1、第二课时基因工程及其应用【目标导航】1. 结合教材图文，理解重组DNA技术的基本原理和基本步骤。2.结合具体实例，了解基因工程的应用及转基因生物的安全性。一、基因工程的概念及基本工具1概念基因工程又叫重组DNA技术，是指将从一个生物体内分离得到或人工合成的目的基因导入另一个生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达所需要的产物的技术。2基本工具限制核酸内切酶：能在特定位置上切割DNA分子。DNA连接酶：能将DNA片段连接起来。运载体：运载目的基因，如质粒、噬菌体等。二、基因工程的一般过程1基因工程的步骤2基因工程的应用(1)生产特殊蛋白质如胰岛素、生长激素等。(2)按照人们的意愿定向改造动植物。(
2、3)运用转基因技术进行环境保护。3转基因生物的安全性判断正误(1)基因工程的生物学原理是基因重组。()(2)通过基因工程技术能够定向改造生物的遗传性状。()(3)基因工程属于分子水平的操作。()(4)所有的限制核酸内切酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列。()(5)转基因生物可能会破坏生态平衡。()(6)对待转基因技术应该趋利避害，不能因噎废食。()答案(1)(2)(3)(4)(5)(6)一、基因工程的原理1对基因工程的理解基因工程的别名基因拼接技术或DNA重组技术操作环境生物体外操作对象基因操作水平DNA分子水平基本过程剪切拼接导入表达结果产生人类需要的基因产物或生物性状2.基因工程的操作工具
3、操作工具名称化学本质作用限制性内切酶(限制核酸内切酶)蛋白质识别特定的核苷酸序列，在特定的切点切割DNA分子，获取目的基因DNA连接酶蛋白质连接脱氧核糖和磷酸形成的骨架缺口运载体DNA与目的基因结合并导入受体细胞3.基因工程操作的基本步骤提取目的基因导入目的基因：主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的方法筛选、培养受体细胞4基因重组与重组DNA技术的比较比较项目基因重组重组DNA技术不同点概念在生物体进行有性生殖的过程中，控制不同性状的基因的重新组合将从一个生物体内分离得到或人工合成的目的基因导入另一个生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达所需要的产物的技术重组基因同一物种的不同基因不同物种间的不同基
4、因繁殖方式有性生殖无性生殖变异大小小大意义是生物变异的来源之一，对生物的进化有重要意义使人类有可能按自己的意愿定向地改造生物，培育出新品种相同点都实现了不同基因间的重新组合，都能使生物产生变异1要想从DNA上切下目的基因，应切几个切口？产生几个末端？质粒运载体需切出几个切口，几个黏性末端？答案目的基因：2个切口，4个黏性末端；运载体：1个切口，两个黏性末端。如图：2若用DNA连接酶将目的基因与运载体两两结合时，可能有哪些产物？答案产物可能有三种：目的基因目的基因、目的基因运载体、运载体运载体。3基因工程中的运载体和细胞膜上的运载体相同吗？答案不同；基因工程中的运载体是将外源基因导入受体细胞的专
5、门运输工具，常用的运载体有质粒、动植物病毒、噬菌体等；细胞膜上的运载体是位于细胞膜上的运载体蛋白，与控制物质进出细胞有关。4转基因抗虫棉有性繁殖产生的后代都具有抗虫特性吗？为什么？ 答案不一定，因为性状分离或变异的原因，抗虫棉的子代可能会失去抗虫特性。5DNA连接酶、DNA聚合酶和DNA酶有何不同？答案DNA连接酶是连接DNA的片段；DNA聚合酶是DNA分子复制时，按模板链的要求，将脱氧核苷酸逐个连接起来，形成DNA的子链；DNA酶的作用是水解DNA。 1下图表示一项重要生物技术的关键步骤，字母X代表获得外源基因并能够表达的细胞。下列有关说法不正确的是()Ax代表能合成胰岛素的细菌细胞B质粒具
6、有一个或多个限制核酸内切酶切点C基因与运载体的重组只需要DNA连接酶D该细菌的性状被定向改造【问题导析】(1)在此过程中目的基因为人类的胰岛素基因；(2)作为运载体的质粒必须具备一个或多个限制性核酸内切酶切点且能自我复制；(3)基因与运载体的重组不但需要DNA连接酶，还需要限制性核酸内切酶。答案C【一题多变】(1)图中遵循碱基互补配对原则的步骤有_。(2)从分子水平分析不同种生物之间的基因移植能够成功的主要原因是_，也说明了不同生物共用一套_。答案(1)目的基因与运载体的结合和目的基因的表达(2)不同生物的DNA分子化学组成和基本结构是相同的密码子二、基因工程的应用及其安全性1转基因生物和转基
7、因食品的安全性(1)转基因生物和转基因食品的优点解决粮食短缺问题；减少农药使用，从而减少环境污染；节省生产成本，降低粮食售价；增加食物营养，提高附加价值；增加食物种类，提升食物品质；提高生产效率，带动相关产业发展。(2)转基因生物和转基因食品的缺点可能产生新毒素和新过敏原；可能产生抗除草剂的杂草；可能使疾病的散播跨越物种障碍；可能会损害农作物的生物多样性；可能会干扰生态系统的稳定性。2要理性看待转基因技术要理性看待科学技术，在看到转基因技术的应用前景非常广阔的同时，也要正视转基因技术带来的安全性问题，要趋利避害，而不能因噎废食。1你所知道的我国转基因成果都有哪些？答案中国科学家培育的转基因猪、
8、牛、鸡、鲤鱼等，还有大批具有抗虫、抗病、抗除草剂、抗逆等全新性状的农作物。2转基因抗虫玉米在环境保护上的重要作用是什么？答案减少了农药使用对环境造成的污染。2转基因成果令人叹为观止，下列不是转基因成果的一项是()A抗虫棉花B能清除石油污染的假单胞杆菌C我国奶牛的主要品种中国荷斯坦牛D抗除草剂玉米【问题导析】(1)转基因生物是指运用基因工程操作程序，即通过获取目的基因、构建基因表达运载体、将目的基因导入受体细胞、对目的基因的检测和鉴定等获得的生物。(2)转基因生物包括转基因植物、转基因动物和转基因微生物。抗虫棉花、能清除石油污染的假单胞杆菌、抗除草剂玉米都属于转基因成果。(3)我国奶牛的主要品种
9、中国荷斯坦牛，是杂交育种技术的结果。答案C【一题多变】 转基因成果令人叹为观止，但是带来的安全性问题也不能忽视。下列选项中是转基因生物引起的食物安全问题的证据是()A世界上数以亿计的人口食用转基因农作物B转基因生物合成的营养物质与天然品种没有差别C转基因生物合成的某些蛋白质可能对某些人造成过敏反应D转基因产品经过了多环节、严谨的安全性评价答案C 1在基因工程中，科学家所用的“剪刀”、“针线”和“运载体”分别是指()A病毒、质粒、DNA连接酶BDNA连接酶、RNA聚合酶、质粒C限制性核酸内切酶、RNA连接酶、质粒D限制性核酸内切酶、DNA连接酶、质粒答案D2改良缺乏某种抗病性的棉花品种，不宜采用
10、的方法是()A诱变育种 B单倍体育种C基因工程育种 D杂交育种答案B解析诱变育种、基因工程育种和杂交育种均可获得抗病基因，而单倍体育种不能。3科学家们经过多年的努力创立了一种新兴生物技术基因工程，实施该工程的最终目的是()A定向提取生物体的DNA分子B定向地对DNA分子进行人工“剪切”C在生物体外对DNA分子进行改造D定向地改造生物的遗传性状答案D解析基因工程就是通过对生物体的基因进行修饰改造，使之按照人们的意愿表现出人们所需要的性状，产生人类所需要的基因产物，可见基因工程的目的是定向改造生物的遗传性状。4如图是基因工程主要技术环节的一个基本步骤，这一步骤需用到的工具是()ADNA连接酶和解旋
11、酶BDNA聚合酶和限制性核酸内切酶C限制性核酸内切酶和DNA连接酶DDNA聚合酶和RNA聚合酶答案C解析目的基因和运载体结合需基因剪刀限制性核酸内切酶和基因针线DNA连接酶。此过程不涉及DNA复制，不需要DNA聚合酶和解旋酶。5干扰素是一种糖蛋白，过去从人的血液中的白细胞中提取，产量很低。我国的科研人员侯云院士等一批人，成功运用基因工程技术提高了其产量，如图为其原理过程图。请据图回答下面的问题。(1)图中过程叫_。(2)图中物质的化学本质是_，它之所以能作为运载体，必须具备的特点是_(写出任两点)。(3)切割和过程所需的酶一般是相同的，其原因是_。(4)该过程中，供体细胞是_，受体细胞是_(填
12、字母)，重组DNA分子是_(填序号)，在重组DNA分子的形成需要的工具是_。(5)大肠杆菌等微生物是基因工程最常用的实验材料，这是因为_。(6)人的干扰素基因能在大肠杆菌内表达，其根本原因是_。答案(1)提取目的基因(2)双链环状DNA分子(或DNA分子)具有一个或多个限制核酸内切酶切割位点，在细胞中能够自我复制，有特殊的标记基因等(3)为了产生相同的黏性末端(4)人的体细胞bDNA连接酶和限制酶(5)大肠杆菌结构简单、繁殖快，其内的遗传物质少(任写两点即可)(6)它们共用一套密码子解析图中为目的基因的提取过程，采用的方法为酶切法；图中为从大肠杆菌中提取的质粒；表示重组DNA分子；切割和过程所
13、需的酶叫限制核酸内切酶，所用的酶相同，产生的黏性末端也相同，便于构建重组DNA分子。在该过程中，供体细胞是人的体细胞，受体细胞是大肠杆菌b，选择大肠杆菌作为受体细胞是因为其繁殖快、结构简单，其内的遗传物质少。人的基因能在大肠杆菌中表达是由于它们共用一套密码子。【基础巩固】1为了知道苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞是否已表达，最佳的检测方法是()A是否有抗生素抗性 B是否有目的基因的产物C是否能分离到目的基因 D是否有相应的性状答案D解析基因表达包括转录和翻译两个过程，苏云金芽孢杆菌的抗虫基因如果表达成功应该产生相应蛋白质，并具有相应的性状。2基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的。在基
14、因工程操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的是()A人工合成目的基因B目的基因与运载体结合C将目的基因导入受体细胞D目的基因的表达答案C3质粒是基因工程最常用的运载体，下列有关质粒的说法正确的是()A质粒不仅存在于细菌中，某些病毒也具有B细菌的基因只存在于质粒上C质粒为小型环状DNA分子，存在于核(区)外的细胞质基质中 D质粒是基因工程中的重要工具酶之一答案C解析质粒存在于许多细菌以及酵母菌等生物中，是细胞染色体外能够自主复制的很小的环状DNA分子，在病毒、动植物细胞中是不存在的，故A错误；细菌的基因除少部分在质粒上外，大部分在拟核中的DNA分子上，故B错误。4上海医学遗传研究所成功培育出第一
15、头携带白蛋白的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高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30多倍，转基因动物是指()A提供基因的动物B基因组中增加外源基因的动物C能产生蛋白的动物D能表达基因信息的动物答案B解析转基因动物是指基因组中增加了外源基因的动物。5下列关于限制核酸内切酶和DNA连接酶的理解，正确的是()A其化学本质都是蛋白质BDNA连接酶可以恢复DNA分子中的氢键C它们不能被反复多次使用D在基因工程操作中可以用DNA聚合酶代替DNA连接酶答案A解析限制核酸内切酶与DNA连接酶的化学本质都是蛋白质；DNA连接酶连接的是两个DNA片段间相邻两个碱基间的磷酸二酯键；酶在化
16、学反应前后其数量、性质、功能均不发生改变，因此可以反复多次利用；DNA聚合酶是在细胞内DNA分子复制时发挥作用的，不能替代DNA连接酶。【巩固提升】6下列是由限制核酸内切酶切割形成的DNA片段，能用相应DNA连接酶将它们恢复连接的组合是()CTGCAGGAATTC G CTTAA ACGTC GA； B；C； DA、B、C都对答案A解析只有具有相同黏性末端时，才可依据碱基互补配对原则结合为双链DNA，然后再用DNA连接酶连接其骨架。7某农业研究所将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因(Bt)导入棉花细胞，筛选出Bt基因成功整合到染色体上的抗虫植株，假定Bt基因都能正常表达。某些抗虫植株体细胞含两个Bt基因
17、，这两个基因在染色体上的整合情况有下图所示的三种类型，黑点表示Bt基因的整合位点。让这些含两个Bt基因抗虫的植株自交，正常情况下后代不可能出现含四个抗虫基因的个体是()A甲 B乙 C丙 D甲、乙、丙答案A解析甲的两个Bt基因位于一对同源染色体上，减数分裂时，同源染色体分离，每一个生殖细胞中只有一个Bt基因，所以不可能出现含四个抗虫基因的个体。乙、丙均可能产生含两个Bt基因的生殖细胞，则有可能出现含四个抗虫基因的个体。8科学家将含人的抗胰蛋白酶基因的DNA片段注射到羊的受精卵中，由该受精卵发育成的羊能分泌含抗胰蛋白酶的奶。这一过程不涉及()ADNA的自我复制B以DNA的一条链为模板合成RNACR
18、NA的自我复制D按照RNA密码子的排列顺序合成蛋白质答案C解析目的基因表达过程中可涉及DNA复制、转录及翻译过程，不涉及RNA复制。9要将基因型为AaBB的植物，培育出以下基因型的品种：AaBb；AaBBC；AAaaBBBB；aB。则对应的育种方法依次是()A诱变育种、转基因技术、多倍体育种、花药离体培养B杂交育种、花药离体培养、转基因技术、多倍体育种C花药离体培养、诱变育种、多倍体育种、转基因技术D多倍体育种、花药离体培养、诱变育种、转基因技术答案A解析用基因型为AaBB的植物要培育出AaBb的品种，可利用物理或化学方法处理材料，通过基因突变获得；要获得AaBBC的品种，由于本物种没有C基因
19、，所以必须通过转基因技术；要获得AAaaBBBB的品种，可通过多倍体育种；要获得aB的品种，可利用花药离体培养。10某种转基因玉米能高效合成一种多肽类的蛋白酶抑制剂，积累于茎叶中，让取食它的害虫的消化酶受抑制无法消化食物而死亡。下列就该玉米对人类安全性的评估中，不符合生物学原理的是()A不安全。这种玉米的果实(种子)中也可能含有蛋白酶抑制剂，使人食用后因无法消化食物而患病B不安全。该玉米的蛋白酶抑制剂基因可通过食物链富集并在人体细胞内表达，使人体无法消化食物而患病C安全。因为人与害虫消化酶的结构存在差异，玉米的蛋白酶抑制剂对人体很可能无影响D安全。人类通常食用煮熟的玉米食品，玉米的蛋白酶抑制剂
20、已被高温破坏，不会影响人的消化 答案B解析基因是有遗传效应的DNA片段，属于大分子有机物，外源基因进入动物和人体的消化道后会被消化成小分子物质，不能直接进入动物和人体细胞内，更谈不上通过食物链的富集和在细胞内表达。11下列关于转基因生物与环境安全的叙述，错误的是()A重组的微生物在降解污染物的过程中可产生二次污染B种植抗虫棉可以减少农药的使用量，对环境没有任何负面影响C如果转基因花粉中含有毒蛋白或过敏蛋白，可能会通过食物链传递到人体内D转基因生物有可能对生态系统的稳定性和人类的生活环境造成破坏答案B解析种植抗虫棉虽然可以减少农药的使用量，但抗虫害的转基因作物的长期大量种植，会使目标害虫发生群体
21、改变，产生抗性，更难杀灭。12在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作错误的是()A用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸B用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和运载体C将重组DNA分子导入烟草受精卵D用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞答案A解析烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，不能用限制性核酸内切酶切割；DNA连接酶可以连接具有相同黏性末端的目的基因和运载体；受体细胞可以是受精卵和体细胞，也可以是去除细胞壁的原生质体；目的基因为抗除草剂基因，所以未成功导入目的基因的细胞不具有抗除草剂的能力，筛选时应该用含除草剂的培养基筛选转基因细胞。13人们试图利用基因工程的方法，用乙种
22、生物生产甲种生物的一种蛋白质，请根据下面的示意图回答下列问题。获得甲生物合成该蛋白质的信使RNA目的基因与质粒DNA重组导入乙生物细胞获得甲生物的蛋白质(1)操作过程需要加入的四种核苷酸是_。(2)质粒是常用的运载体，它存在于许多细菌及酵母菌等生物中。它常含有_基因，这种基因有助于对受体细胞是否导入了目的基因进行检测。过程首先要用_酶切断质粒DNA，再用_酶将目的基因与质粒DNA连接重组在一起。(3)在操作过程中，若目的基因的黏性末端为，则其运载体(质粒)与之相对应的黏性末端是_。(4)经过过程导入受体细胞的质粒是否能够自主复制？_。答案(1)腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷
23、酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸(2)抗药(答出具体抗菌素的抗性也可)限制性核酸内切DNA连接(3)(4)能解析第(1)问考查的是利用人工合成的方法合成目的基因，基因的基本组成单位是脱氧核苷酸(4种)；第(2)问，基因工程中最常用的运载体是大肠杆菌的质粒；目的基因和运载体的连接，需要产生相同的黏性末端，所以要用同一种限制性核酸内切酶，再在DNA连接酶的作用下连接起来；质粒带着目的基因在宿主细胞中能够自主复制。14酵母菌的维生素、蛋白质含量高，可生产食品和药品等。科学家将大麦细胞中的LTP1基因植入啤酒酵母菌中，获得的啤酒酵母菌可产生LTP1蛋白，并酿出泡沫丰富的啤酒。基本的操作过程如下：(1)该技术定向
24、改变了酵母菌的性状，这在可遗传变异的来源中属于_。(2)本操作中为了将LTP1基因导人酵母菌细胞内，所用的运载体是_。(3)要使运载体与LTP1基因连接，首先应使用_进行切割。(4)切割完成后，利用_将运载体与LTP1基因连接。(5)饮用转基因的酵母菌酿造的啤酒安全吗？ _。答案(1)基因重组(2)质粒(3)限制性核酸内切酶(4)DNA连接酶(5)反对观点：不安全，转基因食品可能会损伤人体的消化系统，破坏人体免疫系统。赞成观点：安全，转基因食品与非转基因食品成分相同，不对人体健康产生影响。(目前还未找到不安全的证据，回答上述两种观点之一即可)【走进高考】15(2013江苏卷，25)(双选)现有
25、小麦种质资源包括：高产、感病；低产、抗病；高产、晚熟等品种。为满足不同地区及不同环境条件下的栽培需求，育种专家要培育3类品种：a.高产、抗病；b.高产、早熟；c.高产、抗旱。下述育种方法可行的是()A利用、品种间杂交筛选获得aB对品种进行染色体加倍处理筛选获得bCa、b和c的培育均可采用诱变育种方法D用转基因技术将外源抗旱基因导入中获得c答案CD解析利用、品种间杂交后筛选可获得a；染色体加倍并不改变原有的基因，只有通过诱变育种，可由选育出b；诱变育种和转基因技术均可获得原品种不具有的新性状。16(2013全国卷大纲版，5)下列实践活动包含基因工程技术的是 ()A水稻F1花药经培养和染色体加倍，获得基因型纯合新品种 B抗虫小麦与矮秆小麦杂交，通过基因重组获得抗虫矮秆小麦 C将含抗病基因的重组DNA导入玉米细胞，经组织培养获得抗病植株 D用射线照射大豆使其基因结构发生改变，获得种子性状发生变异的大豆 答案C解析A项属于单倍体育种，原理是染色体变异；B项属于杂交育种，原理是基因重组；C项属于基因工程，原理是基因重组；D项属于诱变育种，原理是基因突变。