第3章 第2节 第1课时 目的基因的筛选与获取和基因表达载体的构建(学用Word)-【优学精讲】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（人教版 多选版）

本讲义聚焦基因工程核心操作，系统梳理目的基因的筛选方法、获取途径（重点解析PCR技术原理、反应条件及扩增过程），并衔接基因表达载体的构建目的、组成与操作流程，搭建完整的知识学习支架。 资料以科学思维为导向，通过微思考、探究活动（如PCR引物作用分析、限制酶选择探究）及对比表格（PCR与DNA复制比较），培养学生结构与功能观，辅助课堂教学互动，课后练习题助力学生查漏补缺，强化知识应用能力。

第2节　基因工程的基本操作程序 第1课时　目的基因的筛选与获取和基因表达载体的构建 知识点一 1.（1）性状　表达产物　编码蛋白质　（2）结构和功能清晰 2.PCR 3.（1）聚合酶链式反应　DNA半保留复制　参与DNA复制的各种组分　（2）模板　引物的3'端　Mg2＋ （3）①变性　90 ℃　单链　②复性　50 ℃　碱基互补配对 ③延伸　72 ℃　DNA聚合酶　4种脱氧核苷酸　3'　　（4）指数　（5）PCR扩增仪　（6）琼脂糖凝胶电泳 微思考　提示：DNA是反向平行的双链，DNA聚合酶只能从引物3'端延伸DNA链，用两种引物才能确保DNA两条链同时被扩增。 教材挖掘 （1）提示：当Bt抗虫蛋白被分解为多肽后，多肽与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合，导致细胞膜穿孔，最后造成害虫死亡。 （2）提示：Bt抗虫蛋白只有在某类昆虫肠道的碱性环境中才能表现出毒性，而人和牲畜的胃液呈酸性，肠道细胞也没有特异性受体。 概念辨析 　（1）×　提示：目的基因包括编码蛋白质的基因和调控基因。 （2）×　提示：DNA聚合酶能够从引物的3'端开始连接脱氧核苷酸。 （3）√　（4）√ 知识点二 1.（1）稳定存在　遗传　（2）表达 2.􀀁上游　􀀂RNA聚合酶　􀀃转录　􀀄下游　􀀅标记基因 3.（1）限制酶　（2）同种限制酶　能产生相同末端　（3）DNA连接酶 微思考　提示：选择两种不同的限制酶同时对目的基因和质粒进行切割。 概念辨析 　（1）×　提示：基因工程操作程序的核心步骤是基因表达载体的构建。 （2）×　提示：基因表达载体中有的含有启动子和终止子。 （3）√　 （4）×　提示：启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。 第2节　基因工程的基本操作程序 第1课时　目的基因的筛选与获取和基因表达载体的构建 知识点一 重难探究 （1）提示：DNA聚合酶不能从头合成子链，只能把游离的脱氧核苷酸连接到已经存在的片段上。加入引物，能够使DNA聚合酶从引物的3'端开始连接脱氧核苷酸。 （2）提示：在引物的G—C含量高时，设定的复性温度要高一些。因为DNA分子中G—C之间有三个氢键，A—T之间有两个氢键。 （3）提示：第3轮，如图所示： （4）共消耗2n－1对引物。 （5）提示：第1组：引物 Ⅰ 和引物 Ⅱ 会因局部发生碱基互补配对而失效。第2组：引物 Ⅰ'自身折叠后会因出现局部碱基互补配对而失效。 即学即练 1.D　真核细胞和细菌的DNA聚合酶都需要Mg2＋的激活，因此缓冲液中一般要添加Mg2＋，B正确；引物应选用图中的A、D，才能将目的基因片段扩增出来，C正确；引物是一小段DNA或RNA，用于PCR的引物长度通常为20～30个核苷酸，D错误。 2.D　只需要已知目的基因两端的序列便可设计引物，A错误；扩增循环n次，需一种引物的数量为2n－1，常规PCR共需两种引物的数量为2×（2n－1）＝2n＋1－2，B错误；不需向PCR的反应体系中加入解旋酶，C错误；理论上第4轮循环产物中含两种引物的DNA片段占（24－2）/16＝7/8，D正确。 知识点二 重难探究 （1）提示：启动子下游和终止子上游；因为只有插入在启动子和终止子之间，目的基因才可以正常表达。 （2）提示：不能；因为SmaⅠ会破坏质粒的抗生素抗性基因。该基因是标记基因，便于重组DNA分子的筛选，若被破坏，无法进一步筛选。 （3）提示：可以防止质粒和目的基因的自身环化以及目的基因与载体的反向连接。 即学即练 1.B　完整的基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子、标记基因（抗性基因）和复制原点。 2.B　 图示过程为基因表达载体的构建过程，是基因工程中的核心步骤，A正确；构建表达载体过程中需要将目的基因完整切割下来，此时要用到限制酶PstⅠ、EcoRⅠ，若使用SmaⅠ将破坏抗原基因，B错误；抗卡那霉素基因是标记基因，目的是便于筛选含有目的基因的细胞，C正确；基因表达载体应包括启动子、目的基因、终止子和标记基因等结构，D正确。 【随堂热练】 1.C　图中片段a、b只有一种引物，是由原始DNA链为模板复制而来，其长度比片段c长，A错误；由于原始模板在每次循环中均可作为模板，则每次循环都能产生图中片段a、b，B错误；由于第一次循环的产物只有一种引物，而图中片段c有两种引物，则最早出现在第二次循环的产物中，C正确；经过30次循环后，得到的DNA片段总数为230，包括图中的片段a、b、c，D错误。 2.C　要获得B链，根据PCR中子链延伸方向为5'端到3'端，则需选择引物2与引物3进行扩增，故选C。 3.A　反应体系中需加入耐高温的DNA聚合酶，该酶的作用是催化合成DNA子链，在C过程中起作用，A错误；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，用于PCR的引物长度通常为20～30个核苷酸，且引物之间不能发生碱基互补配对，否则引物之间会配对形成双链核酸，从而失去作用，B正确；PCR是体外进行DNA扩增的技术，根据题图可知，PCR扩增遵循DNA半保留复制原则，C正确；A过程为DNA变性过程，该过程通过高温破坏DNA分子中的氢键，当温度上升到90 ℃以上时，双链DNA解聚为单链，D正确。 4.B　基因表达载体的组成包括目的基因、启动子、终止子、标记基因等组件，B错误。 7 / 7 学科网（北京）股份有限公司 $ 第1课时　目的基因的筛选与获取和基因表达载体的构建 学习目标 1.运用结构与功能和技术思维理解PCR技术的过程、原理、条件等内容。 2.结合基因工程的基本操作程序，针对人类生产和生活的某一需求，尝试提出初步的基因工程构想，完成初步设计。 知识点一　目的基因的筛选与获取 1.筛选合适的目的基因 （1）目的基因：基因工程的设计和操作中用于改变受体细胞　　　　或获得预期　　　　　　等的基因称为目的基因。目的基因主要是指　　　　的基因，如与生物抗逆性、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关的基因。 （2）筛选合适的目的基因的方法：从相关的已知　　　　　　　　　　的基因中进行筛选是较为有效的方法之一。 2.获取目的基因的方法 3.利用PCR获取和扩增目的基因 （1）PCR概念：是　　　　　　　　　　的缩写，它是一项根据　　　　　　　　　的原理，在体外提供　　　　　　　　　　　　　　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 参与的组分 在DNA复制中的作用 DNA母链 提供DNA复制的　　 4种脱氧核苷酸 合成DNA子链的原料 （耐高温的）DNA聚合酶 催化合成DNA子链 引物（长度通常为20～30个核苷酸） 使DNA聚合酶能够从　　　　　　　开始连接脱氧核苷酸 缓冲液（含Mg2＋） 真核细胞和细菌的DNA聚合酶都需要　　　　激活 （3）PCR扩增的过程 ①过程Ⅰ为　　　　，该阶段的温度为　　　　以上，目的是使双链DNA解聚为　　　　。 ②过程Ⅱ为　　　　，该阶段的温度为　　　　左右，两种引物通过　　　　　　　　与两条单链DNA结合。 ③过程Ⅲ为　　　　，该阶段的温度为　　　　　左右，该过程需要在耐高温的　　　　　　的催化下，利用　　　　　　　　为原料，根据碱基互补配对原则从子链的　　　　　端延伸合成新的子链DNA。 ④重复循环多次。 （4）结果：每次循环后目的基因的量增加一倍，即呈　　　　形式扩增（约为2n）。 （5）仪器：　　　　　　（PCR仪）。 （6）PCR产物的鉴定：常采用　　　　　　　　　来鉴定。 【微思考】　为什么在PCR技术中延伸时需要加入两种引物？ （教材P77“相关信息”）（1）Bt抗虫蛋白的抗虫原理是什么？ （2）为什么Bt抗虫蛋白不会对人畜产生危害？ （1）目的基因一定是编码蛋白质的基因。（　　） （2）DNA聚合酶能够从引物的5'端开始连接脱氧核苷酸。（　　） （3）PCR过程不需要解旋酶。（　　） （4）PCR技术中，DNA模板链上碱基G和C的比例越高，DNA变性解链的温度就越高。（　　） 探究｜分析PCR扩增技术的原理和过程 聚合酶链式反应是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，如图为PCR扩增中第一轮的变化，结合所学知识回答： （1）结合下图分析PCR过程中为什么需要引物？ （2）PCR扩增目的基因时，复性温度过高会破坏引物与模板的碱基配对，复性温度过低又会造成引物不能与DNA模板链的特定部位结合。复性温度的设定与引物长度、碱基组成有关，假设引物的长度相同，在G—C含量高时，对复性温度的设定有什么要求？说明理由。 （3）在利用PCR获取和扩增目的基因时，从第几轮循环才会产生完整的目的基因（用相关图解解释）？ （4）如果循环n次，则共消耗多少对引物？ （5）下图是某同学设计的两组引物（只标注了部分碱基序列），都不合理，请分别说明理由。 PCR技术与生物体内DNA复制的比较 1.（2025·广西百色期末）下列关于PCR技术的叙述，错误的是（　　 ） 注：A、B、C、D是引物，箭头是延伸方向。 A.PCR技术的原理是DNA的复制 B.该反应体系缓冲液中一般要添加Mg2＋，以激活DNA聚合酶 C.引物应选用图中的A、D D.引物是一小段DNA或RNA，用于PCR的引物长度通常为30～40个核苷酸 2.（教材P78～79“图3－5”改编）利用PCR将某小段含目的基因的DNA分子扩增循环n次，则（　　） A.需要已知目的基因的全部序列以便设计引物 B.共需2n－2个引物参与子代DNA分子的合成 C.应向反应体系中加入解旋酶、DNA聚合酶、缓冲液等 D.理论上第4轮循环产物中含两种引物的DNA片段占7/8 方法技巧 PCR中的数量关系 复制次数 1 2 3 n DNA分子数 2 4 8 2n 含引物的DNA分子数 2 4 8 2n 含其中一种引物的DNA分子数 1＝21－1 3＝22－1 7＝23－1 2n－1 同时含两种引物的DNA分子数 0＝21－2 2＝22－2 6＝23－2 2n－2 共消耗引物的对数 1＝21－1 3＝22－1 7＝23－1 2n－1 含脱氧核苷酸链等长的DNA分子数 0＝21－2 0＝22－4 2＝23－6 2n－2n 知识点二　基因表达载体的构建 1.构建基因表达载体的目的 （1）使目的基因在受体细胞中　　　　　，并且可以　　　　给下一代。 （2）使目的基因能够　　　　　　和发挥作用。 2.基因表达载体的组成 3.基因表达载体的构建过程 （1）先用一定的　　　　切割载体，使它出现一个切口； （2）然后用　　　　　　或　　　　　　　　　　的限制酶切割含有目的基因的DNA片段； （3）再利用　　　　　　将目的基因片段拼接到载体的切口处，形成重组DNA分子。 【微思考】　如何防止目的基因和质粒的自身环化以及目的基因的反向连接？ （1）基因工程操作程序的核心步骤是目的基因的获取。（　　） （2）基因表达载体中有的含有启动子和终止密码子。（　　） （3）标记基因不一定是抗生素抗性基因。（　　） （4）基因表达载体中启动子是DNA聚合酶识别和结合的部位。（　　） 探究｜基因表达载体构建的目的和方法的探究 　目的基因导入受体细胞之前，需构建基因表达载体，图甲、乙分别表示质粒及目的基因所在DNA片段，图中箭头表示相关限制酶的切割位点。 （1）构建基因表达载体时目的基因插入的位置应该在哪里？为什么？ （2）构建基因表达载体时，能否用SmaⅠ酶切割质粒？为什么？ （3）与只使用EcoRⅠ相比较，使用BamHⅠ和Hind Ⅲ 两种限制酶同时处理质粒、外源DNA的优点是什么？ 1.用限制酶切割时需注意的事项 获取目的基因和切割载体时，通常使用同种限制酶，目的是产生相同的黏性末端，便于连接。但是使用该法缺点是容易发生目的基因、质粒的自身环化以及目的基因与质粒反向连接，为了避免上述情况发生，可采取的措施是分别使用两种限制酶去切割目的基因和运载体。 2.启动子、终止子与起始密码子、终止密码子的区别 位置 作用 启动子 位于DNA分子上 RNA聚合酶识别结合位点，启动转录过程 终止子 位于DNA分子上 决定转录的结束 起始密码子 位于mRNA分子上 决定翻译的开始 终止密码子 位于mRNA分子上 决定翻译的结束 1.（教材P80“图3－6”改编）如图为基因表达载体的模式图，若结构X是表达载体所必需的，则X最可能是（　　） A.氨苄青霉素抗性基因 B.启动子 C.限制酶 D.DNA连接酶 2.（2025·山西长治质检）下面是利用基因工程技术培育转基因植物，进而生产可食用疫苗的部分过程示意图，其中PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ为四种限制性内切核酸酶。下列说法错误的是（　　 ） A.图示过程是基因工程的核心步骤 B.表达载体构建时需要用到限制酶SmaⅠ C.抗卡那霉素基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来 D.除图示组成外，表达载体中还应该含有启动子和终止子等结构 课堂小结 1.（教材P78～79“图3－5”改编）如图a、b、c均为PCR扩增的DNA片段，下列有关说法正确的是（　　） A.片段a、b、c的长度均相同 B.片段a、b只是第一次循环的产物 C.片段c最早出现在第二次循环的产物中 D.经过30次循环后，片段c的数量为230 2.在核酸分子杂交技术中，常常使用已知序列的单链核酸片段作为探针（探针是指以放射性同位素、生物素或荧光染料等进行标记的已知核苷酸序列的核酸片段）。为了获得B链作探针，可应用PCR技术进行扩增，应选择的引物种类是（　　） A.引物1与引物2 B.引物3与引物4 C.引物2与引物3 D.引物1与引物4 3.（2024·海南中学模拟）PCR是聚合酶链式反应的缩写，下图表示PCR的过程，下列叙述错误的是（　　） A.反应体系中需加入耐高温的DNA聚合酶，该酶在B过程起作用 B.引物a和引物b的长度应适宜，且相互之间不能发生碱基互补配对 C.PCR是体外进行的DNA扩增，PCR扩增遵循DNA半保留复制原则 D.A过程通过高温破坏DNA分子中的氢键，使双链DNA解聚为单链 4.下列关于基因表达载体构建的叙述，错误的是（　　） A.启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位，组成它的基本单位是脱氧核苷酸 B.基因表达载体的组成包括目的基因、启动子、终止密码子、标记基因等组件 C.人工构建的诱导型启动子，当诱导物存在时，可激活或抑制目的基因的表达 D.抗生素抗性基因的作用是作为标记基因，用于鉴别受体细胞中是否导入了目的基因 提示：完成课后作业　第3章　第2节　第1课时 7 / 7 学科网（北京）股份有限公司 $