1、-1-第第3 3节基因工程的应用节基因工程的应用学习目标1.举例说明基因工程在农牧业、医药卫生及食品工业的应用。2.举例说出日常生活中的转基因产品,理性看待基因工程给我们的生产和生活带来的影响。一、基因工程在农牧业方面的应用1.转基因抗虫植物(1)方法:从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因,将其导入作物中。(2)成果:转基因抗虫棉花、玉米、水稻等。(3)意义:减少化学杀虫剂的使用,降低生产成本,减少环境污染。2.转基因抗病植物(1)方法:将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中。(2)成果:转基因抗病毒甜椒、番木瓜等。(3)意义:能获得用常规育种方法很难培育出的抗病的新品种。3.转基因抗除
2、草剂植物(1)方法:将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物中。(2)成果:转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。(3)意义:在喷施除草剂时,田间杂草会被杀死而作物不受损伤。4.基因工程在农牧业方面的作用作用目的基因成果举例改良植物的品质必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因转基因玉米(赖氨酸含量高)与植物花青素代谢相关的基因转基因矮牵牛提高动物的生长速率外源生长激素基因转基因鲤鱼改善畜产品的品质肠乳糖酶基因转基团牛分泌的乳汁中乳糖含量大大降低预习反馈1.判断正误。(1)转基因抗虫棉的Bt抗虫蛋白基因能抗病毒、细菌、真菌。( )(2)“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物。( )(3)基因工
3、程中,要培育转基因植物和动物,选用的受体细胞都是受精卵。( )2.科学家将萤火虫的荧光素基因转入烟草植物细胞并获得高水平的表达。长成的烟草植株通体光亮,堪称自然界的奇迹。这一研究成果表明()萤火虫与烟草的DNA结构基本相同萤火虫与烟草共用一套遗传密码烟草体内合成了荧光素萤火虫和烟草合成蛋白质的方式基本相同A.B.C. D.答案D解析萤火虫与烟草的遗传物质都是双链DNA,这是完成基因重组的基础,正确;自然界的所有生物几乎都共用一套遗传密码,正确;萤火虫的荧光素基因导入烟草细胞使得该转基因植株通体光亮,可见荧光素基因在该植株中成功表达,即烟草体内合成了荧光素,正确;萤火虫与烟草细胞合成蛋白质的方式
4、基本相同,都是以mRNA为模板,在核糖体上,经氨基酸脱水缩合形成蛋白质,正确。二、基因工程在医药卫生领域方面的应用1.基因工程药物类型:细胞因子、抗体、疫苗和激素等。2.利用转基因微生物生产药物。对大肠杆菌或酵母菌进行基因改造,生产(重组)人干扰素。3.利用转基因动物生产药物。培育乳腺生物反应器(或乳房生物反应器),通过转基因动物分泌乳汁来生产药物。前景:还可能利用基因工程技术培育无免疫排斥反应的动物器官,用于人类器官移植。三、基因工程在食品工业方面的应用1.利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。(1)利用基因工程大规模生产天冬氨酸和苯丙氨酸。(2)利用基因工程通过工业发酵批量生产
5、凝乳酶、淀粉酶、脂酶等。2.基因工程技术获得的工业用酶的优点:纯度高、生产成本低、生产效率高。预习反馈1.判断正误。(1)利用转基因微生物可生产人的胰岛素等某些激素。( )(2)基因工程药物生产效率高、针对性强、成本低、价格便宜。( )(3)动物和微生物可以生产基因工程药物,植物不能。( )2.科学家运用基因工程技术,将人凝血因子基因导入山羊的DNA中,培育出羊乳腺生物反应器,使羊乳汁中含有人凝血因子。以下有关叙述正确的是()A.可用显微注射技术将含有人凝血因子基因的重组DNA分子导入羊的受精卵B.在该转基因羊中,人凝血因子存在于乳腺细胞,而不存在于其他细胞C.人凝血因子基因开始转录后,DNA
6、聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNAD.科学家将人凝血因子基因与山羊乳腺蛋白基因重组在一起,从而使人凝血因子基因只在山羊乳腺细胞中特异表达答案A解析将目的基因导入受精卵中,获得的转基因羊的体细胞中都含有目的基因,A项正确,B项错误;转录过程是由RNA聚合酶参与催化的,DNA聚合酶催化DNA复制过程,C项错误;将山羊乳腺蛋白基因的启动子与人凝血因子基因重组在一起,从而使人凝血因子基因只在山羊乳腺细胞中特异表达,D项错误。探究点一探究点二基因工程在农牧业方面的应用基因工程在农牧业方面的应用情境导引随着科学技术的发展,化学农药的产量和品种逐年增加,但害虫的抗药性也不断增强,对农作物危害仍然很
7、严重。农科院开展“转基因抗虫棉”的科技攻关研究,成功地将某种细菌产生抗虫蛋白的抗虫基因导入棉花细胞中,得到的棉花新品种对棉铃虫的毒杀效果高达80%以上。全球转基因作物的种植面积从1996年的170万公顷发展到2017年的1.898亿公顷,20年间增加了100多倍。探究点一探究点二请讨论回答下列问题。1.植物基因工程主要用于哪些方面?提示提高农作物的抗逆能力,改良农作物的品质,利用植物生产药物等。2.大量使用农药的负面作用有哪些?提示大量使用农药不仅造成严重的环境污染,损害了人类健康,而且大大增加了生产成本。探究点一探究点二3.植物的抗逆性包括哪些内容?请举例说明在基因工程中的应用。提示抗除草剂
8、、抗虫、抗病、抗干旱、抗盐碱等。盐碱和干旱对作物的危害与细胞内渗透压调节有关,可利用基因工程将可以调节细胞渗透压的基因导入农作物,培育转基因抗盐碱和抗干旱的农作物,来提高农作物的抗盐碱和抗干旱能力;利用基因工程技术将抗除草剂基因导入农作物,培育转基因抗除草剂作物,可在喷洒除草剂时,杀死杂草,而农作物不受伤害。探究点一探究点二归纳提升转基因植物培育过程易错提醒 转基因作物中的目的基因目的基因都是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因,并不都是来自细菌、病毒等微生物,如抗冻蛋白基因来自鱼类。探究点一探究点二典例剖析目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉,下列说法正确的是()A.苏云金芽
9、孢杆菌的Bt抗虫蛋白基因与质粒结合后直接进入棉花的叶肉细胞表达B.抗虫基因导入棉花叶肉细胞后,可通过传粉、受精的方法,使抗虫性状稳定遗传下去C.标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因D.连续种植转基因抗虫棉不会改变棉铃虫的抗性探究点一探究点二答案C解析重组质粒形成后需要通过农杆菌转化法等方法导入棉花的叶肉细胞;如果抗虫基因导入棉花叶肉细胞的细胞质中,转基因棉花的花粉中不含该基因,如果导入细胞核基因中,该转基因植株相当于杂合子,后代会发生性状分离;抗虫棉的选择作用使具有抗性突变的棉铃虫生存下来,经过长时间积累,棉铃虫的抗性会增强。探究点一探究点二活学活练1.北极比目鱼中有抗冻基因,该基因
10、编码的抗冻蛋白具有11个氨基酸的重复序列,该序列重复次数越多,抗冻能力越强。下图是获取转基因抗冻番茄植株的过程示意图,下列有关叙述正确的是()探究点一探究点二A.过程是获取抗冻基因的过程,用到的酶只有限制酶B.在重组质粒上,抗冻基因首端和末端一定具有启动子和终止子,启动和终止翻译的进程C.过程用到的质粒是农杆菌的Ti质粒,将重组质粒转入农杆菌的目的是筛选重组质粒D.根据抗冻基因制作的DNA探针,可以用来检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在探究点一探究点二答案D解析据题图可知,该转基因技术操作中,获取目的基因的方法是利用抗冻基因(目的基因)的mRNA逆转录合成cDNA,进而获取目的基因,需要的
11、酶有逆转录酶和限制酶等,A项错误;目的基因首端和末端的启动子和终止子均是DNA片段,分别启动和终止转录的进程,B项错误;重组质粒转入农杆菌的目的是通过农杆菌转化法将目的基因导入番茄细胞中,C项错误;检测目的基因是否导入受体细胞,通常是用目的基因制作DNA探针进行检测,D项正确。探究点一探究点二2.我国有大量的盐碱地,科学家利用耐盐碱植物中的耐盐基因,培育出了耐盐水稻新品系。下图是培育过程简图,请回答下列的问题。探究点一探究点二(1)目的基因的获取需要酶,阶段的核心是。(2)为保证耐盐基因的正常转录,b上耐盐基因的两端应含有。(3)对耐盐基因转录和表达产物的检测应分别提取转基因水稻的、进行检测。
12、(4)由耐盐水稻细胞培育成了耐盐水稻植株,说明植物细胞具有。探究点一探究点二答案(1)限制性内切核酸构建耐盐基因表达载体 (2)启动子、终止子(3)mRNA蛋白质(4)全能性解析(1)目的基因的获取需要限制性内切核酸酶,基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建。(2)为保证耐盐基因的正常表达,需要专门的调控序列启动子和终止子。(3)对耐盐基因转录产物的检测和翻译产物的检测应分别提取转基因水稻的mRNA和蛋白质。(4)由植物细胞发育成完整植株,则体现了植物细胞具有全能性。探究点一探究点二基因工程在医药卫生领域的应用基因工程在医药卫生领域的应用干扰素是治疗癌症的重要药物,每300L人血中只能提取1m
13、g,所以从血液中提取的干扰素价格昂贵。美国加利福尼亚的某生物制药公司用如下方法生产干扰素(如下图所示)。探究点一探究点二请讨论回答下列问题。1.什么是干扰素?有何作用?用什么方法可大量生产干扰素?提示干扰素是动物或人体细胞受到病毒侵染后产生的一种糖蛋白。干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染,它是一种抗病毒的特效药。用基因工程的方法利用大肠杆菌及酵母菌细胞大量生产干扰素。2.什么叫工程菌?利用工程菌可生产哪些药物?提示用基因工程的方法,使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系一般称为工程菌。工程菌生产的药物有细胞因子、抗体、疫苗、激素等。探究点一探究点二3.基因工程药物与传统意义上的药物相比,有何优
14、点?提示基因工程药物生产效率高、针对性强、成本低、价格便宜。4.培育转基因动物,为什么不选用体细胞而选用受精卵作为受体细胞?提示动物已分化的体细胞全能性受到限制,而受精卵分化程度低,全能性容易表达。5.异体器官移植会产生什么反应?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。细胞免疫。科学家试图利用基因工程方法对猪的器官进行改造,采用的方法是在器官供体基因组导入某种调节因子,以抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因,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。探究点一探究点二归纳提升1.转基因动物的培育过程(以转基因牛培育过程为例)2.转基
15、因微生物的培育过程(以可生产干扰素的酵母菌的培育过程为例)探究点一探究点二3.乳腺生物反应器培育过程探究点一探究点二4.乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别(在生产人的药物蛋白方面)比较内容 乳腺生物反应器工程菌基因结构动物基因结构与人类的基因结构基本相同细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异基因表达合成的药物蛋白与天然蛋白质相同细菌合成的药物蛋白可能没有活性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或其培养液中提取探究点一探究点二易错提醒 基因工程应用的四个易混点(1)动物基因工程的目
16、的主要是改良畜产品的品质或者是用转基因动物生产药物。(2)高产青霉菌是诱变产生的,不属于基因工程菌。(3)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蛋白基因的启动子等调控组件,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)与乳腺生物反应器相比,膀胱生物反应器的优点是从转基因动物一出生就可以收集产物,不用考虑动物的性别和是否正处于生殖期。膀胱生物反应器最显著的优势在于从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。探究点一探
17、究点二典例剖析(多选)动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺进行大规模生产可用于治疗人类疾病或保健的活性蛋白质的现代生物技术成果。目前科学家已在牛和羊等动物的乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要医药产品。大致过程如下图所示。探究点一探究点二下列有关说法错误的是()A.通过形成的重组质粒只具有人的药用蛋白基因、终止子和标记基因B.通常采用处理法C.在转基因雌牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因得以表达,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、易提取探究点一探究点二答案AB解析要让人的药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并得到含药用蛋白的乳汁,重组质粒上还
18、必须具有牛的乳腺蛋白基因的启动子等调控组件,A项错误;培育转基因动物时通常利用的受体细胞是受精卵,采用显微注射技术将重组质粒导入受精卵,B项错误;转基因雌牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因得以表达,因此转基因雌牛分泌的乳汁中含有该药用蛋白,C项正确;该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取,D项正确。探究点一探究点二活学活练1.下面有关基因工程的叙述,正确的是()A.利用基因工程技术可分别从大肠杆菌和青霉菌体内获取基因工程药品胰岛素和青霉素B.用大肠杆菌作受体细胞时,可用NaCl处理大肠杆菌C.启动子也称为起始密码子,终止子也称为终止密码子D.由大肠杆菌工程菌获得的人的干扰素不能直接利用探究点
19、一探究点二答案D解析青霉菌产生青霉素是一种自身基因的正常表达,故从青霉菌体内获得的青霉素不属于基因工程药品,A项错误;用大肠杆菌作受体细胞时,可用CaCl2处理大肠杆菌,B项错误;启动子和终止子都是一段特殊的DNA序列,负责调控基因的转录,而起始密码子和终止密码子都存在于mRNA上,分别决定翻译的起始和终止,C项错误;大肠杆菌是原核生物,无内质网和高尔基体,由大肠杆菌工程菌生产的干扰素不具备天然活性,需经过人工加工处理后才能利用,D项正确。探究点一探究点二2.应用基因工程技术可以获得人们需要的生物新品种或新产品。请根据下列材料回答问题。材料一蜘蛛丝(丝蛋白)被称为“生物钢”,有着超强的抗张度,
20、可制成防弹背心、降落伞绳等。蜘蛛丝还可被制成人造韧带和人造肌腱。科学家研究出集中生产蜘蛛丝的方法培育转基因蜘蛛羊。材料二注射疫苗往往会在儿童和部分成年人身上引起痛苦。将疫苗藏身水果、蔬菜中,人们在食用这些转基因植物的同时也获得免疫力,因而无需免疫接种,这一新概念将引起疫苗研究的一场革命。探究点一探究点二探究点一探究点二(1)图中,过程所需要的工具酶有限制酶、DNA连接酶,构建的蜘蛛丝蛋白基因表达载体一般包括目的基因、标记基因、启动子、终止子等结构。(2)过程将重组质粒导入山羊受体细胞时,采用最多也最有效的方法是显微注射法。通过过程培育的蜘蛛羊可以作为乳腺生物反应器,从乳汁中提取所需要的蜘蛛丝蛋白。(3)通过培育转基因莴苣,相比诱变育种和杂交育种方法,具有目的性强,能克服远缘杂交不亲和的障碍(能有效地打破物种间的生殖隔离界限)等突出优点。
