2026届四川省高考生物一轮复习导学案：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学案以“利用大肠杆菌规模化生产人胰岛素”项目为情境主线，系统整合基因工程的概念、理论基础、基本工具及“目的基因获取—表达载体构建—导入受体细胞—检测鉴定”基本操作程序等核心考点，通过问题导向的阶段任务和任务驱动，引导学生自主梳理知识内在逻辑，形成结构化知识网络。 亮点在于融合科学思维与探究实践的项目式学习设计，包含诊断性例题（如理论基础判断、限制酶选择分析）、方法归纳（限制酶选择原则、双标记基因筛选总结）及反思性问题（如原核生物表达真核基因的问题分析），助力学生自主诊断薄弱点。通过“任务解决—例题演练—归纳反思”路径，培养学生运用生命观念解决实际问题的能力，教师可依托学情精准指导，提升备考实效。

第54讲 基因工程的基本工具和基本操作程序 --- 从菌圈顶流到制药巨星的华丽转身 情景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！传统“猪胰岛素”提取法，100公斤猪胰腺只能提取4-5克胰岛素，成本高昂，且部分患者会产生排异反应！ 基因工程的概念：指按照人们的愿望,通过 等技术，赋予生物新的 ,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 水平上进行设计和施工的，因此又叫作 技术。 情景2：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。 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”。 【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 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 1.目的基因的筛选 （1）较为有效的方法：从相关的____________和___________的基因中筛选，如本方案中的_______________。 （2）认识基因结构和功能的技术方法：_______________、_______________、__________________等。 2.目的基因的获取 常用的方法：_______________________、___________________________、________________________等。 任务2、车辆改装---基因表达载体的构建（基因工程的核心） 1.目的：使胰岛素基因在大肠杆菌细胞中____________并____________；同时，使胰岛素基因能够______和____________。 2.常用载体：____________。 3.基因表达载体的组成：_______、________、________、________，目的基因必须插入到____________________ _____之间。 4.构建过程（如右图）： （1）首先，用一定的________酶切割载体，使它出现一个切口； （2）然后用________________或__________________ __________切割含有目的基因的DNA片段； （3）利用________________将目的基因片段拼接到载体的切口处，这样就形成了一个重组DNA分子。 【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 【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 【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EcoR Ⅰ和Nhe Ⅰ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。 【归纳总结】限制酶的选择原则 1.根据限制酶切割位点的位置确定限制酶的种类 (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____________。 (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_________。 (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_________和_________两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)。 2.根据质粒的特点确定限制酶的种类，如【例4】（2） 3.根据Ti质粒的T-DNA片段选择限制酶：下图中____________Ti质粒均不宜选取，而____________Ti质粒宜选取(切割目的基因的限制酶为______和______)。 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___________内，并且在受体细胞内___________和_______的过程。 生物种类 植物 动物 微生物 常用方法 受体细胞 方法： 任务4、绩效考核---目的基因的检测与鉴定 1.分子水平的检测 （1）导入水平：通过________等技术检测受体细胞中是否插入了________。 （2）转录水平：利用PCR等技术检测目的基因是否转录出了________。 （3）翻译水平：用相应抗体进行________________检测目的基因是否翻译成蛋白质等。 2.个体生物学水平的鉴定：如______、______接种实验等。本方案可以______________________与天然胰岛素进行__________比较。 【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 【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_________________ _____________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (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。 【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 被转化的细菌有三种：含（自身环化）目的基因的细菌、含___________的细菌、含___________的细菌。 将细菌先放在含___________的培养基上培养，能生长的是含__________的细菌和含________的细菌，如图中1、2、3、4、5菌落，再利用灭菌的绒布影印到含有_________的培养基上，如图能生长的菌落为2、3、4，则在含四环素培养基上_________的即含有重组质粒的菌落，如图中_______菌落。最后，可在___________的培养基上挑取菌落进行培养。　　　 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？ 【例7】《66练》P604第11题 阶段四：从实验室到世界 利用现代化的大型发酵罐，在严格的计算机控制下，通过基因工程改造的优良菌种在这里不知疲倦地为我们生产各种救命药物，人胰岛素、人生长激素、干扰素、乙肝疫苗等，都已通过此法大规模生产。而这仅是合成生物学时代的起点，更多的生命奇迹，正等待着在座的各位去创造！ 学科网（北京）股份有限公司 $