第3章 第3节 基因工程的应用-【金版教程】2024-2025学年高中生物必修3 生物技术与工程 创新导学案word（人教版2019 多选版）

第3节　基因工程的应用 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。 知识点一　基因工程在农牧业方面的应用 1．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。 2．实例 (1)转基因抗虫植物 从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物。 (2)转基因抗病植物 将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物。 (3)转基因抗除草剂植物 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。 (4)改良植物的品质 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含量。将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛花中，使它呈现自然界没有的颜色变异，提高了观赏价值。 (5)提高动物的生长速率 将外源生长激素基因导入动物体内，提高动物的生长速率。 (6)改善畜产品的品质 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。 知识点二　基因工程在医药卫生领域的应用 1．利用微生物或动植物的细胞进行基因改造，生产药物 成果：细胞因子、抗体、疫苗、激素等。 2．利用乳腺生物反应器生产药物 (1)乳腺生物反应器的概念：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，由其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，因而称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。 (2)乳腺生物反应器的优点：①产量高；②目标产品可随乳汁分泌而排到动物体外，易收获目标产品；③产品质量好，成本低等。 (3)乳腺生物反应器的限制：受性别(需雌性动物)的限制。 (4)成果：抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素、α­抗胰蛋白酶等。 3．用转基因动物作器官移植的供体(设想) (1)方法：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。 (2)优点：解决人体移植器官短缺问题；避免免疫排斥反应。 知识点三　基因工程在食品工业方面的应用 1．应用：可以利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。 2．基因工程技术生产的工业用酶的优点 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的纯度更高，而且它的生产成本显著降低，生产效率较高。 3．基因工程在其他方面的应用 (1)培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染。 (2)利用经过基因改造的微生物生产能源等。 课堂小结 1．(目标1)下列关于基因工程在食品工业方面的应用的叙述，错误的是(　　) A．用于形成阿斯巴甜的主要氨基酸可以通过基因工程大规模生产 B．通过基因工程获得凝乳酶时，需将编码凝乳酶的基因导入受体菌的基因组中 C．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的纯度较低 D．生产淀粉酶和脂肪酶时，可通过构建工程菌，用发酵技术大量生产 答案　C 解析　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的纯度较高，C错误。 2．(目标1)下列有关基因工程相关成果的说法，错误的是(　　) A．将外源生长激素基因导入动物体内可提高动物生长速度 B．将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组中，使获得的转基因牛分泌的乳汁中乳糖含量大大降低 C．2015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 D．转基因动物与原动物相比，由于发生了基因突变而使其基因型发生了改变 答案　D 解析　转基因动物与原动物相比，由于发生了基因重组而使其基因型发生了改变，D错误。 3．(目标2、3)从转基因牛、羊乳汁中提取药物工艺简单，而如果将药用蛋白基因转入动物如牛、羊的膀胱上皮细胞中，从转基因牛、羊尿液中提取药物比从乳汁中提取药物的更大优越性在于(　　) A．技术简单 B．膀胱上皮细胞容易表达药用蛋白 C．膀胱上皮细胞全能性较高 D．无论是雌性还是雄性个体，在任何发育时期都可以产生所需药物 答案　D 解析　利用动物乳腺生物反应器生产药物要受动物性别和发育期的限制，若从尿液中获取药物，则无论是雌性还是雄性个体，在任何发育时期都可以产生所需药物，D正确。 4．(多选)(目标1)基因工程应用广泛，成果丰硕。下列属于基因工程应用的是(　　) A．制造能降解石油的“超级细菌” B．利用乳腺生物反应器生产药物 C．从大肠杆菌细胞内获得干扰素 D．培育青霉菌并从中提取青霉素 答案　ABC 解析　科学家通过诱变育种方式培育出高产青霉菌株，培育青霉菌并从中提取青霉素。该过程没有采用基因工程技术，不属于基因工程的应用，D不符合题意。 5．(目标1、2、3)应用生物工程技术获得人们需要的新品种，请据图回答下列问题： (1)基因工程的核心工作是__________________，目的是让人们感兴趣的基因在宿主细胞中____________________________________。 (2)在a过程使用的工具酶有________。 A．胰蛋白酶和DNA连接酶 B．质粒与DNA连接酶 C．限制性内切核酸酶和DNA连接酶 D．限制性内切核酸酶和胰蛋白酶 (3)b过程常采用________法。 (4)下列相关叙述正确的是________。 A．过程e通常需要用氯化钙处理以增加棉花细胞壁的通透性 B．过程f需要采用植物组织培养技术 C．抗虫基因一旦整合到棉花细胞的染色体上就能正常表达 D．检测抗虫棉是否出现抗虫性状可检测是否出现了相应的mRNA 答案　(1)基因表达载体的构建　稳定存在和高效地表达，并遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用　(2)C　(3)显微注射　(4)B 题型一　乳腺生物反应器的分析 例1　如图所示为利用奶牛乳汁生产人血清白蛋白的过程，下列叙述错误的是(　　) A．血清白蛋白基因需要与乳腺蛋白的启动子等重组在一起才能特异性表达 B．在①进入③之前，要用限制酶、DNA连接酶和运载体等工具来构建基因表达载体 C．在重组细胞中检测到了血清白蛋白基因，说明目的基因在受体细胞中完成了表达 D．胚胎移植前需选取滋养层的细胞进行性别鉴定 解题分析　重组细胞中检测到了人血清白蛋白基因，说明目的基因已经导入受体细胞中，但不能说明目的基因在受体细胞中完成了表达，C错误；胚胎移植前需用滋养层的细胞进行性别鉴定，选取雌性动物进行培育，D正确。 答案　C 例2　(多选)上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因牛。他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药用蛋白含量提高了30多倍。以下与此有关的叙述，不正确的是(　　) A．“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物 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白蛋白基因 C．只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白，是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中是纯合的 D．转基因牛的肌肉细胞中没有人白蛋白基因，所以不能合成人白蛋白 解题分析　转基因动物是指以实验方法导入外源基因的动物，体细胞中出现了新基因的动物不一定是转基因动物，基因突变也可能出现新基因，这样的动物不能称为转基因动物，A错误；“提高基因表达水平”是指设法提高牛的乳腺细胞合成人白蛋白的能力，B错误；转基因牛的各个细胞中都含有人白蛋白基因，但只在转基因牛的乳汁中才能获取人白蛋白，是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中选择性表达，C、D错误。 答案　ABCD 题后归纳 乳腺生物反应器与工程菌比较 比较项目 乳腺生物反应器 工程菌 含义 指外源基因在哺乳动物的乳腺中特异性表达，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 基因结构 动物基因的结构与人类基因的结构基本相同 细菌基因的结构与人类基因的结构有较大差异 基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白质相同 细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器，产生的药物蛋白可能没有活性 受体细胞 动物的受精卵 微生物细胞 导入目的 基因的方式 显微注射法 感受态细胞法 生产条件 不需要严格灭菌，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要的温度、pH、营养物质等外界条件 药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或培养液中提取 题型二　基因工程的应用 例3　下图表示从苏云金芽孢杆菌中获取抗虫基因(简称Bt基因)培育转基因抗虫棉的图解。 请回答： (1)在进行图中b过程时，由我国科学家独创的十分简便经济的方法是________________，此外，也通常采用________法。 (2)为确定抗虫棉是否培育成功，既要通过________等技术检测棉花的染色体DNA上是否插入了目的基因或目的基因是否转录出了mRNA，又要在个体生物学水平上鉴定，后者具体过程是________________________________________________________________。 (3)活化的毒性物质应是一种________分子，可以全部或部分嵌合于昆虫的细胞膜上，使细胞膜产生孔道，导致细胞由于渗透平衡的破坏而破裂。 (4)我国在“863”计划资助下开展Bt抗虫棉、抗虫水稻等研究，可以减少农药、杀虫剂的使用，这将对________起到重要作用。 答案　(1)花粉管通道法　农杆菌转化 (2)PCR　让害虫吞食抗虫棉叶子，观察害虫的存活状态 (3)多肽 (4)环境保护 例4　淀粉酶在食品加工及轻工业生产中具有广泛用途。研究人员从细菌中克隆了一种淀粉酶基因，为了获得高产淀粉酶菌株，按下图所示流程进行基因工程操作。 (1)将淀粉酶基因与质粒载体重组时需要使用的酶包括____________________。 (2)大肠杆菌经过________处理后，可作为重组载体的宿主细胞使用。 (3)为了初步筛选高产菌株，研究人员将得到的3个工程菌株接种到以淀粉为唯一碳源的培养基上，经过培养后用稀碘液处理，可观察到由于淀粉被分解，在平板上形成以菌落为中心的透明圈。测量不同菌株形成的菌落及透明圈直径，结果见下表。 工程菌 菌落直径(C，mm) 透明圈直径(H，mm) H/C 菌株Ⅰ 8.1 13.0 1.6 菌株Ⅱ 5.1 11.2 2.2 菌株Ⅲ 9.5 17.1 1.8 ①表中菌落直径(C)的大小反映了____________________。 ②根据表中数据，可推断其中降解淀粉能力最强的菌株是________。 (4)基因工程技术已成功应用于人类生产生活中的诸多方面。请从植物育种或人类疾病预防与治疗方面举一实例，并说明制备该转基因产品的基本技术流程。(限100字以内) 解题分析　(2)大肠杆菌经过钙离子处理之后，将处于一种能够吸收周围环境中的DNA分子的生理状态。 (3)将工程菌接种到以淀粉为唯一碳源的培养基上，培养相同时间形成菌落直径的大小反映了细菌的增殖速度，要判断菌株产淀粉酶能力是根据其H/C比值，其比值越大证明淀粉酶产量越高。 答案　(1)限制酶和DNA连接酶 (2)钙离子 (3)①细菌的增殖速度 ②菌株Ⅱ (4)实例一：转基因抗虫棉。从细菌中克隆Bt基因，构建重组载体，导入受体棉花细胞后进行组织培养，经对再生植株的检测，获得转基因棉花。 实例二：基因工程生产胰岛素。克隆人的胰岛素基因，构建重组载体，转入酵母菌后，检测目的基因，筛选高产菌株并进行培养，生产胰岛素。 课后课时作业 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 难度 ★ ★ ★ ★ ★★ ★ ★★ ★★ ★★ ★ ★★ 对点 基因工程的应用 基因工程的应用 基因工程的应用 基因工程的应用 基因工程的应用 基因工程的应用 基因工程的应用 基因工程的应用 基因工程的应用 基因工程的应用 基因工程的应用 [单项选择题] 1．科学家利用基因工程培育出了耐盐的转基因棉花新品系，下列相关叙述错误的是(　　) A．可通过农杆菌转化法将重组质粒导入受体细胞 B．含耐盐基因的棉花细胞可经植物组织培养获得完整植株 C．可用较高浓度的盐水浇灌来鉴定棉花植株的耐盐性 D．如果目的基因的核苷酸序列是全部未知的，可用PCR技术得到大量目的基因 答案　D 解析　利用PCR技术获得大量目的基因时，需要提供DNA的模板和引物，设计引物需要一段已知目的基因的核苷酸序列，D错误。 2．下列有关乳腺生物反应器与大肠杆菌生产药物的叙述错误的是(　　) A．前者在乳汁中提取药物，后者在细胞中或细胞产物中提取 B．前者生产药物的过程不需要严格灭菌，后者需要严格灭菌 C．前者合成的蛋白质已加工成熟，后者合成的蛋白质一般没有加工成熟 D．两者的基因与人体基因结构均相同 答案　D 解析　动物基因的结构与人类基因的结构基本相同，大肠杆菌基因的结构与人类基因的结构不同，D错误。 3．人凝血酶Ⅲ是一种分泌蛋白，可预防和治疗急慢性血栓。重组人凝血酶Ⅲ是世界上首个上市的动物乳腺生物反应器生产的重组蛋白药物。下列相关叙述错误的是(　　) A．可从人细胞中提取RNA后利用逆转录PCR技术获取目的基因 B．目的基因的上游需连接乳腺细胞中特异表达基因的启动子 C．用显微注射技术将表达载体导入乳腺细胞来获得转基因动物 D．若用大肠杆菌作为受体细胞难以获得活性高的人凝血酶Ⅲ 答案　C 解析　动物乳腺生物反应器需要使目的基因在乳腺细胞表达，目的基因的上游需连接乳腺细胞中特异表达基因的启动子，B正确；动物受精卵具有全能性，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，C错误；大肠杆菌是原核生物，不具有加工分泌蛋白的内质网和高尔基体，若用大肠杆菌作为受体细胞难以获得活性高的人凝血酶Ⅲ，D正确。 4．下列关于用转基因动物作器官移植供体的叙述不正确的是(　　) A．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．科学家正试图在器官供体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　与灵长类动物相比，猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒要少得多，C错误。 5．科研人员将野生大豆GsSAMS基因(S－腺苷甲硫氨酸合成酶基因)导入水稻，获得转基因株系，与野生型相比转基因水稻的盐碱胁迫耐受性明显提高。下列有关说法错误的是(　　) A．推测GsSAMS基因会阻碍植物渗透调节过程相关基因的表达 B．培育转基因水稻的核心工作是过程①构建基因表达载体 C．导入基因表达载体可采用过程②③农杆菌转化法侵染水稻愈伤组织 D．过程④依据植物细胞的全能性原理 答案　A 解析　GsSAMS基因会提高植物渗透调节过程相关基因的表达，提高耐盐碱胁迫的能力，A错误。 6．干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，某基因公司生产干扰素的过程如图所示。下列说法错误的是(　　) A．从人的淋巴细胞中提取的干扰素基因为目的基因，目的基因主要是编码蛋白质的基因 B．利用酵母菌作为工程菌生产干扰素的原因之一是它出芽生殖，繁殖的速度快 C．利用基因工程大大提高了干扰素的产量 D．生产的干扰素不需进行功能活性鉴定 答案　D 7．甲基对硫磷是常见的农药污染物，科研人员尝试改造并分离得到能够降解甲基对硫磷的微生物，下列操作中不必需的是(　　) A．构建含有甲基对硫磷分解酶基因的表达载体 B．将含有甲基对硫磷分解酶基因的表达载体导入受体菌 C．用甲基对硫磷为唯一碳源的培养基选择所需工程菌 D．提取工程菌的质粒并检测目的基因的含量 答案　D 解析　目的基因的检测和鉴定应重点检测目的基因的插入与否及插入后的表达结果，而非提取工程菌的质粒并检测目的基因的含量。 [多项选择题] 8．凝乳酶是奶酪生产中的关键性酶。运用转基因技术，将奶牛细胞中编码凝乳酶的基因转移到大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌细胞中，达到大规模生产凝乳酶的目的，下图表示用作载体的质粒和目的基因所在DNA片段，下列说法错误的是(　　) A．用限制酶BamHⅠ、PstⅠ和DNA连接酶构建基因表达载体 B．用含氨苄青霉素的培养基筛选出的即为导入目的基因的受体细胞 C．可用PCR技术大量扩增目的基因 D．转录凝乳酶基因需要解旋酶和DNA连接酶 答案　BD 解析　质粒和重组质粒上都存在氨苄青霉素的抗性基因，因此不能以此来确定筛选出的是否是导入目的基因的受体细胞，B错误；基因的转录需要RNA聚合酶，D错误。 9．天然虾青素能有效清除细胞内的自由基，在提高人体免疫力、预防肿瘤等方面均具有积极的促进作用。小球藻可产生虾青素但是含量很低，研究人员欲通过基因工程对其进行改造。首先利用雨生红球藻的BKT基因和番茄的信号肽PDSSP基因，得到PDSSP－BKT融合基因，然后将其导入农杆菌并转入小球藻中，从而提高小球藻中虾青素的含量。下列叙述正确的是(　　) A．PDSSP－BKT融合基因是该研究中的目的基因 B．将基因表达载体导入农杆菌即可完成目的基因的转化 C．在小球藻中检测到虾青素并不能说明该研究已成功 D．通过PCR检测PDSSP－BKT融合基因是否转录需要用到逆转录酶 答案　ACD 解析　在基因工程的设计和操作中，用于改变受体性状或获得预期表达产物等的基因就是目的基因，结合题意可知，PDSSP－BKT融合基因是该研究中的目的基因，A正确；根据题意可知，将基因表达载体导入农杆菌后，再利用农杆菌的转化作用将目的基因插入小球藻细胞染色体的DNA上，完成目的基因的转化，B错误；根据题意，小球藻可产生虾青素但是含量很低，而基因工程改造的目的是提高小球藻中虾青素的含量，因此必须在小球藻中检测到含量较高的虾青素才能说明研究成功，C正确；PCR扩增技术是体外条件下对DNA进行大量复制的技术，因此通过PCR检测PDSSP－BKT融合基因是否转录，需要对其转录产物(mRNA)进行逆转录产生cDNA后才能进行扩增，D正确。 10．运用现代生物技术的育种方法，将抗菜青虫的Bt抗虫蛋白基因转移到优质油菜中，培育出转基因抗虫的油菜品种，这一品种在生长过程中能产生特异的杀虫蛋白，对菜青虫有显著抗性，能减轻菜青虫对油菜的危害。下列叙述错误的是(　　) A．转基因抗虫油菜能产生杀虫蛋白是因为具有Bt抗虫蛋白基因 B．目的基因的受体细胞只能是油菜受精卵 C．转基因抗虫油菜的种植过程中减少了农药等的使用量，降低了生产成本 D．转基因抗虫油菜种植时，菜青虫不会产生抗性，这样可以彻底消灭菜青虫 答案　BD 解析　目的基因的受体细胞可以是油菜受精卵，也可以是体细胞，B错误；菜青虫可能产生抗性突变，导致转基因抗虫油菜的杀虫效果降低，D错误。 [非选择题] 11．天然酿酒酵母菌通常缺乏分解淀粉的酶类，用作发酵原料的淀粉需经一系列复杂的转化过程才能被利用，研究者从某丝状真菌中获取淀粉酶基因并转入酿酒酵母菌，获得的酿酒酵母工程菌可直接利用淀粉生产酒精，请回答下列问题： (1)将淀粉酶基因切割下来所用的工具是________________，用__________将淀粉酶基因与载体拼接成新的DNA分子，下一步将该DNA分子__________________以完成工程菌的构建。 (2)若要鉴定淀粉酶基因是否插入酿酒酵母菌，可采用________等技术检测；若要鉴定淀粉酶基因是否翻译成淀粉酶，可采用____________________检测。 (3)将该工程菌接种在含淀粉的固体平板培养基上，培养一定时间后，加入碘液，工程菌周围出现透明圈，请解释该现象发生的原因。 (4)如何进一步鉴定不同的转基因工程菌利用淀粉能力的大小？ 答案　(1)限制性内切核酸酶　DNA连接酶　导入酿酒酵母菌 (2)PCR　抗原—抗体杂交技术(合理即可) (3)该工程菌产生的淀粉酶可分泌至培养基，淀粉被水解的区域，遇碘不再变蓝色，产生透明圈。 (4)测定相同培养条件下等量的不同工程菌菌株的淀粉酶活性或酒精产量。 13 学科网（北京）股份有限公司 $$