3.2 基因工程的基本操作程序（第2课时）课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

该高中生物学课件聚焦基因工程基本操作程序，涵盖基因表达载体构建、目的基因导入受体细胞及检测鉴定等核心内容。以问题驱动导入，通过分析单酶切缺点及双酶切改进，搭建知识支架，衔接各步骤逻辑，帮助学生系统理解操作原理。 其亮点在于以科学思维为核心，通过问题链（如单酶切导致自身环化等）引导学生辩证分析；结合抗虫棉培育等实例，分解农杆菌转化法等步骤，培养探究实践能力。结构清晰体现结构与功能观，巩固训练题强化应用，助力学生形成生命观念，教师使用可提升教学效率与学生理解深度。

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？ 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 2 第2节 基因工程的基本操作程序 （第2课时） 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。 温故知新：PCR扩增目的基因的过程 一、目的基因的筛选与获取 4、获取目的基因的其他方法 (1)人工合成 ①需要仪器：DNA合成仪 ②适用目的基因类型：要获取的基因比较小，核苷酸序列又已知。 ③是否需要模板：不需要模板 (2)通过构建基因文库来获取目的基因 ①概念： 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基因，称为基因文库； 基因组文库：包含一种生物所有的基因 部分基因文库：只包含一种生物一部分基因，如cDNA文库 ②分类： DNA片段 基因1 基因2 基因3 放大 终止子 非编码区 非编码区 编码区 编码区上游 编码区下游 启动子 原核基因 终止子 编码区 非编码区 非编码区 内含子 外显子 启动子 编码区上游 编码区下游 真核基因 知识补充：基因的结构 ①编码区：能转录出相应的mRNA，进一步编码出蛋白质 的DNA序列。 ②非编码区：不编码蛋白质,含有能调控遗传信息表达的 DNA序列（如启动子、终止子）。 原核细胞的基因结构： 原核基因 （连续的） 真核基因 编码区 非编码区： 能转录出相应的mRNA，进一步编码蛋白质的DNA序列。 不编码蛋白质，含有能调控遗传信息表达的DNA序列（如启动子、终止子）。 外显子： 内含子： （不连续） 真核细胞的基因结构： 能转录出相应的mRNA，然后在翻译前就被剪切掉，不能编码蛋白质的DNA序列。 RNA聚合酶识别并结合的部位，驱动转录 启动子 终止子 本质： 位置： 作用： 是一段有特殊序列结构的DNA片段； 位于基因的上游； 本质： 位置： 作用： 是一段有特殊序列结构的DNA片段； 位于基因的下游； 终止转录 获取了足够量的Bt基因后，下一步就是要让基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代；同时，使Bt基因能够表达和发挥作用，那么如何实现呢？ 构建基因表达载体，这一步是培育转基因抗虫棉的核心工作。 使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。 2、基因表达载体的组成： 终止子 启动子 目的基因 标记基因 复制原点 基因表达载体 二、基因表达载体的构建——核心步骤 1、目的： 目的基因 启动子 终止子 标记基因 ①本质：一段有特殊序列结构的_____片段。 ②位置：位于基因的____，紧挨______________。 ③功能： 2、基因表达载体的组成： （1）启动子： DNA 上游 转录的起始位点 是RNA聚合酶识别和结合的部位， 驱动基因转录出mRNA。 诱导型启动子： 二、基因表达载体的构建——核心步骤 ④特殊类型： 诱导型启动子 诱导物 作用 激活或抑制 目的基因表达 ①本质：一段有特殊序列结构的_____片段。 ②位置：位于基因的 。 ③功能： 2、基因表达载体的组成： （2）终止子： DNA 下游 二、基因表达载体的构建——核心步骤 使转录在所需要的地方停下来。 “启动子与终止子”和“起始密码子与终止密码子”的区别： 启动子与终止子位于DNA分子中，作用：起始和终止转录过程。 启始密码子与终止密码子位于mRNA分子中，作用：起始和终止翻译过程。 ※ 启动子 ≠ 起始密码子；终止子 ≠ 终止密码子） 2、基因表达载体的组成： 二、基因表达载体的构建——核心步骤 （3）标记基因： ①作用： ②常见类型： 便于重组DNA分子的筛选 抗生素抗性基因、荧光蛋白基因等 （4）目的基因： 如Bt基因，能控制表达所需要的特殊性状。 注意：目的基因必须插入到 与 之间。 启动子 终止子 （5）复制原点： DNA复制的起始位点。 同种限制酶或产生相同黏性末端的限制酶切割 目的基因 限制酶切割位点 获取目的基因 重组 DNA分子 限制酶 限制酶 使用一种限制酶进行切割， 是否只会得到一种重组DNA？有何缺点？怎么改进？ 3、构建过程： 二、基因表达载体的构建——核心步骤 DNA 连接酶 (1)用一种限制酶或产生相同黏性末端的限制酶切割的缺点： 载体 目的基因 自连 片段间的连接 目的基因自连 质粒自连 目的基因与质粒连接 目的基因与目的基因连接 质粒与质粒连接 正向连接 反向连接 1 1’ 2 2’ 1 2 2’ 1’ 2 2’ 1’ 1 ①质粒、目的基因自身环化； 如何解决这一问题？ 双酶切 3、构建过程： 二、基因表达载体的构建——核心步骤 ②质粒与目的基因反向连接 (2)用两种限制酶切割的优点： ①防止质粒、目的基因自身环化； 3、构建过程： 二、基因表达载体的构建——核心步骤 ②防止质粒与目的基因反向连接 1.某目基因两侧的 DNA序列所含的限制酶酶切位点如图所示,下列 可作该目的基因最佳载体的是(　　) 　　　　　　　　 A　　　　 B C　　　　　　 D A 巩固训练 2.目的基因导入受体细胞之前,需构建基因表达载体,图甲、乙表示 质粒及目的基因所在DNA片段,图中箭头表示相关限制酶的酶切位点。 (1)构建基因表达载体时需要使用的工具酶为　　　　　　　　　　　　。  (2)用图中的质粒和DNA构建基因表达载体时,不能使用SmaⅠ切割,原因是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　 　。  (3)构建基因表达载体时,可用EcoRⅠ同时切割质粒和DNA,但会导致 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　等问题,为避免以上问题出现, 应使用 　　　　　　　　　　　 两种限制酶。 (4)构建好的基因表达载体在目的基因前要加上　 　　,其是　　　　　　识别 和结合的部位。  SmaⅠ会破坏质粒的抗生素抗性基因和外源DNA中的目的基因 目的基因自身环化、目的基因不能定向连接 BamHⅠ和HindⅢ 限制酶和DNA连接酶 RNA聚合酶 启动子 巩固训练 3.下列关于基因表达载体的叙述不正确的是(　　) A.启动子是与RNA聚合酶识别和结合的部位，是起始密码子 B.启动子和终止子都是特殊结构的DNA短片段，对mRNA的转录起调控作用 C.标记基因是为了鉴别受体细胞中是否有目的基因从而便于筛选 D.基因表达载体的构建视受体细胞及导入方式不同而有所差别 A 巩固训练 将Bt基因与载体结合，构建好基因表达载体后，下面该进行什么操作？ 基因工程第三步：将目的基因导入受体细胞 植物细胞 动物细胞 微生物细胞 农杆菌转化法 花粉管通道法 我国科学家独创 常用 显微注射法 Ca2+处理法 三、将目的基因导入受体细胞 (1)花粉管通道法 含目的基因的DNA 溶液 三、将目的基因导入受体细胞 (受体细胞) 1.将目的基因导入植物细胞 方法1： 用微量注射器将含目的基因的DNA 溶液直接注入子房中。 方法2： 在植物受粉后的一定时间内，剪去柱头，将DNA溶液滴加在花柱切面上，使目的基因借助 花粉管通道进入胚囊。 三、将目的基因导入受体细胞 (受体细胞) (1)花粉管通道法 方法1： 用微量注射器将含目的基因的DNA 溶液直接注入子房中。 1.将目的基因导入植物细胞 (2)农杆菌转化法 1.将目的基因导入植物细胞 目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。 ①转化： ②农杆菌特点： a. 能在自然条件下侵染______________和____________，而对大多数 ______________没有侵染能力； 双子叶植物 裸子植物 单子叶植物 b. 农杆菌细胞内含有_________，当它侵染植物细胞后，能将 _________上的_________（_________________）转移到被侵染 的细胞，并且将其__________________________________； Ti质粒 Ti质粒 T-DNA 可转移的DNA 整合到该细胞的染色体DNA上 将目的基因插入___________________中，通过农杆菌的________作用，就可以 使目的基因_________________。 ③利用农杆菌进行转化的思路： Ti质粒的T-DNA 转化 进入植物细胞 三、将目的基因导入受体细胞 ④农杆菌转化法的过程： T-DNA 目的基因 构建表达载体 含目的基因的重组Ti质粒 转入农杆菌 含重组Ti质粒的农杆菌 导入植物细胞 表现出新性状的植物 植物细胞 将目的基因插入染色体DNA中 植物组织培养 三、将目的基因导入受体细胞 两次拼接： 第一次拼接是指： 第二次拼接是指： 两次导入： 第一次导入是指： 第二次导入是指： 提醒：农杆菌转化法中的两次拼接、两次导入 (非人工操作) (非人工操作) 将目的基因拼接到Ti质粒的T-DNA上； 被插入目的基因的T-DNA拼接到受体细胞的染色体DNA上。 将含目的基因的Ti质粒重新导入农杆菌； 含目的基因的T-DNA导入受体细胞。 表现出新性状的植物 a.可以将新鲜的从叶片上取下的圆形小片_________________，然后_______________， 并______________； 受体细胞为_________ 与农杆菌共培养 筛选转化细胞 再生成植株 体细胞 b.可以将______直接浸没在____________________中一段时间，然后培养植株并获 得______，再进行_______、_______等； 受体细胞为_________ 花序 含有农杆菌的溶液 种子 筛选 鉴定 受精卵 ⑤转化的具体方法： 三、将目的基因导入受体细胞 三、将目的基因导入受体细胞 显微注射法 2.将目的基因导入动物细胞： 受精卵 显微注射仪 构建基因表达载体并提纯 利用显微注射将基因表达载体注入动物的受精卵中 早期胚胎培养 胚胎移植 获得具有新性状的动物 (①体积大，易操作。②全能性高，易培养成完整个体。) 微生物细胞 Ca2+处理法 在基因工程操作中，常用原核生物作为受体细胞，其中以大肠杆菌应用最为广泛。 研究人员一般先用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。 Ca2+ 感受态细胞 吸收 三、将目的基因导入受体细胞 3.将目的基因导入微生物细胞： 4.我国科学家独创的花粉管通道法，可以使目的基因借助花粉管通道 进入受体细胞，是一种十分简便经济的方法，对此认识正确的是( ) A.不必构建表达载体就可以直接导入 B.此方法可用于转基因动物 C.受体细胞只能是植物的卵细胞 D.有时可以取代农杆菌转化法 D 巩固训练 A.图中Ⅰ是质粒，步骤①需要用到限制酶和DNA连接酶 B.图中Ⅱ是含目的基因的重组质粒，步骤②是将重组质粒导入棉花细胞 C.图中Ⅲ 是农杆菌，通过步骤③将目的基因导入植物细胞 D.剔除培育成功的抗虫棉体内的四环素抗性基因不会影响抗虫基因的表达 5.如图为科学家通过基因工程培育抗虫棉时，从苏云金杆菌中提取 抗虫基因“放入”棉花细胞中，与棉花的DNA分子“结合起来” 而发挥作用的过程示意图。以下相关说法不正确的是( ) B 巩固训练 6.采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的方法正确 的是（ ） ①将毒素蛋白注射到棉受精卵中； ②将编码毒素蛋白的DNA序列注射到棉受精卵中； ③将编码毒素蛋白的DNA序列与质粒重组，导入农杆菌，用该细菌 感染棉的体细胞，再进行组织培养 ④将编码毒素蛋白的DNA序列与细菌质粒重组，借助花粉管通道进 入受精卵。 A.①② B.③④ C.②③ D.①④ B 巩固训练 检测目的基因进入受体细胞后，是否稳定维持和表达其遗传特性 类型 检测内容 方法 分子水平的检测 个体生物学水平的鉴定 受体细胞的染色体DNA上是否插入了目的基因 目的基因是否转录出了mRNA PCR等技术 目的基因是否翻译成蛋白质 抗原-抗体杂交技术 转基因个体是否具有相应性状 抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等 （一）目的： （二）检测内容及方法： 四、目的基因的检测与鉴定 ① 目的基因是否插入到受体细胞的染色体DNA上 PCR技术 转基因生物 提取DNA DNA作为模板 PCR操作 是否扩增出目的基因 电泳操作 M：marker；1-阳性质粒； 2：原始品系；3-9转Bt品系； 转Bt基因品系PCR琼脂糖凝胶电泳检测结果 1. 分子水平的检测 四、目的基因的检测与鉴定 （二）检测内容及方法： PCR技术 转基因生物 PCR操作 是否扩增出目的基因 逆转录 cDNA 提取RNA mRNA作为模板 ② 目的基因是否转录 1. 分子水平的检测 四、目的基因的检测与鉴定 （二）检测内容及方法： 抗原-抗体杂交技术 提取 Bt毒蛋白 注射小鼠体内 抗体 标记抗体 提取蛋白 电泳分离 抗原 抗体 杂交 脱分化 苏云金杆菌 ③ 目的基因是否翻译 1. 分子水平的检测 四、目的基因的检测与鉴定 （二）检测内容及方法： 目的基因是否表现出相应的性状 采摘抗虫棉叶片 饲喂 棉铃虫 观察棉铃虫存活情况 2. 个体生物学水平鉴定 四、目的基因的检测与鉴定 （二）检测内容及方法： 转基因生物 鉴定方法 成功标志 抗虫植物 抗病毒（菌）植物 抗盐植物 抗除草剂植物 获取目的基因产物的转基因生物 饲喂害虫（抗虫接种实验） 害虫死亡 病毒（菌）感染（抗病接种实验） 未出现病斑 盐水浇灌 正常生长 喷洒除草剂 正常生长 功能、活性正常 提取细胞产物与天然产品进行功能活性比较 2. 个体生物学水平鉴定 四、目的基因的检测与鉴定 （二）检测内容及方法： 基因工程的基本操作程序 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 第一步 第二步 第三步 第四步 目的基因的检测与鉴定 课堂小结 前提 核心 关键 保证 利用PCR获取和扩增 目的基因、启动子、终止子、标记基因 农杆菌转化法(植物)、显微注射法(动物) 、 Ca2+处理(微生物); 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的程度等。 41 练习与应用 42 研究人员将一种海鱼的抗冻蛋白基因afp整合到土壤农杆菌的Ti质粒 上，然后用它侵染番茄细胞，获得了抗冻的番茄品种。判断下列相 关表述是否正确。 （1）afp基因是培育抗冻番茄用到的目的基因。 （ ） （2）构建含有afp基因的Ti质粒需要限制酶、DNA连接酶和核酸酶（ ） （3）只要检测出番茄细胞中含有物基因，就代表抗冻番茄培育成功（ ） √ × × 一、概念检测 2. 利用PCR既可以快速扩增特定基因，也可以检测基因的表达。下列有 关PCR的叙述错误的是 （ ） A.PCR用的DNA聚合酶是一种耐高温酶 B.变性过程中双链DNA的解开不需要解旋酶 C.复性过程中引物与模板链的结合遵循碱基互补配对原则 D.延伸过程中需要DNA聚合酶、ATP和 4种核糖核苷酸 D 一、概念检测 研究人员在研究转基因烟草中外源卡那霉素抗性基因的遗传稳定性时，发现44株转基因烟草中有4株该基因的遗传不符合孟德尔遗传规律，在它们的自交后代中出现了较多的没有卡那霉素抗性的植株。请查找相关资料，尝试对这个问题作出解释。 外源基因插入基因组中可能为单位点插入，或者同一染色体多位点插入，或者不同染色体多位点插入。大多数情况下，插入的位点难以做到定点插入；插入的拷贝数也是随机的。因此，外源基因在转基因植物中的遗传是很复杂的。例如，科研人员在对转GUS基因(β-葡糖醛酸糖苷酶基因)的烟草进行基因表达分析时，发现部分转基因植株的染色体DNA中整合了多个拷贝的基因，从而导致GUS基因失活。除此之外，外源基因丢失、基因重排等也都可能影响外源基因的稳定性。 二、拓展应用 谢谢聆听! 同学们辛苦啦！ 46 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.6.37 $