2018版高考生物一轮复习第十一单元现代生物科技专题学案(打包5套)新人教版

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2018版高考生物一轮复习第十一单元现代生物科技专题学案(打包5套)新人教版

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第四讲 生态工程
[考纲展示]
1.简述生态工程的原理(Ⅱ) 2.生态工程的实例(Ⅰ)
授课提示:对应学生用书第267页
一、对生态工程概念的理解
生态工程是指人类应用生态学和系统学等学科的基本原理和方法,通过系统设计、调控和技术组装,对已被破坏的生态环境进行修复、重建,对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善,并提高生态系统的生产力,从而促进人类社会和自然环境的和谐发展。
二、关注生态工程的建设
1.生态工程
(1)任务:修复和重建已遭到破坏的生态系统;改善传统的生产方式,提高生态系统的生产力。
(2)目的:遵循自然界物质循环的规律,充分发挥资源的生产潜力,防止环境污染,达到经济效益和生态效益的同步发展。
(3)特点:与传统工程相比,生态工程是一类少消耗、多效益、可持续的工程体系。
2.生态经济
(1)原则:“循环经济”。
(2)特点:使一个系统产出的污染物,能够成为本系统或者另一个系统的生产原料。
(3)目的:实现废弃物的资源化。
(4)手段:生态工程。
三、生态工程所遵循的基本原理
1.物质循环再生原理:物质能够在各类生态系统中,进行区域小循环和全球地质大循环,循环往复,分层分级利用,从而达到取之不尽、用之不竭的效果。
2.物种多样性原理:一般而言,物种繁多而复杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性。
3.协调与平衡原理:处理好生物与环境的协调与平衡,除了考虑生物的生态适应性,还需要考虑环境承载力(或环境容纳量)。
4.整体性原理:人类处在一个社会—经济—自然复合而成的巨大系统中,进行生态工程建设时,不但要考虑到自然生态系统的规律,还要考虑到经济和社会等系统的影响力。
5.系统学和工程学原理:生态工程需要考虑系统内部不同组分之间的结构,通过改变和优化结构,达到改善系统功能的目的。另外,系统各组分之间要有适当的比例关系,只有这样才能顺利完成能量、物质、信息等的转换和流通,并且实现总体功能大于各部分之和的效果,即“1+1>2”。
四、生态工程的类型与设计原则
1.生态工程的类型:根据性质和设计目标的不同,生态工程可以分为以下类型。
(1)具有农业生态保护性质并以农产品生产为目标的农业生态工程。
(2)以环境保护为目标的林业生态工程,包括水土保持生态工程、防风固沙生态工程、水源涵养生态工程、城市绿化和园林生态工程等。
(3)以治理环境污染为目标的治污生态工程,包括污水治理生态工程、城市垃圾处理生态工程、湖泊和水源地治理生态工程等。
2.设计实施生态工程坚持的原则
(1)首先肯定生态工程的作用,特别是对恢复和重建受损生态系统的重要作用。
(2)不能误认为只要有了生态工程,就可以走发达国家“先污染、破坏、后治理”的老路。
1.生态工程建设的目的是遵循自然界物质循环的规律,充分发挥资源的生产潜力,防止环境污染,达到经济效益与生态效益的同步发展。2.物质循环再生原理的基础是物质循环;物种多样性原理的基础是生态系统的稳定性;协调与平衡原理的基础是生物与环境的协调和平衡;整体性原理的基础是社会、经济和自然构成复合系统;系统学和工程学原理的基础是系统的结构决定功能。3.农村综合发展型生态工程的主要原理是物质循环再生原理、整体性原理和物种多样性原理;小流域综合治理生态工程的主要原理是整体性原理和协调与平衡原理;大区域生态系统恢复工程和城市环境生态工程的主要原理都是协调与平衡原理、整体性原理。
生态工程的易混易错点整体性原理≠系统整体性原理(1)整体性原理①含义:指社会、经济、自然三方面协调统一,保障整个系统的稳定与平衡。②举例:林业建设中自然系统、社会系统与经济系统的关系问题,即种树的同时考虑经济收入、粮食、燃料等问题。(2)系统整体性原理①含义:指总体功能大于各部分之和,即1+1>2。原因是系统保持有很高的生产力,具体是指互利共生的生物体现系统整体性原理。②举例:如藻类和珊瑚虫、大豆和根瘤菌、地衣植物中的藻类和真菌等。
授课提示:对应学生用书第268页
考点一 生态工程的原理和实例
[核心考点通关]
1.生态工程的原理
项目
理论基础
意义
实例
物质循环再生原理
物质循环
可避免环境污染及其对系统稳定和发展的影响
无废弃物农业
物种多样性原理
生态系统的稳定性
生物多样性程度高可提高系统的抵抗力稳定性,提高系统的生产力
“三北”防护林建设中的问题,珊瑚礁生态系统的生物多样性的问题
协调与平衡原理
生物与环境的协调与平衡
生物数量不超过环境承载力,可避免系统的失衡和破坏
太湖富营养化问题、过度放牧等
整体性
原理
社会、经济、自然构成复合系统
统一协调各种关系,保障系统的平衡与稳定
林业建设中自然系统与社会、经济系统的关系问题
系统学和工程学原理
系统的结构决定功能原理:分布式优于集中式和环式
改善和优化系统的结构以改善功能
桑基鱼塘
系统整体性原理:整体大于部分之和
保持系统很高的生产力
珊瑚礁、藻类和珊瑚虫的关系
2.生态工程的实例分析
实例
问题
原理
对策
案例
农村综合发展型生态工程
实现物质的多级循环利用,在资源有限的条件下能较多地产出,以解决人多地少的矛盾
物质循环再生原理、整体性原理、物种多样性原理
建立综合发展型生态工程
窦店村以沼气工程为中心的生态工程
小流域综合治理生态工程
小流域的水土流失
整体性原理、协调与平衡原理、系统学和工程学原理
运用多种原理,应用多种措施综合治理
甘肃陇南地区“九子登科”治理模式
大区域生态系统恢复工程
土地荒漠化
协调与平衡原理、整体性原理
退耕还林还草、植树造林等
“三北”防护林生态工程,退耕还林还草生态工程
湿地生态恢复工程
湿地缩小和破坏
控制污染、退田还湖
江西鄱阳湖的生态恢复工程
矿区废弃地的生态恢复工程
矿区生态环境问题
系统学和工程学原理
修复土地、恢复植被
赤峰市元宝山矿区生态恢复工程
城市环境生态工程
环境污染
协调与平衡原理、整体性原理等
城市绿化、污水净化、废弃物处理、合理布局等
污水及垃圾处理、城市绿化
[针对训练]
1.南京市自开展“南京莫愁湖物理生态示范实验研究”开始,相继引种了浮水植物、沉水植物共计10余种,在围隔区内已经形成了以沉水植物为优势的水生植物群体。试验区内营养盐的浓度得到有效控制,如试验区内氨氮和总氮仅分别为试验区外的1/13和1/5,有效地改善了水质。
(1)此项生态工程依据的生态学原理有____________、____________、____________、____________和____________。
(2)生态工程的调控机制是________________,主要利用的能源是________。
(3)一些发达国家的生态工程建设主要依据生态系统的________,达到了以________为主、________为辅的程度。而在我国的生态工程建设中,________仍起着较大作用,强调按预期目标,因地制宜地调整复合生态系统的结构和功能。
(4)生态工程的主要目的在于_______________________________________。
解析:生态工程的建设一是要遵循生态学原理,另外还要注意对于人与自然和谐发展的调控。目前我国的生态工程和西方国家的生态工程建设所处的阶段不同,因而追求的目标也不尽相同,但总之都是为了使生物和环境之间变得高效和谐。
答案:(1)物质循环再生原理 协调与平衡原理 整体性原理 系统学和工程学原理 物种多样性原理 (2)人为辅助下的自我调节 太阳能 (3)自我调节理论 回归自然 人为调控 人为调控 (4)建造和调控人工生态系统,使生物与环境之间变得高效和谐
考点二 生态工程的类型与生态农业
[核心考点通关]
一、生态工程的类型与设计原则
1.生态工程的类型
根据性质和设计目标的不同,生态工程可以分为以下三类。
(1)具有农业生态保护性质并以农产品生产为目标的农业生态工程。
(2)以环境保护为目标的林业生态工程,包括水土保持生态工程、防风固沙生态工程、水源涵养生态工程、城市绿化和园林生态工程等。
(3)以治理环境污染为目标的治污生态工程,包括污水治理生态工程、城市垃圾处理生态工程、湖泊和水源地治理生态工程等。
2.设计实施生态工程坚持的原则
(1)首先肯定生态工程的作用,特别是对恢复和重建受损生态环境的重要作用。
(2)不忘大自然固有的强大的生态恢复能力,但也不能认为只要有了生态工程,就可以走发达国家“先污染、破坏,后治理”的老路。
二、生态农业
1.原理:生态农业运用生态学原理(即生态系统的物质循环再生、能量多级利用或生态系统的物质循环与能量流动),在环境与经济协调发展的思想指导下,应用现代科学技术建立起来的多层次、多功能的综合农业生态体系。
2.优点:实现物质的循环再生和能量的多级利用,减少环境污染,减少了化肥用量,降低了农业投入。
3.生态农业常见类型
(1)桑基鱼塘模式:
人工建立的高产稳产的农业生态系统。做到蚕粪养鱼,鱼粪肥塘,塘泥肥田、肥桑,从而获得稻、鱼、蚕茧三丰收,如图所示。
(2)沼气农田立体养殖模式:不仅实现了对能量的多级利用,而且提高了能量的利用率,使能量尽可能多地流入对人类有益的部分,如图所示。
4.传统经济与生态经济
(1)传统经济是大量使用化肥、农药、机械的农业生产方式,不注重生态环境的保护,经济的发展以巨大的生态环境破坏为代价。
(2)生态经济实现了“原料→产品→原料→产品”的生产体系,是实现了废弃物资源化的循环经济。具有少消耗、多效益、可持续的特点。
[针对训练]
2.下图为矿区生态恢复工程流程图,请据图回答下列问题。
(1)矿区废弃地对生态系统造成的负面影响包括____________________。
①造成土体、土壤、植被的破坏 ②极端恶劣的土地条件会阻碍植被的生长 ③影响土地景观 ④可能产生严重的重金属污染
A.①② 
B.③④
C.①②③④
D.①②③
(2)在矿区废弃地的生态恢复工程中,要充分考虑到__________________三者间的持续协调发展关系。
(3)该恢复工程中,①、②分别是指______________、______________。该生态恢复的关键在于______________,以及______________的重建。
(4)恢复植被的措施是植树和种草,为什么不是种植农作物?
解析:(1)矿区废弃地对生态系统造成的负面影响包括:造成土体、土壤、植被的破坏;极端恶劣的土地条件会阻碍植被的生长;影响土地景观;可能产生严重的重金属污染。(2)在矿区废弃地的生态恢复工程中,要充分考虑到生态效益、社会效益和经济效益三者间的可持续协调发展关系。(3)该恢复工程中,①、②分别是指平整压实土地、人工制造表土。该生态恢复的关键在于植被恢复以及植被恢复所必需的土壤微生物群落的重建。(4)矿区土壤条件恶劣,不适合农作物生长,此外,若种植农作物,矿区的重金属污染会通过食物链危害人类。
答案:(1)C (2)生态效益、社会效益和经济效益 (3)平整压实土地 人工制造表土 植被恢复 植被恢复所必需的土壤微生物群落 (4)矿区土壤条件恶劣,不适合农作物生长,此外,若种植农作物,矿区的重金属污染会通过食物链危害人类。
授课提示:对应学生用书第270页
练全国高考真题——知考查重点
1.(2014·高考重庆卷)为治理某废弃采石场的生态环境,对其进行了公园化建设。
(1)对其进行整理和覆土,并选择适生植物进行人工造林,不同恢复时期的植物物种数如图所示。t0→t1,植物残体及凋落物中的有机物被生态系统中的________转化为无机物,使土壤条件得到改善;同时由于人工林土壤中存在________,导致群落中植物物种数增加;t1→t3,人工林抵抗力稳定性的变化是________;群落中植物物种数逐渐增加,物种之间________加剧。
(2)通过人工林建设和园林景观构建,既改善了生态环境,又可提高社会和经济效益,这主要体现了生态工程的________原理。
解析:(1)在生态系统中,将有机物转化为无机物的生物是分解者。人工林土壤中存在种子或繁殖体,会导致群落物种数增多,进而使人工林自我调节能力增强,抵抗力稳定性增强。由于阳光等资源有限,群落中植物物种数增加,物种间竞争加剧。(2)人工林建设和园林景观构建,既改善了生态环境,又提高了社会和经济效益,这主要体现了生态工程的整体性原理。
答案:(1)分解者 种子或繁殖体 增强 竞争
(2)整体性(系统论)
2.(2013·高考广东卷)污水处理厂的污泥富含有机质和无机成分,可用作肥料,但其多环芳烃(PAHs)等有机污染物含量通常较高,施入土壤会带来二次污染。生物质炭是由作物废弃秸秆等炭化而成。将污泥、含7%生物质炭的污泥均堆放一段时间后用于盆栽实验,研究它们对黑麦草生长及PAHs迁移的影响,结果如表所示。
测定项目
红壤
红壤+污泥
红壤+含7%生物质炭的污泥
土壤PAHs含量(μg/kg)
527
1
079
765
黑麦草叶绿素含量(mg/g)
2.0
2.1
2.3
黑麦草每盆干重(g)
1.7
2.3
2.7
黑麦草PAHs含量(μg/kg)
401
651
428
(1)生物质炭孔隙结构发达,能改善土壤的通气状况,使根系细胞_______________加强,____________合成增加,从而促进根系对土壤养分的吸收。
(2)由表可知,施用含生物质炭的污泥_______________________,从而促进黑麦草生长;污泥的施用使土壤和黑麦草的PAHs含量________________,但生物质炭的输入_____________________,从而降低PAHs污染的风险。由此可见,生物质炭有望用作污泥改良剂,促进污泥的推广应用。污泥的应用符合生态工程的________原理。
解析:(1)由题中信息可知,生物质炭能改善土壤的通气状况使氧气含量增加,从而促进了根细胞的有氧呼吸,根系对土壤中的矿质元素的吸收方式为主动运输,主动运输需要消耗能量(ATP),而有氧呼吸能释放大量能量(ATP)。(2)由表中数据可看出黑麦草的干重与叶绿素含量呈正相关,用含生物质炭的污泥培养的黑麦草的叶绿素含量和每盆干重比用红壤、红壤+污泥培养的黑麦草的叶绿素含量和每盆干重多,所以施用含生物质炭的污泥可提高黑麦草中叶绿素的含量,从而提高黑麦草光合作用,进而促进黑麦草的生长;表中数据显示施用污泥可使土壤和黑麦草中PAHs含量增加,施用生物质炭后测得的这些数值降低,说明生物质炭能降低土壤中PAHs的含量,从而降低PAHs污染的风险;生物质炭可作为污泥改良剂促进污泥被植物重新利用,同时降低环境污染,符合生态系统工程的物质循环再生原理。
答案:(1)有氧呼吸 ATP
(2)使黑麦草叶绿素含量提高,促进光合作用的进行,有利于有机物的积累 增加 降低了土壤中PAHs的含量和黑麦草对PAHs的吸收和积累 物质循环再生
练各地市模拟——知命题热点
3.(2017·河北石家庄模拟)柴静的纪录片《穹顶之下》引发了全国人民对雾霾的关注和讨论,而天津港火灾爆炸事故遗址将在彻底清理后建设海港生态公园,这再次将生态环境与生态经济推上舆论的焦点,生态工程的建设已经成为社会关注的热点,请回答下列问题:
(1)山西省为产煤大省,生态环境破坏严重,矿区废弃地的生态恢复工程的关键在于_______________,具体实施的措施有________________(答两点)。
(2)某生态工程以沼气工程为中心,各类植物的秸秆、枝叶用来生产饲料喂养畜、禽、鱼,人、畜、禽粪便作为原料生产沼气,沼渣水返还农田、菜园、果园、苗圃、鱼塘,主要体现了生态工程的__________________原理,该生态工程建设中,鱼塘中每一种鱼苗的投放量都不宜超过其__________________,该生态系统把鱼塘、农田、果园等有机地组合在一起,优化了系统结构,遵循________________原理。
(3)在上述的生态工程中,种植不同的农作物、果树,饲养多种畜禽,这体现了生态工程的________原理。
(4)一般来说,生态工程的主要任务是对__________________进行修复,对造成环境污染和破坏的生产方式进行改善,并提高生态系统的生产力。
(5)在应用植物修复技术治理重金属污染的土壤时,需选择符合要求的植物,这遵循了生态工程的__________________原理。
解析:(1)矿区废弃地的生态恢复工程的关键在于植被恢复与土壤微生物群落的重建,具体实施的措施有人工制造表土、土壤侵蚀控制、植被恢复工程等。(2)该生态工程以沼气工程为中心,各类植物的秸秆、枝叶用来生产饲料喂养畜、禽、鱼,人、畜、禽粪便作为原料生产沼气,沼渣水返还农田、菜园、果园、苗圃、鱼塘,体现了生态工程的物质循环再生原理。该生态工程建设中,鱼塘中每一种鱼苗的投放量都不宜超过其环境容纳量。该生态系统把鱼塘、农田、果园等有机地组合在一起,优化了系统结构,遵循系统的结构决定功能原理。(3)该生态工程种植不同的农作物、果树、饲养多种畜禽,这体现了生态工程的物种多样性原理。(4)生态工程的主要任务是对已破坏的生态系统进行修复,对造成环境污染和破坏的生产方式进行改善,并提高生态系统的生产力。(5)在应用植物修复技术治理重金属污染的土壤时,需选择符合要求的植物,这遵循了生态工程的协调与平衡原理。
答案:(1)植被恢复与土壤微生物群落的重建 人工制造表土、土壤侵蚀控制、植被恢复工程等(任选两点) (2)物质循环再生 环境容纳量 系统的结构决定功能
 
(3)物种多样性 (4)已破坏的生态系统 (5)协调与平衡原理
4.(2017·山东潍坊质检)实施西部大开发,要切实搞好生态环境保护和建设,大力开展植树种草、治理水土流失、防治沙漠化等。
材料一:据计算,维持一个6口人的牧民家庭生活所需食物,需饲养35~40头牛,其中一半必须是母牛,以提供牛奶和繁殖小牛,其余为2~3头公牛,15~18头小母牛和几头小公牛。这一畜群所需的牧场面积取决于降雨量(因降雨量影响产草量),在降雨量为250
mm地区,约需400
hm2放牧地。
材料二:“退耕还林工程”囊括25个省(区、市)和新疆生产建设兵团,共1
897个县(含市、区、旗)。到2010年,完成退耕地造林1.467×107hm2,宜林荒山荒地造林1.733×107hm2,陡坡耕地基本退耕还林,严重沙化耕地基本得到治理,工程区林草覆盖率增加4.5个百分点,工程治理地区的生态状况得到较大改善。
(1)在生态工程中,人类应用了________________等学科的基本原理和方法,促进了人类社会和自然环境的和谐发展。
(2)在西部地区“退耕还林还草”的目的是________________,从而能够提高生态系统的自动调节能力,这个过程遵循的原理是______________________________。
(3)根据________________原理可知,西部地区的草场,要注意合理放牧,需要考虑________________,因为若超过其限度,就会引起________________。
(4)一般来说,生态工程的目标除了治理环境污染之外,主要是对破坏的生态系统,特别是开矿后的废弃地以及湿地等进行________。
解析:(1)在生态工程中人类应用了生态学和系统学等学科的基本原理和方法,促进了人类社会和自然环境的和谐发展。(2)“退耕还林还草”的目的是增加当地物种多样性,其遵循的是物种多样性原理。(3)西部地区的草场,要注意合理放牧,需要考虑环境承载力,因为若超过其限度,就会引起系统的失衡和破坏,需遵循的是协调与平衡原理。(4)生态工程的目标除了治理环境污染之外,主要是对破坏的生态系统,特别是开矿后的废弃地以及湿地等进行生态恢复。
答案:(1)生态学和系统学 (2)增加当地物种多样性
物种多样性原理 (3)协调与平衡 环境承载力 系统的失衡和破坏 (4)生态恢复
授课提示:对应学生用书第377页
1.(2017·广东揭阳模拟)下图为某地一生态工程建设模式图,请据图回答有关问题:
(1)该生态工程模式的最大优点是___________________________。
该生态工程种植不同的农作物、果树、苗木,饲养牛、猪、鸡等多种畜禽,这体现了生态工程的________原理;各种粪便可作为沼气发酵的原料,体现了生态工程的_________原理。
(2)该生态工程中,处于第二营养级的生物除鸡、奶牛、鱼外还有__________________。该生态工程建设中,鱼塘中每一种鱼苗的投放量都不宜超过其__________________。
解析:(1)图中生态工程能够实现能量和物质的分层多级利用(或提高物质和能量的利用率),减少环境污染。该生态工程中有不同的农作物、果树、苗木和多种畜禽,体现了生态工程的物种多样性原理;各种粪便可作为沼气发酵的原料,体现了生态工程的物质循环再生原理。(2)图示生态工程中,农作物、果树、苗木是第一营养级,鸡、奶牛、鱼、猪、人都可作为第二营养级。养鱼时,鱼塘中每一种鱼苗的投放量都不宜超过其环境容纳量。
答案:(1)实现能量和物质的分层多级利用(或提高物质和能量的利用率),减少环境污染 物种多样性(或整体性) 物质循环再生
(2)猪、人 环境容纳量(K值)
2.农业生态工程能创造多种劳动力就业机会,增加农民收入,开发可以更新的资源,减少环境污染。下图是一个庭院生态工程的示意图,分析回答:
(1)该生态系统中的非生物物质和能量主要包括________等(至少两种)。
(2)该图中有食物链________条。该生态系统中处于第二营养级的生物有________________________________________________________________________。
(3)生态农业所遵循的生态学基本原理是____________,其优点是___________________________。
(4)此生态系统中有哪些途径实现了能量的多级利用?
①________________________________________________________________________;
②________________________________________________________________________。
解析:生态农业是运用生态学原理,在环境与经济协调发展的思想指导下,应用现代科学技术建立起来的多层次、多功能的综合农业生产体系。其原理是能量多级利用和物质循环再生,其优点是使废物资源化,以便提高能量利用率,减少环境污染。此生态系统中,食物链有3条:黄瓜(番茄)→人、黄瓜(番茄)→鸡→人、黄瓜(番茄)→猪→人。
答案:(1)阳光、水、空气、无机盐
(2)3 人、鸡、猪
(3)能量多级利用和物质循环再生 使废物资源化,以便提高能量利用率,减少环境污染
(4)①黄瓜、番茄等枝叶可作为饲养动物的饲料;②粪便等废弃物作为沼气发酵的原料,产生供人利用的清洁能源;③沼渣可作为饲料或肥料(答两点即可)
3.利用植物修复技术治理重金属污染的实质是将某种特定的植物种植在被重金属污染的土壤上,植物收获后进行妥善处理,就可将重金属移出土壤。目前科学家尝试应用生物工程技术培育符合植物修复技术要求的转基因植物。请根据以上材料回答下列问题。
(1)土壤中的重金属可通过________逐级富集,从而可能危及人类的健康。
(2)在应用植物修复技术治理重金属污染的土壤时,需选择符合要求的植物,这遵循了生态工程的________原理。
(3)获得目的基因后可采用________技术进行扩增。大部分物种的基因能拼接在一起,是因为它们的分子结构都是________结构。检测目的基因是否成功导入植物细胞,可采用的生物技术是________________________。
(4)将含有目的基因的植物细胞培养成植株需要应用__________________技术,该技术的理论依据是______________,在培养过程中,细胞必须经过__________过程才能形成胚状体或丛芽。
解析:(1)在生物体中重金属等是通过食物链富集最终使处于高营养级的生物受害的。(2)选择符合要求的植物遵循了协调与平衡原理。(3)扩增目的基因常用的方法是PCR技术,检测目的基因是否已导入植物细胞需用DNA分子杂交技术。(4)把植物细胞培养成植株需要用到植物组织培养技术。
答案:(1)食物链 (2)协调与平衡 (3)PCR(多聚酶链式反应) 双螺旋 DNA分子杂交技术 (4)植物组织培养 植物细胞的全能性 脱分化和再分化
4.(2017·甘肃甘南模拟)湿地是地球上生物生产力最大的生态系统之一。它是天然的蓄水池,并能过滤和分解水中的污染物进而改善水质,被誉为“地球之肾”。湿地类型众多,如红树林、河流、湖泊和稻田等。
(1)湿地由于其特殊的水文及地理特征,具有________________等生态功能。
(2)在红树林等湿地生态系统中,碳元素主要通过________________过程被固定在有机物中,并沿着________________进行传递。
(3)与生物多样性丰富的湖泊相比,稻田的________________稳定性较低。
(4)调查表明,我国相当一部分湖泊已不同程度富营养化,原因是含氮、磷等元素丰富的污染物的排放量超过了湖泊________的限度,使其自我调节能力下降。富营养化水体中造成鱼类大量死亡的原因有________________等。
(5)湿地面积的缩小会导致局部气候变恶劣、____________________________。
(6)湿地生态恢复工程就是采用________和________措施相结合的方法,如废水处理、______________污染控制、土地处理工程、________________等,使受干扰的湿地得以恢复。
解析:(1)湿地可以调节水流量和控制洪水,可以补充地下水和作为人们的水源,同时还可以净化水质。(2)生态系统中,二氧化碳通过光合作用被固定形成有机物,再以有机物的形式沿食物链传递。(3)生物多样性越丰富,其抵抗力稳定性越高,恢复力稳定性越低。稻田的物种多样性低,所以它的抵抗力稳定性比湖泊低。(4)自动净化能力是湖泊恢复到以前正常状态的能力,是有限度的,超过了限度就会造成破坏。水体富营养化导致藻类大量繁殖,产生毒素并消耗水中的氧,造成鱼类大量死亡。(5)(6)依据教材内容回答即可。
答案:(1)调节水流量和控制洪水(蓄洪抗旱)、净化水质(答案合理即可) (2)光合作用 食物链(网) (3)抵抗力 (4)自动净化能力 溶氧量下降、有毒物质增加 (5)地下水位下降、生物多样性降低、迁飞鸟类绝迹(答案合理即可) (6)工程 生物 点源和非点源 植物物种的引进种植
5.回答下列与生态工程有关的问题:
(1)一般来说,生态工程的主要任务是对____________进行修复,对造成环境污染和破坏的生产方式进行改善,并提高生态系统的生产力,与传统的工程相比,生态工程具有少消耗、多效益、________等特点。
(2)生态工程所遵循的基本原理有物质循环再生原理、协调与平衡原理、________、________________和物种多样性原理等。人畜粪便用于农作物的生产主要符合________原理;连年种植单一品种造成病虫害增加主要违反了________________原理。
(3)在湿地生态恢复工程中,应在湿地周围建立缓冲带,以尽量减少________,使湿地依靠自然演替等机制恢复其生态功能。
(4)“猪—沼—果”是我国一种常见的生态农业模式,以沼气为纽带,带动畜牧业、林果业等相关农业产业共同发展。该生态农业中的所有生物共同组成了________(填“生态系统”“群落”或“种群”);该生态农业模式能实现能量的________。
解析:(1)生态工程的主要任务是对已被破坏的生态系统进行修复,对造成环境污染和破坏的生产方式进行改善,并提高生态系统的生产力,与传统的工程相比,生态工程具有少消耗、多效益、可持续等特点。(2)生态工程所遵循的基本原理主要有物质循环再生、协调与平衡、整体性、系统学和工程学原理和物种多样性等原理。人畜粪便用于农作物的生产主要符合物质循环再生原理,降低了生产成本;连年种植单一品种造成病虫害增加主要违反了物种多样性原理。(3)在湿地生态恢复工程中,应在湿地周围建立缓冲带,以尽量减少人类的干扰,使湿地依靠自然演替等机制恢复其生态功能。(4)生态系统中的所有生物共同组成了群落;“猪—沼—果”生态农业模式能实现能量的多级利用,提高了农产品的产量。
答案:(1)已被破坏的生态系统 可持续
(2)整体性原理 系统学和工程学原理 物质循环再生 物种多样性
(3)人类的干扰
(4)群落 多级利用
6.图1是某村子里的生态农业示意图,图2为矿区废弃地的生态恢复工程流程图,请据图回答有关问题。
(1)生态工程与传统工程相比,是一类______________的工程体系。
(2)从生态学角度分析,人们建立图示农业生态系统的主要目的是__________________________________,图1生态农业主要借鉴了“无废弃物农业”,主要体现了生态工程的________原理。与此密切相关的生物有________。
(3)图2中的①②分别为________、________,建立该生态系统所要遵循的主要原理有________(写出两个即可)。
(4)图1中种植了转基因水稻,图2中种了抗逆性的植物,对于转基因生物人们存在________、________、________三个方面的争论。
解析:(1)生态工程和传统农业相比,具有少消耗、多效益和可持续的特点。(2)腐生细菌和真菌将粪便分解,产生的沼气作燃料,沼渣作肥料,体现了物质循环再生原理。(3)矿区恢复过程中首先要通过机械方法平整压实土地,人工制造表土;然后,在人造表土上,植树种草,该生态工程利用的原理有物种多样性原理、整体性原理、协调与平衡原理等。(4)转基因生物在食物安全、生物安全和环境安全上存在争论。
答案:(1)少消耗、多效益、可持续
(2)实现生态系统内物质的循环利用和能量的多级利用,提高农产品的产量,减少环境污染(合理地调整生态系统中的能量流动关系,提高能量利用率,减少环境污染) 物质循环再生 腐生细菌和真菌 (3)平整压实土地 人工制造表土 整体性原理、协调与平衡原理 (4)食物安全 生物安全 环境安全
7.江苏某县地处水乡,畜禽养殖和栽桑养蚕是当地农业的两大支柱产业。在生产总量不断扩张的同时,该县坚持在发展中解决环境问题,优化生态环境,实现了资源的最大化利用。请分析该县农业生态系统结构(部分)示意图,回答问题。
(1)该农业生态系统的能量流动从________开始,图中属于消费者的生物有________。
(2)与传统农业生态系统相比,该农业生态系统更能净化环境,主要原因是________________________________________________________________________。
(3)该农业生态系统为何能提高经济效益?________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)从生态系统稳定性看,该农业生态系统比简单的农田生态系统不易发生虫害的原因是__________________。请说出两种根据生物学原理防治害虫的方法:__________________________。
解析:(1)生态系统的能量输入是指由生产者固定太阳能开始,例如桑等农作物;直接或间接以生产者为食的为消费者,如蚕、畜、禽。(2)与传统农业相比,该生态系统对物质进行了多级利用,如利用粪便等合成有机肥,减少了对化肥的使用,降低了成本,减轻了对环境的污染。(3)投入减少,物质循环利用,使产量提高。(4)该生态系统生物群落结构相对复杂,从而使抵抗力稳定性增强,自我调节能力提高。利用生物的种内关系或种间关系来诱杀害虫,如利用捕食关系引入天敌,利用性引诱剂进行防治害虫等。
答案:(1)桑等生产者固定太阳能 蚕、禽、畜
(2)粪便等“废弃物”被及时利用
(3)实现了物质和能量的多级利用,提高了农产品的产量;减少了化肥、农药的使用(降低农业投入)
(4)抵抗力稳定性较高(营养结构较复杂,自我调节能力较强) 天敌防治、激素防治、种植转基因抗虫作物(任选两种)
8.江苏某农户创建的冬季生态型种植养殖模式如图所示,请据图回答下列问题。
(1)牛棚内产生的________可扩散进入蔬菜大棚,提高蔬菜的光合效率;蔬菜光合作用产生的________________可扩散进入牛棚。
(2)秸秆除了作为牛的饲料外,还可与牛粪混合堆放进行________,腐熟的产物肥效提高,这是因为________________。这种肥料用于蔬菜栽培可以提高蔬菜产量。
(3)在牛的品系、饲料品种和用量不变的条件下,采用这种养殖模式,牛的生长速率明显提高,其主要原因是_____________________________________________。
(4)牛棚保温所需的热能来源于牛自身散热、地热、________和________等。
(5)从生态系统主要功能的角度分析,这种种植养殖模式较好地实现了________________________________________________________________________。
解析:牛棚内的牛和微生物呼吸作用产生的CO2可扩散进入蔬菜大棚,提高光合效率;蔬菜光合作用产生的O2扩散进入牛棚。秸秆的主要成分是纤维素,与牛粪混合堆放进行发酵,将有机物分解成无机物,才能够被蔬菜吸收。冬季生态型种植养殖模式中,因生物呼吸作用产热使牛棚内温度较高,牛维持体温消耗能量少,用于生长发育能量较多,生长速率显著提高。牛棚保温所需热能来自环境中的太阳光能和地热,还可来自生物的呼吸产热。生态系统的功能包括物质循环和能量流动,冬季生态型种植养殖模式可实现物质的循环利用和能量的高效利用。
答案:(1)二氧化碳 氧气
(2)发酵 微生物将有机物分解为无机物
(3)牛棚内温度较高因而牛维持体温消耗的能量较少
(4)太阳光能 发酵产热
(5)物质的循环利用和能量的高效利用第二讲 细胞工程
[考纲展示]
1.植物的组织培养(Ⅱ) 2.动物细胞培养与体细胞克隆(Ⅱ) 3.细胞融合与单克隆抗体(Ⅱ)
授课提示:对应学生用书第255页
一、细胞工程
1.细胞工程的概述
(1)原理方法:细胞生物学和分子生物学的原理和方法。
(2)操作水平:细胞水平或细胞器水平。
(3)目的:按照人的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品。
2.植物细胞的全能性
(1)概念:具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞,都具有发育成完整生物体的潜能。
(2)原理:细胞内含有本物种的全部遗传信息。
(3)全能性表达条件:具有完整的细胞结构,处于离体状态,需要一定的营养、激素和其他适宜外界条件。
(4)细胞全能性大小与细胞分化程度成反比。
(5)全能性大小:
植物细胞:受精卵>生殖细胞>体细胞。
动物细胞:受精卵>生殖细胞>体细胞核(动物细胞全能性受限制,但细胞核具有全能性)。
二、植物组织培养技术
1.原理:植物细胞具有全能性。
2.植物组织培养技术
(1)离体的器官、组织或细胞常称为外植体。
(2)a过程为脱分化,b过程为再分化,A表示愈伤组织,B表示丛芽或胚状体。
3.植物体细胞杂交技术
(1)概念:指将不同种的植物体细胞在一定条件下融合成杂种细胞,并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。
(2)原理:细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。
(3)过程
植物细胞A、B
 酶解法↓纤维素酶和果胶酶处理去掉细胞壁
原生质体A、B
诱导融合↓聚乙二醇处理/离心/振动/电激
融合的原生质体
↓再生出细胞壁(融合完成的标志)
   杂种细胞愈伤组织杂种植株
(4)意义:克服远缘杂交不亲和的障碍,培育作物新品种。
(5)变异类型:染色体变异。
4.植物细胞工程的实际应用
(1)
(2)作物新品种的培育:单倍体育种、突变体的利用。
(3)细胞产物的工厂化生产:培养到愈伤组织阶段。
三、动物细胞工程
1.动物细胞工程的技术手段:动物细胞培养、动物体细胞核移植、动物细胞融合、生产单克隆抗体等。动物细胞培养是动物细胞工程的基础。
2.动物细胞培养
(1)过程
取动物组织块
  ↓
配制细胞悬液
  ↓
原代培养:具有贴壁生长和接触抑制的特点
  ↓
传代培养
(2)培养条件
①无菌、无毒环境
②营养:除糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素之外通常还需加入血清、血浆等一些天然成分。
③适宜的温度:36.5±0.5
℃;适宜的pH:7.2~7.4。
④气体环境
3.动物体细胞克隆技术(核移植技术)
(1)原理:动物细胞核具有全能性。
(2)核移植分类:胚胎细胞核移植和体细胞核移植。
(3)核移植过程(以高产奶牛克隆为例)
(4)选用去核卵母细胞的原因:卵母细胞比较大,易操作;卵母细胞细胞质多,营养丰富,含有促进核全能性表达的物质。
(5)体细胞核移植技术存在的问题:克隆动物存在着健康问题、表现出遗传和生理缺陷等。
4.动物细胞融合
(1)动物细胞融合原理:细胞膜具有流动性。
(2)动物细胞融合方法:物理法(离心、振动、电激)、化学法和灭活病毒(生物法)。
(3)结果:形成杂交细胞。
(4)意义:突破了远缘杂交不亲和的障碍。
(5)应用:制备单克隆抗体。
5.单克隆抗体的制备
(1)单克隆抗体制备过程
(2)单克隆抗体的特点:特异性强,灵敏度高,并可大量制备。
(3)应用
①在理论研究中具有重要意义。
②用于疾病的诊断、治疗、预防,如单抗诊断试剂盒,具有简单、快速、准确的优点;“生物导弹”定向消灭癌细胞,不损伤健康细胞。
1.植物组织培养的过程主要包括脱分化和再分化两个阶段,脱分化的结果是形成愈伤组织,再分化的结果是形成根和芽。2.植物体细胞杂交需要用酶解法制备原生质体,所用的酶包括纤维素酶和果胶酶。3.无论是植物体细胞杂交还是动物细胞融合,都需要诱导。4.植物组织培养需要各种营养成分和植物激素,动物细胞培养也需要各种营养成分及血清。5.植物体细胞杂交可用于作物育种,动物细胞融合可用于单克隆抗体的制备。6.产生单克隆抗体的细胞是杂交瘤细胞,它既能产生单克隆抗体又能无限增殖。
有关细胞工程的6个易混易错点(1)不同细胞的全能性不同,具体表现为:受精卵>生殖细胞>体细胞,离体细胞的全能性表达与分化程度呈负相关,但生殖细胞特殊。(2)脱分化形成愈伤组织的过程不需要光,再分化过程需要光,因为愈伤组织利用有机营养成分,而试管苗需要进行光合作用以自养。(3)植物组织培养中不同培养阶段培养基含有的激素不同,因为培养的目的不同(生根或生芽)。(4)灭活是指用物理或化学手段使病毒或细菌失去感染能力,但是并不破坏这些病原体的抗原结构。(5)除了受到注射的抗原的刺激,小鼠在生活过程中还可能受到其他抗原的刺激,因此从小鼠体内取出的多个B淋巴细胞可能产生多种不同抗体。(6)单克隆抗体制备过程中,进行了多次动物细胞培养的操作,说明动物细胞培养是动物细胞工程的基础。
授课提示:对应学生用书第257页
考点一 植物细胞工程
[核心考点通关]
1.植物组织培养与植物体细胞杂交的区别与联系
名称
植物组织培养
植物体细胞杂交
原理
植物细胞的全能性
细胞膜具有一定的流动性和细胞的全能性
过程
选材
选取根尖、茎尖、形成层部位最容易诱导脱分化
不同种的植物体细胞融合后形成杂种细胞
技术操作
脱分化、再分化等
除脱分化、再分化外,还要用酶解法去除细胞壁,用一定的方法诱导原生质体融合
应用
繁殖②培育新品种③生产细胞产品
克服远缘杂交的不亲和性,培育作物新品种
关系
植物组织培养是植物体细胞杂交的基础,植物体细胞杂交所用的技术更复杂
[特别提醒]
(1)进行融合的两种植物细胞,一般选择不同部位、不同颜色的细胞,如一种选择叶肉细胞(绿色),则另一种选择根细胞(白色)。这样融合后的细胞有三种(以上图为例):AA型、BB型、AB型,符合要求的只有AB型,可以在显微镜下通过颜色进行筛选。
(2)杂种细胞的染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和,属于异源多倍体,变异类型属于染色体变异。
(3)由于植物分生区附近(如茎尖)的病毒极少,所以常采用茎尖组织培养技术获得脱毒苗。
(4)愈伤组织处于不断的分生状态,容易受到射线、化学物质等的影响而产生突变。
2.植物激素在植物组织培养中的作用
生长素/细胞分裂素的比值
作用效果
比值高时
促进根分化、抑制芽形成
比值低时
促进芽分化、抑制根形成
比值适中
促进愈伤组织形成
3.植物体细胞杂交后的遗传物质分析
(1)遗传特性:杂种植株中含有两种植物的遗传物质,故杂种植株具备两种植物的遗传特性。
(2)染色体组数
①染色体组数=两种植物体细胞内染色体组数之和。
②植物体细胞杂交形成的杂种植株,有几个染色体组就称为几倍体。
③若一植物细胞含有2x条染色体,2个染色体组,基因型为Aabb,另一植物细胞含有2y条染色体,2个染色体组,基因型为ccDd,则新植株应为异源四倍体,其体细胞中染色体为(2x+2y)条,4个染色体组,基因型为AabbccDd。
4.植物细胞工程的实际应用
(1)植物繁殖的新途径
①微型繁殖:用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术。
特点
②作物脱毒技术:选取作物无毒组织(如茎尖)进行组织培养,获得脱毒苗的技术。
③人工种子:以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料,经过人工薄膜包装得到的种子。
(2)作物新品种的培育
①单倍体育种
实质:花药离体培养过程就是植物组织培养过程。
流程:花药单倍体幼苗纯合子。
优点:后代不发生性状分离,都是纯合子,能够稳定遗传,明显缩短了育种年限。
②突变体的利用:在植物组织培养过程中,由于培养细胞一直处于不断的分生状态,因此容易受到培养条件和外界压力(如射线、化学物质等)的影响而发生突变。从这些产生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变体,进而培育成新品种。
(3)细胞产物的工厂化生产
可以利用植物组织培养技术大量生产某些细胞产物,如蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。
[特别提醒]
(1)利用植物组织培养生产细胞产物时,有时只需将外植体培养到愈伤组织,从愈伤组织中获取产物。
(2)人工种子发育初期需要的营养物质由人工胚乳或子叶提供。
[针对训练]
1.(2017·江西九江七校联考)根据下面植物体细胞杂交技术流程图,回答相关问题。
(1)运用传统有性杂交(即用番茄、马铃薯杂交)自然状态下不能得到杂种植株,原因是________________________________________________________________________。
(2)在利用杂种细胞培育杂种植株的过程中,依据的原理是______________,其中过程②称为________________________________________________________________________,
植物体细胞融合完成的标志是______________。
(3)已知番茄、马铃薯分别为二倍体、四倍体,则“番茄—马铃薯”属于________倍体植株。
(4)已知柴油树种子含有的柴油是植物细胞的代谢产物,可用植物组织培养来实现柴油的工业化生产。若利用此技术,将柴油树细胞培养到________阶段即可(填字母编号)。
(5)若培育抗虫棉,将抗虫基因通过适当的途径导入棉花受精卵,然后进行组织培养,该过程相当于________(填字母编号)。
(6)人工种子是由发育到________过程(填字母编号)的结构包裹上人工种皮制备的。
解析:(1)番茄和马铃薯属于两个物种,存在生殖隔离,不能通过有性杂交产生后代。(2)在利用杂种细胞培育杂种植株的过程中,依据的原理是细胞的全能性,其中过程②称为原生质体融合,植物体细胞融合完成的标志是产生新的细胞壁。(3)由于番茄、马铃薯分别为二倍体、四倍体,因此“番茄—马铃薯”属异源六倍体。(4)柴油是植物细胞的代谢产物,将柴油树细胞培养到愈伤组织阶段即可提取,愈伤组织阶段为图中的e阶段。(5)若培育抗虫棉,将抗虫基因通过适当的途径导入棉花受精卵,然后进行组织培养,包括脱分化和再分化两个阶段,即图中的④⑤。(6)人工种子是用胚状体包上人工种皮制成的。
答案:(1)不同种的植物存在生殖隔离
(2)细胞的全能性 原生质体融合 产生新的细胞壁
(3)六 (4)e (5)④⑤ (6)f
考点二 动物细胞工程
[核心考点通关]
1.动物细胞培养与动物体细胞核移植
动物细胞培养
动物体细胞核移植
原理
细胞增殖
动物细胞核的全能性
过程
结果
获得细胞群
获得克隆动物
应用
(1)生产生物制品;(2)用于基因工程;(3)检测有毒物质;(4)临床医学研究
(1)加速家畜遗传改良进程,促进良种繁育;(2)保护濒危物种;(3)生产医用蛋白;(4)提供克隆器官、组织等
[易混易错]
动物细胞培养和核移植技术的理解
(1)动物细胞培养中两次使用胰蛋白酶的作用不同:第一次用胰蛋白酶处理剪碎的组织使之分散成单个细胞,第二次使贴壁细胞从瓶壁上脱落下来。
(2)细胞核移植技术形成重组细胞并发育成一个新个体,体现了细胞核的全能性而非动物细胞的全能性。
(3)克隆属于无性繁殖,产生新个体的性别、绝大多数性状与供核亲本一致。
(4)核移植技术获得的动物与供核动物性状不完全相同的原因:①克隆动物绝大部分DNA来自于供体细胞核,但其线粒体中的DNA来自于去核卵细胞。②性状受基因与环境共同影响。③在个体发育过程中有可能发生基因突变,产生供核动物没有的性状。
2.单克隆抗体的制备
(1)血清抗体与单克隆抗体
名称
产生
特点
血清抗体
由浆细胞分泌
一般从血清中分离,产量低、纯度低、特异性差
单克隆抗体
由杂交瘤细胞分泌
特异性强,灵敏度高,能大量制备
(2)单克隆抗体的制备
(3)制备单克隆抗体过程中的两次筛选
筛选的对象
方法
第一次筛选
杂交瘤细胞
利用特定的选择培养基:在该培养基中只有杂交瘤细胞存活,其他细胞(未融合的B细胞和瘤细胞、融合后的B—B细胞和瘤—瘤细胞)均不能成活
第二次筛选
能产生特异性抗体的杂交瘤细胞
利用特定抗原通过抗原—抗体杂交技术确认抗体性质
[特别提醒]
(1)相比植物体细胞杂交,动物细胞融合特有的诱导方式是用灭活的病毒处理,其他物理化学诱导融合的手段与植物体细胞杂交过程中原生质体诱导融合方法相同。
(2)获取单克隆抗体的场所
①若在培养基中进行杂交瘤细胞培养,则从培养液中提取。
②若在小鼠或其他动物腹腔中培养,则从腹水中提取。
[针对训练]
2.(2017·广东东莞月考)如图为某同学根据杂交瘤技术的方法,设计生产破伤风杆菌抗体的实验方案。请据图回答问题:
(1)该方案能达到预期效果吗?________。原因是_________________________。
(2)图中②为________过程,常用________作为诱导剂。该细胞继承了________,因此,不仅能________,还有________的本领。
(3)图中③进行细胞培养的目的是__________________________。
(4)在制备破伤风杆菌抗体的过程中,进行了两次筛选,其目的不同,②是通过筛选获得________________________________________________________________________,
④是通过筛选获得_______________________________。
(5)图中⑤的培养能获得________细胞,便于大规模培养。
(6)破伤风杆菌的抗体最终可从________________和________________中提取。
(7)该方案的目的是_______________________________________。
解析:(1)B淋巴细胞具有以下特点:①在体外不能无限增殖;②只有受到抗原刺激后才能产生相应抗体;③与骨髓瘤细胞融合成杂交瘤细胞后既可无限增殖,又能产生大量所需抗体。所以单克隆抗体制备过程首先需要注射与生产单克隆抗体发生特异性免疫反应的抗原,否则小鼠体内不会发生特异性免疫反应,也不会产生合成所需抗体的B淋巴细胞。(2)因为B淋巴细胞虽能产生抗体,但不能无限增殖,数量有限,因此获得B淋巴细胞后,需要与骨髓瘤细胞融合,融合必须在诱导剂的诱导下才能发生,常用的是灭活病毒。两细胞融合是随机的,有三种类型;B淋巴细胞—B淋巴细胞,骨髓瘤细胞—骨髓瘤细胞,B淋巴细胞—骨髓瘤细胞,我们需要的是杂种细胞,它结合了双亲的遗传物质,具备无限增殖和产生特异性抗体的能力,所以需培养筛选。(3)单克隆抗体生产中,经筛选获得的杂交瘤细胞需要体外培养获得大量的克隆细胞。(4)第一次筛选是选择需要的杂交瘤细胞,第二次筛选是在杂交瘤细胞中选出能产生所需抗体的杂交瘤细胞。(5)图中⑤的培养能获得足量的杂交瘤细胞。(6)获得的杂交瘤细胞需转移到体外细胞培养液中或小鼠腹腔中生产大量的单克隆抗体。(7)由图可知,该方案的目的是制备单克隆抗体。
答案:(1)不能 没有将抗原注入小鼠体内,无法获得产生单一抗体的B淋巴细胞 (2)细胞融合和筛选 灭活的病毒 双亲细胞的遗传物质 无限增殖 产生特异性抗体 (3)在体外条件下使杂交瘤细胞大量增殖 (4)杂交瘤细胞 产生破伤风杆菌抗体的杂交瘤细胞 (5)足够量杂交瘤 (6)细胞培养液 小鼠腹水
(7)制备单克隆抗体
考点三 动植物细胞工程的比较
[核心考点通关]
1.动物细胞培养与植物组织培养的比较
动物细胞培养
植物组织培养
原理
细胞的增殖
植物细胞的全能性
细胞来源
胚胎或幼龄动物的组织或器官
离体植物器官、组织或细胞
培养基
状态
液体
固体
成分
天然培养基
合成培养基
组成
葡萄糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、维生素、动物血清
矿质元素、蔗糖、维生素、植物激素、有机添加物
器皿
培养瓶
锥形瓶
过程
原代培养,传代培养
更换培养基,细胞增殖分化
生长特点
贴壁生长,细胞增殖不分化
诱导形成愈伤组织,细胞增殖分化
细胞进行异养需氧代谢
接种前处理
灭菌,用胰蛋白酶等使组织分散成单个细胞
灭菌
培养条件
恒温、无菌、无须光照
常温、无菌、光照条件
培养目标
①生产蛋白质类生物制品;②获取大量细胞;③检测有毒物质
①快速繁育无病毒植株;②生产药物、食品添加剂、香料、色素、杀虫剂等
相同点
①都需要人工条件下的无菌操作、无菌培养;②都需要适宜的温度、pH等条件
2.植物体细胞杂交与动物细胞融合的不同点
植物体细胞杂交
动物细胞融合
原理
细胞膜的流动性、细胞的全能性
细胞膜的流动性
过程
融合方法
物理法:离心、电激、振动;化学法:聚乙二醇等试剂诱导
除物理法和化学法外,还可以用灭活的病毒诱导
结果
杂种植株
杂交细胞
意义
克服了远缘杂交的不亲和性,获得杂种植株
突破了有性杂交方法的局限,使远缘杂交成为可能
[针对训练]
3.细胞融合技术有着广泛应用。下图表示细胞融合的简略过程,据图回答相关问题。
(1)若a、b分别是基因型为yyRr和YYrr两个玉米品种的花粉,且这两对基因分别位于两对同源染色体上。科学家分别将它们的花粉除去细胞壁,然后诱导其融合,再把这些融合细胞进行培养,培育出了玉米新品种。
①这两个品种的花粉可用化学诱导剂________诱导融合,共可产生________种基因型的融合细胞(仅考虑两两融合),这些融合细胞经过脱分化形成________,再经培养可以得到________种不同于亲本基因型的玉米新品种。
②若想培育出基因型为yyRR的玉米植株,也可直接用基因型为yyRr植株的花粉培养,再经过________处理并筛选获得,这种方法叫作________。
(2)若a、b表示番茄和马铃薯两种植物的体细胞,请据图回答问题。
①在“番茄—马铃薯”杂种植株的培育过程中,运用了植物细胞工程中的________技术,植物体细胞融合完成的标志是______________。
②a、b细胞融合之前,要用到的酶是___________________________,
酶处理后得到________。
(3)若a、b分别为骨髓瘤细胞和已免疫的B淋巴细胞,请据图回答问题。
①为了能充分发挥上述两种细胞各自的特点,经特殊处理,在促细胞融合因子的作用下,两种细胞发生融合,形成图中的d细胞,d细胞的特点是__________________。由d细胞产生的抗体与普通血清抗体相比较,具有____________________等特点。
②下列各图为单克隆抗体制备过程的各阶段图解,请用箭头把代表各图解的字母按单克隆抗体制备过程的顺序连接起来:______________。
解析:(1)聚乙二醇是诱导细胞融合的常用化学物质。细胞融合过程中会产生自身融合细胞和异种融合细胞。基因型为yyRr和YYrr的玉米产生的花粉的基因型分别为yR、yr和Yr,即两两融合细胞的基因型有yyRr、YyRr、Yyrr、yyRR、yyrr、YYrr
6种。其中基因型为YyRr、Yyrr、yyRR、yyrr的愈伤组织培养成的玉米新品种的基因型不同于亲本。(2)植物体细胞杂交包括植物体细胞融合和植物组织培养。细胞融合前需要用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁。(3)d细胞具有两种亲本的遗传物质,既能无限增殖,又能产生特异性抗体。
答案:(1)①聚乙二醇(PEG) 6 愈伤组织 4 ②染色体加倍(秋水仙素处理) 单倍体育种
(2)①植物体细胞杂交 再生出细胞壁 ②纤维素酶和果胶酶 原生质体 (3)①既能无限增殖,又能产生特定的抗体 特异性强、灵敏度高、可大量制备 ②
授课提示:对应学生用书第260页
练全国高考真题——知考查重点
1.(2016·高考全国卷Ⅱ)下图表示通过核移植等技术获得某种克隆哺乳动物(二倍体)的流程。
回答下列问题:
(1)图中A表示正常细胞核,染色体数为2n,则其性染色体的组成可为________。过程①表示去除细胞核,该过程一般要在卵母细胞培养至适当时期再进行,去核时常采用________的方法。②代表的过程是________。
(2)经过多次传代后,供体细胞中________的稳定性会降低。因此,选材时必须关注传代次数。
(3)若获得的克隆动物与供体动物性状不完全相同,从遗传物质的角度分析其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)与克隆羊“多莉(利)”培育成功一样,其他克隆动物的成功获得也证明了________________________________________________________________________。
解析:(1)因供体的性别不确定,故其细胞核内的性染色体组成为XX或XY;一般将卵母细胞培养到MⅡ中期,用显微操作法将其细胞核去除;②代表的过程是胚胎移植。(2)传代培养10代以内的细胞可以保持正常的二倍体核型,超过10代以后,供体细胞中遗传物质的稳定性会降低。(3)克隆动物细胞质中的遗传物质来自卵母细胞的细胞质,细胞质中的遗传物质对克隆动物的性状会产生影响。(4)克隆动物的成功可以证明动物已分化的体细胞的细胞核具有全能性。
答案:(1)XX或XY 显微操作 胚胎移植
(2)遗传物质
(3)卵母细胞的细胞质中的遗传物质会对克隆动物的性状产生影响
(4)动物已分化体细胞的细胞核具有全能性
2.(2014·高考新课标全国卷Ⅰ)某研究者用抗原(A)分别免疫3只同种小鼠(X、Y和Z),每只小鼠免疫5次,每次免疫一周后测定各小鼠血清抗体的效价(能检测出抗原抗体反应的血清最大稀释倍数),结果如下图所示。
若要制备杂交瘤细胞,需取免疫后小鼠的B淋巴细胞(染色体数目40条),并将该细胞与体外培养的小鼠骨髓瘤细胞(染色体数目60条)按一定比例加入试管中,再加入聚乙二醇诱导细胞融合,经筛选培养及抗体检测,得到不断分泌抗A抗体的杂交瘤细胞。
回答下列问题:
(1)制备融合所需的B淋巴细胞时,所用免疫小鼠的血清抗体效价需达到16
000以上,则小鼠最少需要经过________次免疫后才能有符合要求的。达到要求后的X、Y、Z这3只免疫小鼠中,最适合用于制备B淋巴细胞的是________小鼠,理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)细胞融合实验完成后,融合体系中除含有未融合的细胞和杂交瘤细胞外,可能还有________________________________________________________________________
________________________________________________________________________,
体系中出现多种类型细胞的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)杂交瘤细胞中有________个细胞核,染色体数目最多是________条。
(4)未融合的B淋巴细胞经多次传代培养后都不能存活,原因是________________________________________________________________________。
解析:(1)分析题图可知,经4次免疫后,小鼠Y的血清抗体效价就可达到16
000以上。由于4次免疫后的Y小鼠的血清抗体效价最高,故最适合用于制备B淋巴细胞。(2)细胞融合实验中,由于细胞融合是随机的,而且诱导融合率不可能达到100%,所以会有未融合的B淋巴细胞和骨髓瘤细胞、融合的具有同种核的细胞和杂交瘤细胞三种类型。(3)杂交瘤细胞同时具有B淋巴细胞和骨髓瘤细胞的核物质,但细胞核只有一个。由于杂交瘤细胞在分裂过程中染色体会丢失,故细胞核中染色体数目最多是40+60=100(条)。(4)B淋巴细胞已经分化,没有无限增殖的潜能。
答案:(1)4 Y Y小鼠的血清抗体效价最高
(2)B淋巴细胞相互融合形成的细胞、骨髓瘤细胞相互融合形成的细胞 细胞融合是随机的,且融合率达不到100%
(3)1 100
(4)不能无限增殖
3.(2013·高考新课标全国卷Ⅱ)甲、乙是染色体数目相同的两种二倍体药用植物,甲含有效成分A,乙含有效成分B。某研究小组拟培育同时含有A和B的新型药用植物。回答下列问题:
(1)为了培育该新型药用植物,可取甲和乙的叶片,先用________酶和________酶去除细胞壁,获得具有活力的________,再用化学诱导剂诱导二者融合。形成的融合细胞进一步培养形成________组织,然后经过________形成完整的杂种植株。这种培育技术称为________。
(2)上述杂种植株属于多倍体,多倍体是指________________________。假设甲与乙有性杂交的后代是不育的,而上述杂种植株是可育的,造成这种差异的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)这种杂种植株可通过制作人工种子的方法来大量繁殖,经植物组织培养得到的________等材料用人工薄膜包装后可得到人工种子。
解析:(1)植物体细胞杂交技术的第一步是用纤维素酶和果胶酶去除两种植物细胞的细胞壁,获得具有活力的原生质体。诱导融合成功后获得的杂种细胞,经脱分化培养成愈伤组织,然后经过再分化形成完整的杂种植株。(2)多倍体的概念:体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体。由于甲与乙有性杂交的后代中分别含有甲植物和乙植物的一个染色体组,两个染色体组中的染色体互不同源,杂交后代细胞中无同源染色体,减数分裂过程中会发生联会异常,不能产生正常的生殖细胞,故该植株不可育。而体细胞杂交获得的杂种植物分别含有甲植物和乙植物的两个染色体组,含有同源染色体,减数分裂过程中联会正常,能产生正常的生殖细胞,故该杂种植株可育。(3)制备人工种子的材料可以是经植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽、腋芽等。
答案:(1)纤维素 果胶 原生质体 愈伤 再分化(或分化) 植物体细胞杂交技术 (2)体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体(其他合理答案也可) 在减数分裂过程中,前者染色体联会异常,而后者染色体联会正常(其他合理答案也可) (3)胚状体、不定芽、顶芽、腋芽(答对其中—个即可)
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4.(2017·山东济南调研)科学家利用植物体细胞杂交技术成功获得了番茄—马铃薯杂种植株,为了便于杂种细胞的筛选和鉴定,科学家利用红色荧光和绿色荧光分别标记番茄和马铃薯的原生质体膜上的蛋白质,其培育过程如下图所示:
(1)植物体细胞杂交依据的生物学原理有____________________________________。
(2)过程①常用的酶是__________________,细胞融合完成的标志是__________________。
(3)植物原生质体融合过程常利用化学试剂________诱导融合,在鉴定杂种原生质体时可用显微镜观察,根据细胞膜表面荧光的不同可观察到________种不同的原生质体,当观察到__________________________________________时可判断该原生质体是由番茄和马铃薯融合而成的。
(4)过程③和过程④依次为________________,过程④中的培养基常添加的植物激素是________________________。
(5)若番茄细胞内含m条染色体,马铃薯细胞中含n条染色体,则“番茄—马铃薯”细胞在有丝分裂后期含________条染色体。若杂种细胞培育成的“番茄—马铃薯”植株为六倍体,则此杂种植株的花粉经离体培育得到的植株属于________植株。
解析:(1)植物体细胞杂交包括原生质体融合和培育杂种植株两大步骤,两者的原理分别是细胞膜的流动性和植物细胞的全能性。(2)去除细胞壁常用的酶是纤维素酶和果胶酶,细胞融合完成的标志是形成新的细胞壁。(3)化学促融剂是聚乙二醇,两两融合的原生质体有三种:番茄—番茄、番茄—马铃薯、马铃薯—马铃薯,其中杂种细胞的细胞表面有两种颜色的荧光。(4)过程③和过程④分别表示脱分化和再分化,诱导细胞分化所用的植物激素主要是生长素和细胞分裂素。(5)“番茄—马铃薯”体细胞有m+n条染色体,有丝分裂后期染色体数目加倍,由配子发育成的个体均为单倍体。
答案:(1)细胞膜的流动性、植物细胞的全能性 (2)纤维素酶和果胶酶 形成了新的细胞壁 (3)聚乙二醇(或PEG) 3 融合的细胞表面既有红色荧光又有绿色荧光 (4)脱分化和再分化 生长素和细胞分裂素 (5)2(m+n) 单倍体
5.(2017·天津十校联考)下图为动物细胞培养过程中细胞增殖曲线(甲)及细胞变化(乙),请回答下列问题:
(1)图甲中________点以后表示细胞的传代培养,AB段可能发生了如图乙________(填序号)所示的__________现象,在进行B至C过程培养前,需要用________处理细胞。
(2)动物细胞培养,一般传至________代以内细胞能保持正常的二倍体核型。
(3)为制备单克隆抗体,需将________注射到小鼠体内,以此获取________,同时将该细胞与图乙________(填序号)所示的细胞融合形成杂交瘤细胞,该杂交瘤细胞的特点是________________________________________________________________________。
为筛选能够产生单克隆抗体的杂交瘤细胞,可用________________培养基来达到目的。
解释:(1)B点之前是初次培养,称为原代培养;AB段增殖速度缓慢,是因为发生了图乙中②所示的接触抑制现象,若要继续进行传代培养,需要用胰蛋白酶(或胶原蛋白酶)处理使组织细胞分散开来。(2)传代培养10代以上,细胞的二倍体核型可能会发生改变,10代以内的细胞仍然保持二倍体核型。(3)制备单克隆抗体时,需要将浆细胞和能无限增殖的细胞(如③中发生癌变的瘤细胞)融合,二者融合后形成的杂交瘤细胞,既能像瘤细胞那样无限增殖,又能像浆细胞那样产生专一抗体。需要利用特定的选择性培养基将产生单一抗体的杂交瘤细胞筛选出来。
答案:(1)B ② 接触抑制 胰蛋白酶(或胶原蛋白酶) (2)10 (3)抗原 浆细胞 ③ 既能无限增殖,又能产生专一抗体 选择性
授课提示:对应学生用书第373页
1.“白菜—甘蓝”是用细胞工程的方法培育出来的蔬菜新品种,它具有生长期短、耐热性强和耐储藏等优点。如图是“白菜—甘蓝”的杂交过程示意图。请回答下列问题:
(1)在上述过程中,①过程常用的方法是___________________________。
(2)已知白菜细胞中含2X条染色体,甘蓝细胞中含有2Y条染色体,则杂种植株叶肉中染色体数为________,通常情况下,白菜和甘蓝杂交是不能成功的,原因是________________________________________________________________________。
(3)过程②常用的化学试剂是________;若用于杂交的白菜和甘蓝的基因型分别为AaBB、ccDd,在②过程中可获得哪几种类型的融合细胞?______________(写出基因型)。
(4)该项技术的意义是____________________________。
解析:(1)获得植物细胞原生质体常用酶解法,即用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁。(2)杂种细胞经细胞核融合,故染色体数为两种细胞染色体数之和即2X+2Y。(3)化学诱导法常用PEG(聚乙二醇)作为诱导剂,融合后细胞可能的基因型为AAaaBBBB、ccccDDdd、AaBBccDd三种类型。(4)杂种植株来源于不同种的体细胞杂交过程,正常情况下存在生殖隔离,故其意义为克服了远缘杂交不亲和的障碍。
答案:(1)酶解法(或用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁) (2)2X+2Y 存在生殖隔离 (3)聚乙二醇(PEG) AAaaBBBB ccccDDdd AaBBccDd (4)克服远缘杂交不亲和的障碍
2.(2017·海南海口模拟)下图是水稻的花药通过无菌操作,培养产生花粉植株的两种途径的示意图。请据图回答下列问题:
(1)图中的花粉应选自________,花药培养成功率最高。图中的A是________,C过程指________,B指________。
(2)这两种途径之间没有绝对的界限,主要取决于
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)配制培养基时加琼脂的目的是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)组织培养要求无菌操作的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)要促进花粉细胞分裂和生长,培养基中应有________和________两类植物激素。
解析:(1)进行花药离体培养,花粉发育时期的选择非常重要,宜选取单核期细胞核由中央移向细胞一侧的时期。(2)图示两种途径的主要区别在于所使用培养基中激素的种类及浓度配比不同。(3)培养基中加入琼脂可制成固体培养基。(4)由于微生物会在营养丰富的培养基上快速繁殖,影响植物组织的生长发育,故培养过程中应无菌操作。(5)植物组织培养过程中,生长素与细胞分裂素的应用对于外植体脱分化、再分化至关重要。
答案:(1)单核期 胚状体 诱导生根 生根
(2)培养基中激素的种类及其浓度配比
(3)使培养基呈固体状态,有利于外植体的生长
(4)如不无菌操作,微生物会在培养基上快速繁殖,影响植物组织的生长发育
(5)细胞分裂素 生长素
3.现有甲、乙两个番茄品种(染色体数2n=24),其基因型分别为AAbb和aaBB,这两对基因位于非同源染色体上,且在光照强度大于500勒克斯时,都不能生长,这是由于它们中的一对隐性纯合基因(aa或bb)作用的结果。取甲乙两品种的花粉分别培养成植株,将它们的叶肉细胞制成原生质体,并将两者相混,使之融合,诱导产生细胞团。然后,放到大于500勒克斯光照下培养,结果有的细胞团不能分化,有的能分化发育成植株。请回答下列问题:
(1)甲、乙两番茄品种花粉经过花药离体培养技术而形成的植株是________倍体。
(2)将叶肉细胞制成原生质体时,使用______________破除细胞壁。
(3)在细胞融合技术中,常用的化学试剂是________。融合后形成的细胞类型有________种(这里仅考虑2个原生质体的相互融合)。
(4)细胞融合成功的标志是_________________________________________。
(5)细胞融合后诱导产生的细胞团叫_________________________________。
(6)在大于500勒克斯光照下培养,能分化的细胞团的基因型是________(这里只考虑2个原生质体的相互融合)。由该细胞团分化发育成的植株,其染色体数是________。
解析:(1)由配子直接发育来的植株是单倍体。(2)叶肉细胞有细胞壁,因此要制成原生质体时,先要把细胞壁分解掉,细胞壁的成分主要为纤维素和果胶,因此要用纤维素酶和果胶酶破除细胞壁。(3)人工诱导植物细胞融合的方法有物理法和化学法,常用的化学试剂是聚乙二醇(PEG),可用的物理方法是离心、振动、电激。若只考虑两两结合的情况,会出现3种类型的融合细胞,即甲细胞自身融合形成的细胞,乙细胞自身融合形成的细胞及甲和乙细胞相融合形成的杂种细胞。(4)原生质体长出了新的细胞壁,说明细胞融合成功。(5)细胞融合后形成杂种细胞,杂种细胞经过脱分化形成愈伤组织。(6)大于500勒克斯光照下培养,隐性纯合基因(aa或bb)有致死作用,只有杂种细胞才能存活,即基因型为AaBb的细胞团存活。由杂种细胞发育成的植株,其染色体数是24条。
答案:(1)单 (2)纤维素酶和果胶酶 (3)PEG 3 (4)再生出细胞壁 (5)愈伤组织 (6)AaBb 24
4.如图所示为动物细胞培养的基本过程示意图,回答下列问题:
(1)容器A中放置的一般是幼龄动物的器官或组织,原因是其细胞________,易于培养。培养时先要剪碎,然后用________分散细胞,制成B瓶中的细胞悬液。细胞悬液转入C瓶中进行的初次培养称为________。
(2)在D瓶中正常培养了一段时间后,发现细胞绝大部分死亡,只有极少数细胞存活,这是因为存活的细胞发生________,可无限增殖。目前使用的或冷冻保存的正常细胞通常为传代________代以内,以保持细胞正常的________核型。
(3)B、C、D瓶中的培养基为保证无菌、无毒的环境,需要添加一定量的________。还需要提供O2和CO2等气体环境,CO2的作用主要是______________________。
(4)动物细胞体外培养时,通常要在培养基中补充一定浓度的某些物质。如图是血清对正常细胞和癌细胞培养影响的实验结果。据图可知,培养________细胞一定需要添加血清。
解析:(1)培养动物细胞一般选择幼龄动物的器官或组织,原因是其细胞分裂能力强,易于培养。(2)细胞正常培养了一段时间后,发现细胞绝大部分正常死亡,极少数细胞存活,这是因为存活的细胞发生了突变,可无限增殖。(3)培养液中加入一定量的抗生素可抑制杂菌繁殖。(4)分析曲线图可知,是否添加血清对于癌细胞的增殖影响不大,而对于正常细胞增殖影响很大,故培养正常细胞一定需要添加血清。
答案:(1)分裂能力强 胰蛋白酶(或胶原蛋白酶) 原代培养 (2)突变 10 二倍体 (3)抗生素 维持培养液的pH (4)正常
5.下图为单克隆抗体制备流程示意图。
(1)图中①过程是________________。对动物细胞来说,②过程独有的方法是________。③过程的目的是________________。④过程的目的是获得________________。
(2)若要大量制备抗该蛋白的单克隆抗体,可将该杂交瘤细胞注射到小鼠的________中使其增殖。
(3)单克隆抗体与传统抗体相比,其优点是________________________。
解析:(1)②过程表示诱导浆细胞与骨髓瘤细胞融合,动物细胞特有的诱导融合方法是用灭活的病毒处理。单克隆抗体制备过程中需两步筛选:③是利用选择培养基筛选杂交瘤细胞,④过程是利用克隆化培养和抗体检测筛选能产生特异性抗体的杂交瘤细胞。(2)杂交瘤细胞可在小鼠腹水中进行体内培养。
答案:(1)向老鼠中注射特定抗原 灭活的病毒处理 筛选杂交瘤细胞 能产生特异性抗体的杂交瘤细胞 (2)腹水 (3)特异性强,灵敏度高,可大量制备
6.下图是利用现代生物工程技术治疗遗传性糖尿病(基因缺陷导致胰岛B细胞不能正常合成胰岛素)的过程设计图解。请据图回答:
(1)图中①、②所示的结构分别是________、________。
(2)图中③、④所示的生物工程技术分别是________________、________________。
(3)过程③通常用去核卵细胞作受体细胞的原因除了它体积大、易操作,营养物质丰富外,还因为它________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)过程④通常采用的方法是______________________________________。
(5)过程④的完成需要用到的非酶基因操作工具为_________________________。
(6)图示方法与一般的异体移植相比最大的优点是________________________。
解析:(1)体细胞核移植利用体细胞核和去核卵细胞。内细胞团细胞具有发育的全能性,此时导入健康胰岛B细胞基因,可以形成能正常分泌胰岛素的胰岛B细胞群。(2)③将体细胞核和去核卵细胞重组为一个细胞,为体细胞核移植技术。④将健康胰岛B细胞基因移植入受体细胞,为基因工程技术。(3)过程③通常用去核卵细胞作为受体细胞,除了因为它体积大,易操作,营养物质丰富外还因为其含有能够激活细胞核全能性表达的物质。(4)目的基因导入动物细胞通常用显微注射法。(5)基因工程基本工具为限制酶、DNA连接酶、载体,载体为非酶基因操作工具,通常为质粒。(6)图示方法与一般的异体移植相比可避免免疫排斥。
答案:(1)细胞核 内细胞团
(2)(体细胞)核移植技术 基因工程(转基因技术或重组DNA技术)
(3)含有促进(或激活)细胞核全能性表达的物质
(4)显微注射法 (5)载体 (6)不发生免疫排斥反应
7.下列是生物学技术制备抗体的两个途径模式简图。
(1)过程①得到的Y细胞称为________。得到的单克隆抗体最主要的优点是________________。
(2)④过程需要________酶,⑥过程需要用________处理受体细胞。
(3)若抗体1与抗体2的氨基酸排列顺序相同,两者的空间结构是否相同?________。为什么?________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)如果想用棉花生产该种抗体,则⑥过程的受体细胞通常选用________________,经过筛选后再侵染棉花体细胞,转化成功后通过________________技术获得能产抗体的转基因棉花植株。
解析:分析图形可知,图中①是动物细胞融合,②是动物细胞培养,③是分离提取mRNA,④是反转录形成目的基因,⑤是构建重组质粒,⑥是将目的基因导入大肠杆菌。(1)过程①将经免疫的B细胞与骨髓瘤细胞融合得到Y细胞,即杂交瘤细胞,杂交瘤细胞产生的单克隆抗体最主要的优点是特异性强、灵敏度高、并可大量制备。(2)④过程是反转录形成目的基因,⑥过程是将目的基因导入大肠杆菌,需要用Ca2+(或CaCl2)处理受体细胞,使其处于感受态,易于吸收外源DNA。(3)抗体2形成过程没有经过内质网和高尔基体的加工,抗体1形成过程经过内质网和高尔基体的加工,所以若抗体1与抗体2的氨基酸排列顺序虽然相同,但两者的空间结构不同。(4)如果想用棉花生产该种抗体,则利用农杆菌转化法,即⑥过程的受体细胞通常选用农杆菌,经过筛选后再侵染棉花体细胞,转化成功后通过植物组织培养技术获得能产抗体的转基因棉花植株。
答案:(1)杂交瘤细胞 特异性强、灵敏度高、并可大量制备
(2)反转录 Ca2+(或CaCl2)
(3)不同 抗体2形成过程没有经过内质网和高尔基体的加工,抗体1形成过程经过内质网和高尔基体的加工
(4)农杆菌 植物组织培养
8.如图所示为动物细胞培养过程中,动物细胞增殖情况的变化曲线(图中B、D两点表示经筛选后继续培养),请据图回答下面的问题:
(1)OA段的培养称为________培养,AB段可能发生了________现象,需要用________酶处理,以使组织细胞分散开来。
(2)动物细胞培养和植物组织培养过程中,就细胞增殖、分化来说,动植物细胞都要进行________,不同的是植物细胞还要进行________。
(3)为制备单克隆抗体,需将________注射到小鼠体内,以此获取________细胞,同时可选取图中________点的细胞与该细胞融合形成杂交细胞,所选取细胞的细胞膜上的________比正常细胞显著减少。为筛选出能够产生单克隆抗体的杂交细胞,可用________培养基达到目的。
解析:据图中不同阶段细胞的增殖代数可知,AB段细胞不再增殖,但此时细胞仍有增殖能力,因此此时可能发生了接触抑制,故OA段为原代培养;D点细胞增殖代数达到了60次以上,故此时细胞发生了癌变,获得了无限增殖的能力。
答案:(1)原代 接触抑制 胰蛋白
(2)增殖或分裂 脱分化和再分化
(3)抗原 浆 D 糖蛋白 选择现代生物科技专题的易错总结
授课提示:对应学生用书第271页
1.基因工程中的几个易错易混点
(1)限制性核酸内切酶使双链DNA特定部位的磷酸二酯键断开,解旋酶使双链DNA的氢键断开。
(2)DNA连接酶与DNA聚合酶都能催化形成磷酸二酯键,前者催化连接DNA片段,后者催化单个的脱氧核苷酸聚合形成DNA;RNA聚合酶催化单个的核糖核苷酸聚合形成RNA。DNA复制时用解旋酶打开氢键获得模板链,PCR技术扩增DNA时,利用高温使氢键断裂得到模板链。
(3)基因组文库包含了某种生物的全部基因,cDNA文库只包含某种生物的部分基因。
(4)基因工程中的载体与细胞膜上物质运输的载体不同。基因工程中的载体是DNA分子,能将目的基因导入受体细胞内;膜载体是蛋白质,与细胞膜的通透性有关。
(5)获取目的基因和切割载体时,经常使用同一种限制酶(也可使用能切出相同末端的不同限制酶),目的是产生相同的黏性末端或平末端。
(6)限制酶切割位点的选择,必须保证标记基因的完整性,以便于检测。
(7)目的基因的插入位点不是随意的。基因表达需要启动子与终止子的调控,所以目的基因应插入到启动子与终止子之间的部位。
(8)启动子≠起始密码子,终止子≠终止密码子。启动子、终止子在DNA分子中,而起始密码子、终止密码子在mRNA上。
2.单克隆抗体制备中的两次筛选目的不同。分析:第一次筛选是将未融合的B淋巴细胞、骨髓瘤细胞以及B—B融合的细胞、瘤—瘤融合的细胞通过选择培养基淘汰,筛选出B—瘤融合的细胞;第二次筛选是将能产生特定抗体的B—瘤融合细胞通过细胞培养用相应抗原检测的办法筛选出来。
3.核移植技术获得的动物与供核动物性状不完全相同。分析:(1)克隆动物绝大部分DNA来自供体细胞核,但其线粒体中的DNA来自去核卵母细胞。(2)性状受基因与环境共同影响。(3)在个体发育过程中有可能发生基因突变,产生供核动物没有的性状。
4.植物组织培养的目的不同,培养阶段也就不同。分析:若生产人工种子,则培养到胚状体阶段;若提取细胞产品,则一般培养到愈伤组织阶段;若培育新个体,则应培养到试管苗阶段。
5.受精标志≠受精完成的标志。分析:卵子受精的标志是第二极体的形成(即在透明带和卵细胞膜间隙观察到两个极体)。受精完成的标志是雌、雄原核融合形成合子。
6.精子、卵子并非都需要获能。分析:(1)精子必须在雌性动物生殖道中发生相应的生理变化后,才获得受精能力,这种现象是“精子获能”。(2)刚排出的卵子也不具备受精能力,必须培养到减数第二次分裂中期才具备受精能力,但此过程不能称为“获能”。
[题组突破演练]
1.人们发现小型猪的器官可用来替代人体器官进行移植,但小型猪器官表面抗原仍可引起免疫排斥反应。如图为科学家将小型猪器官表面抗原基因(Anti)“反向处理”(Anti基因的模板链和reAnti基因的模板链碱基序列互补),并人工合成reAnti基因,转入猪成纤维细胞,做成转基因克隆猪的培育过程示意图。请回答下列问题:
(1)若使reAnti基因和Anti基因在转基因克隆猪的同一细胞内转录,应在人工合成的reAnti基因的首端连接________。
(2)图中转基因克隆猪不含有猪抗原的实质是reAnti基因抑制了Anti基因的________(填“转录”或“翻译”)。
(3)图中①②过程涉及的现代生物技术中,核心步骤是________。
(4)从猪中取出胎儿成纤维细胞,用________处理,然后进行分散培养。培养时,将培养瓶置于含95%空气加________的混合气体培养箱中进行培养。
(5)过程⑤的细胞分裂方式为________。
(6)图中④⑤⑥过程涉及的现代生物技术依次为______________________、_______________________和________________________。
解析:(1)启动子和终止子在目的基因的两侧,控制着转录的开始和停止。(2)由题意可知,reAnti基因产生的mRNA能与Anti基因转录的mRNA碱基互补配对,使其不能与核糖体结合,从而抑制了Anti基因的翻译过程。(3)基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建。(4)用胰蛋白酶处理的目的是使组织分散成单个细胞。动物细胞培养必须有适宜的气体环境,需要O2和CO2,O2是细胞正常代谢所必需的,CO2能够维持细胞培养液的pH。(5)培养的动物细胞的分裂方式为有丝分裂。(6)由图可知,④代表核移植,⑤代表早期胚胎培养,⑥代表胚胎移植。
答案:(1)(Anti基因的)启动子 (2)翻译 (3)基因表达载体的构建 (4)胰蛋白酶(或胶原蛋白酶) 5%CO2 (5)有丝分裂 (6)动物体细胞核移植技术 早期胚胎培养技术(或动物细胞培养技术) 胚胎移植技术
2.应用生物工程技术可以获得人们需要的生物新品种或新产品。请据图回答问题:
(1)在培育转人生长激素基因牛过程中,①过程需要的工具酶是________________,②过程常用的方法是________________。
(2)可通过转人生长激素基因牛分泌的乳汁来生产人生长激素,在基因表达载体中,人生长激素基因的首端必须含有________________。③过程培养到桑椹胚或囊胚阶段,可以采用________________技术,培育出多头相同的转基因牛犊。
(3)prG能激发细胞不断分裂,通过基因工程导入该调控基因来制备单克隆抗体时,Ⅱ最可能是________细胞,Ⅲ代表的细胞具有________________的特点。
(4)在抗虫棉培育过程中,④过程中的受体细胞如果采用愈伤组织细胞,则与采用叶肉细胞相比较,其优点是________________,⑤过程采用的技术是________________。
(5)要确定抗虫基因导入棉花受体细胞后是否能稳定遗传并表达,需进行检测和鉴定工作,请写出在个体水平上的鉴定过程:________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(6)如果转基因植物的花粉中含有有毒蛋白或过敏蛋白,则将引起的安全性问题包括(  )
①生物安全 ②环境安全 ③食物安全 ④伦理道德问题
A.①②③      
B.①②
C.②③
D.①②③④
解析:(1)①过程是目的基因与载体结合的过程,需要的工具酶是限制酶和DNA连接酶;②过程是重组质粒导入动物受体细胞的过程,常用的方法是显微注射法。(2)基因表达载体目的基因的首端必须有启动子;在桑椹胚或囊胚阶段可以进行胚胎分割和胚胎移植,这种方法可以培育出多头相同的转基因牛犊。(3)从图中看,Ⅱ最可能是浆细胞,Ⅲ是导入prG的重组细胞,具有无限增殖和产生特异性抗体的特点。(4)愈伤组织细胞与叶肉细胞相比较,其优点是全能性高。⑤过程是由棉花细胞发育为抗虫棉的过程,该过程采用的技术是植物组织培养。(6)花粉中若含有有毒蛋白或过敏蛋白,可通过昆虫的采集,沿食物链传递,最后可能进入其他动物或人体内,引发生物安全、环境安全和食物安全等安全性问题,与伦理道德问题无关。
答案:(1)限制酶、DNA连接酶 显微注射法
(2)(乳腺蛋白基因的)启动子 胚胎分割和胚胎移植
(3)浆 既能无限增殖又能产生特异性抗体
(4)全能性高 植物组织培养
(5)让害虫吞食转基因棉花的叶子,观察害虫的存活情况,以确定该转基因棉花是否具有抗虫性状 (6)A第一讲 基因工程
[考纲展示]
1.基因工程的诞生(Ⅰ) 2.基因工程的原理及技术(含PCR技术)(Ⅱ) 3.基因工程的应用(Ⅱ) 4.蛋白质工程(Ⅰ) 5.实验:DNA的粗提取与鉴定 6.转基因生物的安全性(Ⅰ) 7.生物武器对人类的威胁(Ⅰ)
授课提示:对应学生用书第249页
一、基因工程的工具
1.限制性核酸内切酶
(1)分离于:原核生物中。
(2)作用:识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。
2.DNA连接酶
(1)作用:将双链DNA片段“缝合”起来,恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。
(2)种类
E·coli
DNA连接酶
T4DNA连接酶
来源
大肠杆菌
T4噬菌体
特点
只“缝合”黏性末端
黏性末端和平末端都可“缝合”
3.载体
(1)条件:能在受体细胞中复制并稳定保存;具有一至多个限制酶切点;具有标记基因。
(2)种类
(3)作用:携带外源DNA片段进入受体细胞。
(4)特点:可在细胞中自我复制或整合到染色体DNA上随染色体DNA进行同步复制。
二、基因工程的操作程序
1.获取目的基因
(1)目的基因:主要指编码蛋白质的基因,也可以是一些具调控作用的因子。
2.基因表达载体的构建——基因工程的核心
(1)目的:使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代,同时使目的基因能够表达和发挥作用。
(2)基因表达载体的组成
(3)构建过程
3.—方法
4.
三、基因工程的应用
1.转基因生物
(1)概念:是指利用基因工程技术导入外源基因培育出的能够将新性状稳定地遗传给后代的基因工程生物。
(2)优点:运用基因工程改良动植物品种最突出的优点是能打破常规育种难以突破的物种之间的界限。
2.基因工程的应用
(1)动物基因工程:用于提高动物生长速度从而提高产品产量;用于改善畜产品品质;用转基因动物生产药物;用转基因动物作器官移植的供体等。
(2)植物基因工程:培育抗虫转基因植物、抗病转基因植物和抗逆转基因植物;利用转基因改良植物的品质。
(3)基因诊断:又称为DNA诊断,是采用基因检测的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体。
(4)基因治疗:指利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法。实例:ADA基因缺陷症的基因治疗。
四、蛋白质工程
1.缘由:基因工程原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。
2.基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
3.手段:基因修饰或基因合成。
4.目的:合成满足人类生产和生活需求的蛋白质。
5.流程:
   →
                 ↓

6.蛋白质工程中通过对基因操作来实现对天然蛋白质改造的原因
(1)改造后的基因可以遗传给下一代,被改造的蛋白质无法遗传。
(2)对基因进行改造比对蛋白质进行直接改造要容易操作,难度要小得多。
五、转基因生物的安全性
1.转基因成果
(1)工程菌——DNA重组微生物。
(2)基因制药。
(3)转基因动物——生物反应器。
(4)转基因农作物。
2.安全性问题
(1)食物安全:滞后效应(产生毒性蛋白质)、新的过敏原、营养成分改变。
(2)生物安全:生物入侵,破坏生物多样性。
(3)环境安全:破坏生态系统的稳定性和人类生活环境。
3.理性看待转基因技术
(1)需要正确的社会舆论导向,趋利避害,不能因噎废食。
(2)制定符合本国利益的政策和法规,最大限度地保证转基因技术和产品的安全性。
六、禁止生物武器
1.种类:病菌、病毒、生化毒剂及经过基因重组的致病菌等。
2.我国政府态度:任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器,并反对生物武器及其技术和设备的扩散。
1.限制酶具有特异性,即一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列,并在特定的位点上切割DNA分子。2.DNA连接酶的作用部位是磷酸二酯键。3.质粒是常用的载体,它是一种小型的双链环状DNA分子,具有一个至多个限制酶切割位点及标记基因。4.目的基因的获取有从基因文库中获取和人工合成两类方法。5.基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因。6.目的基因导入植物细胞常用农杆菌转化法;导入动物细胞常用显微注射技术,导入微生物细胞常用感受态细胞法。
有关基因工程的7个易混易错点(1)在切割目的基因和载体时用同一种限制酶,目的是产生相同的末端。(2)将一个基因从DNA分子上切割下来,需要切两处,同时产生4个末端。(3)不同DNA分子用同一种限制酶切割产生的末端都相同,同一个DNA分子用不同的限制酶切割,产生的末端一般不相同。(4)限制酶切割位点应位于标记基因之外,不能破坏标记基因,以便进行检测。(5)基因工程中的载体与细胞膜上物质运输的载体不同。基因工程中的载体是DNA分子,能将目的基因导入受体细胞内;膜上载体是蛋白质,与细胞膜的通透性有关。(6)基因工程操作过程中只有第三步(将目的基因导入受体细胞)没有碱基互补配对现象。(7)①基因表达载体中,启动子(DNA片段)≠起始密码子(位于mRNA);终止子(DNA片段)≠终止密码子(位于mRNA);②基因表达载体的构建是最核心、最关键的一步,在体外进行。
授课提示:对应学生用书第250页
考点一 基因工程的概念与操作工具分析
[核心考点通关]
1.基因工程的概念
基因工程的别名
基因拼接技术或DNA重组技术
操作环境
生物体外
操作对象
基因
操作水平
DNA分子水平
基本过程
剪切→拼接→导入→表达
结果(优点)
定向改造生物性状,创造出人类需要的基因产物或生物类型
2.“分子手术刀”——限制性核酸内切酶(限制酶)
(1)识别序列的特点:呈现碱基互补对称。无论是奇数个碱基还是偶数个碱基,都可以找到一条中心轴线,如,以中心线为轴,两侧碱基互补对称;以为轴,两侧碱基互补对称。
(2)切割后末端的种类
(3)限制酶的选择技巧
①根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类
a.应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择PstⅠ。
b.不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择SmaⅠ。
c.为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,如图甲也可选择用PstⅠ和EcoR
Ⅰ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)。
②根据质粒的特点确定限制酶的种类
a.所选限制酶要与切割目的基因的限制酶一致,以确保产生相同的末端。
b.质粒作为载体必须具备标记基因等,所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构,如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因;如果所选酶的切割位点不止一个,则切割重组后可能丢失某些片段,若丢失的片段含复制起点区,则切割重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制。
3.“分子缝合针”——DNA连接酶
(1)作用:将限制酶切割下来的DNA片段拼接成DNA分子。
(2)类型
种类
E·coli
DNA连接酶
T4DNA连接酶
来源
大肠杆菌
T4噬菌体
功能特性
只能连接黏性末端
可以连接黏性末端和平末端,但连接平末端之间的效率较低
相同点
都缝合磷酸二酯键,如图:
4.载体
(1)条件与目的
条件
目的
稳定并能复制
目的基因稳定存在且数量可扩大
有一个至多个限制酶切割位点
可携带多个或多种外源基因
具有特殊的标记基因
便于重组DNA的鉴定和选择
(2)作用
①作为运载工具,将目的基因导入宿主细胞内。
②利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。
5.DNA连接酶与限制酶的关系
(1)限制酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。
(2)限制酶不切割自身DNA的原因是该原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。
(3)限制酶是一类酶,而不是一种酶。
(4)DNA连接酶起作用时不需要模板。
6.限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶等相关酶的分析比较
名称
作用部位
作用底物
形成产物
限制酶
磷酸二酯键
DNA分子
带黏性末端或平末端的DNA片段
DNA连接酶
磷酸二酯键
DNA片段
重组DNA分子
DNA聚合酶
磷酸二酯键
脱氧核苷酸
子代DNA分子
热稳定DNA聚合酶
磷酸二酯键
脱氧核苷酸
子代DNA分子
DNA(水解)酶
磷酸二酯键
DNA分子
游离的脱氧核苷酸
解旋酶
碱基对间的氢键
DNA分子
脱氧核苷酸长链
RNA聚合酶
磷酸二酯键
核糖核苷酸
单链RNA分子
[针对训练]
1.萤火虫发光是体内荧光素酶催化一系列反应所产生的现象。如果荧光素酶存在于植物体内,也可使植物体发光。一直以来荧光素酶的唯一来源是从萤火虫腹部提取。但加利福尼亚大学的一组科学家成功地通过转基因工程实现了将荧光素酶基因导入大肠杆菌体内,并在大肠杆菌体内产生荧光素酶。请你根据已有的知识回答下列有关问题:
(1)在此转基因工程中,目的基因是________,具体操作过程中如图所示的黏性末端是由________种限制性核酸内切酶作用产生的。
(2)将此目的基因导入大肠杆菌体内需要载体的帮助,则作为载体必须具备能够在宿主细胞内复制并稳定保存,以及__________________________(至少答出两点)等条件。
(3)在此转基因工程中,将体外重组DNA导入大肠杆菌体内,并使其在细胞内________________的过程称为转化。最常用的转化方法是首先用Ca2+处理大肠杆菌,目的是________________________。
(4)目的基因在受体细胞是否能转录出mRNA,可用________技术来检测;目的基因是否表达出相应的蛋白质,除了通过大肠杆菌是否发光来确定外,还可以通过________特异性反应来判断。
解析:(1)在此转基因工程中,目的基因是荧光素酶基因;图中所示的黏性末端是由2种限制性核酸内切酶作用产生的,其中第一个和第三个是由一种限制酶切割产生的,另外两个是由另一种限制酶切割产生的。
(2)作为基因工程的载体必须具备的条件:要具有限制酶的切割位点;要有标记基因(如抗性基因),以便于重组细胞的筛选;能在宿主细胞中稳定存在并复制;是安全的,对受体细胞无害,而且要易从供体细胞分离出来。
(3)基因工程中,将体外重组DNA导入大肠杆菌体内,并使其在细胞内维持稳定和表达的过程称为转化。最常用的转化方法是首先用Ca2+处理大肠杆菌,目的是使大肠杆菌细胞处于能够吸收周围DNA分子的状态。
(4)检测转基因生物的DNA上是否插入目的基因,常用DNA分子杂交技术;检测目的基因是否表达出相应的蛋白质,常用抗原—抗体杂交技术。
答案:(1)荧光素酶基因 2
(2)具有特定的限制酶切割位点、具有某些标记基因
(3)维持稳定和表达 使大肠杆菌细胞处于能够吸收周围DNA分子的状态(或使大肠杆菌处于感受态细胞状态)
(4)分子杂交 抗原—抗体
考点二 基因工程的操作步骤
[核心考点通关]
1.目的基因的获取
(1)直接分离法
①基因组文库与部分基因文库
基因文库类型
基因组文库
部分基因文库(cDNA文库)
构建基因文库的过程
②PCR技术
a.原理:DNA复制。
b.需要条件:模板DNA、引物、四种脱氧核苷酸、热稳定DNA聚合酶(Taq酶)。
c.过程:DNA受热变性解旋为单链、冷却后RNA引物与单链相应互补序列结合,然后在DNA聚合酶作用下延伸合成互补链。
(2)人工合成法
2.基因表达载体的构建——基因工程的核心
(1)目的:使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代,同时使目的基因能够表达和发挥作用。
(2)基因表达载体的组成及作用
(3)基因表达载体的构建过程
3.将目的基因导入受体细胞(转化)
目的基因进入受体细胞内,并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程,称为转化。转化的关键是目的基因整合到受体细胞染色体基因组中。
(1)受体细胞种类不同,导入方法不同
生物种类
植物细胞
动物细胞
微生物
细胞常用方法
农杆菌转化法
显微注射法
转化法
受体细胞
体细胞
受精卵
原核细胞
转化过程
将目的基因插入到Ti质粒的T DNA上→导入农杆菌→侵染植物细胞→整合到受体细胞的染色体DNA上→表达
将含有目的基因的表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物
Ca2+处理细胞→感受态细胞→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子
(2)基因工程产物不同、选择的受体细胞类型也不相同
①培育转基因植物:受体细胞可以是受精卵、体细胞(需经植物组织培养成为完整植株)。
②培育转基因动物:受体细胞为受精卵,若用体细胞作为受体细胞,则需经核移植技术培养成转基因动物。
③生产蛋白质产品:一般选用大肠杆菌等原核生物作为受体细胞,因原核生物具有一些其他生物没有的特点,如繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等。
4.目的基因的检测与鉴定
[易混易错]
基因工程操作过程中的5个易错点
(1)目的基因的插入位点不是随意的:基因表达需要启动子与终止子的调控,所以目的基因应插入到启动子与终止子之间的部位。
(2)基因工程操作过程中只有第三步(将目的基因导入受体细胞)没有碱基互补配对现象:第一步存在逆转录法获得DNA,第二步存在黏性末端连接现象,第四步存在检测分子水平杂交。
(3)农杆菌转化法原理:农杆菌易感染植物细胞,并将其Ti质粒上的T DNA转移并整合到受体细胞染色体DNA上。
(4)标记基因的种类和作用:标记基因的作用——筛选、检测目的基因是否导入受体细胞。常见的有抗生素抗性基因、发光基因(表达产物为带颜色的物质)等。
(5)受体细胞的选择:受体细胞常用植物受精卵或体细胞(经组织培养)、动物受精卵(一般不用体细胞)、微生物(大肠杆菌、酵母菌)等。要合成糖蛋白、有生物活性的胰岛素则必须用真核生物酵母菌(需内质网、高尔基体的加工、分泌);一般不用支原体,原因是它营寄生生活;一定不能用哺乳动物成熟的红细胞,原因是它无细胞核,也没有核糖体等细胞器,不能合成蛋白质。
[针对训练]
2.(2017·宁夏固原中学月考)科学家通过基因工程,将苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因转入到普通棉株细胞内,并成功实现了表达,从而培育出了能抗棉铃虫的棉花植株——抗虫棉。其过程大致如图所示:
(1)基因工程的操作程序主要包括四个步骤,其核心是
________________________________________________________________________。
(2)获取Bt毒蛋白基因的方法一般有________、________等。
(3)Ti质粒是农杆菌中的一种质粒,其上有T DNA,把目的基因插入Ti质粒的T DNA中是利用了T DNA的________________特点。Bt毒蛋白基因转入普通棉株细胞内并成功实现表达的过程,在基因工程中称为_____________________。
(4)将目的基因导入受体细胞的方法很多,在该题中涉及的方法是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)一个基因表达载体的组成必须有____________________________等。
(6)目的基因能否在棉花植株体内维持和表达其遗传特性的关键是_____________。这需要通过检测才能知道,检测采用的方法是______________。若从个体水平如何检测?________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:基因工程一般包括四个基本操作步骤,其中基因表达载体的构建是基因工程的核心。一个基因表达载体的组成必须有启动子、终止子、标记基因和目的基因。获取目的基因的方法有三种:从基因文库中获取目的基因、利用PCR技术扩增目的基因、通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成等。将目的基因导入受体细胞的过程,称为转化。将目的基因导入植物细胞一般采用农杆菌转化法,还有基因枪法、花粉管通道法等,农杆菌转化法是利用了Ti质粒的T DNA的可转移至受体细胞并整合到受体细胞染色体DNA分子上的特点。目的基因是否插入至受体细胞的染色体DNA分子上,是目的基因能否在棉花植株内维持和表达其遗传特性的关键。检测目的基因是否成功导入的方法有两类,一是从分子水平通过DNA分子杂交技术或抗原—抗体杂交技术进行鉴定,二是从个体水平通过抗虫的接种实验来进行检测。
答案:(1)基因表达载体的构建 (2)从基因文库中获取目的基因、利用PCR技术扩增目的基因、通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成等(任意两个均可) (3)可转移至受体细胞并整合到受体细胞染色体DNA分子上 转化 (4)农杆菌转化法 (5)启动子、终止子、目的基因和标记基因(四者缺一不可) (6)目的基因是否插入至受体细胞的染色体DNA分子上 DNA分子杂交技术 进行抗虫的接种实验
考点三 基因工程的应用与蛋白质工程
[核心考点通关]
一、基因工程的应用
1.植物基因工程
外源基因类型及举例
成果举例
抗虫转基因植物
抗虫基因:Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因
抗虫水稻、抗虫棉、抗虫玉米
抗病转基因植物
(1)抗病毒基因:病毒外壳蛋白基因、病毒复制酶基因;(2)抗真菌基因:几丁质酶基因、抗毒素合成基因
抗病毒烟草、抗病毒小麦
抗逆转基因植物
抗逆基因:调节细胞渗透压基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因
抗盐碱和抗干旱的烟草、抗寒番茄、抗除草剂的大豆和玉米
改良品质的转基因植物
优良性状基因:必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因、控制番茄成熟的基因、与植物花青素代谢有关的基因
高赖氨酸玉米、耐储存番茄、新花色矮牵牛
2.动物基因工程
外源基因类型及举例
成果举例
提高生长速度的转基因动物
外源生长激素基因
转基因鲤鱼
改善畜产品品质的转基因动物
肠乳糖酶基因
乳汁中含乳糖较少的转基因牛
生产药物的转基因动物
药用蛋白基因+乳腺蛋白基因的启动子
转基因动物具有乳腺生物反应器
作器官移植供体的转基因动物
外源的抑制抗原决定基因表达的调节因子或除去供体的抗原决定基因
无免疫排斥反应的转基因猪
3.基因治疗与基因诊断
基因治疗
基因诊断
原理
基因重组及基因表达
DNA分子杂交
方法
将正常基因导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,以达到治疗疾病的目的
制作特定DNA探针与病人样品DNA混合分析杂交带情况,判断患者是否出现了基因异常或携带病原体
进展
临床实验
临床应用
[易混易错]
(1)用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系一般称为“工程菌”,而青霉素是诱变后的高产青霉菌产生的,不是通过基因工程改造的工程菌产生的。
(2)用基因工程生产的药品,从化学成分上分析都应该是蛋白质类。
(3)动物基因工程的实施主要是为了改善畜产品的品质,不是为了产生体型巨大的个体。
(4)并非所有个体都可作为乳腺生物反应器,制备乳腺生物反应器通常是针对雌性个体进行的操作。
二、蛋白质工程与基因工程的比较
项目
蛋白质工程
基因工程
区别
原理
中心法则的逆推、中心法则
基因重组
过程
预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质
获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
实质
定向改造或生产人类所需的蛋白质
定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需的生物类型或生物产品(基因的异体表达)
结果
生产自然界没有的蛋白质
生产自然界已有的蛋白质
联系
①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程②基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造
[针对训练]
3.干扰素是动物体内合成的一种蛋白质,可以用于治疗病毒感染和癌症,但体外保存相当困难,如果将其分子中的一个半胱氨酸变成丝氨酸,就可以在-70
℃条件下保存半年,给广大患者带来了福音。
(1)蛋白质的合成是受基因控制的,因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键,依据蛋白质工程原理,设计实验流程,让动物生产“可以保存的干扰素”:
(2)基因工程和蛋白质工程相比较,基因工程在原则上只能生产________的蛋白质,不一定符合________的需要。而蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础,通过________或________,对现有蛋白质进行________,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活需要。
(3)蛋白质工程实施的难度很大,原因是蛋白质具有十分复杂的________结构。
(4)对天然蛋白质进行改造,应该直接对蛋白质分子进行操作,还是通过对基因的操作来实现?________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:(1)蛋白质工程的基本流程为根据预期的蛋白质功能,设计出预期的蛋白质结构,推测应有的氨基酸序列,合成相对应的脱氧核苷酸序列。(2)蛋白质工程的实质是通过对基因改造或基因合成,制造自然界不存在的、符合人们生产和生活需要的蛋白质。(3)蛋白质的空间结构十分复杂,很难根据预期功能来预测出空间结构。(4)基因控制蛋白质的合成,对基因的改造相当于间接改造了蛋白质。
答案:(1)预期的蛋白质功能 预期的蛋白质结构 应有的氨基酸序列 相对应的脱氧核苷酸序列(基因)
(2)自然界已存在 人类生产和生活 基因修饰 基因合成 改造
(3)空间(或高级)
(4)应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造 首先,任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,改造了基因也就是改造了蛋白质,并且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传给下一代。如果对蛋白质直接改造,即使改造成功,被改造过的蛋白质分子还是无法遗传;其次,对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作,难度要小得多
授课提示:对应学生用书第254页
练全国高考真题——知考查重点
1.(2016·高考全国卷Ⅰ)某一质粒载体如图所示,外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用BamHⅠ酶切后,与用BamHⅠ酶切获得的目的基因混合,加入DNA连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌。结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种,分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题:
(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有________________(答出两点即可),而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。
(2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆菌细胞中,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是__________;并且________和________的细胞也是不能区分的,其原因是____________。在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还需使用含有________的固体培养基。
(3)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其DNA复制所需的原料来自于________。
解析:(1)质粒作为载体应具备的基本条件有:能自我复制、具有标记基因、含有一至多个限制酶切割位点等。(2)由题意可知,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞中均不含有氨苄青霉素抗性基因,所以在含有氨苄青霉素的培养基上均不能生长。质粒载体上含有氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因,插入了目的基因的重组质粒中仅含有氨苄青霉素抗性基因,所以含有质粒载体和含有插入了目的基因的重组质粒的细胞均能在含有氨苄青霉素的培养基上生长,但前者可以在含有四环素的培养基上生长而后者不能,所以可用含有四环素的培养基筛选出含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落。(3)噬菌体属于病毒,病毒增殖过程中所需的原料、酶等均来自于受体细胞。
答案:(1)能自我复制、具有标记基因
(2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了目的基因的重组质粒(或答含有重组质粒) 二者均含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均能生长 四环素
(3)受体细胞
2.(2016·高考全国卷Ⅲ)图(a)中的三个DNA片段上依次表示出了EcoRⅠ、BamHⅠ和Sau3AⅠ三种限制性内切酶的识别序列与切割位点,图(b)为某种表达载体的示意图(载体上的EcoRⅠ、Sau3AⅠ的切点是唯一的)。

AATTC—

GATCC—
GATC—
—CTTAAG—
—CCTAGG—
—CTAG—
  
 
   ↑         ↑  
     ↑
图(a)
根据基因工程的有关知识,回答下列问题:
(1)经BamHⅠ酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被______________酶切后的产物连接,理由是____________________________________。
(2)若某人利用图(b)所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子,如图(c)所示。这三种重组子中,不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有________,不能表达的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来的酶,常见的有________和________,其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是____________________。
解析:(1)分析图(a)可知,限制酶Sau3AⅠ与BamHⅠ切割DNA后形成的黏性末端相同,故经这两种酶切割得到的产物可以用DNA连接酶进行连接。(2)构建基因表达载体时,为保证目的基因能在宿主细胞中成功表达,目的基因应插入在启动子和终止子之间,据此可判断甲、丙均不符合要求,目的基因均不能被转录。(3)常见的DNA连接酶有E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶,其中T4DNA连接酶既能连接黏性末端又能连接平末端。
答案:(1)Sau3AⅠ 两种酶切割后产生的片段具有相同的黏性末端
(2)甲和丙 甲中目的基因插入在启动子的上游,丙中目的基因插入在终止子的下游,二者的目的基因均不能被转录
(3)E·coliDNA连接酶 T4DNA连接酶 T4DNA连接酶
3.(2015·高考全国卷Ⅱ)已知生物体内有一种蛋白质(P),该蛋白质是一种转运蛋白,由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸,240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸,改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能,而且具有了酶的催化活性。回答下列问题:
(1)从上述资料可知,若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的________________进行改造。
(2)以P基因序列为基础,获得P1基因的途径有修饰__________基因或合成________基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的,中心法则的全部内容包括__________________的复制;以及遗传信息在不同分子之间的流动,即:__________________________。
(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其基本途径是从预期蛋白质功能出发,通过____________和______________,进而确定相对应的脱氧核苷酸序列,据此获得基因,再经表达、纯化获得蛋白质,之后还需要对蛋白质的生物________进行鉴定。
解析:(1)蛋白质的功能与结构相关,若要改变蛋白质的功能,需要对其结构进行改造。(2)确定目的基因的碱基序列后,可通过对现有基因进行改造或者重新合成来获得目的基因。中心法则的内容包括遗传信息的复制、转录、逆转录和翻译。(3)蛋白质工程的基本途径是从预期蛋白质功能出发,通过设计蛋白质的结构和推测氨基酸序列,进而确定相对应的脱氧核苷酸序列。获得蛋白质之后要对蛋白质的生物功能进行鉴定。
答案:(1)氨基酸序列(或结构)
(2)P P1 DNA和RNA(或遗传物质) DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质(或转录、逆转录、翻译)
(3)设计蛋白质的结构 推测氨基酸序列 功能
4.(2014·高考新课标全国卷Ⅱ)植物甲具有极强的耐旱性,其耐旱性与某个基因有关。若从该植物中获得该耐旱基因,并将其转移到耐旱性低的植物乙中,有可能提高后者的耐旱性。回答下列问题:
(1)理论上,基因组文库含有生物的________基因;而cDNA文库中含有生物的________基因。
(2)若要从植物甲中获得耐旱基因,可首先建立该植物的基因组文库,再从中________出所需的耐旱基因。
(3)将耐旱基因导入农杆菌,并通过农杆菌转化法将其导入植物________的体细胞中,经过一系列的过程得到再生植株。要确认该耐旱基因是否在再生植株中正确表达,应检测此再生植株中该基因的________,如果检测结果呈阳性,再在田间试验中检测植株的________是否得到提高。
(4)假如用得到的二倍体转基因耐旱植株自交,子代中耐旱与不耐旱植株的数量比为3∶1时,则可推测该耐旱基因整合到了__________________(填“同源染色体的一条上”或“同源染色体的两条上”)。
解析:(1)基因组文库包含某种生物的全部基因,cDNA文库又称为部分基因文库,含有生物的部分基因。(2)植物甲基因组文库中有该种植物的全部基因,从中可筛选出耐旱基因。(3)植物乙的耐旱性低,所以植物乙体细胞作为受体细胞;要确定耐旱基因是否正确表达,应检测该基因的表达产物,对于个体水平的检测,应在干旱的田间进行试验,检测植物乙耐旱性是否得到了提高。(4)将耐旱基因看作A,不耐旱基因看作a,Aa×Aa→耐旱与不耐旱数量比为3∶1,则耐旱基因整合到了同源染色体的一条上。
答案:(1)全部 部分
(2)筛选
(3)乙 表达产物 耐旱性
(4)同源染色体的一条上
练各地市模拟——知命题热点
5.(2017·吉林长春质量检测)2,4 D作为除草剂在农田中大量使用,研究人员认为它是某种淋巴癌的致病因子。为降低2,4 D的危害,科研人员通过基因工程技术构建了能高效降解2,4 D的基因工程菌。请回答:
(1)在农业生产上常会使用________浓度2,4 D对麦田进行除草,在杀死杂草的同时却不会对小麦生长造成损害,原因是__________________。
(2)从被2,4 D污染的土壤中得到能降解2,4 D的细菌,从该细菌中提取RNA,构建________文库,进一步获得目的基因。
(3)PCR技术扩增目的基因的过程:目的基因DNA受热变性后解旋为单链,引物与单链相应互补序列结合,然后在________作用下进行延伸,如此重复循环多次,使目的基因的数量呈________形式扩增。
(4)一个基因表达载体的组成中要有标记基因,标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中__________。欲知基因工程成功与否,需要进行________水平的检测,有时还需进行________________水平的鉴定。
解析:(1)2,4 D是生长素类似物,利用不同植物对其敏感程度不同,可用其除去麦田杂草。(2)从工程菌中提取RNA构建的基因文库是部分基因文库(cDNA文库)。(3)PCR技术用热稳定DNA聚合酶(Taq酶)延伸,多次循环呈指数(2n)增长。(4)标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因。欲知基因工程成功与否,需要进行分子水平的检测,有时还需进行个体生物学水平的鉴定。
答案:(1)高 不同植物对2,4 D的敏感程度不同
(2)cDNA(部分基因)
(3)热稳定DNA聚合酶(或Taq) 指数
(4)是否含有目的基因 分子 个体生物学(个体)
授课提示:对应学生用书第371页
一、选择题
1.(2017·河北沧州模拟)如图表示从苏云金芽孢杆菌分离出杀虫晶体蛋白基因(简称Bt基因)及形成转基因抗虫植物的图解。请分析回答:
(1)写出b过程的表达式_____________________________________。
(2)人工合成目的基因的方法有:①__________________________________________________________________;
②________________。
(3)将目的基因和载体(质粒)结合的工具酶有________酶和________酶。
(4)科学家计划从哺乳动物的乳汁中提取某种抗体,应将控制抗体合成的基因导入该种动物的________中,导入基因成功表达的标志是__________________。
解析:应用基因工程技术从苏云金芽孢杆菌中提取杀虫晶体蛋白基因(目的基因)导入棉花细胞中形成转基因抗虫棉。Bt基因的表达使棉花细胞中合成了原毒素,使采食棉花的昆虫中毒死亡。要使某种动物的乳汁中含有某种抗体,目的基因一般导入受精卵中。则由此受精卵发育成的哺乳动物的所有体细胞中都含有目的基因。检测导入基因是否成功表达的标志是看目的基因的产物蛋白质,棉花细胞中检测出Bt基因合成杀虫晶体蛋白是基因成功表达的标志。
答案:(1)Bt基因mRNA原毒素(晶体蛋白)
(2)①以目的基因的mRNA为模板反转录为单链DNA,然后在DNA聚合酶的作用下合成双链DNA ②依照蛋白质的氨基酸序列,通过密码子推算出基因序列,然后直接合成目的基因
(3)限制性核酸内切 DNA连接
(4)受精卵 动物乳汁中含此种抗体
2.根据基因工程的有关知识,回答下列问题:
(1)cDNA文库属于________基因文库,其构建方法是:用某种生物发育的某个时期的________反转录产生的cDNA片段,与________连接后储存在一个受体菌群中。
(2)切割DNA分子的工具是________,它能使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的________断开,形成黏性末端或平末端。
(3)基因工程中所使用的DNA连接酶有两类。既可以“缝合”黏性末端,又可以“缝合”平末端的是________DNA连接酶。
(4)将目的基因导入植物细胞采用最多的方法是___________________________;
如果受体细胞是大肠杆菌,需要用________处理细胞,使之成为感受态细胞,才能吸收DNA分子。
解析:(1)基因文库包括基因组文库和部分基因文库如cDNA文库。cDNA文库构建的方法是:用某种生物发育的某个时期的mRNA反转录产生的cDNA片段,与载体连接后储存在一个受体菌群中。(2)切割DNA分子的工具是限制酶,它作用的化学键是磷酸二酯键。限制酶切割DNA后形成黏性末端或平末端。(3)基因工程中所使用的DNA连接酶有E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶两类,前者只可“缝合”黏性末端,后者既可以“缝合”黏性末端,又可以“缝合”平末端。(4)将目的基因导入植物细胞采用最多的方法是农杆菌转化法;如果受体细胞是大肠杆菌,需要用Ca2+处理细胞,使之成为感受态细胞,才能吸收DNA分子。
答案:(1)部分 mRNA 载体
(2)限制性核酸内切酶 磷酸二酯键
(3)T4
(4)农杆菌转化法 Ca2+
3.回答以下有关基因工程的知识:
(1)获取目的基因时,可从基因文库中直接提取,而基因文库包括________和________,其中要用到反转录技术的是________。
(2)构建基因表达载体时,用限制酶Ⅰ切割质粒载体可产生“”的片段,该限制酶识别的核苷酸序列是__________________,用限制酶Ⅱ切割含有目的基因的DNA,两种酶切割DNA产生的末端能拼接在一起,则限制酶Ⅱ必须具有________的特点。
(3)将目的基因导入受体细胞时,如果受体细胞是水稻(单子叶植物)细胞,则常用的方法是______________;如果受体细胞是大肠杆菌,则需要用钙离子处理,处理后的细胞具有______________的特点。
(4)检测与鉴定目的基因时,检测目的基因在真核细胞中能否稳定遗传的关键是______________。鉴定目的基因是否成功表达,除了分子水平检测外,还可以从________水平进行鉴定。
解析:cDNA文库中的DNA是由mRNA经逆转录酶催化合成的;一个完整的基因表达载体包括启动子、终止子、标记基因、目的基因和复制原点等;将目的基因导入单子叶植物细胞内常用的方法是基因枪法。
答案:(1)基因组文库 部分基因文库(如cDNA文库) cDNA文库
(2) 切割产生的DNA片段末端与限制酶Ⅰ切割产生的相同
(3)基因枪法 容易从周围环境吸收DNA分子
(4)检测转基因生物的染色体上是否插入了目的基因 (生物)个体
4.(2017·内蒙古鄂尔多斯模拟)下图是从酵母菌中获取某植物需要的控制某种酶合成的基因的流程,结合所学知识及相关信息回答下列问题:
(1)图中cDNA文库________(填“大于”“小于”或“等于”)基因组文库。
(2)①过程提取的DNA需要________的切割,B过程是________。
(3)为在短时间内大量获得目的基因,可用________扩增的方法,其原理是________。
(4)目的基因获取之后,需要进行______________________________,
其组成必须有__________________________以及标记基因等,此步骤是基因工程的核心。
(5)将该目的基因导入某双子叶植物细胞,常采用的方法是__________________,其能否在此植物体内稳定遗传的关键是_____________,可以用________技术进行检测。
(6)如果要想使该酶活性更强或具有更强的耐受性,需要对现有蛋白质进行改造,这要通过蛋白质工程。首先要设计预期的________,再推测应有的氨基酸序列,找到相对应的________。
(7)除植物基因工程硕果累累之外,在动物基因工程、基因工程药物和基因治疗等方面也取得了显著成果,请列举出至少两方面的应用:__________________。
解析:(1)cDNA文库为部分基因文库,它小于代表该物种全部基因的基因组文库。(2)①过程是提取目的基因,可用限制性核酸内切酶切割,B过程是以mRNA为模板合成DNA,即逆转录过程。(3)获取目的基因的方法包括直接分离法、人工合成法及用PCR技术扩增目的基因等。PCR技术扩增目的基因的原理是DNA复制。(4)目的基因和载体结合形成重组质粒被称为基因表达载体的构建,基因表达载体包括启动子、目的基因、标记基因、终止子、复制原点等。(5)将目的基因导入双子叶植物细胞常用的方法为农杆菌转化法,目的基因导入后可用DNA分子杂交技术进行检测。(6)设计新的蛋白质,对蛋白质进行改造需要用蛋白质工程。首先要对蛋白质结构进行设计,再推断蛋白质应有的氨基酸序列,然后推断对应的目的基因的碱基序列,最终合成目的基因。(7)基因工程在医学方面具有重要作用,如基因诊断、基因治疗、生产基因工程药物等。
答案:(1)小于
(2)限制酶 逆转录
(3)PCR技术 DNA复制
(4)基因表达载体的构建 启动子、终止子、目的基因(复制原点可不答)
(5)农杆菌转化法 目的基因是否整合到植物细胞的染色体上 DNA分子杂交
(6)蛋白质结构 脱氧核苷酸序列
(7)乳腺生物反应器;体外基因治疗复合型免疫缺陷综合征(其他合理答案也可)
5.为扩大可耕地面积,增加粮食产量,黄河三角洲等盐碱地的开发利用备受关注。我国科学家应用耐盐基因培育出了耐盐水稻新品系。
(1)获得耐盐基因后,构建重组DNA分子所用的限制性核酸内切酶作用于图中的________(填“a”或“b”)处,DNA连接酶作用于________(填“a”或“b”)处。
(2)将重组DNA分子导入水稻受体细胞的常用方法有农杆菌转化法和________法。
(3)由导入目的基因的水稻细胞培养成植株需要利用________技术,该技术的核心是________和________。
(4)为了确定耐盐转基因水稻是否培育成功,既要用放射性同位素标记的________作探针进行分子杂交检测,又要用________方法从个体水平鉴定水稻植株的耐盐性。
解析:(1)根据题意和图示分析可知:a处为磷酸二酯键,b处为氢键。限制酶主要从原核生物中分离纯化出来,能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂。DNA连接酶连接的是两个核苷酸之间的磷酸二酯键。所以限制性核酸内切酶作用于图中的a处,DNA连接酶作用于a处。(2)将重组DNA分子导入植物受体细胞的常用方法有农杆菌转化法、基因枪法和花粉管通道法。(3)由导入目的基因的植物细胞培养成植株需要利用植物组织培养,利用植物细胞的全能性,通过脱分化形成愈伤组织,再通过再分化形成新的植株。(4)要确定耐盐转基因水稻是否培育成功,需要用放射性同位素标记的目的基因作探针进行分子杂交检测;又要用一定浓度的盐水浇灌方法从个体水平鉴定水稻植株的耐盐性。
答案:(1)a a (2)基因枪 (3)植物组织培养 脱分化(去分化) 再分化 (4)耐盐基因(目的基因) 一定浓度盐水浇灌(植株移栽到盐碱地中)
6.农业科技工作者在烟草中找到了一抗病基因,现拟采用基因工程技术将该基因转入棉花,培育抗病棉花品系。请回答下列问题:
(1)要获得该抗病基因,可采用________、________等方法。为了能把该抗病基因转入到棉花细胞中,常用的载体是________。
(2)要使载体与该抗病基因连接,首先应使用________进行切割。假如载体被切割后,得到的分子末端序列为,则能与该载体连接的抗病基因分子末端是(  )
A.     B.
C.
D.
(3)切割完成后,采用________将载体与该抗病基因连接,连接后得到的DNA分子称为______________。
(4)再将连接得到的DNA分子导入农杆菌,然后用该农杆菌去________棉花细胞,利用植物细胞具有的________性进行组织培养,从培养出的植株中________出抗病的棉花。
(5)该抗病基因在棉花细胞中表达的产物是(  )
A.淀粉
B.脂类
C.蛋白质
D.核酸
(6)转基因棉花获得的________是由该表达产物来体现的。
解析:获得抗病基因常用的方法是从细胞中直接分离目的基因或根据mRNA碱基顺序和蛋白质的氨基酸序列人工合成目的基因;在基因工程中,常用的载体是质粒;可以先用同一种限制性核酸内切酶把目的基因和载体切开,使二者产生相同的黏性末端;再用DNA连接酶将载体和目的基因连接起来,构成重组DNA分子;用已导入重组DNA分子的农杆菌感染棉花细胞,并用组织培养的方法把这样的棉花细胞培育成植株,从中筛选出有抗病性状的棉花;最后进行鉴定,可将普通棉和抗病棉花同时让病毒感染,观察其表现即可。
答案:(1)从细胞中分离 化学方法人工合成 Ti质粒
(2)限制性核酸内切酶(限制酶) A
(3)DNA连接酶 重组DNA
(4)感染 全能 筛选(选择)
(5)C
(6)抗病性状
7.转基因动物可以作为生物反应器来生产某些营养物质、珍贵药物等。请根据所学知识,将下面培育转基因牛的操作程序补充完整。
(1)构建基因表达载体:在构建基因表达载体时常要用到______________两种工具酶。一个基因表达载体的组成,除目的基因外,还必须有________以及标记基因等,其中标记基因的作用是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)体外受精获得受精卵:将采集的精子经________处理后与处于______________期的卵子结合形成受精卵。判断卵子是否受精的重要标志是________________________________。
(3)将目的基因导入受精卵:通常采用________技术将目的基因导入受精卵。
(4)早期胚胎培养:哺乳动物胚胎的培养液成分一般比较复杂,除一些无机盐和有机盐类外,还需添加维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养成分,以及________等物质。当胚胎发育到________阶段时,可进行胚胎移植。
(5)胚胎移植:在胚胎移植前要对接受胚胎的受体母牛进行______________处理。移植后,还要对受体母牛进行妊娠检查。
解析:(1)基因工程中常用的两种工具酶是限制酶和DNA连接酶。一个基因表达载体的组成,除目的基因外,还必须有启动子、终止子以及标记基因等。(2)采集的精子经获能处理后才能与处于减数第二次分裂中期的卵子结合形成受精卵。(3)常采用显微注射法将目的基因导入动物细胞。(4)哺乳动物胚胎培养需要“两盐”(无机盐和有机盐)、“两素”(激素和维生素)、“两酸”(核苷酸和氨基酸)和动物血清等。牛的胚胎一般要发育到桑椹胚或囊胚阶段才可以进行移植。(5)胚胎移植时要对受体动物进行同期发情处理。
答案:(1)限制酶、DNA连接酶 启动子、终止子 鉴别受体细胞中是否含有目的基因,从而将含有目的基因的细胞筛选出来 (2)获能 减数第二次分裂中 在卵细胞膜和透明带的间隙可以观察到两个极体
(3)显微注射 (4)动物血清 桑椹胚或囊胚
(5)同期发情
8.(2017·安徽合肥模拟)基因敲除是应用DNA重组原理发展起来的一门新兴技术。“基因敲除细胞”的构建过程如下:
第一步:从小鼠囊胚中分离出胚胎干细胞(ES),在培养基中扩增。这些细胞中需要改造的基因称为“靶基因”。
第二步:构建基因表达载体。取与靶基因序列同源的目的基因(同源臂),在同源臂上接入新霉素抵抗基因等。由于同源臂与靶基因的DNA正好配对,所以能像“准星”一样,将表达载体准确地带到靶基因的位置。
第三步:将表达载体导入胚胎干细胞,并与其内靶基因同源重组,完成胚胎干细胞的基因改造。
第四步:基因改造后的胚胎干细胞增殖、筛选。基本原理如图所示。
请根据上述资料,回答下列问题:
(1)在把与靶基因序列同源的目的基因导入受体细胞前,应首先完成________,在这过程中所需要的工具酶是______________。
(2)启动子的化学成分是______________________________,
它位于基因的首端,是________识别和结合的部位,有了它才能驱动基因转录出mRNA。
(3)如果要获得一只含目的基因的小鼠,则选择的受体细胞通常是________________,原因是________________。一般可采用________________技术将目的基因导入受体细胞。若用大肠杆菌储存目的基因,则需先将其处理为________________细胞。
(4)上述资料中新霉素抵抗基因的作用最可能是________________。
(5)(3)中获得的小鼠,通过有性生殖产生的后代是否都含该目的基因?为什么?________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(6)该项技术具有广阔的应用前景,请试举一例________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:基因工程中的工具有限制酶、DNA连接酶和载体等。基因表达载体的构建是基因工程的核心内容,它至少包括启动子、终止子、目的基因和标记基因等。其中,启动子是一段有特殊碱基序列的DNA片段,位于基因的首端,它是RNA聚合酶识别和结合的部位,有了它才能驱动基因转录出mRNA;而新霉素抵抗基因最可能是标记基因。因为动物的受精卵具有全能性,所以一般选受精卵作为转基因动物的受体细胞;显微注射技术是转基因动物技术中导入外源基因最常用、最有效的一种方法。若将目的基因导入微生物细胞,首先用钙离子处理细胞,让其变成感受态细胞。转基因动物通过有性生殖产生的后代可能不含有目的基因,因为在形成生殖细胞时等位基因(目的基因和靶基因)会发生分离。转基因技术具有广阔的应用前景,如基因治疗、动植物品种改良、利用动植物生产药物等。
答案:(1)表达载体的构建 限制酶和DNA连接酶
(2)一段有特殊碱基序列的DNA片段 RNA聚合酶
(3)受精卵 动物受精卵具有全能性 显微注射 感受态
(4)作为标记基因,便于筛选
(5)否,在形成生殖细胞时等位基因(目的基因和靶基因)会发生分离
(6)基因治疗、动植物品种改良、利用动植物生产药物等第三讲 胚胎工程及伦理问题
[考纲展示]
1.动物胚胎发育的基本过程与胚胎工程的理论基础(Ⅰ) 2.胚胎干细胞的移植(Ⅰ) 3.胚胎工程的应用(Ⅱ) 4.生物技术中的伦理问题(Ⅰ)
授课提示:对应学生用书第261页
一、体内受精和早期胚胎发育
1.精子与卵子的发生
项目
精子的发生
卵子的发生
场所
睾丸曲细精管
卵巢
时间
从初情期开始
从胚胎出现性别分化后
变形
变形
不需变形
分裂
均等分裂
不均等分裂
结果
形成4个精子
形成1个卵子和3个极体
2.受精
(1)精子获能:刚排出的精子,不能立即与卵子受精,必须在雌性动物生殖道内发生相应的生理变化后,才能获得受精能力。
(2)卵子的准备:卵子要在输卵管内进一步成熟,到减Ⅱ中期时期,才具备与精子受精的能力。
(3)受精过程主要包括:精子穿过放射冠和透明带,进入卵细胞膜,原核形成融合。
3.胚胎发育过程:受精卵→卵裂→囊胚→原肠胚→组织器官分化→幼体。
(1)哺乳动物的早期胚胎发育是在输卵管中进行的,一般到桑椹胚期进入子宫,囊胚期着床。
(2)卵裂:细胞分裂方式是有丝分裂。
(3)囊胚:由滋养层细胞和内细胞团构成,内细胞团细胞具有发育全能性,能分化出幼体动物的所有组织器官。
(4)原肠胚:出现了三个胚层和原肠腔。
二、体外受精、胚胎移植、胚胎分割与胚胎干细胞
1.体外受精
(1)精子的采集与获能:获能方法有培养法和化学诱导法。
(2)卵母细胞的采集和培养:给哺乳动物注射促性腺激素,使其超数排卵,然后从输卵管中冲出;也可从废弃的卵巢或活体卵巢中采集,但需要培养到减Ⅱ中期时,才可受精。
(3)体外受精:获能的精子和成熟的卵子在获能溶液或专用的受精溶液中完成受精。
2.早期胚胎培养
(1)培养液成分:无机盐、有机盐(两盐)维生素、激素(两素);氨基酸、核苷酸(两酸),另外还有水、血清等。
(2)胚胎去向:向受体移植或冷冻保存。
3.胚胎移植
(1)地位:胚胎工程其他技术的最后一道工序。
(2)胚胎移植的生理学基础
①移入:动物发情排卵后,在一段时间内同种动物的供、受体生殖器官的生理变化是相同的。
②收集:早期胚胎处于游离状态。
③存活:受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥。
④遗传特征:供体胚胎的遗传特性在孕育过程中不受影响。
(3)基本程序:对供、受体的选择和处理→配种或进行人工授精→对胚胎的收集、检查、培养或保存→胚胎移植→移植后检查。
(4)意义:充分发挥雌性优良个体的繁殖潜能。
4.胚胎分割
(1)材料:发育良好,形态正常的桑椹胚或囊胚。
(2)实质:胚胎分割可增加动物后代,其实质是动物的无性繁殖或克隆。
(3)注意:对囊胚分割时,注意将内细胞团均等分割,否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。
5.胚胎干细胞
(1)来源:早期胚胎或原始性腺。
(2)特点:形态上,体积小、核大、核仁明显;功能上,具有发育的全能性;体外培养条件下可以增殖而不分化。
(3)培养过程
(4)应用
①可用于研究哺乳动物个体发生和发育规律。
②是在体外条件下研究细胞分化的理想材料。
③可以用于治疗人类的某些顽疾,如帕金森综合征等。
④移植ES细胞可使坏死或退化的部位得以修复并恢复正常功能。
⑤定向培育出人造组织器官,用于器官移植,解决供体器官不足和器官移植后免疫排斥的问题。
三、生物技术中的伦理问题
1.人类克隆问题
(1)治疗性克隆和生殖性克隆的比较
类型项目
治疗性克隆
生殖性克隆
区别
目的
从胚胎中取出干细胞用于医学研究和治疗
用于生育,获得人的复制品
水平
细胞水平
个体水平
联系
都属无性生殖;产生新个体或新组织,遗传信息相同
(2)态度:中国政府的态度是禁止生殖性克隆人,但不反对治疗性克隆。
2.试管婴儿和设计试管婴儿的比较
如图,后者比前者多了④过程:
(1)不同点
①所用技术手段:设计试管婴儿胚胎移植前需进行遗传学诊断或基因诊断,试管婴儿不需进行遗传学诊断或基因诊断。
②应用:试管婴儿主要是解决不孕夫妇的生育问题,设计试管婴儿用于白血病、贫血症等疾病的治疗。
(2)相同点
都是体外受精,并进行体外早期胚胎培养,都要经过胚胎移植,都是有性生殖。
3.基因检测
(1)概念:通过基因芯片对被检测者细胞中的DNA分子或蛋白质进行检测,分析出被检测者所含的各种致病基因和疾病易感基因情况的一种技术。
(2)原理:DNA分子杂交。
(3)争论焦点
①基因检测能否达到预防疾病的目的。
②是否引起基因歧视、个人婚姻困难、人际关系疏远等严重后果。
1.受精过程:获能的精子穿过放射冠和透明带→精卵通过细胞表面的糖蛋白相互识别→精子遗传物质进入卵细胞。2.胚胎发育过程:受精卵→卵裂→桑椹胚→囊胚→原肠胚→组织器官分化→幼体。3.体外受精过程受精→4.胚胎移植的基本程序:对供、受体的选择和处理→配种或进行人工授精→对胚胎的收集、检查、培养或保存→胚胎移植→移植后检查。
有关胚胎工程的6个易混易错点(1)受精卵进行细胞分裂,形成桑椹胚;细胞分化开始于囊胚,桑椹胚的形成没有经过细胞分化。(2)囊胚细胞开始分化,但囊胚的内细胞团细胞具有全能性。(3)激素应用:胚胎移植过程中两次使用激素,第一次对受体、供体进行同期发情处理用的是孕激素;第二次用于供体超数排卵的是促性腺激素。(4)胚胎移植过程中有两次检查:第一次对收集的胚胎进行检查;第二次对受体母牛是否妊娠进行检查。(5)犊牛性状:胚胎移植产下的犊牛性状取决于所用公牛和供体母牛,性别取决于公牛提供何种类型的精子,与受体母牛没有关系。(6)胚胎移植时间:不同动物胚胎移植的时间不同,牛、羊要培养到桑椹胚或囊胚阶段,小鼠、家兔在桑椹胚前,人胚胎可在8~16个细胞阶段移植。几乎所有动物都不能培养到原肠胚阶段移植,因为此时细胞分化程度较高,移植成功率很低。
授课提示:对应学生用书第263页
考点一 体内受精和早期胚胎发育
[核心考点通关]
1.精子的发生
(1)不同种动物精子的形态相似,大小略有不同,但与动物的体型大小无关。
(2)精子的发生中两次减数分裂是连续的,是在睾丸的曲细精管内进行的。卵子的发生中两次减数分裂是不连续的,减数第一次分裂在卵巢内完成,产生一个次级卵母细胞和第一极体,进入输卵管在与精子的结合过程中完成减数第二次分裂,产生一个成熟的卵子和第二极体。当原核融合时,第一极体完成分裂,形成2个第二极体。有的哺乳动物的第一极体不再分裂。
2.卵子的发生
(1)哺乳动物卵泡的形成和在卵巢内的储备,是在出生前(即胎儿时期)完成的,这是精子和卵子在发生上的重要区别。
(2)哺乳动物卵巢、卵泡和卵子的关系:卵巢是卵子形成、卵泡存在的场所,内部包含许许多多不同发育阶段的卵泡,而成熟的卵泡中可释放出卵子,其中卵子的外面有辅助结构——透明带,由卵丘细胞(卵泡细胞)形成放射冠。
3.受精过程中的“三大反应”和防止多精子入卵受精的“两道屏障”
(1)顶体反应:精子释放的顶体酶可直接溶解卵丘细胞间的物质,形成精子穿越放射冠的通路。
(2)透明带反应:在精子触及卵细胞膜的瞬间,会产生阻止后来的精子进入透明带的生理反应,它是防止多精子入卵受精的第一道屏障。
(3)卵细胞膜反应:精子入卵后,卵细胞膜拒绝其他精子再进入卵内,这是防止多精子入卵受精的第二道屏障。
4.胚胎发育过程
(1)起点是受精卵分裂,在输卵管内完成受精作用时即已开始,直至发育成为成熟的胎儿。
(2)卵裂期的特点:细胞有丝分裂使细胞数目增加,但胚胎总体积并不增加或略缩小,因此每个细胞的体积会随分裂的进行不断缩小,但核内遗传物质并未减少。
(3)桑椹胚以前的细胞均未分化,细胞全能性最高,是胚胎分割的最佳时期。
(4)桑椹胚至囊胚的发育过程中,细胞开始分化,但其全能性仍很高,也可用于胚胎分割。
[易混易错]
受体及胚胎发育的2个易错点
(1)受精过程的三个易混点
①精子获能是指精子获得受精“能力”,而不是获得能量。
②排卵是指卵子从卵泡中排出,而不是卵泡从卵巢中排出。
③受精的标志≠受精完成的标志:受精的标志是在透明带和卵细胞膜之间观察到两个极体;而受精过程完成的标志是雌、雄原核的融合。
(2)卵裂期胚胎发育过程中物质和体积变化的规律
①有机物:胚胎没有和母体建立联系,没有从母体获取有机物,而一直呼吸消耗,有机物总量减少。
②细胞体积:胚胎总体积不变或略有减小,但细胞数目增多,所以每个细胞体积减小。
③细胞中DNA含量:伴随细胞分裂,细胞数目增多,总DNA含量增多,但每个细胞中核DNA含量保持相对稳定。
[针对训练]
1.如图为经过体外受精和胚胎分割移植培育优质奶牛的过程,请回答下列问题:
(1)A细胞是________,在进行体外受精前要对精子进行________处理。
(2)进行胚胎分割时,应选择发育到________时期的胚胎进行操作。
(3)②指的是________。
(4)通过胚胎分割产生的两个或多个个体具有相同遗传性状的根本原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)在对囊胚阶段的胚胎进行分割时,应注意____________________________。
(6)受体母牛必须和供体牛属于________。移植后的胚胎能在受体子宫中存活的生理基础是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:将获能精子与处于减数第二次分裂中期的次级卵母细胞融合即可得到受精卵,受精卵经过体外培养形成早期胚胎。为了快速繁育优良品种,可以采用胚胎分割的技术手段,即选择发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚进行分割,分割后产生的个体因为所含的遗传物质相同,所以性状表现很相似。在对囊胚阶段的胚胎进行分割时,要注意将内细胞团均等分割,以免影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。大量的研究已经证明,受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应,这为胚胎在受体内的存活提供了可能。
答案:(1)次级卵母细胞 获能 (2)桑椹胚或囊胚 (3)囊胚腔 (4)来源于同一个受精卵,具有相同的遗传物质 (5)将内细胞团均等分割,以免影响分割后胚胎的恢复和进一步发育 (6)同一物种 受体子宫对外来胚胎不发生排斥反应
考点二 胚胎工程的应用及前景
[核心考点通关]
1.胚胎工程的操作流程分析
(1)胚胎移植的生理学基础
①哺乳动物排卵后,同种动物供、受体生殖器官的生理变化是相同的,这是胚胎能够移入受体的生理基础。
②早期胚胎形成后,未与母体子宫建立联系,而是处于游离状态,这是胚胎收集的生理基础。
③受体对移入子宫的外来胚胎基本不发生免疫排斥反应,这是胚胎在受体内能够存活的生理基础。
④供体胚胎可与受体子宫建立联系,且不影响供体胚胎的遗传特性,这是供体胚胎正常发育的生理基础。
(2)实质:是早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转换,而胚胎本身的遗传物质并不发生改变,因此各种性状能保持其原来的优良特性。
(3)优势:充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力,从而大大缩短了供体本身的繁殖周期,大大推动了畜牧业的发展。
(4)胚胎移植过程中两次使用激素:第一次常用孕激素对受、供体进行同期发情处理;第二次用促性腺激素处理供体使其超数排卵。
(5)胚胎移植过程中有两次检查:第一次对收集的胚胎进行检查;第二次对受体母畜是否妊娠进行检查。
(6)胚胎移植的意义:①加速育种工作和品种改良;②大量节省购买种畜的费用;③一胎多产;④保存品种资源和濒危物种;⑤可充分发挥优良个体的繁殖潜能,缩短繁殖周期,增加一生繁殖的后代数量。
[特别提醒]
胚胎移植是有性生殖还是无性生殖,取决于胚胎是由受精卵形成的,还是由核移植技术形成重组细胞发育而成或胚胎分割形成的。
2.胚胎分割
(1)概念:采用机械方法将早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份等,经移植获得同卵双胎或多胎的技术。
(2)理论基础:细胞的全能性。
(3)使用的主要仪器:实体显微镜和显微操作仪。
(4)材料选择:发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚。
(5)囊胚期分割要求:内细胞团均等分割,以免影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。
(6)意义:加快繁殖速度,是动物无性繁殖或克隆的方法之一,其他克隆方法还有核移植。
(7)特点:后代具有相同的遗传物质。
3.试管动物与克隆动物的比较
比较项目
试管动物
克隆动物
技术基础
体外受精、胚胎移植
核移植技术、细胞培养、胚胎(分割)移植
实例
试管牛
多利羊
过程
生殖方式
有性生殖
无性生殖
遗传物质
遗传物质来自两个个体
遗传物质大部分来自供核生物体
意义
充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力,缩短供体本身的繁殖周期
加速家畜遗传改良进程、挽救濒危物种等
[特别提醒]
胚胎移植中供体与受体的确定:提供胚胎的个体称为供体,接受胚胎移植的个体称为受体;供体为优良品种,作为受体的雌性动物一般为常见的或现存量大的同种健康品种。
[针对训练]
2.我国已实现部分“胚胎工程产业化”,如肉牛、奶牛胚胎工程产业化。以下是科学家采用不同方法产业化培育良种牛的过程,a~h表示操作过程,请回答:
(1)培育“试管牛C”技术的操作流程是_______(填字母),d操作的名称是________,h操作的核心是________,受精时受体的卵母细胞处于________期。
(2)图中数字标号代表的结构名称是①_____________________________________________________________________,
②__________,③__________。若要获得遗传物质完全相同的两个新个体,可对发育到______________阶段的早期胚胎进行分割处理,在对囊胚阶段的胚胎进行分割时,应注意________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)图中用到的激素是________,移植后的胚胎能在受体子宫中存活的生理基础是________________________________________________________________________。
解析:胚胎工程包括体外受精、胚胎移植、胚胎分割、胚胎干细胞培养等多种技术。(1)培育“试管牛C”包括体外受精→胚胎移植→后代(a→b→f→g);d操作是指胚胎移植,h操作是指基因工程技术,其核心是基因表达载体的构建;受精时受体的卵母细胞处于MⅡ中期。(2)囊胚的结构包括:③(内细胞团)、①(滋养层)和②(囊胚腔),胚胎分割时一般采用的是囊胚或桑椹胚,这两个阶段的细胞分化程度相对较低;对囊胚阶段的胚胎进行分割时,要注意内细胞团的均等分割。(3)胚胎移植用到的激素是促性腺激素,根据受体子宫对外来胚胎不发生免疫排斥反应的原理使胚胎在受体子宫中存活。
答案:(1)a→b→f→g 胚胎移植 基因表达载体的构建 MⅡ中 (2)滋养层 囊胚腔 内细胞团 桑椹胚或囊胚 将内细胞团均等分割 (3)促性腺激素 受体子宫对外来胚胎不发生免疫排斥反应
考点三 干细胞培养及伦理问题
[核心考点通关]
一、干细胞培养及应用
1.干细胞的种类
名称
全能干细胞
多能干细胞
专能干细胞
特点
具有形成机体的组织或器官,甚至形成完整个体的潜能
具有分化成多种细胞或组织的潜能,但不能发育成完整的个体
只能分化成特定器官或具有特定功能的一类干细胞
举例
受精卵、胚胎干细胞
造血干细胞
神经干细胞
应用
用于发生病变的器官移植等
造血干细胞移植是治疗血液系统疾病、遗传性血液病等的有效手段
通过神经干细胞移植治疗脑瘫、头颅外伤等病症
2.胚胎干细胞的来源和特点
胚胎干细胞是从早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞,包括人类囊胚的内细胞团,具有胚胎细胞的特性。它能长期维持未分化状态,又有全能分化的潜能,在体外培养时仍能维持正常和稳定的染色体组型,在特定的环境诱导下,能分化成各类细胞。因此,它是细胞的源头,是全能细胞,并能够制造机体需要的全部细胞。
3.胚胎干细胞的培育过程
4.胚胎干细胞的主要用途
(1)将胚胎干细胞核移植到去核的卵细胞中,经过胚激活、胚胎培养、胚胎移植后直接由受体完成克隆动物。
(2)培育出人造组织器官,用于器官移植。
(3)改良创造动物新品种。
二、生物技术的伦理问题
1.试管婴儿与克隆人
(1)试管婴儿的培育过程
精子卵细胞受精卵婴儿
(2)克隆人的培育过程
2.治疗性克隆和生殖性克隆的比较
类型项目
治疗性克隆
生殖性克隆
区别
目的
治疗人类疾病
用于生育,产生新个体
水平
细胞水平
个体水平
联系
都属于无性繁殖;产生的新个体、新组织遗传信息相同
3.试管婴儿和设计试管婴儿的比较
(1)不同点
①所用技术手段:设计试管婴儿胚胎移植前需进行遗传学诊断或基因诊断,试管婴儿不需进行遗传学诊断或基因诊断。图中①②③是试管婴儿的培育过程,①②④⑤是设计试管婴儿的培育过程。
②应用:试管婴儿主要是解决不孕夫妇的生育问题,设计试管婴儿主要用于白血病、贫血症的治疗。
(2)相同点:都是体外受精,并进行体外早期胚胎培养,都要经过胚胎移植,都是有性生殖。
[针对训练]
3.(2017·河南信阳模拟)“试管婴儿”技术是将不孕夫妇的精子和卵细胞取出,在体外完成受精,并在体外培养,使其发育到如图所示的时期,再将胚胎移入女性子宫内发育成胎儿。它不仅使一部分不能生育的男女重新获得了生育的机会,也为人类的优生开辟了新的途径。据此回答:
(1)“试管婴儿”技术在生物学上所依据的原理是________。
A.有性生殖 
B.组织培养
C.克隆技术
D.基因工程
(2)人的受精卵通过卵裂,逐渐形成大量形态、功能不同的细胞、组织,进而形成器官和系统。从细胞水平看,卵裂的分裂方式是________________。
(3)图示时期是胚胎发育的________期。
(4)在该图下一时期,b细胞最可能成为________胚层的一部分。
(5)要得到“同卵双胞胎”,采用的技术是__________。双胞胎的性别是否相同?______________。
(6)现在大多数人反对设计婴儿性别,其原因是什么?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:(1)试管婴儿技术实际是体外受精,即经过精卵结合,所以是有性生殖。(2)卵裂是指在透明带中进行的早期胚胎发育,细胞数目不断增多,此时的细胞分裂方式为有丝分裂。(3)图示时期的特点是含有一个腔,即囊胚腔,所以称为囊胚期。(4)图示胚胎发育过程中,b细胞从囊胚表面运动到内部,形成一层内层细胞,最终形成内胚层。(5)将一个受精卵发育形成的早期胚胎一分为二,再移植到母体子宫发育,可形成两个婴儿,即同卵双胞胎,性别相同。(6)滥用设计试管婴儿技术设计婴儿性别会引起性别比例失调,且违反了伦理道德。
答案:(1)A (2)有丝分裂 (3)囊胚 (4)内 (5)胚胎分割移植 相同 (6)破坏了人类正常的性别比例,违反了伦理道德
授课提示:对应学生用书第266页
练全国高考真题——知考查重点
1.(2013·高考新课标全国卷Ⅰ)阅读如下资料:
资料甲:科学家将牛生长激素基因导入小鼠受精卵中,得到了体型巨大的“超级小鼠”;科学家采用农杆菌转化法培育出转基因烟草。
资料乙:T4溶菌酶在温度较高时易失去活性。科学家对编码T4溶菌酶的基因进行了改造,使其表达的T4溶菌酶第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸,在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键,提高了T4溶菌酶的耐热性。
资料丙:兔甲和兔乙是同一物种的两个雌性个体,科学家将兔甲受精卵发育成的胚胎移植到兔乙体内,成功产出兔甲的后代,证实了同一物种的胚胎可在不同个体的体内发育。
回答下列问题:
(1)资料甲属于基因工程的范畴。将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用________________法。构建基因表达载体常用的工具酶是________________和________________。在培育有些转基因植物时,常用农杆菌转化法,农杆菌的作用是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)资料乙中的技术属于________________工程的范畴,该工程是指以分子生物学相关理论为基础,通过基因修饰或基因合成,对________进行改造,或制造一种________的技术。在该实例中,引起T4溶菌酶空间结构改变的原因是组成该酶肽链的________序列发生了改变。
(3)资料丙属于胚胎工程的范畴。胚胎移植是指将获得的早期胚胎移植到________种的、生理状态相同的另一个雌性动物体内,使之继续发育成新个体的技术。在资料丙的实例中,兔甲称为________体,兔乙称为________体。
解析:(1)将目的基因导入动物细胞常用显微注射法;构建基因表达载体需要限制性核酸内切酶对目的基因所在的DNA和载体进行切割,还需要DNA连接酶将目的基因与载体结合;农杆菌中的Ti质粒上的T DNA可转移至受体细胞,并且整合到受体细胞染色体的DNA上,故可用农杆菌感染植物,将目的基因导入植物细胞。(2)资料乙中的技术属于蛋白质工程的范畴,通过改造基因,对T4溶菌酶这种蛋白质进行了改造,使组成该酶的氨基酸序列发生了改变,从而提高了T4溶菌酶的耐热性。(3)由于同一物种的生理特性相同,因此进行胚胎移植时,受体与供体物种相同,易于成功;兔甲是提供胚胎的个体,称为供体,兔乙是接受胚胎的个体,称为受体。
答案:(1)显微注射 限制性内切酶 DNA连接酶 农杆菌可感染植物,将目的基因转移到受体细胞中 (2)蛋白质 现有的蛋白质 新蛋白质 氨基酸 (3)同 供 受
2.(2015·高考山东卷)治疗性克隆对解决供体器官缺乏和器官移植后免疫排斥反应具有重要意义。流程如下:
(1)过程①采用的是细胞工程中的________技术,过程②采用的是胚胎工程中的________技术。
(2)体细胞进行体外培养时,所需气体主要有O2和CO2,其中CO2的作用是维持培养液(基)的________。
(3)如果克隆过程中需进行基因改造,在构建基因表达载体(重组载体)时必须使用________和________两种工具酶。基因表达载体上除目的基因外,还需有________基因,以便选出成功导入基因表达载体的细胞。
(4)胚胎干细胞可以来自囊胚中的________。在一定条件下,胚胎干细胞可以分化形成不同的组织器官。若将图中获得的组织器官移植给个体________(填“A”或“B”),则不会发生免疫排斥反应。
解析:(1)由图示可知,过程①表示利用个体A的去核卵(母)细胞和个体B的体细胞核通过核移植技术构建重组细胞;过程②表示将重组细胞进行早期胚胎培养,培养至囊胚期,然后从内细胞团中获取胚胎干细胞,之后定向诱导分化形成所需要的组织器官并进行器官移植。(2)动物细胞培养需要适宜的外界条件,例如无菌无毒的环境、营养、温度和pH、气体环境等,其中CO2用以维持培养液的pH。(3)基因工程中需要用限制酶切割目的基因和运载体,以获得相同的末端,再用DNA连接酶连接成基因表达载体;基因表达载体包含目的基因、标记基因、启动子、终止子等结构,标记基因用于筛选成功导入基因表达载体的细胞。(4)胚胎干细胞来自内细胞团细胞或原始性腺细胞;图示克隆器官细胞核来自个体B,获得的组织器官与个体B不会发生免疫排斥反应。
答案:(1)(体细胞)核移植 (早期)胚胎培养
(2)pH(或:酸碱度)
(3)限制性(核酸)内切酶(或限制酶) DNA连接酶(两空可颠倒) 标记 (4)内细胞团 B
3.(2015·高考重庆卷)某课题组为解决本地种奶牛产奶量低的问题,引进了含高产奶基因但对本地适应性差的纯种公牛。
(1)拟进行如下杂交:
♂A(具高产奶基因的纯种)×♀B(具适宜本地生长基因的纯种)→C
选择B作为母本,原因之一是胚胎能在母体内正常________。若C中的母牛表现为适宜本地生长,但产奶量并未提高,说明高产奶是________性状。为获得产奶量高且适宜本地生长的母牛,根据现有类型,最佳杂交组合是________,后代中出现这种母牛的概率是________(假设两对基因分别位于不同对常染色体上)。
(2)用以上最佳组合,按以下流程可加速获得优良个体。
精子要具有受精能力,需对其进行________处理;卵子的成熟在过程________中完成。在过程④的培养基中含有葡萄糖,其作用是________。为筛选出具有优良性状的母牛,过程⑤前应鉴定胚胎的________。子代母牛的优良性状与过程________的基因重组有关。
(3)为了提高已有胚胎的利用率,可采用________技术。
解析:(1)B为适宜本地生长的母牛,选择B作为母本可保证胚胎在母体内正常生长发育。具高产奶基因的纯种公牛与具适宜本地生长基因的纯种母牛杂交的后代C未表现出高产奶性状,说明高产奶是隐性性状(假设由基因a控制);同时C表现为适宜本地生长,说明适宜本地生长是显性性状(假设由基因B控制)。♂A(aabb)×♀
B(AABB)→C(AaBb),♂
A(aabbXY)×♀C(AaBbXX)→1/8aaBbXX。(2)胚胎工程中精子要具有受精能力,需对其进行获能处理;卵子的成熟在受精过程(即图中③)中完成。在胚胎培养过程中,培养基中的葡萄糖的作用是供能。为筛选出具有优良性状(即高产奶、适宜本地生长)的母牛,在胚胎移植前需鉴定胚胎的性别、高产奶和适应生长的基因。(3)采用胚胎分割技术可提高已有胚胎的利用率。
答案:(1)生长发育(或胚胎发育) 隐性 ♂
A×♀
C 1/8 (2)获能或增强活力 ③ 供能 性别、高产奶和适应生长的基因 ② (3)胚胎分割
4.(2015·高考安徽卷)科研人员采用转基因体细胞克隆技术获得转基因绵羊,以便通过乳腺生物反应器生产人凝血因子Ⅸ医用蛋白,其技术路线如图。
(1)由过程①获得的A为_______________________________________。
(2)在核移植之前,必须先去掉受体卵母细胞的核,目的是__________________。
受体应选用____________期卵母细胞。
(3)进行胚胎移植时,代孕母羊对移入子宫的重组胚胎基本上不发生________,这为重组胚胎在代孕母羊体内的存活提供了可能。
(4)采用胎儿成纤维细胞进行转基因体细胞克隆,理论上可获得无限个转基因绵羊,这是因为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:(1)依据图示,①为表达载体构建过程,A为含有目的基因的表达载体。(2)在核移植前,去掉受体卵母细胞核的目的是保证核遗传物质来自含目的基因的成纤维细胞;受体细胞应选用减Ⅱ中期的卵母细胞。(3)在胚胎移植时,代孕母羊对移入子宫的重组胚胎基本不发生免疫排斥反应,这为重组胚胎的存活提供了可能。(4)由于整合有目的基因的成纤维细胞可以进行传代培养,故理论上可获得无限个转基因绵羊。
答案:(1)含目的基因的表达载体 (2)保证核遗传物质来自含目的基因的成纤维细胞 MⅡ (3)免疫排斥反应 (4)整合有目的基因的成纤维细胞可进行传代培养
练各地市模拟——知命题热点
5.(2017·广东六校联考)为了加快优良种牛的繁殖速度,科学家采用了以下两种方法,请根据图示信息回答下列问题。
(1)试管牛的培育属于________________(填“有性繁殖”或“无性繁殖”);试管牛和克隆牛的培育过程中均用到的工程技术有早期胚胎培养、________________等;克隆牛的培育依据的原理是________________。
(2)促使B牛多排卵的激素一般是____________。对B牛和D牛要进行________处理。
(3)在受精的过程中,卵子受精的标志是__________________________。
(4)要培育高产奶率的转基因牛,如建立生产生长激素的乳腺生物反应器,即科学家将________和乳腺蛋白基因的________、________等调控组件重组在一起(该过程需要用到的酶是________),再通过__________法导入牛的________________中。
解析:(1)试管牛的培育属于有性繁殖,试管牛和克隆牛的培育过程中均用到的工程技术有早期胚胎培养、胚胎移植等;克隆牛的培育依据的原理是动物细胞核具有全能性。(2)一般用促性腺激素处理供体母牛,促使其超数排卵;胚胎移植时,要对受体母畜和供体母畜进行同期发情处理。(3)在受精的过程中,卵子受精的标志是在透明带和卵细胞膜间有两个极体。(4)要培育高产奶率的转基因牛,如建立生产生长激素的乳腺生物反应器,即科学家将生长激素基因和乳腺蛋白基因的启动子、终止子等调控组件重组在一起(该过程需要用到的酶是限制酶和DNA连接酶),再通过显微注射法导入牛的受精卵中。
答案:(1)有性繁殖 胚胎移植 动物细胞核具有全能性
(2)促性腺激素 同期发情
(3)在透明带和卵细胞膜间有两个极体
(4)生长激素基因 启动子 终止子 限制酶和DNA连接酶 显微注射 受精卵
授课提示:对应学生用书第375页
一、选择题
1.奥地利科学家已经使用干细胞在实验室中培育出微型人脑。部分培育过程为科研人员选取人类胚胎干细胞或成人皮肤细胞,将其培育成神经外胚层,再放入特制的凝胶中,引导组织进一步生长。请回答下列有关胚胎工程的问题:
(1)哺乳动物的胚胎干细胞又叫ES或EK细胞,是从________或________中分离出来的一类细胞。这种细胞在形态上表现为体积小、________大、核仁明显;在功能上,具有________,即可以分化为成年动物体内任何一种组织细胞。
(2)利用胚胎干细胞可治疗肝衰竭,实现此过程的最重要的原因是________(填“细胞分裂”或“细胞分化”)。
(3)胚胎工程的应用除上述的胚胎干细胞之外,还包括________和胚胎分割。其中胚胎分割要选取发育良好,形态正常的________;对囊胚阶段的胚胎进行分割时,要将________,否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。
(4)在胚胎分割过程中,做DNA分析性别鉴定时,一般要选取________细胞。通过胚胎分割产生的后代的性别________(填“相同”或“不同”)。
解析:(1)胚胎干细胞是从早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞。在形态上,表现为体积小,细胞核大,核仁明显;在功能上,具有发育的全能性。(2)ES细胞具有发育的全能性,可以被诱导分化形成新的组织细胞,移植ES细胞可使坏死或退化的部位得以修复并恢复正常功能,因此治疗肝衰竭主要利用的就是这一特性。(3)胚胎工程的应用包括胚胎移植、胚胎分割和胚胎干细胞;一般选择发育良好,形态正常的桑椹胚或囊胚进行胚胎分割;对囊胚阶段的胚胎进行分割时,要将内细胞团均等分割,否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。(4)做DNA分析性别鉴定时一般要选取滋养层细胞,通过胚胎分割产生相同性别的子代。
答案:(1)早期胚胎 原始性腺 细胞核 发育的全能性 (2)细胞分化 (3)胚胎移植 桑椹胚或囊胚 内细胞团均等分割 (4)滋养层 相同
2.哺乳动物单倍体胚胎干细胞技术是遗传学研究的新手段,该项技术为研究隐性基因功能提供了理想的细胞模型。下图表示研究人员利用小鼠获取单倍体胚胎干细胞的方法。请分析回答。
(1)方法一中,研究人员需对实验小鼠注射________,使其________,从而获得更多的卵母细胞。用SrCl2溶液处理、激活卵母细胞,在体外选用特制的培养液培养至________期,从内细胞团中分离、筛选出胚胎干细胞。采用这种方法获得的单倍体胚胎干细胞称为孤雌单倍体胚胎干细胞。
(2)采用方法二可获得孤雄单倍体胚胎干细胞。受精阶段,防止多精入卵的第一道屏障是________。研究人员用特定方法去除细胞M中的________原核,再对处理后的细胞进行进一步的培养、分离和筛选。
(3)研究发现,小鼠单倍体胚胎干细胞存在自发二倍体化的现象。为此,可以通过测定并分析细胞内DNA分子的含量,或利用显微镜观察处于________(写出分裂类型及时期)细胞的染色体数目进行确定。
解析:(1)超数排卵利用的激素是促性腺激素。胚胎发育到囊胚阶段出现细胞分化,形成内细胞团。(2)防止多精入卵的第一道屏障是透明带反应。将受精卵中的雌原核去掉,保留雄原核,经培育可以得到孤雄单倍体胚胎干细胞。(3)观察染色体形态、计数染色体数目的最佳时期是细胞有丝分裂中期,因为此时染色体螺旋化程度最高且着丝点整齐排列在赤道板上。
答案:(1)促性腺激素 超数排卵 囊胚 (2)透明带反应 雌 (3)有丝分裂中期
3.2013年12月20日,美国《细胞》杂志发布,中国科研团队在国际上率先完成了“单个卵细胞的高精度基因组测序”,该技术或可将试管婴儿的活产成功率从30%提至60%,并检测与遗传疾病有关的DNA序列变异,降低帕金森氏综合征等疾病遗传到下一代的风险。
(1)“试管婴儿”技术与克隆人本质的区别是前者为________生殖方式。
(2)获得“试管婴儿”需要的胚胎工程技术有________________、________和胚胎移植等。胚胎移植通常要将胚胎培养到________阶段。理论上要得到“同卵双胞胎”,采用的技术是________。
(3)在医学上可用____________细胞来治疗帕金森氏综合征。该细胞是由________________中分离出来的一类细胞。
(4)现在大多数人反对设计试管婴儿,其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:(1)试管婴儿是由受精卵发育来的,属于有性生殖,克隆属于无性生殖。(2)胚胎需发育到桑椹胚或囊胚时期才能进行移植。(3)胚胎干细胞具有全能性,可通过胚胎干细胞移植来治疗某些由于细胞功能问题引起的疾病。(4)设计试管婴儿会淘汰掉一些“不符合要求”的胚胎,所以部分人认为这是对生命的不尊重,从而引发伦理问题。
答案:(1)有性
(2)早期胚胎培养 体外受精 桑椹胚或囊胚 胚胎分割
(3)胚胎干(ES、EK) 早期胚胎或原始性腺
(4)对生命不尊重,违反伦理道德
4.电影中,“蜘蛛侠”能产生高强度的蜘蛛丝,现实中的基因工程也创造出了“蜘蛛羊”,该羊的乳汁中含有蛛丝蛋白,高强度的蛛丝蛋白可用于许多重要的特种工业领域。请回答:
(1)实验中,通常用ES细胞作为目的基因的受体细胞,这是因为ES细胞在功能上具有________特征。这种细胞一般可以从哺乳动物的________或________中分离出来。
(2)在培养重组细胞时,为了维持不分化的状态,在培养液中要加入________。为防止杂菌污染,可以在细胞培养液中添加一定量的________。
(3)胚胎移植时,通常将早期胚胎移植到同种且________与供体相同的动物体内,受体对外来胚胎基本上不发生________。正常发育后产出“蜘蛛羊”,这种生殖方式为________。若需要一次产生两头转基因“蜘蛛羊”,可将________阶段的胚胎进行分割。
(4)科学家为保证乳汁中有蛛丝蛋白,应该用________技术,先检测蛛丝蛋白基因是否整合到了受体羊的染色体上。
解析:(1)胚胎干细胞一般从哺乳动物的原始性腺或早期胚胎中分离出来。由于胚胎干细胞具有发育的全能性,故常作为目的基因的受体细胞。(2)在动物细胞培养时,为了维持不分化的状态,在培养液中要加入抑制因子。为防止杂菌污染,可以在细胞培养液中添加一定量的抗生素。(3)受体对外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应,所以胚胎移植时,通常将早期胚胎移植到同种且生理状态与供体相同的同种动物体内。若需要一次产生多个个体,可将囊胚或桑椹胚阶段的胚胎进行分割。(4)科学家为保证乳汁中有蛛丝蛋白,应该用DNA分子杂交技术,先检测蛛丝蛋白基因是否整合到了受体羊染色体上,也可使用抗原—抗体法检测乳汁中是否有蛛丝蛋白。
答案:(1)发育的全能性 原始性腺 早期胚胎 (2)抑制因子 抗生素 (3)生理状态 免疫排斥反应 无性生殖 囊胚或桑椹胚 (4)DNA分子杂交
5.我国首例“第三代试管婴儿”在上海诞生,这是我国生殖辅助技术领域的一个里程碑。请回答下列问题:
(1)第一代试管婴儿针对女性输卵管堵塞患者,用穿刺针将________(填细胞名称)取出,采集的细胞需要在体外培养成熟,才能与________受精。第二代试管婴儿则针对男性少、弱、畸形精子症患者,通过________技术将精子注入卵母细胞内帮助受精。第三代试管婴儿要在胚胎移植前______________________,从而帮助更多的家庭生出健康的宝宝。
(2)母体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生________,这为胚胎在母体内存活提供了可能。
(3)现在我国大多数人反对设计试管婴儿性别,原因是________________________,在进行试管婴儿设计时一定不能违反________。
解析:(1)第一代试管婴儿技术中采集的卵母细胞在体外培养到减数第二次分裂中期,然后与获能的精子结合,形成受精卵,经短期培养后再植入母体子宫。第二代试管婴儿技术中需要运用显微注射技术,将精子注入卵母细胞内。第三代试管婴儿,要在胚胎移植前对胚胎进行遗传学诊断。(2)胚胎移植的前提是受体对外来的胚胎基本上不发生免疫排斥反应。(3)如果设计试管婴儿性别得到允许,可能破坏人类正常的性别比例。
答案:(1)卵母细胞 获能的精子 显微注射 对胚胎进行遗传学诊断 (2)免疫排斥反应 (3)可能破坏人类正常的性别比例 人类伦理道德
6.随着生活水平的提高,糖尿病的患病率增加,胰岛素是治疗糖尿病的常用药,可通过基因工程创造出“胰岛素羊”(该羊的乳汁中含有胰岛素),为糖尿病患者带来福音。利用该技术生产胰岛素的过程如图所示。
重组DNA受体细胞转基因羊提取胰岛素
回答下列问题:
(1)为保证实验成功,产生胰岛素的基因可从cDNA文库中获取,然后与________相连构建成为重组DNA;图中过程②是通过________等方法,将重组DNA导入羊的________获得受体细胞。
(2)图中过程③是先通过动物细胞培养形成早期胚胎,然后将胚胎移植到经过____________处理的受体母羊子宫内。目前对动物细胞所需的营养条件还没有完全研究清楚,在早期胚胎的培养中往往还需要添加________。若利用一个早期胚胎一次产生两头转基因“胰岛素羊”,可将该胚胎进行________________________处理。
(3)若该“胰岛素羊”(已知重组DNA已进入细胞)乳汁中检测到胰岛素,其乳腺细胞分泌的胰岛素与转基因“胰岛素细菌”产生的胰岛素相比所具有的优点为______________________,原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:(1)目的基因需要与运载体结合构建成为重组DNA才能导入受体细胞;若导入动物的受精卵内常采用显微注射法。(2)胚胎移植的受体动物必须经过同期发情处理。对动物细胞所需的营养条件还没有完全研究清楚,在早期胚胎的培养中往往还需要添加动物血清。若利用一个早期胚胎一次产生两头转基因“胰岛素羊”,可将该胚胎进行胚胎分割。(3)乳腺细胞有内质网与高尔基体,能加工相关蛋白质,而细菌没有内质网与高尔基体,故“胰岛素羊”乳腺细胞分泌的胰岛素有生物学活性,转基因“胰岛素细菌”产生的胰岛素无生物学活性,需要再加工。
答案:(1)运载体 显微注射 受精卵
(2)同期发情 动物血清 胚胎分割
(3)转基因“胰岛素羊”乳腺细胞分泌的胰岛素有生物学活性,转基因“胰岛素细菌”产生的胰岛素无生物学活性,需要再加工 乳腺细胞有内质网与高尔基体,能加工相关蛋白质,而细菌没有内质网与高尔基体
7.(2017·山东泰安模拟)人类疾病的转基因动物模型常用于致病机理的探讨及治疗药物的筛选。利用正常大鼠制备遗传性高血压转基因模型大鼠的流程如图所示。
(1)卵母细胞除从活体输卵管中采集外,还可以从已处死的雌鼠________中获取。
(2)图中的高血压相关基因作为________,质粒作为________,二者需用________切割后连接成重组载体,该过程与质粒上含有____________有关。
(3)子代大鼠如果________________和________,即可分别在分子水平和个体水平上说明高血压相关基因已成功表达,然后可用其建立高血压转基因动物模型。
(4)在上述转基因大鼠的培育过程中,所用到的主要胚胎工程技术是________、早期胚胎培养和胚胎移植。
解析:(1)卵母细胞经排出后,一般是进入输卵管准备受精,为获得卵母细胞还可以从已处死的雌鼠卵巢收集,但死亡的时间不能太长。(2)题中用高血压的相关基因做实验进行致病机理的探讨和治疗药物的筛选,该基因是目的基因,该基因与载体——质粒相结合,可将目的基因导入受体细胞中,目的基因与质粒结合需要用相同的限制酶进行切割,以期得到相同的黏性末端。质粒上一般含有多个限制酶切割位点。(3)目的基因导入受体细胞后,要通过检测看其是否能够成功表达,可以从分子水平和个体水平进行检测。(4)胚胎工程技术一般包括体外受精、早期胚胎培养、胚胎分割、胚胎移植等。
答案:(1)卵巢 (2)目的基因 载体 同种限制性核酸内切酶(或同种限制酶) 限制酶切割位点 (3)检测到体内有相关蛋白 出现高血压 (4)体外受精
8.下图为利用生物技术生产单克隆抗体和经体外受精培育优质奶牛的过程。请回答下列问题:
(1)图Ⅰ所示制备单克隆抗体的过程,包括__________________和动物细胞培养两个过程,在进行动物细胞培养时,首先要将动物组织剪碎,然后用________处理,使其分散成单个细胞,制备成细胞悬液。
(2)A细胞的特点是____________________________,经选择性培养的杂交瘤细胞,还需进行__________________和抗体检测,经多次筛选就可获得足够数量的能分泌所需抗体的细胞,最后进行体内或体外培养。
(3)单克隆抗体与常规抗体相比,具有______________的特点。
(4)图Ⅱ所示过程为优质奶牛的培育过程,该过程需要进行胚胎移植,移植后的胚胎能在受体子宫中存活,其生理基础是_______________________________。
(5)若要同时获得多头与此优质奶牛相同的小牛,可对图Ⅱ所示囊胚阶段的胚胎进行________,操作过程需要特别注意的问题是__________________________,否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。
解析:(1)单克隆抗体的制备包括动物细胞融合和动物细胞培养。在动物细胞培养过程中,需用胰蛋白酶处理。(2)A为杂交瘤细胞,既能迅速大量增殖,又能产生专一的抗体。经选择性培养的杂交瘤细胞,还需进行克隆化培养和抗体检测。(3)单克隆抗体具有特异性强、灵敏度高,并可以大量制备的优点。(4)胚胎能在受体子宫中存活的生理基础是受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应。(5)要同时获得多头与此优质奶牛相同的小牛需采用胚胎分割技术,需要将囊胚的内细胞团均等分割。
答案:(1)动物细胞融合 胰蛋白酶
(2)既能迅速大量增殖,又能产生专一的抗体 克隆化培养
(3)特异性强、灵敏度高,并可以大量制备
(4)受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应
(5)胚胎分割移植(或胚胎分割) 将内细胞团进行均等分割

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