2020-2021高中生物3配套学案：专题一第三节基因工程的应用含解析

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精2020-2021学年高中生物人教版选修3配套学案：专题一第三节基因工程的应用含解析第三节基因工程的应用学习目标课程标准1．举例说出基因工程的应用及取得的丰硕成果。（重点)2．了解基因工程的进展。3．了解基因工程在农业和医疗等方面的应用。1．举例说出基因工程的应用。2．调查基因工程产品在社会中的应用情况，讨论转基因生物的利与弊。基础知识·双基夯实一、植物基因工程的成果植物基因工程技术主要用于提高农作物的①__抗逆__能力,以及改良农作物的②__品质__和利用植物生产③__药物__等方面.（一)抗虫转基因植物1．杀虫基因种类:Bt毒蛋白基因、④__蛋白酶__抑制剂基因、⑤__淀粉酶__抑制剂基因、植物凝集素基因等.2．成果：抗虫植物，如水稻、棉、玉米、马铃薯、番茄等.（二）抗病转基因植物1．植物的病原微生物:⑥__病毒__、真菌和细菌等。2．抗病基因种类（1)抗病毒基因：病毒⑦__外壳蛋白__基因和病毒的复制酶基因。(2）抗真菌基因：⑧__几丁质酶__基因和抗毒素合成基因.(3）成果：抗烟草花叶病毒转基因烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等.（三）抗逆转基因植物1．抗逆基因：调节细胞⑨__渗透压__的基因使作物抗碱、抗旱；鱼的抗冻蛋白基因使作物耐寒；抗除草剂基因使作物抗除草剂。2．成果：具抗寒能力的烟草、番茄，具抗除草剂能力的大豆、玉米.（四）利用转基因改良植物的品质1．优良基因:必须氨基酸含量多的蛋白质编码基因、控制番茄果实成熟的基因和植物花青素代谢有关的基因.2．成果：转基因玉米、转基因延熟番茄和转基因矮牵牛.二、动物基因工程的成果（一)用于提高动物生长速度1．生长基因：外源⑩__生长激素__基因.2．成果：转基因绵羊、转基因鲤鱼.（二)用于改善畜产品的品质1．优良基因：肠乳糖酶基因.2．成果：转基因牛⑪__乳糖__含量少。(三）用转基因动物生产药物1．基因来源：药用⑫__蛋白__基因＋⑬__乳腺__蛋白基因＋启动子。2．成果:乳腺生物反应器。（四)用转基因动物作器官移植的供体1．器官供体：抑制或除去抗原决定基因.2．成果：利用克隆技术培育没有免疫排斥反应的猪器官。（五)基因工程药物1．来源：转基因⑭__工程菌__。2．成果：人胰岛素、细胞因子、抗体、疫苗、激素等。三、基因治疗1．概念：把⑮__正常基因__导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的,这是治疗遗传病最有效的手段。2．成果：将腺苷脱氨酶基因导入患者的淋巴细胞,从而治疗复合型免疫缺陷症。思考1．由细菌转化而来的工程菌合成的药物蛋白可能没有活性，为什么？提示：细菌属于原核生物，细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器，核糖体合成的肽链不能被进一步加工和包装,因而产生的药物蛋白可能没有活性。2．研究人员在进行复合型免疫缺陷症的基因治疗时,将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的什么细胞？为什么不能转入其他的体细胞？提示:淋巴细胞。腺苷酸脱氨酶是人体免疫系统发挥正常功能所必须的，淋巴细胞只有具有这种酶才能产生抗体等免疫物质。┃┃活学巧练__■判断题1．目的基因导入马铃薯细胞后，随着马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞并表达。(√)2．基因工程可以实现基因在不同物种间的转移，人们可以定向选育新品种。(√）3．来自苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因只能应用于棉花。(×)分析：Bt毒蛋白能杀死多种有害昆虫，而对哺乳动物无害，因而广泛用于多种转基因植物，如棉花、水稻等.4．转基因生物的目的基因来自不同的物种,可见,基因工程可以打破物种间的生殖隔离。(√）5．科学家将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，导入动物的乳腺细胞，即可培育出生产药物乳汁的转基因动物。（×）分析：转基因动物的受体细胞通常是受精卵，采用显微注射技术将目的基因导入受精卵后，需要将受精卵发育成的早期胚胎植入母体子宫，在母体内生长发育，最后生出的才是转基因动物。6．基因治疗分为体外基因治疗和体内基因治疗，目前体内基因治疗效果最可靠。(×）分析：无论哪一种基因治疗，目前都处于初期的临床试验阶段，体外基因治疗效果较为可靠。课内探究·名师点津知识点植物基因工程的应用┃┃重难拓展__■目的基因作用受体生物备注抗虫转基因植物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：Bt毒蛋白水解成多肽与肠上皮细胞结合，形成穿孔，细胞肿胀裂解致死;两种抑制剂分别抑制相应酶活性，影响消化；植物凝集素为糖蛋白，与肠黏膜结合，影响营养物质的吸收和利用棉花、水稻等①抗虫但不抗病毒、细菌、真菌等;②培育抗虫作物的优点：减少环境污染、降低生产成本；③不同抗虫基因作用机理不同；④Bt毒蛋白基因来自苏云金芽孢杆菌抗病转基因植物病毒外壳蛋白基因、病毒复制酶基因、几丁质酶基因、抗毒素合成基因前两种具有抗病毒作用；后两种具有抗真菌作用烟草(抗病毒）、小麦(抗病毒）引起植物生病的微生物有病毒、细菌、真菌三大类抗逆转基因植物①调节细胞渗透压基因；②抗冻蛋白基因(从鱼体内获取）；③抗除草剂基因①通过改变细胞内渗透压，提高抗盐碱、抗旱能力；②耐寒能力提高；③抗除草剂烟草(抗旱、抗盐碱）、番茄（抗寒)、大豆、玉米（抗除草剂)抗逆指抵抗不良环境的能力，如盐碱、干旱、低温、涝害等转基因改良植物的品质①必须氨基酸含量多的蛋白质编码基因；②控制番茄果实成熟的基因；③与花青素代谢有关的基因①控制合成的蛋白质含必须氨基酸多；②延迟番茄成熟；③改变花瓣的颜色玉米、番茄、牵牛花等赖氨酸、亮氨酸等都属于必须氨基酸知识贴士①Bt毒蛋白基因产生Bt毒蛋白并无毒性，进入昆虫消化道被分解成多肽后产生毒性.②青霉素是诱变后的高产青霉菌产生的，不是通过基因工程生产的。┃┃典例评析__■典例1科学家在河南华溪蟹中找到了金属硫蛋白基因，并以质粒为载体,采用转基因方法培育出了汞吸收能力极强的转基因烟草。下列有关说法正确的是(B)A．培育转基因烟草时选用的受体细胞一定是受精卵B．金属硫蛋白基因需要插入到质粒上再转移到受体细胞中C．金属硫蛋白基因必须位于重组质粒的起始密码和终止密码之间才能进行表达D．金属硫蛋白基因编码区的碱基对数目等于金属硫蛋白中氨基酸数目的3倍解析：目的基因导入植物受体细胞一般是体细胞,A错误；金属硫蛋白基因需插入到质粒上再转移到受体细胞中,B正确;金属硫蛋白基因必须位于重组质粒的启动子和终止子之间才能进行表达，C错误；金属硫蛋白基因属于真核生物的基因，其编码区是不连续的，包括了外显子和内含子,故其编码的碱基对的数目大于金属硫蛋白中氨基酸数目的3倍，D错误.┃┃变式训练__■1．金茶花是中国特有的观赏品种，但易被有害真菌感染得枯萎病,降低观赏价值。科学家在某种植物中找到了抗枯萎病的基因,用转基因方法培育出了抗枯萎病的新品种。请据图回答：(1）将②连接到①上并形成③，常用到的酶有__限制性核酸内切酶、DNA连接酶__.(2)抗枯萎病的金茶花培育成功，从变异的角度来说，属于__基因重组__。（3）通过检测，被③侵染的金茶花叶片细胞具备了抗病性，这说明②已经__表达__.抗病基因是否表达可以从个体水平上做__抗病接种__实验,简述实验过程__将普通金茶花和转基因金茶花分成两组，分别接种有害真菌，其他培养条件适宜且相同。培养一段时间观察两组金茶花的抗病情况，通过对照确定抗病基因是否表达。__。解析：（1)①是用限制性核酸内切酶切割质粒，②是指目的基因的获取,③是指目的基因与质粒在DNA连接酶的作用下形成重组质粒.(2）基因工程是在人为作用下将控制不同性状的基因重新组合从而改造生物性状，从本质上来说这种变异属于基因重组。（3）金茶花叶片细胞具备了抗病性,说明目的基因已在受体细胞中得到了表达。知识点动物基因工程的应用┃┃重难拓展__■项目目的基因作用受体生物备注提高动物生长速度生长激素基因促进生长,提高生长速度鲤鱼不能导入生长素基因转基因动物生产药物（生物反应器或乳腺生物反应器)药用蛋白基因＋乳腺蛋白基因＋启动子分泌乳汁来生产相应的药品奶牛已生产出的药品有抗凝血酶、血清蛋白、生长激素和α－抗胰蛋白酶转基因动物作器官移植的供体①某种调节因子;②设法除去抗原决定基因①抑制抗原决定基因的表达；②不能合成相应抗原猪选择猪的器官作为人器官替代品的原因：①其内脏构造、大小、血管分布与人相似;②体内隐藏的致病基因少基因工程药品控制药品合成的相应基因，如人的胰岛素基因、干扰素基因、乙肝疫苗基因等生产合成相应的药品，如胰岛素、干扰素、乙肝疫苗等微生物，如大肠杆菌、酵母菌等选择微生物作受体的原因：繁殖快、单细胞、遗传物质少知识贴士①动物基因工程的应用主要体现在提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物等方面。②动物基因工程主要为了改善畜产品的品质，不是为了产生体型巨大的个体。┃┃典例评析__■典例2科研人员以抗四环素基因为标记基因，通过基因工程的方法让大肠杆菌生产鼠的β－珠蛋白，治疗鼠的镰刀型细胞贫血症。下列相关实验设计不合理的是(C)A．从小鼠DNA分子上克隆出β－珠蛋白基因的编码序列B．用编码序列加调控序列、抗四环素基因等元件来构建基因表达载体C．用Ca2＋处理大肠杆菌后,将基因表达载体导入具有四环素抗性的大肠杆菌中D．用含有四环素的培养基筛选出已经导入β－珠蛋白编码序列的大肠杆菌解析：可以从小鼠的DNA分子中获得目的基因，然后利用PCR技术大量增殖目的基因，A正确；在基因表达载体中,含有目的基因、标记基因、启动子和终止子等结构，B正确;将目的基因导入到大肠杆菌时，需要先用钙离子处理大肠杆菌使之成为感受态细胞,但大肠杆菌不能含有四环素抗性基因，否则不能筛选出含有目的基因的受体细胞，C错误；在含有四环素的培养基中筛选出含有目的基因的受体细胞,D正确。┃┃变式训练__■2．下列说法中正确的是(D）A．“转基因动物"是指体细胞中出现了新基因的动物B．“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因C．只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白，是因为人白蛋白基因在牛乳腺细胞中是纯合的D．转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因，但不发生转录、翻译,故不能合成人白蛋白解析:转基因动物是指细胞中被转入了外源基因的动物，而不是指出现新基因的动物，如发生基因突变可能会出现新基因，但发生了基因突变的动物不叫转基因动物；“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白,而不是人白蛋白基因；转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因，但由于基因的选择性表达，在肌肉细胞中该基因不表达，只能在牛乳腺细胞中表达并分泌到乳汁中，因而只能在转基因牛乳汁中获取人白蛋白。知识点基因治疗┃┃重难拓展__■1．基因治疗种类和方法（1)体外基因治疗：先从病人体内获得某种细胞进行培养，然后,在体外完成基因转移,再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内.如腺苷酸脱氨酶基因的转移。(2）体内基因治疗：用基因工程的方法，直接向人体组织细胞中转移基因。(3）体外基因治疗和体内基因治疗的比较体外基因治疗体内基因治疗不同点过程从患者体内获得某种细胞→体外完成基因转移→筛选→细胞扩增→输入患者体内直接向患者体内组织细胞中转移基因特点操作复杂，但效果较为可靠操作简便，但效果难以控制相同点都属于基因治疗，都是将正常的外源基因导入靶细胞，使该基因的表达掩盖病变基因的表达。目前两种方法都处于初期的临床试验阶段知识贴士（1)基因治疗并非把功能正常的外源基因导入患者的所有细胞中，而只是导入某些功能缺陷细胞中。(2）基因治疗是利用正常基因在缺陷细胞中表达，替代缺陷基因的功能，而非替代缺陷基因本身，即原来细胞中的缺陷基因没有被清除或改变,没有改变患者的基因型，只能治疗隐性基因引起的遗传病。2．基因治疗现状基因治疗目前处于初期的临床试验阶段。可以说，在没有完全解释人类基因组的运转机制,充分了解基因控制机制和疾病的分子机理之前，进行基因治疗是十分困难的。另外，还存在着技术方面、伦理道德方面以及安全性方面的诸多困难。3．用于基因治疗的基因种类（1)从健康人体上分离得到的功能正常的基因，用以取代病变基因,或依靠其表达产物,来弥补病变基因带来的生理缺陷，如对血友病和地中海贫血病的治疗。（2)反义基因，即通过产生的mRNA分子，与病变基因产生的mRNA进行互补，来阻断蛋白质合成。（3）编码可以杀死癌变细胞的蛋白酶基因，又叫做自杀基因。4．基因诊断和基因治疗的比较种类项目基因诊断基因治疗概念基因诊断也称为DNA诊断或基因探针技术，即在DNA分子水平上分析检测某一基因，从而对特定的疾病进行诊断基因治疗是把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的原理DNA分子杂交原理基因工程过程用放射性同位素（如32P)、荧光分子等标记的DNA分子作探针，利用DNA分子杂交原理,鉴定被检测标本上的遗传信息获取正常的目的基因→构建基因表达载体→将基因表达载体导入有缺陷的受体细胞,并筛选含重组载体的受体细胞→将含重组载体(即含正常目的基因)的受体细胞输回病人体内应用①诊断遗传病最准确的手段②检测目的基因是否导入受体细胞③检测饮用水中的病毒等治疗遗传病最有效的手段，包括体外基因治疗和体内基因治疗┃┃典例评析__■典例3下列关于基因工程应用的叙述，正确的是(B）A．基因治疗就是把缺陷基因诱变成正常基因B．基因诊断的基本原理是DNA分子杂交C．一种基因探针能检测水体中的各种病毒D．原核基因不能用来进行真核生物的遗传改良解析：基因治疗的常见类型是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中,用健康的外源基因代替缺陷基因发挥作用，达到治疗疾病的目的.一种基因探针只能检测某种病毒，而不是各种病毒。原核基因可通过基因工程转移到真核生物体内,如抗虫棉的培育。┃┃变式训练__■3．下列关于基因治疗的说法，正确的是（A)A．基因治疗是治疗疾病的新途径，其利用的是转基因技术B．基因治疗的主要方法是让患者口服一些健康的外源基因C．基因治疗的主要原理是修复患者的基因缺陷D．基因治疗在发达国家已成为一种常用的治疗手段解析:基因治疗是治疗疾病的新途径，其利用的是转基因技术,A正确；基因治疗的主要方法是把正常基因导入病人体内有基因缺陷的细胞中，若口服外源基因，其会在消化道中被分解，不能起作用，B错误；基因治疗的主要原理是将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷和异常而引起的疾病,而不是修复患者的基因缺陷，C错误；基因治疗目前只是处于初期的临床试验阶段，D错误。指点迷津·拨云见日乳腺生物反应器和“工程菌”1．乳腺生物反应器（1）优点：产量高、质量好、成本低、易提取.（2）操作方法：用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程与转基因动物操作过程相同.为了使目标产品在乳腺中形成,需要使用乳腺蛋白基因的启动子等调控组件。操作过程大致归纳为：获取目的基因(例如血清白蛋白基因)→构建基因表达载体（在血清白蛋白基因前加特异表达的启动子）→显微注射导入哺乳动物受精卵中→形成早期胚胎→将胚胎移植到母体动物子宫内→发育成转基因动物→在雌性个体中使转入基因表达，从分泌乳汁中提取所需蛋白质。2．“工程菌”（1)用途：利用基因工程培育“工程菌”来生产药品。①“工程菌"：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”，如含有人胰岛素基因的大肠杆菌菌株，含有抗虫基因的土壤农杆菌菌株都是“工程菌”。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。（2）产品：利用“工程菌"可生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等。知识贴士①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，否则目的基因在乳腺上皮细胞中不能转录。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细胞均含有目的基因（如药用蛋白基因)，但其只在乳腺上皮细胞中表达。②在基因工程中,若受体细胞是原核生物（如大肠杆菌），则生产的“干扰素”是不具备活性的，因为原核细胞内无内质网、高尔基体等细胞器，只有核糖体，因此只能合成相应的蛋白质，而无法添加糖基,若使“干扰素”具有活性，还必须人工处理加上糖基。3．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别：比较内容乳腺生物反应器工程菌含义指将外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系受体基因结构与人类基因结构差异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生产设备畜牧业生产、提取设备工业生产，设备精良典例4动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生物发酵，进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现代生物技术。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、生长激素等重要药品。大致过程如图所示：下列有关说法，错误的是（A)A．通过③形成的重组质粒具有人的药用蛋白基因、启动子、终止子和标记基因即可B．④通常采用显微注射技术C．在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达,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、易提取解析：要让药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并分泌含药物的乳汁,重组质粒上还必须具有乳腺蛋白基因的启动子等调控组件,A项错误；转基因动物通常利用的受体细胞是受精卵，采用显微注射技术,B项正确；只有母牛到达泌乳期，乳腺细胞才会表达相应的药用蛋白基因，乳汁中含有药物，C正确；从乳汁里提取药物，优点突出，使动物本身成为“批量生产药物的工厂”,D项正确。核心素养·技能培优案例科学家们对一位因缺乏腺苷酸脱氨酶基因而患严重复合型免疫缺陷症的美国女孩进行基因治疗，其方法是首先将患者的淋巴细胞取出，体外培养，然后,用反转录病毒将正常腺苷酸脱氨酶基因转入人工培养的淋巴细胞中，再将这些转基因淋巴细胞重新输入患者体内,经过多次治疗,患者的免疫功能趋于正常。请回答下列问题：（1)基因治疗是把健康的__外源基因__导入有__基因缺陷__的细胞内，以达到治疗疾病的目的.（2)在基因治疗过程中，逆转录病毒的作用相当于基因工程中基因操作工具中的__载体__。此基因工程中的目的基因是__腺苷酸脱氨酶基因__，目的基因的受体细胞是__淋巴细胞__。（3)上图甲所示的方法是从__供体细胞__的DN