人教版 (2019)选择性必修3基因工程的基本操作程序学案设计

这是一份人教版 (2019)选择性必修3基因工程的基本操作程序学案设计，共14页。学案主要包含了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，DNA片段的扩增及电泳鉴定等内容，欢迎下载使用。
学习目标
1.运用系统思想解释基因工程的基本步骤和原理。（生命观念）
2.能结合情境和资料，采用归纳与概括、模型与建模的方法，以文字或图示的形式，掌握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的具体方法。（科学思维）
3.结合PCR扩增DNA片段并完成电泳鉴定实验，掌握实验原理和操作。（科学探究）
自主预习
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。
(2)实例:培育转基因抗虫棉用到的目的基因是 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、 数据库、 工具。
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。
(2)条件:DNA模板、分别与两条模板链结合的2种 、4种 、
。
(3)过程
①变性:当温度上升到90 ℃时,双链DNA 。
②复性:当温度下降到50 ℃左右时, 通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。
③延伸:当温度上升到72 ℃左右时,溶液中的 在耐高温的 的作用下,根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。
④重复循环多次。
(4)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,其中n为扩增循环的次数)。
二、基因表达载体的构建
1.构建基因表达载体的目的
(1)使目的基因在受体细胞中 ,并且 给下一代。
(2)使目的基因能够 和发挥作用。
2.基因表达载体的组成[填图]
3.基因表达载体的构建
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 的限制酶切割含有目的基因的DNA片段;再利用 将目的基因片段拼接到载体的切口处。
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。
2.目的基因导入受体细胞的方法
(1)目的基因导入植物细胞
①花粉管通道法
Ⅰ.用微量注射器将含目的基因的DNA溶液直接注入 中。
Ⅱ.在植物受粉后的一定时间内,剪去柱头,将DNA溶液滴加在花柱切面上,使目的基因借助 进入 。
②农杆菌转化法
Ⅰ.农杆菌的特点:农杆菌自然条件下侵染 植物和 植物;农杆菌细胞中的Ti质粒上的 能够整合到所侵染细胞的 上。
Ⅱ.转化方法:将目的基因插入农杆菌 中,让农杆菌侵染植物细胞。
(2)目的基因导入动物细胞
①常用方法: 法。
②常用受体细胞: 。
(3)目的基因导入微生物细胞
①方法:用 处理细胞,使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,然后将重组的基因表达载体导入其中。
②常用受体细胞:原核细胞(使用最广泛的是大肠杆菌)。
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。
(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。
2.个体生物学水平鉴定
包括 的接种实验,以确定是否有抗虫的特性及抗性的程度;与天然产品活性进行比较等。
五、DNA片段的扩增及电泳鉴定
(1)实验基础
①PCR原理：利用了________________原理。
②电泳：DNA分子具有可解离的基团，这些基团可以带上正电荷或负电荷。在电场的作用下，这些带电分子会向着与它所带电荷______的电极移动，这个过程就是电泳。
③PCR的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定。在凝胶中DNA分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子的________________等有关。
(2)PCR实验操作步骤
(3)DNA的电泳鉴定：凝胶中的DNA分子通过染色，可以在波长为____________的紫外灯下被检测出来。
【我的困惑】PCR过程中的引物是否越长越好？
课堂探究
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。你知道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?
探究一、目的基因的筛选与获取
阅读教材P76～79，结合下列资料，完成学案问题
[资料]下图是PCR扩增技术获得Bt抗虫基因部分过程，请思考完成下列问题：
1.利用PCR技术扩增目的基因需要提供什么条件？
2.DNA复制时为什么需要引物？
3.在PCR过程中，引物是什么？PCR过程引物的作用是什么？
4.构建模型：请根据图示，利用引物A、B画第二、三轮PCR。
5.PCR所需引物是依据________的一段已知序列设计而成的，图中引物A与引物B________(填“相同”或“不同”)，其在PCR过程中________(填“能”或“不能”)重复利用。
6.图中所示利用PCR技术扩增目的基因，在第______轮循环产物中开始出现两条脱氧核苷酸链等长的DNA片段，出现____个这样的等长的DNA片段。一个目的基因分子在第3次扩增时，需要________种引物，需要________个引物。如果循环n次，则共需消耗________对引物。
7.用PCR技术可以扩增mRNA吗？
【归纳提升】PCR技术与生物体内DNA复制的比较
探究二、基因表达载体的构建
阅读教材P80第1～3段，结合下列资料，完成下列问题
【资料】下图中目的基因为Bt基因，为了让目的基因在受体细胞中稳定存在,并且遗传给下一代;同时,使目的基因能够表达和发挥作用，进行基因表达载体的构建过程。请结合图示，回答下列问题：
1.获取Bt基因后能不能直接将它导入受体细胞？为什么？
2.构建基因表达载体的目的是什么？
3.目的基因插入载体时，插入位点是不是随意的？为什么？
4.据图分析，构建基因表达载体时，能否用限制酶Sma Ⅰ切割质粒？为什么？
5.用同一种限制酶分别切割质粒和外源DNA构建重组DNA的方法，称为“单酶切法”。如使用限制酶EcRⅠ分别切割质粒和外源DNA，其结果如下，分析下列回答：
①黏性末端1与2能被DNA连接酶连接吗？黏性末端3与4呢？
②黏性末端1与3、2与4能被DNA连接酶连接吗？1与4、2与3呢？
6.用两种能产生不同黏性末端的限制酶分别同时切割质粒和外源DNA构建重组DNA的方法，称为“双酶切法”。如使用限制酶BamHⅠ和HindⅢ分别同时切割质粒和外源DNA，其结果如下，分析下列回答：
①黏性末端1与2能被DNA连接酶连接吗？黏性末端3与4呢？
②黏性末端1与3、2与4能被DNA连接酶连接吗？1与4、2与3呢？
③通过上述分析，与“单酶切法”相比，“双酶切法”有何优点？
【归纳提升】限制酶的选择技巧
根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类
(1)应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选择________。
(2)不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶，如图甲不能选择_____。
(3)为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒，如图甲也可选择用Pst Ⅰ和EcRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)。
探究三、将目的基因导入受体细胞及目的基因的检测与鉴定
阅读教材P80～82，结合下列资料，完成下列问题
【资料】基因工程中务必使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。受体细胞不同，采用的导入方法也不同。常见的方法有农杆菌转化法、花粉管通道法、显微注射法以及用Ca2＋处理等。下面为利用农杆菌转化法制备转基因抗虫棉的过程图。
1.在用农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞的过程中，一定要将目的基因插入Ti质粒的T－DNA上的原因是什么？
2.将基因表达载体导入农杆菌细胞时，应怎样处理农杆菌细胞？
3.农杆菌转化法是将目的基因导入双子叶植物和裸子植物的一种方法，原因是双子叶植物和裸子植物能够产生一种吸引农杆菌的化学物质，而单子叶植物不能产生这种物质，能不能利用农杆菌转化法将目的基因导入单子叶植物？说明原因。
4.目的基因导入动物细胞时，常用的受体细胞是什么？

5.检测棉花的染色体DNA上是否插入了Bt基因或检测Bt基因是否转录出了mRNA，用_________________等方法;从转基因棉花中提取____________，用相应的________进行________________，检测Bt基因是否翻译成Bt抗虫蛋白等，其次，还需要进行个体生物学水平的鉴定。例如，通过___________来确定Bt基因是否赋予了棉花抗虫特性以及抗性的程度。
【归纳提升】农杆菌转化法中的两次拼接和两次导入
(1)第一次拼接是将目的基因拼接到Ti质粒的________上，第二次拼接(非人工直接操作)是指插入目的基因的T－DNA拼接到受体细胞的_______________。
(2)第一次导入是将含目的基因的Ti质粒导入__________________，第二次导入(非人工直接操作)是指含目的基因的T－DNA导入______________。
探究四、DNA片段的扩增及电泳鉴定
自主阅读教材P84～85，结合下列资料，完成下列问题
【资料】可通过PCR技术扩增Bt基因的数量，PCR的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定，回答下列有关问题：
1．是否成功扩增出DNA片段，判断的依据是什么？
2．进行电泳鉴定的结果如果不止一条条带，请分析产生这个结果的可能原因。
1.下列有关体内DNA复制与PCR技术比较的叙述，错误的是( )
A.二者子链的延伸方向相同，均为5′端→3′端
B.二者均需要解旋酶破坏氢键来实现解旋
C.体内DNA复制需要能量，PCR反应也需要能量
D.二者遵循的碱基互补配对原则相同
2.下面是利用基因工程技术培育转基因植物，进而生产可食用疫苗的部分过程示意图，其中Pst Ⅰ、Sma Ⅰ、EcRⅠ、Apa Ⅰ为四种限制性内切核酸酶。下列说法错误的是( )
A.图示过程是基因工程的核心步骤
B.表达载体构建时需要用到限制酶Sma Ⅰ
C.抗卡那霉素基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来
D.除图示组成外，表达载体中还应该含有启动子和终止子等结构
3．（不定项）如图为科学家通过基因工程培育抗虫棉时，从苏云金杆菌中提取抗虫基因“放入”棉花细胞中，与棉花的DNA分子“结合起来”而发挥作用的过程示意图。下列相关说法正确的是( )
A．图中Ⅰ是质粒，步骤①需要用到限制酶和DNA连接酶
B．图中Ⅱ是含目的基因的重组质粒，步骤②是将重组质粒导入棉花细胞
C．图中Ⅲ是农杆菌，通过步骤③将目的基因导入植物细胞
D．剔除培育成功的抗虫棉体内的四环素抗性基因不会影响抗虫基因的表达
4.目的基因导入受体细胞后，需要检测目的基因是否可以维持稳定和表达其遗传特性。下列关于目的基因的检测和鉴定的叙述，正确的是( )
A.目的基因能否在受体细胞中稳定遗传的关键是能否转录出mRNA
B.可采用PCR检测目的基因是否转录和翻译
C.可从转基因生物中提取蛋白质来检测目的基因是否翻译成相应蛋白质
D.抗虫、抗病检验用于确定转基因生物是否具备相关性状属于分子水平的检测
5.某实验小组利用转基因技术培育耐盐水稻，图1表示含有耐盐基因的外源DNA分子，图2表示质粒，其上含有BamHⅠ、Sma Ⅰ和Hind Ⅲ三种限制酶的切割位点。请回答下列问题。
(1)分析上图可知，欲构建重组DNA分子，应选用____________________两种限制酶切割质粒和外源DNA分子，使用两种不同的限制酶切割含目的基因的外源DNA和质粒的优点是__________________________________________________。
(2)题(1)中不使用另外一种限制酶切割的原因是____________________________。
题(1)中构建成功的重组质粒若用该酶完全切割能产生________种不同的DNA片段。
(3)从个体水平上鉴定耐盐基因是否成功表达的方法是______________________
_____________________________________________________________________。
[课堂小结]请以概念图形式总结本节课的内容
参考答案
自主预习
一、1.(1)受体细胞性状 预期表达产物 (2)Bt抗虫蛋白
2.(1)已知结构 功能清晰 (2)Bt抗虫蛋白 (3)测序 序列 序列比对
3.(1)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)引物 脱氧核苷酸 耐高温的DNA聚合酶 (3)①解聚为单链 ②两种引物 ③4种脱氧核苷酸 DNA聚合酶 (4)指数
二、1.(1)稳定存在 遗传 (2)表达
2.
3.限制酶 同种 能产生相同末端 DNA连接酶
三、1.维持稳定 表达
2.(1)①Ⅰ.子房 Ⅱ.花粉管通道 胚囊 ②Ⅰ.双子叶 裸子 T-DNA 染色体DNA Ⅱ.Ti质粒的T-DNA (2)①显微注射 ②受精卵 (3)①Ca2+
四、1.(1)PCR (2)抗原—抗体
2.抗虫、抗病
五、①DNA的热变性 ②相反 ③大小和构象 (2)微量移液器 离心管 底部 (3)300 nm
课堂探究
探究一、
1.模板、酶、原料、引物以及特定的温度。
2.在DNA扩增时，DNA聚合酶不能从头开始合成DNA，只能从引物的3′端延伸DNA链，因此DNA复制时应加入两种引物。
3.引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。使DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸。
4.
5.目的基因 不同 不能
6.3 2 2 8 (2n－1)
7.mRNA不可以直接扩增，需要将它逆转录成cDNA再进行扩增。
【归纳提升】高温 解旋酶 外 内 DNA聚合酶 解旋酶 DNA聚合酶 较高 温和 脱氧核苷酸链 4种脱氧核苷酸 DNA聚合酶 3′
探究二、
1.不能，是因为游离的DNA进入受体细胞，一般会直接被分解，即使可以转录翻译成蛋白质，游离的DNA片段也无法随着细胞分裂而进行复制，导致子代细胞中不再含有目的基因。
2.让目的基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。
3.不是，目的基因应插入到启动子和终止子之间的部位，因为只有插入在启动子和终止子之间，目的基因才可以正常表达。
4.不能；因为Sma Ⅰ会破坏质粒的抗生素抗性基因。质粒上的抗生素抗性基因是标记基因，便于重组DNA分子的筛选，若被破坏，无法进一步筛选。
5.①能，能。②都能，都能。
6.①不能，不能。②能，能，不能，不能。③可以防止质粒和目的基因的自身环化以及目的基因与质粒的反向连接。
【归纳提升】(1)Pst Ⅰ（2）Sma Ⅰ
探究三、
1.原因是农杆菌中的Ti质粒上的T－DNA(可转移的DNA)可转移至被侵染的细胞，并且整合到该细胞的染色体DNA上。
2.基因表达载体(重组质粒)导入农杆菌细胞时，要用Ca2＋处理农杆菌细胞，使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，利于重组质粒的导入。
3.能，可从双子叶植物中提取该化学物质，再用该化学物质处理单子叶植物细胞，然后就可用农杆菌转化法将目的基因导入单子叶植物细胞。
4.对于动物来说，受体细胞一般是受精卵，因为受精卵表现全能性相对容易，而高度分化的动物体细胞的全能性不易表现。
5.PCR 蛋白质 抗体 抗原—抗体杂交 采摘抗虫棉的叶片饲喂棉铃虫
【归纳提升】（1）T­DNA 染色体DNA上 （2）农杆菌(Ca2＋处理法) 受体细胞(农杆菌转化法)
探究四、
1．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。
2．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；复性温度过低；DNA聚合酶的质量不好等。
当堂训练
1.B 解析:DNA体内复制与利用PCR技术扩增DNA时，子链的延伸方向相同，均为5′端→3′端，A正确；PCR扩增DNA时，解旋不需要解旋酶，而是在高温条件下使氢键断裂，B错误；体内DNA复制与利用PCR扩增DNA时都需要能量，但两者所需能量来源不同，C正确；体内DNA复制与利用PCR扩增DNA时，遵循的碱基互补配对原则相同，D正确。
2.B 解析:图示过程为基因表达载体的构建过程，是基因工程中的核心步骤，A正确；构建表达载体过程中需要将目的基因完整切割下来，此时要用到限制酶Pst Ⅰ、EcRⅠ，若使用Sma Ⅰ将破坏抗原基因，B错误；抗卡那霉素基因是标记基因，其作用是便于筛选含有目的基因的细胞，C正确；基因表达载体应包括启动子、目的基因、终止子和标记基因等结构，D正确。
3.ACD 解析:题图中Ⅰ为质粒，步骤①为基因表达载体的构建，需要用到限制酶和DNA连接酶，A正确；题图中步骤②是将重组质粒导入农杆菌细胞，B错误；基因的表达具有一定的独立性，剔除培育成功的抗虫棉体内的四环素抗性基因不影响抗虫基因的表达，D正确。
4.C 解析:目的基因导入受体细胞后，首先要检测转基因生物(染色体)DNA上是否插入了目的基因，这是目的基因能否在受体细胞中稳定遗传的关键，A错误；PCR可用于检测目的基因是否转录，检测目的基因是否翻译用抗原—抗体杂交技术，B错误；抗虫、抗病检验用于确定转基因生物是否具备相关性状属于个体生物学水平的鉴定，D错误。
5.(1)BamHⅠ和Hind Ⅲ 防止质粒和目的基因的自身环化及目的基因的反向连接 (2)Sma Ⅰ会破坏目的基因 3 (3)将转基因水稻置于盐碱地中培育(或用一定浓度的盐水浇灌转基因水稻)，观察其能否正常生长
解析:(1)(2)外源DNA和质粒上都含有限制酶BamHⅠ、Hind Ⅲ和SmaⅠ的切割位点，但限制酶SmaⅠ的切割位点位于目的基因中，因此构建基因表达载体时，应该选用限制酶BamHⅠ和Hind Ⅲ切割质粒和外源DNA分子；使用两种不同的限制酶切割含目的基因的外源DNA和质粒，可防止质粒和目的基因的自身环化及目的基因的反向连接。构建成功的重组质粒含有3个限制酶SmaⅠ的切割位点，因此若用该酶完全切割构建成功的重组质粒能产生3种不同的DNA片段。(3)从个体水平上鉴定耐盐基因是否成功表达的方法是将转基因水稻置于盐碱地中培育，或用一定浓度的盐水浇灌转基因水稻，观察其能否正常生长。
[课堂小结]请以概念图形式总结本节课的内容
比较项目
PCR技术
DNA复制
区别
解旋方式
DNA在 作用下变性解旋
催化
场所
细胞 (在PCR扩增仪内)
细胞 (主要在细胞核内)
酶
耐高温的
、普通的 等
温度条件
需控制温度,在 温度下
细胞内 条件
合成的对象
DNA片段或基因
DNA分子
联系
①模板:均需要 作为模板进行物质合成;
②原料:均为 ;
③酶:均需要 进行催化;
④引物:均需要引物,使DNA聚合酶从引物的 端开始连接脱氧核苷酸