1、1.3 基因工程的应用 一、植物基因工程 1.植物基因工程技术的应用:(1)提高农作物的_(如抗除草剂、抗虫、抗 病、抗干旱和抗盐碱等)。(2)改良_。(3)利用植物_等。抗逆能力 农作物的品质 生产药物 2.提高农作物的抗逆能力:转基因 植物目的基因举 例意义抗虫转 基因 植物_基 因、蛋白酶 抑制剂基因、淀粉酶抑制 剂基因、植 物凝集素基 因等转基因抗虫 棉、转基因 抗虫水稻减少化学农药的使 用,降低_,减少_等;能够获得杂交育种 无法获得的_Bt毒蛋白 生产成本 环境污染 新品种 转基因 植物目的基因举 例意义抗病转 基因 植物抗病毒基因:病毒 外壳蛋白基因和病 毒的_基因。抗真菌基因:
2、几丁 质酶基因和_ _基因抗烟草花叶病毒的转基因烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等减少化学农药的使 用,降低_,减少_等;能够获得杂交育种 无法获得的_ 生产成本 环境污染 新品种 复制酶 抗毒 素合成 转基因 植物目的基因举 例意义抗逆转 基因 植物调节_ 基因使农作物抗 盐碱、抗干旱;鱼 的_基因 使作物耐寒;抗除 草剂基因使作物 抗除草剂抗盐碱、抗干旱烟草,耐寒番茄,抗除草剂玉米减少化学农药的使 用,降低_,减少_等;能够获得杂交育种 无法获得的_ 细胞渗透压 抗冻蛋白 生产成本 环境污染 新品种 3.利用转基因改良植物的品质:(1)方法:将优良性状基因导入植物,获得优良品质的 植物
3、。(2)意义:改良植物的某些_。品质 二、动物基因工程 1.应用前景:在动物品种改良、建立_、_等方面显示了广阔的应用前景。生物反应器 器官移植 2.具体应用:项目 应用 基因来源或处理成 果提高动物的 生长速度外源_ 基因转基因绵羊、转 基因鲤鱼改善畜产 品的品质肠乳糖酶基因转基因牛分泌的乳 汁中乳糖含量大大 减低,其他营养成 分不受影响生长激素 项目 应用 基因来源或 处理成 果转基因动物 生产药物_蛋白基因+_蛋白基因 的启动子乳腺生物反应器转基因动物 作_ 的供体除去_ _或抑 制其表达结合_培育 出没有_ _的转基因克隆猪 器官药用 乳腺 器官移植 抗原决 定基因 克隆技术 免疫排斥
4、反 应 三、基因工程药物及基因治疗 1.基因工程药物异军突起:(1)药物来源:利用转基因的“_”来生产。(2)成果:利用“工程菌”可生产细胞因子、抗体、疫 苗、激素等。工程菌 2.基因治疗:(1)概念:把_导入病人体内,使该基因的表达 产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的。(2)成果:将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的_ _中,使淋巴细胞能够产生腺苷酸脱氨酶,再将这 种淋巴细胞转入患者体内,治疗复合型免疫缺陷症。正常基因 淋巴 细胞(4)目前所处阶段:初期的临床试验阶段。(5)存在问题:还没有完全解释_的运转机制,没有充分了解基因调控机制和疾病的分子机理,还存 在着_、_,以及_的诸 多困难。人
5、类基因组 技术方面 伦理道德方面 安全性方面【正误小测】1.科学家利用转基因技术培育了抗玉米螟玉米,种植 该玉米的农田就不需要进行防虫管理了。()【分析】抗玉米螟玉米能抗玉米螟,但不一定能抵抗 其他害虫,故种植抗玉米螟玉米的农田,仍需要进行防 虫管理。2.利用转基因改良植物品质,目的基因一定是控制该 性状的基因。()【分析】不一定,还可能是与控制该性状有关的某种 酶的基因。3.基因工程育种比传统育种所需的时间短,并且可以 解决远缘亲本难以杂交的问题。()【分析】基因工程育种目的性强,直接将目的基因导 入受体细胞培育转基因生物,与传统育种相比,所需时 间短,同时也克服了远缘亲本难以杂交的问题。4
6、.将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌,能 获得产生人干扰素的菌株。()【分析】利用基因工程的原理,将人的干扰素基因重 组到质粒后导入大肠杆菌,若成功表达可获得能产生 人干扰素的菌株。5.通过基因工程生产干扰素与传统的生产方法相比较,患者的治疗费用大大提高了。()【分析】生产干扰素的传统方法为从血液中提取干扰 素,产量很低,费用极高。通过人的白细胞干扰素基因 在受体细胞中克隆和表达获取,大大降低了患者的治 疗费用。6.某遗传病患者通过基因治疗获得的正常性状能够在 后代个体中表现。()【分析】基因治疗只是将正常基因导入某些功能细胞 中,这些细胞为体细胞,所以性状不能在下一代中表现。主题1 植
7、物基因工程【问题探究】1.基因工程应用于提高植物抗逆能力:(1)上图中序号和代表的含义:_;_。抗虫基因 构建基因表达载体(2)抗虫棉能抗病毒、细菌和真菌吗?为什么?提示:不能,抗虫基因具有专一性。(3)经上述过程培育的抗虫棉能否取得最后的成功,最简单的检测方法是什么?提示:做抗虫实验。2.培育抗逆作物的意义:(1)从环境保护角度出发,分析转基因抗虫棉与普通棉 相比在害虫防治方面的优越性:_ _。减少了化学农药的使 用量,降低了环境污染(2)种植转基因抗虫棉若干年后,害虫会不会对转基因抗虫棉产生抗性?为什么?提示:会。害虫会因遗传物质发生改变产生对转基因抗虫棉的抗性。【探究训练】1.(2018
8、邢台高二检测)下列不属于基因工程在植物中的应用的是()A.增强植物的抗逆性 B.改良植物的品质 C.获得多倍体植物 D.利用植物细胞生产动物蛋白【解析】选C。通过基因工程,可以增强植物的抗逆性、改良植物的品质,或利用植物细胞生产动物蛋白;获得多倍体植物可用秋水仙素处理植物的芽尖分生组织等。2.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,能大大减轻菜青虫对油菜的危害,提高油菜产量,减少农药使用,保护环境。据以上信息,下列叙述正确的是()A.Bt基因的化学成分是蛋白质 B.转基因抗虫油菜
9、能产生杀虫蛋白是由于具有Bt基因 C.Bt基因中有菜青虫的遗传物质 D.转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是无机物【解题指南】解答本题的关键是明确基因的概念及转基因的基本原理。【解析】选B。基因是DNA分子上决定生物性状的基本 单位,而DNA是由脱氧核苷酸中的碱基(腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶)通过碱基互补配对在氢键的作用下 形成的双螺旋结构,因此Bt基因的化学成分不是蛋白 质,A错误;基因控制生物的性状,将抗菜青虫的Bt基因 转移到优质油菜中,培育出转基因抗虫油菜,该品种能 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,B正确;将抗菜青虫的Bt基因
10、转移到优质油菜中,培育出转基因抗虫油菜,表明Bt基因不是来源于菜青虫,不含有菜青虫的遗传物质,C错误;转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是一种蛋白质属于有机物而不是无机物,D错误。【补偿训练】目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉,以下说法正确的是()A.苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因与质粒结合后直接进入棉花的叶肉细胞表达 B.抗虫基因导入棉花叶肉细胞后,可通过传粉、受精的方法,使抗虫性状遗传下去 C.标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因 D.转基因抗虫棉经过种植,棉铃虫不会产生抗性,这样可以有效消灭棉铃虫 【解题指南】解答本题要注意以下关键点:(1)将目的基因导入植物细胞常采用农杆
11、菌转化法。(2)转基因生物在有性生殖时,子代不一定能够获得相应性状。(3)抗虫作物只能抵抗害虫对该作物的破坏,不能消灭害虫。【解析】选C。苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因与质粒结合后,需用农杆菌转化法导入棉花的叶肉细胞,不能直接进入棉花的叶肉细胞表达,A项错误;叶肉细胞是体细胞,其基因不能通过有性生殖进行遗传,可以通过组织培养技术,使抗虫性状遗传下去,B项错误;构建好的基因表达载体中必须含有标记基因,以便于确定目的基因是否进入受体细胞内,C项正确;棉铃虫抗性的产生是基因突变的结果,但抗虫棉的自然选择会使棉铃虫的抗性基因频率升高,D项错误。【总结提升】利用转基因技术改良植物的品质 主题2 动物基因工程
12、【问题探究】1.动物基因工程改良动物品种:(1)为提高动物的生长速度,需将外源生长激素基因导 入动物体内,应该选择的受体细胞是_,原因是 _ _ _。受精卵 受精卵体积较大,操作较容易,含营养物质丰富,也能 保障发育成的个体所有细胞都含有外源基因,全能性 较高(2)将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组能降低牛奶中的 乳糖含量的原因是_ _。肠乳糖酶基因在奶牛乳腺细胞中 表达出乳糖酶,可以分解乳汁中的乳糖 2.转基因动物生产药物:(1)乳腺生物反应器的优点有_ _。产量高、质量好、成 本低、易提取(2)为什么生产乳腺生物反应器构建基因表达载体时必须把药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起
13、?提示:只有连接了乳腺蛋白基因的启动子,才能保证相应的目的基因在其乳腺细胞内得以表达。【探究训练】1.采用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵,培育出了转基因羊。但人凝血因子只存在于转基因羊的乳汁中,以下有关叙述正确的是()A.如果人凝血因子基因的核苷酸序列已知,可用人工合成的方法获得该目的基因 B.人体细胞中凝血因子基因进入山羊受精卵后,其传递和表达不再遵循中心法则 C.在该转基因羊体内,人凝血因子基因存在于乳腺细胞中,而不存在于其他体细胞中 D.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【解题指南】解答本题的关键:(1)遗传信息的表达都遵循中心法则。
14、(2)由于目的基因导入受精卵中,由该受精卵分裂、分化形成的转基因羊的所有体细胞都应该含有目的基因,只是在乳腺细胞中表达。【解析】选A。如果人凝血因子基因的核苷酸序列已知,可用人工合成的方法获得该目的基因,A正确;人体细胞中凝血因子基因进入山羊受精卵后,其传递和表达仍然遵循中心法则,B错误;在转基因羊中,人凝血因子基因存在于所有的体细胞中,只是人凝血因子基因只在该羊的乳腺细胞中表达,在其他体细胞中不表达,C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,D错误。【补偿训练】上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因牛。他们还研究出一种可大大提高
15、基因表达水平的新方法,使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高了30多倍,以下与此有关的叙述中,正确的是()A.“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物 B.“提高基因的表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因 C.只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白,是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中是纯合的 D.转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因,但不发生转录、翻译,故不能合成人白蛋白【解题指南】解答本题有两个关键点:(1)转基因生物不仅仅是体细胞中出现了外源的新基因,还需要成功表达。(2)转基因生物的所有体细胞中都含有目的基因,但是并非都进行表达。【解析】选D。体细胞中出现新基因有可能是
16、基因突变导致的,故A错误。“提高基因的表达水平”是指增强白蛋白基因表达,白蛋白基因数目没有增多,故B错误。只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白,这是由于人的白蛋白基因只在牛乳腺细胞中选择性表达,故C错误。转基因牛的白蛋白基因也是选择性表达的,在肌肉细胞中不能表达,故D正确。2.（2018全国卷改编）某种荧光蛋白（GFP）在紫外光或蓝光激发下会发出绿色荧光，这一特性可用于检测细胞中目的基因的表达。某科研团队将某种病毒的外壳蛋白（L1）基因连接在GFP基因的5末端，获得了L1-GFP融合基因（简称为甲），并将其插入质粒P0，构建了真核表达载体P1，其部分结构和酶切位点的示意图如下，图中E1E4四种限
17、制酶产生的黏性末端各不相同。回答下列问题：（1）据图推断，该团队在将甲插入质粒P0时，使用了两种限制酶，这两种酶是_。使用这两种酶进行酶切是为了保证_，也是为了保证_。（2）将P1转入体外培养的牛皮肤细胞后，若在该细胞中观察到了绿色荧光，则说明L1基因在牛的皮肤细胞中完成了_和_过程。（3）为了检测甲是否存在于克隆牛的不同组织细胞中，某同学用PCR方法进行鉴定，在鉴定时应分别以该牛不同组织细胞中的_（填“mRNA”“总RNA”或“核DNA”）作为PCR模板。【解析】（1）将甲插入质粒P0时，为了保证甲（L1-GFP融合基因）的完整性，应该选择E1和E4两种酶切割，并且把目的基因插入启动子和终止
18、子之间，从而使其能在受体细胞中表达。（2）在牛皮肤细胞中观察到了绿色荧光表明基因已表达，而基因的表达包括转录和翻译两个过程。（3）检测甲是否存在于牛的不同组织细胞中，可以采用PCR技术扩增，再用DNA分子杂交技术来检测，PCR技术中模板是DNA，并不是RNA。答案：（1）E1和E4 甲的完整 甲与载体正确连接（2）转录 翻译（3）核DNA【补偿训练】科学家培育出一种转基因小鼠,其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中,下列说法正确的是()A.将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞,可以用花粉管通道法 B.进行基因转移时,通常要将外源基因转入受精卵中 C.人的生长激素基因只存在于小鼠的膀胱上
19、皮细胞中 D.采用抗原抗体杂交技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组 【解析】选B。花粉管通道法是将目的基因导入植物细胞常用的方法,A项错误;动物基因工程中通常将目的基因导入受精卵中,B项正确;由导入生长激素基因的受精卵发育而成的动物个体的全部体细胞中都含有生长激素基因,C项错误;检测目的基因是否插入受体细胞基因组中常用的方法是DNA分子杂交技术,D项错误。【总结提升】1.转基因动物生产过程图解(以转基因牛生产过程为例):2.动物基因工程的应用:目的基因 或操作作 用受体 生物说 明提高动物 生长速度生长激 素基因促进生长,提高生长速度鲤鱼、绵羊等不是导入生长素基因改善畜产 品的品质肠乳糖 酶
20、基因使转基因牛分泌的乳汁中乳糖含量降低奶牛解决某些人食用牛奶出现的过敏等不适症状目的基因 或操作作 用受体 生物说 明生产药物(乳腺生物反应器或乳房生物反应器)药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等通过分泌乳汁来生产相应的药品牛、山 羊等已生产出的药品有抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和-抗胰蛋白酶目的基因 或操作作 用受体 生物说 明转基因动物作器官移植的供体将器官供体基因组导入某种调节因子 设法除去抗原决定基因抑制抗原决定基因的表达 不能合成相应抗原猪选择猪器官作人类器官替代品的原因:其内脏构造与人极为相似 体内可导致人类疾病的病毒少主题3 基因工程药物及基因治疗【问题探究】1.基因工程药物:
21、(1)通过基因工程直接得到的药物的化学本质一般都 是_。蛋白质(2)干扰素是一种几乎能抵抗所有病毒引起感染的糖蛋白,能直接利用转基因大肠杆菌生产干扰素吗?提示:不能,因为大肠杆菌属于细菌,细菌中只有核糖体,没有内质网和高尔基体等其他细胞器,不能加工形成有活性的干扰素,需要再加工。2.基因治疗:(1)研究人员将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的淋巴细 胞中的原因是_ _ _。(2)鉴定该患者是否治疗成功的关键是_ _。腺苷酸脱氨酶是人体免疫系统发挥正 常功能所必需的,淋巴细胞中具有这种酶才能产生抗 体等免疫物质 鉴定患者产生 抗体的能力是否明显改善,免疫能力是否明显提高(3)经基因治疗的患者体内是否还存
22、在缺陷基因?提示:存在。基因治疗只是导入正常基因,而没有去除缺陷基因。(4)基因治疗时受体细胞一般选择受精卵吗?提示:不是。基因治疗时受体细胞一般选择某些特殊功能的体细胞而不是受精卵。【探究训练】1.(2018西安高二检测)下列关于基因治疗的说法正确的是()A.基因治疗是治疗疾病的新途径,其利用的是转基因技术 B.基因治疗的主要方法是让患者口服一些健康的外源基因 C.基因治疗的主要原理是修复患者的基因缺陷 D.基因治疗在发达国家已成为一种常用的治疗手段 【解析】选A。基因治疗是治疗疾病的新途径,其利用的是转基因技术,A正确;基因是大分子有机物,所以口服的基因会在消化道中被分解,不能起作用,B错
23、误;基因治疗的基本原理是:将外源正常基因导入靶细胞,以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病,而不是修复患者的基因缺陷,C错误;基因治疗目前只是处于初期的临床试验阶段,D错误。2.目前市场上最主要的胰岛素产品是第二代胰岛素,相比第一代的动物源胰岛素,第二代胰岛素采用基因工程技术生产,其结构与人体内自身的胰岛素结构一致,最为安全有效。下列有关第二代胰岛素生产过程的叙述,错误的是()A.需用适当的酶对载体与人胰岛素基因进行切割与连接 B.若将基因表达载体导入大肠杆菌,需先用Ca2+处理大肠杆菌 C.可通过检测受体细胞是否含有胰岛素基因来检测目的基因是否导入成功 D.人胰岛素基因必须能在受体细胞内进行
24、复制与转录,才能合成胰岛素【解析】选D。基因工程中需要用限制酶切割外源DNA分子和载体,其次需要用DNA连接酶将目的基因与载体连接形成重组DNA分子,A正确;将目的基因导入微生物细胞可采用感受态转化法,即用Ca2+处理微生物细胞,使之成为感受态细胞,B正确;可通过检测受体细胞是否含有胰岛素基因来检测目的基因是否导入成功,C正确;人胰岛素基因必须能在受体细胞内进行复制、转录和翻译,才能合成胰岛素,D错误。【补偿训练】半乳糖血症病人由于细胞内不能合成1-磷酸半乳糖尿苷酰转移酶,从而导致体内过多的半乳糖积聚,使肝、脑等受到损伤。美国的一位科学家用带有半乳糖苷酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞,结果
25、发现这些组织细胞能够利用半乳糖了。这种治疗疾病的方法称为()A.免疫治疗 B.化学治疗 C.基因治疗 D.药物治疗【解析】选C。将带有半乳糖苷酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞后,使病变的基因得到了纠正,能够合成1-磷酸半乳糖尿苷酰转移酶,从而使组织细胞能够利用半乳糖,这种治疗方法称为基因治疗。【总结提升】1.转基因微生物生产过程图解(以可生产干扰素酵母菌的培育过程为例):2.基因治疗的过程:3.体外基因治疗和体内基因治疗的比较:途径 比较 体外基因治疗体内基因治疗不 同 点方法从患者体内获得某种细胞细胞培养体外完成基因转移筛选、细胞扩增输入体内特 点操作复杂,但效果可靠方法较简单,但效果难以控制 途径 比较 体外基因治疗体内基因治疗相同点都是将外源基因导入靶细胞,以纠正缺陷基因,目前两种方法都处于临床试验阶段说明:基因治疗并非把健康的外源基因导入患者的所有细胞中,而只是导入某些功能细胞中。