2019-2020年高中生物 第六章 從雜交育種到基因工程 第2節(jié) 基因工程及其應用教學案 新人教版必修2學習導航 1.結合教材圖文，概述基因工程的基本原理和基本步驟。2.結合具體實例，了解基因工程的應用及其安全性。重難點擊基因工程的基本原理和基本步驟?？苹秒娪爸┲雮b中的男主角意外被轉基因的蜘蛛咬傷，蜘蛛的基因整合到了他的基因上，并且在他體內表達，從而使他成了具有特殊本領的超級英雄。現(xiàn)實中，我們已經運用類似的技術來改造生物的性狀，獲得人們所需要的品種，這就是基因工程。一、基因工程的原理1基因工程的概念(1)基因工程，又叫做基因拼接技術或DNA重組技術。通俗地說，就是按照人們的意愿，把一種生物的某種基因提取出來，加以修飾改造，然后放到另一種生物的細胞里，定向地改造生物的遺傳性狀。(2)基因工程是把一種生物的某種基因轉移到另一種生物體的細胞內，基因的結構基本沒有變化，只是位置發(fā)生了變化，所以應該屬于基因重組。2基因工程的基本工具(1)限制性核酸內切酶限制性核酸內切酶的作用特點是識別特定的核苷酸序列，并在特定的切點上切割DNA分子。(2)DNA連接酶連接黏性末端或平末端脫氧核糖和磷酸之間的缺口。(3)運載體作用：將外源基因送入受體細胞。種類：質粒、噬菌體和動植物病毒等。質粒存在于許多細菌以及酵母菌等生物細胞中，是擬核或細胞核外能夠自主復制的很小的環(huán)狀DNA分子。上面通常含有的抗性基因可以作為標記基因用于目的基因導入受體細胞的檢測依據(jù)。3基因工程的操作步驟提取目的基因目的基因：人們所需要的特定基因目的基因與運載體結合將目的基因導入受體細胞：主要是借鑒細菌或病毒侵染細胞的方法目的基因的檢測與鑒定下圖是利用基因工程技術生產人胰島素的操作過程示意圖，請據(jù)圖回答。1能否利用人的皮膚細胞進行過程？過程特別需要的酶是哪一種？答案不能，皮膚細胞中胰島素基因不表達；過程是逆轉錄，需要逆轉錄酶。2如何將A和B連接成C？操作后的產物只有C嗎？答案用同一種限制酶切割A和B，再加入DNA連接酶，才能形成C。操作后的產物除了C，還可能有A與A結合、B與B結合的產物。3如果要檢測D中是否含有C，通常如何檢測？答案利用C上的標記基因進行檢測。4人的胰島素基因能夠在大腸桿菌細胞中表達的基礎是什么？答案所有生物共用一套遺傳密碼。5該方法和誘變育種相比，有什么優(yōu)點？答案可以定向地改造生物的遺傳性狀。知識整合胰島素基因只在胰島細胞中轉錄出mRNA；目的基因和運載體結合時，通常用同一種限制酶切割，再加入DNA連接酶；操作后的產物也有目的基因和運載體自我環(huán)化的產物?；蚬こ炭梢远ㄏ虻馗脑焐锏倪z傳性狀。1某科學家從細菌中分離出耐高溫淀粉酶(Amy)基因a，通過基因工程的方法，將基因a與運載體結合后導入馬鈴薯植株中，經檢測發(fā)現(xiàn)Amy在成熟塊莖細胞中存在。結合圖形分析下列有關這一過程的敘述，不正確的是()A獲取基因a的限制酶的作用部位是圖中的B連接基因a與運載體的DNA連接酶的作用部位是圖中的C基因a進入馬鈴薯細胞后，可隨馬鈴薯DNA分子的復制而復制，傳給子代細胞D通過該技術人類實現(xiàn)了定向改造馬鈴薯的遺傳性狀答案B解析限制酶和DNA連接酶均作用于磷酸二酯鍵，即處，二者作用相反，分別是打開和連接該化學鍵；目的基因進入受體細胞后，會隨著馬鈴薯DNA分子的復制而復制，傳給子代細胞，使之產生定向變異，從而改變其遺傳性狀。2如圖所示為一項重要生物技術的關鍵步驟，X是獲得外源基因并能夠表達的細胞。下列有關說法不正確的是()AX是能合成胰島素的細菌細胞B質粒具有標記基因和多個限制酶切點C外源基因與運載體的重組只需要DNA連接酶D該細菌的性狀被定向改造答案C解析根據(jù)圖示，重組質粒導入的是細菌細胞，所以X是能合成胰島素的細菌細胞，A正確；質粒作為運載體需要有多個限制酶切點以便轉運多種目的基因，同時具有標記基因以便檢測目的基因是否導入受體細胞內，B正確；基因與運載體的重組需要限制酶和DNA連接酶，C錯誤；基因工程的特點是能夠定向改造生物的性狀，D正確。二、基因工程的應用及其安全性1基因工程的應用(1)基因工程與作物育種目的：獲得高產、穩(wěn)產和具有優(yōu)良品質的農作物，培育出具有各種抗逆性的作物新品種。實例：抗棉鈴蟲的轉基因抗蟲棉。意義：抗蟲基因作物的使用，不僅減少了農藥的用量，大大降低了生產成本，而且還減少了農藥對環(huán)境的污染。(2)基因工程與藥物研制實例：用基因工程方法生產胰島素。過程：胰島素基因與大腸桿菌的DNA分子重組，并且在大腸桿菌內獲得成功的表達。(3)基因工程與環(huán)境保護實例：利用轉基因細菌降解有毒有害的化合物，吸收環(huán)境中的重金屬，分解泄漏的石油、處理工業(yè)廢水等。2轉基因生物和轉基因食品的安全性1你所知道的我國轉基因成果都有哪些？答案我國科學家培育的轉基因豬、牛、雞、鯉魚等，還有大批具有抗蟲、抗病、抗除草劑、抗逆等全新性狀的農作物。2轉基因抗蟲玉米在環(huán)境保護上的重要作用是什么？此種轉基因玉米獨立種植若干代后是否會出現(xiàn)不抗蟲的植株，為什么？答案減少了農藥使用對環(huán)境造成的污染。轉基因生物獨立種植若干代后，也會出現(xiàn)不抗蟲的植株，因為玉米螟(玉米植株上的一種害蟲)可能會發(fā)生基因突變，基因突變是不定向的，突變后的玉米螟可能對蘇云金芽孢桿菌殺蟲晶體蛋白不敏感。3轉基因成果令人嘆為觀止，下列不是轉基因成果的一項是()A抗蟲棉花B能清除石油污染的假單胞桿菌C我國奶牛的主要品種中國荷斯坦奶牛D抗除草劑玉米答案C解析轉基因生物是指運用基因工程操作程序，即通過提取目的基因、目的基因與運載體結合、將目的基因導入受體細胞、目的基因的檢測與鑒定等獲得的含有外源基因的生物。轉基因生物包括轉基因植物、轉基因動物和轉基因微生物?？瓜x棉花、能清除石油污染的假單胞桿菌、抗除草劑玉米都屬于轉基因成果。我國奶牛的主要品種中國荷斯坦奶牛，是雜交育種技術的結果。4下列關于基因工程及轉基因食品的安全性的敘述，正確的是()A基因工程經常以抗生素抗性基因作為目的基因B通過轉基因技術可獲得抗蟲糧食作物，從而增加糧食產量，減少農藥使用C通常用一種限制性核酸內切酶處理含目的基因的DNA，用另一種限制性核酸內切酶處理運載體DNAD若轉入甘蔗中的外源基因來源于自然界，則生產出來的甘蔗不存在安全性問題答案B解析基因工程常以抗生素抗性基因作為標記基因；在基因工程的實驗操作中一定要注意用同一種限制性核酸內切酶來處理含目的基因的DNA和運載體DNA，使它們產生相同的黏性末端；若轉基因甘蔗中的外源基因來源于自然界，則仍可能存在食品安全、環(huán)境安全等安全性問題。1科學家們經過多年的努力創(chuàng)立了一種新興生物技術基因工程，實施該工程的最終目的是()A定向提取生物體的DNA分子B定向地對DNA分子進行人工“剪切”C在生物體外對DNA分子進行改造D定向地改造生物的遺傳性狀答案D解析基因工程就是通過對生物體的基因進行修飾改造，使之按照人們的意愿表現(xiàn)出人們所需要的性狀，產生人類所需要的基因產物，可見基因工程的目的是定向改造生物的遺傳性狀。2如圖是基因工程主要技術環(huán)節(jié)的一個基本步驟，這一步驟需用到的工具是()ADNA連接酶和解旋酶BDNA聚合酶和限制性核酸內切酶C限制性核酸內切酶和DNA連接酶DDNA聚合酶和RNA聚合酶答案C解析如圖所示為目的基因與運載體結合過程，需要基因的“剪刀”限制性核酸內切酶和基因的“針線”DNA連接酶。此過程不涉及DNA復制，不需要DNA聚合酶和解旋酶。3一旦禽流感病毒與人類病毒重組，從理論上講，就有可能在人與人之間傳播該疾病。屆時，這種病毒就會成為人類病毒。這里所說的重組與下列哪項本質相同()A基因工程 B太空育種C單倍體育種 D多倍體育種答案A解析不同類型的病毒重組實質是病毒間的基因轉移和拼接，與基因工程本質是相同的，都是基因重組，只是基因工程是人為操作的，病毒之間的基因重組是自發(fā)的。4下列關于轉基因生物與環(huán)境安全的敘述，錯誤的是()A重組的微生物在降解污染物的過程中可產生二次污染B種植抗蟲棉可以減少農藥的使用量，對環(huán)境沒有任何負面影響C如果轉基因花粉中含有毒蛋白或過敏蛋白，可能會通過食物鏈傳遞到人體內D轉基因生物有可能對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和人類的生活環(huán)境造成破壞答案B解析種植抗蟲棉雖然可以減少農藥的使用量，但由于抗蟲害的轉基因作物的長期大量種植，會使目標害蟲發(fā)生群體改變，產生抗性，更難殺滅。5酵母菌的維生素、蛋白質含量高，可用于生產食品和藥品等?？茖W家將大麥細胞中的LTP1基因植入啤酒酵母菌中，獲得的啤酒酵母菌可產生LTP1蛋白，并釀出泡沫豐富的啤酒?；镜牟僮鬟^程如下：(1)該技術定向改變了酵母菌的性狀，這在可遺傳的變異的來源中屬于_。(2)本操作中為了將LTP1基因導入酵母菌細胞內，所用的運載體是_。(3)要使運載體與LTP1基因連接，首先應使用_進行切割。(4)切割完成后，利用_將運載體與LTP1基因連接。答案(1)基因重組(2)質粒(3)同一種限制酶(4)DNA連接酶解析(1)基因工程能克服遠緣雜交不親和的障礙，使原本不在一起的基因組合到一起，使生物具有特定性狀，其原理為基因重組。(2)運載體是取自大腸桿菌的質粒(見圖)。(3)(4)基因工程中的“剪刀”為限制酶，兩個序列相同、能互補配對的黏性末端可用DNA連接酶“縫合”。課時作業(yè)學考達標1下圖表示限制酶切割某DNA分子的過程，從圖中可知，該限制酶能識別的堿基序列及切點是()ACTTAAG，切點在C和T之間BCTTAAG，切點在T和A之間CGAATTC，切點在G和A之間DGAATTC，切點在C和T之間答案C解析一種限制酶只能識別某種特定的核苷酸序列，并在特定的切點上切割DNA分子。該限制酶能專一性識別GAATTC的序列，并在G和A之間將這段序列切開。2下列關于限制酶和DNA連接酶的理解，正確的是()A其化學本質都是蛋白質BDNA連接酶可以恢復DNA分子中的氫鍵C它們不能被反復使用D在基因工程操作中可以用DNA聚合酶代替DNA連接酶答案A解析限制酶與DNA連接酶的化學本質都是蛋白質；DNA連接酶連接的是兩個DNA片段間相鄰兩個堿基間的磷酸二酯鍵；酶在化學反應前后其數(shù)量、性質、功能均不發(fā)生改變，因此可以反復利用；DNA聚合酶是在細胞內DNA分子復制時發(fā)揮作用的，不能替代DNA連接酶。3質粒是基因工程最常用的運載體，下列有關質粒的說法正確的是()A質粒不僅存在于細菌中，某些病毒也具有B細菌的基因只存在于質粒上C質粒為小型環(huán)狀DNA分子，存在于擬核或細胞核(區(qū))外的細胞質中D質粒是基因工程中的重要工具酶之一答案C解析質粒存在于許多細菌以及酵母菌等生物中，是擬核或細胞核外能夠自我復制的很小的環(huán)狀DNA分子，在病毒、動植物細胞中是不存在的，故A錯誤；細菌的基因除少部分在質粒上外，大部分在擬核中的DNA分子上，故B錯誤；質粒是基因工程中的主要運載體，故D錯誤。4科學家運用基因工程技術將人胰島素基因與大腸桿菌的質粒DNA分子重組，并且在大腸桿菌體內獲得成功表達。圖示a處為胰島素基因與大腸桿菌質粒DNA結合的位置，它們彼此能結合的依據(jù)是()A基因自由組合定律B半保留復制原則C基因分離定律D堿基互補配對原則答案D解析用限制酶切割人的DNA分子，獲得胰島素基因，用同一種限制酶切割質粒，產生相同的黏性末端，它們通過堿基互補配對形成重組DNA分子。5基因工程的正確操作步驟是()目的基因與運載體相結合將目的基因導入受體細胞目的基因的檢測與鑒定提取目的基因A BC D答案C解析基因工程技術操作的四個步驟是：提取目的基因；目的基因與運載體結合；將目的基因導入受體細胞；目的基因的檢測與鑒定。6美國科學家在研究生長在墨西哥某地的野生玉米后發(fā)現(xiàn)，這種玉米含有包括蘇云金芽孢桿菌(一種產生抗蟲毒蛋白的細菌)基因在內的轉基因作物的基因，由此可見：轉基因作物的基因可傳播到野生植物中轉基因作物可對天然植物的基因多樣性構成威脅為防止基因污染，應當禁止轉基因作物的研究自然雜交過程實質是一個長期的轉基因過程，兩者沒有任何區(qū)別其中正確的說法是()A BC D答案C解析根據(jù)題意可知：轉基因植物的基因傳播到野生植物中，這樣會對植物的基因多樣性構成威脅。自然雜交是通過受粉的方式實現(xiàn)轉基因過程，與轉基因技術中通過重組運載體實現(xiàn)轉基因過程有一定區(qū)別。 高考提能7水母發(fā)光蛋白由236個氨基酸構成，其中Asp(天冬氨酸)、Gly(甘氨酸)、Ser(絲氨酸)構成發(fā)光環(huán)，現(xiàn)已將這種蛋白質的基因作為生物轉基因的標記，在轉基因技術中，這種蛋白質的作用是 ()A促使目的基因導入受體細胞B使目的基因容易被檢測出來C促使目的基因在受體細胞內復制D使目的基因容易成功表達答案B解析該發(fā)光蛋白的作用是使目的基因容易被檢測出來，從而確認目的基因是否已經成功導入受體細胞中。8下列關于基因工程的敘述，錯誤的是()A目的基因和受體細胞均可來自動物、植物或微生物B限制性核酸內切酶和DNA連接酶是兩類常用的工具酶C人胰島素原基因在大腸桿菌中表達的胰島素原無生物活性D運載體上的抗性基因有利于篩選含重組DNA的細胞和促進目的基因的表達答案D解析基因工程中目的基因和受體細胞均可來自動物、植物或微生物；常用的工具酶是限制性核酸內切酶和DNA連接酶；人胰島素原基因在大腸桿菌中表達的胰島素原無生物活性，只有經過一定的物質激活以后，才能有生物活性；運載體上的抗性基因主要是有利于篩選含重組DNA的細胞，不能促進目的基因的表達，所以D錯誤。9基因工程技術在農業(yè)、醫(yī)藥等領域中得到廣泛的應用，下列關于基因工程成果的敘述中，錯誤的是()A在農業(yè)上主要是培育高產、穩(wěn)產、品質優(yōu)良和具有抗逆性的農作物B在醫(yī)藥衛(wèi)生方面，主要用于生產藥品和診斷治療疾病C在畜牧養(yǎng)殖業(yè)方面培育了體型巨大，品質優(yōu)良的動物D在環(huán)境保護方面主要用于環(huán)境監(jiān)測和對環(huán)境的凈化答案C解析基因工程技術在畜牧業(yè)上的主要目的是能生產人們所需要的各種品質優(yōu)良的動物，如具有抗病能力、高產仔率、高產奶率等，而不是要求體型巨大。10某農業(yè)研究所將蘇云金芽孢桿菌的抗蟲基因(Bt)導入棉花細胞，篩選出Bt基因成功整合到染色體上的抗蟲植株，假定Bt基因都能正常表達。某些抗蟲植株體細胞含兩個Bt基因，這兩個基因在染色體上的整合情況有下圖所示的三種類型，黑點表示Bt基因的整合位點。讓這些含兩個Bt基因抗蟲的植株自交，正常情況下后代不可能出現(xiàn)含四個抗蟲基因的個體是()A甲 B乙 C丙 D甲、乙、丙答案A解析甲的兩個Bt基因位于一對同源染色體上，減數(shù)分裂時，同源染色體分離，每一個生殖細胞中只有一個Bt基因，所以后代不可能出現(xiàn)含四個抗蟲基因的個體。乙、丙均可能產生含兩個Bt基因的生殖細胞，所以有可能出現(xiàn)含四個抗蟲基因的個體。11棉鈴蟲是一種嚴重危害棉花的害蟲。我國科學工作者發(fā)現(xiàn)一種生活在棉鈴蟲消化道內的蘇云金芽孢桿菌能分泌一種毒蛋白使棉鈴蟲致死，而這種毒蛋白對人畜無害。通過基因工程方法，我國已將毒蛋白基因轉入棉花植株并成功表達。由于棉鈴蟲吃了這種轉基因棉花的植株后就會死亡，所以該棉花新品種在1998年推廣后，已取得了很好的經濟效益。請根據(jù)上述材料回答下列問題：(1)毒蛋白對人畜無害，但能使棉鈴蟲致死，從蛋白質特性來看，是因為蛋白質具有_。(2)利用蘇云金芽孢桿菌防治棉鈴蟲屬于生物防治，它突出的優(yōu)點是_。(3)轉基因棉花的抗蟲變異來源屬于可遺傳變異類型中的_。(4)從蘇云金芽孢桿菌中切割抗蟲基因所用的工具是_，其特點是_。(5)進行基因工程操作一般要經過的四個步驟是_、_、_、_。(6)“毒蛋白基因轉入棉花植株內并成功表達”的含義是_。答案(1)特異性(2)不用農藥或減少農藥用量，減少環(huán)境的污染(3)基因重組(4)限制酶一種限制酶只能識別某種特定的核苷酸序列，并在特定的切點上切割DNA分子(5)提取目的基因目的基因與運載體結合將目的基因導入受體細胞目的基因的檢測與鑒定(6)棉花植株產生了蘇云金芽孢桿菌的毒蛋白解析每種蛋白質分子往往都有特定的結構和功能，具有特異性。區(qū)別于化學防治，生物防治的優(yōu)點是可以減少農藥的用量，減少對環(huán)境的污染。轉基因技術的原理是基因重組。所謂基因的表達就是目的基因在受體細胞內通過轉錄和翻譯合成蛋白質的過程。12干擾素是一種糖蛋白，過去從人的血液中的白細胞中提取，產量很低。我國的科研人員侯云院士等一批人，成功運用基因工程技術提高了其產量，如圖為其原理過程圖。請據(jù)圖回答下面的問題：(1)圖中過程叫做_。(2)圖中物質的化學本質是_，它之所以能作為運載體，必須具備的特點是_(寫出任兩點)。(3)切割和過程所需的酶一般是相同的，其原因是_。(4)該過程中，供體細胞是_，受體細胞是_(填字母)，重組DNA分子是_(填序號)。(5)大腸桿菌等微生物是基因工程最常用的實驗材料，這是因為_。(6)人的干擾素基因能在大腸桿菌內表達，其根本原因是_。答案(1)提取目的基因(2)雙鏈環(huán)狀DNA分子(或DNA分子)具有一個至多個限制酶切割位點，在細胞中能夠自主復制，有特殊的標記基因等(3)為了產生相同的黏性末端(4)人的體細胞b(5)大腸桿菌結構簡單、繁殖快，其內的遺傳物質少(任寫兩點即可)(6)它們共用一套密碼子解析圖中為目的基因的提取過程，采用的方法為酶切法；圖中為從大腸桿菌中提取的質粒；表示重組DNA分子；切割和過程所需的酶叫限制酶，所用的酶相同，產生的黏性末端也相同，便于構建重組DNA分子。在該過程中，供體細胞是人的體細胞，受體細胞是大腸桿菌b，選擇大腸桿菌作為受體細胞是因為其繁殖快、結構簡單，其內的遺傳物質少。人的基因能在大腸桿菌中表達是由于它們共用一套密碼子。13通過DNA重組技術使原有基因得以改造的動物稱為轉基因動物。運用這一技術可使羊奶中含有人體蛋白質，如圖表示這一技術的基本過程，在該工程中所用的基因“剪刀”能識別的序列和切點是GATCC，請據(jù)圖回答下列問題：(1)從羊染色體中“剪下”羊蛋白質基因的酶是_，人體蛋白質基因“插入”后連接在羊染色體中需要的酶是_。(2)人體蛋白質基因之所以能連接到羊的染色體DNA中，原因是_。人體蛋白質基因導入羊細胞時常用的工具是_。(3)此過程中目的基因的檢測與表達中的表達是指_。(4)你認為此類羊產的奶安全可靠嗎？理由是什么？_。答案(1)限制性核酸內切酶DNA連接酶(2)具有相同的物質基礎和結構基礎(有互補的堿基序列) 細菌質?；虿《?3)人體蛋白質基因在羊體細胞內控制合成人體蛋白質(4)安全，因為目的基因導入受體細胞后沒有改變，控制合成的人體蛋白質成分沒有改變(或不安全，因為目的基因導入受體細胞后，可能由于羊細胞中某些成分的影響，合成的蛋白質成分會發(fā)生一定的改變)解析(1)剪切獲取目的基因的酶是限制性核酸內切酶，將不同的DNA片段連接起來的酶是DNA連接酶。(2)不同生物的DNA化學組成和空間結構相同，即都具有相同的物質基礎和結構基礎。目的基因導入受體細胞需要先與運載體結合，最常用的運載體是質粒，也可以用病毒。(3)基因的表達是指基因通過轉錄和翻譯過程合成相應的蛋白質。(4)為開放性問題，理由與觀點相對應即可。真題體驗14(xx江蘇，25)現(xiàn)有小麥種質資源包括：高產、感?。坏彤a、抗病；高產、晚熟等品種。為滿足不同地區(qū)及不同環(huán)境條件下的栽培需求，育種專家要培育3類品種：a.高產、抗?。籦.高產、早熟；c.高產、抗旱。下述育種方法可行的是(多選)()A利用、品種間雜交篩選獲得aB對品種進行染色體加倍處理篩選獲得bCa、b和c的培育均可采用誘變育種方法D用轉基因技術將外源抗旱基因導入中獲得c答案CD解析利用、品種間雜交后篩選可獲得a，A錯誤；染色體加倍并不改變原有的基因，只有通過誘變育種，可由選育出b，B錯誤；誘變育種和轉基因技術均可獲得原品種不具有的新性狀，C、D正確。15(xx重慶，6)下列有關人胰島素基因表達載體的敘述，正確的是()A表達載體中的胰島素基因可通過人肝細胞mRNA逆轉錄獲得B表達載體的復制和胰島素基因的表達均啟動于復制原(起)點C借助抗生素抗性基因可將含胰島素基因的受體細胞篩選出來D啟動子和終止密碼子均在胰島素基因的轉錄中起作用答案C解析人肝細胞不能合成胰島素，則人肝細胞中不含有胰島素的mRNA，不能通過逆轉錄獲得人胰島素基因，A錯誤；表達載體的復制啟動于復制起點，胰島素基因的表達啟動于啟動子，B錯誤；抗生素抗性基因是標記基因，可用于篩選含胰島素基因的受體細胞，C正確；啟動子在轉錄過程中起作用，終止密碼子在翻譯過程中起作用，D錯誤。