1、选修选修3 现代生物科技专题现代生物科技专题 专题专题1 基因工程基因工程 1.1 DNA 重组技术的基本工具 （一）思考与探究 1.限制酶在 DNA 的任何部位都能将 DNA 切开吗？以下是四种不同限制酶切割形成的 DNA 片段： (1) CTGCA (2) AC (3) GC G TG CG （4） G (5) G (6) GC CTTAA ACGTC CG (7) GT (8)AATTC CA G 你是否能用 DNA 连接酶将它们连接起来？ 答： 2和7能连接形成ACGT TGCA； 4和8能连接形成GAATTC CTTAAG； 3和6能连接形成GCGC CGCG； 1和5能连接形成CT
2、GCAG GACGTC。 2.联系你已有的知识，想一想，为什么细菌中限制酶不剪切细菌本身的 DNA？ 提示：迄今为止，基因工程中使用的限制酶绝大部分都是从细菌或霉菌中提取出来的，它们各自可以 识别和切断 DNA 上特定的碱基序列。 细菌中限制酶之所以不切断自身 DNA， 是因为微生物在长期的进化过 程中形成了一套完善的防御机制，对于外源入侵的 DNA 可以降解掉。生物在长期演化过程中，含有某种限 制酶的细胞，其 DNA 分子中或者不具备这种限制酶的识别切割序列，或者通过甲基化酶将甲基转移到所识 别序列的碱基上， 使限制酶不能将其切开。 这样， 尽管细菌中含有某种限制酶也不会使自身的 DNA 被
3、切断， 并且可以防止外源 DNA 的入侵（本题不要求学生回答的完全，教师可参考教师用书中的提示，根据学生的 具体情况，给予指导。上述原则也应适用于其他章节中有关问题的回答。 ） 。 3.天然的 DNA 分子可以直接用做基因工程载体吗？为什么？ 提示：基因工程中作为载体使用的 DNA 分子很多都是质粒（plasmid） ，即独立于细菌拟核处染色体 DNA 之外的一种可以自我复制、 双链闭环的裸露的 DNA 分子。 是否任何质粒都可以作为基因工程载体使用 呢？其实不然，作为基因工程使用的载体必需满足以下条件。 （1） 载体 DNA 必需有一个或多个限制酶的切割位点，以便目的基因可以插入到载体上去。
4、这些供 目的基因插入的限制酶的切点所处的位置，还必须是在质粒本身需要的基因片段之外，这样才不至于因目 的基因的插入而失活。 （2） 载体 DNA 必需具备自我复制的能力，或整合到受体染色体 DNA 上随染色体 DNA 的复制而同 步复制。 （3） 载体 DNA 必需带有标记基因，以便重组后进行重组子的筛选。 （4） 载体 DNA 必需是安全的，不会对受体细胞有害，或不能进入到除受体细胞外的其他生物细胞 中去。 （5） 载体 DNA 分子大小应适合，以便提取和在体外进行操作，太大就不便操作。 实际上自然存在的质粒 DNA 分子并不完全具备上述条件，都要进行人工改造后才能用于基因工程操 作。 4.
5、网上查询：DNA 连接酶有连接单链 DNA 的本领吗？ 提示：迄今为止，所发现的 DNA 连接酶都不具有连接单链 DNA 的能力，至于原因，现在还不清楚， 也许将来会发现可以连接单链 DNA 的酶。 （二）寻根问底 1.根据你所掌握的知识，你能分析出限制酶存在于原核生物中的作用是什么吗？ 提示：原核生物容易受到自然界外源 DNA 的入侵，但是，生物在长期的进化过程中形成了一套完善 的防御机制，以防止外来病原物的侵害。限制酶就是细菌的一种防御性工具，当外源 DNA 侵入时，会利用 限制酶将外源 DNA 切割掉，以保证自身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源 DNA、使之 失效，从而达
6、到保护自身的目的。 2. DNA 连接酶与 DNA 聚合酶是一回事吗？为什么？ 答：不是一回事。基因工程中所用的连接酶有两种：一种是从大肠杆菌中分离得到的，称之为 E coli 连接酶。另一种是从 T4噬菌体中分离得到，称为 T4连接酶。这两种连接酶催化反应基本相同，都是连接 双链 DNA 的缺口（nick） ，而不能连接单链 DNA。DNA 连接酶和 DNA 聚合酶都是形成磷酸二酯键（在相邻 核苷酸的3位碳原子上的羟基与5位碳原子上所连磷酸基团的羟基之间形成） ， 那么， 二者的差别主要表现在 什么地方呢？ （1） DNA 聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核酸片段的3末端的羟基上， 形成磷酸
7、二酯键； 而 DNA 连接酶是在两个 DNA 片段之间形成磷酸二酯键，不是在单个核苷酸与 DNA 片段之间形成磷酸二酯键。 （2）DNA 聚合酶是以一条 DNA 链为模板，将单个核苷酸通过磷酸二酯键形成一条与模板链互补的 DNA 链；而 DNA 连接酶是将 DNA 双链上的两个缺口同时连接起来。因此 DNA 连接酶不需要模板。 此外，二者虽然都是由蛋白质构成的酶，但组成和性质各不相同。 （三）模拟制作讨论题 1. 你模拟插入的 DNA 片段能称得上一个基因吗？ 提示：不能。因为一般基因有上千个碱基对。 2. 如果你操作失误，碱基不能配对。可能是什么原因造成的？ 提示：可能是剪切位点或连接位点选
8、得不对（也可能是其他原因） 。 （四）旁栏思考题 想一想，具备什么条件才能充当“分子运输车”？ 提示：能自我复制、有一个或多个切割位点、有标记基因位点及对受体细胞无害等。 1.2 基因工程的基本操作程序 （一）思考与探究 1.作为基因工程表达载体，只需含有目的基因就可以完成任务吗？为什么？ 答：不可以。因为目的基因在表达载体中得到表达并发挥作用，还需要有其他控制元件，如启动子、 终止子和标记基因等。必须构建上述元件的主要理由是： （1） 生物之间进行基因交流，只有使用受体生物自身基因的启动子才能比较有利于基因的表达； （2） 通过 cDNA 文库获得的目的基因没有启动子，只将编码序列导入受体生
9、物中无法转录； （3） 目的基因是否导入受体生物中需要有筛选标记； （4） 为了增强目的基因的表达水平，往往还要增加一些其他调控元件，如增强子等； （5） 有时需要确定目的基因表达的产物存在于细胞的什么部位，往往要加上可以标识存在部位的基 因（或做成目的基因与标识基因的融合基因） ，如绿色荧光蛋白基因等。 2.根据农杆菌可将目的基因导入双子叶植物的机理，你能分析出农杆菌不能将目的基因导入单子叶植 物的原因吗？若想将一个抗病基因导入单子叶植物，如小麦，从理论上说，你应该如何做？ 提示：农杆菌可分为根瘤农杆菌和发根农杆菌，在植物基因工程中以根瘤农杆菌的 Ti 质粒介导的遗 传转化最多。根瘤农杆菌广
10、泛存在于双子叶植物中。据不完全统计，约有93属643种双子叶植物对根瘤农 杆菌敏感。裸子植物对该菌也敏感。当这些植物被该菌侵染后会诱发肿瘤。近年来，也有报道该菌对单子 叶植物也有侵染能力。 根瘤农杆菌侵染植物是一个非常复杂的过程。根瘤农杆菌具有趋化性，即植物的受伤组织会产生一些 糖类和酚类物质吸引根瘤农杆菌向受伤组织集中。研究证明，主要酚类诱导物为乙酰丁香酮和羧基乙酰丁 香酮，这些物质主要在双子叶植物细胞壁中合成，通常不存在于单子叶植物中，这也是单子叶植物不易被 根瘤农杆菌侵染的原因。近年来还发现一些中性糖，如 L-阿拉伯糖、D-木糖等也有诱导作用。酚类物质和 糖类物质既可以作为根瘤农杆菌的趋
11、化物，又可以作为农杆菌中 Ti 质粒上 Vir 区（毒性区）基因的诱导物， 使 Vir 区基因活化，导致 T-DNA 的加工和转移，从而侵染植物细胞。 需要注意的是农杆菌中不同的菌株，侵染能力有差别，在基因工程中需要加以选择使用。利用农杆菌 侵染单子叶植物进行遗传转化时，是需要加上述酚类物质的，同时单子叶植物种类不同，农杆菌侵染进行 遗传转化的效果也有很大差异。 如果想将一个抗病毒基因转入小麦，也可以用农杆菌，但要注意两点：要选择合适的农杆菌菌株， 因为不是所有的农杆菌菌株都可以侵染单子叶植物；要加趋化和诱导的物质，一般为乙酰丁香酮等，目 的是使农杆菌向植物组织的受伤部位靠拢（趋化性）和激活农
12、杆菌的 Vir 区（诱导）的基因，使 T-DNA 转 移并插入到染色体 DNA 上。 3.利用大肠杆菌可以生产出人的胰岛素，联系前面有关细胞器功能的知识，结合基因工程操作程序的 基本思路，思考一下，若要生产人的糖蛋白，可以用大肠杆菌吗？ 提示：有些蛋白质肽链上有共价结合的糖链，这些糖链是在内质网和高尔基复合体上加工完成的，内 质网和高尔基复合体存在于真核细胞中，大肠杆菌不存在这两种细胞器，因此，在大肠杆菌中生产这种糖 蛋白是不可能的。 4.-珠蛋白是动物血红蛋白的重要组成成分。当它的成分异常时，动物有可能患某种疾病，如镰刀形 细胞贫血症。假如让你用基因工程的方法，使大肠杆菌生产出鼠的 -珠蛋白
13、，想一想，应如何进行设计？ 提示：基本操作如下： （1）从小鼠中克隆出 -珠蛋白基因的编码序列（cDNA） 。 （2）将 cDNA 前接上在大肠杆菌中可以适用的启动子，另外加上抗四环素的基因，构建成一个表达 载体。 （3）将表达载体导入无四环素抗性的大肠杆菌中，然后在含有四环素的培养基上培养大肠杆菌。如 果表达载体未进入大肠杆菌中，大肠杆菌会因不含有抗四环素基因而死掉；如果培养基上长出大肠杆菌菌 落，则表明 -珠蛋白基因已进入其中。 （4）培养进入了 -珠蛋白基因的大肠杆菌，收集菌体，破碎后从中提取 -珠蛋白。 （二）求异思维 你能推测出由 mRNA 反转录形成 cDNA 的过程大致分为哪些步
14、骤吗？ 提示：1970年，特明（H.M. Temin）和巴尔的摩（D. Baltimore）证实了 RNA 病毒中含有一种能将 RNA 转录成 DNA 的酶，这种酶被称为依赖 RNA 的 DNA 聚合酶，由于与中心法则中的从 DNA 到 RNA 的转 录是反向的，所以称为反转录酶（reverse transcriptase） 。 反转录酶既可以利用 DNA 又可以利用 RNA 作为模板合成与之互补的 DNA 链。像其他 DNA 聚合酶一 样，反转录酶也以53方向合成 DNA（图1-3） 。 图1-3 由 mRNA 反转录形成 cDNA 的过程 cDNA 合成过程是： 第一步， 反转录酶以 RN
15、A 为模板合成一条与 RNA 互补的 DNA 单链， 形成 RNA-DNA 杂交分子。第二步，核酸酶 H 使 RNA-DNA 杂交分子中的 RNA 链降解，使之变成单链的 DNA。第三步，以 单链 DNA 为模板，在 DNA 聚合酶的作用下合成另一条互补的 DNA 链，形成双链 DNA 分子。 （三）寻根问底 1.为什么要构建基因文库？直接从含有目的基因的生物体内提取不行吗？ 提示：构建基因文库是获取目的基因的方法之一，并不是惟一的方式。如果所需要的目的基因序列已 知，就可以通过 PCR 方式从含有该基因的生物的 DNA 中，直接获得，也可以通过反转录，用 PCR 方式从 mRNA 中获得，不
16、一定要构建基因文库。但如果所需要的目的基因的序列完全不知，或只知道目的基因序 列的一段，或想从一种生物体内获得许多基因，或者想知道这种生物与另一种生物之间有多少基因不同， 或者想知道一种生物在个体发育的不同阶段表达的基因有什么不同， 或者想得到一种生物的全基因组序列， 往往就需要构建基因文库。 2.将目的基因直接导入受体细胞不是更简便吗？如果这么做，结果会怎样？ 提示：有人采用总 DNA 注射法进行遗传转化，即将一个生物中的总 DNA 提取出来，通过注射或花粉 管通道法导入受体植物，没有进行表达载体的构建，这种方法针对性差，完全靠运气，也无法确定什么基 因导入了受体植物。此法目前争议颇多，严格
17、来讲不算基因工程。 1.3 基因工程的应用 思考与探究 根据所学内容，试概括写出基因工程解决了哪些生活、生产中难以解决的问题。 提示：基因工程可以生产人类需要的药物，如胰岛素、干扰素等。我们吃的某些食品如番茄、大豆等 也可以是基因工程产品。农业生产中的抗虫棉、抗病毒烟草、抗除草剂大豆等都已进入商品化生产，上述 产品有些是常规方法难以生产的或者生产成本过高。 1.4 蛋白质工程的崛起 （一）思考与探究 1.蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的？ 提示（供教师在教学中参考） ：蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。而结构生 物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果，
18、为设计改造天然蛋白质提供了蓝 图。分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段。 在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这 些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应 体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。提高 蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰 期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。 下面举一个如何通过蛋白质工程来提高重组
19、-干扰素专一活性和稳定性的例子。干扰素是一种抗病 毒、 抗肿瘤的药物。 将人的干扰素的 cDNA 在大肠杆菌中进行表达， 产生的干扰素的抗病毒活性为106 U/mg， 只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的 -干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形 式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，-干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第17位、31 位和141位） ，推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸， 通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的 -干扰素的抗病性活性提高到108 U/mg，并且 比天然 -干扰素的贮存稳定性高很
20、多。 在基础理论研究方面，蛋白质工程是研究多种蛋白质的结构和功能、蛋白质折叠、蛋白质分子设计等 一系列分子生物学基本问题的一种新型的、强有力的手段。通过对蛋白质工程的研究，可以深入地揭示生 命现象的本质和生命活动的规律。 2.蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？ 答：基因工程是遵循中心法则，从 DNAmRNA蛋白质折叠产生功能，基本上是生产出自然界已 有的蛋白质。蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应 具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。 3.你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白质工程有什
21、么区别？ 提示：酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断 和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。酶工程的 应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶这三个酶连 续作用于淀粉，就可以代替蔗糖生产出高果糖浆；蛋白酶用于皮革脱毛胶以及洗涤剂工业；固定化酶还可 以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引起的某些功能的衰竭等。至于我们日常生活中所见到的加酶洗衣粉、 嫩肉粉等，就更是酶工程最直接的体现了。通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的 功能来设计酶的分子结构，然后由
22、酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，酶工程的重点 在于对已存酶的合理充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋 白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。 （二）正文中讨论题 某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸赖氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸 讨论： （1） 怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。 （2） 确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因（DNA）？ 答： （1）每种氨基酸都有对应的三联密码子，只要查一下遗传密码子表，就可以将上述氨基酸序列的 编码序列查出来。但是由于上述氨
23、基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码子编码，因此其碱基排列组 合起来就比较复杂，至少可以排列出16种，可以让学生根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应该 根据三联密码子推出 mRNA 序列为 GCU（或 C 或 A 或 G）UGGAAA（或 G）AUGUUU（或 C） ，再根据碱基 互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：CGA（或 G 或 T 或 C）ACCTTT（或 C）TACAAA（或 G） 。 （2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库 中获取。 （三）异想天开 能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人
24、类所需要 的蛋白质食品呢？ 提示：理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往 都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高 级结构非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而 又具有生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。 （四）旁栏思考题 1.你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？ 提示： 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后， 生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命题。 2001年，国
25、际人类蛋白质组组织宣告成立。之后，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是 由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组 计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。 “人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头， 这是中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划，总部设在北京，目前有16个国家和地区的80多个实 验室报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突 破提供重要的科学基础。 人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持。 2
26、.对天然蛋白质进行改造，你认为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？ 答：毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下： （1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋 白质可以遗传下去。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的。 （2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。 专题专题2 细胞工程细胞工程 （二）教学内容的结构（二）教学内容的结构 2.1植物细胞工程植物细胞工程 2.1.1植物细胞工程的基本技术 （一） 思考与探究 1.为什么“番茄马铃薯”超级杂种植
27、株没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马铃薯？ 提示：1978年，梅尔彻斯（Melchers）等人首次获得了马铃薯与番茄的属间体细胞杂种。他们将培育 的二倍体马铃薯品系和番茄叶片细胞进行融合，所产生的杂交株被称为“马铃薯番茄”。像大多数杂种一样， 杂交株同时具有马铃薯和番茄的形态特征。其中一些植株形成了“类似块茎的生殖根”，但是没有产生可结 实的花、果实以及真正意义上的块茎。到目前为止“马铃薯番茄”一类的体细胞杂交植物还不能产生经济 效益，但是其研究价值不可忽视。 至于马铃薯番茄没有像人们预想的那样地上长番茄、地下结马铃薯，主要原因是：生物基因的表达 不是孤立的，它们之间是相互调控、相
28、互影响的，所以马铃薯番茄杂交植株的细胞中虽然具备两个物种 的遗传物质，但这些遗传物质的表达受到相互干扰，不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表 达，杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。 2.自然界中有一种含有叶绿体的原生动物眼虫，说明植物的细胞器同样可以在某些动物细胞中存 活，请探讨：动物细胞与植物细胞之间可以实现杂交吗？如果理论上可行，请设计出具体实验方案。 提示：根据眼虫的特点，动物细胞和植物细胞之间在理论上是可以实现杂交的。具体的实验方案可以 设计如下： （二） 正文中讨论题 【实验 胡萝卜的组织培养】 1.在组织培养实验中，为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的
29、无菌操作？ 提示：植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成分，有利于培养物的生长，然而各种杂菌同样 也可以在上面迅速生长，所以植物组织培养过程中污染现象经常发生。培养基一旦被污染，迅速生长的各 种杂菌不但会和培养物争夺营养，而且这些杂菌生长的过程中会生成大量对培养物有害的物质，导致培养 物迅速死亡。 造成培养基污染的因素有很多，一般包括：外植体带菌、培养瓶和各种器械灭菌不彻底、操作人员操 作不规范等。所以在组织培养实验中用到的植物材料和各种器械都要进行彻底地灭菌，实验人员操作一定 要规范，避免带入杂菌。 2.在本实验中， 切取胡萝卜块根时强调要切取含有形成层部分， 原因是这部分容易诱导形成愈
30、伤组织。 请思考一下， 胡萝卜的其他部分 （如茎、 叶、 花） ， 是否也能培养成小植株， 你能用实验的方法进行验证吗？ 提示：胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花）也能培养再生形成小植株，只是诱导愈伤组织比较困难。 可以让学生参考利用胡萝卜根进行组织培养的实验，尝试设计出利用胡萝卜的茎、叶、花进行组织培养的 实验流程。 3.请根据上面的实验过程，概括出植物组织培养技术的流程简图。 提示： 2.1.2植物细胞工程的实际应用 （一） 思考与探究 1.通过查阅资料，请你再列举出植物组织培养技术在我们生活中的另外一些应用。 提示：a. 拯救濒危植物；b. 提供食品制作的原料；c. 利用愈伤组织进行转基因操
31、作。 2.请查阅植物人工种子制备技术的详细过程，设计出制备技术的主要流程图。 提示：诱导植物愈伤组织 体细胞胚的诱导 体细胞胚的成熟 体细胞胚的机械化包裹 贮藏或种植 3.请查阅相关文献，设计出一种植物花药组织培养和染色体加倍的实验流程。 提示： 花药 花粉细胞培养 愈伤组织 分化出小植物 单倍体植株 正常植株 （二） 正文中讨论题 1.人们利用植物的微型繁殖技术来进行工厂化育苗生产，这是利用了该项技术的哪些特点？ 提示：植物“微型”繁殖技术具有高效性和可以保持种苗的优良遗传特性的优势。工厂化大规模育苗生 产正是利用了植物“微型”繁殖技术的这两方面优势。利用植物“微型”繁殖技术我们可以在短时间
32、中获得大 量的优质种苗。 2.人工种子之所以神奇，是由于它具有天然种子不可比拟的特点，想一想它们具有哪些优点？ 提示：人工种子的优点： （1）天然种子由于在遗传上具有因减数分裂引起的重组现象，因而会造成某些遗传性状的改变；天 然种子在生产上受季节限制，一般每年只繁殖12次，有些甚至十几年才繁殖一次。而人工种子则可以完 全保持优良品种的遗传特性，生产上也不受季节的限制。 （2）试管苗的大量贮藏和运输也是相当困难的。人工种子则克服了这些缺点，人工种子外层是起保 护作用的薄膜，类似天然种子的种皮，因此，可以很方便地贮藏和运输。 3.人工种皮是保证包裹在其中的胚状体顺利生长成小植株的关键部分，请探讨人
33、工种皮中应该具有的 有效成分是什么？为了促进胚状体的生长发育，我们还可以向人工种皮中加入哪些物质？ 提示：针对植物种类和土壤等条件，在人工种子的包裹剂中还可以加入适量的养分、无机盐、有机碳 源以及农药、抗生素、有益菌等。为了促进胚状体的生长发育，还可以向人工种皮中加入一些植物生长调 节剂。 4.高效抗癌的药物紫杉醇，虽然能造福人类，但却为濒危的红豆杉带来一场灭顶之灾。以“我们能否利 用植物组织培养技术大量生产紫杉醇，从而拯救红豆杉”为题，与同学展开讨论，说出植物组织培养技术在 节约资源、保护环境方面的重要意义。 提示：可以利用植物组织培养技术来大量生产紫杉醇。现在国内外的科学家们正在研究利用植
34、物细胞 培养技术来大量培育红豆杉细胞，希望利用这种方法来大量生产紫杉醇。国内外许多实验室开展了用组织 培养法生产紫杉醇的研究， 红豆杉属的11种植物现都在进行组织培养。ESC Agenetics 公司宣布他们用细胞 培养法所得紫杉醇的含量是树皮的25倍。国内外在分化细胞株系和培养条件方面做了不少工作，摸索了 外植体、光照、培养基组成等因素对细胞培养及紫杉醇生成的影响。现在工艺条件已基本摸清，正研究反 应的放大技术等，有望实现通过细胞培养进行工业化生产紫杉醇的目标。 2.2动物细胞工程动物细胞工程 2.2.1动物细胞培养和核移植技术 （一）思考与探究 1.幼龄与老龄动物的组织细胞比较，分化程度低
35、的与分化程度高的组织细胞比较，哪一种更易于培 养？思考一下，这是什么道理？ 提示：细胞的衰老与动物机体的衰老有着密切的关系，细胞的增殖能力与供体的年龄有关，幼龄动物 细胞增殖能力强，有丝分裂旺盛，老龄动物则相反。所以，一般来说幼年动物的组织细胞比老年动物的组 织细胞易于培养。同样，组织细胞的分化程度越低，则增殖能力越强，所以更容易培养。 2.动物细胞培养要经过脱分化的过程吗？为什么？ 提示：脱分化又称去分化，是指分化细胞失去特有的结构和功能变为具有未分化细胞特性的过程。植 物的任何一部分，甚至单个细胞都具有长成完整植株的能力。但要发育成完整植株，必须先脱分化，脱分 化的细胞具有发育成任何组织的
36、能力，然后进行再分化，形成完整植株。植物细胞培养主要用于农林生产 中的作物、苗木育种，快速繁育种苗、培育无病毒植株等，这就要求植物的组织或细胞先进行脱分化。动 物细胞的培养有各种用途，一般而言，动物细胞培养不需经过脱分化过程。因高度分化的动物细胞发育潜 能变窄，失去了发育成完整个体的能力，所以，动物细胞也就没有类似植物组织或细胞培养时的脱分化过 程了。要想使培养的动物细胞定向分化，通常采用定向诱导动物干细胞，使其分化成所需要的组织或器官。 3.1997年，美国威斯康星州的一个奶牛场有一头名叫卢辛达（Lucinda）的奶牛，年产奶量为30.8 t， 创造了世界奶牛产奶量最高新纪录。目前世界各国高
37、产奶牛场奶牛，年平均产奶量一般为十几吨，而我国 奶牛产奶量年平均水平仅为34 t。 （1）能利用体细胞核移植技术克隆高产奶牛卢辛达吗？请说明理由。 提示：可以用体细胞核移植技术克隆高产奶牛卢辛达。卢辛达的产奶量很高，说明它有高产奶的遗传 基础，利用卢辛达的体细胞克隆的奶牛其遗传物质基本上全部来自该奶牛，其克隆牛具有高产的遗传基础， 如果精心培育和饲养，有可能在世界范围内推广，克隆牛再与高产的公牛自然繁殖，可得到很多高产的后 代，从而加快奶牛改良进程。 但同时需注意，该克隆牛不能无限制地推广，其数量不宜过多，尤其是在小范围内不能无限的繁殖， 以避免奶牛群出现近亲繁殖而引起种质衰退。 （2）如果将
38、克隆高产奶牛卢辛达的任务交给你，你将如何对它进行克隆？ 提示：首先从卢辛达耳朵（也可用别的组织、器官，耳朵在活体上容易取）上剪取一小块组织，在体 外培养获得该组织（如软骨组织）的细胞。从屠宰场取废弃的牛卵巢，抽取卵母细胞体外培养成熟。用显 微针去除卵母细胞的核，再将耳细胞注入卵母细胞，用电刺激方法使卵母细胞与体细胞融合，这时供体核 就进入了受体卵母细胞，再用电刺激或化学物质激活注入了体细胞核的卵母细胞，使其完成减数分裂和发 育过程。核移植胚胎在体外短时间培养后，挑选正常卵裂的胚胎植入经同期发情处理的受体母牛体内。 4.体细胞核移植技术在研究和应用上还存在什么问题？请你查阅资料，了解这方面的前沿
39、动态。 提示：在研究方面，克隆动物基因组重新编程的机制尚不清楚，克隆技术效率低，克隆动物畸形率高、 死亡率高、易出现早衰等问题。这些问题尚在研究中。 在应用上，生产克隆动物费用昂贵，距大规模应用还有一定距离。 （二）正文中讨论题 【讨论1】 多细胞动物和人体的细胞都生活在内环境中，根据你所学的内环境的知识，思考并讨论以下问题： 1.体外培养细胞时需要提供哪些物质？ 提示：充足的营养供给、适宜的温度、适宜的 pH 和气体环境。 2.体外培养的细胞需要什么样的环境条件？ 提示：无菌、无毒的环境。 【讨论2】 1.在体细胞的细胞核移植到受体卵母细胞之前，为什么必须先去掉受体卵母细胞的核？ 提示：为使
40、核移植的胚胎或动物的遗传物质全部来自有重要利用价值的动物提供的体细胞，在供体细 胞的细胞核移至受体细胞之前，必须将受体细胞的遗传物质去掉或将其破坏。 2.用于核移植的供体细胞一般都选用传代10代以内的细胞，想一想，这是为什么？ 提示：培养的动物细胞一般当传代至1050代左右时，部分细胞核型可能会发生变化，其细胞遗传物 质可能会发生突变，而10代以内的细胞一般能保持正常的二倍体核型。因此，在体细胞核移植中，为了保 证供体细胞正常的遗传基础，通常采用传代10代以内的细胞。 3.你认为用上述体细胞核移植方法生产的克隆动物，是对体细胞供体动物进行了100%的复制吗？为 什么？ 提示：克隆动物绝大部分
41、DNA 来自于供体细胞核，但其核外还有少量的 DNA，即线粒体中的 DNA 是 来自于受体卵母细胞。所以，用教材中所述的方法克隆的动物不是供核动物完全相同的复制。 此外，即便动物的遗传基础完全相同，但动物的一些行为、习性的形成与所处环境有很大关系，核供 体动物生活的环境与克隆动物所生活的环境不会完全相同，其形成的行为、习性也不可能和核供体动物完 全相同，从这一角度看，克隆动物不会是核供体动物100%的复制。 （三）寻根问底 胰蛋白酶真的不会把细胞消化掉吗？为什么？ 提示：胰蛋白酶除了可以消化细胞间的蛋白外，长时间的作用也会消化细胞膜蛋白，对细胞有损伤作 用，因此必须控制好胰蛋白酶的消化时间。
42、（四）旁栏思考题 1.进行动物细胞传代培养时用胰蛋白酶分散细胞，说明细胞间的物质主要是什么成分？用胃蛋白酶行 吗？ 提示：用胰蛋白酶分散细胞，说明细胞间的物质主要是蛋白质。胃蛋白酶作用的适宜 pH 约为2，当 pH 大于6时，胃蛋白酶就会失去活性。胰蛋白酶作用的适宜环境 pH 为7.28.4。多数动物细胞培养的适宜 pH 为7.27.4，胃蛋白酶在此环境中没有活性，而胰蛋白酶在此环境中活性较高，因此胰蛋白酶适宜用于 细胞培养时的消化。 2.为什么对动物细胞进行培养时通常要添加血清？ 提示：血清中含有蛋白质、氨基酸、葡萄糖、激素等，其中蛋白质主要为白蛋白和球蛋白。氨基酸有 多种，是细胞合成蛋白质
43、的基本成分，其中有些氨基酸动物细胞本身不能合成（称为必需氨基酸） ，必须由 培养液提供。血清激素有胰岛素、生长激素等及多种生长因子（如表皮生长因子、成纤维细胞生长因子、 类胰岛素生长因子等） ；血清还含有多种未知的促细胞生长因子、促贴附因子及其他活性物质，能促进细胞 的生长、增殖和贴附。因此，细胞培养时，要保证细胞能够顺利生长和增殖，一般需添加10%20%的血 清。 2.2.2动物细胞融合与单克隆抗体 思考与探究 1.植物体细胞杂交技术与动物细胞融合技术有什么不同？ 提示： 植物体细胞杂交技术与动物细胞融合技术基本相同， 不同的是植物体细胞融合前需去掉细胞壁， 然后再融合；动物细胞融合是两个体
44、细胞直接融合。 2.制备单克隆抗体时，为什么要选用 B 淋巴细胞和骨髓瘤细胞融合形成杂交瘤细胞？ 提示：哺乳动物感染抗原后，其体内会形成相应的 B 淋巴细胞，B 淋巴细胞能分泌相应的抗体凝聚或 杀死这些抗原。动物在免疫反应的过程中，每一种 B 淋巴细胞能分泌一种特异性抗体，要想获得大量的特 异性抗体，必须使能分泌该单一抗体的 B 淋巴细胞大量增殖。B 淋巴细胞具有产生单一抗体的能力，但不 能在体外增殖；骨髓瘤细胞是一种癌细胞，它能在体外培养条件下无限增殖，但不能产生抗体。因此，把 一种 B 淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行细胞融合，产生杂交瘤细胞，它会兼有两个亲本细胞的特性在体外培 养条件下能不断增殖
45、，同时能产生出某种特异性的抗体。 专题专题3胚胎工程胚胎工程 （二）教学内容的结构二）教学内容的结构 3.1体内受精和早期胚胎发育体内受精和早期胚胎发育 （一）思考与探究 1.以精子的运行途径为线索，设计一幅简图，来说明哺乳动物的受精过程。 提示：哺乳动物的受精过程主要包括精子穿越放射冠、透明带、进入卵黄膜、原核形成和配子融合等 步骤（详见教材中的受精过程） 。 2.哺乳动物精子和卵子的发生主要有哪些相似点或不同点？ 答：相似之处：细胞分裂的最初阶段为有丝分裂，不断增加生殖原细胞的数量；经过两次减数分裂（M I 和 M II）才能形成精子或卵子。 不同之处：由一个精原细胞分裂最后可产生多个精子
46、；一个卵原细胞最后只能生成一个卵子。精子的 形状为蝌蚪状；卵子为球形。多数哺乳动物卵子的形成和在卵巢内的贮备是在胎儿出生前完成。 3.当你了解到精子需要获能，受精过程中有防止多精入卵的现象时，你是否提出过这样的问题：精子 在雌性生殖道内是如何获能的？防止多精入卵的两道防线的形成机制究竟是什么？ 答：XX 由精子和精清（精浆）两部分组成。精清中含有一种能抑制精子获能的物质，因此，在一般 情况下，XX 中的精子无法获能。只有当交配后 XX 进入雌性动物的生殖道时，由生殖道分泌产生一种物质 解除对精子获能的抑制，才能引起精子获能。精子在雌性动物生殖道内获能的部位因种类而异，但主要是 子宫和输卵管。
47、防止多精入卵主要通过透明带反应和卵黄膜封闭作用两道屏障。在受精过程中，当精子穿越透明带触 及卵黄膜时，透明带会立即封闭，阻止后来的精子进入透明带，可看作是防止多精受精的第一道屏障。而 精子入卵后，卵黄膜会立即拒绝其他精子再进入卵内，可看作是防止多精受精的第二道屏障。其生理、生 化机制，请参阅有关专著。 （二）正文中讨论题 【精子的发生】 1.家畜每次 XX 排出的精子数以亿计， 但是通常只有一个精子能够与卵子结合， 这能说是一种浪费吗？ 怎样理解这一现象？ 提示：不是。可以从两方面说明这一问题：其一，在自然繁殖的条件下，为了使母畜排出的1个或几 个卵子完成受精，公畜一次射出几亿到几十亿的精子到
48、发情母畜的生殖道内，可以说是动物为繁殖后代、 延续物种的一种生理保障机制；其二，在自然条件下，精子从 XX 部位运行到受精部位，在通过母畜生殖 道的过程中，复杂的组织结构和生理环境将对精子进行筛选，并致使大量的精子途中死亡，被分解或排除， 造成精子大量损耗。最后到达受精部位（输卵管）的精子只剩百余个，与卵子完成受精的只有一个。 2.精子细胞变成精子的过程中，细胞中很多结构会消失，而细胞核和线粒体都保留下来，对这一现象 怎样理解？为什么精子中的线粒体集中在尾的基部？ 提示： 细胞核和线粒体都是精子结构中的重要部分。 其中， 细胞核是精子遗传物质储存和复制的场所， 也是参与精、卵结合和后代遗传特性
49、与细胞代谢活动的控制中心。而线粒体则是精子进行有氧呼吸分解营 养物质产生运动能量的场所。精子的线粒体在精子形成过程中，集中于尾的基部形成线粒体鞘膜，是精子 维持生存和运动能量的“动力工厂”或“发动机”。 【卵子的发生】 1.一个卵泡中能形成几个成熟的卵子？ 答：正常情况下，一个卵泡只能形成一个成熟的卵子。 2.排卵是指卵子从卵泡中排出，还是指卵泡从卵巢中排出？ 答：是指卵子从卵泡中排出。 3.刚排出的卵是成熟的卵子吗？它在母体的什么部位与精子受精？ 答：刚排出的卵子尚未完全成熟，仅完成第一次减数分裂，需要在输卵管内进一步成熟，直到第二次 减数分裂的中期才能与精子结合完成受精过程。排出的卵子是在输卵管内与精子受精的。 【资料分析】 1.表中哪种动物的胚胎在进入子宫时发育程度最高？ 答：比较而言，马的胚胎进入子宫时发育程度最高，其次为小鼠。 2.将体外培养的马胚胎移植到母马子宫时，应选择什么阶段的胚胎？如果换成牛又该怎样处理？ 答：马应选择囊胚阶段的胚胎。牛在自然情况下，胚胎虽然最早可在816细胞阶段进入子宫，但为 了提高移植后胚胎的发育率和妊娠率，在实践中通常用发育到囊胚阶段的胚胎进行移植。 3.为什么
