第3章 第3节 基因工程的应用-【新课程学案】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程教师用书word（人教版 单选版）

本讲义聚焦基因工程的应用这一核心知识点，系统梳理其在农牧业（如转基因抗虫/抗病/抗除草剂植物培育、植物品质改良、动物生长速率及畜产品品质提升）、医药卫生（转基因微生物/动植物细胞生产药物、乳腺生物反应器、器官移植供体改造）和食品工业中的具体应用，通过学案设计的方法与成果表格、情境探究的问题链、归纳拓展的对比分析等学习支架，帮助学生构建知识体系。 该资料以科学思维和探究实践为核心设计亮点，通过抗虫棉培育过程的情境探究（如分析抗虫基因专一性、检测方法及环保优势）培养学生基于证据的逻辑推理能力，结合转基因抗虫与抗病植物的归纳对比表格提升分类比较思维。迁移训练中酵母菌改良、拟南芥基因对烟草抗旱影响等实例，引导学生在解决实际问题中发展探究实践能力，同时强调基因工程的应用价值与进展，渗透态度责任教育。课中辅助教师高效授课，课后助力学生回顾知识、查漏补缺。

第3节　基因工程的应用 【学习目标】 1.举例说出基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。 2.认同基因工程的应用价值。 3.关注基因工程的进展。 聚焦·学案一　基因工程在农牧业方面的应用 [学案设计] 1.转基因抗虫植物 方法 从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因,将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物 成果 转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等 2.转基因抗病植物 背景 许多栽培作物由于自身缺少抗病基因,因此用常规育种的方法很难培育出抗病的新品种 方法 科学家将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中,培育出了转基因抗病植物 成果 转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等 3.转基因抗除草剂植物 背景 杂草常常危害农业生产,而大多数除草剂不仅能杀死田间杂草,还会损伤作物,导致作物减产 方法 将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物,可以培育出抗除草剂的作物品种 成果 转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等 4.改良植物的品质 优良基因 成果 某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因 富含赖氨酸的转基因玉米 与植物花青素代谢相关的基因 转基因矮牵牛 5.提高动物的生长速率 (1)目的基因:外源生长激素基因。 (2)成果:转基因鲤鱼。 6.改善畜产品的品质 (1)目的基因:肠乳糖酶基因。 (2)成果:转基因牛分泌的乳汁中,乳糖的含量大大降低,而其他营养成分不受影响。 |情|境|探|究|思|考| 　　抗虫棉作为一种转基因作物,核心优势集中在减少虫害影响、降低种植成本和提升综合效益上,下图为通过基因工程培育抗虫棉的过程,请回答: (1)抗虫棉能抗病毒、细菌和真菌吗?为什么? 提示:不能。抗虫基因具有专一性。 (2)对于基因工程生产的抗虫棉是否取得最后的成功,最简单的检测方法是什么? 提示:让害虫去吃转基因棉花的植株,观察害虫的生存状况。 (3)从环境保护角度出发,分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性有哪些? 提示:减少了化学农药的使用量,降低了环境污染。 　　[归纳拓展] 　转基因抗虫植物与转基因抗病植物的比较 项目 转基因抗虫植物 转基因抗病植物 方法 从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因,将其导入植物中 将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中 基因 种类 Bt抗虫蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等 ①抗病毒基因:病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因等; ②抗真菌基因:几丁质酶基因等 意义 减少化学农药的使用,降低生产成本,减轻环境污染等 [迁移训练] 1.判断下列表述的正误 (1)转基因作物的目的基因只能来源于微生物。 (×) (2)利用转基因改良植物品质,目的基因一定是控制该性状的基因。 (×) (3)基因工程育种比传统育种所需的时间短,并且可以解决远缘亲本难以杂交的问题。 (√) (4)转基因抗虫植物培育成功后可防治各种害虫。 (×) 2.下列有关转基因植物的说法,错误的是 (　　) A.科学家可以利用一些调节细胞渗透压的基因,来提高农作物的抗盐碱和抗旱能力 B.因为转基因抗虫棉可以抵抗一切危害棉花植株的害虫,所以转基因抗虫棉已经推广应用 C.科学家往往将某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中,以提高农作物的营养价值 D.利用基因工程技术可以改良农作物的品质 解析:选B　转基因抗虫棉只是对棉铃虫有较强的抗性,并不能抵抗所有害虫,B错误。 3.酵母菌细胞壁的主要成分是几丁质。酿酒酵母产酒精能力强,但没有合成淀粉酶的能力;糖化酵母能合成淀粉酶,但酒精发酵能力弱。科研人员通过两种途径改良酵母菌种,实现以淀粉为底物高效生产酒精的目的。下列叙述正确的是 (　　) A.途径Ⅰ需用纤维素酶处理酵母菌,再利用PEG诱导融合 B.途径Ⅱ需要以淀粉酶基因作为目的基因构建基因表达载体 C.途径Ⅰ和途径Ⅱ最终获得的目的酵母菌染色体数目相同 D.以淀粉转化为还原糖的效率作为最终鉴定目的菌的指标 解析:选B　途径Ⅰ需用几丁质酶处理酵母菌,再利用PEG诱导融合,A错误。根据题意,途径Ⅱ是将糖化酵母的淀粉酶基因提取出来,作为目的基因构建基因表达载体,导入酿酒酵母,从而获得目的酵母菌,B正确。途径Ⅰ获得的目的酵母菌染色体数目是原来两种酵母菌染色体数目之和;途径Ⅱ获得的目的酵母菌染色体数目与原来酿酒酵母染色体数目相同,C错误。鉴定目的菌株最终的依据是酵母菌以淀粉为底物生产酒精的能力,D错误。 4.为研究拟南芥的AtCIPK基因对烟草抗旱能力的影响,科研人员将该基因转入烟草得到甲、乙、丙三个转基因品种,变量处理后的第7天检测AtCIPK基因和抗干旱基因NtLE5的表达量,结果如下表所示。下列分析错误的是 (　　) 品种 AtCIPK基因 相对表达量 NtLE5基因的表达量 0天 7天 甲 5.31 1.01 1.81 乙 5.52 1.05 1.83 丙 7.05 1.26 3.08 丁 0 0.98 0.95 A.丁组与其他实验组在变量处理前都需要提供适宜光照和进行干旱处理 B.基因表达量的分析过程中存在U—A碱基配对 C.除了检测基因的表达量,还需进行个体水平的检测 D.AtCIPK基因的表达产物可能促进NtLE5基因的表达,从而提高植物对干旱的适应性 解析:选A　丁组与其他实验组在变量处理前都需要提供适宜的光照并浇水使其正常生长,变量处理时,实验组和对照组停止浇水,A错误;检测基因表达量时可以先提纯RNA,用逆转录的方法得到DNA,定时定量分析特定基因的含量,用于反映转录的情况,此过程中存在U—A碱基配对,B正确;除了检测基因的表达量,还需比较转基因烟草植株与普通烟草植株的生长量,用于检测转基因烟草的抗旱能力,C正确;由表中的数据可以看出,AtCIPK基因的相对表达量与抗干旱基因NtLE5的表达量存在正相关关系,说明AtCIPK基因的表达产物可能促进NtLE5基因的表达,从而提高植物的抗旱能力,D正确。 聚焦·学案二　基因工程在医药卫生领域和食品工业方面的应用 [学案设计] 1.基因工程在医药卫生领域的应用 应用 基因来源或处理 成果 转基因微生物或动植物细胞生产药物 对微生物或动植物的细胞进行基因改造 生产包括细胞因子、抗体、疫苗和激素等药物 乳腺(房)生物反应器生产药物 药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等重组 生产抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α⁃抗胰蛋白酶等 转基因动物作器官移植的供体 抑制抗原决定基因的表达或设法除去抗原决定基因 正尝试结合克隆技术培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官 2.基因工程在食品工业方面的应用 　　[典例]　下图为利用乳腺生物反应器和工程菌两种方法生产某种医用蛋白(一种分泌蛋白)的操作流程图,回答下列问题: (1)为了使目的基因在乳腺细胞中表达,过程①需要将目的基因与______________________________　　、终止子、标记基因等调控元件重组在一起,该过程需要的酶是______________________________　。  (2)过程②常用的技术是　　　　　　　,常选用受精卵作为受体细胞的原因是____________________________________________________________。  (3)过程④一般是将发育到__________________时期的胚胎进行移植,移植的胚胎能在受体子宫存活的生理学基础是__________________________________________________________________________________________　　　　　　　 __________________。  (4)通过乳腺生物反应器生产的蛋白A一般具有生理活性,而工程菌生产的蛋白B往往不具有生理活性,可能的原因是____________________________________________________________________________________________________________　 ______________________________________________________________________________　　。  [解析]　(1)为了使目的基因在乳腺细胞中表达,过程①需要将目的基因与乳腺蛋白基因的启动子、终止子、标记基因等调控元件重组在一起;该过程需要的酶是限制酶和DNA连接酶。 (2)过程②是将目的基因导入受体细胞,导入动物细胞常用的技术是显微注射法;常选用受精卵作为受体细胞的原因是受精卵具有全能性。 (3)过程④是胚胎移植,胚胎移植的时期是桑葚胚或囊胚期;受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥,并且供体胚胎可与受体子宫建立正常生理和组织上的联系,这是移植的胚胎能在受体子宫存活的生理学基础。 (4)由于该医用蛋白为分 泌蛋白,蛋白A经过了内质网和高尔基体的加工而具有生理活性,但由于大肠杆菌无内质网和高尔基体,导致蛋白B没有经过加工,故还不具有生理活性。 [答案]　(1)乳腺蛋白基因的启动子　限制酶和DNA连接酶　(2)显微注射法　受精卵具有全能性　(3)桑葚胚或囊胚　受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥;供体胚胎可与受体子宫建立正常生理和组织上的联系　(4)该医用蛋白为分泌蛋白,蛋白A经过了内质网和高尔基体的加工而具有生理活性,但由于大肠杆菌无内质网和高尔基体,导致蛋白B没有经过加工,故还不具有生理活性 　　[归纳拓展]　乳腺生物反应器与工程菌的比较 比较项目 乳腺生物反应器 工程菌 含义 指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达,利用动物的乳腺组织生产药物蛋白 指用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系 受体基因结 构与人类基 因结构差异 动物基因结构与人类的基因结构基本相同 细菌和真菌的基因结构与人类有较大差异 基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白质相同 细菌合成的药物蛋白可能没有活性 受体细胞 动物受精卵 微生物细胞 目的基因 导入方式 显微注射法 Ca2+处理法 生产条件 不需严格灭菌;温度等外界条件对其影响不大 需严格灭菌,严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件 药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其培养液中提取 生产设备 畜牧业生产、提取设备 发酵生产、提取设备 [迁移训练] 1.判断下列表述的正误 (1)将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌,能获得产生人干扰素的菌株。 (√) (2)利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,如人的血清白蛋白,这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中。 (×) (3)以大肠杆菌作为工程菌获得人干扰素后可直接应用。 (×) 2.下列有关基因工程在食品工业方面应用的叙述,错误的是 (　　) A.阿斯巴甜是一种普遍使用的甜味剂,可以通过基因工程直接实现大规模生产 B.可将编码牛凝乳酶的基因导入黑曲霉基因组中,再通过工业发酵批量生产凝乳酶 C.用基因工程方法,使外源基因得到高效表达的菌类一般称为基因工程菌 D.淀粉酶、脂肪酶等大量生产过程中所用到的工程技术包括基因工22程技术和发酵工程技术等 解析:选A　阿斯巴甜主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成,这两种氨基酸可以通过基因工程实现大规模生产,并不是直接大规模生产阿斯巴甜。 3.动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生物发酵,进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现代生物技术。科学家已在牛和羊等动物的乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要药品,大致过程如下图所示。以下叙述错误的是 (　　) A.通过③形成的重组质粒具有人的药用蛋白基因、启动子、终止子和标记基因即可 B.④通常采用显微注射法 C.在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达,因此可以从乳汁中提取药物 D.该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取 解析:选A　若用转基因动物生产药物,通常将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子、复制原点等调控元件重组在一起,通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中,最终培育的转基因动物进入泌乳期后,可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物,因而称为乳腺生物反应器,A错误,B、C正确;相对于传统方法,利用乳腺生物反应器生产药物的优点是产量高、质量好、成本低、易提取,D正确。 4.口服α⁃干扰素在慢性乙肝、丙肝及部分肿瘤的治疗中有一定疗效。图1为科研人员制备能合成干扰素的人参愈伤组织细胞的流程。 请回答下列问题: (1)由于DNA复制时,子链只能由5'端向3'端方向延伸,故可以从图2中A、B、C、D四种单链DNA片段中选取__________________作为引物。  (2)图1步骤②用到的农杆菌Ti质粒的功能是____________________________________________________________。图示过程涉及的生物工程包括基因工程和______________________________　。  (3)如果将干扰素基因导入哺乳动物的受精卵,早期胚胎培养至______________________________阶段,然后进行胚胎移植,可从转基因动物分泌的乳汁中获得干扰素,人们把这种转基因动物称为______________________________　　。  解析:(1)因DNA复制时,子链总是从5'端向3'端方向延伸,子链与模板链反向平行,所以利用PCR技术扩增干扰素基因时,可以从图2中A、B、C、D四种单链DNA片段中选取B和C片段作为引物。 (2)转基因植物通常利用农杆菌转化法,因为农杆菌Ti质粒上的T⁃DNA可将目的基因整合到受体细胞染色体DNA上。分析图1可知,图示过程涉及的生物工程包括基因工程和植物细胞工程。 (3)通过基因工程得到的受精卵要在体外进行早期胚胎培养,一般培养至桑葚胚或囊胚阶段进行胚胎移植。转基因动物发育成熟后,可从其分泌的乳汁中获得干扰素,人们把这种转基因动物称为乳房生物反应器,也叫乳腺生物反应器。 答案:(1)B和C　(2)将目的基因整合到受体细胞染色体DNA上　植物细胞工程　(3)桑葚胚或囊胚　乳腺(或乳房)生物反应器 ______________________________　　　　　 一、建构概念体系 二、融通科学思维 1.人的胰岛素基因导入大肠杆菌后不能正确表达出胰岛素,其原因是真核细胞的基因结构不同于原核细胞,其转录出的mRNA需加工后才能作为翻译的模板,细菌中不存在此机制。 2.野外种植转基因抗A害虫植物的同时,还种植一定量的同种不抗虫植物,可降低抗性害虫在整个害虫种群中所占比例的增加速率。其原因是种植一定量的同种不抗虫植物,对抗性害虫的选择作用减弱。 3.干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白,是治疗癌症的重要药物,它必须从血液中提取,每300 L血液只能提取出1 mg,所以价格昂贵。科学家利用基因工程技术将干扰素合成基因导入大肠杆菌,根据所学知识,能利用转基因大肠杆菌直接生产干扰素吗,原因是什么?不能,因为大肠杆菌属于原核生物,没有内质网和高尔基体等其他细胞器,不能加工形成有活性的干扰素。 三、综合检测反馈 1.下列关于用转基因动物作为器官移植供体的研究的叙述,不正确的是 (　　) A.人体移植器官短缺和免疫排斥是目前制约人体器官移植的两大难题 B.猪的内脏构造、大小和血管分布与人的极为相似 C.灵长类动物体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒少于猪 D.无论以哪种动物作为供体,都需要在其基因组中导入调控基因表达的DNA序列,以抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因 解析:选C　猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远少于灵长类动物,C错误。 2.下图为利用奶牛乳汁生产血清白蛋白的过程,下列分析错误的是 (　　) A.①经胰蛋白酶处理可得到③ B.图中涉及基因工程、细胞核移植、胚胎分割和胚胎移植等技术 C.常用PCR技术扩增② D.若要获得同卵双胎或多胎,只能分割桑葚胚细胞 解析:选D　动物细胞培养时,需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理动物组织以获得单个细胞,A正确;图中涉及基因工程、细胞核移植、胚胎分割和胚胎移植等技术,B正确;常用PCR技术扩增②,以获取大量目的基因,C正确;进行胚胎分割时,应选择发育良好、形态正常的桑葚胚或囊胚,D错误。 3.某研究中心的科研团队在转基因猪生物反应器领域取得重要研究进展。在国际上首次利用转基因猪的唾液腺作为生物反应器,高效合成了一种对人的神经性疾病具有良好治疗作用的蛋白——人神经生长因子(hNGF),生产流程如图所示。下列相关说法错误的是 (　　) A.可用人hNGF基因与猪成纤维细胞A中唾液淀粉酶基因的启动子等元件构建表达载体 B.重构胚具有发育成个体的潜能,移植到代孕猪C体内无须任何操作便可进行分裂和发育 C.猪卵母细胞B需要在体外培养到MⅡ期后通过显微操作去核 D.唾液腺生物反应器与乳腺生物反应器相比具有不受性别限制等特点 解析:选B　用猪成纤维细胞A中唾液淀粉酶基因的启动子与人hNGF基因构建基因表达载体,能使目的基因在唾液腺细胞中表达,A正确;重构胚需要激活后才可进行分裂和发育,B错误;卵母细胞需要培养到MⅡ期去核,C正确;乳腺生物反应器只能是雌性动物,唾液腺生物反应器可以不受性别的限制,D正确。 4.(2025·衡水期中)随着基因工程技术的不断发展,其在多个领域发挥着重要作用。如今科研人员致力于利用该技术生产人生长激素。下图是获得人生长激素的两条途径:一是将相关基因导入绵羊受体细胞(受精卵),期望从绵羊的尿液中获取人生长激素;二是将其导入草莓受体细胞进行培育。下列叙述错误的是 (　　) A.途径一中该转基因绵羊的乳腺细胞中含有人生长激素基因 B.与乳腺生物反应器相比,膀胱生物反应器不受动物性别的限制 C.途径一构建基因表达载体时,需将人生长激素基因与膀胱中特异性表达的基因的启动子等调控元件重组在一起 D.途径二只能借助花粉管通道法将目的基因导入草莓受体细胞 解析:选D　途径一通过基因工程将人生长激素基因导入绵羊受精卵,发育成的转基因绵羊的体细胞(包括乳腺细胞)中都含有导入的人生长激素基因,A正确;乳腺生物反应器只有雌性动物在泌乳期才能用于生产,而膀胱生物反应器在任何生长时期的雌雄动物均可用于生产,B正确;要想让目的基因在膀胱细胞中特异性表达,需要将人生长激素基因与膀胱中特异性表达的基因的启动子等调控元件重组在一起构建成基因表达载体,C正确;除花粉管通道法外,还有其他方法也能将目的基因导入植物细胞,D错误。 5.转基因小鼠的过表达模型和基因敲除模型在人类疾病机理与治疗研究领域得到了广泛应用。研究表明,阿尔茨海默病(AD)发病与淀粉样前体蛋白(APP)基因突变等有关。请回答下列问题: (1)通过　　　　　　　技术将APP基因导入小鼠受精卵中,即可获得APP基因过表达的转基因小鼠模型。  (2)sgRNA可识别与之互补配对的DNA片段,我们可利用__________________为模板设计sgRNA,再利用该sgRNA引导限制酶______________________________　　,从而获得APP基因敲除的转基因小鼠模型。  (3)能否用抗原—抗体杂交的方法证明已获得APP基因敲除的转基因小鼠?　　　　(填“能”或“不能”)。请说明理由:___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________。 (4)经研究得知,某DNA存在一个能控制转录过程的特殊区段,科学家通过PCR技术获得了大量该区段,该技术操作流程的三个重要步骤是______________________________。 (5)人们发现小型猪的器官可用来替代人体器官进行移植,但小型猪器官表面的某些抗原决定蛋白仍可引起免疫排斥。科学家试图利用基因工程对小型猪的器官进行改造,在改造中导入小型猪基因组中的一些调控基因表达的DNA序列属于基因工程中的__________________,作用是抑制__________________　的表达。  解析:(1)常通过显微注射技术将目的基因导入动物细胞中。 (2)可以利用APP基因为模板设计sgRNA,由于sgRNA可识别与之互补配对的DNA片段,故可以利用该sgRNA引导限制酶切除APP基因,从而获得APP基因敲除的转基因小鼠模型。 (3)抗原—抗体杂交法是用抗体去检测目的基因是否表达,细胞中含有APP基因也不一定表达,无论APP基因是否敲除,都可能不出现杂交带,故不能证明已获得APP基因敲除的转基因小鼠。 (4)PCR包括变性、复性、延伸三个步骤。 (5)导入的小型猪基因组中的一些调控基因表达的DNA序列属于目的基因,导入后可以抑制抗原决定蛋白基因的表达,降低免疫排斥反应。 答案:(1)显微注射　(2)APP基因　切除APP基因　(3)不能　抗原—抗体杂交法是用抗体去检测目的基因是否表达,细胞中含有APP基因也不一定表达,无论APP基因是否敲除,都可能不出现杂交带　(4)变性、复性、延伸　(5)目的基因　抗原决定蛋白基因 学科网（北京）股份有限公司 $