3.3基因工程的应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

从社会中来 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？ 重组人胰岛素注射液 第三章 基因工程 3.3基因工程的应用 转入外源生长激素基因的“超级小鼠” 第三章 基因工程 3.3基因工程的应用 新课标 核心素养 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。 1.生命观念——举例说出植物基因工程、动物基因工程的成果及其给人类带来的影响。 2.社会责任——用基因工程培育优良品种或细胞产品，造福人类。 自20世纪70年代兴起后，得到飞速发展，展示出广阔前景。 医药卫生领域 食品工业方面 农牧业方面 基因工程的应用 (一）发展现状: 一、基因工程在农牧业方面的应用 1.1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。 2.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。 3.美国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%。 4.2017年，我国转基因作物的种植面积居世界第八位。商业化种植的有棉花、番木瓜。 5.在转基因动物方面，近些年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。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。 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。 转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排） (一）发展现状: 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 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 一、基因工程在农牧业方面的应用 (二）植物方面 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： (3)成果： 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。 转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。 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。(如几丁质酶基因、抗毒素合成基因） 2.转基因抗病植物 (2)方法： （1)背景： 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。 (3)成果： 转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。 植物凝集素可识别并结合入侵者的糖结构域，从而干扰该入侵者对植物产生的可能影响;植物凝集素的糖结合活性是针对外源寡糖，参与植物的防御反应。植物凝集素作为微生物与植物的共生介质，可防止植物病原菌对植物的危害;Mishkid等(1982)研究发现，植物凝集素常积累于病原菌易侵染的部位，预示着凝集素可能参与对病原菌的防御。植物病毒不含聚糖，没有凝集素的作用位点，因此植物凝集素对植物病毒无抑制作用。植物凝集素能结合真菌细胞、抑制孢子萌发和菌丝体生长。植物凝集素对真菌的抗生效应可能与它特异结合暴露于真菌细胞壁表面的糖复合物并导致真菌细胞壁及菌体结构形态改变有关，凝集素可与真菌表面的葡聚糖、半乳糖、甘露糖等多糖结合，干扰真菌细胞壁的合成，影响其细胞的正常代谢。 8 3．转基因抗除草剂植物 (1)背景： (2)方法： (3)成果： 种植转基因抗除草剂大豆的农田 用除草剂后的转基因抗除草剂玉来田 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。 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 转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等 一、基因工程在农牧业方面的应用 (二）植物方面 (1)方法： (2)实例： 利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。 ①将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中， 提高氨基酸的含量，科学家培育的某种转基因玉米中 赖氨酸的含量比对照高30%。 ②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，大大提高观赏价值。 高赖氨酸玉米 出现原本没有的花色变异，提升观赏价值 一、基因工程在农牧业方面的应用 (二）植物方面 4．改善植物的品质 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，提高氨基酸的含量，科学家培育的某种转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。 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，大大提高观赏价值。 10 一、基因工程在农牧业方面的应用 (三）动物方面 1.提高动物生长速度 原因：外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长更快 转入外源生长激素基因的“超级小鼠” 低乳糖奶牛 例：导入肠乳糖酶基因的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖含量大大降低。 乳糖耐受 （有乳糖酶） 乳糖不耐受 （无乳糖酶） 一、基因工程在农牧业方面的应用 (三）动物方面 2.改善畜产品的品质 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1/3的成年人对乳糖不耐受。为了解决这一问题,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。 12 【典例1】下列有关基因工程在农牧业方面应用的叙述，错误的是(　　) A.将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物，可培育出转基因抗病植物 B.将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育出转基因抗除草剂作物 C.将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物，可提高植物的营养价值 D.将基因工程生产的肠乳糖酶作为药物添加在牛奶中，可解决人的乳糖不耐受问题 解析：肠乳糖酶属于蛋白质，口服会被胃蛋白酶消化而失效，D错误。 D 【典例2】SOD是一种抗氧化酶，它能将O-2转化成H2O2，增强植物的抗逆性。下图为培育农作物新品种的一种方式。以下叙述正确的是(　　) C A.过程①可以用动物病毒作为运载体 B.从该农作物新品种的细胞中检测出了SOD基因，说明该基因工程成功了 C.新品种的获得属于可遗传的变异，可能将抗逆性状遗传给子代 D.基因工程又叫重组DNA技术，所用工具酶有限制酶、DNA连接酶和载体 解析　病毒的寄生具有专一性，所以过程①不能用动物病毒作为载体，A错误；从该农作物新品种的细胞中检测出具有活性的SOD才能说明该基因工程成功了，B错误；新品种的遗传物质发生了改变，属于可遗传的变异，抗逆性状可通过基因的传递遗传给子代，C正确；载体通常有质粒、动植物病毒和噬菌体，不是工具酶，D错误。 14 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。 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）药物类型： 细胞因子、抗体、疫苗和激素等。 （2）用途： （3）成果： 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，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。此外，干扰素对于治疗乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等也有一定的疗效。 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。 1980-1982年，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培养物中可以得到20—40mg干扰素。 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1mg干扰素。 抗生素≠干扰素 抗生素：抗细菌药物 干扰素：抗病毒药物 大肠杆菌为原核生物，无内质网和高尔基体，无法实现对干扰素进行加工和修饰，需要在体外进行进一步的加工。而酵母菌为真核生物，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。 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 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 ②培育过程： 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 显微注射 受精卵 泌乳期分泌乳汁 转基因动物 药物 发育 ③应用： 二、基因工程在医药卫生领域的应用 让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达 注意：启动子具有物种和组织的特异性 （指的就是相对应的转基因生物） 乳腺生物反应器:让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异性表达 17 思考讨论：乳腺生物反应器的优缺点 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.乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官 B.适合于表达高等动物体内的复杂蛋白 C.制备乳腺生物反应器的方法成熟 D.乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易 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。 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 思考：研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？ 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； 寻求可替代的移植器官，如用猪的器官来解决人类 器官移植的来源问题。 3.用转基因动物作为器官移植的供体 ①人体器官移植的难题： 人体移植器官短缺是世界性难题 ②解决途径： 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 猪的优点： 最大难题： 免疫排斥 ③改造方法： 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。 二、基因工程在医药卫生领域的应用 （目的基因） 一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。 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 三、基因工程在食品工业方面的应用 1.基因工程菌： 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.实例： （1）阿斯巴甜： 三、基因工程在食品工业方面的应用 2.实例： （2）凝乳酶： ①应用： 奶酪生产中用来凝聚固化奶中的蛋白质 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基因工程制备方法： ②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 三、基因工程在食品工业方面的应用 2.实例： 基因工程获得的工业用酶的纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。 （3）淀粉酶、脂酶： ①应用： ②制备方法： 加工转化糖浆需要淀粉酶，加工烘烤食物要用到脂酶。 构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。 ③优点： ①培育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。 纤维素酶基因 细菌 玉米 乙醇单位产量的利润提高了8%~15% 四、基因工程在其他方面的应用 转基因玉米中的纤维素被水解产生葡萄糖，再提供给微生物进行发酵产生酒精 23 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 分析比较： 【典例1】利用转基因山羊乳腺生物反应器生产丁酰胆碱酯酶，可治疗有机磷中毒。下列叙述错误的是(　　) A.应该用山羊乳腺中特异表达的基因的启动子构建基因表达载体 B.通过体细胞克隆可将丁酰胆碱酯酶基因传递给子代 C.通过显微注射法将基因表达载体导入山羊乳腺细胞 D.山羊乳腺细胞可将肽链加工成具有一定空间结构的丁酰胆碱酯酶 C 【典例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 C 25 【课堂小结】 基因工程的应用 农牧业 医药卫生 干扰素 乳腺生物反应器 移植器官工厂 食品工业 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瞟吟和尿嘧啶的含量相等 C 练习与应用（P92） 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 练习与应用（P92） 二、拓展应用 1. 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“转入外源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_______________________等处理含有目的基因的DNA片段和Ti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用草甘膦同时喷洒转基因植和对照组植株。 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 练习与应用（P92） 矮牵牛 转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性 二、拓展应用 1. 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。 (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。 对照组为非转基因矮牵牛 练习与应用（P92） 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，比较它们对草甘膦抗性的差异 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 (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。( ) 解析：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。 (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。( ) 解析：植物激素无法对动物起作用，应导入外源生长激素基因。 √ × × 【基础过关】 (4)干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上广泛用于病毒感染性疾病的治疗，对于癌症则没有效果。( ) 解析：干扰素对于治疗乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤等也有一定的疗效。 (5)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，通过显微注射法导入哺乳动物的受精卵中制成乳腺生物反应器。( ) × √ C 1.下列有关基因工程的成果及应用的说法，正确的是(　　) A.利用基因工程技术培育试管婴儿 B.基因工程在畜牧业上的应用主要是培育体型巨大、品质优良的动物 C.基因工程在农业上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和抗除草剂等的农作物 D.用基因工程方法培育的抗虫植物也能抗病毒 【当堂训练】 解析　试管婴儿是胚胎工程应用的实例，A错误；基因工程在畜牧业上的应用主要是提高动物的生长速率、改善畜产品品质等，B错误；用基因工程方法培育的抗虫植物只能抗虫，不能抗病毒，D错误。 33 B 2.下列关于利用乳腺生物反应器生产药用蛋白的叙述，错误的是(　　) A.需要将编码药用蛋白的基因与能在乳腺中特异性表达的基因的启动子等调控元件重组在一起 B.可以使用感受态细胞转化法将基因表达载体导入受体细胞 C.需要借助于早期胚胎培养和胚胎移植技术培育出转基因动物 D.药物的生产会受到转基因动物性别和年龄的限制 解析　培育转基因动物，通常采用显微注射法将目的基因导入动物受精卵，B错误。 34 3.通过基因工程技术，可以将抗草甘膦基因导入大豆，培育出抗除草剂作物。下列相关叙述，错误的是(　　) A.构建基因表达载体时要用到耐高温的DNA聚合酶和DNA连接酶 B.可以用农杆菌转化法将目的基因导入受体细胞 C.培育过程需要借助植物组织培养技术 D.需要在分子水平和个体水平上对目的基因进行检测和鉴定 A 解析　构建基因表达载体不需要耐高温的DNA聚合酶，需要的是限制性内切核酸酶和DNA连接酶，A错误。 35 $$