第1章 走进生物学-必背知识清单（沪科2020版必修1）

必修1 分子与细胞 第1章 走进生物学 一、生物学是与人类生活密切相关的自然科学 1.杂交水稻技术的发展为我国乃至世界的粮食供给作为重大贡献 随着人口的不断增长，粮食短缺始终是世界性难题。中国科学家基于遗传学杂种优势原理，不断进行科技创新培育杂交水稻，为我国乃至世界的粮食供给作出重大贡献。 第一代杂交水稻：中国的杂交水稻研究起始于1964年。1973年，袁隆平带领的研究团队以细胞质雄性不育系为遗传工具，突破实现了三系法配套，培育出第一代杂交水稻。 第二代杂交水稻：1986―1992年，科学家们又攻克两系法育种关键技术，以光温敏雄性不育系为遗传工具，培育出第二代杂交水稻，极大地简化了育种程序、 缩短了育种周期，增产效果明显。 第三代杂交水稻：科学家们通过不断努力，运用基因工程技术，以遗传工程雄性不育系为遗传工具，推出了第三代杂交水稻，不但提高了性状稳定性和选育效率，还降低了对环境的要求，使其每公顷产量由普通水稻的6t*提升到1t，潜在产量更可达18t。 第四代杂交水稻：目前，更多的科学家还在继续深入研究新一代的杂交水稻。 袁隆平认为，第四代杂交水稻应是正在研究中的碳四（C4）型杂交水稻，其光合作用效率高等优势必将使水稻产量潜力进一步提高；而第五代则是利用无融合生殖固定水稻杂种优势，虽然难度很大，但随着分子育种技术的进步，有望在本世纪中期获得成功。 2.基因编辑技术为农业和医学提供了更广阔的发展空间 进入21世纪，在细胞和分子生物学研究基础上建立起来的基因编辑技术，通过特定的“工具”可以重新编辑细胞中DNA 的遗传信息，以此改变细胞的生物学性状。例如，通过人工设计，可以使核酸酶在靶细胞 DNA 上的特定位点进行剪切，实现对细胞内源基因的精准定点编辑。 基因编辑：是一种比较精确地对生物体基因组特定基因进行操作的基因工程技术，可以理解为像编辑文档中的文字一样，对DNA分子中某个或若干个特定脱氧核苷酸进行替代、删除或增加。目前应用较广的基因编辑工具是 CRISPR/Cas9 系统。（必修2-p26前沿视窗） 细菌CRISPR-cas9技术原理： 设计并人工合成一段RNA（向导RNA）。 该向导RNA能够与目标生物基因组中特定DNA片段的一条单链进行碱基互补配对。向导RNA与Cas9结合后，在目标生物的DNA上“巡航”，寻找到目标DNA片段后，向导RNA就与目标DNA的一条链互补配对结合，使Cas9正确定位，并对目标DNA的两条链进行切割，使之断裂。 之后，在细胞中DNA 修复机制的帮助下，按照设计把外源DNA插入到断裂位置并连接起来。（敲除基因-精确改变特定一段基因的序列-定点对基因片段进行整合） 基因编辑技术的应用： ①可广泛应用于生命科学基础研究、疾病模型构建、药物研发等领域。通过对特定基因的定点敲除或替换，建构人类疾病的动物模型，可以帮助科学家研究特定基因的功能，或设计出相关疾病治疗的药物。 ②基因突变引起的疾病，如镰状细胞贫血症、血友病等，则有望直接通过对突变基因的修复、改造进行治疗。目前已知的人类遗传病超过5000种，95% 以上的遗传病仍缺乏有效的治疗方法，而基因治疗给这些患者带来治愈的新希望。 ③新一代的基因编辑技术可以不引入外源基因，有望更安全、更广泛地应用于各种农作物和果蔬品种的改良。 3.免疫治疗开启清除肿瘤细胞新途径 肿瘤已成为目前人类健康所面临的最大挑战之一。常见的肿瘤治疗手段为手术切除、放疗、化疗以及靶向治疗等。近年来，科学家通过研究免疫细胞与肿瘤细胞之间“相爱相杀”的复杂关系，开创出刺激人体免疫系统清除肿瘤细胞的新途径。2018年诺贝尔生理学或医学奖获得者发现：具有人体健康监护作用的T淋巴细胞表面的两种膜蛋白（PD-1 和 CTLA-4）会阻止T 淋巴细胞对肿瘤细胞的杀伤作用。如能研制出阻断这两种膜蛋白功能的靶向药物，就可以借助 T 淋巴细胞来清除肿瘤。 1）免疫治疗：针对机体低下或亢进的免疫状态，人为地增强或抑制机体的免疫功能以达到治疗疾病目的的治疗方法。 2）CAR-T疗法：通过基因工程的技术，在T细胞上加上一个能够精确识别肿瘤细胞的蛋白质，相当于针对肿瘤细胞制造了一个精确制导炸弹，让T细胞可以更加精准地识别肿瘤细胞并将其消灭。 分离T细胞→制备CAR-T细胞（导入基因）→扩增CAR-T细胞→回输细胞→监控病人 4.现代发酵在人类的生产和生活中广泛应用 发酵工程是利用微生物的生命活动来大量生产人们所需生物产品的工程技术。 1）食品领域：酿酒，酸奶，酱油，味精等； 2）医药领域：发酵工程技术生产的人源重组蛋白质药物（如重组人胰岛素、干扰素、白介素等）具有重要的治疗作用； 3）农牧业领域：微生物的产物可以当作土壤肥料，可以为畜牧业养殖提供食物，还能产生抗虫抗病物质； 4）环境保护领域：利用非粮资源的木质