备课素材：基因漂移与生物限制技术 高二下学期生物人教版选择性必修3

基因漂移与生物限制技术先看一道试题：如图是培育抗除草剂玉米的技术路线图，含有内含子的报告基因只能在真核生物中正确表达，其产物能催化无色物质K呈现蓝色。转化过程中愈伤组织表面常残留农杆菌，会导致未转化的愈伤组织可能在含除草剂的培养基中生长。下列相关叙述正确的是（

）A．过程①中除草剂抗性基因插入T－DNA中，导致T－DNA片段失活B．过程②用Ca2＋处理使农杆菌细胞壁的通透性改变，成为感受态细胞C．检测是否转化成功，过程③应在培养基中加入除草剂和物质KD．转化过程中未转化的愈伤组织可能在含除草剂的培养基中生长是因为基因漂移答案：C解析：①转基因植物需要用到土壤农杆菌的Ti质粒的T－DNA片段，需要把目的基因插入T－DNA片段中，T－DNA片段不会失活；②基因漂移是目的基因转移到近缘作物中的现象。A、T－DNA的作用是将目的基因从农杆菌中转移并稳定整合到植物染色体DNA中，因此需要把目的基因插入T－DNA片段中，这样目的基因才可以转移并整合到植物的染色体DNA中，A错误；B、用氯化钙处理农杆菌使其细胞膜通透性改变，成为感受态细胞，而不是改变农杆菌细胞壁的通透性，B错误；C、检测是否转化成功，筛选时在培养基中加入除草剂和物质K，除草剂是用来检测目的基因是否正确表达，物质K是用来检测有没有导入真核植物细胞中，C正确；D、基因漂移是目的基因转移到近缘作物中去的现象，转化过程中愈伤组织表面残留有农杆菌导致未转化的愈伤组织可能在含除草剂的培养基中生长的现象不属于基因漂移，D错误。故选C。此题涉及了“转基因生物基因漂移”。那么，什么是转基因生物基因漂移？如何基因漂移？在群体遗传学中，基因漂移是指一个群体的遗传变异转移到另外一个群体的现象。基因漂移是生物种群间遗传多样性转移的重要机制。高水平基因漂移可降低两个群体间的遗传分化，增加同质性。在某些情况下，基因漂移可能导致一个物种或种群的基因库中增加新的遗传变异。许多因素可以影响不同群体之间的基因漂移速率，这些因素包括物种本身的特性（比如扩散移动性）、群体间的物理距离和群体大小等。因高度分离缺乏基因漂移的群体，易发生近亲繁殖。转基因可通过基因漂移的方式渐渗到作物的野生近缘种中，因此导致的环境风险是全球广泛关注的生态安全问题。对基因漂移的安全性评估通常从三个方面开展：１.特定空间距离的转基因漂移频率；２.转基因与野生近缘种的异交率；３.转基因的表达及为野生近缘种群体带来的适合度效应。如，转基因水稻，转基因漂移到非转基因栽培稻、杂草稻和野生稻所造成的潜在环境影响是转基因水稻商业化种植前的重要研究内容。已有研究显示，栽培稻品种之间的基因漂移频率很低，可以通过空间隔离等方法使其降低到可忽略的水平。而在共同分布的环境中，栽培稻基因（包括转基因）向杂草稻和野生稻的漂移则不可避免。尽管抗虫转基因在栽培稻和野生近缘种杂交后代中可以正常表达，但由于在低虫压环境中，抗虫转基因不会明显改变野生近缘种的适合度，因此抗虫转基因漂移所造成的环境影响十分有限。然而，抗除草剂转基因渐渗到杂草稻或野生稻会改变群体的适合度，可能会引起不可预测的环境后果。对转基因适合度效应进行检测并据此评估生物环境安全性，需要以下3个重要步骤：１.建立转基因作物与其野生近缘物种的杂种、自交和回交后代的实验群体；２.开展实验群体的同质园（commongarden）种植实验；３.检测生活史周期实验群体的适合度相关性状并对其适合度效应进行分析。防止转基因生物基因漂移最主要的技术手段是生物限制技术。生物限制技术是指通过生物技术终止或减少转基因由于基因漂移转移到非转基因作物及其野生近缘种群体，从而降低或避免潜在环境风险的方法。科学家在20世纪90年代陆续提出通过空间物理隔离及生物技术限制转基因漂移的技术方法。如设置有效的隔离区及监控区，清除试验区附近可与转基因生物杂交的物种。阻止转基因生物开花或去除繁殖器官。采用花期不育等措施，以防止末代基因向相关生物的转移，但这并不能从根本上解决问题。生物限制技术可以通过两个环节来控制和降低转基因漂移带来的环境风险，一是控制转基因产生漂移的频率，二是控制转基因漂移后可能带来的环境影响。生物学限制措施包括叶绿体转化、雄性不育、种子不育、闭花受精、无融合生殖、转基因弱化、基因拆分和基因删除等。（1）叶绿体转基因技术将目标转基因转入作物的叶绿体并正常表达。由于植物的花粉一般只含有核基因组，通过该技术获得的转基因植物花粉本身不含转基因，这样就能限制转基因通过花粉流产生漂移。（2）雄性不育转基因技术将基因转入雄性不育的个体，从而限制转基因通过雄性器官产生的花粉流而产生漂移。2016年，我国科学家找到了一个在水稻花药的绒毡层和花粉粒中特异性表达的基因OsNPI，该基因能够调节绒毡层退化、花药外壁及花粉细胞壁的形成。该基因的突变体表现为花粉败育。科研人员将正常的OsNP1基因与来自玉米的α-淀粉酶基因以及一种来自珊瑚的红色荧光蛋白基因巾联，导入OsNPI基因突变的雄性不育植株，培育了转基因植株。其中正常的OsNP1基因可以恢复水稻产生花粉的能力；淀粉酶基因阻断淀粉储藏，使发育中的花粉失去活性；红色荧光蛋白基因可以帮助种子分选。转基因杂合植株经过自交，可按1:1的比例产生无色的雄性不育种子和有色的雄性可育种子。该技术利用花粉在α-淀粉酶的作用下会败育这一原理，有效阻止了花粉介导的基因漂移。（3）利用倍性差异的多倍体植物限制技术利用转基因作物与转基因漂移受体植物倍性不同的特点，将转基因转入倍性有差异的物种，以降低或阻止转基因的漂移。可以用高中生物学教材中的二倍体和四倍体产生的三倍体不可育，因而不能传播来理解。（4）利用基因组差异的限制技术利用转基因作物与转基因漂移受体植物基因组不同的特点，将转基因特异性地导入与转基因漂移受体植物不同的基因组，以降低或阻止转基因的漂移。可以用不同基因组的生物之间有生殖隔离，不能产生可育后代来理解。（5）终结者技术通过生物工程的设计和修饰，使转基因植物与野生近缘种产生的杂种后代无法进行正常生长或繁殖，以阻止转基因在野生近缘种群体中的残留和扩散。与此同时，还有其他的生物限制技术处于研究开发阶段，例如，转基因的选择性删除和转基因的遗传限制技术等。从根本上杜绝基因漂移的另一个办法是在目的基因发挥作用后，将它从转基因植株中删除。例如，利用CreLoxP重组系统可以从花粉中删除外源基因，删除效率可达到99.976%。该技术的原理是如果两个LoxP位点位于一条DNA链上，且方向相同，Cre重组酶就能有效切除两个LoxP位点间的序列，这样只需要控制目的基因和Cre重组酶的表达时机，就可以在目的基因发挥作用后将它彻底删除。转基因作物的大规模种植可能会带来一些潜在的环境生物安全问题。特别是转基因漂移可能带来潜在环境影响。通过利用生物限制技术，可以在最大程度上降低或避免转基因漂移及其带来的环境风险，为转基因技术的安全及可持续利用提供了保障。例、基因漂移一般多指转基因生物中的外源基因向附近野生近源物种自发转移，导致其基因发生变化的现象。2016

年，我国科学家找到了一-个在水稻花粉粒中特异性表达的基因OsNP1，该基因能调节花粉正常发育，其突变体表现为花粉败育。科研人员将正常的OsNP1基因与来自玉米的a淀粉酶基因以及一种来自珊瑚的红色荧光蛋白基因串联，导入OsNP1突变的雄性不育植株，培育了转基因水稻。转基因水稻中正常的OsNP1基因可以恢复水稻产生花粉的能力，a一淀粉酶基因能阻断花粉中淀粉的储藏使发育中的花粉败育，红色荧光蛋白基因只能在种子中表达，可以帮助种子分选。这一做法有效阻止了花粉介导的基因漂移。（1）用图中不同的限制酶切割目的基因后进行串联可以有效防止______，将串联成功的基因插入载体，需要向反应体系中加入的酶有______

（写具体名称）。（（2）培育转基因水稻的核心工作是______，为保证串联的基因都能在转基因水稻中成功表达，至少需要______种启动子。（3）构建好的基因表达载体可采用我国科学家独创的______法导入水稻子房中。串联基因导入OsNP

1突变的雄性不育植株后形成的杂合植株自交，后代雄性不育植株与转基因植株的比例为______。（4）转基因杂合植株自交能有效阻止花粉介导的基因漂移，原因是______；对自交后代进行筛选不用培育到成熟个体就能准确分选，理由是______。解析：（1）用图中不同的限制酶切割目的基因后进行串联可以有效防止三种目的基因间发生反接或自身环化现象，将串联成功的基因插入载体，串联成的目的基因两端有EcoRⅠ、EcoRV两种限制酶的酶切序列，同时载体中也有这两种限制酶的酶切序列，因此需要向反应体系中加入的酶有EcoRⅠ、EcoRV、T4DNA连接酶，这样可以保证相应的基因有效切割，并正确连接。（2）基因工程的核心是目的基因表达载体的构建，因此培育该转基因水稻的核心工作是目的基因表达载体的构建，为保证串联的基因都能在转基因水稻中成功表达，至少需要2种启动子，因为正常的OsNP1基因和a-淀粉酶基因需要在花粉细胞中表达，而红色荧光蛋白基因只能在种子中表达，因此需要两种启动子。（3）导入植物细胞的方法有花粉管通道法、基因枪法和农杆菌转化法，而其中花粉管通道法是我国科学家独创的，即构建好的基因表达载体可采用我国科学家独创的花粉管通道法导入水稻子房中。串联基因导入OsNP

1突变的雄性不育植株后形成的杂合植株自交，杂合植株恢复育性，但带有转基因的花粉表现为不育，即只能产生一种不带有转基因的花粉，因此自交实际相当于测交，后代雄性不育植株与转基因植株的比例为1：1。（4）杂