2026届高三生物一轮复习知识清单生物技术与工程

该高中生物学高考复习知识清单全面覆盖选择性必修3《生物技术与工程》核心内容，包括发酵工程、细胞工程、基因工程及生物技术安全性与伦理问题四大模块，系统整合传统发酵技术、微生物培养、植物/动物细胞工程、基因工程工具与操作程序等关键知识。 清单以核心素养为导向，通过表格对比（如酶的类型与作用、细胞工程技术流程）、实验步骤分解（如PCR扩增、单克隆抗体制备）构建知识体系，突出重难点标注（如基因工程操作程序标为五星考点），设计记忆技巧（如“高根低芽中愈伤”的植物激素作用口诀），培养科学思维与探究实践能力。特设易错点警示（如灭菌与消毒的区别）和应用实例（如发酵工程在食品工业的应用），助力学生自主梳理知识网络，教师可据此优化复习策略，提升备考效率。

愿你的努力像PCR循环，历经高温考验，仍能冷静面对，让能力实现指数级增长！ 选择性必修3 生物技术与工程 第1章 发酵工程 第1节 传统发酵技术的应用 一、发酵与传统发酵技术 1、发酵工程的概念：是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。 2、发酵概念：指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程。 3、传统发酵技术概念：直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次发酵保留下来的面团、卤汁等发酵物中微生物进行发酵、制作食品的技术。 其特点：以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主，通常是家庭式或作坊式的。 4、实例：腐乳的制作 （1）参与腐乳发酵的微生物有酵母、曲霉、毛霉等，起主要作用的是毛霉。 （2）原理：毛霉等微生物可以将豆腐中的蛋白质分解成小分子肽和氨基酸。 二、传统发酵食品的制作 1、泡菜的制作 （1）菌种来源：利用植物体表面天然的乳酸菌 ，代谢类型是异养厌氧型。 ( 酶 )常见的乳酸菌有乳酸链球菌 和乳酸杆菌 ，乳酸杆菌常用于生产酸奶。 （2）原理：乳酸菌在无氧条件下，将葡萄糖分解为乳酸 。C6H12O6 2C3H6O3（乳酸）+ 少量能量 （3）泡菜制作大致流程：配制盐水→原料装坛→盐水装坛→封坛发酵 ①配制盐水：配制质量分数为5%-20%的盐水，盐水要煮沸冷却 后备用。煮沸目的是除去氧气并杀灭杂菌，冷却是为了防止高温杀死蔬菜表面的乳酸菌。 ②原料装坛：原料装至半坛时，加入香辛料，继续装至八成满。 ③盐水装坛：将冷却好盐水缓缓倒入坛中，使盐水没过全部菜料，盖好坛盖。 ④封坛发酵：向坛盖边沿的水槽中注满水 ，目的是保证坛内乳酸菌发酵所需的无氧环境。 2、果酒和果醋的制作 ①原理和条件 项目 制作果酒 制作果醋 发酵菌种 （附着于葡萄皮上的野生型）酵母菌 醋酸菌 代谢类型 异养兼性厌氧型 异养需氧型 制作原理 有氧条件下，酵母菌通过有氧呼吸大量繁殖：C6H12O6＋6H2O＋6O26CO2＋12H2O＋能量； 无氧条件下，酵母菌通过无氧呼吸产生酒精：C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋少量能量 氧气、糖源充足时：C6H12O6＋2O22CH3COOH＋2CO2＋2H2O＋能量； 氧气充足、缺少糖源时：C2H5OH＋O2CH3COOH＋H2O＋能量 发酵温度与时间 18-30℃，10—12 d （酿酒酵母的最适生长温度是28℃） 30-35℃，7—8 d 对氧需求 前期需氧，后期不需氧 一直需氧 产物检测 闻气味、品尝、酸性条件下的重铬酸钾检测由橙色→灰绿色。 酸碱指示剂(pH试纸)、闻气味、品尝 3、制作果酒、果醋的实验流程： 器具消毒→ 冲洗葡萄 →榨汁装瓶 → 酒精发酵 → 醋酸发酵 （1）器具消毒：发酵瓶要用 体积分数为70%的酒精 消毒，防止发酵液被污染。 （2）冲洗葡萄：先冲洗后去枝梗，是为了防止除去枝梗时引起葡萄皮破损，增加被杂菌污染的机会。 （3）榨汁装瓶：葡萄汁装入发酵瓶时，要留出大约 1/3 的空间，创造有氧条件有利于发酵初期酵母菌的快速繁殖，又可防止发酵液溢出。 （4）酒精发酵：制作葡萄酒时将温度控制在 18～30 ℃ ，时间控制在 10—12 d左右。 发酵过程中，每隔 12h排气一次，每次排气时只需拧松瓶盖，不是打开瓶盖。这样做的目的是排出发酵过程中产生的CO2，同时防止杂菌进入造成污染。 （5）醋酸发酵：打开瓶盖，盖上一层纱布，将温度控制在30～35 ℃，时间控制在7—8 d。 4、果酒和果醋改进装置及其分析（右图） （1）排气口是用来排出发酵过程产生的CO2，排气口连接一个 长而弯曲的胶管作用是防止空气中杂菌的污染。 出料口是便于取样，及时监测发酵情况。 （2）使用该装置制酒时，应该关闭充气口；制醋时，充气口应该连接充气装置，通入无菌空气。 （3）由制作果酒转变成果醋时，需要改变哪些环境条件？ ①通过充气口持续通入无菌空气 ②适当提高温度至30℃-35℃ 第2节 微生物的培养技术与应用 一 微生物的基本培养技术 一、培养基的配制 1、培养基：人们按照微生物对营养物质的不同需求，配制出供其生长繁殖的营养基质。 2、培养基一般都含有水、无机盐、碳源、氮源等营养物质，另外还需要满足微生物生长对pH、特殊营养物质以及氧气的要求。 例如，培养乳酸杆菌时需要在培养基中添加维生素，培养霉菌时需将培养基pH调至酸性， 培养细菌时需将培养基pH调至中性或微碱性。 3、自养型微生物能利用无机碳源，异养型微生物只能利用有机碳源。 固氮微生物可利用N2，硝化细菌可利用NH3，NH3既是硝化细菌的氮源又是能源。 4、根据培养基的物理性质可以分为液体培养基和固体培养基； 根据培养基的化学成分可以分为天然培养基和合成培养基 5、根据功能可将培养基分为选择培养基 和鉴别培养基。 （1）选择培养基：允许特定种类的微生物生长，同时抑制或阻止其他种类微生物生长的培养基。 例如：加入青霉素的培养基，可分离出酵母菌和霉菌；无氮培养基可分离自生固氮微生物； 加入高浓度食盐的培养基，可分离金黄色葡萄球菌；无碳培养基可分离自养微生物。 （2）鉴别培养基：在培养基中加入某种指示剂或化学药品，用以鉴别不同种类的微生物。 例如：伊红-美蓝培养基可鉴别大肠杆菌，菌落呈黑色。 二、无菌技术 1、目的：获得纯净的微生物培养物。 2、获得纯净培养物的关键是防止杂菌污染。 3、消毒： （1）概念：是指使用较为温和的物理、化学或生物等方法杀死物体表面或内部的部分微生物。 （2）消毒常用方法 ①煮沸消毒：100℃煮沸5-6min，可以杀死微生物细胞和一部分芽孢。 ②巴氏消毒：63-65℃煮30 min 或70-76℃处理15s或80℃处理10-15s，可以杀死牛奶中的绝大多数微生物，并基本不会破坏牛奶的营养成分 ③化学药物消毒：用酒精擦拭双手，用氯气消毒水源等 ④紫外线消毒：接种室，接种箱或超净工作台在使用前，可用紫外线照射30 min，可以杀死物体表面或空气中的微生物。照射前，适量喷洒苯酚或煤酚皂溶液等消毒液，可加强消毒效果。 4、灭菌： （1）概念：是指使用强烈的理化方法杀死物体内外所有的微生物，包括芽孢和孢子。 （2）灭菌常用方法： ①湿热灭菌法 ：适用培养基等。常用方法：用高压蒸汽灭菌锅，100kPa，121℃，15-30 min ②干热灭菌法：适用耐高温、需要保持干燥的物品，如玻璃器皿（如培养皿）和金属用具。 方法：用干热灭菌箱，160-170℃加热1-2h ③灼烧灭菌法：适用涂布器、接种环、接种针、试管口、瓶口等。方法：在酒精灯的充分燃烧层灼烧。 三、微生物的纯培养 1、概念辨析 2、微生物的纯培养步骤：制备培养基（包括配制培养基、灭菌、倒平板）——接种和分离——培养 （1）制备培养基： 调节pH值要在灭菌前进行。 倒平板时，待培养基冷却至50℃左右时，在酒精灯火焰附近进行； 倒平板时，需要将锥形瓶的瓶口通过火焰的原因：防止瓶口上的微生物污染培养基。 平板冷凝后，要将平板倒置，目的是：既防止皿盖上的水珠落入培养基，造成污染；又可以避免培养基表面的水分过快挥发。 （2）接种和分离： ①菌落概念：分散的微生物在适宜的固体培养基表面或内部繁殖形成的肉眼可见的、有一定形态结构的子细胞群体。 ②平板划线法：通过接种环在固体培养基表面连续划线的操作，将聚集的菌种逐步稀释分散到培养基的表面。经数次划线后培养，可以分离得到单菌落。 （3）培养酵母菌：完成划线后，待菌液被培养基吸收，将接种后的平板（实验组）和一个未接种的平板（对照组，目的是检测培养基灭菌是否合格）倒置，一起放入28℃左右的恒温培养箱中培养24～48h。 3、平板划线法的注意事项 （1）第一次划线和每次划线前都要灼烧接种环，划线结束后，也要灼烧接种环，一共需要灼烧6次。 （2）灼烧接种环后要待其冷却后才能伸入菌液或进行划线，避免接种环温度太高杀死菌种。 （3）划线时用力适当，注意不要划破培养基 （4）注意最后一区域的划线不要与第一区域相连 （5）第二次及其后的划线操作都要从上次划线的末端开始划线，原因是使细菌数目随划线次数的增加而逐渐减少，最终获得单菌落。 二 微生物的选择培养和计数 一、微生物的选择培养 1、实验室中筛选微生物的原理：人为提供有利于目的菌株生长的条件（包括营养、温度、pH等），同时抑制或阻止其他微生物生长。 2、稀释涂布平板法分两大步：梯度稀释和涂布平板 （1）梯度稀释： （2）涂布平板： 二、微生物的数量测定 1、测定微生物数量的常用方法有稀释涂布平板法和显微镜直接计数法，后者不能区分活菌和死菌。 2、稀释涂布平板法：用来统计样品中活菌数目的方法。 （1）原理：当样品的稀释度足够高时，培养基表面生长的一个菌落，来源于样品稀释液中的一个活菌。 通过统计平板上的菌落数，就能推测出样品中大约含有多少个活菌。 （2）计数标准：一般选择菌落数在30—300的平板进行计数。为了保证结果准确，每个稀释度下至少需涂布3个平板进行重复计数，并求平均值， （3）误差分析：统计的菌落数往往比活菌的实际数目 低 。这是因为当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落。因此，统计结果一般用 菌落数 而不是活菌数来表示。 （4）计算方法：每克样品中的菌株数=（C÷V）M，其中C代表某一稀释度下平板上生长的平均菌落数，V代表涂布平板时所用的稀释液的体积（mL），M代表稀释倍数。 3、显微镜直接计数法： （1）原理：利用特定细菌计数板或血细胞计数板，在显微镜下观察、计数然后再计算一定体积的样品中微生物的数量。（血细胞计数板常用于相对较大的酵母菌细胞、霉菌孢子等的计数；细菌计数板可对细菌等较小的细胞进行观察和计数） （2）计数公式：每毫升原液所含菌数=每小格内平均菌数×400×10×稀释倍数 （3）缺点：不能区分活菌和死菌。（在计数前用台盼蓝染液进行染色，可以通过统计无色细胞的个数来对活菌进行计数。） 三、土壤中分解尿素的细菌的分离与计数： 1、分离原理：土壤中的细菌之所以能分解尿素，是因为它们能合成脲酶；配制以尿素为唯一氮源的培养基，能够在该培养基中生长的细菌就是能分解尿素的细菌。 2、实验流程：土壤取样→样品稀释和涂布平板→微生物的培养与观察→菌落计数 ①土壤取样： 细菌适宜在酸碱度接近中性的潮湿土壤中生长，绝大多数分布在距地表3～8cm的土壤层，取样时一般要铲去表层土。小铁铲和取样纸袋在使用前都要灭菌。 ②样品稀释和涂布平板： 测定土壤中细菌的数量，一般选用1×104、1×105、 1×106倍稀释的稀释液。初次实验可以将稀释范围放宽一点，如1×103～1×107倍涂布到以尿素为唯一氮源的选择培养基上。 判断选择培养基是否起到选择作用：用牛肉膏蛋白胨培养基。 ③微生物的培养与观察： 细菌一般在30-37℃培养1-2d，每隔24h统计一次菌落数，选取菌落数目稳定时的记录作为结果，防止因培养时间不足而遗漏菌落的数目。 ④菌落计数：可根据菌落特征来区分不同种类的微生物，原因是在相同的培养条件下，同种微生物表现出稳定的菌落特征。菌落特征包括菌落的形状、大小、颜色和隆起程度等 3、课后拓展应用 P20 （1）分解尿素的细菌的鉴定 分解尿素的细菌合成的脲酶可以将尿素分解成氨，氨会使培养基的碱性增强，在尿素为唯一氮源的培养基中加入酚红指示剂培养细菌，若指示剂变红，可确定该细菌能够分解尿素。 （2）纤维素分解菌的筛选与鉴定 配制以纤维素为唯一碳源的培养基，在培养基中加入刚果红。因为刚果红与纤维素能形成红色复合物，当纤维素被分解后，复合物无法形成，平板上会出现以菌落为中心的透明圈。 所以可通过是否产生透明圈来筛选纤维素分解菌。透明圈与菌落直径的比值越大，菌落分解纤维素的能力越强。 第3节 发酵工程及其应用 一、发酵工程的基本环节： 一般包括菌种的选育、扩大培养、配制培养基、灭菌、接种、发酵罐内发酵、分离提纯产物等。 1、选育菌种 2、扩大培养：用液体培养基，增加菌种数量。 将液体培养基放在摇床上振荡培养的作用：①增加溶解氧②增大菌种与营养物质的接触面积。 3、发酵罐内发酵（发酵工程的中心环节） 4、分离提纯产物 二、啤酒的工业化生产流程及操作目的 啤酒发酵的发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，要在低温、密闭环境下储存一段时间进行后发酵。 三、发酵工程的应用： 1、发酵工程的特点：生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等。 2、在食品工业上的应用 ①生产传统的发酵产品。如黑曲霉制作酱油、酿酒酵母生产各种酒。 ②生产各种各样的食品添加剂。如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得；谷氨酸棒状杆菌发酵得谷氨酸生产味精。 ③生产酶制剂。如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。 3、在医药工业上的应用 ①获得具有某种药物生产能力的微生物。 ②直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。 ③利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物可以作为疫苗使用。 4、在农牧业上的应用： ①生产微生物肥料：微生物在代谢中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。如根瘤菌肥、固氮菌肥等。 ②生产微生物农药：利用微生物或其代谢物来防治病虫害。 ③生产微生物饲料：单细胞蛋白是微生物菌体本身。 5、在其他方面的应用 ①利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。 ②通过电催化结合发酵的方式，用CO2合成了葡萄糖和脂肪酸。 ③极端微生物的应用：嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。 第2章 细胞工程 第1节 植物细胞工程 一 植物细胞工程的基本技术 一、细胞工程的概念 1、细胞工程是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过 细胞器水平、细胞水平或组织水平上的操作，有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性的生物工程。 二、细胞全能性 1、概念：细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成其他各种细胞的潜能。 2、原因：生物体的每个细胞中都含有发育成完整个体所需的全套基因。 3、体内细胞未表现全能性的原因：基因的选择性表达。 4、表现条件：离体、营养物质、激素、适宜的温度和pH。 三、植物组织培养技术 1、概念：指将离体植物的器官、组织或细胞（即外植体）等,培养在人工配置的培养基上,给予适宜的培养条件,诱导其形成完整植株的技术。 2、原理：植物细胞的全能性。 3、流程： 注意：再分化时，先诱导其生芽，然后诱导其生根 ①脱分化：在一定的激素和营养等条件的诱导下，已经分化的细胞失去其特有的结构和功能，转变成未分化的细胞，进而形成不定形的薄壁组织团块（即愈伤组织）的过程。 ②愈伤组织：脱分化产生的不定形的薄壁组织团块。 ③再分化：愈伤组织重新分化成芽、根等器官的过程。 4、菊花的组织培养 5、植物激素在植物组织培养中的作用 生长素/细胞分裂素(相对比值) 植物组织的发育方向 高 有利于根的分化，抑制芽的形成 低 有利于芽的分化，抑制根的形成 适中 促进愈伤组织的形成 简记：“高”根，“低”芽，“中”愈伤 四、植物体细胞杂交技术 1、概念：将不同来源的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新植物体的技术。 2、原理：细胞膜的流动性、植物细胞的全能性。 3、基本流程： (1)过程①用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，获得原生质体。 (2)过程②是原生质体的融合，人工诱导的物理法包括电融合法、离心法等，化学法包括聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2＋—高pH融合法等。 (3)过程③是融合的原生质体再生出细胞壁，这是原生质体融合成功的标志。 (4)过程④脱分化，过程⑤再分化。 4、意义：在打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面展示出独特的优势。 二 植物细胞工程的应用 一、植物繁殖的新途径： 1、快速繁殖 2、作物脱毒 二、作物新品种的培育： 1、单倍体育种 2、突变体的利用 三、细胞产物的工厂化生产 1、次生代谢物：是一类小分子有机化合物（如酚类、萜类和含氮化合物等），在植物抗病、抗虫等方面发挥作用，也是很多药物、香料和色素等的重要来源。一般认为不是植物基本的生命活动所必需的产物。（初生代谢物是生物生长和生存所必需的。） 2、生产的技术手段——植物细胞培养 3、实例：紫草宁、紫杉醇、人参皂苷等。 第2节 动物细胞工程 动物细胞工程：包括动物细胞培养、动物细胞融合、动物细胞核移植等，其中动物细胞培养是动物细胞工程的基础。 一 动物细胞培养 一、动物细胞培养的概念 1、概念：从动物体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后在适宜的培养条件下，让这些细胞生长和增殖的技术。 2、原理：细胞增殖 二、动物细胞培养的条件 1、营养：糖类、氨基酸、无机盐、维生素等，还需加入血清等一些天然成分。一般用液体培养基。 2、无菌、无毒的环境：对培养液和所有培养用具进行灭菌处理以及在无菌环境下进行操作；定期更换培养液以清除代谢物 3、温度、pH和渗透压：哺乳动物细胞培养的温度多为（36.5±0.5℃），pH为 7.2～7.4，渗透压也是一个需要考虑的重要环境参数。 4.气体环境：含95%空气和5%CO2的混合气体。O2是维持细胞代谢所必需的，CO2主要作用是维持培养液的pH。 三、动物细胞培养的过程 (1)细胞贴壁：体外培养的大多数动物细胞往往贴附在培养 瓶的瓶壁上。 (2)接触抑制：当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞通常会停止分裂增殖。 (3)原代培养：分瓶之前的细胞培养，即动物组织经处理后的初次培养。 (4)传代培养：分瓶后的细胞培养。 悬浮培养的细胞用离心法收集；贴壁细胞需要重新用胰蛋白酶等处理，再用离心法收集。 (5)将组织分散成单个细胞的方法：机械法或者用胰蛋白酶、胶原蛋白酶处理。 (6)细胞停止分裂增殖的原因： ①悬浮培养的细胞：因细胞密度过大、有害代谢产物的积累、营养物质缺乏等因素而分裂受阻。 ②贴壁细胞：因细胞密度过大、有害代谢产物的积累、营养物质缺乏等影响外，还会发生接触抑制现象而停止分裂。 四、干细胞培养及其应用 1、概念：干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞，与组织、器官的发育、再生和修复密切相关。 2、来源：早期胚胎、骨髓和脐带血等。 3、分类：包括胚胎干细胞和成体干细胞等。 （1）胚胎干细胞（ES细胞） ①来源：早期胚胎 ②特点：能分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞，并进一步形成机体的组织和器官甚至个体。 （2）成体干细胞 ①包括：骨髓、外周血和脐带血中的造血干细胞、神经系统中的神经干细胞、睾丸中的精原干细胞等。 ②特点：具有组织特异性，只能分化成特定的细胞或组织，不具有发育成完整个体的能力。 （3）诱导多能干细胞（iPS细胞） ①概念：通过体外诱导小鼠成纤维细胞，获得了类似胚胎干细胞的一种细胞。 ②来源：其最初由成纤维细胞转化而来，后来发现已分化的B细胞和T细胞也能诱导为iPS细胞。 ③诱导方法：将特定基因、特定蛋白导入细胞中或用小分子化合物等来诱导形成iPS细胞。 ④优点：诱导过程无须破坏胚胎；避免免疫排斥反应。 二 动物细胞融合技术与单克隆抗体 一、动物细胞融合技术 1、概念：使两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的技术。 2、方法：PEG  融合法、电融合法、灭活病毒诱导法等。 3、原理：细胞膜的流动性。 4、意义：①突破了有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能。②成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和培育生物新品种等的重要手段，为制造单克隆抗体开辟了新途径。 二、单克隆抗体及其应用 1、原理：细胞膜的流动性、细胞增殖 2、使用的技术手段：动物细胞融合、动物细胞培养 3、涉及的细胞特点 （1）B淋巴细胞的特点：一种B淋巴细胞只分泌一种特异性抗体。 （2）骨髓瘤细胞的特点：能在体外大量增殖。 （3）杂交瘤细胞的特点：既能大量增殖，又能产生足够数量的特定抗体。 4、单克隆抗体的制备过程 （1）用特定抗原对小鼠进行免疫：目的获得能产生特定抗体的B淋巴细胞。 （2）将骨髓瘤细胞与B淋巴细胞融合：常用灭活病毒诱导法。 （3）第一次筛选：方法用特定的选择培养基进行筛选，目的是筛选出杂交瘤细胞。 （4）第二次筛选：方法用克隆化培养和抗体检测，目的是筛选出能产生所需抗体的杂交瘤细胞。 （5）培养：体外培养或注射到小鼠腹腔内 （6）提取：从细胞培养液或小鼠腹水中获取 5、单克隆抗体的优点 ①能准确地识别抗原的细微差异 ②与特定抗原发生特异性结合 ③可以大量制备。 6、单克隆抗体的应用 ①被广泛用作诊断试剂，在多种疾病的诊断和病原体鉴定中发挥重要的作用。 ②运载药物，形成抗体—药物偶联物（ADC），实现对肿瘤细胞的选择性杀伤。 ③用于治疗疾病。 三 动物体细胞核移植技术与克隆动物 一、动物细胞核移植技术的概念和类型 1、概念：将动物一个细胞的细胞核移入去核的卵母细胞中，使这个重新组合的细胞发育成新胚胎，继而发育为动物个体的技术。用核移植的方法得到的动物称为克隆动物。 2、原理：动物体细胞核具有全能性。 3、类型：哺乳动物核移植可分为胚胎细胞核移植和体细胞核移植，其中胚胎细胞核移植较易成功。 ( 其细胞质中 含有激发细胞核全能性表达的物质 和营养条件；卵母细胞体积大，易操 作 )二、体细胞核移植的过程 ( 也有人采用 梯度离心 、 紫外线短时间照射 和 化学物质处理 等方法。 “ 去核 ” 是 去除纺锤体 — 染色体复合物 。 ) ( 如电刺激、 Ca 2+ 载体、乙醇、蛋白酶合成抑制剂 等 。 ) ( 显微注射法 ) 整个过程使用的技术手段有： 动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合、早期胚胎培养、胚胎移植技术等。 三、体细胞核移植技术的应用前景和存在的问题 前景 畜牧生产 加速家畜遗传改良进程、促进优良畜群繁育 医药卫生 ①作为生物反应器生产医用蛋白； ②转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以用于异种移植； ③人核移植胚胎干细胞经过诱导分化形成相应的细胞、组织或器官，可用于器官移植，避免发生免疫排斥反应。 科学研究 ①研究克隆动物可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程； ②克隆一批遗传背景相同的动物，可以通过它们之间的对比来分析致病基因；③克隆特定疾病模型的动物，为研究致病机制和开发相应的药物提供帮助 保护濒危物种 有望增加濒危物种的存活数量 问题 ①成功率非常低；②绝大多数克隆动物存在健康问题，表现出遗传和生理缺陷 第3节 胚胎工程 一 胚胎工程的理论基础 一、胚胎工程的概念 二、受精 1、概念：精子和卵子结合形成合子（受精卵）的过程。 2、场所：自然条件下，哺乳动物的输卵管内。 ( 还可以将精子培养在 人工配制的获能液 中，使其获能等。 获能液常见的有效成分有 肝素 、 钙离子载体 等。 )3、过程： [提醒]①精子获能是指精子获得受精“能力”，而不是获得能量； ②在精子入卵后被激活的卵子完成减数分裂Ⅱ，排出第二极体后，形成雌原核。 ③防止多精入卵的生理反应：一是透明带反应，二是卵细胞膜反应。 三、胚胎早期发育 [提醒]　 ①桑葚胚的细胞和囊胚期内细胞团的细胞都具有全能性。 ②卵裂时胚胎中有机物的含量不断减少，但有机物的种类增加；胚胎总DNA含量增多，但每个细胞中核DNA含量保持稳定。 ③孵化：是囊胚进一步扩大，透明带破裂，胚胎从其中伸展出来的过程。如果不能正常孵化，胚胎就无法继续发育。 二 胚胎工程技术及其应用 一、体外受精 1、过程：体外受精技术主要包括卵母细胞的采集、精子的获取和受精等步骤。 2、意义： ①提高动物繁殖能力的有效措施。 ②为胚胎移植提供可用的胚胎。 二、胚胎移植 1、概念：将通过体外受精及其他方式得到的胚胎，移植到同种的、生理状态相同的雌性动物体内，使之继续发育为新个体的技术。提供胚胎的个体叫供体，接受胚胎的个体叫受体。 通过任何一项技术（如转基因、核移植和体外受精等）获得的胚胎，都必须移植给受体才能获得后代。 2、实质：是早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移。 3、操作步骤： ( ① ② ③ ④ ⑤ ) ( 同期发情处理用 孕激素 等； 超数排卵处理用 促性腺激素 。 ) ( 移植胚胎时，往往选择发育至 桑葚胚 、 囊胚 阶段的胚胎 。 ) ( 胚胎在受体内存活的基础： 受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生 免疫排斥   反应 。 ) 4、优势：可以充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力。 三、胚胎分割 1、概念：指采用机械方法将早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份等，经移植获得同卵双胎或多胎的技术。 2、特点与实质：来自同一胚胎的后代具有相同的遗传物质，因此胚胎分割可以看作是动物无性繁殖或者克隆的方法之一。 3、主要仪器设备：体视显微镜和显微操作仪。 4、操作：发育良好、形态正常的桑葚胚或囊胚，将它移入盛有操作液的培养皿中，然后在显微镜下用分割针或分割刀分割。若分割囊胚阶段的胚胎，要注意将内细胞团均等分割。在胚胎分割过程中进行性别鉴定时，应取样滋养层细胞进行鉴定，不会对胎儿产生影响 5、意义：①促进优良动物品种的繁殖；②产生的遗传性状相同的后代是进行遗传学研究的宝贵材料； ③移植前，进行性别鉴定、遗传病筛查等，对于人工控制动物性别、动物繁育健康后代具有重要意义。 第3章 基因工程 第1节 重组DNA技术的基本工具 一、基因工程的概念 1、概念：基因工程是指按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，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，因此又叫作重组DNA技术。 2、原理：是基因重组。 二、基因工程的基本工具 1、限制性内切核酸酶——“分子手术刀” （1）主要来源：原核生物 （2）作用：能识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。 （3）识别序列的组成：大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组成，少数由4个、8个或其他数量。 （4）切割产生的末端形式：在识别序列的中心轴线两侧切开，产生的是黏性末端；在识别序列的中心轴线处切开，产生的是平末端。 （5）限制酶的选择原则：不破坏目的基因原则；保留标记基因、启动子、终止子、复制原点原则； 确保出现相同黏性末端原则；为避免目的基因和质粒自身环化和反向连接，可使用双酶切法。 2、DNA连接酶——“分子缝合针” （1）作用：能将两个DNA片段重新连接起来的酶。 （2）类型：一类从大肠杆菌中分离得到，称为E.coliDNA连接酶；一类从T4噬菌体中分离得到，称为T4DNA连接酶。E.coliDNA连接酶连接平末端的效率要远远低于T4DNA连接酶。 3、基因进入受体细胞的载体——“分子运输车” （1）类型：质粒、噬菌体、动植物病毒等。 （2）作用：携带外源DNA片段进入受体细胞。 （3）通常是用质粒作为载体。 ①概念：质粒是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，并具有自我复制能力的环状双链DNA分子。 ②质粒作为载体具备的三个条件： a.有一个至多个限制酶切割位点，供外源DNA片段插入； b.能在细胞中进行自我复制，或整合到受体DNA上，随受体DNA同步复制； c.含有特殊的标记基因，便于重组DNA分子的筛选。 4、与DNA有关的六种酶归纳 名称 作用的化学键 作用对象 作用结果 限制酶 断裂磷酸二酯键 DNA 将DNA切成两个片段或多个片段 DNA连接酶 形成磷酸二酯键 DNA片段 将两个DNA片段连接为一个DNA分子 DNA聚合酶 形成磷酸二酯键 脱氧核苷酸 将单个脱氧核苷酸依次连接到DNA单链末端 DNA(水解)酶 断裂磷酸二酯键 DNA 将DNA水解为单个脱氧核苷酸 解旋酶 断裂氢键 DNA 将双链 DNA双链解旋为两条单链 RNA聚合酶 形成磷酸二酯键 核糖核苷酸 将单个核糖核苷酸依次连接到RNA单链末端 5、实验：DNA的粗提取与鉴定 （1）实验原理： （1）方法步骤： 第2节 基因工程的基本操作程序 第一步 目的基因的筛选与获取 1、目的基因：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。主要是指编码蛋白质的基因。 2、筛选目的基因的方法 （1）从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是较为有效的方法之一。 （2）利用序列数据库和序列比对工具进行筛选。 3、利用PCR获取和扩增目的基因 获取目的基因的方法：①人工合成目的基因 ②PCR获取和扩增目的基因 ③通过构建基因文库获取 （1）PCR(聚合酶链式反应)：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。 （2）PCR反应的条件：一定的缓冲溶液（一般要添加Mg2+）、DNA模板、2种引物、4种脱氧核苷酸、耐高温的DNA聚合酶，以及能自动调控温度的仪器。 （3）PCR反应的过程 变性：当温度超过90℃时，双链DNA解聚为两条单链。 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。 延伸：当温度上升到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，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。 （4）PCR产物的鉴定：常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定。 [提醒]①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。可以是DNA单链，也可以是RNA单链。用于PCR的引物长度通常为20～30个核苷酸。②引物的作用：使DNA聚合酶能从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸。③引物结合在DNA模板链的 3'端。④在PCR过程中实际加入的是dNTP(dATP、dTTP、dCTP、dGTP)，既可作合成DNA子链的原料，又可为DNA的合成提供能量。 4、PCR技术和DNA复制的比较 第二步 基因表达载体的构建（核心工作） 1、目的：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及作用 3、构建过程 4、启动子、终止子、起始密码子、终止密码子的比较 第三步 将目的基因导入受体细胞 1、导入植物细胞方法：农杆菌转化法、花粉管通道法 （1）农杆菌转化法 ①转化：指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。（实质是基因重组） ②农杆菌特点：农杆菌内含Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的T-DNA转移到被侵染的细胞，并且将其整合到该细胞的染色体DNA上。 ③农杆菌转化法中的两次拼接和两次导入（见下图） 两次筛选：第一次筛选成功导入重组质粒的农杆菌；第二次筛选成功转化的植物细胞； 2、导入动物细胞：显微注射法，将目的基因注入动物的受精卵中。 3、导入原核生物：先用Ca2＋  处理大肠杆菌细胞，使之处于一种能吸收周围环境中  DNA分子的生理状态，然后将重组的基因表达载体导入其中。 第四步 目的基因的检测与鉴定 五、实验：DNA片段的扩增及电泳鉴定 1、PCR原理：利用了  DNA的热变性原理，通过调节温度来控制双链的解聚与结合。PCR扩增DNA片段还利用了DNA半保留复制的原理。 2、电泳：DNA分子具有可解离的基团，在一定的pH下，这些基团可以带上正电荷或负电荷。在电场的作用下，这些带电分子会向着与它所带电荷相反的电极移动，这个过程就是电泳。 3、PCR产物一般常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定。在凝胶中DNA分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子的大小和构象等有关。 4、如果扩增结果不止一条条带，可能的原因有： ①引物设计不合理，它们与非目的序列有同源性或容易形成二聚体； ②退火温度过低； ③DNA聚合酶的质量不好等。 5、PCR实验操作步骤和DNA的电泳鉴定 6、PCR扩增过程中的循环图示和规律 第3节 基因工程的应用 1、基因工程在农牧业方面的应用 2、基因工程在医药卫生领域的应用 ( ①乳腺生物反应器是利用转基因动物的乳汁生产药用蛋白，而膀胱生物反应器是利用转基因动物的尿液生产药用蛋白，二者的优点是产量高、质量好、成本低、易提取，且不会对动物造成伤害。②乳腺生物反应器只有处于生殖期的雌性动物才可生产药用蛋白，而膀胱生物反应器则是任何生长时期的雌、雄动物均可生产。 ) 3、基因工程在食品工业方面的应用 第4节 蛋白质工程的原理和应用 1、蛋白质工程的概念 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。 2、蛋白质工程与基因工程的异同 项目 蛋白质工程 基因工程 过程 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→找到并改变相对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 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→目的基因的检测与鉴定 实质 定向改造或生产人类所需要的蛋白质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品 结果 可生产自然界中不存在的蛋白质 只能生产自然界中已存在的蛋白质 联系 蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程 3、蛋白质工程的应用 (1)在医药方面：利用蛋白质工程研发药物。 实例：如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在一定条件下，可以延长保存时间；将小鼠抗体上结合抗原的区域嫁接到人的抗体上，可降低小鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。 (2)在工业方面：蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。 实例：枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。 (3)在农业方面：科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。改造微生物蛋白质的结构，设计优良微生物农药，使它防治病虫害的效果增强。 第4章 生物技术的安全性与伦理问题 1、转基因成果 领域 成果 微生物方面 ①减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期； ②构建高产、优质的基因工程菌生产氨基酸； ③用基因工程菌生产药物 转基因动物方面 ①培育生长迅速、营养品质优良的转基因家禽、家畜； ②培育抵抗相应病毒的动物新品种； ③建立某些人类疾病的转基因动物模型 转基因植物方面 培育具有抗虫、抗病、抗除草剂和耐储藏等新性状的作物 2、生殖性克隆人面临的伦理问题 (1)生殖性克隆和治疗性克隆的比较 类型 生殖性克隆 治疗性克隆 概念 利用克隆技术获得胚胎，并将胚胎孕育成为人类个体 利用克隆技术产生特定的细胞、组织和器官，用它们来修复或替代受损的细胞、组织和器官，从而达到治疗疾病的目的 目的 产生独立生存的新个体 治疗疾病 水平 个体水平 细胞或组织水平 联系 都属于无性生殖；产生新细胞、新组织或新个体，遗传信息相同 (2)关于生殖性克隆人的态度 我国政府不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。 3、试管婴儿和设计试管婴儿的比较 类型 试管婴儿 设计试管婴儿 技术手段 不需要进行遗传学诊断 胚胎移植前需要进行遗传学诊断 实践应用 解决不孕不育问题 用于白血病、贫血症等疾病的治疗 联系 二者都是体外受精，经体外早期胚胎发育，再进行胚胎移植，在生殖方式上都为有性生殖 4、禁止生物武器 91 学科网（北京）股份有限公司 $