3.2 基因工程的基本操作程序（第1课时）课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

该高中生物学课件核心围绕PCR技术展开，从DNA复制的半保守性及体内复制条件切入，通过“体外复制怎么改进”的问题引导，建立DNA复制与PCR技术的关联，搭建学习支架。 其亮点在于结合生命观念对比PCR与DNA复制异同，通过循环计算表格和引物设计分析培养科学思维与探究实践能力，采用对比归纳与问题驱动教学，助力学生构建知识体系，教师可高效开展教学。

第3章 基因工程 我国是棉花的生产和消费大国。棉花在种植过程中，常常会受到一些害虫的侵袭，其中以棉铃虫最为常见。棉铃虫可以使棉花产量减少三分之一，严重时，甚至能使一片棉田绝收。大量施用农药杀虫不仅会提高生产成本，还可能造成农产品和环境的污染。要是能培育出自身就能抵抗虫害的棉花新品种，这一问题就会迎刃而解，我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉就是在这样的背景下产生的。为什么传统的杂交育种方法培育不出抗虫棉，基因工程却可以呢？基因工程是如何进行操作的？它给我们的生产和生活带来了怎样的影响？ 第2节 基因工程的基本操作程序 （第1课时） 02 针对人类生产或生活中的某一需求，选取适当的基因工程的技术和方法，尝试设计获得某一转基因产品的方案。 尝试进行PCR的基本操作并用电泳鉴定PCR的产物。 阐明基因工程的原理和基本操作程序。 目标 01 03 学习目标 3 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呢？ 转基因抗虫棉 普通棉花 从社会中来 培育转基因抗虫棉的简要过程 普通棉花 （无抗虫特性） 棉花细胞 抗虫棉 提取 Bt基因表达 导入 与载体拼接 重组DNA分子 1.目的基因的筛选与获取 2.基因表达载体的构建 （核心） 3.将目的基因导入受体细胞 4.目的基因的检测与鉴定 Bt基因 苏云金杆菌 从社会中来 资料：苏云金杆菌通过产生苏云金杆菌伴胞晶体蛋白（Bt 抗虫蛋白）， 破坏鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。科学家将该细菌的 “杀虫基因”转到棉花里，让棉花产生Bt抗虫蛋白抵抗虫害。 一、目的基因的筛选与获取 1、目的基因 (1)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。 (2)实例： ※主要指的是编码蛋白质的基因 与生物抗逆性、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关 的基因。 目的基因--Bt抗虫蛋白基因 那么，如何筛选目的基因呢？ 一、目的基因的筛选与获取 2、筛选合适的目的基因 (1)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： 苏云金杆菌的杀虫作用与Bt基因有关 掌握了Bt基因的序列信息 对Bt基因的表达产物-Bt抗虫蛋白有了较为深入的了解 苏云金杆菌制成的杀虫剂可防治棉花虫害 Bt基因是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因 Bt抗虫蛋白基因（Bt基因）的筛选过程 测序技术 序列数据库 序列比对工具 (2)利用测序技术、序列数据库(如GenBank)、序列对比工具(如BLAST)等， 找到合适的目的基因 一、目的基因的筛选与获取 2、筛选合适的目的基因 明确了目的基因后，该怎么获得它呢？ 8 抗虫基因 快速获得大量抗虫基因 苏云金杆菌 获取 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 扩增 请同学们自主阅读教材P76-77，完成下列问题。 1.总结出PCR的概念、提出者、原理、目的、优点。 2.结合体内DNA复制过程，思考PCR的进行需要哪些条件？ 所需设备是什么？ 3.构建出PCR的大致过程。 4.PCR扩增为什么需要引物？ 5.如何对产物进行鉴定？ 6. PCR技术与DNA复制过程比较？ 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 10 PCR由穆里斯等人于1985年发明，为此，穆里斯于1993年获得诺贝尔化学奖。 如果说，沃森和克里克发现DNA双螺旋结构，标志着分子生物学时代的开启，那么PCR技术则标志着分子生物学的腾飞。PCR技术的出现，彻底变革了生物化学、分子生物学、遗传学、以及现代医学等等。 (1)发明者 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 DNA半保留复制 体外（PCR扩增 仪/PCR仪） 对目的基因的核苷酸序列进行大量复制 可在短时间内大量扩增目的基因 聚合酶链式反应 它是一项根据DNA半保留复制的原理，在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。 原理 操作环境 目的 优点 全称 PCR 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 (2)概念： 模拟体内DNA复制过程 12 体内DNA复制过程 一 某种生物体内的全部DNA 适当的不同限制酶切割 与质粒连接 受体菌 导入受体菌 参与的组分 在DNA复制中的作用 打开DNA双链 提供DNA复制的模板 合成DNA子链的原料 催化合成DNA子链 使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸 体内DNA复制所需的基本条件 解旋酶 DNA母链 4种脱氧核苷酸 DNA聚合酶 引物 体外复制怎么改进呢？ 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 18 参与的组分 在DNA复制中的作用 一 某种生物体内的全部DNA 适当的不同限制酶切割 与质粒连接 受体菌 导入受体菌 打开DNA双链 提供DNA复制的模板 合成DNA子链的原料 催化合成DNA子链 使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸 体内DNA复制所需的基本条件 解旋酶 DNA母链 4种脱氧核苷酸 DNA聚合酶 引物 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 体外用 高温代替 体外需用耐高温的DNA聚合酶 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。用于PCR的引物长度通常为20〜30个核苷酸。 体外复制的引物一般为DNA单链。 (3)所需条件： 19 微量离心管 缓冲液 PCR反应需要在一定的缓冲溶液中才能进行。真核细胞和细菌的DNA聚合酶都需要Mg 2+ 激活。因此，PCR反应缓冲液中一般要添加Mg 2+ 。 DNA模板 四种脱氧核苷酸(dNTP) 引物 分别与两条模板链结合的2种引物 耐高温的 DNA聚合酶 （TaqDNA聚合酶） 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 PCR仪 耐高温的DNA聚合酶(TaqDNA聚合酶） 4种脱氧核苷酸（dNTP） 引物 待扩增的DNA片段（模板） 5’ 5’ 变性 复性 延伸 当温度超过90℃时，双链DNA解聚为单链 当温度下降到50℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。 温度上升到72℃左右时，溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下合成新的DNA链。 (4)过程 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 90 50 72 ℃ 变性 5` 3` 3` 5` 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 (4)过程 变性 当温度超过90℃时，双链DNA解聚为单链 第一轮循环 90 50 72 ℃ 复性 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 (4)过程 复性 当温度下降到50℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。 第一轮循环 90 50 72 ℃ 延伸 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 (4)过程 延伸 温度上升到72℃左右时，溶液中的4种脱氧核苷酸 在耐高温的DNA聚合酶的作用下合成新的DNA链 第一轮循环 90 50 72 ℃ 变性 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 (4)过程 第二轮循环 90 50 72 ℃ 复性 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 (4)过程 第二轮循环 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 (4)过程 90 50 72 ℃ 延伸 第二轮循环 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 (4)过程 90 50 72 ℃ 变性 第三轮循环 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 (4)过程 90 50 72 ℃ 复性 第三轮循环 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 (4)过程 90 50 72 ℃ 延伸 第三轮循环 目标DNA 目标DNA 缓冲液 由于每个循环得到的产物又可以作为下一个循环的模板，因而每一次 循环后目的基因的量可以增加一倍。 即呈 形式扩增（约为 ，其中n为扩增循环的次数）。 指数 2n 一、目的基因的筛选与获取 3、利用PCR获取和扩增目的基因 (5)结果 可采用 来鉴定PCR的产物。 琼脂糖凝胶电泳 目标DNA为： 2n-2n (6)产物鉴定 1.子代DNA分子总数： ____ 个； 2.第n代产生的DNA数：_____个； 3.子代DNA脱氧核苷酸链总数= _____ 条 4.第n代产生的DNA链数：____条 复习：DNA复制的相关计算 假设复制n代，结果如下： 2n 2n-1 2n+1 2n 非目标DNA 数目 目标DNA数目 循环次数 1 2 3 4 5 6 7 2 4 6 8 10 12 14 0 0 2 8 22 52 114 归纳：PCR相关计算 1 2 0 2 4 0 3 6 2 4 8 8 5 10 22 6 12 52 7 14 114 n 2n 2n-2n 非目标DNA 数目 目标DNA数目 循环次数 归纳：PCR相关计算 ①n代后，DNA分子有_____个 ②n代后，DNA链有______条 ③第____代出现完整的目的基因 ④n代后，含引物的DNA分子有_____个 ⑤n代后，共消耗________个引物 ⑥第n代复制，消耗了______个引物 ⑦n代后，完整的目的基因有_______个 2n 2n+1 3 2n 2n+1-2 2n 2n_2n 归纳：PCR相关计算 受热变性 引物 耐高温的 DNA聚合酶 PCR技术 (1)过程： (2)条件：DNA模板、分别与两条模板链结合的2种_______、四种 _____________、___________________。 引物 脱氧核苷酸 耐高温的DNA聚合酶 (3)结果：1个模板DNA分子经过n轮PCR，以_____方式扩增，可以 扩增出 个DNA片段，共需要引物数量为 个。　　　　 指数 2n 2n＋1－2 【知识小结】 以_____方式扩增，即____(n为扩增循环的次数)，使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增。 37 PCR技术 DNA复制 相同点 原则 原料 条件 不同点 解旋方式 场所 酶 结果 碱基互补配对 四种脱氧核苷酸 模板、能量、酶 DNA在高温下变性解旋 解旋酶催化 体外复制 细胞内（主要在细胞核内） 耐高温的DNA聚合酶 解旋酶、DNA聚合酶 大量的DNA片段 形成整个DNA分子 PCR技术与DNA复制过程比较 一、目的基因的筛选与获取 知识拓展：引物 ①设计引物的依据是：______________________ ②使用的一对引物的序列相同吗？ ____________________________________ ③引物设计的要求（或引物失效的原因） a.__________________________________ b.___________________________________ ④每种引物内部不能发生局部碱基互补配对的原因 ___________________ ⑤两种引物之间不能在局部发生碱基互补配对的原因 _______________________________________ ⑥两种引物都结合在DNA模板链的_____端 脱氧核苷酸连接在引物的_____端进行延伸 目的基因两端的核苷酸序列 不相同，目的基因两端具有不同的核苷酸序列 *两种引物才能确保DNA 的两条链同时被扩增 3’ 防止引物自身折叠 防止引物之间配对，导致引物不能同模板链结合 3’ 每种引物内部不能发生局部碱基互补配对 两种引物之间不能在局部发生碱基互补配对 (1)用PCR方法扩增目的基因时不必知道基因的全部序列( ) (2)PCR体系中一定要添加从受体细胞中提取的DNA聚合酶( ) (3)PCR技术中，DNA模板链上碱基G和C的比例越高，DNA变性解链 的温度就越高。( ) (4)PCR除需要耐高温的DNA聚合酶、解旋酶、4种脱氧核苷酸和DNA 模板之外，还需要引物等基本条件。( ) (5)PCR的每一个循环都包括变性→复性→延伸三个步骤，延伸后的 产物又可以作为下一个循环的模板。( ) √ × √ × √ 【基础过关】 谢谢聆听! 同学们辛苦啦！ 41 Lavf58.51.100 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.6.11 $