第3章 第1节 第1课时 基因工程的发展历程和基因工程的基本工具-【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（苏教版）

本高中生物学讲义聚焦基因工程的发展历程及基本工具，系统梳理基因工程概念、工具酶（限制酶、DNA连接酶）的作用机制与载体的必备条件，构建从理论到应用的学习支架。 资料以科学思维为核心，通过构建操作流程模型、设计实验活动（如PCR扩增与电泳鉴定）培养学生实践能力，典例与层级训练结合，助力教师课堂教学，同时方便学生课后巩固，落实生命观念与社会责任素养。

第三章　基因工程 　生命观念 　科学思维 　科学探究 　社会责任 　基因工程实现了遗传信息在不同生物之间的横向传递。通过学习基因工程的基本原理和操作程序,深入理解和思考生命的信息观。 　构建基因工程和蛋白质工程的操作流程模型,并建立基因工程和蛋白质工程操作中的技术思维和工程思维。 　通过“利用PCR技术扩增DNA片段并完成电泳鉴定”“DNA的粗提取与鉴定”两个实验活动,培养学生的实践能力和创新能力。 　学会利用基因工程技术解决生产、环境保护及人类健康问题,建立科学技术观,认识到社会的进步离不开科学技术的发展。 第一节　基因工程及其技术 第1课时 基因工程的发展历程和基因工程的基本工具 学习目标 1.简述基因工程的发展历程。　　 2.阐明基因工程所需的三种基本工具的作用。 知识点(一)　基因工程的发展和基因工程的工具酶 　　　　[教材知识梳理] 　　(一)基因工程是在多学科基础上发展而来的 　　(二)基因工程的工具酶 1.基因工程的概念 操作环境 体外 操作方法 人工“剪切”和“拼接” 操作过程 将外源目的基因与载体DNA进行组合形成重组DNA,然后导入受体细胞,并使其在受体细胞中表达 操作原理 基因重组 目的 产生人类需要的基因产物 　　2.“分子剪刀”——限制性内切核酸酶(限制酶) 来源 主要来自原核生物 功能 能够识别DNA分子上特定的脱氧核苷酸序列,并使每条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键断开 结果 经过错位切和平切分别产生黏性末端和平末端 应用 已知限制酶EcoR Ⅰ和HaeⅢ识别的碱基序列和切割位点分别为↓GAATTC和　↓AGGCCT,在图中写出两种限制酶切割DNA后产生的末端种类。 限制酶EcoRⅠ和限制酶HaeⅢ识别的碱基序列不同,切割位点不同(填“相同”或“不同”),说明限制酶具有特异性(专一性) 　　3.“分子黏合剂”——DNA连接酶 (1)功能:将双链DNA片段“缝合”起来,恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。 (2)种类 种类 E.coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶 来源 大肠杆菌 T4噬菌体 特点 只能连接黏性末端 既可以连接黏性末端,又可以连接平末端 [微提醒] 　　①限制酶不切割细菌本身的DNA分子,含某种限制酶的细菌的DNA分子不具备这种限制酶的识别序列,或者甲基化酶将甲基转移到了限制酶所识别序列的碱基上,使限制酶不能将其切开。 ②限制酶特异性识别和切割的部位具有回文序列,即在切割部位,一条链正向读的碱基顺序,与另一条链反向读的顺序完全一致。例如:EcoRⅠ限制酶识别的DNA序列为,为回文序列。 ③使用不同的限制酶进行切割,只要切割后产生的黏性末端互补(或相同)就可用DNA连接酶连接起来。 　 [核心要点点拨] 　　(一)与DNA相关的几种酶的比较 项目 DNA连接酶 限制酶 DNA聚合酶 解旋酶 作用 部位 磷酸二酯键 磷酸 二酯键 磷酸二酯键 氢键 作用 对象 DNA片段 DNA 单个的脱氧 核苷酸 DNA 作用 结果 将两个DNA片段连接成重组DNA分子 切割 DNA 分子 将单个的脱氧 核苷酸连接到 DNA单链末端 将双链DNA分子局部解旋为单链 　　(二)基因工程的理论基础 　　[典例]　限制酶a和b的识别序列和切割位点如图所示,下列有关说法正确的是 (　　) A.一个DNA分子中,酶a与酶b的识别序列可能有多个 B.酶a与酶b切出的黏性末端不能相互连接 C.酶a与酶b切断的化学键不完全相同 D.用酶a切割有3个识别位点的质粒(环状DNA分子),得到4种切割产物 [解析]　一个DNA分子中,可能存在一个至多个酶a与酶b的识别序列,A正确;由图可知,酶a与酶b识别的序列虽然不同,但切出黏性末端的两条链之间的碱基可以通过碱基互补配对连接起来,B错误;酶a与酶b切断的化学键均为相邻脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键,C错误;质粒为小型环状DNA分子,用酶a切割有3个识别位点的质粒,可得到3种切割产物,D错误。 [答案]　A [层级训练评价] (一)澄清概念 1.判断下列叙述的正误 (1)DNA连接酶能将DNA两条单链之间的碱基通过氢键连接起来。 (×) (2)E.coli DNA连接酶既可连接平末端,又可连接黏性末端。 (×) (3)限制酶和解旋酶的作用部位相同。 (×) (4)基因工程的原理是基因重组,在基因工程中这种变异是定向的。 (√) (5)限制酶在原来的原核细胞内对细胞自身有害。 (×) (二)落实知能 2.下列关于基因工程发展历程的说法正确的是 (　　) A.科学家发现质粒为基因的转移和重组找到工具酶 B.沃森和克里克证明了DNA的半保留复制,为基因工程技术提供了理论基础 C.科学家将爪蟾的DNA片段和大肠杆菌的质粒重组并成功地复制转录,表明基因工程能够克服种间障碍 D.现代的基因工程技术已经能够让动植物的各种蛋白质基因都在大肠杆菌细胞中表达 解析:选C　质粒不是工具酶,A错误;沃森和克里克构建了DNA的双螺旋结构模型,其中克里克还提出了中心法则,但这两个人并没有证明DNA的半保留复制,B错误;大肠杆菌是原核生物,没有内质网、高尔基体等具膜细胞器,因此现代的基因工程技术还不能让动植物的各种蛋白质基因都在大肠杆菌细胞中表达,D错误。 3.实施基因工程的最终目的是 (　　) A.定向提取生物体的DNA分子 B.定向地对DNA分子进行人工“剪切” C.在生物体外对DNA分子进行改造 D.产生人类需要的基因产物 解析:选D　基因工程是指在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法,将外源目的基因与载体DNA进行组合形成重组DNA,然后导入受体细胞,并使其在受体细胞中表达,产生人类需要的基因产物的技术。 4.(2025·苏州月考)以下是几种不同限制酶切割DNA分子后形成的部分片段。下列叙述正确的是 (　　) ①…CTGCA　②…G　　　③…TG　④…G 　…G　　　 　…CTTAA　…AC　　…CTGCA A.以上DNA片段是由4种限制酶切割后产生的 B.②片段是在识别序列为GAATTCTTAA的限制酶作用下形成的 C.①和④两个片段在DNA聚合酶的作用下可形成重组DNA分子 D.限制酶和DNA连接酶作用的部位都是磷酸二酯键 解析:选D　图中①④是同一种限制酶切割形成的,因此题干中4个DNA片段是由3种限制酶切割后产生的,A错误;②片段是在识别序列为GAATTCCTTAAG的限制酶作用下形成的,B错误;①④连接形成重组DNA分子需要的是DNA连接酶,C错误;限制酶和DNA连接酶作用的部位都是磷酸二酯键,D正确。 (三)迁移应用 5.用DNA重组技术可以赋予生物以新的遗传特性,创造出更符合人类需要的生物产品。在此过程中需要使用多种工具酶,其中4种限制性内切核酸酶的切割位点如图所示。回答下列问题: (1)常用的DNA连接酶有E.coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶。上图中　　　　　　　酶切割后的DNA片段可以用E.coli DNA连接酶连接,　　　　　　　　酶切割后的DNA片段可以用T4 DNA连接酶连接。  (2)DNA连接酶催化目的基因片段与质粒载体片段之间形成的化学键是　　　　　　　　。  解析:(1)限制酶EcoRⅠ和PstⅠ切割形成的是黏性末端,限制酶SmaⅠ和EcoRⅤ切割形成的是平末端,E.coli DNA连接酶来源于大肠杆菌,只能连接具有黏性末端的DNA片段,而T4 DNA连接酶来源于T4噬菌体,可用于连接黏性末端和平末端,但连接平末端效率相对较低。因此图中EcoRⅠ和PstⅠ切割后的DNA片段可以用E.coli DNA连接酶连接,EcoRⅠ、PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅤ酶切后的DNA片段可以用T4 DNA连接酶连接。 (2)DNA连接酶催化目的基因片段与质粒载体片段之间形成磷酸二酯键。 答案:(1)EcoRⅠ、PstⅠ　EcoRⅠ、PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅤ　(2)磷酸二酯键 知识点(二)　“分子搬运工”——载体 [教材知识梳理] (一)质粒的概念与种类 1.概念:将外源基因导入受体细胞,并使其在受体细胞中稳定遗传和表达,还需要一定的“分子搬运工”,基因工程上将它们称为载体。 2.种类:常用的有质粒、λ噬菌体的衍生物、动物病毒等。 　　(二)质粒作为基因工程的载体应具备条件 能自我 复制 具有复制原点,能够在受体细胞中进行自我复制,或整合到染色体DNA上,随染色体DNA进行同步复制 有切割 位点 有多种限制酶的切割位点,供外源基因插入 具有标 记基因 具有适合的标记基因,供重组DNA分子的鉴定和选择 无毒害 作用 对受体细胞无毒害作用,否则受体细胞将受到损伤甚至死亡 [微提醒] 　　一般来说,天然载体不能同时满足所有条件,要对其进行人工改造才可以使用。 [核心要点点拨] 　　图示法理解载体上标记基因筛选的原理 前提 载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力 过程 含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞,抗性基因在受体细胞内表达,受体细胞对该抗生素产生抗性,因此培养受体细胞的培养基中加入该种抗生素即可筛选 结果 在培养基上,被抗生素杀死的是没有抗性的受体细胞,没被杀死的具有抗性的受体细胞得以被筛选出来 [典例]　作为基因的运输工具——载体,必须具备的条件之一及理由是 (　　) A.能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制,以便提供大量的目的基因 B.具有多种限制酶的切割位点,以便目的基因的表达 C.具有某些标记基因,以使目的基因能够与其结合 D.对宿主细胞无伤害,以便重组DNA分子的鉴定和选择 [解析]　作为载体必须能在宿主细胞内稳定保存并大量复制,以便提供大量的目的基因,A正确;应有多种限制酶的切割位点,供目的基因的插入,B错误;应具有标记基因,以便重组DNA分子的鉴定和选择,C错误;应对宿主细胞无伤害,以便目的基因能够与其结合,D错误。 [答案]　A [层级训练评价] (一)澄清概念 1.判断下列叙述的正误 (1)作为载体的质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因。 (×) (2)质粒是环状双链DNA分子,是基因工程常用的载体。 (√) (3)载体的作用是携带外源基因进入受体细胞中,使之稳定存在并表达。 (√) (4)载体(如质粒)和细胞质膜中的载体蛋白的成分相同。 (×) (5)基因工程上用作载体的质粒一般都经过人工改造。 (√) (二)落实知能 2.(2025·徐州期中)下列有关基因工程中载体的说法,正确的是 (　　) A.被用作载体的质粒都是天然质粒 B.所有的质粒都可以作为基因工程中的载体 C.质粒是一种独立于细菌拟核外的链状DNA分子 D.作为载体的质粒DNA分子上应有对重组DNA进行筛选的标记基因 解析:选D　基因工程操作中,被用作载体的质粒是在天然质粒的基础上进行过人工改造的,A错误;作为基因工程的载体,必须具备一定的条件,如应有对重组DNA进行筛选的标记基因,而自然界中的质粒不一定具备相应的条件,因此并不是所有的质粒都可以作为基因工程中的载体,B错误,D正确;质粒是一种独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外的环状双链DNA分子,C错误。 3.下列关于质粒的叙述,正确的是 (　　) A.质粒是广泛存在于细菌细胞中的一种颗粒状细胞器 B.质粒是细菌细胞质中能够自主复制的小型环状DNA分子 C.细菌质粒和真核细胞DNA的基本结构单位不同 D.细菌质粒的复制过程一定是在细胞外独立进行的 解析:选B　质粒广泛存在于细菌细胞中,是细菌细胞质中能够自主复制的小型环状DNA分子,不是细胞器,A错误,B正确;细菌质粒是环状DNA分子,和真核细胞DNA的基本结构单位相同,均为脱氧核苷酸,C错误;有的质粒可以整合到宿主细胞的染色体DNA上,伴随宿主细胞一起复制,如Ti质粒的T-DNA,D错误。 (三)迁移应用 4.下图是某基因工程中构建重组质粒的过程示意图,载体质粒P0具有四环素抗性基因(tetr)和氨苄青霉素抗性基因(AmpR)。请回答下列问题: (1)用Taq 酶进行PCR扩增获得的目的基因片段,其两端各自带有一个腺嘌呤脱氧核苷酸。线性载体P1经酶处理,在其两端各添加了一个碱基为　　　　　的脱氧核苷酸,形成线性载体P2。  (2)为筛选出含有重组质粒P3的菌落,采用含有不同抗生素的平板进行筛选,得到A、B、C三类菌落,其生长情况如下表(“+”代表生长,“-”代表不生长)。根据表中结果判断,应选择的菌落是　　　　(填表中字母)类,另外两类菌落质粒导入情况分别是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  平板类型 A B C 无抗生素 + + + 氨苄青霉素 + + - 四环素 + - - 氨苄青霉素+四环素 + - - 解析:(1)据图分析,目的基因两侧为黏性末端,而进行PCR扩增获得的目的基因片段,其两端各自带有一个腺嘌呤脱氧核苷酸,根据碱基互补配对原则可知,在载体P1的两端需要各添加一个碱基为T的脱氧核苷酸,形成具有黏性末端的载体P2。(2)据图可知,EcoRⅤ酶切割质粒后破坏了四环素抗性基因(tetr),但是没有破坏氨苄青霉素抗性基因,因此含有重组质粒P3的菌落在含四环素的培养基中不能生长,而在含氨苄青霉素的培养基中能生长,结合表格分析可知,应该选择B类菌落;根据表格分析,A类菌落在含氨苄青霉素和四环素的培养基中都能够生长,说明其导入的是质粒P0;C类菌落在含任何抗生素的培养基中都不能生长,说明其没有导入任何质粒。 答案:(1)胸腺嘧啶(T)　(2)B　A类菌落含有P0、C类菌落未导入质粒 /课堂小结与随堂训练/ 一、知识体系构建 二、关键语句必背 1.DNA重组技术的基本工具有限制性内切核酸酶、DNA连接酶和将外源基因导入受体细胞的载体。 2.限制性内切核酸酶能识别DNA分子上特定的脱氧核苷酸序列,并在特定位点上切割。 3.E.coli DNA连接酶只能连接具有黏性末端的DNA分子,而T4 DNA连接酶可以用于连接具有黏性末端或平末端的DNA分子。 4.质粒作为基因工程的载体需具备的条件:具有复制原点,能在宿主细胞内稳定保存并自我复制;具有多种限制酶切割位点;具有标记基因。 三、素养好题训练 1.(2025·南京月考)某线性DNA分子含有5 000个碱基对(bp),先用限制酶a切割,再把得到的产物用限制酶b切割,得到的DNA片段大小如表所示。限制酶a、b的识别序列和切割位点如图所示。下列有关说法正确的是 (　　) 项目 酶a切割 酶b再次切割 产物 长度/bp 2 100;1 400; 1 000;500 1 900;200;800; 600;1 000;500 识别及 切割 位点 　↓ —AGATCT— —TCTAGA— 　　　　↑ 　↓ —GGATCC— —CCTAGG— 　　　　↑ A.酶a与酶b切断的化学键不相同 B.酶a与酶b切出的黏性末端不能相互连接 C.该DNA分子中酶a与酶b的识别序列分别有3个和2个 D.若酶a完全切割与该DNA序列相同的质粒,得到的切割产物有4种 解析:选C　酶a与酶b切断的化学键均为磷酸二酯键,A错误。酶a与酶b切出的黏性末端相同,用DNA连接酶可以将它们连接起来,B错误。由题表可知,限制酶a可以把线性DNA分子切成4段,说明该DNA分子上限制酶a的切割位点有3个;限制酶b把长度为2 100 bp的DNA片段切割成长度分别为1 900 bp和200 bp的两个DNA片段,把长度为1 400 bp的DNA片段切割成长度分别为800 bp和600 bp的两个DNA片段,说明限制酶b在该DNA分子上有2个切割位点,所以酶a与酶b的识别序列分别有3个和2个,C正确。用酶a完全切割与该DNA序列相同的质粒(环状的),也可能会得到3种大小不同的切割产物,D错误。 2.某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶基因a,通过基因工程的方法,将耐高温淀粉酶基因a与载体结合后导入马铃薯细胞中,经培养后检测发现耐高温淀粉酶在成熟马铃薯块茎细胞中存在。结合图示分析下列有关这一过程的叙述,正确的是 (　　) A.获取耐高温淀粉酶基因a的限制酶的作用部位是图中的② B.基因工程所用的工具酶有限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶 C.连接耐高温淀粉酶基因a与载体的DNA连接酶的作用部位是图中的① D.一种限制酶只能识别一种特定的核糖核苷酸序列,并在特定位点上切割DNA分子 解析:选C　限制酶的作用部位是图中的①磷酸二酯键,A错误;基因工程所用的工具酶是限制酶、DNA连接酶,没有DNA聚合酶,B错误;连接基因a与载体的DNA连接酶的作用部位是图中的①磷酸二酯键,C正确;一种限制酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列,并在特定位点上切割DNA分子,D错误。 3.(2025·连云港检测)限制酶MunⅠ和限制酶EcoRⅠ的识别序列及切割位点分别是和。下图表示目的基因和四种质粒,其中,质粒上箭头所指部位为酶的识别位点,阴影部分表示标记基因。适于作为图示目的基因载体的质粒是 (　　) 解析:选A　用限制酶MunⅠ切割A项中的质粒后,不会破坏标记基因,而且还能产生与目的基因两侧黏性末端相同的末端,因此A项中的质粒适于作为目的基因的载体,A符合题意;B项中的质粒没有标记基因,不适于作为目的基因的载体,B不符合题意;C、D中的质粒含有标记基因,但用限制酶切割后,标记基因被破坏,因此不适于作为目的基因的载体,C、D不符合题意。 4.匙叶草是一种泌盐植物。科研工作者将匙叶草液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白基因(TaNHX2基因)转移到棉花细胞内,获得了转基因耐盐棉花新品种。图1是获取的含有目的基因的DNA片段,Sau3AⅠ、EcoRⅠ、BamHⅠ为三种限制酶,图中箭头所指为三种限制酶的切点;图2是三种限制酶的识别序列与酶切位点示意图;图3是土壤农杆菌中用于携带目的基因的Ti质粒结构示意图。请分析回答问题: (1)基因工程中,通常选用质粒作为目的基因载体的意义有　　　　[多选]。  A.质粒上有复制原点,可以保证重组质粒在受体细胞中能复制 B.重组质粒能在受体细胞中复制和表达 C.质粒上有多种限制酶的识别序列,便于外源DNA插入 D.质粒DNA分子上有标记基因(如某种抗生素抗性基因),利用抗生素可初步筛选出含重组质粒的宿主细胞 (2)选择合适的限制酶能提高重组质粒的构建效率。切割图1所示DNA片段应优先选用酶　　　　,切割图3所示质粒应优先选用酶　　　　　　　;所得重组质粒　　　　　　(填“能”“不能”或“不一定能”)被BamHⅠ切割。  (3)将含有TaNHX2基因的重组质粒导入受体细胞后,还需要利用　　　　　　　　　技术处理才能得到转基因棉花幼苗,这一技术的原理是　　　　　　　　　　。  解析:(1)复制原点是DNA复制的起点,作用是带动目的基因复制,因此质粒上有复制原点可以保证重组质粒在受体细胞中能复制,A正确;由于质粒上含有复制原点和启动子,因此形成的重组质粒能在受体细胞中复制和表达,B正确;质粒上有多种限制酶的识别序列,便于不同的外源DNA插入,C正确;质粒DNA分子上有标记基因,如抗生素抗性基因,可以用含该抗生素的培养基培养宿主细胞,若该宿主细胞含有该质粒,则宿主细胞可以存活,从而初步筛选出含重组质粒的宿主细胞,D正确。 (2)由于Sau3AⅠ在目的基因内部含有切割位点,因此不能用此限制酶切割目的基因。若用同一种限制酶切割,在构建重组质粒时容易出现目的基因自连的情况,因此为保证目的基因和质粒的准确连接,应选择不同的限制酶切割目的基因,故切割图1所示DNA片段应优先选用酶EcoRⅠ和BamHⅠ。由于EcoRⅠ和BamHⅠ切割后的黏性末端不同,因此为保证目的基因和质粒准确连接,需要使质粒的黏性末端与目的基因的黏性末端相同,由图2可知,Sau3AⅠ切割后的黏性末端与BamHⅠ切割后的黏性末端相同,因此切割图3所示质粒应优先选用酶EcoRⅠ和Sau3AⅠ。结合以上分析以及Sau3AⅠ与BamHⅠ酶的识别序列可知,形成的重组质粒上肯定含有EcoRⅠ、Sau3AⅠ的识别位点,不一定含有BamHⅠ的识别位点,所以所得重组质粒不一定能被BamHⅠ切割。 (3)将转基因细胞经过植物组织培养技术可培养为转基因棉花幼苗,植物组织培养技术的原理是植物细胞具有全能性。 答案:(1)ABCD　(2)EcoRⅠ和BamHⅠ　EcoRⅠ和Sau3AⅠ　不一定能　(3)植物组织培养　植物细胞具有全能性 学科网（北京）股份有限公司 $