第3章 第3节 基因工程的应用（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中生物学选择性必修第三册（人教版2024）

第3节　基因工程的应用 [课标要求] 1.结合具体实例了解基因工程的应用(生命观念、社会责任)。2.联系当地生产、生活中的具体实例，思考用基因工程的方法解决实际问题(社会责任)。 知识点1　基因工程在农牧业方面的应用 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。 1．转基因抗虫植物 (1)方法、目的：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)成果：转基因抗虫植物有转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。 2．转基因抗病植物 (1)传统植物的缺陷：许多栽培作物由于自身缺少__抗病基因__，因此用常规育种的方法很难培育出抗病的新品种。 (2)方法、目的：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)成果：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。 3．转基因抗除草剂植物 (1)杂草的危害：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、目的：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)作用：在喷洒除草剂时，田间杂草会被__杀死__而作物不会受到__损伤__。 (4)成果：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。 4．改良植物的品质 (1)应用范围：可以通过提高植物中某种氨基酸的含量、改变花色等，从而提高作物品质。 (2)提高氨基酸含量的方法：将__必需__氨基酸含量多的__蛋白质编码基因__导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量。 (3)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__，大大提高了其观赏价值。 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，可以提高动物的生长速率，如转基因鲤鱼生长速率大幅提高。 6．改善畜产品的品质：科学家将__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。 【辨正误】 (1)我国转基因作物的种植面积位居世界之首。(　×　) 我国转基因作物的种植面积位居世界第八位。 (2)来自苏云金杆菌的Bt抗虫蛋白基因只能应用于棉花中。(　×　) 来自苏云金杆菌的Bt抗虫蛋白基因也可导入其他植物细胞中。 (3)将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，能提高牛奶中的乳糖含量。(　×　) 将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组能大大降低牛奶中乳糖的含量。 (4)将外源生长激素基因导入动物体内，可提高动物生长速率。(　√　) 知识点2　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 (1)利用基因工程生产的药物包括__细胞因子__、抗体、__疫苗__和激素等。 (2)用转基因动物生产药物：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__，这称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。 (3)用转基因动物作器官移植的供体：器官移植最大的难题是__免疫排斥__。科学家正尝试利用基因工程技术对供体器官进行改造，采用的方法是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，再结合克隆技术，培育出不会引起__免疫排斥反应__的转基因克隆器官。 2．基因工程在食品工业方面的应用 (1)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。 (2)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。 (3)工程菌可以生产食品工业用酶，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。 (4)基因工程使人们更容易培育出具有优良性状的动植物品种，获得很多过去难以得到的__生物制品__。 3．其他应用 (1)基因工程还能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来生产__能源__等。 【辨正误】 (1)对微生物或动植物的细胞进行基因改造可使其能够生产药物。(　√　) (2)高产青霉菌是通过基因工程生产的工程菌。(　×　) 高产青霉菌是通过诱变育种得到的，不是通过基因工程生产的。 (3)利用基因工程得到的乳腺生物反应器可以解决很多重要的药品的生产问题。(　√　) (4)利用基因工程技术可以培育出无免疫排斥反应的克隆器官。(　√　) (5)利用经过基因改造的微生物生产能源。(　√　) (见学生用书P82) (教材P91“相关信息”思考训练)基因工程菌是指______________________ 提示　用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类 探究点1　乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较 利用基因工程生产人胰岛素有两种方法： 方法一：将胰岛素基因转入细菌细胞，进行微生物培养，提取胰岛素； 方法二：将胰岛素基因转入高等哺乳动物的受精卵，培养成转基因动物并从其乳汁中提取胰岛素。 阅读上述材料，回答问题： (1)方法一中，为使胰岛素基因能顺利进入细菌细胞，应用__Ca2＋__处理细菌细胞，目的是使细胞处于一种__能吸收周围环境中DNA分子的生理状态__。 (2)方法二中，将目的基因导入受体细胞常用的方法是__显微注射法__。要确保人胰岛素基因只在牛的乳腺细胞中表达，应该采取的措施是将人胰岛素基因与__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)大肠杆菌和酵母菌均可作为生产胰岛素的工程菌，该类工程菌的优点是__单细胞、繁殖快__(至少答出两点)。 (4)上述两种方法中，哪种方法得到的胰岛素需要进一步加工和修饰以使其获得生物活性？试解释其原因。 提示　(4)方法一；方法一中的受体细胞是细菌，其细胞内无内质网和高尔基体，无法对胰岛素进行加工和修饰。 1．转基因微生物的培育过程(以可生产干扰素的酵母菌的培育过程为例) 2．乳腺(房)生物反应器的培育过程 3．乳腺(房)生物反应器与基因工程菌生产药物的比较 项目 乳腺(房)生物反应器 基因工程菌生产药物 基因结构 哺乳动物基因的结构与人类基因结构基本相同 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 基因产物 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，合成的蛋白质可能不具有生物活性 受体细胞 哺乳动物的受精卵 微生物细胞 导入目的 基因的方式 显微注射法 Ca2＋处理法 生产条件 不需严格灭菌，温度等外界条件对其影响不大 需严格灭菌，严格控制工程菌生长繁殖所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件 产物提取 从哺乳动物乳汁中提取，相对简单 从微生物细胞中提取，相对复杂 【例1】 利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器，以生产所需要的药品，如转基因动物生产人的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时，下列有关说法错误的是(　　) A．利用显微注射法将人的生长激素基因导入受体哺乳动物体内 B．需要将乳腺中特异表达的基因的启动子与目的基因重组在一起 C．动物必须是雌性才能满足要求 D．动物需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂” 答案　A 解析　利用基因工程将人的生长激素基因导入受精卵中，A项错误；需要将乳腺中特异表达的基因的启动子与目的基因重组在一起，使目的基因只在乳腺组织中特异性表达，B项正确；动物必须是雌性才能满足要求，C项正确；由于目的基因只在乳腺组织中特异性表达，因此受体动物需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”，D项正确。 核心知识小结 [网络构建] [答题必备] 1．基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面展示出广阔的应用前景。 2．基因工程在农业方面的应用包括培育转基因抗虫植物、转基因抗病植物、转基因抗除草剂植物及改良植物品质等。 3．基因工程在动物培育方面的应用包括提高动物的生长速率、改善培育产品的品质等。 4．基因工程在医药卫生领域的应用包括对微生物或动植物的细胞进行基因改造使它们能够生产药物。 5．基因工程在食品工业方面的应用包括生产食品工业用酶(如凝乳酶、淀粉酶等)及氨基酸、维生素等，其具有生产成本低、生产效率高等优势。 (见学生用书P83) 1．下表有关基因表达的选项，不可能的是(　　) 选项 基因 表达的细胞 表达产物 A 细菌抗虫蛋白基因 抗虫棉叶肉细胞 细菌抗虫蛋白 B 人酪氨酸酶基因 正常人皮肤细胞 人酪氨酸酶 C 动物胰岛素基因 大肠杆菌工程菌细胞 动物胰岛素 D 兔血红蛋白基因 兔成熟红细胞 兔血红蛋白 答案　D 解析　兔成熟红细胞中没有细胞核和众多细胞器，无法表达产生兔血红蛋白，D项错误。 2．下列关于基因工程应用的叙述，错误的是(　　) A．利用细菌代谢旺盛的特点生产基因工程药物 B．向植物体内转入Bt抗虫蛋白基因来培育转基因抗虫植物 C．可以利用转基因动物作为器官移植的供体 D．利用乳腺生物反应器可使哺乳动物的产奶量增加 答案　D 解析　利用细菌代谢旺盛的特点，将细菌利用基因工程手段改造成工程菌，生产基因工程药物，A项正确；向植物体内转入Bt抗虫蛋白基因来培育转基因抗虫植物，B项正确；可以利用转基因动物作为器官移植的供体，C项正确；利用乳腺生物反应器的目的是使哺乳动物的乳汁中含有目的基因的产物等，但不一定能提高产奶量，D项错误。 3．下列生物技术操作对遗传物质的改造，不会遗传给子代的是(　　) A．将胰岛素基因表达质粒转入大肠杆菌，筛选获得基因工程菌 B．将花青素代谢基因导入植物体细胞，经组培获得花色变异植株 C．将肠乳糖酶基因导入奶牛受精卵，培育出产低乳糖牛乳的奶牛 D．将腺苷酸脱氨酶基因转入淋巴细胞后回输患者，进行基因治疗 答案　D 解析　A、B、C三项均采用了基因工程技术，基因工程依据的原理是基因重组，且参与繁殖的细胞中均含有目的基因，故可遗传给子代，A.B、C不符合题意；D也采用了基因工程技术，但只有患者的淋巴细胞中含有目的基因，而患者的生殖细胞中不含目的基因，故不能遗传给子代，D符合题意。 4．(2024·江西)γ－氨基丁酸在医药等领域有重要的应用价值。利用L－谷氨酸脱羧酶(GadB)催化L－谷氨酸脱羧是高效生产γ－氨基丁酸的重要途径之一。研究人员采用如图方法将酿酒酵母S的L－谷氨酸脱羧酶基因(gadB)导入生产菌株E.coliA构建了以L－谷氨酸钠为底物高效生产γ－氨基丁酸的菌株E.coliB。下列叙述正确的是(　　) A．上图表明，可以从酿酒酵母S中分离得到目的基因gadB B．E.coliB发酵生产γ－氨基丁酸时，L－谷氨酸钠的作用是供能 C．E.coliA和E.coliB都能高效降解γ－氨基丁酸 D．可以用其他酶替代NcoⅠ和KpnⅠ构建重组质粒 答案　A 解析　分析题意，从酿酒酵母S中筛选、分离出目的基因gadB，然后利用PCR扩增目的基因，A项正确；由题意知，L－谷氨酸钠是生产γ－氨基丁酸的底物，不能用来供能，B项错误；将目的基因(gadB)导入菌株E.coliA构建高效生产γ－氨基丁酸的菌株E.coliB，E.coliA和E.coliB均不能高效降解γ－氨基丁酸，C项错误；选择限制酶时需考虑多重条件，如确保目的基因不被限制酶破坏、切割位点应精准位于启动子和终止子之间、避免对启动子和终止子造成任何损害等，同时在设计特异性引物时，还需要在其5端设计限制酶酶切位点，以便构建重组质粒，根据题干提供的信息，无法推断出是否有其他酶能够替代NcoⅠ和KpnⅠ，D项错误。 5．(2024·河北)新城疫病毒可引起家禽急性败血性传染病，我国科学家将该病毒相关基因改造为r2HN，使其在水稻胚乳特异表达，制备获得r2HN疫苗，并对其免疫效果进行了检测。 回答下列问题： (1)实验所用载体的部分结构及其限制酶识别位点如图1所示。其中GtP为启动子，若使r2HN仅在水稻胚乳表达，GtP应为__________启动子。Nos为终止子，其作用为__________。r2HN基因内部不含载体的限制酶识别位点。因此，可选择限制酶__________和__________对r2HN基因与载体进行酶切，用于表达载体的构建。 ,图1) (2)利用__________方法将r2HN基因导入水稻愈伤组织。为检测r2HN表达情况，可通过PCR技术检测__________，通过__________技术检测是否翻译出r2HN蛋白。 (3)获得转基因植株后，通常选择单一位点插入目的基因的植株进行研究。此类植株自交一代后，r2HN纯合体植株的占比为__________。选择纯合体进行后续研究的原因是_______________________________________________________ __________________________________________________。 (4)制备r2HN疫苗后，为研究其免疫效果，对实验组鸡进行接种，对照组注射疫苗溶剂。检测两组鸡体内抗新城疫病毒抗体水平和特异应答的CD8＋T细胞(细胞毒性T细胞)水平，结果如图2所示。据此分析，获得的r2HN疫苗能够成功激活鸡的__________免疫和__________免疫。 (5)利用水稻作为生物反应器生产r2HN疫苗的优点是________________ ________________________________________________________________________________________________________________________(答出两点即可)。 解析　(1)利用水稻细胞培育能表达r2HN的水稻胚乳细胞生物反应器，在胚乳中特异性表达的启动子在水稻胚乳细胞中更容易被RNA聚合酶识别和结合而驱动转录。Nos为终止子，终止子可以终止转录。r2HN基因内部不含载体的限制酶识别位点。KpnⅠ破坏了启动子序列不能选用，SacⅠ位于终止子序列之外不能选用，则为了将目的基因插入到载体的启动子和终止子之间，则需要用限制酶HindⅢ和EcoRⅠ对r2HN基因与载体进行酶切，用于表达载体的构建。(2)获得水稻愈伤组织后，通过农杆菌的侵染，使目的基因进入水稻细胞并完成转化。为检测r2HN基因表达情况，可通过PCR技术检测转录的r2HNmRNA，可从转基因水稻中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原—抗体杂交检测是否翻译出r2HN蛋白。(3)获得转基因植株后，通常选择单一位点插入目的基因的植株进行研究。单一位点插入目的基因的植株，则相当于杂合子，杂合子自交，后代含有r2HN基因的纯合子为1/4。由于纯合体自交后代不发生性状分离，具有遗传的稳定性，所以选择纯合体进行后续研究。(4)据图可知，实验组的抗体水平和CD8＋T细胞水平都比对照组高，说明通过体液免疫产生了抗体，通过细胞免疫产生了细胞毒性T细胞，即r2HN疫苗能够成功激活鸡的体液免疫和细胞免疫。(5)通过水稻作为生物反应器生产r2HN疫苗具有不受性别的限制、可大量种植、成本低、安全性高等优点。 答案　(1)在胚乳中特异性表达的　终止转录　HindⅢ　EcoRⅠ　(2)农杆菌转化　r2HNmRNA 　抗原抗体杂交　(3)1/4 　纯合体自交后代不发现性状分离　(4)体液　细胞　(5)不受性别的限制、可大量种植、成本低、安全性高 学科网（北京）股份有限公司 $$