3.2基因工程的基本操作程序教学设计-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第3章基因工程 第2节　基因工程的基本操作程序 教学分析 · 教学目标 1.引导学生运用系统思想解释基因工程的基本步骤和原理。（生命观念） 2.引导学生能结合情境和资料，采用归纳与概括、模型与建模的方法，以文字或图示的形式，掌握目的基因的筛选与获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定的具体方法。（科学思维） 3.组织学生结合PCR扩增DNA片段并完成电泳鉴定实验，掌握实验原理和操作。（科学探究） · 教学重难点 重点:1.PCR技术的原理和应用。 2.基因表达载体构建的方法和目的。 3.将目的基因导入受体细胞的方法。 4.目的基因检测与鉴定的方法。 难点:基因表达载体构建过程中限制酶的选择原则，以及PCR扩增目的基因的原理和电泳鉴定结果的正确分析。 · 教学方法 采用讲授法、讨论法、探究法、多媒体辅助教学法等教学方法 · 课时安排 2课时 · 教学准备 4种脱氧核苷酸等量混合液、2种引物、TaqDNA聚合酶、模板DNA、扩增缓冲液、无菌水、电泳缓冲液、凝胶载样缓冲液、琼脂糖和核酸染料、PCR仪、微量离心管、微量移液器、一次性吸液枪头、电泳装置；多媒体，白板，学案，PPT等。 教学设计 导入新课 1997年,我国政府首次批准商业化种植转基因抗虫棉。到2015年,我国已育成转基因抗虫棉新品种100多个，减少农药用量40万吨，增收节支社会经济效益450亿元。你知道转基因抗虫棉抗虫的机制是什么吗?培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤? 结合图片中抗虫棉的培育过程，总结出基因工程的4个步骤：目的基因的筛选与获取；基因表达载体的构建；将目的基因导入受体细胞；目的基因的检测与鉴定。 (设计意图: 联系生活实际，激发学生的学习兴趣。创设问题情景，导入新课。) 探究一、目的基因的筛选与获取 教学任务：通过各种方式引导学生掌握目的基因概念、目的基因的筛选与获取方法、 PCR技术扩增目的基因的原理和过程。 教师活动： 1.引导学生阅读教材P76～79，PPT展示并讲解目的基因、基因结构，提问：基因的概念、目的基因的筛选与获取方法是什么？ ①目的基因 概念：在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。主要指的是编码蛋白质的基因，也可以是一些具有调控作用的因子。 ②补充基因的结构 ③筛选合适的目的基因 较为有效的方法：从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选。实例：在培育转基因抗虫棉之前，科学家不仅掌握了Bt基因的序列信息，也对Bt基因的表达产物——Bt抗虫蛋白有了较为深入地了解。 ④目的基因的获取 人工合成目的基因：人工化学合成的DNA分子长度有限，且在短时间内合成的数量有限；利用PCR获取和扩增目的基因；通过构建基因文库获取目的基因。 2.分步讲解PCR扩增目的基因过程，展示PCR扩增技术获得Bt基因部分过程的图片，引导学生观察并思考相关问题。 3.组织学生分组讨论问题，巡视并参与部分小组讨论，及时给予指导和启发。 4.邀请各小组代表发言，分享讨论结果，并进行总结归纳。 学生活动： 1. 观察图片，结合已有知识，独立思考问题。 1.利用PCR技术扩增目的基因需要提供什么条件？ 2.DNA复制时为什么需要引物？ 3.在PCR过程中，引物是什么？PCR过程引物的作用是什么？ 4.构建模型：请根据图示，利用引物A、B画第二、三轮PCR。 5.PCR所需引物是依据________的一段已知序列设计而成的，图中引物A与引物B_______(填“相同”或“不同”)，其在PCR过程中______(填“能”或“不能”)重复利用。 6.图中所示利用PCR技术扩增目的基因，在第______轮循环产物中开始出现两条脱氧核苷酸链等长的DNA片段，出现____个这样的等长的DNA片段。一个目的基因分子在第3次扩增时，需要________种引物，需要________个引物。如果循环n次，则共需消耗________对引物。 7.用PCR技术可以扩增mRNA吗？ 2.分组讨论，积极发表自己的观点，尝试解答问题，倾听其他小组的发言，补充和完善自己的理解。 展示答案： 1.模板、酶、原料、引物以及特定的温度。 2.在DNA扩增时，DNA聚合酶不能从头开始合成DNA，只能从引物的3′端延伸DNA链，因此DNA复制时应加入两种引物。 3.引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。使DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸。 4. 5.目的基因　不同　不能 6.3 2 2　8 (2n－1) 7.mRNA不可以直接扩增，需要将它逆转录成cDNA再进行扩增。 3.教师点评后及时归纳整理。 PCR技术与生物体内DNA复制的比较 比较项目 PCR技术 DNA复制 区别 解旋方式 DNA在高温作用下变性解旋  解旋酶催化  场所 细胞外(在PCR扩增仪内)  细胞内(主要在细胞核内)  酶 耐高温的DNA聚合酶 解旋酶、普通的DNA聚合酶等  温度条件 需控制温度,在较高温度下 细胞内温和条件下  合成的对象 DNA片段或基因 DNA分子 联系 ①模板:均需要脱氧核苷酸链作为模板进行物质合成;  ②原料:均为4种脱氧核苷酸;  ③酶:均需要DNA聚合酶进行催化;  ④引物:均需要引物,使DNA聚合酶从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸  评价设计： 小组成员及评价（根据完成程度打分0～10分） 成员1 成员2 成员3 能够准确从图片和文本中获取有效信息，能构建模型 能积极参与小组讨论 展示答案时能准确描述出来 (设计意图: 通过图片和问题，引导学生自主探究PCR技术的相关知识，培养学生合作学习和交流表达的能力。) 探究二、基因表达载体的构建 教学任务：阅读教材P80第1～3段，结合图3-6，明确基因表达载体的目的、组成和过程，以及限制酶的选择技巧。 教师活动： 1.展示质粒和目的基因图，引导学生分析并思考基因表达载体构建问题： 1. 获取Bt基因后能不能直接将它导入受体细胞？为什么？ 2.构建基因表达载体的目的是什么？ 3.目的基因插入载体时，插入位点是不是随意的？为什么？ 4.据图分析，构建基因表达载体时，能否用限制酶Sma Ⅰ切割质粒？为什么？ 5.用同一种限制酶分别切割质粒和外源DNA构建重组DNA的方法，称为“单酶切法”。如使用限制酶EcoRⅠ分别切割质粒和外源DNA，其结果如下，分析下列回答： ①黏性末端1与2能被DNA连接酶连接吗？黏性末端3与4呢？ ②黏性末端1与3、2与4能被DNA连接酶连接吗？1与4、2与3呢？ 6.用两种能产生不同黏性末端的限制酶分别同时切割质粒和外源DNA构建重组DNA的方法，称为“双酶切法”。如使用限制酶BamHⅠ和HindⅢ分别同时切割质粒和外源DNA，其结果如下，分析下列回答： 2 黏性末端1与2能被DNA连接酶连接吗？黏性末端3与4呢？ ②黏性末端1与3、2与4能被DNA连接酶连接吗？1与4、2与3呢？ 3 通过上述分析，与“单酶切法”相比，“双酶切法”有何优点？ 2.组织学生分组讨论问题，巡视并参与部分小组讨论，及时给予指导和启发。 3.邀请各小组代表发言，分享讨论结果，并进行总结归纳。 4.讲解限制酶的选择技巧，结合图示进行分析说明。 【归纳提升】限制酶的选择技巧 根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类 (1)应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选择Pst Ⅰ。 (2)不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶，如图甲不能选择Sma Ⅰ。 (3)为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒，如图甲也可选择用Pst Ⅰ和EcoRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)。 学生活动： 1.观察图示，结合已有知识，独立思考完成问题（上面已呈现）。 2.分组讨论，积极发表自己的观点，尝试解答问题。 展示答案： 1.不能，是因为游离的DNA进入受体细胞，一般会直接被分解，即使可以转录翻译成蛋白质，游离的DNA片段也无法随着细胞分裂而进行复制，导致子代细胞中不再含有目的基因。 2.让目的基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。 3.不是，目的基因应插入到启动子和终止子之间的部位，因为只有插入在启动子和终止子之间，目的基因才可以正常表达。　　　 4.不能；因为Sma Ⅰ会破坏质粒的抗生素抗性基因。质粒上的抗生素抗性基因是标记基因，便于重组DNA分子的筛选，若被破坏，无法进一步筛选。 5.①能，能。②都能，都能。 6.①不能，不能。②能，能，不能，不能。③可以防止质粒和目的基因的自身环化以及目的基因与质粒的反向连接。 3.倾听其他小组的发言，补充和完善自己的理解。 评价设计： 小组成员及评价（根据完成程度打分0～10分） 成员1 成员2 成员3 能积极参与小组讨论 展示答案时能准确、完整描述出来 思考有深度 (设计意图:通过图示和问题，引导学生自主探究基因表达载体构建的相关知识，培养学生合作学习和分析问题的能力。） 探究三、将目的基因导入受体细胞及目的基因的检测与鉴定 教学任务：阅读教材P80～82，结合资料，通过讨论分析掌握将目的基因导入受体细胞的方法及目的基因检测与鉴定的方法。 教师活动： 1.展示利用农杆菌转化法制备转基因抗虫棉的过程图，引导学生分析并思考相关问题： 1.在用农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞的过程中，一定要将目的基因插入Ti质粒的T－DNA上的原因是什么？ 2.将基因表达载体导入农杆菌细胞时，应怎样处理农杆菌细胞？ 3.农杆菌转化法是将目的基因导入双子叶植物和裸子植物的一种方法，原因是双子叶植物和裸子植物能够产生一种吸引农杆菌的化学物质，而单子叶植物不能产生这种物质，能不能利用农杆菌转化法将目的基因导入单子叶植物？说明原因。 4.目的基因导入动物细胞时，常用的受体细胞是什么？ 5.检测棉花的染色体DNA上是否插入了Bt基因或检测Bt基因是否转录出了mRNA，用_________________等方法;从转基因棉花中提取____________，用相应的________进行________________，检测Bt基因是否翻译成Bt抗虫蛋白等，其次，还需要进行个体生物学水平的鉴定。例如，通过___________来确定Bt基因是否赋予了棉花抗虫特性以及抗性的程度。 2.组织学生分组讨论问题，巡视并参与部分小组讨论，及时给予指导和启发。 3.邀请各小组代表发言，分享讨论结果，并进行总结归纳。 4.补充讲解其他常见的将目的基因导入受体细胞的方法。 比较项目 将目的基因导入动物细胞 将目的基因导入微生物细胞 方法 显微注射技术 Ca2＋处理法 受体细胞 受精卵 微生物细胞 过程 目的基因表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物 一般先用Ca2＋处理大肠杆菌细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，然后再将重组的基因表达载体导入其中 学生活动： 1.观察利用农杆菌转化法制备转基因抗虫棉的过程图，结合已有知识，独立思考将目的基因导入受体细胞及目的基因的检测与鉴定问题。 2.分组讨论，积极发表自己的观点，尝试解答问题。 展示答案： 1.原因是农杆菌中的Ti质粒上的T－DNA(可转移的DNA)可转移至被侵染的细胞，并且整合到该细胞的染色体DNA上。 2.基因表达载体(重组质粒)导入农杆菌细胞时，要用Ca2＋处理农杆菌细胞，使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，利于重组质粒的导入。 3.能，可从双子叶植物中提取该化学物质，再用该化学物质处理单子叶植物细胞，然后就可用农杆菌转化法将目的基因导入单子叶植物细胞。 4.对于动物来说，受体细胞一般是受精卵，因为受精卵表现全能性相对容易，而高度分化的动物体细胞的全能性不易表现。 5.PCR　蛋白质　抗体　抗原—抗体杂交　采摘抗虫棉的叶片饲喂棉铃虫 3. 倾听其他小组的发言，补充和完善自己的理解。 评价设计： 小组成员及评价（根据完成程度打分0～10分） 成员1 成员2 成员3 能积极参与小组讨论 展示答案时能准确、完整描述出来 思考有深度 (设计意图:通过图示和问题，引导学生自主探究将目的基因导入受体细胞及检测与鉴定的相关知识，培养学生合作学习和分析问题的能力。） 探究四、DNA片段的扩增及电泳鉴定 教学任务：自主阅读教材P84～85，结合资料，掌握DNA片段的扩增及电泳鉴定的方法和原理。 教师活动： 1.引导学生阅读教材，讲解实验原理、材料用具和实验流程，给学生观看视频，然后进行实验。 2.组织学生思考相关问题； 展示问题： 1．是否成功扩增出DNA片段，判断的依据是什么？ 2．进行电泳鉴定的结果如果不止一条条带，请分析产生这个结果的可能原因。 3.分组讨论问题，巡视并参与部分小组讨论，及时给予指导和启发。 4. 邀请各小组代表发言，分享讨论结果，并进行总结归纳。 学生活动： 1.自主学习教材，迅速梳理实验原理、材料用具、实验步骤，听老师讲解后观看视频。 2.以小组为单位进行DNA片段的扩增及电泳鉴定实验。 3.观察实验现象，记录数据，总结实验注意事项，完成学案问题。 4.分组讨论，积极发表自己的观点，尝试解答问题。 展示答案 1．可以通过在紫外灯下直接观察DNA条带的分布及粗细程度来评价扩增的结果。 2．如果扩增结果不止一条条带，可能的原因有：引物设计不合理，它们与非目的序列有同源性或容易聚合形成二聚体；复性温度过低；DNA聚合酶的质量不好等。 评价设计： 小组成员及评价（根据完成程度打分0～10分） 成员1 成员2 成员3 能积极参与实验 实验操作准确、规范 展示成果时能准确、完整描述出来 能与小组成员齐心协力、共同协作 (设计意图:通过阅读教材、观看实验视频，引导学生自主探究DNA片段的扩增及电泳鉴定的相关知识，培养学生合作学习和分析问题的能力。） 评价反馈 完成当堂训练。 课堂小结 布置作业 完成课后练习（30分钟）。 教学反思 在本节课的教学过程中，通过多种教学方法的综合运用，如讲授法、讨论法、探究法和多媒体辅助教学法等，引导学生逐步深入地理解基因工程的基本操作程序。在探究目的基因的筛选与获取时，学生对PCR技术的原理和过程有了较为清晰的认识，但在一些细节问题上，如引物的作用和特点，部分学生仍存在理解困难，需要在今后的教学中通过更多的实例和实验演示进行强化。在基因表达载体构建的教学中，学生对限制酶的选择和使用技巧掌握较好，但在实际应用中如何灵活运用还需进一步训练。对于将目的基因导入受体细胞及检测与鉴定的内容，学生对不同方法的适用对象和操作要点有了基本了解，但在实际操作层面还缺乏经验，建议今后增加实验教学环节，例如组织小型专题实验，如PCR扩增模拟操作等，让学生亲身体验，以加深理解和掌握。整体来看，学生在课堂讨论和探究活动中表现积极，思维活跃，但仍有个别学生参与度不够，需要在今后的教学中更加关注这些学生，采取个别辅导和小组互助等方式，激发他们的学习兴趣和积极性，确保每个学生都能跟上教学进度和要求。 板书设计 第2节 基因工程的基本操作程序 1. 目的基因的筛选与获取 • PCR技术扩增目的基因: 琼脂糖凝胶电泳鉴定实验 2. 基因表达载体的构建 • 目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在、遗传给下一代并表达发挥作用 • 方法：用同一种或两种限制酶切割质粒和外源DNA，形成相同的黏性末端，再用DNA连接酶连接 3. 将目的基因导入受体细胞 • 方法：农杆菌转化法、花粉管通道法、显微注射法、Ca2+处理法 4. 目的基因的检测与鉴定 • 分子水平检测：检测转基因生物染色体DNA上是否插入了目的基因、目的基因是否转录出了mRNA、目的基因是否翻译成蛋白质 • 个体生物学水平鉴定：如抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等备课资源 1．获取目的基因的方法之一——从基因文库中获取目的基因 将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因，称为基因文库(gene library)。基因文库就像一座图书馆，每一个基因就是一本书。如果一座“图书馆”中包含了一种生物所有的基因，那么，我们就可以说这个基因文库很大，就像国家图书馆，这种基因文库叫作基因组文库(genomic library)。也有一些基因文库比较小，就像某个市或某个单位的图书馆，只包含了一种生物的一部分基因，这种基因文库叫作部分基因文库，如cDNA文库。怎样从基因文库中得到我们所需的目的基因呢?这还是件比较复杂的事情，简单地说就是根据目的基因的有关信息，例如，根据基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA，以及基因的表达产物蛋白质等特性获取目的基因，常用放射性或荧光标记的DNA探针进行检测。 类比拓展：用DNA探针从基因文库中准确提取目的基因 由于DNA双链的核苷酸序列是彼此互补的，当DNA分子杂交时，首先使双链解开（该过程称为变性），根据所需基因的核苷酸序列制成一段与之互补的核苷酸短链，并用同位素标记，即成为探针。用这一探针检查基因文库中已经变性的DNA片段，如果有一个DNA片段能和探针片段互补结合而成双链（分子杂交），这一片段即含有所需要的基因。 2.真、原核细胞基因的结构和表达 (1)基因的结构 (2)基因表达遗传信息 ①原核生物基因 ②真核生物基因 3．启动子的类型 根据启动子的转录模式，可分为：①组成型启动子，能够调控基因的表达，使其基本恒定在一定程度上，从而使基因在不同部位或组织中的表达水平不存在明显差异。这类启动子一般来自管家基因，可连续不断地启动基因的表达。②组织特异性启动子，其调控作用使得基因往往只在某些特定器官或组织中表达，且表现出发育调节的特性。其最大的优势是其启动的外源基因在受体中仅在需要的部位特异表达，克服了组成型启动子启动的外源基因在受体植物中非特异、持续、高效表达所造成的浪费，增加了转基因的效果。③诱导型启动子，当诱导物存在时，启动子活性才会被激活或抑制，从而调控基因的表达。 4．复制水平的检测(DNA分子杂交技术) (1)原理：碱基互补配对原则。 (2)基因探针：用放射性同位素或荧光物质标记的目的基因。 (3)检测受体细胞是否含目的基因的具体过程： 第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $$