人员构建了含有融合基因（VP2基因与一段引导序列NES）的大肠杆菌表达载体，受体细胞经过诱导后能表达VP2蛋白并将其分泌到细胞外。利用纯化的VP2蛋白兔疫小鼠，采用杂交瘤技术制备了3株可稳定分泌VP2蛋白的单克隆抗体（VP2单抗）的杂交瘤细胞株。下列叙述错误的是（ ） A．引导序列NES的作用可能是介导VP2蛋白分泌到细胞外 B．VP2单抗的制备利用了重组DNA技术、细胞融合等技术 C．体外培养该免疫小鼠的单个B淋巴细胞也能得到VP2单抗 D．VP2单抗可用于鹅细小病毒病的诊断和治疗 8．为探讨发菜噬菌体休克蛋白A(PspA)基因的功能，根据NCBI上已发表的该基因的序列设计引物PI(横线部分为KpnⅠ酶切位点)和P2(横线部分为XbaI酶切位点)进行目的基因的扩增，如图所示。研究发现，在干旱胁迫下，转PspA基因拟南芥生长状态明显好于野生型。下列相关叙述错误的是 A．扩增引物上酶切位点序列应连在引物的5'端，保证识别位点在目的基因两侧 B．只有转基因拟南芥的根细胞中存在PspA基因，干旱时基因表达可提高抗旱性 C．质粒上也存在KpnI酶和XbaⅠ酶的识别位点，同时切割以便构建基因表达载体 D．引物上存在两种限制酶识别序列可防止酶切后目的基因自身环化以及DNA片段任意连接 C 组 9．风肉一般是以鲜肉为原料，用食盐腌制后，经风干和微生物后发酵而成。在后发酵期，风肉含有耐盐的微生物。某实验小组为研究耐盐微生物的耐盐基因，设计实验如下。回答下列问题。 (1)实验小组为获得耐盐纯培养物A，使用的培养基应是 （选填“普通培养基”或“选择培养基”），使用的接种方法是 。 (2)为获得纯培养物A的耐盐基因X，实验小组应用纯培养物提取了DNA。在一定温度下，用二苯胺试剂对DNA进行检测，二苯胺检测DNA的原理是 。获得PCR产物后，用琼脂糖凝胶电泳对PCR产物进行鉴定，影响DNA分子迁移速率的主要因素有 （答出两点即可）。 (3)构建成功的表达载体将运用农杆菌介导技术转入某农作物，可获得耐盐转基因植株。与同种非转基因植株的染色体DNA序列相比，转基因植株的染色体DNA含有 。 (4)为验证已获得的耐盐转基因植株具有耐盐性，需设计实验。写出实验思路 。 10．宫颈癌的发生与人乳头状瘤病毒（HPV）感染有关，其中HPV16、18、31、45型是宫颈癌的高危型，E7蛋白是HPV16型重要的抗原标志蛋白。我国研究人员以酿酒酵母菌为表达载体，成功构建表达HPV16型E7蛋白的转基因重组全酿酒酵母疫苗。图1表示拟转入的质粒上某片段及其上的酶切位点分布，图2表示各限制酶识别序列和切割位点。 (1)研究人员首先需要利用PCR技术从HPV16型的基因组中获取E7蛋白基因的DNA序列，以 为原料合成子链，扩增6次需要引物B 个。 (2)为了将获得的E7蛋白基因准确连接至图1中的质粒上，需要在引物A和引物B的 （填“5′”或“3'”）端分别添加 限制酶的识别序列。若决定E7蛋白的mRNA的碱基序列为5'-AUGAGCTAC…（中间序列）…CAACGTAGA—3',理论上应设计引物A的前12个碱基序列为5' -3'。 (3)控制表达载体大量扩增的组成元件是 ,该结构发挥作用时通常需要的酶是 。 (4)HPV16型E7蛋白疫苗注入人体后作为抗原，可以刺激机体的B淋巴细胞增殖分化成为 。在预防接种疫苗时通常需要多次注射，但是相邻的两次注射之间需要间隔一定的时期，原因是 。
六、课后教学反思

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