3.3 基因工程的应用-【易备课】2023-2024学年高二生物同步教学精优课件（人教版2019选择性必修3）

第3节 基因工程的应用 第3章 基因工程 选修三 问题探讨 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程药物——重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。 除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢？ 2 问题探讨 基因工程自20世纪70年代兴起后，得到了飞速的发展，在农牧业、医药卫生和食品工业等方面，展示出广阔的前景。 3 基因工程在农牧业方面的应用 1 基因工程在医药卫生领域的应用 2 目录 基因工程在食品工业方面的应用 3 基因工程在其他方面的应用 4 习题检测 5 4 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。 一、学习目标 二、重点 基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。 乳腺生物反应器。 三、难点 3.关注基因工程的进展。 基因工程在农牧业方面的应用 1 基因工程在农牧业方面的应用 1 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 目前，基因工程技术已被广泛用于改良动植物品种、 提高作物和畜产品的产量等方面。 7 基因工程在农牧业方面的应用 1 一、转基因农作物 全世界转基因作物种植面积呈增加趋势。 1.7×106hm2 1.898×108hm2 100多倍 1996年 2017年 2017年我国商业化种植的转基因作物是 和 。 是世界上转基因作物种植面积最大的国家。 棉花、玉米、大豆种植比例都超过90%。 棉花 番木瓜 美国 8 一、转基因农作物 1.转基因抗虫植物 为什么做 污染环境，损害人类健康，增加生产成本。 使用化学农药杀虫 从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，导入作物，使其具有抗虫性，是目前防治作物虫害的一种发展趋势。 9 1.转基因抗虫植物 （1）主要杀虫基因 ①Bt毒蛋白基因： ③淀粉酶抑制剂基因： ②蛋白酶抑制剂基因： ④植物凝集素基因： 阻断或降低蛋白酶的活性，使害虫不能正常消化食物，还会引起厌食反应。 导致细胞膜穿孔，细胞肿胀裂解。 产生的抑制剂可与害虫消化道内的淀粉酶结合。 可与害虫肠道黏膜上的某种物质结合，影响害虫对营养物质的吸收和利用。 10 1.转基因抗虫植物 转基因抗虫棉花、玉米、水稻、大豆、马铃薯等。 （2）成果 减少化学农药的使用，降低生产成本，提高产量。 普通水稻 抗虫水稻 （3）优点 11 一、转基因农作物 2.转基因抗病植物 植物病害是多种多样的，从根茎叶到花和果实都有病害发生。 许多栽培作物自身缺少抗病基因。 为什么做 将某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物。 12 2.转基因抗病植物 （1）主要抗病基因 ①抗病毒基因： ②抗真菌基因： 病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因 几丁质酶基因、抗毒素合成基因 （2）成果： 转基因抗病毒甜椒、番木瓜、烟草 番木瓜环斑病毒感染的番木瓜 抗病毒的番木瓜 转基因抗病毒甜椒 13 一、转基因农作物 3.转基因抗除草剂植物 为什么做 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。 杂草对除草剂产生抗性，残留除草剂对人体有危害。 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。 14 3.转基因抗除草剂植物 （2）优点 在喷洒除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。 （1）成果 转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。 施用除草剂后的转基因抗除草剂玉米田 种植转基因抗除草剂大豆的农田 15 转基因作物的优点 第1：减少化学杀虫剂的施用量，减少环境污染 第2：增加作物产量 第3：增加经济效益 16 一、转基因农作物 4.改良植物品质 为什么做 随着生活水平的提高，人们越来越关注植物的营养价值、观赏价值等。 利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。 ①使食品的营养成分均衡。 ②丰富花品颜色，提高观赏价值。 成果 17 4.改良植物品质 ①使食品的营养成分均衡 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物，或改变这种氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。 将富含氨基酸的蛋白质编码基因导入玉米，获得的转基因玉米中赖氨酸的含量提高30%。 18 4.改良植物品质 ②丰富花品颜色，提高观赏价值。 将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色。 转基因矮牵牛 普通矮牵牛 19 基因工程在农牧业方面的应用 1 二、转基因动物 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。 每年都有令人瞩目的转基因研究成果，有些成果正在进入实用化和商业化开发的阶段。 （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。 转基因大西洋鲑的优点 20 二、转基因动物 1.提高动物的生长速率 为什么做 外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得很快。 将外源生长激素基因导入动物体内，以提高动物生长速率。 我国科学家将外源生长激素基因导入鲤鱼，在同等养殖条件下，转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%～115%。 成果 21 一、转基因动物 2.改善畜产品的品质 为什么做 有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现腹泻等不适 症状，这称为乳糖不耐受。 我国约有⅓的成年人对乳糖不耐受。 22 2.改善畜产品的品质 将乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得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。 优点：避免食物过敏、腹泻、恶心等不适。 23 基因工程在医药卫生领域的应用 2 基因工程在医药卫生领域的应用 2 为什么做 在传统的蛋白质类药物生产中，是直接从生物的组织、细胞或血液中提取而来的，因为受到原料来源的限制，产量低，价格贵，远不能满足患者的需求。 如：传统生产干扰素的方法是从人血液中的白细胞内提取， 每300L血液只能提取出1mg干扰素。 25 基因工程在医药卫生领域的应用 2 一、基因工程改造微生物或动植物的细胞生产药物 药物类型 用途 成果 细胞因子、抗体、疫苗和激素等 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 我国生产的重组人类干扰素、血小板生成素、 促进红细胞生成素和粒细胞击落刺激等基因工程药物均已投放市场 26 一、基因工程改造微生物或动植物的细胞生产药物 是人体或动物受到病毒侵染后产生的一种细胞因子，是一种具有干扰病毒复制作用的 ，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。 糖蛋白 （1）传统生产方法： （2）现代生产方法： 干扰素基因 质粒 重组质粒 大肠杆菌或酵母菌 大量可以生产干扰素的大肠杆菌或酵母菌 构建 导入 培养 干扰素 从人血液中的白细胞提取。 27 一、基因工程改造微生物或动植物的细胞生产药物 干扰素 1993年我国批准生产重组人干扰素α-1b，它是我国批准生产的第一个基因工程药物，目前主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。 抗生素≠干扰素 ①抗生素：抗细菌药物 ②干扰素：抗病毒药物 28 基因工程在医药卫生领域的应用 2 二、利用转基因哺乳动物批量生产药物——乳腺生物反应器 药用蛋白基因 乳腺中特异表达的基因的启动子 重组载体 哺乳动物受精卵 早期胚胎 代孕母体 转基因动物 培 养 胚胎 移植 分娩 显微注射 乳汁中含有药物蛋白 目前，科学家已经在牛、山羊等动物乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要的医药产品。 29 习题巩固 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。 几乎所有细胞。 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？ 30 二、利用转基因哺乳动物批量生产药物——乳腺生物反应器 A.动物泌乳期有间隔 B.有些蛋白不能在乳腺里表达 C.某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同 优点 缺点 A.适合于表达高等动物体内的复杂蛋白 B.制备乳腺反应器的方法成熟 C.乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官 D.乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易 31 基因工程在医药卫生领域的应用 2 二、利用转基因哺乳动物批量生产药物——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。 32 基因工程在医药卫生领域的应用 2 三、用转基因动物作为器官移植的供体 问题 解决 人体移植器官短缺是世界性难题 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。 ①猪的内脏构造、大小、血管分布与人相似； 最大的难题 猪的优点 ②猪体内隐藏的致病基因远远少于灵长类动物。 存在免疫排斥反应。 33 三、用转基因动物作为器官移植的供体 对猪器官改造的方法 ②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。 ①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； 34 基因工程在医药卫生领域的应用 2 假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上了健康人的生活。在生活中，他会遭到歧视吗？对此你怎么看? 生命和健康是人最宝贵的东西,如果一个病人换上了经过改造的猪心脏后重获了健康,我们不仅不能歧视他,还应该从他身上看到现代生物技术在维持人体健康、治疗疾病等方面的应用价值。 35 基因工程在食品工业方面的应用 3 基因工程在食品工业方面的应用 3 1.概念 基因工程构建基因工程菌 工业发酵批量生产 2.步骤 用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。 3.应用 阿斯巴甜 苯丙氨酸残基 天冬氨酸残基 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。 基因工程菌 37 基因工程菌 4.实例 实例1：凝乳酶 （2）基因工程技术 大多数奶酪的生产需要使用凝乳酶来凝聚固化奶中的蛋白质。 （1）传统制备方法 杀死未断奶的小牛，将其第四胃的黏膜取出来提取。 将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉、酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。 38 基因工程菌 4.实例 实例2：淀粉酶、脂酶 加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品用到的脂酶等也都可以通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。 相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。 优点 39 乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别（在生产人的药物蛋白方面） 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。 40 基因工程在其他方面的应用 4 基因工程在其他方面的应用 4 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 42 到社会中去 转基因技术自诞生以来，发展迅速，研发对象已涵盖至少35科、200 多种的植物，涉及大豆、玉米和棉花等重要作物，以及牧草、花卉和林木等。请调查：目前我国批准发放了哪些转基因作物的生产应用安全证书和进口安全证书? 截至2019年年底，我国批准发放过转基因耐储藏番茄、转基因抗虫棉、改变花色的转基因矮牵牛、转基因抗病辣椒、转基因抗病番木瓜、转基因抗虫水稻、转植酸酶基因玉米以及转基因耐除草剂大豆的生产应用安全证书；批准了转基因棉花、大豆、玉米、油菜、甜菜和番木瓜的进口安全证书，但我国进口的基本上是转基因棉花的纤维，其他进口转基因作物的用途仅限于用作加工原料；我国没有批准任何一种转基因粮食作物种子进口到我国境内商业化种植。 43 课堂总结 一、基因工程在农牧业方面的应用 2.让转基因哺乳动物批量生产药物 1.基因工程在农牧业方面的应用概述 2.目前，基因工程技术已被广泛用于改良动植物品种、 提高作物和畜产品的产量等方面。 二、基因工程在医药卫生领域的应用 1.基因工程改造微生物或动植物的细胞生产药物 3.用转基因动物作为器官移植的供体 三、基因工程在食品工业方面的应用 1.基因工程菌 2.实例 44 习题检测 5 习题检测 1.将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导人大肠杆菌的细胞内，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 46 习题检测 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.制造一种能分解石油的“超级细菌” D.制造一种能产生干扰素的基因工程菌 A 47 习题检测 3.除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制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。草甘膦没有选择性，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膦的作物。 (1)下面是探究“转人外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘膦”的流程，请补充完整。 ①用 等处理目的基因和Ti质粒， 构建重组Ti质粒; ②将重组Ti质粒转入农杆菌中; 限制酶和DNA连接酶 48 习题检测 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用草甘膦同时喷洒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： 。 矮牵牛 转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性 （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？ 49 习题检测 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。 探究思路：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。 50 习题检测 4. 下图是某同学画的两幅基因工程卡通图。一幅是一头能进行光合作用的奶牛，一幅是一株能同时结岀多种蔬菜和水果的植物。请你像这位同学一样，展开想象的翅膀，畅想基因工程的未来，并用图画、文字或用音乐创作等表达岀来。 51 THANKS $$