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第3章
第3节　基因工程的应用
生 物
2026
内容索引
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
课标定位
素养阐释
1.列举基因工程在农牧业、医药卫生领域、食品工业方面的具体应用及取得的丰硕成果。
2.关注基因工程的进展。
1.参与有关推广和应用基因工程产品等社会行为的讨论,理性作出个人决策。
2.认同基因工程给现代农牧业、食品及医药等行业带来了深刻的变化,产生了巨大的社会效益和经济效益。
自主预习 新知导学
一、基因工程在农牧业方面的应用
基因工程技术已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面。
1.转基因抗虫植物
(1)目的基因:具有抗虫功能的基因。
(2)成果:抗虫植物,如转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
2.转基因抗病植物
(1)目的基因的来源:某些病毒、真菌等的抗病基因。
(2)成果:转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
3.转基因抗除草剂植物
(1)目的基因:降解或抵抗某种除草剂的基因。
(2)成果:转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
4.改良植物的品质
(1)将某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中,培育转基因植物。
(2)将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中,提高它的观赏价值。
(3)成果:转基因玉米(赖氨酸含量高)、转基因矮牵牛。
5.提高动物的生长速率
(1)目的基因:外源生长激素基因。
(2)成果:转基因鲤鱼。
6.改善畜产品的品质
科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组,培育出乳汁中乳糖含量大大降低的奶牛。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
1.基因工程药物主要包括细胞因子、抗体、疫苗和激素等。干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白。
2.利用转基因动物生产药物
乳腺生物反应器或乳房生物反应器: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→导入哺乳动物的受精卵中→转基因动物分泌的乳汁中含有所需的药物。
3.前景:还可能利用基因工程技术培育不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官,用于人类器官移植。
三、基因工程在食品工业方面的应用
1.基因工程在食品工业方面的主要产品:食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
2.用基因工程技术生产工业用酶的优点:纯度更高,生产成本显著降低,生产效率较高。
四、其他方面的应用
在处理环境污染方面,培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”;在开发新能源方面,利用经过基因改造的微生物来生产能源。
【预习检测】
1.判断正误。
(1)转基因抗虫棉的抗虫效果的鉴定必须通过分子检测。(　　)
(2)科学家培育出的抗害虫的转基因棉可以抵抗各种害虫。(　　)
(3)转基因育种针对性强,可克服远缘杂交不亲和的障碍。(　　)
(4)科学家已利用基因工程培育出能分解各种污染物的“超级细菌”。
(　　)
(5)大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传。(　　)
×
×
√
×
√
2.下列属于基因工程药物的是(　　)
A.从大肠杆菌体内获取的干扰素
B.从黄花蒿中提取的青蒿素
C.从青霉菌体内获取的青霉素
D.从牛的胰中获取的胰岛素
答案:A
解析:基因工程是指按照人们的愿望,通过转基因等技术,赋予生物新的遗传特性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。A项为外源基因的表达,属于基因工程药物。而B、C、D三项均为体内正常基因的表达,故不属于基因工程药物。
3.切取某动物合成生长激素的基因,用某种方法将此基因转移到鲇鱼的受精卵中,从而使鲇鱼比同类个体大3~4倍。此项研究遵循的原理是(　　)
A.基因突变,DNA→RNA→蛋白质
B.基因工程,DNA→tRNA→蛋白质
C.细胞工程,DNA→RNA→蛋白质
D.基因重组,DNA→RNA→蛋白质
答案:D
4.上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因牛。他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法,使转基因动物乳汁中的白蛋白提高了30多倍,这标志着我国转基因研究向产业化的目标迈进了一步。那么“转基因动物”是指(　　)
A.提供基因的动物　
B.基因组中转入了外源基因的动物
C.能产生白蛋白的动物
D.能表达基因遗传信息的动物
答案:B
合作探究 释疑解惑
[问题引领]
知识点一　基因工程在农牧业方面的应用
1.请完成下表。
转基因植物 目的基因 目的基因来源
观赏价值高的转基因矮牵牛 ①　 　　 　　 植物
抗虫棉 ②　　　 　　 苏云金杆菌
产低乳糖乳汁的转基因牛 ③　　　 　　 人
抗病毒甜椒 ④　　　 　　 病毒、真菌
抗除草剂大豆 ⑤　　　 　　 　　 细菌等
与植物花青素代谢相关的基因
Bt抗虫蛋白基因
肠乳糖酶基因
抗病基因
降解或抵抗除草剂的基因
2.具有抗虫基因的植物能否抗病毒、细菌和真菌 为什么
提示:否。因为每种基因都有特定的结构和功能。具有抗虫基因的植物只能抗虫。
3.与传统育种方法相比较,转基因育种有哪些优点
提示:①目的性强,能定向改造生物性状。
②克服远缘杂交不亲和的障碍。
③育种周期短。
[归纳提升]
1.抗虫转基因植物与抗病转基因植物的比较
比较项目 抗虫转基因植物 抗病转基因植物
方法 从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因,将其导入植物中 将抗病基因导入植物中
目的基 因举例 Bt抗虫蛋白基因 抗病毒基因(病毒外壳蛋白基因)、抗真菌基因(几丁质酶基因等)
成果 转基因抗虫棉、转基因抗虫水稻 转基因抗病毒烟草、转基因抗病毒甜椒等
意义 减少化学农药的使用,降低生产成本,减少环境污染,降低对人体健康的危害 2.培育转基因动植物的主要目的
培育转基因植物主要是获得高产、稳产、抗病虫害及抗逆性强的转基因植物;利用转基因改良植物的品质(如新花色矮牵牛)。
动物基因工程主要用于提高动物的生长速率和改善畜产品品质。
3.传统杂交育种与基因工程育种的区别
比较项目 传统杂交育种 基因工程育种
原理 基因重组 异源DNA(基因)重组、植物细胞的全能性
处理 方法 一般程序:杂交→自交→筛选。先通过两个具有不同优良性状的纯种杂交得到F1,然后再将F1自交,人工筛选获取所需品种 提取→重组→导入→筛选→表达。即提取目的基因→形成重组DNA分子→重组DNA分子导入受体细胞→筛选含有目的基因的受体细胞→目的基因的表达
优点 操作简便 可以按人的意愿改造生物,克服远缘杂交不亲和的障碍,目的性强,科技含量高
缺点 育种时间长 技术复杂
[典型例题]
下列有关基因工程的成果及应用的说法,正确的是(　　)
①用基因工程方法培育的抗虫植物也能抗病毒　②基因工程在畜牧业上应用的主要目的是培养体形巨大、品质优良的动物　③基因工程在农业上的应用主要是培育高产、稳产和具有抗逆性的农作物　④我国科学家把外源生长激素基因导入鲤鱼,提高了鲤鱼的生长速率
A.①② B.②③
C.③④ D.①④
答案:C
解析:用基因工程方法培育的抗虫植物不能抗病毒,因为抗虫和抗病毒是由不同基因决定的,该培育过程中并没有将抗病毒基因转入植物中。动物基因工程技术可以提高动物的生长速率,同时在改良动物品种、建立生物反应器、器官移植等方面有广阔的应用前景,并非所有的动物都是体形巨大的。
【变式训练】
1.育种技术的发展与人类社会的进步息息相关。下列有关育种的说法,错误的是(　　)
A.培育太空椒、超级水稻、抗虫棉的原理和青霉素高产菌株的选育原理相同
B.杂交育种选育的小麦能结合亲代双方的优点,产生新的表型,从而实现增产
C.基因工程育种能打破物种界限,定向改造生物性状,按人类意愿培育新品种
D.单倍体植株一般高度不育,但在育种方面有重要作用,合理利用能缩短育种时间
答案:A
解析:青霉素高产菌株、太空椒选育的原理是基因突变,培育超级水稻和抗虫棉的原理是基因重组。
2.抗病毒转基因植物成功表达后,下列叙述正确的是(　　)
A.抗病毒转基因植物,可以抵抗所有病毒
B.抗病毒转基因植物,对病毒的抗性具有局限性或特异性
C.抗病毒转基因植物可以抗害虫
D.抗病毒转基因植物可以稳定遗传,不会变异
答案:B
解析:每一种抗病毒的基因只能抵抗一种病毒,即抗病毒转基因植物对病毒的抗性具有局限性或特异性,A项错误,B项正确。抗病毒转基因植物能抵抗某种病毒,但不能抗害虫,C项错误。抗病毒转基因植物可以稳定遗传,但也会发生变异,D项错误。
[问题引领]
知识点二　基因工程在医药卫生领域的应用
1.在培育具有乳腺生物反应器的转基因动物的过程中,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结合
提示:由于细胞分化,乳腺中特异表达的基因的启动子只在乳腺细胞内启动转录过程。
2.培育具有乳腺生物反应器的转基因动物时,转基因动物的所有体细胞中是否均含有目的基因 为什么
提示:是。因为制作动物乳腺生物反应器时受体细胞为受精卵,所以转基因动物的所有体细胞中均含有目的基因。
3.生产基因工程药物的转基因生物主要是微生物,称为工程菌。请列举几个通过工程菌生产的药物。
提示:干扰素、乙型肝炎疫苗等。
4.异体器官移植会产生什么反应 该反应主要由哪种特异性免疫引起 现在科学家有何设想来改变这种现状
提示:免疫排斥反应。主要由细胞免疫引起。科学家正尝试利用基因工程技术改造哺乳动物的器官,采用的方法是在器官供体的基因组中导入调控基因表达的DNA序列,以抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因,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器官。
[归纳提升]
1.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。
(2)原理
利用基因工程技术,把动物的乳腺作为生产工具,使目的基因在其内表达,获得人类需要的生物产品。
(3)操作过程
注意:乳腺生物反应器的操作过程中,构建基因表达载体时,目的基因首端要连接乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件,否则目的基因在乳腺上皮细胞中不能转录。将构建好的基因表达载体导入受精卵,而不是乳腺上皮细胞。这样由受精卵发育成的个体体细胞均含有目的基因(如药用蛋白基因),但该基因只在乳腺上皮细胞中表达。
(4)优点和缺点
①优点
a.产量高,易获得目标产品。
b.产品成本低。
c.产品质量稳定。
d.从乳汁中提取产品,操作简单。
e.避免了化学、生物毒素污染。
②缺点:受性别和年龄的限制,只有雌性动物哺乳期才能获得相应产物。
2.乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较
比较项目 乳腺生物反应器 工程菌
基因 结构 动物基因的结构与人类基因的结构基本相同 细菌等生物基因的结构与人类基因的结构有较大差异
基因 表达 合成的药用蛋白与天然蛋白质相同 细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器,产生的药用蛋白可能没有活性
受体 细胞 动物的受精卵 微生物细胞
比较项目 乳腺生物反应器 工程菌
导入目 的基因 的方式 显微注射法 Ca2+处理(大肠杆菌)
生产 条件 不需严格灭菌,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
药物 提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞中提取
3.基因工程技术还可能使建立移植器官工厂的设想成为现实
(1)用动物器官来解决人类器官移植来源问题的最大难题:免疫排斥反应。
(2)解决办法:在器官供体的基因组中导入调控基因表达的DNA序列,以抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因。
[典型例题]
下列关于利用酵母菌生产乙型肝炎疫苗的说法,正确的是(　　)
A.乙型肝炎表面抗原基因可从酵母菌基因文库中获得
B.转基因酵母菌生产乙型肝炎疫苗的理论基础之一是生物共用一套遗传密码
C.转基因过程中用到的质粒是一种类似于染色体上链状DNA的遗传物质
D.将乙型肝炎表面抗原基因导入酵母菌时需用到显微注射技术
答案:B
解析:乙型肝炎表面抗原基因应从乙型肝炎病毒中获得。乙型肝炎病毒的基因能在酵母菌中表达出乙型肝炎病毒的蛋白质是因为生物共用一套遗传密码。质粒是位于细胞质中的环状DNA。将乙型肝炎表面抗原基因导入酵母菌时可用Ca2+处理酵母菌,将目的基因导入动物受精卵时需用到显微注射技术。
【变式训练】
1.科学家利用转基因技术成功培育出一头转入了赖氨酸基因的转基因牛,从其乳汁中可获得大量的赖氨酸。下列相关叙述正确的是(　　)
A.该题中赖氨酸基因表达载体的受体细胞的性染色体组成可以是XX,也可以是XY
B.将赖氨酸基因导入牛的卵细胞中
C.人们只在转基因牛的乳汁中才能获取赖氨酸,是因为只在转基因牛的乳腺细胞中才有赖氨酸基因
D.运用基因工程技术让牛合成大量的赖氨酸,该技术将导致定向变异
答案:D
解析:只有母牛能产生乳汁,因此该题中赖氨酸基因表达载体的受体细胞的性染色体组成只能是XX。在培育转基因动物时,将目的基因导入动物的受精卵中。将赖氨酸基因导入动物的受精卵中,转基因动物的体细胞中都有赖氨酸基因,但是只在乳腺细胞中表达。基因工程是人为地将目的基因导入受体细胞,可定向改造生物的性状。
2.下列经生物技术操作获得的性状,不会遗传给子代的是(　　)
A.将药用蛋白基因表达载体转入大肠杆菌,筛选获得能产生药用蛋白的大肠杆菌
B.将腺苷酸脱氨酶基因转入淋巴细胞后回输给患者,使患者恢复免疫能力
C.经处理后获得抗花叶病毒的愈伤组织,经组织培养获得抗病植株
D.将荷斯坦牛的细胞核注入去核卵母细胞中,激活发育为高产奶牛
答案:B
解析:将药用蛋白基因表达载体转入大肠杆菌利用了转基因技术,属于基因重组,可以将获得的性状遗传给后代,A项不符合题意。将腺苷酸脱氨酶基因转入淋巴细胞后回输给患者,属于基因治疗,进行基因治疗时不会改变其他细胞的基因组成,且淋巴细胞不能进行减数分裂产生配子,所以不会遗传给子代,B项符合题意。经处理后获得抗花叶病毒的愈伤组织,经组织培养获得抗病植株,植物组织培养属于无性生殖,可以将其获得的性状遗传给后代,C项不符合题意。将荷斯坦牛的细胞核注入去核卵母细胞中,培育得到高产奶牛,属于细胞核移植,其高产性状可以遗传给后代,D项不符合题意。
课堂小结

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