第3节 基因工程的应用-【金版新学案】2024-2025学年高中生物选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019 多选）

第3节　基因工程的应用 [学习目标]　1.基于基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业应用的实例说明基因工程给社会带来的巨大进步。　2.用基因工程培育优良品种或细胞产品，造福人类。 知识点一　基因工程在农牧业方面的应用 1．基因工程在植物方面的应用 2．基因工程在动物方面的应用 [精通教材] 1．“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物吗？ 提示：体细胞中出现了新基因的植物不一定是转基因植物，基因突变也可能出现新基因，这样的植物不能称为转基因植物。 2．为什么转入外源生长激素基因的转基因动物，生长速率更快？ 提示：转入外源生长激素基因的转基因动物，能够产生更多的生长激素，生长速率更快。 任务　分析转基因技术在抗虫中的应用 下图为通过基因工程培育抗虫棉的过程，请回答： (1)抗虫棉能抗病毒、细菌和真菌吗？为什么？ 提示：不能。抗虫基因具有专一性。 (2)对于基因工程生产的抗虫棉是否取得最后的成功，最简单的检测方法是什么？ 提示：让害虫去吃转基因棉花的植株，观察害虫的生存状况。 (3)从环境保护角度，分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性有哪些？ 提示：减少了化学农药的使用量，降低了环境污染。 (4)种植转基因抗虫棉若干年后，害虫会不会对转基因抗虫棉产生抗性？为什么？ 提示：会。害虫会因遗传物质发生改变产生对转基因抗虫棉的抗性。 [核心归纳] 1．转基因植物培育过程 学生用书第107页 2.转基因动物的培育过程（以转基因牛培育过程为例） 3．转基因动植物的外源基因类型及实例 外源基因类型 成果举例 转基因抗虫植物 抗虫基因 转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等 转基因抗病植物 抗病基因 转基因抗病毒烟草、番木瓜和甜椒等 转基因抗除草剂植物 降解或抵抗某种除草剂的基因 转基因抗除草剂的大豆、玉米、油菜和甜菜等 改善植物的品质 优良性状基因 高赖氨酸玉米和新花色矮牵牛 提高动物的生长速率 生长激素基因 转基因鲤鱼 改善畜产品的品质 肠乳糖酶基因 转肠乳糖酶基因的奶牛 应用1.下列有关转基因植物的说法，错误的是(　　) A．科学家可以利用一些调节细胞渗透压的基因，来提高农作物的抗盐碱和抗旱的能力 B．因为转基因抗虫棉可以抵抗一切危害棉花植株的害虫，所以转基因抗虫棉已经推广应用 C．科学家往往将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，以提高农作物的营养价值 D．利用基因工程技术可以改良农作物的品质 答案：B 解析：因为盐碱和干旱对农作物的危害与细胞渗透压的调节有关，所以科学家可以利用一些调节细胞渗透压的基因来提高农作物的抗盐碱和抗旱的能力，A正确；转基因抗虫棉只是对棉铃虫有较强的抗性，并不能抵抗所有害虫，B错误；将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高农作物的营养价值，C正确；利用基因工程技术可以改良农作物的品质，D正确。 转基因作物中的目的基因的两点提醒 1．目的基因并非都来自微生物：目的基因都是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因，并不都是来自细菌、病毒等微生物，如抗冻蛋白基因来自鱼类。 2．注意“抗虫”和“抗病”的区别，二者可以分别通过害虫接种和病毒细菌接种来进行个体水平的检测。 　　 应用2.科学家构建了含有大洋鳕鱼抗冻蛋白基因启动子和大鳞鲑鱼生长激素基因的表达载体，并将其导入了大西洋鲑的细胞中，获得了生长速度加快的转基因大西洋鲑。相关叙述正确的是(　　) A．转基因大西洋鲑体内抗冻蛋白明显增加 B．构建基因表达载体需要限制酶和DNA聚合酶 C．大鳞鲑鱼生长激素基因不能通过PCR技术扩增获得 D．转基因大西洋鲑生长激素含量增加导致生长速度加快 答案：D 解析：转基因大西洋鲑体内生长激素明显增加，A错误；构建基因表达载体需要限制酶和DNA连接酶，B错误；大鳞鲑鱼生长激素基因能通过PCR技术扩增获得，C错误；转基因大西洋鲑生长激素含量增加导致生长速度加快，D正确。 知识点二　基因工程在医药卫生领域及食品工业方面的应用 1．基因工程在医药卫生领域的应用 应用 基因来源或处理 成果 转基因微生物或动植物细胞生产药物 对微生物或动植物的细胞进行基因改造 生产包括细胞因子、抗体、疫苗和激素等药物 乳腺(房)生物反应器生产药物 ①目的基因：药用蛋白基因 ②启动子：乳腺中特异表达的基因的启动子 ③受体细胞：受精卵 生产抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等 转基因动物作器官移植的供体 抑制抗原决定基因的表达或除去抗原决定基因 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 2.基因工程在食品工业方面的应用 (1)氨基酸：利用转基因生物合成阿斯巴甜的原料——天冬氨酸和苯丙氨酸。 (2)酶：利用转基因生物获得生产奶酪需要的凝乳酶； 学生用书第108页 利用转基因生物生产加工转化糖浆需要的淀粉酶；利用转基因生物生产加工烘烤食品要用到的脂肪酶等。 (3)维生素 3．其他方面的应用：利用“超级细菌”来处理环境污染，利用经过基因改造的微生物来生产能源。 [精通教材] 1．乳腺生物反应器就是把药用蛋白基因导入动物的乳腺细胞中吗？ 提示：应是把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，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中。 2．与大肠杆菌相比，用酵母菌生产人的胰岛素有什么优势？ 提示：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。 任务　分析基因工程菌的选择及乳腺生物反应器的制备 基因工程在医药卫生领域和食品工业方面有广泛的应用。请分析回答下列问题： (1)为什么生产乳腺生物反应器构建基因表达载体时必须把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？ 提示：只有连接了乳腺中特异表达的基因的启动子，才能保证相应的目的基因在其乳腺细胞内表达。 (2)继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了成功。科学家培育出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。在研制膀胱生物反应器时，应使药用蛋白基因在什么细胞中特异表达？它与乳腺生物反应器有什么相同和不同点？ 提示：应使药用蛋白基因在膀胱上皮细胞中特异表达。相同点是收集药用蛋白较容易，且不会对动物造成伤害。不同点是乳腺生物反应器必须是处于生殖期的雌性动物才可生产药用蛋白，而膀胱生物反应器则是任何生长期的雌雄动物均可生产。 [核心归纳] 乳腺生物反应器与基因工程菌生产药物的区别 比较内容 乳腺生物反应器 基因工程菌 含义 指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白 指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类 受体基因结 构与人类基因结构差异 动物基因结构与人类的基因结构基本相同 细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异 基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白质相同 细菌合成的药物蛋白可能没有活性 受体细胞 动物受精卵 微生物细胞 目的基因导入方式 显微注射法 感受态细胞法 药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其培养液中提取 应用1.（2024·江苏南京高二期中）动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生物发酵，进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现代生物技术。科学家已在牛和羊等动物的乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要药品。大致过程如下图所示。以下叙述错误的是(　　) 学生用书第109页 A.通过③形成的重组质粒具有人的药用蛋白基因、启动子、终止子和标记基因即可 B．④通常采用显微注射法 C．在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达，因此可以从乳汁中提取药物 D．该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取 答案：A 解析：若用转基因动物生产药物，通常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，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中，最终培育的转基因动物进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物，因而称为乳腺生物反应器，A错误，B、C正确；相对于传统方法，利用乳腺生物反应器生产药物的优点是产量高、质量好、成本低、易提取，D正确。 乳腺生物反应器 1．乳腺（房）生物反应器的操作过程中，构建基因表达载体时，目的基因要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，否则目的基因在乳腺上皮细胞中不能转录。构建好的基因表达载体导入受精卵，而不是乳腺上皮细胞，这样由受精卵发育成的个体细胞均含有目的基因（如药用蛋白基因），但其只在乳腺上皮细胞中表达。 2．用乳腺（房）生物反应器生产的优点是产量高、质量好、成本低、易提取，但从乳汁中提取蛋白质，该转基因个体必须是雌性的，若利用膀胱生物反应器从尿液中提取目的基因的产物则不受性别限制。 　　 应用2.下列关于用转基因动物作器官移植供体的研究的叙述，不正确的是(　　) A.人体移植器官短缺和免疫排斥是目前制约人体器官移植的两大难题 B．猪的内脏构造、大小和血管分布与人的极为相似 C．灵长类动物体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒少于猪 D．无论以哪种动物作为供体，都需要在其基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因 答案：C 解析：目前制约人体器官移植的两大难题主要是人体移植器官短缺和免疫排斥，A正确；猪的内脏构造、大小和血管分布与人的极为相似，且猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远少于灵长类动物，B正确，C错误；无论以哪种动物作为供体，都需要在其基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，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动物器官，D正确。 应用3.（2024·河南新乡高二期末）干扰素是机体细胞在被病毒感染后产生的一种糖蛋白，具有抗病毒、抑制细胞增殖、调节免疫及抗肿瘤的作用。科研人员利用基因工程技术实现干扰素批量生产的两种途径如图所示。下列叙述错误的是（多选）(　　) A．用基因工程技术生产干扰素的核心步骤为过程Ⅱ B．途径甲在构建重组载体时须添加乳腺蛋白基因启动子 C．过程Ⅱ中，将重组质粒导入受体细胞A和B时，受体细胞均要用Ca2+进行处理 D．通过途径甲和乙直接获得的干扰素的结构和功能相同 答案：ACD 解析：用基因工程技术生产干扰素的核心步骤为基因表达载体的构建，即过程Ⅰ，A错误；在途径甲中，为保证干扰素基因在牛乳腺细胞中表达，在构建重组载体时须添加乳腺蛋白基因启动子，B正确；过程Ⅱ中，将重组质粒导入受体细胞A的方法是显微注射法，不需要用Ca2+处理受体细胞，C错误；途径乙获得的干扰素是通过大肠杆菌来合成的，没有经过内质网和高尔基体的加工，途径乙获得的干扰素的结构和功能和途径甲获得的可能有所区别，D错误。 思维导图 要语必背 1.科学家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，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中，由这个受精卵发育成的转基因动物在进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物。 2.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，或设法除去抗原决定基因，然后结合克隆技术，可培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官。 3.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。 学生用书第110页 1．下列转基因植物与所选用的目的基因对应错误的是(　　) A．抗虫棉——Bt抗虫蛋白基因 B．颜色变异的转基因矮牵牛——花青素基因 C．抗盐碱和抗旱植物——调节细胞渗透压的基因 D．耐寒的番茄——抗冻蛋白基因 答案：B 解析：获得颜色变异的转基因牵牛，转入的是与植物的花青素代谢相关的基因，B错误。 2．（2024·陕西咸阳阶段练习）基因工程在农牧业、食品工业、环境保护、医学方面具有突出贡献，下列有关叙述正确的是 (　　) A．体外基因治疗具有操作简单，效果不够可靠的缺点 B．用含H1N1病毒碱基序列的DNA探针，可检测发热病人体内是否含H1N1病毒 C．用放射性同位素标记DNA探针的作用是增加探针DNA的分子量 D．利用转基因技术培育的动物，目的基因只存在于特定的细胞中 答案：B 解析：体外基因治疗比体内基因治疗操作复杂，但效果可靠，A错误；虽然H1N1病毒是RNA病毒，但是可以利用它的RNA经逆转录产生相应的DNA，该DNA与H1N1病毒的RNA碱基互补配对，所以用含H1N1病毒碱基序列的DNA探针，可检测发热病人体内是否含H1N1病毒，B正确；用放射性同位素标记DNA探针的作用是检测目的基因是否插入到受体细胞的染色体DNA上或者检测目的基因是否转录产生RNA，其中使用放射性同位素的目的是方便检测，C错误；利用转基因技术培育的动物，受体细胞是受精卵，所以目的基因存在于转基因动物的所有体细胞中，D错误。 3．下列有关目的基因的操作中，能够改善产品品质的是(　　) A．将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内 B．将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组 C．将降解或抵抗某种除草剂的基因导入玉米 D．将Bt抗虫蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达 答案：B 解析：将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内是提高鲤鱼的生长速率，A不符合题意；导入肠乳糖酶基因的奶牛的牛奶中乳糖含量降低，改善了牛奶的品质，B符合题意；将降解或抵抗某种除草剂的基因导入玉米是转基因抗除草剂植物的应用，C不符合题意；Bt抗虫蛋白基因是抗虫基因，能够提高植物的抗虫能力，D不符合题意。 4．科学家培养的转基因奶牛的乳腺细胞能够合成并分泌人凝血因子，这是动物乳腺生物反应器研究的重大进展。下列叙述正确的是(　　) A.在该转基因奶牛中，人凝血因子基因只存在于乳腺细胞，而不存在于其他体细胞中 B．“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人凝血因子基因 C．人凝血因子基因开始转录时，DNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA D．转基因奶牛需要进入泌乳期才能批量生产人凝血因子 答案：D 解析：根据题意，在该转基因工程中，人凝血因子基因导入的受体细胞是奶牛的受精卵，由该受精卵发育形成的个体的各种体细胞中都存在人凝血因子基因，A错误；“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞合成更多的人凝血因子，B错误；人凝血因子基因开始转录时，RNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA，C错误；转基因奶牛需要进入泌乳期才能批量生产人凝血因子，D正确。 5．（2024·江西南昌高二期中）生物反应器是利用生物体所具有的生物功能，在体外或体内通过生化反应或生物自身的代谢获得目标产物的装置系统、细胞、组织器官等等。由此发展了动物乳腺生物反应器、动物膀胱生物反应器等。下列说法正确的是（多选）(　　) A．将目的基因导入动物细胞常用体细胞做受体细胞，采用显微注射技术进行操作 B．膀胱生物反应器优于乳腺生物反应器的方面包括不受性别、发育时期等的限制 C．制备动物乳腺生物反应器时，需将目标产物的基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起 D．为使目的基因能够在膀胱上皮细胞中特异性表达，在构建基因表达载体时需选择膀胱上皮细胞蛋白基因的启动子 答案：BCD 解析：动物受精卵全能性最高，应用显微注射技术将表达载体导入受精卵来获得转基因动物，A错误；雌性动物发育到一定阶段才能产生乳汁，乳腺生物反应器往往受动物生长发育的阶段和性别的限制，而膀胱生物反应器不受性别和年龄的限制，B正确；构建乳腺生物反应器时，需将药用蛋白基因和乳腺蛋白基因的启动子等重组在一起，以保证药用蛋白基因能在乳腺中正常表达，C正确；启动子是RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列，它含有RNA聚合酶特异性结合和转录起始所需的保守序列，重组表达载体中含有膀胱中特异表达基因的启动子，以便于特异性表达基因的转录与翻译，D正确。 6．（创新情境）W是一种具有特定功能的人体蛋白质。某研究小组拟仿照制备乳腺生物反应器的研究思路，制备一种膀胱生物反应器来获得W，基本过程如图所示。 回答下列问题： (1)步骤①中需要使用的工具酶有　　　　　　　　　　　。步骤②和③所代表的操作分别是　　　　　　　和　　　　　　　。步骤④称为　　　　　　　　。 (2)与乳腺生物反应器相比，用膀胱生物反应器生产W的优势在于不受转基因动物的 　　 　（答出2点即可）的限制。 (3)一般来说，在同一动物个体中，乳腺上皮细胞与膀胱上皮细胞的细胞核中染色体DNA所含的遗传信息　　　　　　　　（填“相同”或“不同”），原因是________________________________________________________________________。 (4)从上述流程可知，制备生物反应器涉及胚胎工程，胚胎工程中用到的主要技术有 　　 （答出2点即可）。 答案：(1)DNA连接酶、限制酶　显微注射　体外培养　胚胎移植　(2)性别、年龄　(3)相同　两种上皮细胞都是体细胞，且来源于同一个受精卵　(4)体外受精技术、胚胎移植技术、胚胎分割技术、胚胎冷冻保存技术 解析：(1)①为基因表达载体的构建，需要DNA连接酶和限制酶，步骤②和③所代表的操作分别是利用显微注射技术将目的基因导入受体细胞、体外培养获得早期胚胎，步骤④称为胚胎移植。(2)乳腺生物反应器只能从泌乳期雌性的乳汁中获取产物，与乳腺生物反应器相比，膀胱生物反应器的优点是雌性和雄性的尿液中都可提取到产物，不受性别、年龄和时间的限制。(3)在同一动物个体中，乳腺上皮细胞和膀胱上皮细胞都是体细胞，且来源于同一个受精卵，故乳腺上皮细胞与膀胱上皮细胞的细胞核中染色体DNA所含的遗传信息相同。(4)胚胎工程的主要技术有体外受精技术、胚胎移植技术、胚胎分割技术、胚胎冷冻保存技术。 学科网（北京）股份有限公司 $$