人教版 (2019)选择性必修3第2节 基因工程的基本操作程序教案
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第3章 基因工程
第2节 基因工程的基本操作程序
单元
第3章
学科
生物
年级
高二
学习目标
与
核心素养
阐述基因工程的原理和基本操作。
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。
重点
基因工程的原理和基本操作及PCR扩增的应用
难点
PCR获得和扩增目的基因。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
从社会中来
展示图片
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,我国已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。
课前查阅资料,展示欣赏棉铃虫图片,了解转基因棉花研究历史和经济价值。
联系生活实例,激发学生的学习兴趣。
讲授新课
阅读P76—77,回答下列问题
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?
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?
一、目的基因的筛选与获取
1.目的基因
(1)概念:用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。
(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:从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选。
(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——Bt抗虫蛋白有了较为深入地了解。
(3)认识基因结构和功能的技术方法:DNA测序技术、遗传序列数据库、序列比对工具。
3.利用PCR获取和扩增目的基因
(1)PCR的含义:PCR是聚合酶链式反应的缩写,它是一项根据DNA半保留复制的原理,在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件,对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。
(2)条件:DNA模板、分别与两条模板链结合的2种引物、四种脱氧核苷酸、耐高温的DNA聚合酶。
(3)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。
②复性:温度下降到50 ℃左右时,两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。
③延伸:温度上升到72 ℃左右时,溶液中四种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下加到引物的3′端合成子链。
④重复循环多次。
结果:每次循环后目的基因的量增加一倍,即成指数形式扩增(约为2n)。
(2)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
DNA在高温作用下变性解旋
解旋酶催化
场所
细胞外(在PCR扩增仪内)
细胞内(主要在细胞核内)
酶
耐高温的DNA聚合酶(Taq聚合酶)
DNA解旋酶、普通的DNA聚合酶等
温度条件
需控制温度,在较高温度下进行
细胞内温和条件
合成的对象
DNA片段或基因
DNA分子
联系
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
二.基因表达载体的构建
首先用一定的限制酶切割载体,使它出现一个切口,然后用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割目的基因的DNA片段,再利用DNA连接酶将目的基因片段拼接到载体的切口处。
思考与讨论
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?
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。
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,并在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
2.目的基因导入受体细胞的方法
目的基因导入受体细胞的方法
受体细胞
方法
说明
特点
植物细胞
农杆菌转化法
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
花粉管通道法
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
显微注射
技术
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
微生物细胞
Ca2+处理法(感受态细胞法)
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
到社会中去
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?
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。
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 )
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。
2.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________“缝合”双链DNA片段的平末端。
(2)目的基因是指________。由过程②形成的基因表达载体中, 目的基因的上游具有________,它是________识别和结合的部位。
(3)过程③常用________处理使农杆菌成为感受态细胞。抗生素抗性基因T的作用是________________________________。
(4)可通过________技术检测试管苗的染色体DNA上是否插入了目的基因。
[解析] (1)Ti质粒具多种限制酶切割位点,不同的限制酶识别并切割不同的碱基序列。连接平末端应选用T4 DNA连接酶。
(2)目的基因主要是指编码蛋白质的基因。目的基因的首端具有启动子,以便于RNA聚合酶识别和结合。
(3)过程③常采用Ca2+(CaCl2溶液)处理农杆菌,以增大农杆菌细胞壁的通透性。抗生素抗性基因T用于检测受体细胞中是否含有基因表达载体。
(4)检测农杆菌和愈伤组织细胞中是否有目的基因常采用PCR技术。
[答案] (1)不同的限制酶识别并切割不同的碱基序列
T4 DNA连接酶
(2)编码蛋白质的基因 启动子 RNA聚合酶
(3)Ca2+(CaCl2溶液) 用于鉴定和筛选导入了基因表达载体的农杆菌
(4)PCR
【学习活动一】
学生阅读课本P76—77,带着问题,阅读课文,回答问题。
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?
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?
阅读教材,提取相关信息,完成表格。
【学习活动三】学生阅读P80,分析基因表达载体的构建。
小组讨论,完成相关探究,解决实验相关问题。
【学习活动三】学生阅读P49—50,了解单克隆抗体制备及应用过程。
阅读教材,提取相关信息,完成表格。
小组讨论,联系社会热点问题,完成相关探究,解决相关问题。
根据所学,完成相关练习
创设问题情景,导入新课。
通过阅读,培养学生获取信息的能力,加深学生对概念的认识,激发学生的科学研究的兴趣。
通过完成表格,培养学生获取信息的能力,锻炼学生的语言表达能力,提高学生分析问题,解决问题的能力。
通过阅读,培养学生获取信息的能力,理解并阐述基因表达载体的构建。
提出一个问题比解决一个问题更重要,此环节可以让学生思考真正发生,让更多的学生参与到课堂中。
通过阅读,培养学生获取信息的能力,理解并阐述目的基因导入受体细胞。
分析对比表格中相关信息,培养学生获取信息的能力,锻炼学生的语言表达能力,提高学生分析问题,解决问题的能力。
通过社会热点问题探究,培养学生沟通、交流能力,增强团队合作意识,同时联系实际,解决实际问题,发展学生分析、推理思维能力。
回顾旧知,巩固和应用所学知识。
课堂小结
1.基因工程的基本操作程序有:(1)目的基因的筛选与获取;(2)基因表达载体的构建;(3)将目的基因导入受体细胞;(4)目的基因的检测与鉴定。
2.PCR反应液中需要提供DNA模板、分别与两条模板链结合的2种引物、4种脱氧核苷酸和耐高温的DNA聚合酶。
3.PCR反应中每次循环一般可分为变性、复性、延伸三步。
4.基因表达载体的构建是基因工程的核心,基因表达载体是载体的一种,除了目的基因外,它还必须有启动子、终止子以及标记基因等。
5.将目的基因导入植物细胞的方法有农杆菌转化法和花粉管通道法。
6.将目的基因导入动物细胞常用显微注射技术,导入微生物细胞常用感受态细胞法(Ca2+处理法)。
板书
基因工程的基本操作程序
1.目的基因的筛选和获得
筛选合适目的基因、PCR、
2.基因表达载体的构建
目的基因、标记基因、启动子、终止子
3.将目的基因导入受体细胞
4.目的基因的检测和鉴定
人教版 (2019)选择性必修3第3章 基因工程第2节 基因工程的基本操作程序优质课教学设计: 这是一份人教版 (2019)选择性必修3<a href="/sw/tb_c4008688_t8/?tag_id=27" target="_blank">第3章 基因工程第2节 基因工程的基本操作程序优质课教学设计</a>,共8页。教案主要包含了教学重难点,教学方式,课时安排,教学设计,教学反思,目的基因的筛选与获取等内容,欢迎下载使用。
高中生物人教版 (2019)选择性必修3第2节 基因工程的基本操作程序教案设计: 这是一份高中生物人教版 (2019)选择性必修3第2节 基因工程的基本操作程序教案设计,共2页。教案主要包含了创设情境,导入新课,目的基因的筛选与获取,基因表达载体的构建,将目的基因导入受体细胞,目的基因的检测与鉴定,归纳总结等内容,欢迎下载使用。
生物第2节 基因工程的基本操作程序教学设计: 这是一份生物第2节 基因工程的基本操作程序教学设计,共6页。