第4章 第1节 第1课时 基因工程的发展及其基本工具-【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（浙科版）

本高中生物学讲义聚焦基因工程的发展及基本工具，从传统育种局限切入，系统梳理基因工程的概念、理论与技术基础，重点阐述限制酶、DNA连接酶、载体的来源、功能及特点，构建从基础理论到具体工具的学习支架。 该资料以任务驱动问题（如分析限制酶切割方案）培养科学思维，通过预习自评、跟踪训练及高考真题素养评价，课中辅助教师引导探究实践，课后帮助学生巩固知识、查漏补缺，体现科学思维与探究实践的核心素养，提升教学效果与学习效率。

培养学习志向·勇担社会责任 生物改良的新途径——基因工程 　　从远古时代的植物驯化到20世纪初植物育种学的建立，人类无时无刻不在努力进行动植物的遗传改良，希望能让它们更好地为人类服务。 传统的育种方法从遗传学本质上讲，是以自然条件下的基因突变体为种质基础，以有性杂交为基因导入手段，以选择优良基因型重组体为目的的植物性状改良过程。例如，我们的祖先利用野生稻逐渐培育出栽培水稻的过程，依靠的就是传统育种方法。 由于远缘杂交会受到生殖隔离的影响，传统的育种方法一般难以在短时间内获得新的突破。 基因工程开辟了一条基因在植物、动物、微生物等不同生物之间的“交流”新途径。 基因工程让人类的某些遐想早就成为现实。目前，我国批准了番木瓜、棉花的转基因品种的种植，也批准了进口转基因大豆、油菜、玉米等作为加工原料。更多的转基因产品正在实验过程中。那么，基因工程是如何实施的?在农业、食品业和医药业中到底具有哪些应用价值呢?下面就让我们进入基因工程的学习吧! 第一节　基因工程赋予生物新的遗传特性 |学|习|目|标| 1.概述基因工程的建立过程。 2.举例说明外源性因素对种群数量波动的影响。 3.掌握DNA的粗提取和鉴定的原理和过程。 4.认识PCR是扩增DNA片段的基本方法，尝试扩增DNA片段，学会PCR的基本方法。 5.阐明基因工程的基本操作程序，及各操作步骤的要点。 第1课时　基因工程的发展及其基本工具 [主干知识梳理] 一、基因工程的建立过程 概念 基因工程是指有意识地把一个人们所需要的基因转入另一个生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达所需要产物的技术 目的 通过在分子水平上对基因进行直接操控，打破常规育种难以突破的物种间的界限 核心 构建重组DNA分子又被称为重组DNA技术 理论 基础 (1)20世纪，一批分子生物学家证明了DNA是遗传物质，确立并逐步完善了“中心法则”，阐明了遗传信息的传递和表达的机制； (2)除了极个别情况，自然界中不同生物共用一套遗传密码 生物技术 工具酶、载体、DNA分子剪切、连接及复制的技术的实现 二、重组DNA技术的重要工具 1.限制性内切核酸酶(限制酶) 来源 主要存在于细菌等微生物中 功能 特点 能够识别双链DNA上特定的一小段核苷酸序列，并催化其中特定的两个核苷酸之间的磷酸二酯键水解，使得DNA双链在特定的位置断开 作用 结果 黏性末端 断开后的DNA末端有凸出的单链部分 平末端 断开后的DNA末端没有单链部分 2.DNA连接酶 (1)作用：将不同来源的2个DNA分子的双链通过磷酸二酯键分别连接起来，形成一个稳定的重组DNA分子。 (2)种类 项目 E.coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶 来源 大肠杆菌 T4噬菌体 特点 仅能连接黏性末端 既可以连接黏性末端，又可以连接平末端 3.载体 (1)概念：具备自主复制能力、能与外源DNA相连接并将其送入受体细胞中进行扩增的DNA分子。 (2)理想载体的3个特征 ①含有复制起点，能够独立自主复制并稳定存在。 ②含有一种或多种限制酶的识别序列，方便外源基因插入载体中。 ③具有筛选作用的标记基因，如能够通过表型鉴别含有载体的细胞。 (3)常用载体——质粒 本质 独立于细菌拟核DNA之外的较小的环状DNA分子 特点 质粒在细菌内可以独立自主复制，具有多种限制酶识别序列，其携带的基因也会控制细菌的某些性状 (4)其他载体：有些动、植物病毒及噬菌体。 [预习效果自评] 1.判断下列说法的正误 (1)限制性内切核酸酶只能用于剪切目的基因。 (×) 提示：限制性内切核酸酶可用于剪切目的基因和载体。 (2)E.coli DNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端。 (×) 提示：E.coli DNA连接酶只能连接互补的黏性末端，不能连接平末端。 (3)质粒是小型环状DNA分子，是基因工程常用的载体。 (√) (4)质粒中的抗生素合成基因等标记基因通常会用于含有目的基因受体细胞的筛选。 (×) 提示：质粒上的标记基因通常是抗生素抗性基因而不是合成基因。 2.已知限制性内切核酸酶EcoRⅠ和SmaⅠ识别的碱基序列和酶切位点分别为和，分析回答下列问题： (1)在图中画出两种限制性内切核酸酶剪切DNA后产生的末端。 (2)写出产生的末端种类：①产生的是黏性末端；②产生的是平末端。 (3)限制性内切核酸酶EcoRⅠ和SmaⅠ识别的碱基序列不同，剪切位点不同(填“相同”或“不同”)，说明限制性内切核酸酶具有专一性。 (4)要将限制性内切核酸酶SmaⅠ剪切后产生的末端连接起来，需要T4 DNA连接酶。  3.思考题 (1)人的基因能与大肠杆菌的质粒进行重组的理论基础是什么? 提示：人的基因与大肠杆菌质粒(DNA分子)的双螺旋结构相同。 (2)请指出质粒上至少要有一个标记基因(抗生素抗性基因)的理由。 提示：用于检测重组质粒(或目的基因)是否导入受体细胞。 (3)DNA连接酶会在何种DNA分子间形成磷酸二酯键?磷酸二酯键的形成是一种什么过程? 提示：DNA连接酶将具有黏性末端或平末端的DNA分子通过形成磷酸二酯键连接起来，磷酸二酯键的形成是一种脱水缩合过程。 (4)能否利用限制性内切核酸酶处理烟草花叶病毒的核酸，试分析原因。 提示：不能。限制性内切核酸酶用于处理DNA，识别双链DNA上特定的一小段脱氧核糖核苷酸序列。烟草花叶病毒的核酸为核糖核苷酸，因此不能利用限制性内切核酸酶进行处理。 [精要内容把握] 一、知识体系建一建 二、核心语句背一背 1.限制性内切核酸酶能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。 2.E.coli DNA连接酶只能连接具有互补黏性末端的DNA片段，而T4 DNA连接酶能连接黏性末端和平末端。 3.质粒作为基因工程的载体需具备的条件：能在宿主细胞内稳定保存并自我复制；具有一个或多个限制性内切核酸酶识别序列；具有标记基因；无毒害作用。 提能点(一)　基因工程的工具酶 [任务驱动] 　　下图为某质粒上GeneⅠ、GeneⅡ的分布及序列构成，已知限制性内切核酸酶Ⅰ的识别序列和切割位点是，限制性内切核酸酶Ⅱ的识别序列和切割位点是。 请据已知条件思考并回答以下问题： (1)上述质粒和目的基因需要哪种限制性内切核酸酶切割?试分析原因。 提示：质粒用限制性内切核酸酶Ⅰ切割，目的基因用限制性内切核酸酶Ⅱ(或Ⅰ和Ⅱ)　切割。具体原因如下：质粒如果用限制性内切核酸酶Ⅱ来切割的话，将会在质粒上出现两个切口且标记基因全被破坏，故质粒只能用限制性内切核酸酶Ⅰ切割(破坏GeneⅡ标记基因而保留GeneⅠ标记基因)；目的基因两端都出现黏性末端且与质粒切口处碱基互补时才能和质粒发生重组，故目的基因用限制性内切核酸酶Ⅱ切割或同时使用两种限制性内切核酸酶切割均可出现符合要求的黏性末端。 (2)请画出质粒被限制性内切核酸酶Ⅰ切割后所形成的黏性末端。 提示： (3)将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，还要加入何种工具酶? 提示：DNA连接酶。 [生成认知] 一、限制性内切核酸酶 1.作用特点：具有专一性(表现在以下两个方面) (1)能够识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列。 (2)能够剪切特定序列中的特定位点。 2.识别序列的特点 特 点 遵循碱基互补配对原则，无论是奇数个碱基还是偶数个碱基，都可以找到一条中心轴线，中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。如图 实 例 如以中心线为轴，两侧碱基反向互补对称 以为轴，两侧碱基反向互补对称 3.作用产物 黏性末端 特点 是限制性内切核酸酶在它识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开时形成的 图示 平末端 特点 是限制性内切核酸酶在它识别序列的中心轴线处切开时形成的 图示 二、限制性内切核酸酶与DNA连接酶的关系 1.区别 名称 作用 应用 限制性内 切核酸酶 使特定部位的磷酸二酯键断裂 用于提取目的基因和剪切载体 DNA 连接酶 在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键 用于目的基因和载体的连接 2.关系图解(以EcoRⅠ为例) 三、DNA连接酶与DNA聚合酶的比较 比较项目 DNA连接酶 DNA聚合酶 相同点 作用实质相同，都是催化磷酸二酯键的形成 不同点 是否需要模板 不需要 需要 连接的DNA链 双链 单链 作用过程 在两个DNA片段间形成磷酸二酯键 将单个核苷酸加到已存在的DNA单链片段上，形成磷酸二酯键 作用结果 将已存在的DNA片段连接 合成新的DNA分子 用途 基因工程 DNA复制 　　[例1]　(2025·兰溪一中质检)下面是4种限制酶所识别的DNA分子序列和剪切位点图(↓表示剪切点、切出的断面为黏性末端)： 请指出下列哪项表达正确 (　　) A.在使用限制酶的同时还需要解旋酶 B.限制酶1和3剪出的黏性末端相同 C.限制酶1、2、4识别的序列都是由4个脱氧核苷酸组成 D.限制酶1和2切出的DNA片段可通过T4 DNA连接酶拼接 　　[解析]　在使用限制性内切核酸酶时，是为了切割目的基因和载体，不需要解旋酶解开双螺旋，A错误；限制性内切核酸酶1和3切出的黏性末端相同，都是GATC—，B正确；限制性内切核酸酶1、2识别的序列都是由4个脱氧核苷酸组成，限制酶3、4识别的序列都是由6个脱氧核苷酸组成，C错误；限制性内切核酸酶1和2切割形成的DNA片段的黏性末端不同，前者是GATC—，后者是—CATG，不能通过T4 DNA连接酶拼接，D错误。 　　[答案]　B 　　[例2]　下列有关DNA连接酶的叙述，正确的是 (　　) A.T4 DNA连接酶只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间连接起来 B.E.coli DNA连接酶能将双链DNA片段平末端之间进行连接 C.DNA连接酶能恢复被限制性内切核酸酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键 D.DNA连接酶可连接DNA双链的氢键，使双链延伸 　　[解析]　DNA连接酶能使两个DNA片段之间形成磷酸二酯键，从而将它们连接起来，C正确，D错误。E.coli DNA连接酶只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间连接起来，不能将双链DNA片段平末端之间进行连接，B错误。T4 DNA连接酶既可以连接双链DNA片段互补的黏性末端，也可以连接双链DNA片段的平末端，A错误。 　　[答案]　C [跟踪训练] 1.如图为DNA分子的某一片段，其中①②③分别表示某种酶的作用部位，则相应的酶依次是 (　　) A.DNA连接酶、限制性内切核酸酶、解旋酶 B.限制性内切核酸酶、解旋酶、DNA连接酶 C.解旋酶、限制性内切核酸酶、DNA连接酶 D.限制性内切核酸酶、DNA连接酶、解旋酶 解析：选C　由图示分析可知，①处为氢键，是解旋酶的作用部位；②处为磷酸二酯键，是限制性内切核酸酶的作用部位；③处为两个DNA片段的缺口，是DNA连接酶的作用部位。 2.下列有关限制性内切核酸酶和DNA连接酶的叙述，正确的是 (　　) A.用限制性内切核酸酶剪切获得一个外源基因时得到两个切口，有两个磷酸二酯键被断开 B.限制性内切核酸酶识别序列越短，则该序列在DNA中出现的概率就越大 C.序列和被限制性内切核酸酶切出的黏性末端碱基数不同 D.T4 DNA连接酶和E.coli DNA连接酶都能催化平末端和黏性末端的连接 解析：选B　用限制性内切核酸酶剪切获得一个目的基因时得到两个切口，有四个磷酸二酯键被断开，A错误；限制性内切核酸酶识别序列越短，则该序列在DNA中出现的概率就越大，B正确；和序列被限制性内切核酸酶切出的黏性末端碱基数相同，都是四个，C错误；T4 DNA连接酶和E.coli DNA连接酶都能催化黏性末端的连接，只有T4 DNA连接酶还可以连接平末端，D错误。 提能点(二)　基因工程的载体 [任务驱动] 1.细胞膜上的载体与基因工程中的载体有什么不同? 提示：①化学本质不同：细胞膜上的载体的化学成分是蛋白质；基因工程中的载体可能是其他物质，如质粒(DNA)、λ噬菌体的衍生物，也可能是生物，如动、植物病毒等。 ②功能不同：细胞膜上的载体的功能是协助细胞膜控制物质进出细胞；基因工程中的载体是具备自主复制能力的DNA分子，能与外源DNA相连接并将其送入受体细胞中进行扩增。 2.基因工程用作载体的质粒常有特殊的标记基因，请举例说明其作用。 提示：标记基因如四环素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因等，其作用是便于通过表型鉴别含有载体的细胞。 [生成认知] 一、基因工程中载体的种类 1.常用载体：质粒。质粒是一种独立于细菌拟核DNA之外，具有自主复制能力的较小的环状DNA分子。 2.其他载体：噬菌体和动、植物病毒等。 二、认识基因工程的载体(以质粒为例) 1.质粒模式图 2.多途径解读质粒 项目 具体说明 化学本质 DNA分子 质粒与 人工改造 一般来说天然质粒不能满足人们的需求，因此人们往往会根据目的和需要进行相应的改造 质粒与复制 质粒自我复制的场所可以是细胞内，也可以在细胞外 质粒 的基 本结 构　 复制起点 能够自主复制并稳定存在 酶切位点 质粒或其他载体上一般具有一个或多个限制性内切核酸酶的切割位点(一种酶的酶切位点不可过多，否则切割重组后可能会丢失某些片段) 标记基因 质粒一般会带有标记基因，常见的有：抗生素抗性基因(一定要注意标记基因不是抗生素合成基因，而是相应抗性基因)、发光基因及产生特定颜色的基因等 质粒的作用　 ①作为运输工具，将目的基因送入受体细胞中；②利用它在受体细胞内的自主复制能力，对目的基因进行大量复制 　　[典例]　如图是质粒载体的结构模式图，下列说法正确的是 (　　) A.质粒是由许多核糖核苷酸相互连接而成的 B.抗生素抗性基因有利于目的基因导入细胞 C.限制性内切核酸酶可切开质粒上的目的基因插入位点 D.复制起点有助于目的基因整合到染色体上 　　[解析]　质粒是环状DNA分子，因此其是由许多脱氧核糖核苷酸相互连接而成的，A错误；抗生素抗性基因有利于筛选出含有目的基因的受体细胞，但与目的基因导入细胞无关，B错误；限制性内切核酸酶可切开质粒上的目的基因插入位点，便于目的基因的插入，C正确；复制起点有助于目的基因的扩增，与目的基因整合到染色体上无关，D错误。 　　[答案]　C [归纳拓展] 　　基因工程中用到的载体并非只有质粒，还有噬菌体、植物病毒和动物病毒。根据受体细胞进行选择。如果受体细胞是原核生物，一般选择质粒作为载体；如果受体细胞是动物细胞，一般选择动物病毒作为载体；如果受体细胞是植物细胞，一般选择农杆菌的Ti质粒作为载体。 [跟踪训练] 1.下列关于染色体和质粒的叙述，正确的是 (　　) A.染色体和质粒都只存在于真核细胞中 B.染色体和质粒都与生物的遗传有关 C.染色体和质粒的化学本质都是DNA D.染色体和质粒都可以作为基因工程的载体 解析：选B　质粒可存在于原核细胞中，A错误；染色体和质粒都有DNA，都与生物的遗传有关，B正确；染色体的化学本质是DNA和蛋白质，C错误；质粒可以作为基因工程的载体，染色体不可以，D错误。 2.下列有关质粒的叙述，不正确的是 (　　) A.质粒分子中含有A、U、G、C四种碱基 B.质粒是基因工程中常用的载体 C.某些真核细胞中也有质粒 D.质粒中的每个五碳糖都与两个磷酸基团相连接 解析：选A　质粒是DNA分子，其中含有A、T、G、C四种碱基，A错误；质粒是基因工程中常用的载体，B正确；某些真核细胞中也有质粒，如酵母菌，C正确；质粒是环状DNA分子，其中每个五碳糖都与两个磷酸基团相连接，D正确。 科学思维——归纳总结基因工程的工具 [素养评价] 1.(2023·全国新课标卷)某同学拟用限制酶(酶1、酶2、酶3和酶4)、DNA连接酶为工具，将目的基因(两端含相应限制酶的识别序列和切割位点)和质粒进行切割、连接，以构建重组表达载体。限制酶的切割位点如图所示。 下列重组表达载体构建方案合理且效率最高的是 (　　) A.质粒和目的基因都用酶3切割，用E.coli DNA连接酶连接 B.质粒用酶3切割、目的基因用酶1切割，用T4 DNA连接酶连接 C.质粒和目的基因都用酶1和酶2切割，用T4 DNA连接酶连接 D.质粒和目的基因都用酶2和酶4切割，用E.coli DNA连接酶连接 解析：选C　只用一种限制酶切割质粒和目的基因，会使质粒和目的基因发生自身环化或者使目的基因在质粒中反向连接，且E.coli DNA连接酶无法连接酶3切出的平末端，A不符合题意；用酶1切割目的基因，产生的是黏性末端，用酶3切割质粒，产生的是平末端，两者切割后无法相互连接，B不符合题意；质粒和目的基因都用酶1和酶2切割后，可使用T4 DNA连接酶连接，使目的基因定向插到质粒中，C符合题意；酶2和酶4切割后产生的黏性末端相同，易导致目的基因和质粒自身环化或者使目的基因在质粒中反向连接，并且用酶4切割会破坏标记基因，D不符合题意。 2.(2025·精诚联盟联考)限制酶和DNA连接酶是重组DNA技术常用的工具酶，限制酶通常将DNA分子切割成带有黏性末端的DNA片段，而DNA连接酶可缝合带有黏性末端的DNA片段。据图分析错误的是 (　　) A.图示三个黏性末端一定由两种不同的限制酶切割产生 B.图示中共有两种黏性末端，其中甲与乙黏性末端相同 C.a点核苷酸之间通过磷酸二酯键连接，b点核苷酸之间通过氢键连接 D.催化甲形成的限制酶有可能不识别由甲、乙形成的重组DNA分子 解析：选A　切割产生甲的限制酶的识别序列为GAATTC∥CTTAAG，切割产生乙的限制酶的识别序列为CAATTG∥GTTAAC，切割产生丙的限制酶的识别序列为CTTAAG∥GAATTC，由此可见，甲、乙、丙的黏性末端是由三种限制酶切割产生的，A错误；由图可知，甲、乙的黏性末端相同，均为AATT—，丙的黏性末端为TTAA—，因此图示中共有两种黏性末端，B正确；a点两个核苷酸之间通过磷酸二酯键连接，b点两条链之间的核苷酸通过氢键相连，C正确；切割甲的限制酶的识别序列为GAATTC∥CTTAAG，而甲、乙片段形成的重组DNA分子序列为GAATTG∥CTTAAC，因此切割甲的限制酶不能识别由甲、乙片段形成的重组DNA分子，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $