3.3 基因工程的应用 课件 2024—2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第3节 基因工程的应用 目录 CONTENTS 01 基因工程在农牧业方面的应用 02 基因工程在医药卫生领域的应用 03 基因工程在食品工业方面的应用 学习目标 专题内容 01 学习目标 1. 通过梳理基因工程应用实例，建构基因工程改造生物性状的生命观念，理解基因与性状的关系。 2. 通过对比转基因作物与普通作物的差异，概括基因工程在不同领域的应用原理，分析其优势。 3. 通过分析转基因动物培育资料，总结基因工程改良动植物品种的思路，提升归纳概括能力。 4. 通过了解转基因技术的价值与争议，理性看待基因工程的应用，树立科技服务社会的责任意识。 课堂导入 专题内容 01 课堂导入 1982年，首个基因工程药物重组人胰岛素获批上市，开启了基因工程应用的新纪元。如今，超市里的转基因大豆油、市场上的抗虫棉花早已融入生活。为何基因工程能快速改变动植物性状？它在农牧业、医药、食品工业领域还有哪些精妙应用？这些成果又如何影响生活与社会发展？ 基因工程在农牧业方面的应用 专题内容 01 情境展示 日常生活中我们接触的棉花、番木瓜有部分是转基因品种，超市中也能见到转基因大西洋鲑的相关产品，农田里的转基因抗虫水稻能避免被害虫侵害，这些都是基因工程在农牧业中应用的体现。据统计，1996—2017年全世界转基因作物种植面积增长超百倍，转基因作物的推广使化学杀虫剂施用量减少、作物产量提升。 思考讨论 问题1 结合基因工程的原理，分析培育转基因抗虫植物时，导入的抗虫基因如何使植物获得抗虫特性？ 提示： 从基因的表达过程角度思考，外源基因导入受体细胞后的表达机制。 参考答案： 导入的抗虫基因整合到植物细胞的基因组后，在植物细胞内通过转录和翻译过程，合成具有抗虫功能的蛋白质，该蛋白质能对特定害虫产生毒性或干扰其生理活动，从而使植物获得抗虫特性。 问题2 转基因作物种植面积持续增长，从生物育种的角度分析，与传统育种技术相比，基因工程育种在改良动植物品种方面有哪些优势？ 提示： 对比传统育种的局限性，结合基因工程可定向改造生物性状的特点分析。 参考答案： 基因工程育种能打破物种间的生殖隔离，实现不同物种间优良性状的转移；可定向改造生物的遗传性状，精准获得所需品种；育种周期相比传统育种大幅缩短，能快速培育出符合需求的动植物品种。 问题3 转基因鲤鱼生长速率显著高于非转基因鲤鱼，若要进一步推广转基因养殖鱼类，从生物安全角度需要考虑哪些问题？ 提示： 从转基因生物对生态系统的影响、物种间的基因交流等角度思考。 参考答案： 需要评估转基因鲤鱼进入自然水体后，是否会与野生鲤鱼杂交导致基因污染；是否会因生长优势破坏原有水生生态系统的物种竞争平衡；其本身携带的外源基因是否会对水体中的其他生物产生未知影响。 问题4 针对乳糖不耐受现象，转基因牛的培育解决了部分人饮用牛奶的不适问题，结合该实例分析基因工程如何改善畜产品品质？ 提示： 从基因工程定向改变生物性状的核心出发，分析目的基因的作用。 参考答案： 向奶牛基因组中导入肠乳糖酶基因，使转基因牛的乳腺细胞在表达该基因后，分泌的乳糖酶能分解乳汁中的乳糖，从而降低乳汁中乳糖含量，在不改变其他营养成分的前提下，使乳糖不耐受人群可正常饮用，实现畜产品品质的定向改善。 （一）基因工程在农牧业的应用现状 1. 转基因作物：1996—2017年全世界转基因作物种植面积从 增长至 ，可减少化学杀虫剂施用量、提升作物产量、增加经济收益。 图3-9 1996—2017 年，全世界转基因作物种植面积变化 2. 各国发展：美国是转基因作物种植面积最大的国家，我国商业化种植的转基因作物有棉花和番木瓜，2017年种植面积居世界第八位。 3. 转基因动物：部分成果进入实用化和商业化阶段，2015年第一种食用转基因动物——转基因大西洋鲑在美国获批上市。 知识小结 1. 转基因抗虫植物：将抗虫功能基因导入作物，培育具有抗虫性的作物品种，是作物虫害防治的发展趋势。 图3-10 转基因抗虫水稻（绿色植株）与对照（被害虫侵害的黄色植株） 2. 转基因抗病植物：将病毒、真菌等的抗病基因导入植物，培育出抗病品种，弥补常规育种难以培育抗病新品种的不足。 图3-11 转基因抗病毒甜椒 3. 转基因抗除草剂植物：将降解或抵抗除草剂的基因导入作物，使作物在喷施除草剂时不受损伤，仅杂草被灭杀。 图3-12 施用除草剂后的转基因抗除草剂玉米田 图3-13 种植转基因抗除草剂大豆的农田 4. 改良植物品质：通过导入特定基因，定向提升植物的营养价值、观赏价值等性状。 图3-14 转基因矮牵牛 （二）基因工程在植物育种中的应用 1. 提高动物生长速率：将外源生长激素基因导入动物体内，促进动物快速生长。 图3-15 转生长激素基因的鲤鱼（下）与非转基因鲤鱼（上） 2. 改善畜产品品质：将特定功能基因导入动物基因组，定向改变畜产品的成分，满足不同人群的需求。 （三）基因工程在动物育种中的应用 基因工程在医药卫生领域的应用 专题内容 01 情境展示 日常生活中，乙肝、丙肝等病毒性疾病及部分肿瘤病症的治疗常依赖干扰素等药物，传统干扰素提取效率极低，难以满足临床需求，而基因工程技术的应用彻底改变了这一现状，同时基因工程在器官移植、特殊药物批量生产等领域也展现出巨大潜力。 思考讨论 问题1 传统方法生产干扰素存在明显局限，结合其生产过程分析基因工程能大幅提升干扰素产量的核心原理是什么？ 提示： 对比传统提取与基因工程生产干扰素的原料来源，从基因表达的角度分析差异。 参考答案： 传统方法从人血液白细胞中提取，受限于细胞数量与提取效率；基因工程将干扰素基因导入微生物细胞，利用微生物快速繁殖、代谢强度高的特点，使外源干扰素基因在微生物中高效表达，从而实现大量生产。 问题2 乳腺生物反应器能实现药物批量生产，分析其实现特异性表达药用蛋白的关键设计思路是什么？ 提示： 结合基因表达的调控机制，思考药用蛋白基因与乳腺特异调控元件的组合作用。 参考答案： 将药用蛋白基因与乳腺中特异表达基因的启动子等调控元件重组，使药用蛋白基因仅在乳腺细胞中启动转录和翻译，保证转基因动物进入泌乳期后，通过乳汁定向分泌药用蛋白。 问题3 猪的器官在结构上与人体高度匹配，但直接用于器官移植会引发免疫排斥，分析基因工程技术为解决该问题提供的可行方向是什么？ 提示： 从免疫排斥的根源（抗原识别）出发，结合基因的表达调控逻辑思考。 参考答案： 一是在猪的基因组中导入调控序列，抑制猪器官抗原决定基因的表达，减少抗原产生；二是直接敲除猪的抗原决定基因，再结合克隆技术培育无免疫原性的转基因克隆猪，降低免疫排斥反应的发生概率。 问题4 对比微生物生产药物与乳腺生物反应器生产药物的方式，从药用蛋白的结构与功能角度分析两者的差异是什么？ 提示： 考虑原核生物与真核生物蛋白质加工系统的区别。 参考答案： 微生物（如大肠杆菌）为原核生物，缺乏内质网、高尔基体等蛋白质加工细胞器，生产的药用蛋白可能缺少糖基化等修饰，空间结构存在缺陷；乳腺生物反应器利用哺乳动物真核细胞的完整加工系统，生产的药用蛋白更接近天然蛋白质的结构与功能。 （一）基因工程在药物生产中的基础应用 1. 应用对象：对微生物或动植物细胞进行基因改造，使其生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等药物，用于预防和治疗多种人类疾病。 图3-16 我国生产的部分基因工程药物 2. 典型案例：利用基因工程使微生物高效表达干扰素，解决传统生产方式产量低的问题；1993年我国批准生产的重组人干扰素 -1b，是我国首个基因工程药物。 以侯云德院士（右）为首的研究人员，成功研制出我国第一个基因工程药物—重组人干扰素 -1b 知识小结 （二）乳腺生物反应器生产药物 1. 核心原理：将药用蛋白基因与乳腺特异表达基因的启动子等调控元件重组，通过显微注射导入哺乳动物受精卵，培育出转基因动物。 2. 功能实现：转基因动物进入泌乳期后，通过乳腺分泌乳汁批量生产药用蛋白，已在牛、山羊等动物中获得多种重要医药产品。 （三）基因工程在器官移植领域的应用 1. 应用背景：人体移植器官短缺，猪的器官因结构、病毒安全性等优势成为潜在供体，但存在免疫排斥难题。 2. 解决思路：利用基因工程技术，通过导入调控序列抑制抗原决定基因表达或敲除抗原决定基因，结合克隆技术培育无免疫排斥的转基因克隆猪器官，为解决器官移植供体短缺问题提供方向。 基因工程在食品工业方面的应用 专题内容 01 情境展示 日常生活中食用的奶酪、烘焙食品、转化糖浆等的加工都依赖特定酶类，传统获取这些酶类的方式存在诸多局限，而基因工程技术为解决该问题提供了新途径。同时，基因工程还应用于优良动植物品种培育、环境污染治理等多个领域。 思考讨论 问题1 基因工程菌与普通菌类相比，核心特点是什么？ 提示： 结合教材中基因工程菌的定义进行分析。 参考答案： 基因工程菌是导入外源基因并能使外源基因高效表达的菌类，核心特点是可高效表达外源基因，生产特定的生物制品。 问题2 从生物资源利用角度分析，用基因工程菌生产工业用酶相比天然提取有哪些优势？ 提示： 阅读教材中基因工程生产工业用酶的相关内容，对比天然提取的不足。 参考答案： 基因工程菌生产的工业用酶纯度更高，可大幅降低生产成本，提升生产效率，同时避免了天然提取对野生生物资源的依赖。 问题3 基因工程在食品工业中应用的核心原理是什么？ 提示： 结合基因工程的基本逻辑，分析其在食品工业相关案例中的作用本质。 参考答案： 核心原理是将控制特定优良性状或产物的外源基因导入受体生物（如菌类）基因组中，使外源基因在受体生物中高效表达，从而定向获得所需的生物制品或培育优良品种。 问题4 基因工程在食品工业之外的扩展应用，体现了该技术的什么特性？ 提示： 分析教材中基因工程在环境治理、能源生产等领域的应用案例，归纳技术特性。 参考答案： 体现了基因工程的定向改造性与广泛适用性，可突破物种间的遗传壁垒，定向改造生物的遗传特性，满足多领域的生产与研究需求。 知识小结 （一）基因工程在食品工业的核心应用方向 1. 生产食品工业用酶：通过构建基因工程菌，批量生产凝乳酶、淀粉酶、脂肪酶等加工所需酶类。 2. 生产食品相关原料：如通过基因工程大规模生产合成甜味剂的天冬氨酸、苯丙氨酸等氨基酸类原料。 （二）基因工程菌的定义与应用价值 1. 定义：用基因工程方法使外源基因得到高效表达的菌类称为基因工程菌。 2. 应用价值：可高效合成特定生物制品，相比天然提取，产物纯度更高，生产成本更低，生产效率更高。 （三）基因工程的跨领域应用 1. 培育优良动植物品种，获得特殊生物制品。 2. 培育可降解多种污染物的"超级细菌"，用于环境污染治理。 3. 改造微生物用于能源生产等其他领域。 课堂练习 专题内容 01 课堂练习 【题文】我国科学家利用天山雪莲的SikCDPK1基因(S基因)培育抗旱烟草时，为减少外源基因对植物正常生长的潜在影响，将组成型启动子(35S)替换为干旱诱导型启动子(RD29A)。下列分析错误的是 A．与35S启动子相比，RD29A启动子通常在干旱条件下才驱动S基因表达 B．可用农杆菌转化法将RD29A—SikCDPK1表达载体导入烟草细胞 C．若S基因成功导入，则能在烟草植株各部位的细胞中检测到对应的mRNA D．检测转基因烟草的抗旱性时，可测定其在干旱胁迫下的叶绿素含量 【答案】C 课堂练习 【题文】不同生物在翻译时对某些密码子具有偏好性。以大肠杆菌为工程菌生产人胰岛素时，人的某些密码子在大肠杆菌中对应的tRNA含量很低，称为“稀有密码子”，会导致核糖体在此处停顿，影响翻译效率。通过密码子优化将这些稀有密码子替换为大肠杆菌偏好的同义密码子（编码相同氨基酸的不同密码子），可显著提高胰岛素产量。下列叙述错误的是（　　） A．密码子的简并性决定了替换同义密码子可能不会改变氨基酸序列 B．密码子优化可以通过改变基因的碱基序列来规避大肠杆菌的翻译限制 C．稀有密码子导致核糖体停顿，是因为细胞内与之互补的tRNA较少 D．经密码子优化后，人胰岛素基因的转录效率得以提高，因此产量增加 【答案】D 课堂练习 【题文】基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学的基础上发展起来的，正是这些学科的基础理论和相关技术的发展催生了基因工程。下列关于基因工程的诞生和发展叙述错误的是（　　） A．艾弗里等人的肺炎链球菌转化实验证明了DNA是遗传物质，还可推断DNA可以在同种生物的不同个体间转移 B．科学家证明质粒可以作为基因工程的载体，构建重组DNA导入受体细胞，外源基因在原核细胞中成功表达，基因工程正式问世 C．桑格等科学家发明了DNA序列分析仪，为基因序列图的绘制提供了可能。此后，可以在体外完成DNA的复制 D．我国科学家独创了花粉管通道法，可以用微量注射器将含有目的基因的DNA溶液直接注入子房中完成导入 【答案】C 课堂总结 专题内容 01 01 作物：抗虫/抗病/抗除草剂植物、改良品质 动物：转基因鲑鱼上市、提高生长速率、改善畜产品品质 基因工程农牧业应用 02 03 生产药物：干扰素等基因工程药物、乳腺生物反应器 解决器官移植：改造猪器官降低免疫排斥 基因工程医药卫生应用 生产酶、氨基酸等，如基因工程凝乳酶制奶酪 基因工程食品工业应用 课堂总结 感谢聆听 Thank You $