基因控制生物的性状

1、第一节 基因控制生物的性状一、教学目标1.举例说出生物的性状，以及亲子代间在性状上的延续现象。举例说出不同种性状和相对性状之间的区别。2.举例说出生物的性状是由基因控制的。3.关注转基因技术给人类带来的影响。二、教学策略遗传和变异是生命得以延续和发展的重要内因。生物的遗传是在生殖过程中完成的，生物的性状都是遗传物质在发育中和环境相互作用的结果。本章的引入，应紧扣本单元的主题，并与第一章的生殖和发育相衔接。人们对遗传与变异的认识，最初是从比较亲子代的各种特征开始的，然后由表及里逐步深入到基因水平。本节的教学也应按着这样的思路设计。先引导学生认识什么是生物的性状，然后探讨性状的控制。观察生物的各种

2、性状，如果完全在课内完成，教师应适当控制时间。由于观察内容的分量并不重，重在对问题的讨论，因此，应安排较充裕的时间讨论教材中提出的6个问题。如果有条件，教师在课前应简要指导学生具体识别性状，安排学生调查自己和父母、父母的父母之间的性状关系，调查身边动物和植物上下代性状的情况，这样可以使讨论更充分些。但无论是哪种方式，通过讨论应使学生认识以下几点。1.性状包括生物体所有特征的总和，如形态结构特征、生理特征和行为方式等。有些性状是可见的，有些性状是难以观察到的。2.能够初步识别不同种类的性状和相对性状。可以让学生举例说明。3.生物的性状受遗传物质的控制，但也会受生活环境的影响。基因控制性状是本节的

3、难点。关于基因的概念在此不必深究，学生只要知道基因是遗传物质的一部分即可。本节难在对转基因过程和转基因超级鼠的性状变化的分析，在此教师可以一步步地引导学生观察、说明和讨论。在这个过程中，教师应注意说明以下几点。1.在雌雄小鼠交配后，要从输卵管中取出核尚未融合的受精卵（精子进入卵细胞后，在精子核与卵细胞核尚未融合前，这种受精卵适宜转入大鼠生长激素基因）。2.将事先备好的大鼠生长激素基因吸入显微注射器中，在显微镜下将大鼠生长激素基因，注入小鼠核尚未融合的受精卵内的卵细胞核或精子核中。注射之后，小鼠受精卵内的精子核和卵细胞核将融合成一个细胞核，其中携带着转入的基因。3.将已经导入了大鼠生长激素基因的

4、受精卵，注入小鼠的输卵管中去。这样小鼠的输卵管中就有了两种受精卵，一种是导入了大鼠生长激素基因的受精卵，另一种是输卵管中原有的未转基因的受精卵。在分析了转基因超级鼠研制过程示意图之后，教师应引导学生认识到，超级鼠体量增大（体量大小是一种性状）是大鼠生长激素基因作用的结果，由此得出基因控制性状的结论。在学生明确了基因与性状的关系后，教师可结合转基因技术，举例介绍几种转基因动物和转基因食品，以及由此引起的社会争议，激发学生发表意见。三、参考答案观察与思考1.凭肉眼的观察或简单的测量，并不能知道自己的所有性状。肉眼仅能观察到某些形态结构、行为特征，而无法观察到生物的生理特征等。2.性状（charac

5、ter）：遗传学中把生物体所表现的形态结构、生理特征和行为方式，统称为性状。5.不是。比如，麦田中水肥充足的地方，麦苗比正常的要粗壮，这一性状差异是由于环境条件的变化引起的变异，并未涉及到遗传物质的改变，是不可遗传的。资料分析1.这项研究中，被研究的性状是鼠的个体大小。控制这个性状的基因是大鼠生长激素基因。2.基因决定生物的性状。3.传递的是控制性状的基因。练习1.（1）（3）不对。相对性状是指同种生物的同一性状的不同表现形式，比如，人的双眼皮与单眼皮、玫瑰花的红色与粉色等等。（2）对。（4）对。受基因控制的性状可遗传。（5）不对。环境条件的不同可使性状发生差异，比如，玉米中有些隐性基因（如其

6、中一对为aa）使叶内不能形成叶绿体，造成白化苗，它的显性基因A控制叶绿体形成。基因为AA的种子，如果在不见光的暗处发芽，长成的幼苗也是白化的；而光照下发芽，长成的幼苗就成绿色。由此可见，基因型相同的个体在不同条件下可发育成不同的表现型。2.原理同第1题的第（5）小题。设计方案略。四、背景资料性状和相对性状性状（character）：遗传学中把生物体所表现的形态结构、生理特征和行为方式等统称为性状。单位性状（unit character）：孟德尔在研究豌豆等植物的性状遗传时，把植株所表现的性状总体区分为各个单位作为研究对象，这样区分开来的性状称为单位性状。豌豆的花色、种子形状、子叶颜色、豆荚形状

7、、豆荚（未成熟的）颜色、花序着生部位和株高等性状，就是7个不同的单位性状。相对性状（contrasting character）：不同个体在单位性状上常有着各种不同的表现，例如，豌豆花色有红色和白色，种子形状有圆和皱。遗传学中把同一单位性状的相对差异，称为相对性状。孟德尔在研究单位性状的遗传时，就是用具有明显差异的相对性状来进行杂交试验的，只有这样，后代才能进行对比分析研究，从而找出差异，并发现遗传规律。基因控制性状的机理基因内含有的控制生物性状的遗传信息，存在于染色体的DNA分子上。基因控制生物性状的过程称为基因表达。在基因表达中，生物遗传信息的传递途径是：DNARNA蛋白质（表现性状）1转

8、录：从DNARNA遗传信息从DNA传递给RNA的过程称为转录（transcription）。转录时，在RNA聚合酶作用下，以DNA为模板，按碱基配对原则，合成RNA分子。转录形成的RNA，其类型有：tRNA、rRNA、mRNA。tRNA即转运RNA，作用是在蛋白质合成中运送氨基酸；rRNA即核糖体RNA，参与组装核糖体；而mRNA即信使RNA，它携带有编码蛋白质氨基酸序列的遗传信息。2翻译：从RNA蛋白质将mRNA分子上的遗传信息翻译成由特定氨基酸排列顺序的多肽链，这一过程称为翻译（translation）。将mRNA上的碱基排列顺序（其中每三个碱基为一个遗传密码，决定一种氨基酸）依次转换为氨

9、基酸的排列顺序。已知所有生物都使用相同的遗传密码，这也表明了生物界的统一性。肽链的氨基酸序列，由mRNA链上的U、C、A、G四种碱基顺序，按三联体密码确定。如：AUG  UUC  AGC  CCU  UGC  AAA  UGU  GCAUGA  mRNA起始Met Phe Ser Pro Cys Lys Cys Ala终止多肽链翻译过程在细胞质内进行。合成的多肽链形成蛋白质亚基，最后形成蛋白质。3.遗传的中心法则1958年克里克提出了中心法则，他认为遗传信息的自我复制是从DNA到DNA；遗传信息的传递是DNA到RN

10、A，最终决定蛋白质的分子结构和功能。后来人们发现，有些病毒的RNA能自我复制。另外还发现，有些RNA病毒侵染细胞后能产生逆转录酶，逆转录酶以RNA为模板合成双链DNA分子。这个双链DNA分子能整合到寄主细胞的DNA中，可随寄主细胞的DNA复制而复制，同时也可以转录出更多的病毒RNA。考虑以上因素以及某些蛋白质能够调节DNA的复制、转录和翻译，中心法则可以完善为如图4所示。基因调控生物体内的每个细胞都有全套的基因，但细胞中的基因并不是同时表达的。因细胞的类型和执行的功能不同，细胞中有的基因开启，有的基因关闭。如血红蛋白基因只在红细胞中表达，消化酶只在消化腺细胞中表达。这其中存在着复杂的基因调控。

11、基因表达的调控可以在不同的层次、不同的水平上进行，大致可分为以下五个方面。1.转录调控细胞可以通过控制基因转录mRNA的拷贝数来调控基因的产物。例如，红细胞中组成血红蛋白的和多肽的基因快速、大量地转录，产生大量的mRNA分子，形成大量的血红蛋白分子。其他任何一个细胞都有这些基因，但不转录。2.转录后调控有些mRNA在从细胞核内输送到细胞质中翻译之前，必须要经过化学修饰。没有经过修饰的mRNA与核糖体不能结合，因而就不能被翻译成为蛋白质。3.翻译调控细胞可以通过限制核糖体与mRNA的结合，或限制多肽链的生长，来调节mRNA的翻译速率。4.翻译后调控对于一些具有特殊功能的蛋白质，还要有翻译后的修饰

12、。多肽链上的一些氨基酸要去掉，或者加上其他一些化学基团，如糖类、磷酸基团等。例如，胰腺最初产生的消化酶糜蛋白酶原是没有活性的。糜蛋白酶原离开胰腺进入小肠后，被其他的酶裂解，去掉一部分氨基酸，就成为能分解蛋白质的有活性的糜蛋白酶。这种机制有效地限制了糜蛋白酶对自身内脏的分解活性，防止糜蛋白酶对自身的消化。5.蛋白质调控环境因子影响酶的功效。例如，生物合成途径中的最终产物，通过与途径中早期的酶结合，降低合成活性。生物技术近些年来，以基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程为代表的现代生物技术发展迅猛，并日益影响和改变着人们的生产和生活方式。所谓生物技术（Biotechnology）是指“用活的生物体（

13、或生物体的物质）来改进产品、改良植物和动物，或为特殊用途而培养微生物的技术”。生物工程则是生物技术的统称，是指运用生物化学、分子生物学、微生物学、遗传学等原理与生化工程相结合，来改造或重新创造设计细胞的遗传物质、培育出新品种，以工业规模利用现有生物体系，以生物化学过程来制造工业产品。简言之，就是将活的生物体、生命体系或生命过程产业化的过程。生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、生物电子工程、生物反应器、灭菌技术以及新兴的蛋白质工程等，其中，基因工程是现代生物工程的核心。基因工程（或称遗传工程、基因重组技术）就是将不同生物的基因在体外剪切组合，并和载体（质粒、噬菌体、病毒）的DNA连

14、接，然后转入微生物或细胞内，进行克隆，并使转入的基因在细胞或微生物内表达，产生所需要的蛋白质。目前，有60%以上的生物技术成果集中应用于医药产业，用以开发特色新药或对传统医药进行改良，由此引起了医药产业的重大变革，生物制药也得以迅速发展。生物制药就是把生物工程技术应用到药物制造领域的过程，其中最为主要的是基因工程方法。即利用克隆技术和组织培养技术，对DNA进行切割、插入、连接和重组，从而获得生物医药制品。生物药品是以微生物、寄生虫、动物毒素、生物组织为起始材料，采用生物学工艺或分离纯化技术制备，并以生物学技术和分析技术控制中间产物和成品质量而制成的生物活化制剂，包括菌苗、疫苗、毒素、类毒素、血

15、清、血液制品、免疫制剂、细胞因子、抗原、单克隆抗体及基因工程产品（DNA重组产品、体外诊断试剂）等。目前，人类已研制开发并进入临床应用阶段的生物药品，根据其用途不同可分为三大类：基因工程药物、生物疫苗和生物诊断试剂。这些产品在诊断、预防、控制乃至消灭传染病，保护人类健康中，发挥着越来越重要的作用。我国生物医药行业现状及发展前景我国生物技术药物的研究和开发起步较晚，直到20世纪70年代初才开始将DNA重组技术应用到医学上，但在国家产业政策（特别是国家“863”高技术计划）的大力支持下，使这一领域发展迅速，逐步缩短了与先进国家的差距，目前已有15种基因工程药物和若干种疫苗批准上市，另有十几种基因工

16、程药物正在进行临床验证，还在研制中的约有数十种。国内市场上国产生物药品主要是基因乙肝疫苗、干扰素、白细胞介素2、GCSF（增白细胞）、重组链激酶、重组表皮生长因子等15种基因工程药物。TPA（组织溶纤原激活剂）、白介素3、重组人胰岛素、尿激酶等十几种多肽药品还在进行临床、期试验，单克隆抗体研制已由实验进入临床，B型血友病基因治疗已初步获得临床疗效，遗传病的基因诊断技术达到国际先进水平。转基因技术（一）转基因技术的定义将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体性状的可遗传的修饰，这一技术称之为转基因技术。人们常说的“遗传工程”、“基因工程”、“遗传转化”均为转基

17、因的同义词。（二）常用的植物转基因方法遗传转化的方法，按其是否需要通过组织培养再生植株可分成两大类，第一类需要通过组织培养再生植株，常用的方法有农杆菌介导转化法、基因枪法；另一类方法不需要通过组织培养，目前比较成熟的主要有花粉管通道法。1.农杆菌介导转化法农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌，它能在自然条件下趋化性地感染大多数双子叶植物的受伤部位，并诱导产生冠瘿瘤或发状根。根癌农杆菌和发根农杆菌的细胞中有一段TDNA，农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后，可将TDNA插入到植物基因组中。因此，农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系。人们将目的基因插入到经过改造的T区，借助农杆菌的感染实现外源基

18、因向植物细胞的转移和整合，然后通过细胞和组织培养技术，再生出转基因植株。农杆菌介导法起初只被用于双子叶植物中，近年来，农杆菌介导转化在一些单子叶植物（尤其是水稻）中也得到了广泛应用。2.基因枪介导转化法利用火药爆炸或高压气体加速（这一加速设备被称为基因枪），将包裹了带目的基因的DNA溶液的高速微弹，直接送入完整的植物组织和细胞中，然后通过细胞和组织培养技术，再生出植株，选出其中转基因阳性植株即为转基因植株。与农杆菌转化相比，基因枪法转化的一个主要优点是不受受体植物范围的限制，其载体质粒的构建也相对简单，因此也是目前转基因研究中应用较为广泛的一种方法。3.花粉管通道法在授粉后向子房注射含目的基因

19、的DNA溶液，利用植物在开花、受精过程中形成的花粉管通道，将外源DNA导入受精卵细胞，并进一步地被整合到受体细胞的基因组中，随着受精卵的发育而成为带转基因的新个体。该方法于20世纪80年代初期由我国学者周光宇提出，我国目前推广面积最大的转基因抗虫棉就是用花粉管通道法培育出来的。该法的最大优点是不依赖组织培养人工再生植株，技术简单，不需要装备精良的实验室，常规育种工作者易于掌握。（三）常用的动物转基因方法1.显微注射法在显微镜下，用一根极细的玻璃针（直径12 m）直接将DNA注射到胚胎的细胞核内，再把注射过DNA的胚胎移植到动物体内，使之发育成正常的幼仔。用这种方法生产的动物约有1/10是整合外

20、源基因的转基因动物。2.体细胞核移植方法先在体外培养的体细胞中进行基因导入，筛选获得带转基因的细胞。然后，将带转基因的体细胞移植到去掉细胞核的卵细胞中，生产重构胚胎。重构胚胎经移植到母体中，产生的仔畜百分之百是转基因动物。（四）转基因技术与传统技术的关系自从人类耕种作物以来，我们的祖先就从未停止过对作物的遗传改良。在过去的几千年里，农作物改良的方式主要是对自然突变产生的优良基因和重组体的选择和利用，通过随机和自然的方式来积累优良基因。遗传学创立后近百年的动植物育种，则是采用人工杂交的方法，进行优良基因的重组和外源基因的导入而实现遗传改良。因此，转基因技术与传统技术是一脉相承的，其本质都是通过获

21、得优良基因进行遗传改良。但在基因转移的范围和效率上，转基因技术与传统育种技术有两点重要区别。第一，传统技术一般只能在生物种内个体间实现基因转移，而转基因技术所转移的基因则不受生物体间亲缘关系的限制。第二，传统的杂交和选择技术一般是在生物个体水平上进行，操作对象是整个基因组，所转移的是大量的基因，不可能准确地对某个基因进行操作和选择，对后代的表现预见性较差。而转基因技术所操作和转移的一般是经过明确定义的基因，功能清楚，后代表现可准确预期。因此，转基因技术是对传统技术的发展和补充。将两者紧密结合，可相得益彰，大大地提高动植物品种改良的效率。转基因超级鼠向生物体的基因组转移（或植入）外源基因的过程，叫转基因。一般都认为，成功的转基因工作是从19