3.3 基因工程的应用-2023-2024学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

第三章 基因工程 第3节 基因工程的应用 1 目录 /CONTENTS 01 基因工程在农牧业方面的应用 02 基因工程在医药卫生领域的应用 03 基因工程在食品工业方面的应用 04 习题检测 学习目标： 1.举例说出基因工程在农牧业医药卫生和食品工业等方面的应用。 2.认同基因工程的应用价值。 3.关注基因工程的进展。 新课导入 3 新课导入 胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素需要上千头牛，生产的成本非常高。1978年，科学家将编码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中，使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工物——重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。 抗虫棉、转基因大豆、重组人干扰素等。 思考：除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢？ 4 目录 01 一、基因工程在农牧业方面的应用 一、基因工程在农牧业方面的应用 1.发展现状: （1）植物: ①1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。转基因作物的种植使化学农药的施用量减少了8.2%，作物产量增加了6.6×108t，增加经济效益1.3万亿。 ②美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家 ③世界转基因作物种植面积最大的是大豆，其次是玉米、棉花； ④我国转基因作物的种植面积位居世界第八位，商业化种植的转基因作物有棉花和番木瓜； 6 一、基因工程在农牧业方面的应用 1.发展现状: （1）动物: ①几乎每年都有令人瞩目的研究成果报道，有些成果正在进入实用化和商业化开发的阶段； ②2015年11月，第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑（俗称“三文鱼”）在美国获得批准上市。 转基因大西洋鲑的优点： （1）缩短了生长周期 （2）都是雌性而且不育，避免了野生鲑鱼杂交的风险。 转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排） 7 一、基因工程在农牧业方面的应用 基因工程在农牧业中的应用发展迅速。已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品产量等方面。 转基因抗虫植物 农牧业方面的应用 转基因抗病植物 转基因抗除草剂植物 改良植物的品质 提高动物的生长速率 改良畜产品的品质 抗逆性 8 一、基因工程在农牧业方面的应用 2.基因工程在农牧业方面的应用: ① 转基因抗虫植物： （1）方法： Bt毒蛋白基因；蛋白酶抑制剂基因；淀粉酶抑制剂基因；植物凝集素基因等。 （2）主要杀虫基因： 从某些生物中分离出抗虫基因导入作物，使之具有抗虫性状。 T-DNA Bt基因 基因表达载体 转入 农杆菌 表现出新性状的植物 植物细胞 将目的基因插入染色体DNA中 感染 植物组织培养 9 一、基因工程在农牧业方面的应用 2.基因工程在农牧业方面的应用: ① 转基因抗虫植物： （1）方法： （4）优点： Bt毒蛋白基因；蛋白酶抑制剂基因；淀粉酶抑制剂基因；植物凝集素基因等。 （2）主要杀虫基因： （3）成果： 从某些生物中分离出抗虫基因导入作物，使之具有抗虫性状。 转基因抗虫棉花、玉米、水稻、大豆、马铃薯等。 减少因化学农药的使用而造成的环境污染和对人类健康的损害、降低生产成本、提高产量。 10 一、基因工程在农牧业方面的应用 2.基因工程在农牧业方面的应用: ② 转基因抗病植物： 病毒外壳蛋白基因（CP基因） 病毒的复制酶基因 抗病毒基因 几丁质酶基因 抗毒素合成基因 抗真菌基因 （1）方法： （3）成果：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。 （2）抗病基因： 科学家将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出转基因抗病植物。 11 一、基因工程在农牧业方面的应用 2.基因工程在农牧业方面的应用: ③ 转基因抗除草剂植物： （1）背景：杂草常常危害农业生产，而大多数除草剂不仅能杀死田间杂草，还会损伤作物，导致作物减产。 （2）方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的作物品种。 （3）成果：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。 12 一、基因工程在农牧业方面的应用 2.基因工程在农牧业方面的应用: 思考： 我国西北地区的主要气候特点是年降雨量小，从而影响粮食的产量，如果从基因工程的角度考虑，如何避免粮食减产？ 可以用基因工程技术培育抗旱作物（筛选获取抗旱基因） 13 一、基因工程在农牧业方面的应用 2.基因工程在农牧业方面的应用: ④ 改良植物的品质： 目的：提高植物的营养价值、观赏价值等。 转基因矮牵牛 富含赖氨酸的转基因玉米 （1）改良植物的营养价值：例如，将某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量。科学家培育的某种转基因玉米中赖氨酸含量比对照提高30%。 （2）改良植物的观赏价值：我国科学家成功地将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了它的观赏价值。 14 一、基因工程在农牧业方面的应用 2.基因工程在农牧业方面的应用: ⑤ 提高动物的生长速率： （1）原理：由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快。将外源生长激素基因导入动物体内， 以提高动物的生长速率。 （2）实例：转基因鲤鱼 15 一、基因工程在农牧业方面的应用 2.基因工程在农牧业方面的应用: ⑥ 改善畜产品的品质： （1）原理：将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受影响。 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，降低牛奶中的乳糖含量。 16 一、基因工程在农牧业方面的应用 2.基因工程在农牧业方面的应用: ⑥ 改善畜产品的品质： （1）原理：将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受影响。 肠乳糖酶基因 基因表达载体 载体 显微注射法 受精卵 培养 早期胚胎 转基因奶牛 胚胎移植 代孕母牛 17 三、基因工程在食品工业方面的应用 思考讨论： 转基因动植物的培育 1、转基因植物常用的受体细胞： 2、转基因动物常用的受体细胞： 3、转基因植物主要的操作技术： 4、转基因动物主要的操作技术： 体细胞 受精卵 基因工程、植物组织培养 基因工程、动物细胞培养、早期胚胎培养、胚胎移植 18 三、基因工程在食品工业方面的应用 （1）转入外源生长素基因的转基因动物，生长速率更快（ ） （2）转基因抗虫棉的Bt抗虫蛋白基因能抗病毒、细菌、真菌（ ） （3）“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物（ ） × × × 19 目录 02 二、基因工程在医药卫生领域的应用 二、基因工程在医药卫生领域的应用 我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场。 可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等； 1. 对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物 ①药物举例： 细胞因子、抗体、疫苗和激素等。 ②应用： ③实例： 21 二、基因工程在医药卫生领域的应用 资料卡：干扰素 干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，是治疗病毒感染的“万能灵药”！对癌症也有一定疗效。科学家用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从1kg细菌培养液中可20～40mg干扰素。 干扰素生产过程： 干扰素基因 质粒 重组质粒 大肠杆菌 大量可生产干扰素的大肠杆菌 构建 导入 培养 22 二、基因工程在医药卫生领域的应用 资料卡：干扰素 1.干扰素的化学本质是什么？ 糖蛋白 2.干扰素的作用机理是怎样的？ 干扰病毒复制 3.干扰素用于哪些疾病的治疗？ 和某些白血病等。 病毒感染性疾病、 乳腺癌、 淋巴癌、 多发骨髓瘤 4.传统生产干扰素的方法是什么？ 从人血液中的白细胞内提取 5.目前大量生产干扰素的方法是什么？ 用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得 抗生素 干扰素 ①抗生素：抗细菌药物 ②干扰素：抗病毒药物 ≠ 23 二、基因工程在医药卫生领域的应用 2. 让转基因哺乳动物批量生产药物 ①实例： 乳腺生物反应器或乳房生物反应器 注意：启动子具有物种和组织的特异性，如乳腺中特异表达的基因的启动子只在乳腺细胞被特异性激活，使乳腺细胞的目的基因得以表达 药用蛋白基因 乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件 基因表达载体 受精卵 泌乳期 分泌乳汁 转基因动物 药物蛋白 显微注射法 发育 ②培育过程： 目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品 ③应用： 要求：乳腺生物反应器必须是雌性，且泌乳期 胚胎移植前应做DNA分析，鉴定性别，保留雌性 24 二、基因工程在医药卫生领域的应用 思考讨论：关于乳腺生物反应器 优点 缺点 适合于表达高等动物体内的复杂蛋白 制备乳腺反应器的方法成熟 乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官 乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易 动物泌乳期有间隔 有些蛋白不能在乳腺里表达 某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同 优点：产量高；成本低；产品质量好，易提取。 补充：膀胱生物反应器 ①可以从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否处于生殖期。 ②从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。 25 二、基因工程在医药卫生领域的应用 思考讨论： 1.乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？ 让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达。 不局限于性别与生长期（乳腺生物反应器必须是雌性，且泌乳期才会分泌）。 将目的基因与膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子重组。 不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物。 2.为什么将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起？ 3.药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？ 4.膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器？ 5.研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？ 几乎所有细胞。 26 二、基因工程在医药卫生领域的应用 思考： 根据前面学过的基因工程的操作程序，说出通过基因工程方法用酵母菌生产乙肝疫苗的过程是怎样的？（提示：乙肝病毒抗原蛋白基因） ①用PCR扩增乙肝病毒抗原蛋白基因； ②将乙肝病毒抗原蛋白基因插入质粒，构建基因表达载体； ③将该基因表达载体导入酵母菌(该过程也是将酵母菌制备成感受态细胞，但是并不是用Ca2+处理，而是用醋酸锂处理）； ④检测并鉴定，筛选出成功转化的酵母菌，进行发酵培养，分离并提纯产物，获得乙肝病毒抗原蛋白。 27 二、基因工程在医药卫生领域的应用 ①人体器官移植的难题： 人体移植器官短缺是一个世界性难题。 ②解决途径： 寻求可替代的移植器官，如利用基因工程对猪的器官进行改造，来解决人类器官移植的来源问题。 a.猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似； b.猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物。 最大难题： 免疫排斥 3.用转基因动物作为器官移植的供体，建立移植器官工厂 28 二、基因工程在医药卫生领域的应用 ③改造方法： a.在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达； b.设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。 ④优点： 解决人体移植器官短缺问题；避免免疫排斥反应。 3.用转基因动物作为器官移植的供体，建立移植器官工厂 29 二、基因工程在医药卫生领域的应用 比较项目 乳腺（房）生物反应器 基因工程菌生产药物 基因结构 基因产物 受体细胞 导入方式 生产条件 产物提取 哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同 细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异 与天然蛋白质完全相同 细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质可能不具有生物活性 哺乳动物的受精卵 微生物细胞 显微注射法 Ca2+处理法（感受态细胞法） 不需要严格的灭菌，温度等外界条件对其影响不大 需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件 从动物乳汁中提取，相对简单 （一般经过工业发酵后）从微生物细胞（或发酵液）中提取，相对复杂 30 三、基因工程在食品工业方面的应用 (1)从苏云金杆菌中分离出Bt基因导入棉花中，可培育出抗虫棉。( ) (2)将与叶绿素代谢相关的基因导入矮牵牛，可培育出自然界没有的颜色变异。( ) (3)将植物生长素基因导入鲤鱼，培育出的转基因鲤鱼生长速率大大提高。( ) × √ × 提示：将与花青素代谢相关的基因导入矮牵牛，可培育出自然界没有的颜色变异。 提示：植物激素无法对动物起作用，应导入外源生长激素基因。 31 目录 03 三、基因工程在食品工业方面的应用 三、基因工程在食品工业方面的应用 1. 基因工程菌 利用基因工程菌，除了可以生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等 用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。 ①概念： ②应用： 2. 实际应用: 产物 应用 制备方法 阿斯巴甜 凝乳酶 淀粉酶、脂酶 主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产 科学家将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶 通过构建基因工程菌、然后用发酵技术大量生产 普遍使用的甜味剂 用于奶酪生产，凝聚固化奶中的蛋白质。 转化糖浆（淀粉酶）、烘烤食物（脂酶） 基因工程获得的工业用酶优点： ①纯度更高 ②生产成本显著降低 ③生产效率提高 33 三、基因工程在食品工业方面的应用 其他应用：环保领域的应用 利用经过基因改造的微生物生产清洁能源 培育可以降解多种污染物的“超级细菌”治理环境污染 34 三、基因工程在食品工业方面的应用 其他应用：环保领域的应用 （1）生产清洁能源 生物乙醇 生物柴油 植物 淀粉/纤维素 提取 可发酵糖 糖化 微生物 乙醇 发酵 微生物 淀粉酶 生物乙醇的生产流程 基因工程改造思路： A.改造植物 B.改造微生物 35 三、基因工程在食品工业方面的应用 其他应用：环保领域的应用 3种淀粉酶基因 组成的复合基因 海底热泉古生菌 玉米 乙醇单位产量的利润提高了8%-15% （1）生产清洁能源 36 三、基因工程在食品工业方面的应用 其他应用：环保领域的应用 不与人争粮 植物 淀粉/纤维素 提取 可发酵糖 糖化 微生物 乙醇 发酵 微生物 技术难点 （1）生产清洁能源 37 三、基因工程在食品工业方面的应用 其他应用：环保领域的应用 (2)治理环境污染 白色垃圾 污染物 X √ 治理思路： 生物降解塑料 38 三、基因工程在食品工业方面的应用 其他应用：环保领域的应用 水稻镉污染 金属硫蛋白能结合Cd2+和Hg2+ 工程菌 金属硫蛋白基因 (2)治理环境污染 39 三、基因工程在食品工业方面的应用 1.与大肠杆菌相比，用酵母菌生产人的胰岛素有什么优势？ 思考讨论： 酵母菌为真核生物，有生物膜系统，可通过内质网和高尔基体对产生的胰岛素进行加工和修饰，从而产生有活性的胰岛素。 2.培育乳腺生物反应器时为什么要选用乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件与药用蛋白基因重组在一起？ 目的是让药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达。 3.与工厂化生产药用蛋白相比，用动物乳腺生物反应器生产药用蛋白的优势有哪些？ (1)动物乳腺有完整的蛋白质翻译后修饰系统，生产的蛋白质活性高，更稳定。 (2)产物直接经乳汁分泌，易提取。 40 习题检测 一、概念检测 1. 将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导入大肠杆菌的细胞内，再通过发酵工程就能大量生产人生长激素。下列相关叙述正确的是 （ ） A.转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶 B.发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢物 C.大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传 D.大肠杆菌质粒标记基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等 C 三、基因工程在食品工业方面的应用 (1)基因工程所需目的基因只能来源于微生物。(　　) (2)基因工程可以实现基因在不同物种间的转移，人们可以定向选育新品种。(　　) (3)来自苏云金杆菌的Bt基因只能应用于棉花。(　　) (4)转基因生物的目的基因来自不同的物种，可见，基因工程可以打破物种间的生殖隔离。(　　) (5)用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类一般称为基因工程菌。(　　) × √ × √ √ 42 习题检测 一、概念检测 1. 将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导入大肠杆菌的细胞内，再通过发酵工程就能大量生产人生长激素。下列相关叙述正确的是 （ ） A.转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶 B.发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢物 C.大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传 D.大肠杆菌质粒标记基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等 C 习题检测 一、概念检测 2. 基因工程应用广泛，成果丰硕。下列不属于基因工程应用的是（ ） A.培育青霉菌并从中提取青霉素 B.利用乳腺生物反应器生产药物 C.制造一种能降解石油的“超级细菌" D.制造一种能产生干扰素的基因工程菌 A 习题检测 二、拓展应用 除草剂的有效成分草甘麟能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘腾没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘麟的作物。 （1）下面是探究“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘腾”的流程，请补充完整。 ①用_____________________________等处理含有目的基因的DNA片段和T质粒,构建重组Ti质粒； ②将重组Ti质粒转入农杆菌中； ③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染_________细胞，再通过培育得到转基因植株； ④用草甘瞬同时喷酒转基因植株和对照组植株。 结果：对照组植株死亡，转基因植株存活，但也受到了影响。 结论：________________________________________________________________ 限制酶和DNA连接酶 矮牵牛 转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。 习题检测 二、拓展应用 （2）请思考并回答下列问题。 ①在该实验中，对照组是怎样设计的？ ②如果增加转入的外源 EPSP 合酶基因的数量，转基因矮牵牛对草甘膦的抗性是否会增加？ 请你给出进一步探究的思路。 ①对照组为非转基因矮牵牛。理论上增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，矮牵牛体内EPSP合酶的表达水平会升高，它对草甘膦的抗性会增强。 ②将不同拷贝数的EPSP合酶基因分别转入矮牵牛细胞中，培育转基因植株，比较它们对草甘辟抗性的差异。 $$