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(共36张PPT)
第3节 基因工程的应用
1.举例说出基因工程在农牧业、医药业、食品工业等方面的应用。(重点)
2.关注基因工程的进展，理性看待基因工程的安全性。
3.掌握乳腺生物反应器。（难点）
学习目标
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。
问题探讨
从社会中来
除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢？
基因工程自20世纪70年代兴起后，得到飞速发展，展示出广阔前景。
医药卫生领域
食品工业方面
农牧业方面
基因工程的应用
一、基因工程的应用
一、基因工程在农牧业方面的应用
（一）发展现状：
①1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。
②转基因作物的种植使化学杀虫剂的施用量减少了8.2%，作物产量增加了6.6×108 t，增加经济效益1.3万亿。
③美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家。棉花、玉米、大豆种植比例都超过90%。
④2017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。
1.转基因农作物
一、基因工程在农牧业方面的应用
（一）发展现状：
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。
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。
2.转基因动物
转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）
基因工程在农牧业中的应用发展迅速。已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品产量等方面。
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
1. 基因工程在农牧业方面的应用
一、基因工程的应用
（1）转基因抗虫植物
（2）转基因抗病植物
培育方法：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，导入作物，使其具有抗虫性。
实例：转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
培育方法：将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出转基因抗病植物。
实例：抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等。
一、基因工程的应用
1. 基因工程在农牧业方面的应用
（3）转基因抗除草剂植物
培育方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育出抗除草剂的作物品种。
实例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
一、基因工程的应用
1. 基因工程在农牧业方面的应用
（4）改良植物的品质
培育方法：利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。
优良基因 成果
　　　　　　　　的蛋白质编码基因 富含赖氨酸的转基因玉米
与植物花青素代谢相关的基因 ____________
必需氨基酸含量多
转基因矮牵牛
一、基因工程的应用
1. 基因工程在农牧业方面的应用
（5）提高动物的生长速率
培育方法：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。
实例：转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%～115%。
（6）改善畜产品的品质
培育方法：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。
实例：乳汁中乳糖的含量大大降低的转基因牛
一、基因工程的应用
1. 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
（6)改善畜产品的品质
乳糖耐受（有乳糖酶）
乳糖不耐受（无乳糖酶）
1.原因：
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的成年人对乳糖不耐受。
2.方法：
将乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得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。
1.从环境保护角度出发，分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性有哪些？
减少了化学农药的使用量，降低了环境污染。降低生产成本。
2.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？
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。
3.为什么将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组能降低牛奶中的乳糖含量？
肠乳糖酶基因在奶牛乳腺细胞中表达出乳糖酶，可以分解乳汁中的乳糖。
思考讨论:
【基础训练1】
(1)转入外源生长素基因的转基因动物，生长速率更快(　　)
(2)转基因抗虫棉的Bt抗虫蛋白基因能抗病毒、细菌、真菌(　　)
(3)“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物(　　)
×
×
×
【典例1】下列关于培育转基因抗虫棉的叙述，正确的是
A.DNA连接酶能把Bt抗虫蛋白基因与噬菌体相连接
B.Bt抗虫蛋白基因可借助花粉管通道进入受体细胞
C.Bt抗虫蛋白对害虫和人都有不同程度的毒害作用
D.需制备好相应抗原来检测Bt基因是否翻译成Bt抗虫蛋白
√
让转基因哺乳动物批量生产药物
用转基因动物作为器官移植的供体
对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
医药卫生领域的应用
2. 基因工程在医药卫生领域的应用
一、基因工程的应用
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
可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等；
（1）对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
①药物举例：
细胞因子、抗体、疫苗和激素等。
②应用：
③实例：
2. 基因工程在医药卫生领域的应用
一、基因工程的应用
资料卡——干扰素
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。
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。
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。
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。
一、基因工程的应用
（2）让转基因哺乳动物批量生产药物
① 实例：
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
② 培育过程：
药用蛋白基因
乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件
基因表达载体
显微注射
受精卵
泌乳期分泌乳汁
转基因动物
药物
发育
注意：启动子具有物种和组织的特异性
2. 基因工程在医药卫生领域的应用
一、基因工程的应用
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
（2）让转基因哺乳动物批量生产药物
③应用：
2. 基因工程在医药卫生领域的应用
一、基因工程的应用
构建膀胱生物反应器是将药用蛋白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液中，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。
膀胱生物反应器
优点：①可以从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否处于生殖期（性别、年龄）。
②从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
比较项目 乳腺（房）生物反应器 基因工程菌生产药物
基因结构
基因产物
受体细胞
导入方式
生产条件
产物提取
哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同
细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异
与天然蛋白质完全相同
细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质可能不具有生物活性
哺乳动物的受精卵
微生物细胞
显微注射法
Ca2+处理法（感受态细胞法）
不需要严格的灭菌，温度等外界条件对其影响不大
需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
从动物乳汁中提取，相对简单
（一般经过工业发酵后）从微生物细胞（或发酵液）中提取，相对复杂
一、基因工程的应用
寻求可替代的移植器官，如用猪的器官来解决人类器官移植 的来源问题
（3）用转基因动物作为器官移植的供体
①人体器官移植的难题：
人体移植器官短缺是世界性难题
②解决途径：
a. 猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似
b. 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
A. 猪的优点：
B. 最大难题：
免疫排斥
2. 基因工程在医药卫生领域的应用
一、基因工程的应用
③改造方法：
a.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；
b.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。
2. 基因工程在医药卫生领域的应用
一、基因工程的应用
异想天开
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。
用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。
基因工程构建基因工程菌
工业发酵批量生产
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。
(1)概念:
(2)步骤:
(3)应用:
3、基因工程在食品工业方面的应用
(一)基因工程菌
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。
1.实例——阿斯巴甜
2.实例——凝乳酶
大多数奶酪生产中用来凝聚固化奶中的蛋白质。
杀死未断奶的小牛，将其第四胃的黏膜取出来提取。
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。
3、基因工程在食品工业方面的应用
(二)基因工程菌的利用
(1)应用:
(2)传统制备方法:
(3)基因工程技术:
3.实例——淀粉酶、脂肪酶
淀粉酶、脂肪酶
运用
优点
基因工程制备
加工转化糖浆需要淀粉酶， 加工烘烤食物要用到脂肪酶
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。
3、基因工程在食品工业方面的应用
(二)基因工程菌的利用
4. 其他应用：环保领域的应用
一、基因工程的应用
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
1.与大肠杆菌相比，用酵母菌生产人的胰岛素有什么优势？
思考讨论：
酵母菌为真核生物，有生物膜系统，可通过内质网和高尔基体对产生的胰岛素进行加工和修饰，从而产生有活性的胰岛素。
2.培育乳腺生物反应器时为什么要选用乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件与药用蛋白基因重组在一起？
目的是让药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达。
3.与工厂化生产药用蛋白相比，用动物乳腺生物反应器生产药用蛋白的优势有哪些？
(1)动物乳腺有完整的蛋白质翻译后修饰系统，生产的蛋白质活性高，更稳定。
(2)产物直接经乳汁分泌，易提取。
【基础训练2】
(1)用大肠杆菌生产的人的胰岛素没有活性(　　)
(2)药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达的原因是药用蛋白基因只存在 于乳腺细胞中，其他细胞中没有(　　)
(3)用基因工程技术生产工业酶的优点是：纯度高、生产成本低、生 产效率高(　　)
√
×
√
【典例3】(2021·辽宁沈阳期中)下列关于用转基因动物作器官移植供体的研究的叙述，不正确的是
A.人体移植器官短缺和免疫排斥是目前制约人体器官移植的两大难题
B.猪的内脏构造、大小和血管分布与人的极为相似
C.灵长类动物体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒少于猪
D.无论以哪种动物作为供体，都需要在其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
√
【典例4】动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生物发酵，进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现代生物技术。科学家已在牛和羊等动物乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要药品，其大致过程如图所示。下列有关说法错误的是
A.通过③形成的重组质粒具有人的
药用蛋白基因、启动子、终止子和
标记基因即可
B.④通常采用显微注射技术
C.在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达，因此可以从乳汁中提取药物
D.该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取
√
农牧业方面
食品工业方面
乳腺生物反应器
医药卫生领域
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：
1. 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。
到社会中去
课后习题·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瞟吟和尿囉曉的含量相等
C
课后习题·概念检测
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
课后习题·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“转人外源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 等处理目的基因和Ti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。
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： 。
矮牵牛
转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性
课后习题·拓展应用
（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。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。
②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，比较它们对草甘辟抗性的差异。
探究思路：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，比较它们对草甘辟抗性的差异。

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