2026年高考生物一轮复习：人教版选择性必修3 生物技术与工程 知识点提纲 讲义

这是一份2026年高考生物一轮复习：人教版选择性必修3 生物技术与工程 知识点提纲 讲义，共34页。学案主要包含了发酵与传统发酵技术，尝试制作传统发酵食品，传统发酵技术局限及解决办法，无菌技术，微生物的纯培养，干细胞培养及其应用，我国态度等内容，欢迎下载使用。
发酵工程是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。
第 1 节 传统发酵技术的应用
一、发酵与传统发酵技术
（一）发酵：是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程。
（二）传统发酵技术：
1 ．举例—腐乳的制作：
（1）原理：经过微生物的发酵，豆腐中的蛋白质被分解成小分子的肽和氨基酸，味道鲜美，易于消化吸收，而腐乳本身又便于保存。
（2）菌种：多种微生物参与了豆腐的发酵，如酵母、 曲霉和毛霉等，其中起主要作用的是毛霉。
2 ．定义：直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次发酵保存下来的面团、卤汁等发酵物陈酿中的微生物进行发酵、制作食品的技术一般称为传统发酵技术。
3 ．特点：传统发酵以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主，通常是家庭式或作坊式的。
4 ．应用：利用传统发酵技术制作的食品还有酱、酱油、醋、泡菜和豆豉等，它们是我国传统饮食文化的重要组成部分。
二、尝试制作传统发酵食品
（一）菌种：传统发酵食品的制作离不开各种各样的微生物。
1 ．乳酸菌：
（1）特点：厌氧细菌，在无氧的情况下能将葡萄糖分解成乳酸：C6H12O6 ――酶→2C3H6O3＋能量
（2）用途：可用于乳制品的发酵、泡菜的腌制等。
（3）种类：乳酸菌种类很多，常见的乳酸菌有乳酸链球菌和乳酸杆菌。
（4）分布：在自然界中分布广泛，空气、土壤、植物体表、人或动物的肠道内都有乳酸菌分布。
2 ．酵母菌：
（ 1 ） 特 点 ： 是 一 类 单 细 胞 真 菌 ， 兼 性 厌 氧 微 生 物 ， 在 无 氧 条 件 下 能 进 行 酒 精 发 酵 ： C6H12O6 ――酶→2C2H5OH+2CO2+能量
（2）用途：可用于酿酒、制作馒头和面包等。
（3）分布：能以多种糖类作为营养物质和能量的来源，因此在一些含糖量较高的水果、蔬菜表面经常可以发现酵母菌的存在。
（4）影响因素：温度是影响酵母菌生长的重要因素，酿酒酵母的最适生长温度约为28℃。
3 ．醋酸菌：
（1）特点：好氧细菌：
①当 O2 、糖源都充足时能将糖分解成醋酸：
C6H12O6+2O2 ――酶→2CH3COOH（醋酸）+2H2O+2CO2+能量
②当缺少糖源时则将乙醇转化为乙醛，再将乙醛变为醋酸：
C2H5OH+2O2 ――酶→ CH3COOH（醋酸）+2H2O+能量
（2）用途：醋酸菌可用于制作各种风味的醋。
（3）影响因素：多数醋酸菌的最适生长温度为 30~35℃。
（二）【探究 ·实践】制作传统发酵食品
1 ．制作泡菜
（1）原理：制作传统泡菜是利用植物体表面天然的乳酸菌来进行发酵的。发酵期间，乳酸会不断积累，当它的质量百分比为 0.4%~0.8%时，泡菜的口味、品质最佳。
（2）材料用具：食盐、清水、新鲜蔬菜、蒜瓣、生姜及其他香辛料、泡菜坛或其他密封性良好的罐子等。
（3）方法步骤：
①配制盐水：用清水和食盐配制质量百分比为 5%~20%的盐水，并将盐水煮沸，冷却待用。
②材料处理：将新鲜蔬菜（如萝 卜、黄瓜和豇豆等）洗净，切成块状或条状，混合均匀。
③装坛和加香辛料：晾干后装入泡菜坛内；装至半坛时，放入蒜瓣、生姜及其他香辛料，继续装至八成满。
【知识解析】为什么泡菜坛只能装八成满？
在泡菜发酵初期，由蔬菜表面带入的大肠杆菌、酵母菌等较为活跃，它们可进行发酵，发酵产物中有较多的 CO2 ，如果泡菜坛装得太满，发酵液可能会溢出坛外。另外，泡菜坛装得太满，会使盐水不太容易完全淹没菜料，从而导致坛内菜料变质腐烂。泡菜坛留有一定的空间，也更方便拿取泡菜。
④倒盐水：将冷却好的盐水缓缓倒入坛中，使盐水没过全部菜料，盖好坛盖。
⑤封坛发酵： 向坛盖边沿的水槽中注满水，并在发酵过程中注意经常向水槽中补充水，根据室内温度控制发酵时间。
【知识解析】用水密封泡菜坛的目的是给泡菜坛内创造无氧环境，说明泡菜制作需要在无氧条件下进行。
（4）进一步探究：略
2 ．制作果酒和果醋
（1）原理：许多新鲜水果（如葡萄）的果皮表面附着有大量的不同种类的野生酵母菌。在这些酵母菌的作用下，水果可以发酵成果酒。在有氧的条件下，果酒经醋酸菌的作用还可以进一步发酵成果醋。
（2）材料用具：新鲜的水果（如葡萄、苹果、山楂和龙眼等）、洗洁精、体积分数为 70%的酒精、发酵瓶、纱布和榨汁机等。
（3）方法步骤： 以葡萄酒和葡萄醋的制作为例。
①清洗消毒：将发酵瓶、榨汁机等器具用洗洁精清洗干净，并用体积分数为 70%的酒精消毒，晾干备用。
②材料处理：取新鲜葡萄，用清水冲洗 1~2 次，再去除枝梗和腐烂的籽粒，沥干。
③榨汁：用榨汁机榨取葡萄汁，将葡萄汁装入发酵瓶中（注意：要留有大约 1/3 的空间），盖好瓶盖。
④酒精发酵：将温度控制在 18~30℃进行发酵。在发酵过程中，每隔 12h 左右将瓶盖拧松一次（注意：不是打开瓶盖），此后再拧紧瓶盖。发酵时间为 10~ 12d 。可通过从发酵瓶口取样来对发酵的情况进行监测。
⑤醋酸发酵：当葡萄酒制作完成后，打开瓶盖，盖上一层纱布，进行葡萄醋的发酵。发酵温度为 30~35℃ ,时间为 7~8d。
【知识解析】
1 ．在制作果酒和果醋的过程中，发酵液分别有哪些变化？其中最明显的变化发生在发酵后多少天？ 引起变化的原因是什么？
在葡萄酒的制作过程中，发酵液中会产生气泡，这是因为酵母菌发酵产生 CO2 ；如果是用紫色葡萄制作葡萄酒，随着发酵时间的延长，由果皮进入发酵液的花青素会越来越多， 因而发酵液的颜色会逐渐加深变成深红色。果醋发酵过程中一般不会出现气泡，发酵完成时，在发酵液的液面上会出现一层菌膜，这是醋酸菌膜。
2 ．在制作果酒的过程中，除了酵母菌，是否还有其他微生物生长？ 它们会对果酒发酵产生影响吗？如果有，如何避免这种影响？
果酒中除了酵母菌，还有乳酸菌、醋酸菌等微生物。乳酸菌可能分解果酒中的糖、甘油、酒石酸等，从而使果酒变质。可以通过调节发酵的温度、果酒的 pH 等来控制乳酸菌的含量。果汁中的糖也是醋酸菌重要的碳源和能源。在有氧的情况下，醋酸菌能把糖分解成醋酸；在缺少糖源的情况下， 乙醇便是醋酸菌的碳源和能源，它将乙醇转化为乙醛，再将乙醛变为醋酸。由于醋酸菌在有氧的条件下才能进行旺盛的代谢活动，因此在制作果酒的过程中尽量减少 O2 含量，可以抑制醋酸菌的生长繁殖。此外，通过调节发酵的温度、果酒
的 pH 等同样可以控制醋酸菌的含量。
3.在制作果醋的过程中，酵母菌是否还会继续发酵？醋酸菌从何而来？采用什么措施可以加快果醋的制作？
随着醋酸发酵的进行，发酵液的pH 、发酵温度等均不利于酵母菌的生长繁殖，因此酵母菌活性很低。在我们的实验条件下，当打开瓶盖后，空气中的醋酸菌会进入发酵液中大量繁殖，其他的菌因不适应环境条件而不能繁殖。在工业上，后期醋的发酵需要人工接种醋酸菌。我们制作果醋时，可以先买一瓶醋，将其打开暴露于空气中，一段时间后在醋的表面会有一层薄膜（实际上是醋酸菌），用这层薄膜进行接种可以明显缩短制作果醋的时间。
三、传统发酵技术局限及解决办法：
1 ．局限：传统发酵食品的制作过程没有接种菌种，而是利用天然存在的菌种。菌种差异、杂菌情况不明和发酵过程的控制缺乏标准等，往往会造成发酵食品的品质不一。
2 ．解决办法：为了缩短发酵时间，确保品质稳定，工业上大规模生产时，通常会先通过微生物培养技术获得单一菌种，再将它们接种到物料中进行发酵。
第 2 节 微生物的培养技术及应用
一、微生物的基本培养技术
一、防止杂菌污染，获得纯净的微生物培养物的意义：是研究和应用微生物的前提，也是发酵工程的重要基础。
二、要求：
1 ．要为人们需要的微生物提供合适的营养和环境条件；
2 ．要确保其他微生物无法混入，并将需要的微生物分离出来。
三、培养基：
（一）含义：人们按照微生物对营养物质的不同需求，配制出供其生长繁殖的营养基质。
（二）作用：用以培养、分离、鉴定、保存微生物或积累其代谢物。
（三）类型：
1 ．液体培养基：不含凝固剂（如琼脂）、呈液体状态的培养基。
2 ．固体培养基：呈固体状态。在液体培养基中加入琼脂后制成，是实验室中最常用的培养基之一。
（四）成分：虽然各种培养基的配方不同，但一般都含有水、碳源（提供碳元素的物质）、氮源（提供氮元素的物质）和无机盐等营养物质。
（五）举例： 1000mL 牛肉膏蛋白胨培养基的营养构成
（六）微生物的培养条件：
1 ．营养物质：
（1）主要营养物质：上述。
（2）特殊营养物质：在培养乳酸杆菌时，需要在培养基中添加维生素。
2 ．pH：在培养霉菌时，需要将培养基调至酸性；在培养细菌时，需要将培养基调至中性或弱碱性。
3 ．O2 ：在培养厌氧微生物时，需要提供无氧的条件。
四、无菌技术：
（一）获得纯净微生物培养物的关键：是防止杂菌污染。
（二）主要方法：包括消毒和灭菌。
组分
牛肉膏
蛋白胨
NaCl
H2O
含量
5g
10g
5g
定容至 1000mL
提供的主要营养
碳源、磷酸盐和维生素等
氮源和维生素等
无机盐
水
注意事项：
1 ．做好消毒和灭菌工作后，要注意避免已经灭菌处理的材料用具与周围的物品接触。
2 ．为了避免周围环境中微生物的污染，接下来的许多操作都应在超净工作台并在酒精灯火焰附近进行。
五、微生物的纯培养
（一）基本概念：
1 ．培养物：在微生物学中，将接种于培养基内，在合适条件下形成的含特定种类微生物的群体称为培养物。
2 ．纯培养物： 由单一个体繁殖所获得的微生物群体称为纯培养物。
3 ．纯培养：获得纯培养物的过程就是纯培养。
（二）步骤：包括配制培养基、灭菌、接种、分离和培养等步骤。
（三）【探究 ·实践】酵母菌的纯培养：
1．原理：分散的微生物在适宜的固体培养基表面或内部可以繁殖形成肉眼可见的、有一定形态结构的子细胞群体，这就是菌落。采用平板划线法和稀释涂布平板法能将单个微生物分散在固体培养基上，之后经培养得到的单菌落一般是由单个微生物繁殖形成的纯培养物。下面，我们尝试在马铃薯琼脂培养基上进行酵母菌的纯培养。
2 ． 目的要求：
（1）学会配制培养酵母菌的培养基并倒平板。
（2）学会进行无菌操作。
（3）尝试通过平板划线操作来获得纯化的酵母菌菌落。
3 ．材料用具：酵母菌培养液、马铃薯、葡萄糖（或蔗糖）、琼脂、蒸馏水、天平、小刀、纱布、烧杯、锥形瓶、棉塞、牛皮纸（或报纸）、皮筋、培养皿、接种环、酒精灯、超净工作台、高压蒸汽灭菌锅、干热灭菌箱和恒温培养箱等。
项目
消毒
灭菌
含义
是指使用较为温和的物理、化学或生物等方法杀死物体表面或内部一部分微生物。
是指使用强烈的理化方法杀死物体内外所有的微生物，包括芽孢和孢子。
对象
对操作的空间、操作者的衣着和手进行清洁和消毒。
将用于微生物培养的器皿、接种用具和培养基等进行灭菌。
方法
1 ．煮沸消毒法：在 100℃煮沸 5~6min ，可以杀死微生物的营养细胞和一部分芽孢。
2 ． 巴氏消毒法：不耐高温的液体，如牛奶，在 62~65 ℃ 消 毒 30min 或 80~90 ℃ 处 理30s~1min ，可以杀死牛奶中的绝大多数微生物，并且不破坏牛奶的营养成分。
3 ．化学药物消毒：如用酒精擦拭双手、用氯气消毒水源等。
4 ．紫外线消毒：例如，接种室、接种箱或超净工作台在使用前，可以用紫外线照射 30min，以杀死物体表面或空气中的微生物 。在照射前，适量喷洒石炭酸或煤酚皂溶液等消毒液，可以加强消毒效果。
5 ．生物消毒法：利用生物或其代谢物除去环境中的部分微生物的方法。例如，有的微生物能够寄生于多种细菌体内，使细菌裂解，可用它们来净化污水、污泥。
1 ．湿热灭菌：
（1）原理：利用沸水、流通蒸汽或高压蒸汽进行灭菌的方法。其中高压蒸汽灭菌的效果最好。
（2）器材：实验室常用的高压蒸汽灭菌锅
（3）条件： 以水蒸气为介质，100kPa 、121℃ , 维持15~30min。
2 ．干热灭菌：
（1）器材：将灭菌物品放入密闭容器如干热灭菌箱
（2）条件：160~ 170℃的热空气中维持 2~3h
（3）适用范围：耐高温的和需要保持干燥的物品，如玻璃器皿（如吸管、培养皿等）、金属用具等。
3 ．灼烧灭菌：
（1）适用范围：微生物的接种工具，如涂布器、接种环、接种针或其他金属用具；接种过程中试管口、瓶口等容易被污染的部位，也可以通过火焰灼烧来灭菌。
（2）方法：直接在酒精灯火焰的充分燃烧层灼烧。
4 ．方法步骤：
（1）制备培养基：
①配制培养基：称取去皮的马铃薯 200g ，切成小块，加水 1000mL ，加热煮沸至马铃薯软烂，用纱布过滤。向滤液中加入 20g 葡萄糖（也可用蔗糖代替）、15~20g 琼脂，用蒸馏水定容至 1000mL。
②灭菌：将配制好的培养基转移到锥形瓶中，加棉塞，包上牛皮纸，并用皮筋勒紧，再放入高压蒸汽灭菌锅中，在压力为 100kPa 、温度为 121℃的条件下，灭菌 15~30min 。将 5~8 套培养皿包成一包，用几层牛皮纸包紧，放入干热灭菌箱内，在 160~ 170℃灭菌 2h。
③倒平板：待培养基冷却至 50℃左右时，在酒精灯火焰附近倒平板。倒平板的具体操作步骤如下：
●拔出锥形瓶的棉塞。
●将瓶口迅速通过火焰。
●用拇指和食指将培养皿打开一条稍大于瓶口的缝隙，将培养基（10~20mL）倒入培养皿，立即盖上皿盖。
●等待培养基冷却凝固后，将培养皿倒过来放置。
（2）接种和分离酵母菌：通过接种环在固体培养基表面连续划线的操作，将聚集的菌种逐步稀释分散到培养基的表面。经数次划线后培养，可以分离得到单菌落。平板划线的具体操作如下：
●将接种环放在火焰上灼烧，直到接种环的金属丝烧红。
●在火焰旁冷却接种环。同时，拔出装有酵母菌培养液的试管的棉塞。
●将试管口通过火焰。
●在火焰附近用接种环蘸取一环菌液。
●将试管口通过火焰，并塞上棉塞。
●在火焰附近将皿盖打开一条缝隙，用接种环在培养基表面迅速划三至五条平行线，盖上皿盖。
●灼烧接种环，待其冷却后，从第一次划线的末端开始作第二次划线。重复以上操作，作第三、四、五次划线。注意不要将最后一次的划线与第一次的划线相连。
（3）培养酵母菌：完成平板划线后，待菌液被培养基吸收，将接种后的平板和一个未接种的平板倒置，放入 28℃左右（培养温度因酵母菌种类的不同而稍有差异）的恒温培养箱中培养 24~48h。
5 ．结果分析与评价：
（1）在未接种的培养基表面是否有菌落生长？如果有，说明了什么？
答：在未接种的培养基表面应该没有菌落生长，如果有，说明培养基被杂菌污染。
（2）在接种酵母菌的培养基上，你是否观察到了单菌落？这些菌落的颜色、形状和大小是否一致？如果你观察到了不同形态的菌落，你能分析出可能是由哪些原因引起的吗？
答：如果观察到了不同形态的菌落，可能是接种的菌种不纯或者无菌操作不规范等原因引起的。
二、微生物的选择培养和计数
一、选择培养基
（一）实验室中微生物筛选的原理：人为提供有利于目的菌生长的条件（包括营养、温度和 pH 等），同时抑制或阻止其他微生物的生长。
（二）定义：在微生物学中，将允许特定种类的微生物生长，同时抑制或阻止其他种类微生物生长的培养基，称为选择培养基。
（三）【思考 ·讨论】选择培养基配方的设计：
1 ．原理：尿素[CO(NH2)2]含氮量高，化学性质相对稳定，是现代农业生产中一种重要的氮肥。尿素施入土壤后，会被土壤中的某些细菌分解成 NH3 ，NH3 再转化为 NOEQ \* jc3 \* hps10 \\al(\s\up 4(－),3) 、NH等被植物吸收。而这些细菌之所以能分解尿素，是因为它们能合成脲酶，脲酶催化尿素分解产生 NH3 ，NH3 可作为细菌生长的氮源。
2 ．讨论：
（1）如果让你配制一种培养基，将土壤稀释液中能分解尿素的细菌分离出来，培养基的配方该如何设计？答：设计一种选择培养基，用尿素作为唯一氮源，可以将分解尿素的细菌分离出来。
（2）该培养基与普通培养基有哪些共同点和不同点？
答：这种培养基与普通培养基相比，只是用尿素作为唯一氮源，培养基的其他营养成分基本相同。
二、微生物的选择培养—稀释涂布平板法：
（一）方法：对土样进行充分稀释，然后再将菌液涂布到制备好的选择培养基上。
（二）操作步骤：
1 ．取样：铲取土样，将样品装入纸袋中。
2 ．稀释：
（1）将 10g 土样加入盛有 90mL 无菌水的锥形瓶中，充分摇匀。
（2）取 1mL 上清液加入盛有 9mL 无菌水的试管中，依次等比稀释，方法如下：
①将分别盛有 9mL 水的 6 支试管灭菌，并按 102~ 107 的顺序编号。
②用移液管从锥形瓶吸取 1 mL 培养的菌液，注入 102 倍稀释的试管中。用手指轻压移液管上的橡皮头，吹吸三次，使菌液与水充分混匀。
③从 102 倍稀释的试管中吸取 1 mL 稀释液，注入 103 倍稀释的试管中，重复第②步的混匀操作。依次类推，直到完成最后一支试管的稀释。
注意：移液管需要经过灭菌。操作时，试管口和移液管应在离火焰 1~2cm 处。
3 ．涂布平板：
（1）取 0. 1mL 菌液，滴加到培养基表面。
（2）将涂布器浸在盛有酒精的烧杯中。
（3）将涂布器放在火焰上灼烧，待酒精燃尽、涂布器冷却后，再进行涂布。
（4）用涂布器将菌液均匀地涂布在培养基表面。涂布时可转动培养皿，使涂布均匀。
4 ．培养：待涂布的菌液被培养基吸收后，将平板倒置，放入 30~37℃的恒温培养箱中培养 1~2d 。在涂布有合适浓度菌液的平板上就可以观察到分离的单菌落。
（三）用途：稀释涂布平板法除可以用于分离微生物外，也常用来统计样品中活菌的数目。
三、微生物的数量测定
（一）方法
1 ．稀释涂布平板法：活菌计数
（1）原理：当样品的稀释度足够高时，培养基表面生长的一个单菌落，来源于样品稀释液中的一个活菌。通过统计平板上的菌落数，就能推测出样品中大约含有多少活菌。为了保证结果准确，一般选择菌落数为30~300 的平板进行计数。
（2）注意事项：样品的稀释度将直接影响平板上的菌落数目。在实际操作中，通常选用一定稀释范围的样品液进行培养，以保证获得菌落数为 30~300 、适于计数的平板。在同一稀释度下，应至少对 3 个平板进行重复计数，然后求出平均值。
（3）统计结果：统计的菌落数往往比活菌的实际数目少，这是因为当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落。因此，统计结果一般用菌落数而不是用活菌数来表示。
2 ．显微镜直接计数：
（1）特点：是一种常用的、快速直观的测定微生物数量的方法。
（2）原理：该方法利用特定的细菌计数板或血细胞计数板，在显微镜下观察、计数，然后再计算一定体积的样品中微生物的数量，统计的结果一般是活菌数和死菌数的总和。
【知识解析】细菌计数板和血细胞计数板的计数原理相同。血细胞计数板比细菌计数板厚，常用于相对较大的酵母菌细胞、霉菌孢子等的计数。用细菌计数板可对细菌等较小的细胞进行观察和计数。
（二）【探究 ·实践】土壤中分解尿素的细菌的分离与计数：
1．提出问题：土壤中含有能分解尿素的细菌，我们如何分离它们？每克土壤样品究竞含有多少这样的细
菌？
2 ．基础知识（原理）：绝大多数微生物都能利用葡萄糖，但是只有能合成脲酶的微生物才能分解尿素。利用以尿素作为唯一氮源的选择培养基，可以从土壤中分离出分解尿素的细菌，该选择培养基的配方见下表：
3．实验设计：请你根据前面学过的微生物的选择培养、数量测定的知识以及下面的资料，思考有关问题，然后进行实验设计，并写出详细的实验方案。
【资料一】土壤取样：细菌适宜在酸碱度接近中性的潮湿土壤中生长，绝大多数分布在距地表 3～8cm的土壤层。因此，取样时一般要铲去表层土。在城市，常见的是公园里、街道旁、花盆中的土壤；在农村，则容易收集到农田或菜园里的土壤。你打算选择什么样的土壤做实验呢？
【资料二】样品的稀释：测定土壤中细菌的数量，一般选用 1 × 104 、1×105 和 1×106 倍稀释的稀释液进行平板培养。测定土壤中细菌的总量和能分解尿素的细菌的数量，选用的稀释范围相同吗？如果不同，你打算选用多大的稀释范围？
当你第一次做这个实验的时候，可以将稀释的范围放宽一点。例如，可以将 1×103~ 1×107 倍稀释的稀释液分别涂布到平板上培养， 以保证能从中选择出菌落数在 30~300 的平板进行计数。
【资料三】微生物的培养与观察：不同种类的微生物，往往需要不同的培养温度和培养时间。细菌一般在 30~37℃的温度下培养 1~2d 。本实验中，我们可以每隔 24h 统计一次菌落数目，选取菌落数目稳定时的记录作为结果。
一般来说，在相同的培养条件下，同种微生物表现出稳定的菌落特征。请仔细观察你所分离到的菌落，最好以表格的形式将不同菌落的特征（如形状、大小和颜色等）记录下来。
4 ．操作提示：
（1）将涂布器从酒精中取出时，要让多余的酒精在烧杯中滴尽，然后再放在火焰上灼烧。不要将过热的涂布器放在盛有酒精的烧杯中， 以免引燃酒精。
（2）要按照前面学习过的无菌操作的方法，进行规范操作。取土样时用的铁铲和取样纸袋在使用前都需要灭菌。操作完成后，一定要洗手。
（3）本实验使用的平板和试管较多，为了避免混淆，最好在使用前做好标记。例如，在标记培养皿时应该注明组别、培养日期和平板上培养样品的稀释度等。
（4）本实验耗时较长，需要事先规划时间， 以便提高实验效率，在操作时有条不紊。
5 ．结果分析与评价：
（1）结合对照组，分析培养物中是否有杂菌污染以及选择培养基是否筛选出一些菌落。
答：如果没有接种的培养基上没有菌落生长，说明培养基没有被杂菌污染。如果接种后的完全培养基上的菌落数明显多于选择培养基上的菌落数，说明选择培养基筛选出了一些尿素分解菌。
（2）你是否获得了某一稀释度下菌落数为 30~300 的平板？在这一稀释度下，是否至少有 2 个平板的菌落数接近？
答：如果得到了两个或多个菌落数为 30~300 的平板，说明稀释度合适，操作比较成功，能够进行菌落的计数。
（3）你统计的每克土样中能分解尿素的细菌的菌落数是多少？与其他同学统计的结果接近吗？如果差异很大，可能是什么原因引起的？
答：如果是用同一土样进行的操作，数据应该比较接近。如果差异很大，就需要从操作是否规范、培养基配制是否合理等方面查找原因。
6．进一步探究：本活动只是初步筛选了能分解尿素的细菌，对分离的菌种进行鉴定还需要借助生物化学的方法。你可以查阅相关资料，进一步设计实验来鉴定自己分离的菌种。
组分
KH2PO4
Na2HPO
MgSO4·7H2O
葡萄糖
尿素
琼脂
H2O
含量
1.4g
2. 1g
0.2g
10.0g
1.0g
15.0g
定容至 1000mL
第 3 节 发酵工程及其应用
一、发酵工程的基本环节
发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。
（一）选育菌种：
1 ．要求：性状优良的菌种
2 ．需要考虑的因素：
（1）在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；
（2）生产所需代谢物的产量高；
（3）发酵条件容易控制；
（4）菌种不易变异、退化等。
3 ．来源：可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
4．举例：生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的黑曲霉。在啤酒生产中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。
（二）扩大培养：工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。
（三）配制培养基：在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。
（四）灭菌：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
1 ．原因：发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。
2 ．举例：在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。
（五）接种
（六）发酵罐内发酵：这是发酵工程的中心环节。
1 ．工作：
（1）随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等， 以了解发酵进程。
（2）及时添加必需的营养组分。
（3）要严格控制温度、pH 和溶解氧等发酵条件。
2 ．原因：环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。
3．举例—谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和 N-乙酰谷氨酰胺。
（七）分离、提纯产物：
1 ．发酵产品是微生物细胞本身：可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。
2 ．发酵产品是代谢物：可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。 【知识解析】在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？
传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
8 ．获得产品
【注意事项】在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等不能直接排放到外界环境中。 因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
二、发酵工程的应用
（一）发酵工程的特点：生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等。
（二）应用：
1 ．在食品工业上的应用：
（1）生产传统的发酵产品：
①举例：
●酱油的生产：
○主要原料：大豆
○菌种：产生蛋白酶的霉菌（如黑曲霉）
○流程：将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制而成。
●酒类的生产：
○原料：谷物或水果等
○菌种：酿酒酵母
②特点：发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高。
③【思考 ·讨论】啤酒的工业化生产流程：
啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下：
●发芽：大麦种子发芽，释放淀粉酶。
●焙烤：加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
●碾磨：将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
●糖化：淀粉分解，形成糖浆。
●蒸煮：产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
●发酵：酵母菌将糖转化为酒精和 CO2 。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。
○主发酵：酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。
○后发酵：主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。
●消毒：杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
●终止：过滤、调节、分装啤酒进行出售。
【知识解析】菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。
（2）生产各种各样的食品添加剂：
①用途：它不仅可以增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期。 ②举例：
●柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，它可以通过黑曲霉的发酵制得；
●由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制成味精。
（3）生产酶制剂：
①举例：a-淀粉酶、 β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
②用途： 目前，已有 50 多种酶制剂成功用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等方面。
③生产方法：少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产。
2 ．在医药工业上的应用
（1）用于抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等生产领域。
①相关技术：基因工程、蛋白质工程等
②方法：
●采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物；
●直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。
③优点：靠从生物器官、组织、细胞或尿液中提取，因受到原料限制无法推广使用的药物，可通过这种方法得以大量生产和使用。
④举例—生长激素释放抑制激素：
●用途：能够抑制生长激素的不适宜分泌，可用于治疗肢端肥大症。
●生产方法：
○传统方法：从羊脑中提取，50 万个羊脑才能提取 5mg ，远远不能满足需要。
○发酵工程生产：利用经过基因改造的微生物进行发酵生产，从 7.5L 培养液中就能得到 5mg 的生长激素释放抑制激素，这也使得其价格降为原来的几百分之一。
⑤展望：未来甚至还可能用微生物来生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物。
（2）生产疫苗：
①方法：利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用。
②举例：一种生产乙型肝炎疫苗的方法就是将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产。
3 ．在农牧业上的应用：
（1）生产微生物肥料：
①微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。
②有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。
（2）生产微生物农药：
①原理：微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。
②举例：
●苏云金杆菌可以用来防治 80 多种农林虫害；
●利用白僵菌可以防治玉米、松毛虫等虫害；
●一种放线菌产生的抗生素—井冈霉素可以用于防治水稻枯纹病。
③意义：微生物农药作为生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用。
（3）生产微生物饲料：
①原因：
●微生物含有丰富的蛋白质
●细菌生长繁殖速度很快。
②举例：
●以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白。用酵母菌等生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂；用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。
●在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。
4 ．在其他方面的应用
（1）利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。发酵原料的改变推动着发酵工业迅速发展，对解决资源短缺与环境污染问题具有重要意义。
（2）极端微生物（如高温、高压、高盐和低温等环境）应用于生产实践。例如，嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。
（三）意义：发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。
第 2 章 细胞工程
细胞工程是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的操作，有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。
第 1 节 植物细胞工程
一、植物细胞工程的基本技术
一、理论基础—细胞的全能性
1．含义：细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能，即细胞具有全能性。
2 ．未表现而分化的原因：在特定的时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达。
二、技术手段：
（一）植物组织培养技术
1 ．定义：植物组织培养是指将离体的植物器官、组织或细胞（称为外植体）等，培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱导其形成完整植株的技术。
2 ．【探究·实践】菊花的组织培养
（1）原理：植物细胞一般具有全能性。在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞可以经过脱分化，即失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成不定形的薄壁组织团块，这称为愈伤组织。愈伤组织能重新分化成芽、根等器官，该过程称为再分化。植物激素中生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素，它们的浓度、用量的比例等都会影响植物细胞的发育方向。将愈伤组织接种到含有特定激素的培养基上，就可以诱导其再分化成胚状体，长出芽和根，进而发育成完整的植株。
（2） 目的要求
①了解植物组织培养的基本原理。
②了解生长素和细胞分裂素的浓度、用量的比例对菊花愈伤组织形成和分化的影响。
③尝试进行植物组织培养。
（3）材料用具
①材料：幼嫩的菊花茎段、培养基、体积分数为 70%的酒精、质量分数为 5%左右的次氯酸钠溶液和无菌水等。各种培养基的配制参见教材附录 1。
②用具：50mL 锥形瓶（或植物组织培养瓶）、烧杯、酒精灯、超净工作台（或接种箱）、高压蒸汽灭菌锅、培养箱、封口膜、滤纸、标签、消毒用酒精棉球、培养皿、解剖刀和镊子等。
（4）方法步骤
①消毒灭菌：用酒精擦拭双手和超净工作台台面。将流水充分冲洗后的外植体（幼嫩的茎段）用酒精消毒 30s ，然后立即用无菌水清洗 2~3 次；再用次氯酸钠溶液处理 30min 后，立即用无菌水清洗 2~3 次。
②外植体的处理：将消过毒的外植体置于无菌的培养皿中，用无菌滤纸吸去表面的水分。用解剖刀将外植体切成 0.5~ 1cm 长的小段。
③接种：在酒精灯火焰旁，将外植体的 1/3~ 1/2 插入诱导愈伤组织的培养基中。用封口膜或瓶盖封盖瓶口，并在培养瓶上作好标记。
④脱分化的诱导培养：将接种了外植体的锥形瓶或植物组织培养瓶置于 18~22℃的培养箱中培养。在培养过程中，定期观察和记录愈伤组织的生长情况。
⑤再分化的培养：培养 15~20d 后，将生长良好的愈伤组织转接到诱导生芽的培养基上。长出芽后，再将其转接到诱导生根的培养基上，进一步诱导形成试管苗。
⑥移栽：移栽前先打开封口膜或瓶盖，让试管苗在培养箱内生长几日。用流水清洗掉根部的培养基后，
将幼苗移植到消过毒的蛭石或珍珠岩等环境中，待其长壮后再移栽入土。每天观察并记录幼苗的生长情况，适时浇水、施肥，直至开花。
（5）注意
①实验中使用的培养基和所有的器械都要灭菌。接种操作必须在酒精灯火焰旁进行，并且每次使用后的器械都要灭菌。
②接种时注意外植体的方向，不要倒插。
③诱导愈伤组织期间一般不需要光照，在后续的培养过程中，每日需要给予适当时间和强度的光照。
（6）结果分析与评价
①接种 3~4d 后，检查外植体的生长情况，统计有多少外植体被污染，有多少能正常生长，并分析它们被污染的原因。
②你培养出愈伤组织了吗？如果培养出来了，从刚接种的外植体到长出愈伤组织经历了多少天？这些愈伤组织进一步分化出芽和根了吗？
③观察外植体的分化情况，填好结果记录表，并及时分析结果。
④你培育的幼苗移栽到露地后，能够正常生长吗？
（7）进一步探究
①一般来说，容易进行无性繁殖的植物也容易进行组织培养，如芦荟、秋海棠和月季等，你可以从中挑选一种你喜欢的植物，尝试进行组织培养。
②如果你对植物激素的作用感兴趣，可以在查阅资料的基础上，探究生长素与细胞分裂素的使用比例对植物组织培养的影响。例如，你可以设计对照实验，分别探究不加任何植物激素，生长素用量与细胞分裂素用量的比值为 1 、比值大于 1 以及比值小于 1 时，对实验结果的影响。
（二）植物体细胞杂交技术
1 ．设想：20 世纪 60 年代，科学家尝试将番茄和马铃薯杂交，希望培育出一种地上结番茄、地下长马铃薯的“超级作物”。
2 ．问题：两种生物之间存在着天然的生殖隔离，用传统的有性杂交的方法很难得到杂种后代。
3 ．解决办法：采用体细胞杂交的方法
4 ．结果：这种植株并没有在地上结番茄、地下长马铃薯。
5 ．操作流程：
植物细胞 A 植物细胞 B
去壁{
原因：细胞壁阻碍着细胞间的杂交。
杂种细胞的获得 组织培养
方法：利用纤维素酶和果胶酶
原生质体 A 原生质体 B 方法：物理法－电融合法、离心法等；
诱导融合 化学法－聚乙二醇（PEG）融合
(关键环节) 法、高 Ca2＋—高 pH 融合法等。
融合的原生质体 原理：膜的流动性
杂种细胞
再生细胞壁
脱分化
愈伤组织
↓ 再分化
小植株
杂种植株
移栽
6．含义：将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。
7．成果：科学家培育出了白菜—甘蓝、普通小麦—长穗偃麦草等杂种植株。我国科学家还在木本植物的
体细胞杂交方面取得了不少成果，培育出了多种柑橘属不同种间的杂种植株。
8 ．意义（优势）：打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面。
二、植物细胞工程的应用
一、植物繁殖的新途径
（一）快速繁殖
1．含义：用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，称为植物的快速繁殖技术，也叫作微型繁殖技术。
2 ．优点：
（1）高效、快速地实现种苗的大量繁殖。
（2）保持优良品种的遗传特性。
3 ．成果：一些优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物和濒危植物等都实现了利用快速繁殖技术来提供苗木。甘蔗、按树和铁皮石斛等试管苗的生产，已形成一定规模。
（二）作物脱毒
1．产生原因：马铃薯、草莓和香蕉等通常是用无性繁殖的方式进行繁殖的，它们感染的病毒很容易传给后代。病毒在作物体内逐年积累，就会导致作物产量降低，品质变差。
2．方法：植物顶端分生区附近（如茎尖）的病毒极少，甚至无病毒。切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。
3 ．成果： 目前采用茎尖组织培养技术脱去病毒，已在马铃薯、草莓、大蒜、甘蔗、菠萝和香蕉等许多作物上获得成功。
4 ．优点：
（1）人们用组织培养技术培育出的脱毒马铃薯，要比未脱毒的马铃薯增产 50%以上；
（2）脱毒草莓的产量和品质也明显优于没有脱毒的草莓。
二、作物新品种的培育
（一）单倍体育种
1 ．常规育种（杂交育种）的局限：常规选育出一个可以稳定遗传的作物优良品种，一般要经过 5~6 年的连续筛选。
2 ．方法：
（1）通过花药（或花粉）培养获得单倍体植株。
（2）经过诱导染色体加倍，当年就能培育出遗传性状相对稳定的纯合二倍体植株。
3 ．优点：极大地缩短了育种的年限，节约了大量的人力和物力。
4 ．意义：
（1）单倍体育种已成为作物育种的一条有效途径。
（2）由于大多数单倍体植株的细胞中只含有一套染色体，染色体加倍后得到的植株的隐性性状容易显现，因此它也是进行体细胞诱变育种和研究遗传突变的理想材料。
5 ．成果：在单倍体育种领域，我国科学家作出了突出贡献，早在 1974 年就成功地培育出世界上第一个单倍体作物新品种——单育 1 号烟草；后来，把单倍体育种与常规育种结合起来，育成了水稻、玉米、油菜、甘蓝和甜椒等作物的新品种。
（二）突变体的利用
1 ．突变体产生的原因：在植物的组织培养过程中，由于培养细胞一直处于不断增殖的状态，因此它们容易受到培养条件和诱变因素（如射线、化学物质等）的影响而产生突变。
2 ．方法：从产生突变的个体中可以筛选出对人们有用的突变体，进而培育成新品种。
3 ．成果：20 世纪 70 年代以来，世界各国的科学家用这种方法已经筛选到抗病、抗盐、高产以及蛋白质含量高的突变体，有些品种已经用于生产，如抗花叶病毒的甘蔗、抗盐碱的烟草等。
三、细胞产物的工厂化生产
工厂化生产的细胞产物—植物代谢产生的次生代谢物：
1 ．含义：植物代谢产生的一些一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物——次生代谢物。
【知识解析】初生代谢是生物生长和生存所必需的代谢活动， 因此在整个生命过程中它一直进行着。初生代谢物有糖类、脂质、蛋白质和核酸等。次生代谢不是生物生长所必需的，一般在特定的组织或器官中，并在一定的环境和时间条件下才进行。
2 ．化学本质：次生代谢物是一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等）
3 ．作用：在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。
4 ．生产方法：
（1）传统方法—从植物组织提取：
缺点：植物细胞的次生代谢物含量很低，从植物组织提取会大量破坏植物资源，有些产物又不能或难以通过化学合成途径得到。
（2）细胞产物的工厂化生产：
①含义：利用植物细胞培养（是指在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术）来获得目标产物的过程。
②优点：它不占用耕地，几乎不受季节、天气等的限制，因此对于社会、经济、环境保护具有重要意义。
5 ．举例：
（1）紫草宁是从紫草细胞中提取的一种药物和色素，具有抗菌、消炎和抗肿瘤等活性。20 世纪 80 年代，利用植物细胞培养生产的紫草宁投入市场，成为世界上首例药用植物细胞工程产品。
（2）紫杉醇是存在于红豆杉属植物体内的一种次生代谢物，具有高抗癌活性，现在已被广泛用于乳腺癌等癌症的治疗。生产紫杉醇的传统方法是从红豆杉的树皮和树叶中提取，但野生红豆杉是濒危植物，这种方法不利于对它们的保护。我国科学家经过多年研究，筛选出了高产紫杉醇的细胞。
6．研究方向：目前，我国在人参、三七等植物细胞的大规模培养领域也取得了很大的进展。以人参为例，我国科学家早在 1963 年就成功地培育了人参的组织；后来又实现了利用人参细胞培养来生产人参中重要的活性成分——人参皂苷。
第 2 节 动物细胞工程
一、动物细胞培养
一、应用：人造皮肤的构建、动物分泌蛋白的规模化生产等，都离不开动物细胞培养。
二、地位：是动物细胞工程的基础。
三、含义：是指从动物体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后在适宜的培养条件下，让这些细胞生长和增殖的技术。
四、条件
（一）营养条件—提供营养：
1 ．成分：糖类、氨基酸、无机盐、维生素 …
2 ．培养基类型
（1）从化学成分角度分析—合成培养基：
①含义：将细胞所需的营养物质按种类和所需量严格配制而成的培养基，称为合成培养基。
②说明： 由于人们对细胞所需的营养物质尚未全部研究清楚，因此在使用合成培养基时，通常需要加入血清等一些天然成分。
（2）从物理性质角度分析—液体培养基：培养动物细胞一般使用液体培养基，也称为培养液。
（二）其他条件—提供稳定的内环境：
1 ．无菌、无毒的环境：
（1）无菌处理：对培养液和所有培养用具进行灭菌处理以及在无菌环境下进行操作。
（2）无毒处理：培养液还需要定期更换，以便清除代谢物，防止细胞代谢物积累对细胞自身造成危害。
2 ．适宜的温度、pH 和渗透压
（1）温度：哺乳动物细胞培养的温度多以 36.5±0.5℃为宜。
（2）pH：多数动物细胞生存的适宜 pH 为 7.2~7.4。
（3）渗透压：渗透压也是动物细胞培养过程中需要考虑的一个重要环境参数。
3 ．适宜的气体环境
（1）气体种类：主要有：
①O2 ：是细胞代谢所必需的。
②CO2 ：主要作用是维持培养液的 pH。
（2）方法：通常采用培养皿或松盖培养瓶，并将它们置于含有 95%空气和 5%CO2 的混合气体的 CO2 培养箱中进行培养。
五、过程
动物
细胞
培养
材料
处理
培养
取动物组织块
或用机械的方法，或用胰蛋白酶、胶原蛋白酶等处理一段时间分散成单个细胞
用培养液制成细胞悬液
放入培养皿或培养瓶，置于适宜环境中培养
少数细胞悬浮在培养液中生长增殖（会因细胞密度过大、有害代谢物积累和营养物质缺乏等因素而分裂受阻。）
大多数细胞贴壁生长增殖（还会发生接触抑制现象：贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，常会停止分裂增殖。）贴壁细胞：用胰蛋白酶等处理分散成单个细胞后用离心法收集。
原代培养
(动物组织块处理后的初次培养)
分瓶培养
制成细胞悬液
悬浮培养的细胞：直接用离心法收集
传代培养(分瓶后的细胞培养)
六、干细胞培养及其应用
（一）特点：在一定条件下，可分化成其他类型的细胞。
（二）分布：存在于早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中
（三）种类：
1 ．胚胎干细胞（简称 ES 细胞）：
（1）分布：存在于早期胚胎中。
（2）特点：具有分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞，并进一步形成机体的所有组织和器官甚至个体的潜能。
（3）成就：自 1981 年科学家首次分离得到小鼠的ES 细胞后，目前科学家已经分离了兔、牛、猴和人等的 ES 细胞，并证明了ES 细胞可以在体外分化成心肌细胞、神经元和造血干细胞等细胞。
2 ．成体干细胞：
（1）分布：是成体组织或器官内的干细胞。
（2）种类：包括骨髓中的造血干细胞（发现最早、研究最多、应用最成熟，主要存在于成体的骨髓、外周血和脐带血中）、神经系统中的神经干细胞和睾丸中的精原干细胞等。
（3）特点：一般认为，成体干细胞具有组织特异性，只能分化成特定的细胞或组织，不具有发育成完整个体的能力。
（四）应用—在医学上有着广泛的应用：
1 ．成体干细胞：
（1）将正常的造血干细胞移植到病人体内，恢复病人的造血和免疫功能，已成为治疗白血病及一些恶性肿瘤放疗或化疗后引起的造血系统、免疫系统功能障碍等疾病的一种重要手段；
（2）神经干细胞在治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病（如帕金森病、阿尔茨海默病等）方面有重要的应用价值。
2 ．胚胎干细胞：胚胎干细胞必须从胚胎中获取，这涉及伦理问题，因而限制了它在医学上的应用。
3 ．诱导多能干细胞（简称 iPS 细胞）：
（1）获取：2006 年，科学家通过体外诱导小鼠成纤维细胞，获得了类似胚胎干细胞的一种细胞，将它称为诱导多能干细胞（简称 iPS 细胞）
（2）成就：用 iPS 细胞治疗了小鼠的镰状细胞贫血。
（3）进展：现在，用 iPS 细胞治疗阿尔茨海默病、心血管疾病等领域的研究也取得了新进展。
（4）发展前景：因为诱导过程无需破坏胚胎，而且 iPS 细胞可以来源于病人自身的体细胞，将它移植回病人体内后，理论上可以避免免疫排斥反应，所以科学家普遍认为 iPS 细胞的应用前景优于胚胎干细胞。
（五）发展前景：干细胞的研究正在如火如茶地开展。虽然将干细胞用于临床治疗还面临一些问题，如存在导致肿瘤发生的风险，但是我们相信，随着理论和技术的不断完善，干细胞将在再生医学、药物安全性与有效性检测等领域发挥大作用。
二、动物细胞融合技术与单克隆抗体
一、动物细胞融合技术
（一）含义：动物细胞融合技术就是使两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的技术。
（二）结果：融合后形成的杂交细胞具有原来两个或多个细胞的遗传信息。
（三）原理：与植物原生质体融合的基本原理相同。
（四）方法：常用方法有：
1 ．化学法：PEG 融合法
2 ．物理法： 电融合法
3 ．生物法：灭活病毒诱导法等。
【知识解析】灭活是指用物理或化学手段使病毒或细菌失去感染能力，但并不破坏它们的抗原结构。灭活病毒诱导细胞融合的原理是：病毒表面含有的糖蛋白和一些酶能够与细胞膜上的糖蛋白发生作用，使细胞互相凝聚，细胞膜上的蛋白质分子和脂质分子重新排布，细胞膜打开，细胞发生融合。
（五）意义：细胞融合技术突破了有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能。
（六）成果：
1 ．人们可以按照预先的设计使不同细胞融合，至今，种间、属间、科间，甚至动物和植物之间的细胞融合都已获得了成功。
2 ． 目前，这一技术已经成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和培育生物新品种等的重要手段，特别是利用动物细胞融合技术发展起来的杂交瘤技术，为制造单克隆抗体开辟了新途径。
二、单克隆抗体及其应用
（一）抗体的传统生产：
1 ．方法： 向动物体内反复注射某种抗原，使动物产生抗体，然后从动物血清中分离所需抗体。
2 ．缺点：产量低、纯度低，特异性差。
（二）设想：把一种 B 淋巴细胞与能在体外大量增殖的骨髓瘤细胞融合，所得到的融合细胞就可能大量增殖，产生足够数量的特定抗体。
（三）制备过程：
特定的抗原 注射
免疫小鼠从脾脏获取
能产生特定抗体的B淋巴细胞
小鼠骨髓瘤细胞
培养
骨髓瘤细胞
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 诱导 · 融合 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
: v Y V
未融合的亲本细胞 融合的杂交细胞 融合的同种核细胞
B淋巴细胞 骨髓瘤细胞 杂交瘤细胞 B-B淋巴细胞 骨髓瘤-骨髓瘤细胞
筛选
死亡 生长 死亡 选择培养基 - -
杂交瘤细胞(多种)：既能迅速大量增殖，又能产生抗体
克隆化 抗体检测(分泌的抗体能与特定的抗原结合)培养 v 多次筛选
足够数量的能分泌所需抗体的杂交瘤细胞（呈阳性）
注射 接种
培养液
增殖提取单克隆抗体
小鼠腹腔
增殖腹水中提取单克隆抗体
（四）特点：能准确地识别抗原的细微差异，与特定抗原发生特异性结合，并且可以大量制备。
（五）应用：
1 ．广泛用作诊断试剂，在多种疾病的诊断和病原体鉴定中发挥重要的作用。例如，利用同位素或荧光标记的单克隆抗体在特定组织中成像的技术，可定位诊断肿瘤、心血管畸形等疾病。（参考【思考·讨论】资料 1）
2 ．单克隆抗体可以运载药物。（参考【思考·讨论】资料2）
3 ．单克隆抗体自身也能用于治疗疾病。在医药领域，单克隆抗体药物占有非常重要的地位。
三、动物体细胞核移植技术和克隆动物
一、含义：动物细胞核移植技术是将动物一个细胞的细胞核移入去核的卵母细胞中，使这个重新组合的细胞发育成新胚胎，继而发育成动物个体的技术。
【知识解析】减数分裂Ⅱ中期（MⅡ期）卵母细胞中的“核”其实是纺锤体—染色体复合物。文中所说的“去核”是去除该复合物。
二、类型：
（一）胚胎细胞核移植
（二）体细胞核移植：
1 ．特点及原因：
（1）动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植，原因是动物胚胎细胞分化程度低，表现全能性相对容易，而动物体细胞分化程度高，表现全能性十分困难。
（2）非人灵长类动物的体细胞核移植非常困难。主要原因是：
①供体细胞的细胞核在去核卵母细胞中不能完全恢复其分化前的功能状态，导致胚胎发育率低；
②对非人灵长类动物胚胎进行操作的技术尚不完善。
2 ．我国成就：我国科学家经过多年努力，攻克了这些障碍，终于成功获得了体细胞克隆猴。
三、体细胞核移植的过程 高产奶牛(供体) 屠宰场
以克隆高产奶牛为例，如右图： 取出 采集
体细胞 体外培养
【知识解析】 卵母细胞
2 ． 目前动物细胞核移植技术中普遍使用的去核方法是显微操作 细胞培养 注入 去核卵母细胞
1 ．重构胚是指人工重新构建的胚胎，具有发育成完整个体的能 MII 中期力。 显微操作去核
法。也有人采用梯度离心、紫外线短时间照射和化学物质处理等方法。 EQ \* jc3 \* hps17 \\al(\s\up 5(电激融合法),诱导融合)EQ \* jc3 \* hps17 \\al(\s\up 5(供体核进入),卵母细胞)
这些方法是在没有穿透卵母细胞透明带的情况下去核或使其中的 重构胚
DNA 变性。 如电刺激－物理法 细胞分裂
四（一、体）EQ \* jc3 \* hps20 \\al(\s\up 5(细胞核移),应用前景)植技术的应用前景及存在的问题 EQ \* jc3 \* hps19 \\al(\s\up 12(C),醇)、2+EQ \* jc3 \* hps17 \\al(\s\up 0(酶),剂)、}化学法EQ \* jc3 \* hps17 \\al(\s\up 12(激活),胚胎)移EQ \* jc3 \* hps17 \\al(\s\up 9(和),植)发育
1 ．畜牧业：加速家畜遗传改良进程、促进优良畜群繁育。
2 ．医药卫生：
代孕母牛
生出
（1）通过建立转基因体细胞系，再利用体细胞核移植技术培育 犊牛（与供体奶牛遗的转基因克隆动物可以作为生物反应器，生产许多珍贵的医用蛋白； 传物质基本相同）
（2）在治疗人类疾病时，转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以作为异种移植的供体；
（3）以患者作为供体培育的人核移植胚胎干细胞，经过诱导分化能形成相应的细胞、组织或器官，将它们移植给患者时可以避免免疫排斥反应。
3 ．其他领域：
（1）研究克隆动物可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程；
（2）克隆一批遗传背景相同的动物，可以通过它们之间的对比来分析致病基因；
（3）克隆特定疾病模型的动物，还能为研究该疾病的致病机制和开发相应的药物提供帮助。
（4）在保护濒危物种方面，该技术有望增加濒危物种的存活数量。
（二）存在的问题：
1 ．该技术的成功率仍然非常低，各个技术环节也有待进一步改进。
2．相对于技术研究，核移植的理论研究较为滞后，需要与发育生物学、细胞生物学和分子遗传学等学科更深层次的理论研究相结合。
3 ．一些研究者指出，绝大多数克隆动物存在健康问题，许多克隆动物表现出遗传和生理缺陷，如体型过大、异常肥胖、发育困难、脏器缺陷和免疫失调等。
第 3 节 胚胎工程
一、含义：胚胎工程是指对生殖细胞、受精卵或早期胚胎细胞进行多种显微操作和处理，然后将获得的胚胎移植到雌性动物体内生产后代， 以满足人类的各种需求。
二、技术手段：胚胎工程技术包括体外受精、胚胎移植和胚胎分割等。
一、胚胎工程的理论基础
一、受精
（一）含义：受精是精子与卵子结合形成合子（即受精卵）的过程。
（二）场所：在自然条件下，哺乳动物的受精在输卵管内完成。
（三）阶段：包括受精前的准备阶段和受精阶段。
1 ．准备阶段
（1）准备阶段 1——精子获能
①精子的结构：头、颈、线粒体鞘、尾
②含义：刚刚排出的精子必须在雌性动物的生殖道发生相应的生理变化后，才能获得受精能力，这一生理现象称为“精子获能”。
③发现意义（成果）：通过对精子获能机制的研究，科学家找到了使精子在体外获能的方法，实现了各种哺乳动物精子在体外条件下的获能，为体外受精技术的建立奠定了重要基础。
【知识解析】使精子获能的方法有直接利用雌性动物的生殖道使精子获能；将精子培养在人工配制的获能液中使其获能等。获能液的成分因动物种类不同而有所差异，常见的有效成分有肝素、Ca2＋载体等。
（2）准备阶段 2——卵子的准备
成熟：动物排出的卵子成熟程度不同，有的可能是初级卵母细胞，如马、犬等；有的可能是次级卵母细胞，如猪、羊等。但它们都要在输卵管内进一步成熟，到 MⅡ期时，才具备与精子受精的能力。
2 ．受精阶段
（1）精子穿越卵细胞膜外的结构：
①获能后的精子与卵子相遇时，首先它释放出多种酶， 以溶解卵细胞膜外的一些结构，同时借助自身的运动接触卵细胞膜。
②在精子触及卵细胞膜的瞬间，卵细胞膜外的透明带会迅速发生生理反应，阻止后来的精子进入透明带。
（2）精子入卵：
①精子入卵后，卵细胞膜也会立即发生生理反应，拒绝其他精子再进入卵内。
②尾部脱离。
（3）原核形成：原有的核膜破裂并形成一个新的核膜，最后形成一个比原来精子的核还大的核，叫作雄原核。与此同时，精子入卵后被激活的卵子完成减数分裂Ⅱ , 排出第二极体后，形成雌原核。
（4）原核融合：雄、雌原核充分发育后，相向移动，彼此靠近，核膜消失。这个含有两个染色体组的合子就是受精卵。受精过程结束后，受精卵的发育也就开始了。
【知识解析】多数哺乳动物的第一极体不进行减数分裂 Ⅱ , 因而不会形成两个第二极体。在实际胚胎工程操作中，常以观察到两个极体或者雌、雄原核作为受精的标志。
二、胚胎早期发育
（一）分裂方式：有丝分裂
（二）场所：输卵管
（三）卵裂：
1 ．场所：透明带
2 ．特点：细胞的数量不断增加，但胚胎的总体积并不增加。
（四）胚胎阶段划分：根据胚胎形态的变化，可将早期发育的胚胎分为以下几个阶段：
1 ．桑葚胚：当卵裂产生的子细胞逐渐形成致密的细胞团，形似桑葚时，这时的胚胎称为桑葚胚。
2 ．囊胚：
（1）特点：细胞逐渐分化。
（2）结构：
①内细胞团：
●特点：聚集在胚胎一端的细胞形成内细胞团
●发育趋势：将来发育成胎儿的各种组织；
②滋养层细胞
●特点：沿透明带内壁扩展和排列的细胞，称为滋养层细胞。
●发育趋势：将来发育成胎膜和胎盘。
③囊胚腔：随着胚胎的进一步发育，胚胎的内部出现了含有液体的腔——囊胚腔。
（3）孵化：
①含义：囊胚进一步扩大，会导致透明带破裂，胚胎从其中伸展出来，这一过程叫作孵化。
②意义：孵化非常重要，如果不能正常孵化，胚胎就无法继续发育。
3 ．原肠胚：原肠胚表面的细胞层为外胚层，向内迁移的细胞形成内胚层。随着发育的进行，一部分细胞还会在内、外两个胚层之间形成中胚层。这三个胚层将逐渐分化形成各种组织、器官等。
二、胚胎工程技术及其应用
一、体外受精
（一）应用—试管动物的培育：
试管动物含义：通过人工操作使卵子在体外受精（首要工作），经培养发育为早期胚胎后，再进行移植产生的个体。
（二）步骤：
1 ．卵母细胞的采集：体外进行成熟培养
2 ．精子的获取：体外进行获能处理
3．受精：将获能的精子和培养成熟的卵子置于适当的培养液中共同培养一段时间，来促使它们完成受精。
（三）意义：
1 ．体外受精技术是提高动物繁殖能力的有效措施。
2 ．为胚胎移植提供可用的胚胎。
（四）成果：我国体外受精技术的研究起步于 20 世纪 80 年代后期，进展很快， 目前已经在羊、牛、猪和人等生物中取得成功，特别是人和牛的体外受精技术已达国际先进水平。
二、胚胎移植
（一）含义：将通过体外受精及其他方式得到的胚胎，移植到同种的、生理状态相同的雌性动物体内，使之继续发育为新个体的技术。其中提供胚胎的个体称为“供体” ，接受胚胎的个体叫“受体”。
（二）作用：通过任何一项技术（如转基因、核移植和体外受精等）获得的胚胎，都必须移植给受体才能获得后代。
（三）步骤： 以家畜的胚胎移植为例：
胚胎移植主要包括供体、受体的选择和处理，配种或人工授精，胚胎的收集、检查、培养或保存，胚胎的移植， 以及移植后的检查等步骤。
优良供体母牛 EQ \* jc3 \* hps17 \\al(\s\up 8(遗传性状优良),生产能力强) 选择 正EQ \* jc3 \* hps17 \\al(\s\up 8(健康体质),常繁殖能)力 受体母牛
进行同期发情处理
超数排卵
发情配种 优良公牛
或人工授精
胚胎移植
胚胎收集并检查
正常繁殖或两三个月后进行另一次移植
妊娠检查
具有优良性状的后代
【知识解析】超数排卵是指应用外源促性腺激素，诱发卵巢排出比自然情况下更多的成熟卵子。
（四）生理学基础
1 ．生理环境：检验合格的胚胎需要移植到同种的、生理状态相同（在胚胎移植前要对受体进行同期发情处理，使供体和受体生殖器官的生理变化同步，这样才能为供体的胚胎移入受体提供相同的生理环境。）的受体子宫内，胚胎才能继续发育。
2 ．胚胎存活：受体对来自供体的胚胎基本上不会发生免疫排斥反应。
3 ．遗传特性：胚胎移植后，经受体孕育的后代的遗传特性与供体保持一致。因为供体胚胎与受体子宫建立的仅是生理和组织上的联系，其遗传物质在孕育过程中不会发生任何变化。
（五）优势：可以充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力。
（六）意义：
1．供体的主要职能变为产生具有优良遗传特性的胚胎，繁重而漫长的妊娠和育仔任务由受体取代，这就大大缩短了供体本身的繁殖周期。
2 ．在对供体施行超数排卵处理后，可获得多枚胚胎，经移植可得到多个后代，这使供体的后代数是自然繁殖的十几倍到几十倍。
3 ．胚胎移植作为胚胎工程的最终技术环节，还将推动胚胎工程其他技术的研究和应用。
三、胚胎分割
（一）设想：早期胚胎细胞具有很强的分裂能力，并保持着细胞全能性，能不能将一个胚胎分割成几份，从而提高胚胎的利用率？基于这样的设想，胚胎分割技术逐渐发展成熟。
（二）含义：是指采用机械方法将早期胚胎切割成 2 等份、4 等份或 8 等份等，经移植获得同卵双胎或多胎的技术。
（三）所属范畴：来自同一胚胎的后代具有相同的遗传物质，因此胚胎分割可以看作动物无性繁殖或克隆的方法之一。
（四）主要仪器设备：体视显微镜和显微操作仪。
（五）步骤：
1 ．选材：选择发育良好、形态正常的桑葚胚或囊胚。
2 ．分割：将它移入盛有操作液的培养皿中，在显微镜下用分割针或分割刀分割。
说明：在分割囊胚阶段的胚胎时，要注意将内细胞团均等分割。对于不同发育阶段的胚胎，分割的具体操作不完全相同。
3 ．移植：分割后的胚胎可以直接移植给受体，或经体外培养后，再移植给受体。
（六）意义：
1 ．这项技术可以促进优良动物品种的繁殖，产生的遗传性状相同的后代是进行遗传学研究的宝贵材料。
2 ．在胚胎移植前，进行性别鉴定、遗传病筛查等，对于人工控制动物性别、动物繁育健康后代具有重要意义。
第 3 章 基因工程
一、定义：基因工程是指按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。
二、设计施工水平：DNA 分子水平。
三、别名：又叫作重组 DNA 技术。
第 1 节 重组 DNA 技术的基本工具
一、限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
（一）简称：限制酶。
（二）来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。
（三）作用：
1 ．内容：能够识别双链 DNA 分子的特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。
2 ．特点：大多数限制酶的识别序列由 6 个核苷酸组成。例如，EcRI 、SmaI 限制酶的识别序列均为 6 个核苷酸，也有少数限制酶的识别序列由4 个、8 个或其他数量的核苷酸组成。
【知识解析】你能根据所掌握的知识，推测限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么吗？
提示：原核生物容易受到自然界外源 DNA 的入侵，所以它在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制。限制酶就是它的一种防御性工具。当外源 DNA 入侵时，它会利用限制酶来切割外源 DNA ，使之失效，以保证自身的安全。
3 ．结果：DNA 分子经限制酶切割产生的 DNA 片段末端通常有两种形式（参见教材图3-3）：
（1）黏性末端：限制酶在它识别序列的中心轴线两侧将 DNA 分子的两条链分别切开。
（2）平末端：限制酶在它识别序列的中心轴线处切开。
二、DNA 连接酶——“ 分子缝合针”
（一）作用：将切下来的 DNA 片段拼接成新的 DNA 分子（将双链 DNA 片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键）。
【知识解析】DNA 连接酶与DNA 聚合酶是一回事吗？为什么？
提示：不是一回事。虽然 DNA 连接酶和 DNA 聚合酶都是催化磷酸二酯键形成的酶，但两者存在显著的区别。
（1）DNA 聚合酶只能催化单个核苷酸加到已有的核酸片段 3'末端的羟基上，形成磷酸二酯键；而 DNA连接酶是催化两个 DNA 片段之间形成磷酸二酯键，不是催化单个核苷酸与DNA 片段之间形成磷酸二酯键。
（2）DNA 聚合酶以一条 DNA 链为模板，催化形成与模板链互补的DNA 链；而 DNA 连接酶催化具有互补黏性末端或平末端的DNA 片段连接起来，它不需要模板。
此外，两者虽然都是蛋白质，但它们的组成和性质各不相同。
（二）种类：
1 ．E ·cli DNA 连接酶：从大肠杆菌中分离得到的，只能将具有互补黏性末端的 DNA 片段连接起来。
2 ．T4DNA 连接酶：从 T4 噬菌体中分离出来的，可以“缝合”双链 DNA 片段互补的黏性末端和平末端，但连接平末端的效率相对较低。
三、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
（一）作用：将外源基因送入细胞。
（二）种类：
1 ．质粒（常用）：
（1）定义：质粒是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核 DNA 之外，并具有自我复制能力的环状双链 DNA 分子。
（2）特点：
①有一个至多个限制酶切割位点，供外源 DNA 片段（基因）插入其中。
②携带外源 DNA 片段的质粒进入受体细胞后，能在细胞中进行自我复制，或整合到受体 DNA 上，随受体 DNA 同步复制。
③常有特殊的标记基因（基因工程用作载体的质粒是在天然质粒的基础上进行过人工改造的），如四环素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因等，便于重组 DNA 分子的筛选。
2 ．其他：噬菌体、动植物病毒等。
四、【探究·实践】DNA 的粗提取与鉴定
（一）原理：
1 ．提取：DNA 不溶于酒精，但某些蛋白质溶于酒精，利用这一原理，可以初步分离 DNA 与蛋白质。
2 ．鉴定：DNA 在不同浓度的 NaCl 溶液中溶解度不同，它能溶于 2ml/L 的 NaCl 溶液。在一定温度下， DNA 遇二苯胺试剂会呈现蓝色，因此二苯胺试剂可以作为鉴定 DNA 的试剂。
（二） 目的要求
1 ．了解 DNA 的物理和化学性质，理解 DNA 粗提取和鉴定的原理。
2 ．学会 DNA 粗提取的方法以及用二苯胺试剂对 DNA 进行鉴定。
（三）材料用具
1 ．材料：新鲜洋葱（也可以选择香蕉、菠菜、菜花和猪肝等作为实验材料，提取 DNA 的方法可能稍有不同）、研磨液、体积分数为 95%的酒精、2ml/L 的 NaCl 溶液、二苯胺试剂和蒸馏水等。研磨液和二苯胺试剂的配制方法参见教材附录 2。
2 ．用具：烧杯、量筒、玻璃棒、研钵、纱布、漏斗、试管、试管架、试管夹、酒精灯、石棉网、三脚架、火柴、刀片和天平等。
（四）方法步骤
1 ．提取：
（1）取材、研磨：称取约 30g 洋葱，切碎，然后放入研钵中，倒入 10mL 研磨液，充分研磨。
（2）过滤、离心：在漏斗中垫上纱布，将洋葱研磨液过滤到烧杯中，在 4℃冰箱中放置几分钟后，再取上清液。也可以直接将研磨液倒入塑料离心管中，在 1500r/min 的转速下离心 5min ，再取上清液放入烧杯中。
（3）粗提取：在上清液中加入体积相等的、预冷的酒精溶液（体积分数为 95%），静置 2~3min ，溶液中出现的白色丝状物就是粗提取的 DNA 。用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起丝状物，并用滤纸吸去上面的水分；或者将溶液倒入塑料离心管中，在 10000r/min 的转速下离心 5min ，弃上清液，将管底的沉淀物（粗提取的DNA）晾干。
2．鉴定：取两支 20mL 的试管，各加入 2ml/L 的 NaCl 溶液 5mL。将丝状物或沉淀物溶于其中一支试管的 NaCl 溶液中。然后，向两支试管中各加入 4mL 的二苯胺试剂。混合均匀后，将试管置于沸水中加热 5min。待试管冷却后，比较两支试管中溶液颜色的变化。
（五）结果分析与评价
1 ．你提取出白色丝状物或沉淀物了吗？用二苯胺试剂鉴定的结果如何？
提示：观察提取的 DNA 的颜色，如果不是白色丝状物，说明 DNA 中的杂质较多。二苯胺试剂鉴定呈现蓝色说明实验基本成功；如果不呈现蓝色，可能的原因有所提取的DNA 含量低，或者在实验操作过程中出现了失误等。
2 ．你能分析出粗提取的 DNA 中可能含有哪些杂质吗？
提示：本实验粗提取的DNA 可能仍然含有核蛋白、多糖等杂质。
3 ．与其他同学提取的 DNA 进行比较，看看实验结果有何不同，分析产生差异的原因。
提示：本实验可以采取分组的方式进行。可以选取不同的实验材料；也可以查阅资料了解其他提取 DNA的方法，对同种材料采用不同的方法。最后从多方面比较实验结果，如 DNA 的纯度、DNA 的颜色、二苯胺试剂显色的深浅等，看看哪种实验材料、哪种提取方法的效果更好。
（六）进一步探究
本实验只是对 DNA 进行了粗提取，请查阅资料，了解实验室提取纯度较高的 DNA 的一种方法，并与本实验中所使用的方法进行比较，总结两种方法的异同。
提示：实验室提取纯度较高的 DNA 的方法有不少。例如，可以先添加质量分数为25%的 SDS 溶液，使蛋白质变性后与DNA 分开；随后，加入氯仿—异丙醇混合液（体积比为24:1），通过离心将蛋白质及其他杂质除去，取上清液；可重复上述操作几次，直至上清液变成透明的黏稠液体。此外由于苯酚可以迅速使蛋白质变性，抑制核酸酶的活性，因此还可以先用苯酚处理，然后离心分层，这时 DNA 溶于上层水相，蛋白质变性后存在于酚层中，用吸管、微量移液器等实验用具就可以将两者分开。教师可以根据学校的条件让学生自己设计实验方案，比较实验结果。
第 2 节 基因工程的基本操作程序
一、 目的基因的筛选与获取
（一） 目的基因的含义：在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因就是目的基因。
（二） 目的基因的类型：主要是指编码蛋白质的基因，如培育转基因抗虫棉用到的抗虫基因：
1 ．来源：苏云金杆菌
2 ．作用原理：通过产生苏云金杆菌伴孢晶体蛋白（Bt抗虫蛋白），破坏鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。科学家通过实验，将该细菌的“杀虫基因”转到棉花里，让棉花也能产生 Bt 抗虫蛋白抵抗虫害。
3 ．名称：Bt 抗虫蛋白基因，简称 Bt 基因。
【知识拓展】当 Bt 抗虫蛋白被分解为多肽后，多肽与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合，导致细胞膜穿孔，最后造成害虫死亡。Bt 抗虫蛋白只有在某类昆虫肠道的碱性环境中才能表现出毒性，而人和牲畜的胃液呈酸性，肠道细胞也没有特异性受体。 因此，Bt 抗虫蛋白不会对人畜产生上述影响。
（三） 目的基因的筛选
1 ．方法：从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是较为有效的方法之一。
2 ．举例：在培育转基因抗虫棉之前，用苏云金杆菌制成的生物杀虫剂广泛用于防治棉花虫害已有多年历史。研究表明，苏云金杆菌的杀虫作用与 Bt 基因有关。科学家不仅掌握了Br 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的了解。因此，Bt 基因是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因。
3 ．发展：随着测序技术的发展，以及遗传序列数据库（如GenBank）、序列比对工具（如BLAST）等的应用，越来越多的基因的结构和功能为人们所知，这也为科学家找到合适的目的基因提供了更多的机会和可能。
（四） 目的基因的获得
1 ．利用PCR 获取和扩增目的基因
（1）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）DNA 复制和 PCR 反应基本条件：
条件
体内 DNA 复制
PCR 反应
作用
模板
DNA 母链
提供 DNA 复制的模板
原料
4 种脱氧核苷酸
合成 DNA 子链的原料
酶
解旋酶
高温代替
打开 DNA 双链
DNA 聚合酶
耐高温的 DNA 聚合酶
催化合成 DNA 子链
引物
需要
需要
使DNA 聚合酶能够从引物的 3'端开始连接脱氧核苷酸
【知识拓展】真核细胞和细菌的 DNA 聚合酶都需要 Mg2＋激活。 因此，PCR 反应缓冲溶液中一般要添加Mg2＋。
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。用于 PCR 的引物长度通常为 20~30个核苷酸。
（3）扩增的过程：
①变性（90℃以上）： 目的基因DNA 受热变性后解为单链。
②复性（50℃左右）：两种引物通过碱基互补配对与两条单链 DNA 结合。
③延伸（72℃左右）： 以单链 DNA 为模板，在耐高温的DNA 聚合酶作用下，根据碱基互补配对原则进行延伸，即将 4 种脱氧核苷酸加到引物的 3 9端，合成新的DNA 链。
④重复：循环多次。 目的基因的量成指数形式扩增（约为 2n ，其中n 为扩增循环的次数）。
（4）仪器：在 PCR 扩增仪（PCR 仪）中自动完成。
（5）鉴定：完成以后，常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定 PCR 的产物。
2．人工合成目的基因：在我国首批具有较高抗虫活性的转基因抗虫棉的培育过程中，科学家人工合成了目的基因。
3 ．通过构建基因文库来获取目的基因
二、基因表达载体的构建（核心工作）
（一）构建目的：
1 ．让基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代；
2 ．使目的基因能够表达和发挥作用。
（二）基因表达载体的组成：
1 ． 目的基因
2 ．标记基因
3 ．启动子：
（1）本质：是一段有特殊序列结构的 DNA 片段。
（2）位置：位于基因的上游，紧挨转录的起始位点。
（3）作用：是 RNA 聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出 mRNA ，最终表达出人类需要的蛋白质。说明：有时为了满足应用需要，会在载体中人工构建诱导型启动子，当诱导物存在时，可以激活或抑制
目的基因的表达。
4 ．终止子：
（1）本质：也是一段有特殊序列结构的 DNA 片段。
（2）位置：位于基因的下游
（3）作用：使转录在所需要的地方停下来。
（三）构建方法：
1 ．用一定的限制酶切割载体，使它出现一个切口；
2 ．用同一种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割含有目的基因的 DNA 片段；
3 ．再利用DNA 连接酶将目的基因片段拼接到载体的切口处，这样就形成了一个重组 DNA 分子。
三、将目的基因导入受体细胞
（一）植物：
1 ．花粉管通道法：我国科学家独创。
（1）应用举例：抗虫棉的培育过程中，采用该法将 Bt基因导入了棉花细胞。
（2）操作方法：有多种，如：
①可以用微量注射器将含目的基因的 DNA 溶液直接注入子房中；
其他
需要在一定的缓冲溶液中、通过控制温度使 DNA 复制在体外反复进行。
②可以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，使目的基因借助花粉管通道进入胚囊。
2 ．农杆菌转化法：常用
（1）转化的含义：是指目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
（2）农杆菌的特点：
①是一种在土壤中生活的微生物。
②能在自然条件下侵染双子叶植物和裸子植物，而对大多数单子叶植物没有侵染能力。
③农杆菌细胞内含有 Ti 质粒，当它侵染植物细胞后，能将 Ti 质粒上的 T-DNA（可转移的DNA）转移到被侵染的细胞，并且将其整合到该细胞的染色体 DNA 上。
（3）原理：将目的基因插入 Ti 质粒的 T-DNA 中，通过农杆菌的转化作用，就可以使目的基因进入植物细胞。
（4）方法：根据受体植物的不同，所用的具体转化方法有所区别。例如：
①将新鲜的从叶片上取下的圆形小片与农杆菌共培养，然后筛选转化细胞，并再生成植株；
②将花序直接浸没在含有农杆菌的溶液中一段时间，然后培养植株并获得种子，再进行筛选、鉴定等。
（5）成果：随着转化方法的突破，用农杆菌侵染水稻、玉米等多种单子叶植物也取得了成功。
（二）动物：
1 ．常用受体细胞：动物受精卵
2 ．最常用的方法：利用显微注射直接将目的基因注入动物的受精卵中，这个受精卵将发育成为具有新性状的动物。
（三）微生物：
1 ．生物：在基因工程操作中，常用原核生物作为受体细胞，其中以大肠杆菌应用最为广泛。
2 ．方法：一般先用 Ca2＋处理大肠杆菌细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA 分子的生理状态，然后再将重组的基因表达载体导入其中。
四、 目的基因的检测与鉴定
（一） 目的： 目的基因进入受体细胞后，是否稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能知道，这也是检查转基因抗虫棉是否培育成功的一步。
（二）方法步骤：
1 ．分子水平的检测：
（1）通过 PCR 等技术检测棉花的染色体 DNA 上是否插入了 Bt 基因或检测 Bt基因是否转录出了mRNA；
（2）从转基因棉花中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原—抗体杂交，检测 Bt 基因是否翻译成 Bt 抗虫蛋白等。
2 ．个体生物学水平的鉴定：例如，通过采摘抗虫棉的叶片饲喂棉铃虫来确定 Bt 基因是否赋予了棉花抗虫特性以及抗性的程度。
归纳：基因工程的基本操作程序：见教材图 3-7。
第 3 节 基因工程的应用
一、基因工程在农牧业方面的应用
（一）农业：
1 ．培育抗逆转基因植物：
（1）转基因抗虫植物：
①目的基因：具有抗虫功能的基因
②成果： 已问世的转基因抗虫植物有转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
（2）转基因抗病植物：
①目的基因：来源于某些病毒、真菌等的抗病基因
②成果：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
（3）转基因抗除草剂植物：
①问题：转基因抗除草剂植物杂草常常危害农业生产，而大多数除草剂不仅能杀死田间杂草，还会损伤作物，导致作物减产。
②解决方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的作物品种。这样在喷洒除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。
③成果： 目前已经获得转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
2 ．改良植物的品质：
（1）增加食品营养：例如，将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量，科学家培育的某种转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高 30%。
（2）提高花卉的观赏价值：我国科学家成功地将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了它的观赏价值。
（二）畜牧业：
1 ．提高动物的生长速率：
（1） 目的基因：外源生长激素基因
（2）成果：我国科学家将外源生长激素基因导入鲤鱼，在同等养殖条件下，转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了 42%~ 115%。
2 ．改善畜产品的品质：
（1）问题：有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现腹泻等不适症状，这称为乳糖不耐受。我国约有 1/3 的成年人对乳糖不耐受。
（2）解决方法：科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受影响。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
（一）生产药物：
1 ．对微生物细胞进行基因改造，如干扰素：
（1）作用：干扰病毒复制
（2）化学本质：糖蛋白
（3）临床应用：
①治疗病毒感染性疾病。
②对治疗乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等也有一定的疗效。
（4）生产方法：
①传统生产：从人血液中的白细胞内提取，每 300L 血液只能提取出 1mg 干扰素。
②基因工程方法生产：从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得干扰素，从 1kg 培养物中可以得到 20~40mg 干扰素。
2 ．对动植物的细胞进行基因改造：
（1） 目的基因：药用蛋白基因
（2）基因表达载体构建：与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起
（3）将目的基因导入受体细胞的方法：显微注射法
（4）受体细胞：哺乳动物的受精卵
（5）辅助技术：受精卵发育成转基因动物
（6）产物获得：在进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物。
（7）动物名称：乳腺生物反应器或乳房生物反应器。
（8）成果：科学家已经在牛、山羊等动物乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素
和 α-抗胰蛋白酶等重要的医药产品。
（二）建立移植器官工厂（设想）：
1 ．替代动物：科学家正尝试利用基因工程技术对猪的器官进行改造
2 ．原因：猪的内脏构造、大小、血管分布与人的极为相似，而且与灵长类动物相比，猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒要少得多。
3 ．难题：免疫排斥。
4 ．解决方法：
（1）在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达。
（2）设法除去抗原决定基因。
再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
三、基因工程在食品工业方面的应用
（一）应用：利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
【知识解析】用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类一般称为基因工程菌。
（二）举例
1 ．阿斯巴甜是一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产。
2 ．奶酪的生产中使用的凝乳酶的制备：
（1）凝乳酶的作用：奶酪的生产需要使用凝乳酶来凝聚固化奶中的蛋白质。
（2）传统生产：
①方法：杀死未断奶的小牛，然后将它的第四胃的黏膜取出来进行提取。
②随着人口的增长和人们饮食需求的变化，单纯依靠宰杀小牛来获得凝乳酶的方法已不能满足日益增长的市场需求。
（3）基因工程生产：
①方法：科学家将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。
②成果：用这种方法生产的凝乳酶已于 1990 年投入市场，截至 2008 年，它已占据市场份额的 80%以上。
3 ．工业用酶的生产：
（1）举例：加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品要用到的脂酶等也都可以通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。
（2）优点：相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶的纯度更高，而且它的生产成本显著降低，生产效率较高。
四、其他：
1 ．培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染
2 ．利用经过基因改造的微生物来生产能源 … …。
第 4 节 蛋白质工程的原理和应用
一、定义：
1 ．设计基础： 以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础。
2 ．方法：改造或合成基因
3 ． 目的：改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
4 ．结果： 以满足人类生产和生活的需求。
它是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程。
二、崛起的缘由
（一）基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。
（二）基因工程生产的蛋白质的特点：
1 ．只能生产自然界中已存在的蛋白质。
2 ．这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的。
3 ．它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
（三）举例—利用蛋白质工程提高玉米中赖氨酸的含量：
1．玉米中赖氨酸含量低的原因：赖氨酸合成过程中的两种关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。
2．方法：将天冬氨酸激酶中第 352 位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第 104 位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高 5 倍和2 倍。
三、基本原理
（一）蛋白质工程的目标：是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。
（二）改造方法： 由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。
（三）基本思路：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质，参见教材图 3-17。
四、应用
（一）医药工业：
1 ．速效胰岛素类似物的研发：
（1）问题：天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。因此，科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用。
（2）原理：研究人员通过解析人胰岛素的晶体结构发现，人胰岛素由A 链和 B 链构成，其中B 链的第20~29 位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域，改变这个区域氨基酸的组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。
（3）成果：科学家已通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，使 B28 位脯氨酸替换为天门冬氨酸或者将它与 B29 位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用。
2 ．延长干扰素的体外保存时间：将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在-70℃的条件下，干扰素可以保存半年。
3 ．人鼠抗体的“嫁接 ”：
（1） 问题：小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，从而导致它的治疗效果大大降低。
（2）解决方法：科学家将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接 ”到人的抗体上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。
（二）其他工业：
1 ．研究方向：蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。
2 ．举例—枯草杆菌蛋白酶：
（1）作用：水解蛋白质
（2）用途：常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
（3）成果：利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。
（三）农业方面：
1 ．科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶， 以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
2．科学家利用蛋白质工程的思路来设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。
五、发展：难度很大，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。
六、展望：随着科学技术的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
第 4 章 生物技术的安全性与伦理问题
第 1 节 转基因产品的安全性
一、转基因成果令人叹为观止
（一）转基因微生物：
1 ．是基因工程中研究最早、最广泛和取得实际应用成果最多的领域。
2 ．特点（原因）：微生物具有生理结构和遗传物质简单、生长繁殖快、对环境因素敏感和容易进行遗传物质操作等优点。
3 ．举例：
（1）转基因技术已被用来减少啤酒酵母双乙酰（一种啤酒发酵过程中的产物，它的浓度过高会影响啤酒的风味和口感）的生成，缩短啤酒的发酵周期；
（2）用基因工程技术构建高产、优质的基因工程菌来生产氨基酸，是目前工业化生产氨基酸的重要途径；
（3）用基因工程菌生产药物同样引人注目，开发成功的基因工程药物已经几乎涉及各种类型疾病的治疗。
（二）转基因动物：
1 ．科学家将生长激素基因、促生长激素释放激素基因等转入动物体内，培育了一批生长迅速、营养品质优良的转基因家禽、家畜；
2 ．将某些抗病毒的基因导入动物体内，培育了抵抗相应病毒的动物新品种；
3 ．建立了某些人类疾病的转基因动物模型，模拟疾病的发生和发展过程，为研究该疾病的致病机制和开发治疗药物提供依据，如转基因小鼠 1 型糖尿病模型、转基因小鼠原发性高血压模型等。
（三）转基因植物：
1 ．成果：抗虫、抗病、抗除草剂和耐储藏等新性状的作物的培育。
2．举例：科学家利用转基因技术显著抑制番茄中乙烯形成酶的活性和乙烯的生成量，从而育成了转基因耐储藏番茄。
【知识拓展】在转基因研究工作中，科学家会采取很多方法防止基因污染。例如，我国科学家将来自玉米的α-淀粉酶基因与目的基因一起转入植物中，由于α-淀粉酶基因可以阻断淀粉储藏使花粉失去活性， 因而可以防止转基因花粉的传播。
二、对转基因产品安全性的争论
（一）产生原因：人们所生活的国家或社会，政治制度、意识形态、宗教信仰、经济发展水平、历史背景、传统文化和伦理道德观念等的差异，决定了人们具有不同的价值观取向，因此对于转基因技术就会产生不同的见解，特别是在转基因食品的安全性等方面发生激烈的争论。
（二）辩论：
1 ．题目：转基因食品是否安全？
2 ．辩论目的：通过辩论使不同的意见能在一个共同的平台上“殊途同归” ，形成共识，以正确的态度看待转基因食品的安全性。
3 ．辩论方式：设辩论正反方；或者角色扮演，如扮演政府官员、科学家、食品供应商和消费者等，扮演者从各自角度出发，发表不同的意见。
4．辩论前的准备：辩论的正反方或者角色扮演者，分别搜集不同国家或地区转基因生物研发和安全评估、转基因食品销售等方面的资料，以及我国有关转基因生物研究和商品化的法规和政策。在搜集资料的过程中，一定要注意区分谣言与事实，区分事实与观点；要舍弃矛盾的、不充分的证据，寻找确凿的证据。
5 ．辩论时的注意事项：
（1）要精准地运用证据为自己辩护；
（2）要排除无关因素的影响，有序地呈现具有说服力的证据；
（3）要进行符合逻辑的推理判断；
（4）要避免得出言过其实的结论；
（5）要善于洞察对方论证的陷阱和漏洞，如识别论证中的逻辑错误等。辩论时，切忌进行人身攻击。
三、理性看待转基因技术
（一）技术特点：转基因作为一项技术本身是中性的， 由这项技术研发出来的产品需要经过一系列的安全性评价，符合相应标准后才能上市。
（二）正确理解：
1 ．理性看待转基因技术不是人云亦云，更不是诋毁科学创新、造谣惑众，而是需要建立在完备的科学知识基础之上，即清晰地了解转基因技术的原理和操作规程；
2 ．还应该看到人们的观点受到许多复杂的政治、经济和文化等因素的影响；
3 ．最重要的是，要靠确凿的证据和严谨的逻辑进行思考和辩论。
4 ．社会舆论导向正确了，往往有利于决策者作出正确的决策，从而促进科学技术的发展；相反，社会舆论导向不正确，将可能阻碍科学技术的发展。
（三）我国对转基因技术的方针（态度）：是一贯的、明确的，就是研究上要大胆，坚持自主创新；推广上要慎重，做到确保安全；管理上要严格，坚持依法监管。
（四）我国采取的措施：
1 ．颁布政策法规：
（1） 内容： 国务院颁布了《农业转基因生物安全管理条例》； 国家有关部门制定实施了《农业转基因生物安全评价管理办法》《农业转基因生物进口安全管理办法》《农业转基因生物标识管理办法》《农业转基因生物加工审批办法》和《进出境转基因产品检验检疫管理办法》。
（2）作用：这些法规的制定既维护了消费者对转基因产品的知情权和选择权，又最大程度地保证了转基因技术和已经上市的转基因产品的安全性。
2 ．成立了专门的国家农业转基因生物安全委员会，这是我国农业转基因生物安全管理权威的评价机构，为保障农业转基因生物安全提供重要的技术支撑。
第 2 节 关注生殖性克隆人
一、生殖性克隆人面临的伦理问题
（一）生殖性克隆与治疗性克隆：
1 ．生殖性克隆是指通过克隆技术产生独立生存的新个体。
2 ．治疗性克隆是指利用克隆技术产生特定的细胞、组织和器官，用它们来修复或替代受损的细胞、组织和器官，从而达到治疗疾病的目的。
（二）生殖性克隆的争论：
1 ．赞成方的理由：
（1）这是一项科学研究，既然是科学，那就有它自己内在的发展规律，社会应该允许科学家研究；
（2）虽然现在人们的伦理道德观念还不能接受这一切，但是人的观念是可以改变的。
2 ．反对方的理由：
（1）伦理学家认为：
①生殖性克隆人“有违人类尊严” 。如果允许人像产品一样被制造，强制一个人共享另一个人的 DNA ，将使人类的尊严丧失殆尽。
②生殖性克隆人是在人为地制造在心理上和社会地位上都不健全的人，严重地违反了人类伦理道德，是克隆技术的滥用。
（2）生物学家认为：克隆技术还不成熟，出现构建重构胚成功率低，胚胎移植到母体子宫后着床率低、流产率高、胎儿畸形率高和出生后死亡率高等问题，正常的个体极少。即使有个体活过了幼年期，它们也有可能较早死亡。生殖性克隆人同样会面临所有的这些问题：流产、死胎和畸形儿等，与人类传统的伦理道德
背道而驰。
二、我国禁止生殖性克隆人
（一）我国政府对生殖性克隆的态度：坚决反对克隆人，不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。原因如下：
①克隆人只是某些人出于某种目的制造出的“产品” ，没有“父母” ，这可能导致他们在心理上受到伤害；
②由于技术问题，可能孕育出有严重生理缺陷的克隆人；
③克隆人的家庭地位难以认定，这可能使以血缘为纽带的父子、兄弟和姐妹等人伦关系消亡；
④生殖性克隆人冲击了现有的一些有关婚姻、家庭和两性关系的伦理道德观念；
⑤生殖性克隆人是对人类尊严的侵犯；
⑥生殖性克隆人破坏了人类基因多样性的天然属性，不利于人类的生存和进化。
（二）我国政府对治疗性克隆的态度：
1 ．态度：主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。
2 ．措施：我国颁布了《人类辅助生殖技术管理办法》《人类辅助生殖技术规范》和《人类辅助生殖技术和人类精子库伦理原则》；针对干细胞研究，我国制定了《人胚胎干细胞研究伦理指导原则》和《干细胞临床研究管理办法（试行）》， 以保证干细胞的研究在有关规定下进行，并尊重国际公认的生命伦理准则，促进我国干细胞研究健康发展。
三、警惕用新技术研究生殖性克隆人
（一）研究进展：继外国科学家用4 种转录因子诱导入的成纤维细胞转变成 iPS 细胞之后，我国科学家又用4 种小分子化合物诱导小鼠的成纤维细胞转变成了 iPS 细胞（这种细胞又被称为化学诱导多能干细胞）。
（二）意义：这一技术在一定程度上避免了用特定的转录因子诱导 iPS 细胞可能带来的致癌风险。
（三）成果： 目前，科学家已经成功用iPS 细胞克隆出了活体小鼠。
（四）设想：试想一下：如果将小鼠的iPS 细胞换成人的iPS 细胞，不就可以克隆人了吗？
（五）最新动向：
1 ．动向：2016 年，一批国外的科学家和企业家聚集在一起，商议“人类基因组编写计划” ，希望合成人类的整个基因组。
2 ．争论：
（1）支持者：这将使培育出用于移植的人体器官成为可能，还会加速疫苗的研发等。
（2）反对者：如果合成出人类的基因组，就可能造出“无父母”人类或者拥有相同基因组的“克隆人” … …
四、设计试管婴儿
（一）背景材料：详见教材【思考 ·讨论】
（二）含义：“设计试管婴儿”实际上是指在将体外受精形成的胚胎植入母体前，根据人们的需要，将胚胎的细胞取出，进行特定基因的检测；当检测结果符合人们的需要时，再把胚胎植入母体。
第 3 节 禁止生物武器
一、种类：生物武器包括致病菌类、病毒类和生化毒剂类等，例如，天花病毒、波特淋菌、霍乱弧菌和炭疽杆菌都可以用来制造生物武器。
二、特点：生物武器的致病能力强、攻击范围广。
【知识拓展】从传播的角度来看，与枪炮、导弹等常规武器相比，生物式器有什么特点？
提示：与常规武器相比，生物武器的传播具有如下特点：传播途径多；传播方法简单，使用方便；传播时具有潜伏期。生物武器可以通过向目标地散播苍蝇、跳蚤、蚊子等携带病原菌的动物使人感染，或直接污染水源、食物，或通过信件等传播。生物武器可以随身携带，使用时不需要其他相关设备和装置，使用后一般也不会留下痕迹。多数生物武器传播的是传染病，传染病一般具有潜伏期，早期不易被发现，所以更容易大面积暴发。
三、使用方法：它可以直接或者通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散布，经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人、畜体内，造成大规模伤亡，也能大量损害植物。
四、历史背景：详见教材相关内容【知识拓展】
1 ．生物武器和常规武器的危害有什么本质差别？
提示：用于制造生物武器的致病菌、病毒等本质上是生物，可以进行大量的自我复制。
一个人受到这些生物武器伤害后，可以传染很多人，其危害程度难以估量；生物武器更容易伤害大量平民等。
2 ．生物武器的杀伤力一定大于常规武器吗？为什么许多国家禁止研发生物武器而不禁止研发常规武器呢？
提示：对这两类武器的杀伤力不应进行简单的量化比较，有些常规武器的杀伤力也特别大。生物武器容易被恐怖主义势力掌握，也容易伤及无辜平民，违反人道主义精神，有时连使用者都无法控制其传播疾病的范围，所以许多国家禁止研发生物武器。
五、对生物武器的威胁，不能掉以轻心
1 ．在报纸上，有时可以看到某些国家以科学研究为名，进行细菌武器、生化毒剂等的研究和储存，如生产和储存传染性极强、致死率极高的炭疽杆菌。
举例：1978 年，天花就已经在地球上消失，但是某些国家至今仍然保存着天花病毒毒株。今天，在年轻人普遍都没有接种天花疫苗的情况下，如果有人用天花病毒或某些动物的痘病毒作为生物武器，后果将不堪设想！
2 ．一些恐怖组织或个人在试图寻找各种大规模杀伤性武器，而生物武器相对容易获得，也便于携带和施放，一旦被他们利用，产生的危害将是极大的。
3 ．转基因技术出现后，使得利用这一技术制造各种新型的致病菌成为可能。
（1）威胁：这些人类从来没有接触过的致病菌，可能让大批受感染者突然发病，而又无药可医，这样施放者便可以造成敌方公众的极度恐慌，致使受害国一切活动瘫痪，轻而易举地达到不战而胜的目的。
（2）举例：
①有报道称，有的国家已经研制出新型的鼠痘病毒， 由于人类目前还没有找到相应的有效治疗药物来对抗这种病毒，因此感染者必死无疑；
②在实验室里，有人通过转基因技术把蜡状杆菌改造成像炭疽杆菌一样的致病菌；
③有人将生物毒素分子的基因与流感病毒的基因拼接在一起，然后再用基因工程的方法进行批量生产；
④也有人对流感病毒基因进行改造，以使具有某种易感基因的民族感染上这种病毒，而施放国的人却不易感染。
六、法规：1972 年 4 月，苏联、美国、英国分别在其首都签署了《禁止试制、生产和储存并销毁细菌（生物）和毒剂武器公约》（简称《禁止生物武器公约》），该公约于 1975 年 3 月生效。1984 年 11 月，我国也加入了这一公约。
七、我国态度：
1 ．1998 年 6 月，中美两国元首在关于《禁止生物武器公约》议定书的联合声明中，重申了在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器，并反对生物武器及其技术和设备的扩散。
2 ．2010 年，在第 65 届联合国大会上，我国政府重申支持《禁止生物武器公约》的宗旨和目标，全面、严格履行公约义务，支持不断加强公约的约束力，并主张全面禁止和彻底销毁生物武器等各类大规模杀伤性武器。