1、基础预习自查基础预习自查核心互动探究核心互动探究课堂素养达标课堂素养达标第第3节基因工程的应用节基因工程的应用【课程标准】5.1.4举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质【素养目标】1.结合生活或生产实例,举例说出基因工程的应用。(生命观念)2.结合与基因工程的应用有关的话题,表明自己的观点并展开讨论。(科学思维、社会责任)基础预习自查基础预习自查问题一:举例说明基因工程在农牧业方面有哪些应用?1.发展:(1)农牧业:1996-2017年,全世界转基因作物种植面积增加_倍,_是世界上转基因作物种植面积最大的国家,我国转基因作物种植面积居世界第_位。(2)动物:第
2、一种用于食用的转基因动物_在美国获得批准上市。一百多美国八转基因大西洋鲑2.实例:连一连:基于基因工程在改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面的应用,将下列转基因生物和选用的目的基因连线。问题二:举例说明基因工程在医药卫生领域有哪些应用?1.生产药物:细胞因子、_、疫苗和激素等。如,我国生产的_、血小板生成素等均已投放市场。2.乳腺(房)生物反应器:(1)目的基因:_基因。(2)启动子:_的启动子。(3)受体细胞:_。(4)目的基因导入受体细胞的方法:_。(5)药物来源:从_中提取。抗体重组人干扰素药用蛋白乳腺中特异表达的基因受精卵显微注射法乳汁3.移植器官:在器官供体的基因组中导入某种
3、调节因子,抑制_的表达,或除去_基因,培育出不会引起免疫反应的转基因克隆猪器官。问题三:举例说明基因工程在食品工业方面有哪些应用?1.氨基酸:利用转基因生物生产合成阿斯巴甜的原料_和_。2.酶:利用转基因生物生产奶酪的_酶;利用转基因生物生产加工转化糖浆的_酶;利用转基因生物生产加工烘烤食品的_酶等。3.维生素。【微思考】利用基因工程菌获取的工业用酶有什么优点?提示:纯度高,生产成本低,生产效率高 抗原决定基因天冬氨酸苯丙氨酸淀粉凝乳脂抗原决定探究点一基因工程在农牧业方面的应用1.基因工程在农业方面的应用(科学思维、社会责任):【图表情境】(1)上图中序号和代表的含义:_;_。(2)抗虫棉能抗
4、病毒、细菌和真菌吗?为什么?提示:不能,抗虫基因具有专一性。核心互动探究核心互动探究抗虫基因构建基因表达载体(3)经上述过程培育的抗虫棉能否取得最后的成功最简单的检测方法是什么?提示:做抗虫实验,让害虫吃转基因棉花的植株,观察害虫的生存状况。(4)培育抗逆作物的意义:从环境保护角度出发,分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性:_。种植转基因抗虫棉若干年后,害虫会不会对转基因抗虫棉产生抗性?为什么?提示:会。害虫会因遗传物质发生改变产生对转基因抗虫棉的抗性。减少了化学农药的使用量,降低了环境污染2.基因工程在畜牧业方面的应用(科学思维、社会责任):【图表情境】转基因牛生产过程(1)为
5、提高动物的生长速度,需将外源生长激素基因导入动物体内,应该选择的受体细胞是_,原因是_。(2)将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组能降低牛奶中的乳糖含量的原因是_。受精卵受精卵体积较大,操作较容易;含营养物质丰富,也能保障发育成的个体所有细胞都含有外源基因;全能性较高肠乳糖酶基因在奶牛乳腺细胞中表达出乳糖酶,可以分解乳汁中的乳糖【探究总结】利用转基因技术改良植物的品质【定向训练】1.我国转基因技术发展态势良好,农业部依法批准发放了转植酸酶基因玉米、转基因抗虫水稻的生产应用安全证书。下列关于转基因玉米和转基因水稻的叙述,不正确的是()A.转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因B.转基因抗虫水稻减少了化学
6、农药的使用,减轻了环境污染C.转基因抗虫水稻是否具有抗虫性,可通过用卷叶螟食用水稻进行检测D.转基因抗虫水稻的外源基因是几丁质酶基因【解析】选D。转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因,转基因抗虫水稻的外源基因是Bt毒蛋白基因,而几丁质酶基因是抗真菌转基因植物常用的外源基因,A正确,D错误;转基因抗虫水稻减少了化学农药的使用,减轻了环境污染,B正确;检测目的基因是否表达最简便的方法是进行个体水平的检测,C正确。2.下图表示应用基因工程技术生产干扰素的三条途径,下列相关叙述错误的是()A.途径甲中,过程应将干扰素基因和乳腺蛋白基因的启动子重组B.途径乙中,过程一般所采用的方法是农杆菌转化法C.途
7、径丙中,过程可用Ca2+处理大肠杆菌,以制备感受态细胞D.三条途径中,过程依据的生物学原理相同【解析】选D。途径甲中,要使目的基因在乳腺中表达,过程应将干扰素基因和乳腺蛋白基因的启动子重组,A正确;途径乙中,过程将目的基因导入植物细胞时,一般所采用的方法是农杆菌转化法,B正确;途径丙中,过程将目的基因导入大肠杆菌时,常用Ca2+处理大肠杆菌,使其成为易吸收周围环境中DNA分子的感受态细胞,C正确;途径甲是利用了受精卵的全能性,途径乙是利用了植物细胞的全能性,途径丙是利用了大肠杆菌增殖快的特点,D错误。【补偿训练】目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉,以下说法正确的是()A.苏云金芽
8、孢杆菌的毒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.转基因抗虫棉经过种植,棉铃虫不会产生抗性,这样可以有效消灭棉铃虫【解题指南】解答本题要注意以下关键点:(1)将目的基因导入植物细胞常采用农杆菌转化法。(2)转基因生物在有性生殖时,子代不一定能够获得相应性状。(3)抗虫作物只能抵抗害虫对该作物的破坏,不能消灭害虫。【解析】选C。苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因与质粒结合后,需用农杆菌转化法导入棉花的叶肉细胞,不能直接进入棉花的叶肉细胞表达,A项错误;叶肉细胞是体细胞,其
9、基因不能通过有性生殖进行遗传,可以通过组织培养技术,使抗虫性状遗传下去,B项错误;构建好的基因表达载体中必须含有标记基因,以便于确定目的基因是否进入受体细胞内,C项正确;棉铃虫抗性的产生是基因突变的结果,但抗虫棉的自然选择会使棉铃虫的抗性基因频率升高,D项错误。探究点二基因工程在医药卫生领域的应用1.利用基因工程菌生产药物(科学思维):【图表情境】干扰素是一种抗病毒特效药,能抵抗肝炎、狂犬病等由病毒引起的感染,并对治疗乳腺癌、骨髓癌及某些白血病也有一定的疗效。传统的干扰素生产方法是从人的血液中提取,提取量很少,所以价格昂贵。中国科学院院士侯云德等人成功研制了如图所示的干扰素生产方法。(1)干扰
10、素的化学本质是_,以_方式分泌到细胞外。蛋白质胞吐(2)若用大肠杆菌作为干扰素基因的受体细胞,能得到有活性的干扰素吗?为什么?提示:不能,干扰素是分泌蛋白,需要内质网和高尔基体的加工,而大肠杆菌没有内质网和高尔基体。2.乳腺生物反应器(乳房生物反应器)(科学思维):【生活情境】上海医学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药用蛋白含量提高30多倍。(1)动物乳腺生物反应器的优点及限制有哪些?提示:优点:产量高且易收获目标产品,可以随乳汁分泌而排到动物体外;产品质量好;成本低;易提取。限制:受性别的限制,只能选择雌性
11、动物。(2)在培育动物乳腺生物反应器时,为什么将目的基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起?提示:为了保证目的基因只在乳腺细胞中表达。【探究总结】乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较项目乳腺生物反应器基因工程菌受体细胞动物受精卵微生物细胞目的基因导入方式显微注射法感受态细胞法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【定向训练】1.动物基因工程前景广阔,最令人兴奋的是利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器,以生产所需要的药品,如转基因动物生产人的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时()A.
12、仅仅利用了基因工程技术B.不需要乳腺蛋白基因的启动子C.利用花粉管通道法将人的生长激素基因导入受精卵中D.需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”【解析】选D。培育转基因动物时,除了利用了基因工程技术之外,还利用了胚胎工程和细胞工程技术,A错误;转基因动物成为乳腺生物反应器时,基因表达载体中必须含有乳腺蛋白基因的启动子等调控组件,这样目的基因才能在乳腺细胞中得以表达,B错误;将目的基因导入动物受精卵中利用的是显微注射法,C错误;乳腺生物反应器生产的药品需从乳汁中提取,因此转基因动物进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”,D正确。2.利用生物工程技术,可从转基因奶山羊乳汁中分离获得人凝血因
13、子,用于血友病的治疗。请回答下列问题:(1)根据凝血因子基因上游和下游的碱基序列,可用技术获取并扩增基因。构建该基因表达载体时,所用到的工具酶是,该基因表达载体中,凝血因子基因的上游和下游分别是。(2)将目的基因表达载体导入奶山羊受精卵常用法。受体细胞选用受精卵的优点是细胞大、易操作、营养物质含量高和。(3)人凝血因子是一种胞外酶,该蛋白的加工是在等细胞器上进行的。人凝血因子只在乳腺细胞中合成的原因是。【解析】(1)可以根据目的基因序列两端的部分碱基序列设计引物,用PCR技术进行体外大量扩增获得目的基因。构建该基因表达载体时,需要限制性内切核酸酶切割目的基因和载体,再用DNA连接酶连接形成基因
14、表达载体。启动子是一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的首端。终止子也是一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的尾端。(2)受体细胞是动物细胞时,常用显微注射法将目的基因导入受体细胞中。因为受精卵细胞大、易操作、营养物质含量高、细胞全能性高。(3)分泌蛋白在内质网上的核糖体上合成后,先进入内质网进行加工、分类、包装,再形成囊泡进入高尔基体,由高尔基体进一步加工,形成囊泡,运向细胞膜,最后由细胞膜分泌到细胞外。因为含有在乳腺细胞中特异性表达的启动子,所以人凝血因子只在乳腺细胞中合成。答案:(1)PCR限制酶和DNA连接酶启动子和终止子(2)显微注射细胞全能性高(3)内质网、高尔基体含有在乳腺细胞中
15、特异性表达的启动子探究点三基因工程在食品工业方面的应用【图表情境】凝乳酶是生产干酪不可缺少的制剂,主要来源是未断奶小牛的胃黏膜,故来源有限,国际市场一直供不应求,基因工程为解决此矛盾开辟了理想的途径。基因工程生产过程简述如下:1.利用基因工程生产凝乳酶过程包括哪些步骤?提示:从牛胃得到牛凝乳酶基因,构建基因表达载体,导入大肠杆菌,通过凝乳酶基因在大肠杆菌中表达,进行发酵罐发酵生产。2.为何选取大肠杆菌作为受体菌?提示:繁殖速度快,可以在短时间内获得要表达的蛋白质或观察到相应性状表现。【定向训练】(2021沈阳高二检测)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.利用乳腺生物反
16、应器生产药物B.从培育的青霉菌中提取青霉素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【解析】选B。利用乳腺生物反应器生产药物,这属于动物基因工程的应用,A不符合题意;从青霉菌中提取青霉素,没有采用基因工程技术,不属于基因工程的应用,B符合题意;制造一种能分解石油的“超级细菌”,属于基因工程的应用,C不符合题意;制造一种能产生干扰素的工程菌,属于基因工程的应用,D不符合题意。【补偿训练】科学家培养的转基因奶牛乳腺细胞能够合成并分泌抗胰蛋白酶,这是动物乳房作为生物反应器研究的重大进展。下列与合成并分泌抗胰蛋白酶无关的是()A.核糖体上遗传信息的翻译B.细胞中的中心体C
17、.内质网膜与高尔基体膜相互联系D.奶牛基因与抗胰蛋白酶基因重组【解析】选B。分泌蛋白是在核糖体上合成的,而核糖体上进行的是遗传信息的翻译过程,A不符合题意;合成和分泌抗胰蛋白酶与细胞有丝分裂过程无关,而中心体与细胞有丝分裂有关,B符合题意;根据分析可知,分泌蛋白的合成与分泌过程涉及内质网与高尔基体,需要这些结构的运输和加工,C不符合题意;转基因奶牛的培育涉及奶牛基因与抗胰蛋白酶基因的重组,使抗胰蛋白酶基因能在奶牛乳腺细胞中特异性表达,D不符合题意。1.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,转基因食品已大量进入我们的日常生活中,下列关于基因工程的应用表述合理的是。动物基因工程的目
18、的不仅是培育体型巨大的动物,更重要的是改良畜产品的品质或者是用转基因动物生产药物。利用转基因技术可以提高生物中营养成分的含量、延长蔬菜储存时间、改变花色等,从而改良作物品质。如果目的基因的核苷酸序列全部未知,可用PCR技术得到。在乳腺生物反应器的操作过程中,将基因表达载体导入的是乳腺上皮细胞。能获得抗病毒新品种。“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物。基因工程药物生产效率高、针对性强、成本低、价格便宜。课堂素养达标课堂素养达标【解析】选。动物基因工程的目的不仅是培育体型巨大的动物,更重要的是改良畜产品的品质或者是用转基因动物生产药物,正确。利用转基因技术可以提高生物中营养成分的含量、
19、延长蔬菜储存时间、改变花色等,从而改良作物品质,正确。如果目的基因的核苷酸序列是全部未知的,无法合成引物,不能用PCR技术得到,错误。在乳腺生物反应器的操作过程中,将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中均含有目的基因(如药用蛋白基因),但只在乳腺上皮细胞中表达,错误。可以培育出抗病毒新品种,正确。“转基因植物”的体细胞中并未出现新基因,只是转入了已有的基因,错误。基因工程药物生产效率高、针对性强、成本低、价格便宜,正确。2.运用现代生物技术的育种方法,将抗菜青虫的Bt基因转移到优质油菜中,培育出转基因抗虫的油菜品种,这一品种在生长过程中能产生特异的杀虫蛋
20、白,对菜青虫有显著抗性,能大大减轻菜青虫对油菜的危害,提高油菜产量,减少农药使用量,保护环境。据以上信息,下列叙述正确的是()A.Bt基因的化学成分是蛋白质B.转基因抗虫油菜能产生杀虫蛋白是由于具有Bt基因C.Bt基因中有菜青虫的遗传物质D.转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是无机物【解题指南】解答本题的关键是明确基因的本质及转基因的基本原理。【解析】选B。基因是有遗传效应的DNA片段,因此Bt基因的化学成分不是蛋白质,A错误;转基因抗虫油菜能产生特异的杀虫蛋白,对菜青虫有显著抗性,表明转基因抗虫油菜能产生杀虫蛋白是由于具有Bt基因,B正确;将抗菜青虫的Bt基因转移到优质油菜中,培育出转基因抗虫油菜
21、,表明Bt基因不是来源于菜青虫,不含有菜青虫的遗传物质,C错误;转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是一种蛋白质,属于有机物而不是无机物,D错误。3.下列关于转基因动物的描述,不正确的是()A.可将外源生长激素基因导入动物细胞内,提高动物的生长速率B.可将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组,降低乳汁中乳糖的含量,进而改善畜产品的品质C.可利用转基因技术制成乳腺生物反应器,使哺乳动物的产奶量增加D.可以用转基因动物作为器官移植的供体【解析】选C。外源生长激素基因在动物体内表达可促进动物生长,A正确;将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组,肠乳糖酶基因表达产物是乳糖酶,可分解乳糖,使乳糖含量降低,B正确;利用基因工程技术,
22、得到的乳腺生物反应器的目的是解决很多重要的药品的生产问题而不是为了增加动物的产奶量,C错误;可以利用转基因动物作为器官移植的供体,D正确。4.利用细菌大量生产人类干扰素,下列相关叙述错误的是()A.用适当的酶对载体与人类干扰素基因进行切割与黏合B.用适当的化学物质处理受体细菌表面,将重组DNA导入受体细菌C.通常通过检测目的基因产物来检测重组DNA是否已导入受体细菌D.受体细菌内能合成人类干扰素说明目的基因完成了表达【解析】选C。利用细菌大量生产人类干扰素需用限制酶和DNA连接酶对载体和目的基因进行切割与黏合,A正确;将重组DNA导入受体细菌时要用Ca2+处理,使之能吸收DNA分子,B正确;检
23、测重组DNA是否已导入受体细菌,可采用PCR技术,C错误;受体细菌能合成人类干扰素说明目的基因完成了表达,D正确。5.(2021荆州高二检测)人组织纤溶酶原激活物(htPA)主要由血管内皮细胞合成并分泌,它是一种重要的药用蛋白,现通过生物工程技术可在转htPA基因母羊的乳汁中获得。像这样通过乳汁来生产所需药品的转基因动物被称为乳腺生物反应器。下列关于乳腺生物反应器的制备和应用,说法正确的是()A.获取htPA基因可以从人口腔上皮细胞中提取RNA作模板进行PCR扩增B.构建基因表达载体时需用到限制酶和DNA连接酶来切开和连接氢键C.将基因表达载体导入受精卵前,应该对受精卵的性别进行筛选D.转基因
24、动物是否产生htPA,可以用DNA分子杂交的方法检测【解析】选C。获取htPA基因可在血管内皮细胞中提取RNA通过逆转录得到或从人口腔上皮细胞中提取DNA作模板进行PCR扩增,A错误;构建基因表达载体时,需用到限制酶和DNA连接酶,作用部位都为磷酸二酯键,B错误;乳腺生物反应器是从雌性的乳汁中获取药物,基因表达载体应导入雌性的受精卵中,C正确;htPA是一种蛋白质,可用抗原抗体杂交的方法检测转基因动物是否产生htPA,D错误。【新高考新风向】6.我国科学家屠呦呦因青蒿素的研究荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。正常青蒿植株的青蒿素产量很低,难以满足临床需求,科学家为了提高青蒿素产量,将棉花中的
25、FPP合成酶基因导入了青蒿植株并让其成功表达,获得了高产青蒿植株,过程如图2所示。(1)研究人员从棉花基因文库中获取FPP合成酶基因后,可以采用技术对该目的基因进行大量扩增,该技术除了需要提供模板和游离的脱氧核苷酸外,还需要提供、等条件。(2)图2中的为,形成过程中需要等;棉花FPP合成酶基因能够和质粒连接成的主要原因是。(3)若不能在含有抗生素Kan的培养基上生存,则原因可能是什么?。【解析】(1)PCR技术可在体外快速扩增目的基因,PCR技术的条件:模板(目的基因)、原料(四种脱氧核苷酸)、引物、热稳定的DNA聚合酶。(2)图2中的为构建的基因表达载体(重组质粒),形成过程中需要限制酶切割目的基因和载体,再用DNA连接酶连接。由于切割棉花FPP合成酶基因和质粒后,具有相同的黏性末端,两者能够连接成基因表达载体。(3)重组质粒中含有标记基因,若不能在含抗生素Kan的培养基上生长,很可能因为重组质粒未导入农杆菌。答案:(1)PCR引物热稳定的DNA聚合酶(2)基因表达载体(重组质粒)限制酶和DNA连接酶切割后具有相同的黏性末端(3)重组质粒没有导入农杆菌
