25-26学年高中生物(人教版)选择性必修第三册课件：第3章 基因工程

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（3）基因工程CONTENTS第一节 重组DNA技术的基本工具练习与应用概念检测1.DNA连接酶是重组DNA技术常用的一种工具酶。下列相关叙述正确的是( )A.能连接DNA分子双链碱基对之间的氢键B.能将单个脱氧核苷酸加到DNA片段的末端，形成磷酸二酯键C.能连接用同种限制酶切开的两条DNA片段，重新形成磷酸二酯键D.只能连接双链DNA片段互补的黏性末端，不能连接双链DNA片段的平末端CA、DNA连接酶连接的磷酸二酯键，A错误； B、DNA聚合酶能将单个脱氧核苷酸加到DNA片段的末端，形成磷酸二酯键，B错误； C、能连接用同种限制酶切开的两条DNA片段，重新形成磷酸二酯键，C正确； D、DNA连接酶既能连接双链DNA片段互补的黏性末端，又能连接双链DNA片段的平末端， D错误。故选：C。练习与应用概念检测2.在重组DNA技术中，将外源基因送入受体细胞的载体可以是( )A.大肠杆菌的质粒 B.切割DNA分子的酶C.DNA片段的黏性末端 D.用来识别特定基因的DNA探针A在基因工程中常使用的载体有质粒、噬菌体、动植物病毒等，A符合题意。练习与应用拓展应用1.想一想，为什么限制酶不切割细菌本身的DNA分子？细菌中的限制酶之所以不剪切自身DNA，是因为细菌在长期的进化过程中形成了套完善的防御机制，其DNA分子中或者不具备这种限制酶的识别序列，或者通过甲基化酶将甲基转移到限制酶所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开。提示:细菌中的限制酶之所以不剪切自身DNA,是因为细菌在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制,其DNA分子中或者不具备这种限制酶的识别序列,或者通过甲基化酶将甲基转移到限制酶所识别序列的碱基上,使限制酶不能将其切开。练习与应用拓展应用2.有2个不同来源的DNA片段A和B,A片段用限制酶SPeⅠ进行切割，B片段分别用限制酶HindⅢ、XbaⅠ、EcoRⅤ和XhoⅠ进行切割。各限制酶的识别序列和切割位，点如下。练习与应用拓展应用（1）哪种限制酶切割B片段产生的DNA片段能与限制酶SPeⅠ切割A片段产生的DNA片段相连接？为什么？（2）不同的限制酶切割可能产生相同的黏性末端，这在基因工程操作中有什么意义？限制酶XbaⅠ因为限制酶XbaⅠ切割B片段产生的黏性末端与限制酶SpeⅠ切割A片段产生的黏性末端用不同的限制酶切割，如果产生相同的黏性末端，把两个DNA片段连接后，原来的酶切位点将不存在，不能被原来的限制酶所识别，有利于保持重组DNA分子的稳定性。结合分析可知,spel 和Xbal切割后的黏性末端相同,均为-CTAG-,故两者切割后产生的DNA片段可以连接。用不同的限制酶切割,如果产生相同的黏性末端,把两个DNA片段连接后,原来的酶切位点将不存在,不能被原来的限制酶所识别,有利于保持重组DNA分子的稳定性。本题考查基因工程的相关知识,要求考生识记基因工程的原理、操作工具及特点、操作步骤等,能结合所学的知识准确作答。CONTENTS第二节 基因工程的基本操作程序练习与应用概念检测5.研究人员将一种海鱼的抗冻蛋白基因afp整合到土壤农杆菌的Ti质粒上，然后用它侵染番茄细胞，获得了抗冻的番茄品种。判断下列相关表述是否正确。（1）afp基因是培育抗冻番茄用到的目的基因。( )（2）构建含有afp基因的Ti质粒需要限制酶、DNA连接酶和核酸酶。( )（3）只要检测出番茄细胞中含有afp基因，就代表抗冻番茄培育成功。( )×√通过题意分析，afp基因是培育抗冻番茄用到的目的基因。构建质粒要用到限制酶（用来在特定位点进行切割）和DNA连接酶（用来连接目的基因和载体），不需要核酸酶。×目的基因成功导入受体细胞后不一定会表达，还需要进行检测和鉴定。练习与应用概念检测2.利用PCR既可以快速扩增特定基因，也可以检测基因的表达。下列有关PCR的叙述，错误的是( )A.PCR用的DNA聚合酶是一种耐高温酶B.变性过程中，双链DNA的解开不需要解旋酶C.复性过程中，引物与模板链的结合遵循碱基互补配对原则D.延伸过程中，需要DNA聚合酶、ATP和4种核糖核苷酸DA、PCR用的DNA聚合酶是一种耐高温酶，A正确； B、变性过程中，双链DNA的解开不需要解旋酶，该过程通过高温使DNA双链间的氢键断裂，B正确； C、复性过程中，引物与模板链的结合遵循碱基互补配对原则，C正确； D、延伸过程中，需要DNA聚合酶、ATP和4种脱氧核糖核苷酸，D错误。 故选：D。练习与应用拓展应用1.研究人员在研究转基因烟草中外源卡那霉素抗性基因的遗传稳定性时，发现44株转基因烟草中有4株该基因的遗传不符合孟德尔遗传规律，在它们的自交后代中出现了较多的没有卡那霉素抗性的植株。请查找相关资料，尝试对这个问题作出解释。可能在自交繁殖过程中存在转基因的沉默或丢失现象。研究人员在研究转基因烟草中外源卡那霉素抗性基因的遗传稳定性时,发现44株转基因烟草中有4株该基因的遗传不符合孟德尔遗传规律,在它们的自交后代中出现了较多的没有卡那霉素抗性的植株。原因可能是在自交繁殖过程中存在转基因的沉默或丢失现象。理性看待转基因技术,正确的做法是趋利避害,不能因噎废食。练习与应用拓展应用2.八氢番茄红素合酶（其基因用psy表示）和胡萝卜素脱饱和酶（其基因用ctI表示）参与β-胡萝卜素的合成。pmi为磷酸甘露醇异构酶基因，它编码的蛋白质可使细胞在特殊培养基上生长。科学家将psy和ctI基因转入水稻，使水稻胚乳中富含β-胡萝卜素，由此生产出的大米称为“黄金大米”。请根据以上信息回答下列问题。练习与应用拓展应用（1）科学家在培育“黄金大米”时，将crtI和psy基因导入含pmi基因的质粒中，构建了质粒pSYN12424。该项研究的目的基因是___________，标记基因是______，质粒pSYN12424的作用是_______________________________________。（2）在构建质粒载体时，目的基因序列中能否含有用到的限制酶的识别序列？为什么？psy和crtI基因pmi基因质粒pSYN12424的作用是将目的基因导入受体细胞科学家将psy和crtl基因转入水稻，使水稻胚乳中富含β-胡萝卜素，则psy和crtl基因为目的基因。将crtl和psy基因导入含pmi基因的质粒中，pmi基因则为标记基因。构建成的质粒pSYN12424为重组质粒，用于将目的基因导入受体细胞。在构建质粒载体时，选择限制酶时要注意，不能选择能够识别目的基因序列的限制酶，否则该限制酶会将目的基因切断，破坏目的基因，最终无法得到所需的产物。不能，限制酶会将目的基因切断，破坏目的基因。练习与应用拓展应用（3）请查找相关资料，了解科学家为什么要培育“黄金大米”以及当前关于“是否要推广‘黄金大米’”的各种争论。你还可以提出自己的看法，并与同学交流讨论。因为“黄金大米”中含有β-胡萝卜素，营养丰富、产量高、富含维生素A。评价黄金大米的食用安全性包括：①转基因的直接影响，包括营养成分、毒性或增加食品中过敏物质的可能。②“黄金大米”经由人体消化道的吸收面将基因转移至肠道微生物中，从而对人体健康造成影响。根据题中信息，“黄金大米”中含有β-胡萝卜素，营养丰富、产量高、富含维生素A，对人体有较大的益处，所以科学家要培育“黄金大米”。但是出于食品安全方面考虑，“黄金大米”为转基因食品，其营养成分、毒性或增加食品中过敏物质的可能，对健康造成影响。此外，转基因食品经由人体消化道吸收，有可能将基因转移至肠道微生物中，从而对人体健康造成影响，所以我们要正确看待转基因产品。CONTENTS第三节 基因工程的应用练习与应用概念检测1.将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导入大肠杆菌的细胞内，再通过发酵工程就能大量生产人生长激素。下列相关叙述正确的是( )A.转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶B.发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢物C.大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传D.大肠杆菌质粒标记基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等A、转录生长激素基因需要RNA聚合酶，不需要解旋酶和DNA聚合酶，A错误；B、发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的次级代谢产物，不是不可或缺的，B错误；C、大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异是基因重组，属于可遗传变异，C正确；D、基因是含有遗传效应的DNA片段，DNA所含的碱基中不含有尿嘧啶，D错误；故选C。C练习与应用概念检测2.基因工程应用广泛，成果丰硕。下列不属于基因工程应用的是( )A.利用乳腺生物反应器生产药物B.从培育的青霉菌中提取青霉素C.制造一种能降解石油的“超级细菌”D.制造一种能产生干扰素的基因工程菌解析：A、利用乳腺生物反应器生产药物，这属于动物基因工程的应用，A错误； B、从青霉菌中提取青霉素，这没有采用基因工程技术，不属于基因工程的应用，B正确； C、制造一种能分解石油的“超级细菌”，这属于基因工程的应用，C错误； D、制造一种能产生干扰素的工程菌，这属于基因工程的应用，D错误。 故选：B。B练习与应用拓展应用1.除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘膦没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘膦的作物。（1）下面是探究“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘膦”的流程，请补充完整。①用___________________等处理含有目的基因的DNA片段和Ti质粒，构建重组Ti质粒；②将重组Ti质粒转入农杆菌中；③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染_____细胞，再通过培育得到转基因植株；④用草甘膦同时喷洒转基因植株和对照组植株。结果：对照组植株死亡，转基因植株存活，但也受到了影响。结论：________________________________________________________。限制酶、DNA连接酶植物转基因草甘膦植株在一定程度上可以抵抗草甘膦的作用练习与应用拓展应用（2）请思考并回答下列问题。①在该实验中，对照组是怎样设计的？②如果增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，转基因矮牵牛对草甘膦的抗性是否会增加？请你给出进一步探究的思路。对照组未做任何处理，为正常的植株。可能会增加。思路：用草甘膦同时喷洒对照组植株、转基因植株和增加转入的外源EPSP合酶基因数量的转基因植株，观察三者的存活情况。（1）现在要从土壤中分离纤维素分解菌，请你给出详细的实验方案。（2）你打算到什么环境中去寻找纤维素分解菌？为什么？（3）有同学说，可以把滤纸埋在土壤中，经过一段时间后，再从已腐烂的滤纸上筛选纤维素分解菌。请你评价这一做法。练习与应用拓展应用(1)目的基因的获取:方法有从基因文库中获取、利用PCR技术扩增和人工合成。(2)基因表达载体的构建:是基因工程的核心步骤,基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因等。(3)将目的基因导入受体细胞:根据受体细胞不同,导入的方法也不一样。将目的基因导入植物细胞的方法有农杆菌转化法、基因枪法和花粉管通道法;将目的基因导入动物细胞最有效的方法是显微注射法;将目的基因导入微生物细胞的方法是感受态细胞法。(4)目的基因的检测与鉴定:分子水平上的检测:①检测转基因生物染色体的DNA是否插入目的基因,可用DNA分子杂交技术;②检测目的基因是否转录出了mRNA,可用分子杂交技术;③检测目的基因是否翻译成蛋白质,可用抗原-抗体杂交技术。个体水平上的鉴定:抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等。（1）现在要从土壤中分离纤维素分解菌，请你给出详细的实验方案。（2）你打算到什么环境中去寻找纤维素分解菌？为什么？（3）有同学说，可以把滤纸埋在土壤中，经过一段时间后，再从已腐烂的滤纸上筛选纤维素分解菌。请你评价这一做法。练习与应用拓展应用2.下图是某同学画的两幅基因工程卡通图。一幅是一头能进行光合作用的奶牛，一幅是一株能同时结出多种蔬菜和水果的植物。请你像这位同学一样，展开想象的翅膀，畅想基因工程的未来，并用图画、文字或用音乐创作等表达出来。开放性题目，自由想象！例如，基因工程目前来说是对基因片段进行剪接和采取，但是也已经能够在一定程度上改变生物的基本性状。科学家们认为，在未来只要我们能够突破微观层面的操作，就能够对人类的基因进行调整。如果真的做到这样，那么人类可就了不起了，因为我们能够再一次选择我们的基本状态。举个例子来说，我们可能并不是一个漂亮的人，但是可以通过基因技术进行重组再造。基因工程目前来说是对基因片段进行剪接和采取,但是也已经能够在一定程度上改变生物的基本性状。科学家们认为,在未来只要我们能够突破微观层面的操作,就能够对人类的基因进行调整。如果真的做到这样,那么人类可就了不起了,因为我们能够再一次选择我们的基本状态。举个例子来说,我们可能并不是一个漂亮的人,但是可以通过基因技术进行重组再造。CONTENTS第四节 蛋白质工程的原理和应用练习与应用概念检测1.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺，可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是( )A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D.蛋白质蛋白质工程的直接操作对象是基因。A练习与应用概念检测2.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是( )A.分析蛋白质的三维结构B.研究蛋白质的氨基酸组成C.获取编码蛋白质的基因序列信息D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求蛋白质工程的最终目的是改造现有的蛋白质，或者制造一种全新的蛋白质，以满足人类的需求。D练习与应用拓展应用1.T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴？在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么？如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是编码T4溶菌酶的基因中碱基对的排列顺序发生改变。如果要将该研究成果应用于生产实践，还需要了解酶过度表达的遗传操作，酶产物的分离、纯化和酶制剂的稳定策略等。从题干可知，以上操作对相关基因进行改造，因此属于蛋白质工程，实质是改变某种蛋白质相关基因的碱基序列。如果要将该研究成果应用到生产实践，还有很多工作要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了改变，因此它的一些基本特性需要重新明确，包括它的稳定性、能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等，需要建立规模化生产该酶的技术体系，评估生产成本等。CONTENTS第3章 复习与提高练习与应用1.某动物体内含有研究者感兴趣的目的基因，研究者欲将该基因导入大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有氨苄青霉素抗性基因（AmpR）人、LacZ基因及一些酶切位点，其结构和简单的操作步骤如下图所示。请根据以上信息回答下列问题。练习与应用（1）在第②步中，应怎样选择限制酶？①应选择酶切位点位于目的基因两端的限制酶。②为了避免目的基因及质粒的自身环化、正向连接、反向连接，也可使用不同的限制酶（非同尾酶）切割目的基因所在片段和质粒。③切割质粒的限制酶不能同时切开质粒上的所有标记基因，即至少要保留一个标记基因，以用于重组DNA的鉴定和选择。限制酶可以切割质粒和含有目的基因的DNA,选择限制酶的时候需要注意:选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA片段,并且注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部,以防破坏目的基因,限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等结构。练习与应用（2）在第③步中，为了使质粒DNA与目的基因能连接，还需要在混合物中加入哪种物质？（3）选用含有AmpR和LacZ基因的质粒进行实验有哪些优势？加入DNA连接酶。在第③步中,为了使质粒DNA与目的基因能连接,加入DNA连接酶,形成含目的基因的重组质粒。AmpR为氨苄青喜素抗性基因，在培养基中加入AmpR，没有导入任何外源DNA的大肠杆菌不能在该培养基上生存。LacZ基因编码的酶能分解X-gal产生蓝色物质，若大肠杆菌菌落呈现蓝色，则说明导入的是不含目的基因的空白质粒，AmpR和LacZ基因可以将成功导入目的基因的重组质粒筛选出来。标记基因AmpR基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌,一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。而由于LacZ基因的效应,这些生长的菌落可能出现两种颜色:含有空质粒(没有连接目的基因的质粒)的大肠杆菌菌落呈蓝色;含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。根据这种生长差异性,可以筛选出含有目的基因的大肠杆菌。练习与应用（4）含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色？为什么？白色。限制酶切割质粒时，会使LacZ基因破坏，含重组质粒的大肠杆菌不含LacZ基因，所以X-gal不会分解产生蓝色物质，菌落呈现白色。通过(3)可知,含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色;因为目的基因的插入,破坏了LacZ基因的结构,使其不能正常表达,形成β-半乳糖苷酶,底物x-gal也就不会被分解。练习与应用2.科学家将Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2~3周后，这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。（1）在这个实验过程中，逆转录病毒的作用是什么？逆转录病毒相当于基因工程中的载体。逆转录病毒是载体,能将外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纤维细胞。练习与应用2.科学家将Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2~3周后，这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。（2）如何证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用？可设立对照组：将正常的小鼠成纤维细胞放在培养ES细胞的培养基上培养，之后观察是否出现iPS细胞。可以设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的细胞分别培养在相同的培养基中,并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源基因的细胞转化成了iPS细胞,就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用。练习与应用2.科学家将Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2~3周后，这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。（3）如果要了解Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4基因在诱导iPS细胞时，每个基因作用的相对大小，该如何进行实验？请你给出实验设计的思路。思路：将这4种基因分别导入小鼠的成纤维细胞，放在培养ES细胞的培养基上培养，观察细胞的形态、分裂能力等，从而得出每一个基因作用的相对大小。可以依次去掉1个基因,将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中,然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较,来推测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响,进而判断每个基因作用的相对大小。练习与应用2.科学家将Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2~3周后，这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。（4）若将病人的皮肤成纤维细胞诱导成iPS细胞，再使它转化为需要的细胞，用这些细胞给该病人治病，这是否会引起免疫排斥反应？为什么？iPS细胞具有分裂活性，用它进行治疗时可能存在什么风险？不会，因为这些细胞来源于同一个体，遗传物质都是相同的。iPS细胞具有分裂活性，这也是癌细胞具有的特点，可能iPS细胞会过度增殖。不会引起免疫排斥反应,因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化,理论上产生的还是“自体”细胞。iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能,因此存在分化成肿瘤细胞的风险。练习与应用3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。方案一把根瘤菌的固氮相关基因导人水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氮肥的施用量。方案二直接将固氮相关基因导入水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氨肥了。（1）请评估这两种方案哪种更容易实现。方案一更容易实现，因为根瘤菌与水稻根系微生物的亲缘关系更近。如果从亲缘关系来考虑，固氮相关基因可能更容易在水稻根系微生物中稳定存在和表达，进而使其具有固氮的能力，所以我从这个角度认为第一种方案更容易实现。练习与应用3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。方案一把根瘤菌的固氮相关基因导人水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氮肥的施用量。方案二直接将固氮相关基因导入水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氨肥了。（2）如果两个方案都实现的话，你认为哪种更值得推广？请说出你的理由。方案二更值得推广，因为这种方法可以使水稻自己固氮，不受根系微生物的限制，同时含有的固氮基因还能遗传给子代。从便捷性角度认为能固氮的水稻新品种更值得推广；或从转基因安全性角度认为能固氮的水稻根系微生物更值得推广等。如果从成本考虑，可能固氮微生物比较好培养，经济实惠等。答案不唯一，言之有理即可。