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第3节 基因工程的应用
农牧业方面
医药卫生领域
食品工业方面
转基因抗虫棉（右）
转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）
【植物方面】1996—2017年，全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍。
【动物方面】转基因动物方面的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
转基因鲑鱼缩短了其成长周期，因此它受到的污染和体内聚集的有毒物质残留比普通鲑鱼少得多。
思考：转基因生物有哪些优点？
减少化学杀虫剂使用量（生物防治）
增加作物产量、增加经济效益
改良动植物品种
一 基因工程在农牧业方面的运用
一 基因工程在农牧业方面的运用
(一)农业方面
1996—2017年，全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍。
1 转基因抗虫植物
(1)目的基因来源：
从某些生物中分离
（2)主要杀虫基因：
①Bt毒蛋白基因：
③淀粉酶抑制剂基因：
②蛋白酶抑制剂基因：
④植物凝集素基因：
阻断或降低蛋白酶的活性，使害虫不能正常消化食物，还会引起厌食反应。
当Bt抗虫蛋白被分解为多肽后，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。
产生的抑制剂可与害虫消化道内的淀粉酶结合。
可与害虫肠道黏膜上的某些物质结合，影响害虫对营养物质的吸收和利用。
转基因抗虫棉（右）
转基因抗虫水稻(绿色植株)与
对照(被害虫侵害的黄色植株)
(3)成果：
转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
(4)优点：
①减少环境污染和对人类健康的损害
②降低生产成本、提高产量。
(1)目的基因来源：
(2)成果：
转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
2 转基因抗病植物
某些病毒、真菌等的抗病基因
感染环斑病毒木瓜
3转基因抗除草剂植物
（1)背景：
(2)目的基因：
(3)成果：
种植转基因抗除草剂大豆的农田
大多数除草剂能杀死田间杂草，也会损伤作物，导致作物减产。
转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
降解或抵抗某种除草剂的基因
4 改良植物的品质
(1)目的:
②改良植物的观赏价值：
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。
①改良植物的营养价值：
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含量比对照提高30%。
黄金大米（胡萝卜素基因）
转基因蓝玫瑰
（二)农牧业方面
有些成果正在进入实用化和商业化开发的阶段。
转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）
1 提高动物的生长速率
外源生长激素基因
(1)目的基因：
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%。
（2)实例：
超级小鼠
普通鲤鱼
转基因鲤鱼
2 改善畜产品的品质
(1)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。
(2)对策：
科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组。
(3)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。
转基因生物优点
减少化学杀虫剂使用量，减少了污染
增加作物产量、增加经济效益
改良动植物品种
重难点突破：转基因植物培育过程
转基因植物的制备用到的技术主要有？
思考
基因工程、植物组织培养技术。
重难点突破：转基因动物培育过程
转基因动物的制备用到的技术主要有？
思考
基因工程、动物细胞培养、早期胚胎培养、胚胎移植。
1.下列有关目的基因的操作能够改善产品品质的是( )
A.将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内
B.将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组
C.将降解或抵抗某种除草剂的基因导入玉米
D.将Bt抗虫蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达
提高生长速率
转基因抗除草剂植物
提高植物的抗虫能力
B
【现学现用】
2.转基因抗虫植物含有Bt毒蛋白，对人体无毒，但是鳞翅目昆虫幼虫的肠道细胞含有Bt蛋白的受体，Bt蛋白与受体结合导致肠道壁穿孔，使幼虫死亡。下列叙述错误的是
A.促进 Bt 蛋白的合成有助于提高植物的抗虫效果
B.通过 DNA 分子杂交技术可以检测Bt蛋白基因是否表达
C.将Bt蛋白基因导入植物细胞的方法可以使用花粉管通道法或农杆菌转
化法
D.将植物材料和农杆菌共同培养之前，需要对植物材料进行消毒处理
√
检测是否导入受体细胞
【现学现用】
【现学现用】
　　3．八氢番茄红素合酶（其基因用psy 表示）和胡萝卜素脱饱和酶（其基因用crtI 表示）参与β- 胡萝卜素合成。Pmi 为磷酸甘露醇异构酶基因，它编码的蛋白质可使细胞在特殊培养基上生长。科学家将psy 和crtI 基因转入水稻，使水稻胚乳中富含β -胡萝卜素，由此生产出的大米称为“黄金大米”。下列有关叙述错误的是（　 ）
　　A．Psy 和crtI 基因是该项研究中的目的基因
　　B．以pmi 基因作为标记基因便于筛选出导入目的基因的受体细胞
　　C．检测出水稻中含八氢番茄红素合酶和胡萝卜素脱饱和酶，即表明转基因水稻培育成功
　　D．可设法将重组载体导入水稻细胞
C
检测到β- 胡萝卜素
1 生产药物
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。
细胞因子、抗体、疫苗和激素等
(1)常见药物类型：
(3)成果：
通过基因工程得到的药物通常其化学本质是什么？
通常是蛋白质
二 基因工程在医药卫生领域方面的运用
(2)受体细胞：
微生物 动植物细胞
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或治疗恶性肿瘤伴发贫血及风湿病贫血等多种贫血。
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。
干扰素
①干扰素的化学本质是什么？
②干扰素的作用机理是怎样的？
③干扰素用于哪些疾病的治疗？
④传统生产干扰素的方法是什么？
⑤目前大量生产干扰素的方法是什么？
⑥我国批准生产的第一个基因工程药物的名称叫什么？
用于治疗哪些疾病？
糖蛋白
干扰病毒复制
病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等
从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取1mg干扰素。
用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得
重组人干扰素α-1b
主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等
抗生素 干扰素
①抗生素：抗细菌药物
②干扰素：抗病毒药物
≠
问题2：与大肠杆菌相比，用酵母菌生产人的生长激素有什么优势？
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生长激素进行加工和修饰，从而产生有活性的胰岛素。
大肠杆菌
酵母菌
干扰素基因
质　　粒
重组质粒（基因表达载体）
构建
大肠杆菌或酵母菌
导入
可大量生产干扰素的大肠杆菌或酵母菌
培养
问题1：如何利用基因工程生产干扰素（用流程图表示）
药用蛋白基因如人生长激素基因
提供受精卵
显微注射
胚胎移植
转基因羊
生长激素
羊奶
载体含有乳腺细胞中特异表达的基因的启动子
（1)实例：
乳腺生物反应器
(2)培育过程：
胚胎移植前应做DNA分析，鉴定性别，保留雌性
2 让转基因哺乳动物批量生产药物
含人生长激素
1.乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？
3.药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？为什么？
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？
启动子具有物种和组织的特异性，
让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达
几乎所有细胞。
不是，是该转基因动物
因为它们都是由同一个受精卵分裂、分化而来的
4.与利用细菌生产药用蛋白相比，用动物乳腺生物反应器生产药用蛋白的优势是什么？
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。
膀胱生物反应器：继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了一定进展。最近，科学家培养出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。
1.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 等调控元件重组在一起。
药用蛋白基因
膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子等调控元件
基因表达载体
受精卵
转基因动物
药物
早期胚胎培养
早期胚胎
显微注射
胚胎移植
培育过程
尿液
2.膀胱生物反应器相比乳腺生物反应器的优点是什么？
从尿中提取蛋白质比在乳汁中提取简便、高效。
不受性别、年龄的限制
特异表达的基因的启动子
产品名称 受体细胞 临床应用
重组人胰岛素 大肠杆菌 治疗糖尿病
重组人红细胞生成素 哺乳动物细胞 治疗贫血
重组人生长激素 大肠杆菌 治疗生长缺陷
重组人表皮生长因子 大肠杆菌 治疗烫伤、溃疡等
重组人肿瘤坏死因子 大肠杆菌 治疗肿瘤
重组人干扰素（多种） 酵母菌等 治疗病毒感染、肿瘤等
重组人白细胞介素 大肠杆菌 治疗肿瘤
重组尿激酶原 大肠杆菌 治疗心脏病等
重组人集落刺激因子 哺乳动物细胞 辅助治疗血友病、艾滋病等
重组人抗血友病因子 哺乳动物细胞 治疗血友病
重组人组织型纤溶酶原激活物 哺乳动物细胞 溶解血栓
部分利用基因工程技术生产的医用多肽和蛋白质类产品
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
(1)解决的问题：
(2)解决问题的方法：
3 基因工程改造动物器官，用于移植
免疫排斥反应
①向供体的基因组导入调控基因表达的DNA序列，抑制抗原基因表达
②设法除去供体基因组中的抗原决定基因
目的基因
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。
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________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 _________基因+乳腺中特异表达的基因的________ 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__________基因的表达或除去_________基因 结合克隆技术培育出不会引起__________反应的转基因克隆猪器官
基因
药用蛋白
启动子
抗原决定
抗原决定
免疫排斥
1 应用：
3 实例
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运用
生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等
2 受体细胞：
大肠杆菌 黑曲霉 酵母菌-----构建工程菌
(1)实例1：生产氨基酸
氨基酸，维生素并不是基因表达的直接产物
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，再通过发酵工程批量生产凝乳酶。
②基因工程制备方法：
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)实例2：生产凝乳酶
(3)实例3：生产淀粉酶、脂酶
纯度更高， 生产成本显著降低， 生产效率较高
①制备方法：
构建基因工程菌， 然后用发酵技术大量生产
②优点：
1 治理环境污染
　有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。
基因工程将能分解三种烃类的假单孢杆菌的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。
“超级细菌”降解泄漏的原油
四 其它运用
2生产清洁能源
生物乙醇
生物柴油
植物
淀粉/纤维素
提取
可发酵糖
糖化
微生物
乙醇
发酵
微生物
淀粉酶/纤维素酶
生物乙醇的生产流程
不与人争粮
　　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。
1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来
3环境监测
探针
目的基因
碱基互补配对原则
通过基因工程手段（如基因文库）获取目标生物的特异性核酸片段，经克隆、扩增后制备成单链DNA探针，并标记放射性同位素、荧光基团等示踪剂。
基因工程在农牧业方面的应用
1.转基因抗虫植物
2.转基因抗病植物
3.转基因抗除草剂植物
4.改良植物的品质
5.提高动物的生长速率
6.改善畜产品的品质
基因工程在医药卫生领域的应用
基因工程在食品工业方面的应用
1.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。
2.利用基因工程技术，可以让哺乳动物批量生产药物，
如乳腺生物反应器。
3.用转基因动物作器官移植的供体等。
构建基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸、维生素
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嘧啶的含量相等
练习与应用
C
p41 初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动，因此在整个生命过程中它一直进行着。初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质和核酸等。次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定的组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行。
RNA聚合酶
次生
A=T
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
一 概念检测
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。草甘麟没有选择性，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麟的作物。
（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______________________ 等处理含有目的基因的DNA片段和Ti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 用草甘麟同时除去转基因植株和普通植株。
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:______________________________________ 。
限制酶和DNA连接酶
矮牵牛
矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。
二 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。
对照组1为导入空载体的矮牵牛。
对照组2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 ，它对草甘膦的抗性会 。
思路：将 分别转入矮牵牛细胞中，
培育转基因植株，比较 。
升高
增强
不同拷贝数的EPSP合酶基因
它们对草甘膦抗性的差异

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