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.引导学生结合生活或生产实例，举例说出基因工程及相关技术的基本原理。（生命观念） 2.让学生构建基因工程的操作流程模型和模拟表达载体的构建过程，归纳和整理目的基因检测与鉴定的方法，掌握基因工程基本操作程序的四个步骤。（科学思维、科学探究） 3.引导学生讨论与生物技术和工程有关的社会热点话题，培养学生的民族自豪感和社会责任感。（社会责任） 教学重难点 重点:基因工程基本操作程序的四个步骤 难点:基因表达载体构建过程中限制酶的选择、目的基因导入受体细胞的方法的选择及原理。 · 教学方法 采用教法：讲授法、讨论法、多媒体辅助教学以及案例分析等多种教学方法, · 课时安排 1课时 · 教学准备 载体图、Bt基因片段、多媒体、白板、学案、PPT等。 教学设计 导入新课 新疆棉事件大家听过吗？新疆棉是我国重要的经济作物，近年来因其品质和产量优势而引发了国际贸易争端。 其实早在20多年前这场经济战就已经就开始了，最后郭三堆研究员带领着我国取得了胜利，现在让我们来回顾下。 (设计意图:利用转基因抗虫棉作为背景进行情境导入,能激发学生的学习兴趣和民族自豪感，同时引出本节课要解决的问题,效果较好。) 任务一、目的基因的筛选与获取 学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图 目的基因的筛选与获取 【播放视频】 播放转基因抗虫棉产生背景。 【提出问题】 棉花为什么能够抗虫？ 培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤？ 【资料分析】 资料1.1911年，德国人发现具有很强的杀虫能力的细菌——苏云金杆菌是一种能产生苏云金杆菌伴孢晶体蛋白(Bt抗虫蛋白)的革兰氏阳性细菌，Bt抗虫蛋白对鳞翅目害虫（如棉铃虫）具有高效毒性。 资料2.科学家将Bt基因导入棉花，使其具备抗虫性。Bt基因编码的Bt蛋白可在昆虫肠道中造成致命破坏。 【提出问题】 阅读教材P76～79并根据以下资料完成下列问题。 1.目的基因主要是指______________。 2.获取目的基因的方法有哪些？ 【过渡】 科研工作者在实际研究中利用了PCR来快速扩增Bt基因，让我们来看看这个过程吧。 【播放视频】 播放介绍PCR反应过程的视频，带领学生逐步分析。 【提出问题】 3.PCR技术与生物体内DNA复制的比较 4.PCR过程中为什么需要引物? 5.PCR扩增目的基因时,复性温度的设定是成败的关键。复性温度过高会破坏引物与模板的碱基配对,复性温度过低又会造成引物不能与DNA模板链的特定部位结合。复性温度的设定与引物长度、碱基组成有关。假设引物的长度相同,在GC含量高时,对复性温度的设定有什么要求?说明理由。 6.在利用PCR扩增目的基因时，从第几轮循环开始能稳定产生等长的目的DNA片段？画出过程简图进行说明。 观看视频思考并回答问题。 分析资料回答问题。 观看视频，学习PCR扩增过程并思考回答问题 能够从视频中获取信息，准确回答问题。 自主思考并回答问题准确。 小组合作完成思考题并展示 联系社会热点和生活实际，通过介绍我国科技成就增强学生的民族自豪感，利用问题启迪学生思维 让学生明确获取目的基因的基本方法，体会科学家研究思路。 借助动态视频呈现PCR反应过程，可以降低学生的学习难度，增加学习动力，便于学生理解。 任务二、基因表达载体的构建 学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图 基因表达载体的构建 【回扣教材】 阅读教材P80并完成下列问题。 【提出问题】 1.直接将合成的Bt基因导入到棉花细胞中可以吗？为什么？ 2.构建表达载体的根本目的是使外源基因在受体细胞中能够怎样？ 3.基于表达载体构建的目的，表达载体应含有哪些元件？ 【模型构建】 引导学生根据所提供的载体、Bt基因，尝试构建表达载体。 回顾上节课所学内容和课前预习内容并回答问题，进一步巩固上节课所学内容，并对预习内容进行检测。 合理推测基因表达载体构成。 小组合作完成模型构建，小组长完成评级量表。 能够独立完成思考题并展示，小组间相互评价。 小组合作完成模型并展示，组间相互点评更正。 通过分析基因表达载体具备的条件和构建的目的，归纳基因表达载体的构成，并将所学知识通过构建模型的方法融会贯通，学以致用。 任务三、将目的基因导入受体细胞 学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图 将目的基因导入受体细胞 【资料分析】 资料1.目前常用的将目的基因导入动物细胞的方法有三种，一是显微注射法即在显微镜下，利用微针将目的基因直接注射到动物细胞中；二是电穿孔法即通过短暂的高强度电脉冲，使细胞膜形成临时孔隙，允许目的基因进入细胞；三是病毒载体转染法即利用改造的病毒作为载体，侵染宿主细胞时将目的基因导入宿主细胞。 资料2.目前常用的将目的基因导入微生物细胞的方法主要是感受态细胞法即通过化学处理（如钙离子处理）使微生物细胞处于感受态，细胞膜通透性增加，易于吸收外源DNA；电穿孔法和病毒载体转染法也可用于目的基因导入微生物细胞。 【提出问题】 结合资料阅读教材P80～81内容回答下列问题： 1.梳理目的基因导入受体细胞的方法 受体细 胞类型 方法 说明 特点 植物 细胞 　　  将目的基因插入农杆菌Ti质粒的T-DNA中→转入农杆菌→用农杆菌侵染植物细胞→将目的基因整合到植物细胞的染色体DNA上→目的基因表达 适用于双子叶植物和裸子植物,尤其适用于双子叶植物 　　  在植物受粉后,花粉形成的花粉管还未愈合前,剪去柱头→滴加DNA(含目的基因)溶液,使目的基因借助花粉管通道进入受体细胞→目的基因表达 我国科学家独创的一种方法 动物 细胞 　　  将含有目的基因的表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→注射了目的基因的受精卵,经胚胎早期培养后,移植到雌性动物的输卵管或子宫内→获得具有新性状的动物 将目的基因导入动物细胞最为有效的方法 微生物 细胞 　　　 用Ca2+处理微生物细胞→感受态细胞→将基因表达载体与感受态细胞混合→在一定温度下促进感受态细胞吸收DNA分子 简便、经济、有效 2.农杆菌转化法能否直接用于单子叶植物？原因是什么？ 通过资料分析和阅读教材梳理将目的基因导入不同受体细胞的方法及特点 明确农杆菌转化法的流程和原理。 小组合作完成思考题并展示互评。 让学生通过阅读资料和教材基础知识，感受真实的科研操作过程，拓展视野，了解更全面的技术和科学家的开拓精神。 任务四、目的基因的检测与鉴定 学习任务 教师活动 学生活动 评价设计 设计意图 目的基因的检测与鉴定 【小组活动】 阅读教材82页内容，结合已经构建的表达载体图，设计筛选、检测、鉴定抗虫棉方案并回答下列问题。 【提出问题】 1.如何检测棉花的DNA上是否插入了Bt基因? 2.如何检测Bt基因是否转录出了mRNA? 3.如何检测Bt基因是否翻译成Bt抗虫蛋白? 4.如何鉴定转基因棉花最终获得抗虫的新性状? 【归纳总结】 用思维导图的形式从分子水平、细胞水平和个体水平三个方面归纳目的基因检测和鉴定的方法 思考回答问题并从不同水平的角度了解检测与鉴定的方法。 小组合作完成思考题并展示互评。 形成思维导图并互评更正。 让学生结合已有的遗传学知识和基因表达相关知识推测和归纳检测与鉴定目的基因的几个水平，用思维导图的形式对知识进行整合，利于学生对知识的理解和掌握 评价反馈 完成学案中的当堂训练。 课堂小结 带领学生根据板书小结本节课内容。 布置作业 完成素养专练（30分钟）。 教学反思 以抗虫棉研发等真实情境为切入点，结合学生认知水平加工素材，设计梯度问题串，引导学生将学科知识应用于解决实际问题。例如，通过分析抗虫基因导入棉花细胞的技术流程，培养学生分析科学问题的思维。通过小组讨论、实验操作（如PCR模拟）等活动，强化学生的参与感和知识应用能力。通过流程图、概念图等工具，将抽象过程（如重组质粒构建）具象化，降低理解难度。课堂实施中，学生讨论积极，能深入思考问题并提出新见解，说明情境设计与问题引导有效激发了学生的科学思维。布置课前课后分享任务，引导学生关注基因编辑（如CRISPR-Cas9）、合成生物学等前沿技术，培养创新意识和社会责任感。例如，讨论转基因食品的伦理争议，提升学生的科学伦理素养。 课堂还存在不足，如教师讲解过多，建议今后采用“翻转课堂”等模式，提前制作微课视频让学生课前自主预习，课堂以小组探讨和实验设计为主，提高课堂效率与学生参与度。接下来可以采用“翻转课堂”模式，将基础内容录制成微课供学生预习，课堂时间聚焦难点讨论和实验设计，充分激发学生主动性。 板书设计 第2节　基因工程的基本操作程序 1.目的基因的筛选和获取-前提 利用PCR获取和扩增、化学方法人工合成 2.构建基因表达载体-核心 目的基因、启动子、终止子、标记基因 3.将目的基因导入受体细胞-关键 农杆菌转化法(植物)、显微注射法(动物) 、感受态细胞转化法(微生物); 4.目的基因的检测与鉴定-保证 分子检测：是否插入、转录、翻译 个体水平：是否具有抗性以及抗性强度等。 备课资源 1.合成生物学前言技术简介 合成生物学（Synthetic Biology）是21世纪兴起的交叉学科，结合生物学、工程学、信息学等，旨在通过设计、改造或从头合成生物系统实现特定功能。其核心策略是“设计-构建-测试-学习”（DBTL）循环。设计是指利用生物元件库和计算机辅助工具规划基因、代谢通路或基因组。构建是指通过基因编辑（如CRISPR）、DNA合成等技术组装生物元件。测试是指验证构建系统的功能，如生产目标产物或响应环境信号。学习是指通过数据分析优化系统，进入下一轮循环。 （1）应用领域 医药：生产低成本药物（如胰岛素、疫苗），如利用微生物发酵合成青蒿素。开发基因疗法，如CAR-T细胞治疗癌症。 化工与材料：制造生物基塑料（如PHA）、生物燃料，替代化石能源。设计环保材料，如可降解包装膜。 农业：改良作物（抗旱、抗虫），如抗枯萎病金茶花。开发微生物肥料和生物农药，减少化肥使用。 食品：生产人造肉、奶等替代品，降低碳排放。合成食品添加剂（如天然香料）。 环保：利用微生物降解污染物（如石油泄漏）。设计固碳生物系统，助力碳中和。 （2）最新进展 技术突破：CRISPR基因编辑精度提升，可编辑多个基因。人工智能（AI）辅助设计生物元件，加速开发进程。 市场规模：全球合成生物学市场预计2028年达500亿美元，医疗健康为最大细分领域。 政策支持：中国将合成生物学列为战略性新兴产业，多地出台产业集群政策。 （3）其他前沿技术 基因编辑技术（CRISPR-Cas9）：利用RNA引导Cas9蛋白切割特定DNA序列，实现基因敲除、插入或修饰。目前主要应用于培育抗病作物（如抗虫棉）和治疗遗传病（如囊性纤维化）。 人工智能与生物技术融合：利用AI辅助设计预测蛋白质结构、优化代谢通路，提升合成生物学效率。利用机器人完成基因合成、细胞培养，提高实验通量。 生物传感器与生物电子器件：利用生物分子（如酶、DNA）与电子元件结合，实现高灵敏检测。目前主要应用于实时监测血糖、病原体和检测水质污染物。 （4）未来趋势 绿色制造：合成生物学推动化工、材料领域向低碳转型。 个性化医疗：结合患者基因数据，定制治疗方案。 伦理挑战：需平衡技术发展与生物安全，规范基因编辑应用。 2.基因枪法 基因枪法（Gene Gun Method），又称粒子轰击技术（Particle Bombardment）或生物弹道技术（Biobalistics），是一种通过高速金属微粒将外源基因直接导入细胞或组织中的基因转移方法。该技术自1983年由美国康奈尔大学（Cornell University）的John C. Sanford等科学家开发以来，已在植物、动物及微生物的遗传转化研究中得到广泛应用。 （1）基本原理 基因枪法利用高压气体（如氦气或氮气）产生的冲击波，将表面吸附有外源DNA的微小金属颗粒（通常为金粉或钨粉，直径0.5~5微米）加速至极高速度（约每秒数百米），轰击靶细胞或组织。金属微粒穿透细胞壁和细胞膜，将外源DNA直接送入细胞质，部分DNA最终进入细胞核并整合到宿主基因组中，实现基因转移。 （2）操作步骤 微弹制备：将外源DNA溶液与金属微粒（金粉或钨粉）混合，通过添加氯化钙 （CaCl₂）或聚乙二醇（PEG）使DNA吸附在微粒表面。 微粒经无菌处理后，悬浮于无水乙醇中备用。 靶组织处理：选择适合的靶组织，如植物愈伤组织、胚性细胞、叶片或未成熟胚等，这些组织通常具有较高的分裂活性，易于接受外源DNA。 靶组织在轰击前需置于基因枪的轰击室中，保持适当湿度和温度。 轰击：将吸附有DNA的金属微粒装入基因枪的微粒载体，调整轰击参数（如气体压力、轰击距离和微粒速度）。启动基因枪，使微粒在高压气体驱动下轰击靶组织。 筛选与再生：轰击后的组织需进行筛选，以分离出成功转化的细胞。常用方法包括抗生素抗性筛选（如卡那霉素或潮霉素）或荧光标记筛选。将筛选出的细胞进行再生培养，获得转基因植株或细胞系。 （3）应用场景 植物转基因：基因枪法广泛应用于转基因植物研究，尤其是对农杆菌介导法不敏感的单子叶植物（如玉米、水稻）。成功案例包括抗虫棉、抗除草剂作物等。 动物与微生物转基因：用于将外源基因导入动物细胞（如哺乳动物神经细胞、肌肉细胞）及微生物细胞中，进行基因功能研究或遗传改良。 基因治疗研究：在基因治疗领域，基因枪法可用于将治疗性基因导入特定组织或细胞，探索疾病治疗新方法。 （4）优缺点 优点：具有广泛适用性，可应用于几乎所有类型的细胞和组织，包括难以通过其他方法转化的细胞。无宿主限制，不依赖农杆菌等载体，适用于单子叶植物及非植物受体。操作简便，无需复杂设备，实验步骤相对简单。可重复性好，实验条件易于控制，结果重现性高。 缺点：设备昂贵，基因枪设备成本较高，限制其普及。转化效率较低，通常转化率为8%~10%，低于农杆菌介导法。细胞损伤，高速微粒轰击可能对细胞造成物理损伤，影响细胞活性。随机整合，外源基因在基因组中的整合位置随机，可能导致位置效应，影响基因表达。 第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $$