生物人教版 (2019)第3节 基因工程的应用导学案

第3章   基因工程：

第3节　基因工程的应用

一、理清主干知识

一、基因工程在农牧业方面的应用

二、基因工程在医药卫生领域的应用

三、基因工程在食品工业方面的应用

利用基因工程菌还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。

1．凝乳酶

(1)目的基因：编码牛凝乳酶的基因。

(2)受体细胞：大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌。

(3)应用：生产奶酪。

2．加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品用到的脂酶等也都可以通过基因工程技术生产。

二、诊断自学效果

1．判断下列叙述的正误

(1)转基因抗虫植物培育成功后可防治各种害虫(×)

(2)将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株(√)

(3)利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品，如人的血清白蛋白，这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中(×)

(4)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用(×)

2．下列不属于利用基因工程技术制取的药物是(　　)

A．从大肠杆菌体内获得白细胞介素

B．从酵母菌体内获得干扰素

C．从大肠杆菌体内获得胰岛素

D．从青霉菌体内获得青霉素

解析：选D　利用基因工程技术可制取药物，如将外源白细胞介素基因导入大肠杆菌中并表达制取白细胞介素，使外源干扰素基因在酵母菌体内表达获得干扰素，使外源胰岛素基因在大肠杆菌体内表达获得胰岛素。青霉素是由青霉菌自身基因表达产生的，因此在青霉菌体内提取的青霉素不属于基因工程药品。

3．我国已能自行生产乙肝疫苗等基因工程药物，乙肝疫苗的生产方法是(　　)

A．在受体细胞内大量增殖乙肝病毒

B．在液体培养基中大量增殖乙肝病毒

C．将乙肝病毒的全部基因导入受体细胞并表达

D．将乙肝病毒的表面抗原基因导入受体细胞并表达

解析：选D　疫苗具有抗原性，乙肝病毒的抗原性由蛋白质外壳决定，所以生产乙肝疫苗利用的是乙肝病毒的蛋白质外壳。生产乙肝疫苗的方法是获取乙肝病毒表面抗原基因，将其导入受体细胞，使受体细胞表达乙肝病毒的蛋白质外壳。

4．下列关于基因工程成果的概述，错误的是(　　)

A．在医药卫生方面，主要用于生产药品和诊断治疗疾病

B．在农业上主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗逆性的农作物

C．在畜牧业上主要的目的是培育体型巨大、品质优良的动物

D．在食品工业方面可用于生产工业用酶、氨基酸、维生素等

解析：选C　基因工程在畜牧养殖业上的成果主要是提高动物的生长速率、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物等，C错误。

[在探究中学明]

下面是基因工程技术在农牧业方面的应用成果，分析回答下列问题：

1．转基因抗虫水稻能抗病毒、细菌、真菌吗？

提示：由于抗虫基因具有专一性，所以抗虫水稻不能抗病毒、细菌、真菌。

2．从环境保护角度出发，分析转基因抗虫水稻与普通水稻相比，在害虫防治方面有哪些优越性？

提示：减少化学农药的使用量，降低环境污染。

3．转基因育种与传统育种方法相比较有哪些优点？

提示：(1)目的性强，可定向改造生物性状；(2)能克服远缘杂交不亲和的障碍；(3)育种周期短。

[在深化中提能]

1．转基因抗虫植物与转基因抗病植物的比较

　2.关于转基因作物中目的基因的三点提醒

(1)目的基因都是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因，并不都是来自细菌、病毒等微生物，如抗冻蛋白基因来自鱼类。

(2)有的目的基因控制蛋白质的合成，直接控制生物的某种性状，这反映了基因与性状的直接关系。

(3)有的目的基因通过控制酶的合成来控制代谢，进而控制生物的性状，这体现的是基因与性状的间接关系。

　运用现代生物技术的育种方法，将抗菜青虫的Bt基因转移到优质油菜中，培育出转基因抗虫的油菜品种，这一品种在生长过程中能产生特异的杀虫蛋白，对菜青虫有显著抗性，能减轻菜青虫对油菜的危害。下列叙述错误的是(　　)

A．转基因抗虫油菜能产生杀虫蛋白是由于具有Bt基因

B．目的基因的受体细胞可以是油菜受精卵，也可以是体细胞

C．转基因抗虫油菜的种植过程中减少了农药等的使用量，降低了生产成本

D．转基因抗虫油菜种植时，菜青虫不会产生抗性，这样可以彻底消灭菜青虫

[解析]　由题意可知，转基因抗虫油菜能产生特异的杀虫蛋白，对菜青虫有显著抗性，表明转基因抗虫油菜能产生杀虫蛋白是由于具有Bt基因，A正确；目的基因的受体细胞可以是油菜受精卵，也可以是体细胞，B正确；转基因抗虫油菜能产生特异的杀虫蛋白，减少了农药等的使用量，降低了生产成本，C正确；菜青虫可能产生抗性突变，导致转基因抗虫油菜的杀虫效果降低，D错误。

[答案]　D

[在应用中落实]

1．(2020·济南历下区月考)下列关于转基因植物的叙述，正确的是(　　)

A．科学家可以利用一些调节细胞渗透压的基因来提高作物的抗病和抗干旱能力

B．由于抗虫棉可以抵抗所有危害棉花植株的害虫，所以得到推广

C．科学家往往将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，以提高农作物的营养价值

D．抗“病”转基因植物中的“病”指的是病毒

解析：选C　科学家可以利用调节细胞渗透压的基因，来提高作物抗盐碱、抗干旱的能力，而不是提高抗病的能力，A错误；抗虫棉并不能抵抗一切危害棉花植株的害虫，B错误；科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物细胞中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量，提高农作物的营养价值，C正确；引起植物生病的病原微生物，主要有病毒、真菌和细菌等，D错误。

2．下面为从苏云金杆菌中获取抗虫基因(简称Bt基因)培育转基因抗虫棉的图解，请据图回答下列问题：

(1)图中a 过程要用到的酶是________________。

(2)在进行图中b过程时，由我国科学家独创的十分简便经济的方法是__________________法，此外，也通常采用________________法；若要培育转基因绵羊，则此过程要用________法。

(3)为确定抗虫棉是否培育成功，既要用放射性同位素标记的______________________作探针进行分子杂交测试，又要在个体生物学水平上鉴定，后者具体过程是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(4)活化的毒性物质应是一种________分子，可以全部或部分与昆虫肠上皮细胞膜的特异性受体结合，使细胞膜产生孔道，导致细胞由于渗透平衡的破坏而破裂。

(5)我国在“863”计划资助下开展Bt抗虫棉、抗虫水稻等研究，可以减少农药、杀虫剂的使用，这将对________起到重要作用。

解析：(1)切割DNA分子以获取目的基因需用限制性内切核酸酶(或限制酶)。(2)将目的基因导入植物细胞的方法有农杆菌转化法、花粉管通道法，其中由我国科学家独创的方法是花粉管通道法，最常用的方法是农杆菌转化法；将目的基因导入动物细胞的方法通常是显微注射法。(3)DNA 探针指用放射性同位素标记的含目的基因的DNA片段。个体生物学水平上的鉴定是检测其是否表现出抗虫性状。(4)活化的毒性物质是由原毒素经蛋白酶处理而成的，而原毒素是Bt基因表达的产物，其化学本质为蛋白质，经蛋白酶处理后成为多肽。(5)Bt抗虫棉等可以在不使用农药的前提下防虫、治虫，避免了使用农药对环境造成污染。

答案：(1)限制性内切核酸酶(或限制酶)　(2)花粉管通道　农杆菌转化　显微注射　(3)目的基因(或Bt基因)　让害虫吞食抗虫棉叶子，观察害虫的存活状态(合理即可)　(4)多肽　(5)保护环境

[在探究中学明]

1．下面是用转基因动物生产药物的操作过程，填图并回答下列问题：

(1)动物乳腺生物反应器生产药物有什么优点与限制？

提示：优点：产量高、质量好、成本低、易提取；

局限：受动物性别以及是否处于泌乳期的限制。

(2)用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程与一般转基因动物的操作过程有什么异同？

提示：二者过程相似，不同之处在于获得动物乳腺生物反应器时，需要将编码目的蛋白质的基因序列与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起构建表达载体。

2．分析用转基因动物作器官移植的供体时，应采取什么措施？

提示：抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因。

[在深化中提能]

乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别

　科学家培养的转基因牛乳腺细胞能够合成并分泌人的凝血因子，这是动物乳房作为生物反应器研究的重大进展。下列叙述正确的是(　　)

A．在该转基因牛中，人凝血因子基因只存在于乳腺细胞，而不存在于其他体细胞中

B．提高基因表达水平是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人的凝血因子基因

C．人凝血因子基因开始转录后，DNA 聚合酶以 DNA 分子的一条链为模板合成 mRNA

D．转基因牛需要进入泌乳期才能批量生产人的凝血因子

[解析]　培育转基因牛，一般将目的基因导入受精卵，发育成的个体所有细胞均含有人凝血因子基因，A错误；提高基因表达水平是指设法使牛的乳腺细胞中人凝血因子基因转录产生较多的mRNA，B错误；人凝血因子基因开始转录后，RNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA，C错误；人的凝血因子基因与乳腺蛋白基因的启动子重组在一起，可以和乳腺蛋白同时表达，转基因牛需要进入泌乳期才能批量生产人的凝血因子，D正确。

[答案]　D

基因工程应用问题的易错点分析

(1)动物基因工程的目的不仅是为了培育体型巨大的动物，更重要的是改善畜产品的品质或者是用转基因动物生产药物。

(2)高产青霉菌是诱变产生的，而不是通过基因工程改造的工程菌。

(3)乳腺生物反应器的操作过程中，构建基因表达载体时，目的基因首端要连接乳腺中特异表达的基因的启动子，否则目的基因在乳腺上皮细胞中不能转录并表达。构建好的基因表达载体导入受精卵，而不是乳腺上皮细胞，这样由受精卵发育成的个体细胞均含有目的基因，但其只在乳腺上皮细胞中表达。

(4)与乳腺生物反应器相比，膀胱生物反应器的优点是该系统可从动物一出生就可以收集产物，不论动物的性别，以及是否正处于泌乳期。膀胱生物反应器最显著的优势在于从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。

[在应用中落实]

1．科学家利用转基因技术成功培育出一头转入了赖氨酸酶基因的转基因牛，从其乳汁中可获得大量的赖氨酸。以下相关叙述正确的是(　　)

A．该题中赖氨酸酶基因表达载体的受体细胞的性染色体组成可以是XX，也可以是XY

B．将赖氨酸酶基因导入牛的卵细胞中，通过组织培养也能形成转基因牛

C．赖氨酸酶基因需要与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控组件进行重组

D．运用基因工程技术让牛合成大量的赖氨酸，该技术不会导致定向变异

解析：选C　由于只有母牛能产生乳汁，因此该题中赖氨酸酶基因表达载体的受体细胞的性染色体组成只能是XX，A错误；将赖氨酸酶基因导入牛的受精卵中，才能通过培养形成转基因牛，B错误；若要使赖氨酸酶基因在乳腺中表达，则应将赖氨酸酶基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控组件进行重组，C正确；运用基因工程技术让牛合成大量的赖氨酸，该技术能导致定向变异，D错误。

2．(2020·海安月考)治疗侏儒症的唯一方法是向人体注射生长激素。过去生长激素的获得非常困难，需要从动物垂体中提取。而现在可利用基因工程，将人的生长激素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。人们从450 L大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于6万头动物的全部产量。下图是该过程中重组质粒的构建和筛选过程，图中AmpR为氨芐青霉素抗性基因，TetR为四环素抗性基因。请回答下列问题：

(1)EcoRⅠ在它识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开时，产生的是________。该过程中不能选用EcoRⅠ切割目的基因，原因是________________________________________________________________________。

(2)大肠杆菌细胞最常用的转化方法：首先用________处理细胞，使之成为感受态细胞。然后将________________________与感受态细胞混合，在一定温度下完成转化过程。

(3)利用标记基因筛选重组质粒，将大肠杆菌分别在含有氨苄青霉素和四环素的培养基中培养，成功导入重组质粒的大肠杆菌生长情况是____________________________________

________________________________________________________________________。

(4)科学家现在将生长激素基因与____________________等调控组件重组在一起，通过______________方法导入哺乳动物________中，然后在体外发育成胚胎，再导入母体内，使其生长发育成转基因动物，进入泌乳期后，可通过其乳汁生产所需的药物。

解析：(1)EcoRⅠ在它识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开时，产生黏性末端。该过程中不能选用EcoRⅠ切割目的基因，原因是其会破坏目的基因。(2)大肠杆菌最常用的转化方法是首先用Ca2＋处理细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA的生理状态，这种状态的细胞被称作感受态细胞；然后将重组的基因表达载体溶于缓冲液中与感受态细胞混合，在一定的温度条件下促进感受态细胞吸收DNA，完成转化过程。(3)在形成重组质粒时，限制酶破坏了四环素抗性基因，但氨苄青霉素抗性基因完好。成功导入重组质粒的大肠杆菌，应该具有抗氨苄青霉素特性，不具有抗四环素特性，即在含四环素的培养基上不能正常生长，在含氨苄青霉素的培养基上能正常生长。(4)科学家将生长激素基因与乳腺中特异性表达的基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，在体外发育成胚胎，再导入母体内，使其生长发育成转基因动物，进入泌乳期后，可通过乳汁生产所需的药物。

答案：(1)黏性末端　EcoRⅠ会破坏目的基因　(2)Ca2＋　重组的基因表达载体溶于缓冲液中　(3)在含四环素的培养基上不能正常生长，在含氨苄青霉素的培养基上能正常生长　(4)乳腺蛋白基因的启动子　显微注射　受精卵

　　　　[课堂巩固落实]

1．(2020·咸阳期末)下列关于基因工程应用的叙述，错误的是(　　)

A．可将外源生长激素基因导入动物细胞内，提高动物的生长速率

B．向植物体内转入Bt基因来培育转基因抗虫植物

C．可以利用转基因动物作为器官移植的供体

D．利用乳腺生物反应器可使哺乳动物的产奶量增加

解析：选D　可将外源生长激素基因导入动物细胞内，提高动物的生长速率，A正确；向植物体内转入Bt基因来培育转基因抗虫植物，B正确；可以利用转基因动物作为器官移植的供体，C正确；利用乳腺生物反应器的目的是使哺乳动物的乳汁中含有目的基因产物等，但不一定能提高产奶量，D错误。

2．(2019·江苏高考)下列生物技术操作对遗传物质的改造，不会遗传给子代的是(　　)

A．将胰岛素基因表达质粒转入大肠杆菌，筛选获得基因工程菌

B．将花青素代谢基因导入植物体细胞，经组织培养获得花色变异的植株

C．将肠乳糖酶基因导入奶牛受精卵，培育出产低乳糖牛乳的奶牛

D．将腺苷酸脱氨酶基因转入淋巴细胞后回输患者，进行基因治疗

解析：选D　基因工程菌中含目的基因，能通过繁殖遗传给子代；经组织培养获得的转基因植株的细胞中都含目的基因，能够遗传给子代；培育得到的转基因奶牛的细胞中都含目的基因，故能遗传给子代；D项中，进行基因治疗时只有淋巴细胞含目的基因，生殖细胞不含目的基因，故不能遗传给子代。

3．下列有关基因工程的说法，错误的是(　　)

A．将外源生长激素基因导入动物体内可提高动物生长速率

B．将某种必需氨基酸含量多的蛋白质基因导入农作物，提高农产品的品质

C．利用基因工程技术，得到的乳腺生物反应器可以解决很多重要的药品的生产问题

D．用转基因动物作为器官移植的供体时，由于导入的是调节因子，而不是目的基因，因此无法抑制抗原的合成

解析：选D　用转基因动物作为器官移植的供体时，将某种调节因子导入器官供体基因组，可以抑制抗原决定基因的表达，再结合克隆技术，就能培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。

4．乙肝病毒是一种DNA病毒。我国科学家通过基因工程生产出乙型肝炎病毒疫苗，为预防乙肝提供了有力的保障。回答下列问题：

(1)乙肝病毒专一侵染肝细胞的原因是__________________________。

(2)乙肝病毒的基因组可编码的蛋白质及功能如下：Core蛋白是外壳蛋白；Pre­core与抑制宿主的免疫反应有关；X蛋白与病毒复制有关；S蛋白是病毒的包膜蛋白，与病毒进入细胞有关。通过基因工程生产的乙肝疫苗的有效成分是上述病毒蛋白中的__________________。

(3)通过基因工程生产乙肝疫苗的过程如图所示：

乙肝病毒有关基因细菌大量生产疫苗

a．在①②过程中需使用的工具酶是____________________。②过程中常用的载体是________。

b．为提高②过程的转化效率，常采用的方法是__________________________________。

解析：(1)肝细胞表面有乙肝病毒的受体，因此乙肝病毒专一侵染肝细胞。(2)通过基因工程生产的乙肝疫苗的有效成分是乙肝病毒的表面抗原蛋白，即题中所述病毒蛋白中的Core蛋白和S蛋白。(3)a.图中①表示获取目的基因的过程，该过程需要限制酶，②包括基因表达载体的构建过程，而构建基因表达载体时需要限制酶和DNA连接酶，同时该过程中常以质粒作为载体。b.将目的基因导入微生物细胞常用感受态转化法，即用Ca2＋(CaCl2)溶液处理细菌，使之成为易于吸收周围环境中DNA分子的感受态细胞。

答案：(1)肝细胞表面有乙肝病毒的受体　(2)Core蛋白和S蛋白　(3)a.限制酶和DNA连接酶　质粒　b．用Ca2＋(CaCl2)溶液处理细菌