新版高中生物第2节 基因工程的基本操作程序

第3章基因工程第2节基因工程的基本操作程序人教版高中生物学习目标阐述基因工程的原理和基本操作及PCR的基本操作。1.文化基础：明确基因工程的操作步骤及PCR扩增技术的应用。2.自主发展：尝试进行PCR扩增获取产品。3.社会参与：利用基因工程技术和方法获得人类生产或生活所需产品。

自上个世纪90年代以来，由于棉铃虫在我国大部分棉区持续性大发生或爆发，给棉花生产带来了巨大的威胁，棉农谈“虫”色变，仅1992年一年即造成直接经济损失60多亿元，间接损失超过100亿元，对整个国民经济发展造成了很大影响。同时由于棉铃虫的大爆发，防虫治虫使棉花的生产成本增加，植棉的比较效益降低。1997年，我国政府首次批准商业化种植转基因抗虫棉。到2015年，我国己育成转基因抗虫棉新品种100多个，减少农药用量40万吨，增收节支社会经济效益450亿元。阅读P76—83，回答下列问题2.基因工程的基本操作程序主要包括哪几个步骤?3.基因工程操作的每一步涉及的技术和方法有哪些?1.转基因抗虫棉抗虫的机制是什么吗?培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤?

培育转基因抗虫棉主要需要四个步骤:_________________________、基因表达载体的构建、_________________________________、目的基因的检测与鉴定。目的基因的筛选与获取将目的基因导人受体细胞一、目的基因的筛选与获取1．目的基因(1)概念：用于改变___________________或获得____________________等的基因。受体细胞性状预期表达产物(2)实例：培养转基因抗虫棉用到的目的基因是____________________。Bt抗虫蛋白基因2．筛选合适的目的基因(1)较为有效的方法：从相关的__________________和________________的基因中进行筛选。(2)实例：在培育转基因抗虫棉之前，科学家不仅掌握了Bt基因的序列信息，也对Bt基因的表达产物___________________有了较为深入的了解。(3)认识基因结构和功能的技术方法：____________________技术、遗传序列数据库、_______________________工具。已知结构功能清晰Bt抗虫蛋白DNA测序序列比对3．利用PCR获取和扩增目的基因(1)PCR的含义：PCR是________________________的缩写，它是一项根据________________________的原理，在体外提供_________________的各种组分与反应条件，对______________________________进行大量复制的技术。聚合酶链式反应DNA半保留复制参与DNA复制目的基因的核苷酸序列(2)条件：DNA模板、分别与两条模板链结合的2种______________、四种____________________、______________________________。引物脱氧核苷酸耐高温的DNA聚合酶引物是一小段能与________________的一段碱基序列________________的短单链核酸。用于PCR的引物长度通常为20~30个核苷酸。DNA母链互补配对(3)PCR反应的过程①变性：温度上升到90℃以上，目的基因DNA_______________________________。受热变性后解为单链DNA模板待扩增的DNA模板PCR扩增仪（900C以上）引物引物与两条单链DNA结合PCR扩增仪（500C左右）②复性：温度下降到50℃左右时，_________________通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。两种引物PCR扩增仪（720C左右）耐高温的DNA聚合酶③延伸：温度上升到72℃左右时，溶液中_______________________在耐高温的_______________________的作用下加到引物的________端合成子链。四种脱氧核苷酸DNA聚合酶3′④重复循环多次。第一轮循环的产物作为______________反应的____________，经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环的产物。第二轮循环的产物作为______________反应的____________，经过变性、复性和延伸三步产生第三轮循环的产物。⑤结果：每次循环后目的基因的量增加一倍，即成_____________形式扩增(约为2n)。指数第二轮模板第三轮模板(4)PCR技术与生物体内DNA复制的比较比较项目PCR技术DNA复制

区别解旋方式场所酶DNA在高温作用下变性解旋解旋酶催化细胞外(在PCR扩增仪内)细胞内(主要在细胞核内)耐高温的的DNA聚合酶(Taq聚合酶)DNA解旋酶、普通的DNA聚合酶等

区别

温度条件合成的对象联系需控制温度，在较高温度下进行细胞内温和条件DNA片段或基因DNA分子①模板：均需要脱氧核苷酸链作为模板进行物质合成②原料：均为四种脱氧核苷酸③酶：均需要DNA聚合酶进行催化④引物：均需要引物，使DNA聚合酶从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸(5)思考与讨论用PCR可以扩增mRNA吗？提示：mRNA不可以直接扩增，需要将它逆转录成cDNA再进行扩增。由mRNA逆转录形成cDNA的过程是:第一步，逆转录酶以RNA为模板合成一条与RNA互补的DNA链，形成RNA-DNA杂交分子;第二步，核酸酶H降解RNA-DNA杂交分子中的RNA链，使之变成单链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。二．基因表达载体的构建1.

基因表达载体是载体的一种，除______________、标记基因外，还必须有启动子、终止子等。2.启动子是一段有特殊序列结构的_______________，位于基因的上游，紧挨转录的起始位点，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA,最终表达出人类需要的蛋白质。3.终止子相当于一盏红色信号灯，使转录在所需要的地方停下来，它位于基因的下游，也是一段有特殊序列结构的_________________。目的基因DNA片段DNA片段首先用一定的__________________切割载体，使它出现一个切口，然后用_______________限制酶或_______________________的限制酶切割目的基因的DNA片段，再利用______________________将目的基因片段拼接到载体的切口处。限制酶同种能产生相同末端DNA连接酶限制酶切割位点限制酶限制酶DNA连接酶三、将目的基因导入受体细胞1．转化：目的基因进入受体细胞内，并在受体细胞内___________和_________________的过程。维持稳定表达2．目的基因导入受体细胞的方法将生物的所有DNA直接导入受体细胞不是更简便吗?如果这么做，效果会怎样?思考与讨论提示：有人采用总DNA注射法进行遗传转化，即将一个生物的总DNA提取出来，通进注射或花粉管通道法导人受体植物，没有进行基因表达载体的构建。这种方法针对性差，完全靠运气，也无法确定哪些基因导人了受体植物。受体细胞方法说明特点植物细胞农杆菌转化法花粉管通道法将目的基因插入农杆菌Ti质粒的T­DNA上→转入农杆菌→用农杆菌侵染植物细胞→将目的基因整合到植物细胞染色体的DNA上→目的基因表达经济、有效，适用于双子叶植物和裸子植物，尤其适用于双子叶植物在植物受粉后，花粉形成的花粉管还未愈合前，剪去柱头→滴加DNA(含目的基因)，使目的基因借助花粉管通道进入受体细胞→目的基因表达简便、经济，我国科学家独创的一种方法动物细胞微生物细胞显微注射技术Ca2＋处理法(感受态细胞法)将含有目的基因的表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→注射了目的基因的受精卵，经胚胎早期培养后，移植到雌性动物的输卵管或子宫内→获得具有新性状的动物将目的基因导入动物细胞最为有效的方法用Ca2＋处理微生物细胞→感受态细胞→将基因表达载体与感受态细胞混合→在一定温度下促进感受态细胞吸收DNA分子简便、经济、有效四、目的基因的检测与鉴定1．分子水平检测(1)通过_________________等技术检测受体细胞染色体DNA上是否插入了目的基因或检测目的基因是否转录出mRNA。PCR(2)从转基因生物中提取蛋白质用相应的抗体进行__________________杂交，检测目的基因是否翻译成了蛋白质。抗原—抗体2．个体水平鉴定包括抗虫、抗病的接种实验，以确定是否有抗性及抗性程度。基因工程产品需要与天然产品活性进行比较等。

转基因抗虫棉在世界范围内被广泛种植，有效控制了棉铃虫的种群数量，显著减少了农药的用量。面对棉铃虫的危害，有了抗虫棉是否就可以一劳永逸、高枕无忧呢?根据棉铃虫对传统农药产生抗性的发展历史，科研人员推测棉铃虫存在对Bt抗虫蛋白产生抗性的可能。请你查阅资料，了解以下问题。1.在实际种植过程中,棉铃虫是否对转Bt基因的抗虫棉产生了严重的抗性?证据是什么?2.科研工作者在没有发现棉铃虫出现抗性之前，就应该想办法应对。他们想出的延竣棉铃虫对Bt抗虫蛋白产生抗性的措施有哪些?这些措施的原理是什么?有效吗?到社会中去

提示:1.这是一个开放性的问题，需要学生在找资料来回答。随着田向监测数据的更新及新的科研论文发表，每年学生获得的证据是不样的。例如，科研人员对长江流城种植的转基因抗虫棉进行了监测2011年的数据显示，大部分转基因抗虫棉品种的抗虫性属于中抗及高抗水平;2013年的数据表明，如果棉田周围存在大量天然庇护所，靶标害虫格铃虫、红铃虫等井未对转Bt基因的抗虫棉产生明显抗性。在我国、澳大利亚、印度连国的多个实验室中，通过毒素的连续抗性筛选，已经培育出多个高抗水平的转基因抗虫棉品种。教师要注意引导学生搜集科学、可靠的证据，如科研论文、权威的官方报道等。2.科研人员想出的延缓棉铃虫对Bt抗虫蛋白产生抗性的措施有很多，主要可以分为以下几个方面。(1)基因策略；（2）田间策略；（3）国家宏观调控策略。五、探究与实践DNA片段的扩增及电泳鉴定结果分析与评价提示：可以通过在紫外灯下直接观察DNA条带的分布及粗细程度来评价扩增的结果。1.你是否成功扩增出DNA片段?判断的依据是什么?2.你进行电泳鉴定的结果是几条条带?如果不止一条条带，请分析产生这个结果的可能原因。提示：如果扩增不成功，可能的原因有:漏加了PCR的反应成分，各反应成分的用量不当，PCR程序设置不当等。如果扩增结果不止一条条带，可能的原因有:引物设计不合理，它们与非目的序列有同源性或容易聚合形成二聚体;退火温度过低;DNA聚合酶的质量不好等。六、总结和练习1．下列关于目的基因导入受体细胞的描述，不正确的是(

)A．培育“黄金大米”可用花粉管通道法导入目的基因B．显微注射技术是转基因动物中采用最多的方法C．目的基因导入大肠杆菌最常用的方法是Ca2＋处理法D．农杆菌转化法是将目的基因导入植物细胞最常用的方法提示：水稻的花很小，不适合用花粉管通道法导入目的基因，A错误；将目的基因导入动物细胞常用显微注射法，B正确；将目的基因导入微生物细胞最常用的方法是用Ca2＋处理大肠杆菌，使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的状态，C正确；将目的基因导入植物细胞最常用的方法是农杆菌转化法，此外还有基因枪法和花粉管通道法，D正确。A2．农杆菌侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的T­DNA插入植物基因组中。图示为利用农杆菌培育转基因植物的基本流程，请据图回答：(1)剪除Ti质粒的某些片段、替换复制原点O与添加抗生素的抗性基因T的过程①中，需用多种限制酶处理，原因是__________________________________________，需用_______________