2026届四川省高考生物一轮复习课件：第54讲 基因工程的基本工具和基本操作程序

该高中生物学高考复习课件聚焦基因工程核心考点，涵盖概念、工具及操作程序，对接高考评价体系，分析基因表达载体构建、限制酶选择等高频考点权重，归纳限制酶选择理由、检测方法等常考题型，体现备考针对性与实用性。 课件亮点在于高考真题训练与应试技巧指导，如结合2024安徽真题解析限制酶选择及筛选方法，通过归纳限制酶选择原则培养科学思维，双标记基因筛选案例提升探究实践能力，帮助学生掌握答题逻辑，教师可精准复习，助力高效备考。

第54讲 基因工程的基本工具和基本操作程序 总工程师，欢迎来到你的细胞工厂！ 1 一场迫在眉睫的“供应链”危机---人体抗病联盟总部呼叫！胰岛素库存告急！ 创设情境 自主学习 深度学习 迁移应用 情景1： 2 创设情境 自主学习 深度学习 迁移应用 人类的困境与我们的使命：必须建立一座 “超级制药工厂”，多、快、好、省地生产胰岛素！ 3 基因工程的概念 基因工程 对象 原理 优点 基本过程 基因 克服远缘杂交不亲和障碍；定向改造生物性状。 基因重组 剪切→拼接→导入→表达 指按照人们的愿望,通过转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫作DNA重组技术。（P66） 阶段一：项目可行性分析 阶段二：核心技术方案设计 从菌圈顶流到制药巨星的华丽转身 阶段三：成果展示与反思 阶段四：从实验室到世界 创设情境 自主学习 深度学习 迁移应用 你已被“未来生物制药公司”任命为项目经理，全权负责“利用大肠杆菌规模化生产人胰岛素”的项目。请带领你的团队，完成从技术路线设计到投产的全流程方案。 情景2： 6 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 阶段一：项目可行性分析 1.不同生物的基因为什么能拼接？ 2.为什么一种生物的基因可以在另一种生物细胞内表达? 3.我们为何选择大肠杆菌作为本项目的生产菌株？请结合其生理特性，完成一份“候选人优势分析报告”。 基因工程的概念 指按照人们的愿望,通过转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫作DNA重组技术。（P66） 1.拼接的基础 ①DNA的基本组成单位相同（四种脱氧核苷酸） 2.表达的基础 ②都遵循碱基互补配对原则 ③DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构 ①基因是控制生物性状的结构与功能单位 ②遗传信息的传递都遵循中心法则 ③生物界几乎共用一套遗传密码 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 候选人PK：谁是我们的“天选打工人”？ 优势：“我能进行复杂的蛋白质修饰（如糖基化），产品‘精装修’，拎包入住！” 劣势：“我娇气，吃饭（培养基）贵，干活慢（增殖慢），管理成本极高！” 结论：“贵族车间，用不起！” 优势： 1.“卷王”本色：“20分钟一代，一夜之间给你一个产业大军！” 2.“吃货”省钱：“培养基？给我点LB肉汤（酵母提取物+蛋白胨），我能给你干到天荒地老！” 3.“傻白甜”好骗：“遗传背景简单，质粒转进去，说干啥就干啥！” 4.“老员工”可靠：“研究历史长，技术手册堆成山，操作指南随便查！” 劣势：“我是个‘土包子’（原核生物），不懂你们真核蛋白那些‘花里胡哨’的修饰（如糖基化）。但生产胰岛素这种‘简装房’，我绝对没问题！” 真核细胞 大肠杆菌 爆灯：恭喜大肠杆菌先生当选本项目“明星厂长”！ 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 “天选打工人”大肠杆菌 优势： 1.“卷王”本色：“20分钟一代，一夜之间给你一个产业大军！” 2.“吃货”省钱：“培养基？给我点LB肉汤（酵母提取物+蛋白胨），我能给你干到天荒地老！” 3.“傻白甜”好骗：“遗传背景简单，质粒转进去，说干啥就干啥！” 4.“老员工”可靠：“研究历史长，技术手册堆成山，操作指南随便查！” 劣势：“我是个‘土包子’（原核生物），不懂你们真核蛋白那些‘花里胡哨’的修饰（如糖基化）。但生产胰岛素这种‘简装房’，我绝对没问题！” 大肠杆菌 3.我们为何选择大肠杆菌作为本项目的生产菌株？请结合其生理特性，完成一份“候选人优势分析报告”。 （1）繁殖速度快，产量高； （2）易于培养，生产成本低； （3）遗传背景简单，易于操作！ 迁移应用 自主学习 深度学习 创设情境 【例1】下列各项科学研究成果，不能作为基因工程直接理论基础的是（   ） A．DNA双螺旋结构模型的建立 B．孟德尔遗传规律的发现 C．遗传密码的破译 D．中心法则的确立 B 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 阶段二：核心技术方案设计 任务1、蓝图获取---目的基因的筛选与获取 任务2、车辆改装---基因表达载体的构建 任务3、快递上门---将目的基因导入受体细胞 任务4、绩效考核---目的基因的检测与鉴定 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 任务1、蓝图获取---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。 主要指的是 的基因，也可以是一些具有调控作用的因子。 (2)实例： 抗逆性基因 生产药物基因 毒物降解基因 工业用酶基因 抗虫棉 产生胰岛素的基因 编码蛋白质的基因 产生果胶酶的基因 编码蛋白质 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 任务1、蓝图获取---目的基因的筛选与获取 2 目的基因的筛选 （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筛选。 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。 （2）认识基因结构和功能的技术方法： 序列比对工具 核苷酸序列比对 氨基酸序列比对 序列数据库 美国国家生物信息中心 测定核酸和蛋白质序列 以碱基顺序或氨基酸残基顺序为基本内容的分子生物信息数据库 把感兴趣的序列跟已经存在的序列数据库进行比较的工具。通过比对识别相关的序列，从而能获得目的基因和蛋白质的功能。 测序技术 DNA测序仪 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 任务1、蓝图获取---目的基因的筛选与获取 3 获取目的基因常用的方法 （3）利用PCR获取和扩增目的基因 （1）从基因文库中获取 （2）通过DNA合成仪直接合成 基因组文库 cDNA文库 （包含一种生物的所有基因） （包含一种生物的一部分基因） 前提： 基因比较小、核苷酸序列已知 DNA 合成仪 原理：DNA半保留复制，在体外对目的基因的核苷酸序列进行大量复制 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 任务2、车辆改装---基因表达载体的构建 1 目的 （基因工程的核心） （1）使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代（可复制）； （2）使目的基因能够表达和发挥作用。 2 常用载体 启动子： RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动转录。 终止子： 终止转录 标记基因： 目的基因： 复制原点： 鉴别或筛选含有重组DNA分子的受体细胞 必须插入到启动子下游与终止子上游之间。 DNA复制的起始位点。 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 任务2、车辆改装---基因表达载体的构建 3 构建过程 （基因工程的核心） DNA分子 （含目的基因） 同种限制酶（或能产生相同黏性末端的限制酶） 带有黏性末端的切口 带有相同黏性末端的目的基因片段 DNA连接酶 重组DNA分子 （重组质粒） 载体（质粒） 目的基因 限制酶 切割位点 标记基因 启动子 限制酶切割位点 终止子 复制原点 限制酶 限制酶 重组 DNA分子 DNA连接酶 迁移应用 自主学习 深度学习 创设情境 【例2】下列有关基因工程中载体的说法，正确的是（ ） A.所有的质粒都可以作为基因工程中的载体 B.质粒是一种独立于细菌染色体外的链状DNA分子 C.在进行基因工程操作中，被用作载体的质粒都是天然质粒 D.作为载体的质粒DNA分子上应有对重组DNA进行鉴定和选择的标记基因 D 【例3】（2025·江苏·改编）图示人体正常基因A突变为致病基因a及HindⅢ切割位点。AluⅠ限制酶识别序列及切割位点为，下列相关叙述正确的是（     ） A．基因A突变为a是一种碱基增添的突变 B．用两种限制酶分别酶切A基因后，形成的末端类型相同 C．用两种限制酶分别酶切a基因后，产生的片段大小一致 D．产前诊断时，该致病基因可选用HindⅢ限制酶开展酶切鉴定 迁移应用 自主学习 深度学习 创设情境 D 迁移应用 自主学习 深度学习 创设情境 【例4】将从苏云金杆菌中获取的Bt基因转入棉花细胞内培育转基因抗虫棉的过程中，需借助多种分子工具且经历多个操作步骤。实验人员使用限制酶EcoR Ⅰ和Nhe Ⅰ切割质粒。如图表示常用的限制酶识别序列和切割位点以及质粒上的限制酶切割位点。请思考以下问题： (1)限制酶EcoRⅠ和NheⅠ切割产生的黏性 末端分别是__________________________和_____________________________。 (2)切割图示中的目的基因应选用哪类限制酶？请说明理由。 用限制酶MunⅠ和SpeⅠ切割目的基因。 理由：限制酶MunⅠ和EcoRⅠ切割后形成的黏性末端相同，限制酶NheⅠ和SpeⅠ切割后形成的黏性末端相同；实验人员使用限制酶EcoRⅠ和NheⅠ切割质粒，应选用MunⅠ和SpeⅠ切割目的基因。 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 【归纳总结】限制酶的选择原则 (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PstⅠ。 (2)不能选择切割位点位于目的基因和标记基因内部的限制酶，如图甲、乙不能选择SmaⅠ。 (3)为避免目的基因和质粒的自身环化及随意连接，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PstⅠ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)。 1.根据限制酶切割位点的位置确定限制酶的种类 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 【归纳总结】限制酶的选择原则 2.根据质粒的特点确定限制酶的种类 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 【归纳总结】限制酶的选择原则 3.根据Ti质粒的T－DNA片段选择限制酶 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 【归纳总结】限制酶的选择原则 3.根据Ti质粒的T－DNA片段选择限制酶 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 任务3、快递上门---将目的基因导入受体细胞 转化：指目的基因进入受体细胞内，并在受体细胞内稳定维持和表达的过程。 受体细胞 基因表达载体 导入 动物 植物 微生物 农杆菌转化法 花粉管通道法 ——显微注射法 ——Ca2+处理法 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 任务3、快递上门---将目的基因导入受体细胞 植物细胞 （1）花粉管通道法 方法①：子房注射法 用微量注射器将含目的基因的DNA 溶液直接注入子房中 含目的基因的DNA 溶液 （我国科学家独创） 1 将目的基因导入植物细胞 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 任务3、快递上门---将目的基因导入受体细胞 1 将目的基因导入植物细胞 （1）花粉管通道法 （我国科学家独创） Ⅱ.适用生物： Ⅰ.受体细胞： 受精卵 方法②： 柱头处理法 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。 Ⅲ.优点：操作简单、技术成本低，免去了组织培养以及诱导再生植株的全套人工培养过程。 开花植物 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 任务3、快递上门---将目的基因导入受体细胞 1 将目的基因导入植物细胞 （2）农杆菌转化法 目的基因 Ti质粒 表 达 载 体 农杆菌 植物细胞 植物细胞 染色体DNA 新性状植株 构建 转入 导入 插入 表达 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 任务3、快递上门---将目的基因导入受体细胞 2 将目的基因导入动物细胞 （1）导入方法： （2）受体细胞: 显微注射法 受精卵 为什么常选用受精卵作为受体细胞呢？ ①体积大，易操作。 ②易表现出全能性。 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 任务3、快递上门---将目的基因导入受体细胞 3 将目的基因导入微生物细胞 常用方法： Ca2+处理 Ca2+ 感受态细胞 吸收 大肠 杆菌 Ca2+ 表达 载体 Ca2+ 处理法示意图 原理：Ca2+与细胞膜磷脂双分子层相互作用，使膜结构暂时疏松，增加细胞膜的通透性，形成能容许外源DNA通过的通道。可使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态（感受态细胞） 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 任务4、绩效考核---目的基因的检测与鉴定 检测水平 检测目的 检测方法 分子水平 个体水平 目的基因是否转录出了mRNA 目的基因是否导入受体细胞 目的基因是否翻译出蛋白质 转基因生物是否表现出相应的特性 PCR扩增、 DNA分子杂交技术 抗原-抗体杂交技术 RT-PCR扩增、 RNA分子杂交技术 如抗虫、抗病的 接种实验 本方案可以提取细胞产物与天然胰岛素产品进行功能活性比较。 迁移应用 自主学习 深度学习 创设情境 【例5】图甲、乙中的箭头表示三种限制性内切核酸酶的酶切位点，AmpR表示氨苄青霉素抗性基因，neo表示新霉素抗性基因。下列叙述错误的是(　　) A.在酶切过程中，不能破坏质粒中全部的标记基因 B.在构建重组质粒时，可用PstⅠ和HindⅢ切割质粒和外源DNA C.若只用PstⅠ处理质粒和外源DNA分子片段，无法避免自身环化和反向连接 D.导入重组质粒的大肠杆菌可以在含氨苄青霉素的培养基中生长 D 迁移应用 自主学习 深度学习 创设情境 【例6】（2024·安徽）丁二醇广泛应用于化妆品和食品等领域。兴趣小组在已改造的大肠杆菌中引入合成丁二醇的关键基因X，以提高丁二醇的产量。回答下列问题。 (1)扩增X基因时，PCR反应中需要使用Taq DNA聚合酶，原因是                    。 (2)使用BamH I和 SalI限制酶处理质粒和X基因，连接后转化大肠杆菌，并涂布在无抗生素平板上（如图）。在此基础上，进一步筛选含目的基因菌株的实验思路是                              。 在PCR反应中，需要利用高温使 DNA双链解旋，普通的DNA聚合酶在高温下会变性失活，而Tag DNA聚合酶能够耐高温,在高温条件下依然具有活性。 在平板中添加氯霉素，再将在含氯霉素的培养基中生长的菌落利用影印法影印到添加四环素的培养基中，在含有四环素的培养基中不能正常生长的菌落由导入目的基因的菌株形成。 迁移应用 自主学习 深度学习 创设情境 【例6】（2024·安徽）丁二醇广泛应用于化妆品和食品等领域。兴趣小组在已改造的大肠杆菌中引入合成丁二醇的关键基因X，以提高丁二醇的产量。回答下列问题。 (3)研究表明，碳源和氮源的种类、浓度及其比例会影响微生物生长和发酵产物积累。如果培养基中碳源相对过多，容易使其氧化不彻底，形成较多的_______________，引起发酵液pH值下降。兴趣小组通过单因子实验确定了木薯淀粉和酵母粉的最适浓度分别为100g.L-1和15 g.L-1。在此基础上，设置不同浓度的木薯淀粉（90 g.L-1、100 g.L-1、110 g.L-1）和酵母粉（12 g.L-1、15g.L-1、18 g.L-1）筛选碳源和氮源浓度的最佳组合，以获得较高发酵产量，理论上应设置____（填数字）组实验（重复组不计算在内）。 (4)大肠杆菌在发酵罐内进行高密度发酵时，温度会升高，其原因是________________ _____。 (5)发酵工业中通过菌种选育、扩大培养和发酵后，再经_____________________，最终获得发酵产品。 乳酸或有机酸 9 大肠杆菌进行细胞呼吸时会释放大量热量 提取、分离、纯化 1.影印 含氨苄青霉素 含四环素（或两种抗生素都有） 2.挑选 结果：在氨苄青霉素平板上生长、但在四环素平板上不生长的菌落（1、5）即为B（导入了重组质粒的受体菌）。 有A和B 只有A 1 2 3 5 4 影印平板法 有四环素抗性 无四环素抗性 2 3 4 A B 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 【归纳总结】双标记基因与影印接种法筛选含重组质粒的菌落 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 阶段三：成果展示与反思 1.按上述设计将人胰岛素基因导入大肠杆菌中并没有产生预期的蛋白质，请从真核生物和原核生物基因结构的角度分析原因，并提出解决方案。 2.如果想实现“远程控制”，让大肠杆菌只在特定时间（如加入诱导物）才生产胰岛素以节约能量，我们应该在质粒上加装什么“开关”？ 3.按“1”中方法改进后提取到了蛋白质，但是没有活性，为什么？有什么解决措施？ 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 阶段三：成果展示与反思 1.按上述设计将人胰岛素基因导入大肠杆菌中并没有产生预期的蛋白质，请从真核生物和原核生物基因结构的角度分析原因，并提出解决方案。 原因： 真核生物的基因有内含子，原核生物细胞里没有相应的机制来剪切、拼接前体mRNA； 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 阶段三：成果展示与反思 1.按上述设计将人胰岛素基因导入大肠杆菌中并没有产生预期的蛋白质，请从真核生物和原核生物基因结构的角度分析原因，并提出解决方案。 原因： 真核生物的基因有内含子，原核生物细胞里没有相应的机制来剪切、拼接前体mRNA； 胰腺 提取筛选 胰岛素mRNA 胰岛素cDNA 逆转录 重组 质粒 质粒 导入 大肠杆菌 mRNA 解决方案： 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 阶段三：成果展示与反思 2.如果想实现“远程控制”，让大肠杆菌只在特定时间（如加入诱导物）才生产胰岛素以节约能量，我们应该在质粒上加装什么‘开关’？ 诱导型启动子 诱导物 作用 激活或抑制 目的基因表达 诱导型启动子： 3.按“1”中方法改进后提取到了蛋白质，但是没有活性，为什么？有什么解决措施？ 原因：原核生物没有真核生物的蛋白质加工系统（如内质网、高尔基体等）； 解决方案：可在体外进行再加工；或选择酵母菌等真核生物作为受体细胞。 迁移应用 自主学习 深度学习 创设情境 【例7】1965年我国科学家人工合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素，摘取了人工合成蛋白质的桂冠。此后科学家又提出了利用基因工程改造大肠杆菌生产人胰岛素的两种方法：AB法是根据胰岛素A、B两条肽链的氨基酸序列人工合成两种DNA片段，利用工程菌分别合成两条肽链后将其混合自然形成胰岛素；BCA法是利用胰岛B细胞中的mRNA得到胰岛素基因，导入工程菌获得胰岛素。这两种方法使用同一种质粒作为载体。回答下列问题： (1)用AB和BCA法人工合成两种DNA片段__________(填“AB”“BCA”或“AB和BCA”)法获取的目的基因中不含人胰岛素基因启动子。 AB和BCA 迁移应用 自主学习 深度学习 创设情境 【例7】1965年我国科学家人工合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素，摘取了人工合成蛋白质的桂冠。此后科学家又提出了利用基因工程改造大肠杆菌生产人胰岛素的两种方法：AB法是根据胰岛素A、B两条肽链的氨基酸序列人工合成两种DNA片段，利用工程菌分别合成两条肽链后将其混合自然形成胰岛素；BCA法是利用胰岛B细胞中的mRNA得到胰岛素基因，导入工程菌获得胰岛素。这两种方法使用同一种质粒作为载体。回答下列问题： (2)图中是利用基因工程生产人胰岛素过程中使用的质粒及目的基因的部分结构。为使目的基因与载体正确连接，在设计PCR引物时可添加限制酶______________的识别序列。通过上述方法获得人的胰岛素基因后，需要通过PCR技术进行扩增，已知胰岛素基因左端①处的碱基序列为－CCTTTCAGCTCA－，则其中一种引物设计的序列是 5′－____________________________－3′。 XhoⅠ和MunⅠ CTCGAGCCTTTCAGCTCA 迁移应用 自主学习 深度学习 创设情境 【例7】1965年我国科学家人工合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素，摘取了人工合成蛋白质的桂冠。此后科学家又提出了利用基因工程改造大肠杆菌生产人胰岛素的两种方法：AB法是根据胰岛素A、B两条肽链的氨基酸序列人工合成两种DNA片段，利用工程菌分别合成两条肽链后将其混合自然形成胰岛素；BCA法是利用胰岛B细胞中的mRNA得到胰岛素基因，导入工程菌获得胰岛素。这两种方法使用同一种质粒作为载体。回答下列问题： (3)β-半乳糖苷酶可以分解无色的X－gal产生蓝色物质使菌落呈现蓝色，否则菌落为白色。据此简述筛选工程菌的过程：__________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________。 经Ca2＋处理的大肠杆菌与重组质粒混合培养一段 时间后，再将大肠杆菌接种到添加了氨苄青霉素和X-gal的培养基上，筛选出白色的菌落即为工程菌 迁移应用 自主学习 深度学习 创设情境 【例7】1965年我国科学家人工合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素，摘取了人工合成蛋白质的桂冠。此后科学家又提出了利用基因工程改造大肠杆菌生产人胰岛素的两种方法：AB法是根据胰岛素A、B两条肽链的氨基酸序列人工合成两种DNA片段，利用工程菌分别合成两条肽链后将其混合自然形成胰岛素；BCA法是利用胰岛B细胞中的mRNA得到胰岛素基因，导入工程菌获得胰岛素。这两种方法使用同一种质粒作为载体。回答下列问题： (4)科学家利用蛋白质工程技术，研制出了赖脯胰岛素，与天然胰岛素相比，其皮下注射后易吸收、起效快。写出获取赖脯胰岛素的流程：_________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________。 从预期的蛋白质功能出发→ 设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质 深度学习 自主学习 创设情境 迁移应用 阶段四：从实验室到世界 $