3.3基因工程的应用（教学设计）生物人教版选择性必修3

3.3基因工程的应用 年级 高二年级 授课时间 1课时 课题 3.3基因工程的应用 教材分析 本节是第三章《基因工程》的实践应用板块，是在前两节 “重组 DNA 技术的基本工具”“基因工程的基本操作程序” 理论基础上的延伸拓展，也是基因工程知识体系的核心落脚点。教材按照 “农牧业应用 — 医药卫生应用 — 其他领域应用” 的逻辑展开，依次介绍转基因动植物、基因工程药物、基因治疗等关键应用，结构清晰、层层递进，符合学生从理论到实践的认知规律。 教材注重与前后知识的衔接，将基因工程操作流程与实际应用紧密结合，帮助学生理解技术设计的生物学依据，强化结构与功能相适应的生命观念。同时通过实例图、问题讨论和生产生活案例，引导学生分析各应用的原理、技术要点及社会价值，突出科学思维与社会责任的培养。 本课时重点为基因工程在农牧业、医药卫生领域的典型实例与原理；难点是理解乳腺生物反应器的调控机制、基因治疗的原理与途径，以及理性看待转基因技术的安全性与伦理问题。教材内容既立足基础，又贴近生产生活实际，为学生构建完整的基因工程知识框架、形成科学的技术应用观奠定重要基础。 教学目标 【知识目标】 举例说出基因工程在农牧业、食品工业、医药卫生等方面的具体应用。 简述转基因抗虫、抗病、抗逆植物的培育原理及实例。 了解基因工程药物（如干扰素、疫苗、生长激素等）的生产原理与意义。 简述基因治疗的概念、基本原理及应用前景。 【素养目标】 生命观念：通过基因工程应用实例，进一步理解基因通过控制蛋白质合成控制生物性状，认同生物技术可定向改造生物遗传特性。 科学思维：能结合基因工程操作程序，分析转基因生物、基因药物的设计思路，形成 “技术 — 原理 — 应用” 的逻辑思维。 科学探究：针对转基因作物、基因治疗等实例，能评价技术方案的合理性，提升分析与评价能力。 社会责任：关注基因工程的社会价值，理性看待转基因产品的安全性，树立科学、审慎的生物技术伦理观。 教学重、难点 【教学重点】 基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。 【教学难点】 理解乳腺生物反应器。 教学过程 教学内容 教师活动 学生活动 新课导入 教师展示素材，提出问题，激起学生的学习兴趣。 胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素，需要上千头牛，生产的成本非常高。 1978年，科学家将编码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中，使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工程药物——重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。 学生思考：除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢？ 学生根据教师展示素材，提出问题，思考问题：除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢？尝试回答相应问题。 新知探究 一、基因工程在农牧业方面的应用 【知识讲解】 教师根据学生回答，展示PPT，适当一边引导学生思考，一边讲解，让学生充分理解本节相应知识点。 【情景1】1996—2017年，全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍 转基因作物的种植使化学杀虫剂施用量减少8.2%， 作物产量增加了6.6×108t，增加经济收益近1.3万亿元 【情景2】转基因动物方面的成果正在进入实用化和商业化开发的阶段 2015年11月，第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑（俗称“三文鱼”）在美国获得批准上市 转基因鲑鱼缩短了其成长周期，因此它受到的污染和体内聚集的有毒物质残留比普通鲑鱼少得多 思考：转基因作物有哪些优点？ 减少化学杀虫剂使用量（生物防治） 增加作物产量、增加经济效益 改良动植物品种等 （一）转基因作物有哪些优点？ 减少化学杀虫剂使用量（生物防治） 增加作物产量、增加经济效益 （二）请同学们自主阅读教材P88-89，小组合作思考讨论完成下表。 答案：1.转基因抗虫植物 原因：世界上每年因虫害而造成农产品大量损失。 方法：从某些生物中分离出抗虫基因导入作物，使之具有抗虫性状。 成果：转基因抗虫棉花、玉米、水稻、大豆、马铃薯等。 2.转基因抗病植物 原因：许多栽培作物自身缺少抗病基因。 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 原因：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.利用转基因改良植物品质 原因：提高植物的营养价值、观赏价值等。 方法：科学家们将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物，或改变这种氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。 成果：①我国科学家培育出了赖氨酸含量提高30%的转基因玉米。（营养价值） ②将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色，大大提高了它的观赏价值。（观赏价值） 5.利用转基因提高动物的生长速率 原因：科学家们发现外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得很快。 方法：将外源生长激素基因导入动物体内， 以提高动物的生长速率。 成果：科学家们将外源生长激素基因，导入动物体内，以提高动物生长速率。例如,我国科学家将外源生长激素基因导入鲤鱼，在同等养殖条件下，转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%～115%。 6.用来改善畜产品的品质 原因：有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现腹泻等不适症状，称之为乳糖不耐受。 方法：科学家们将肠乳糖酶基因，导入奶牛基因组。 成果：获得的转基因奶牛分泌的乳汁中，乳糖含量大大降低，而其他营养成分不受影响。 重难点突破：转基因植物培育过程 重难点突破：转基因动物培育过程 学生认真聆听并做笔记。 习题巩固 教师展示PPT上的试题并引导、督促学生认真答题，根据学生的答题情况，及时得到反馈，针对性补充讲解相关知识。 1.下列有关目的基因的操作能够改善产品品质的是 A.将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内 B.将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组 C.将降解或抵抗某种除草剂的基因导入玉米 D.将Bt抗虫蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达 2.转基因抗虫植物含有Bt毒蛋白，对人体无毒，但是鳞翅目昆虫幼虫的肠道细胞含有Bt蛋白的受体，Bt蛋白与受体结合导致肠道壁穿孔，使幼虫死亡。下列叙述错误的是（ ） A.促进 Bt 蛋白的合成有助于提高植物的抗虫效果 B.通过 DNA 分子杂交技术可以检测Bt 蛋白基因是否表达 C.将Bt 蛋白基因导入植物细胞的方法可以使用花粉管通道法或农杆菌转 化法 D.将植物材料和农杆菌共同培养之前，需要对植物材料进行消毒处理 答案：1.B 2.B 学生根据教师的引导，完成对应练习，及时的查缺补漏。 二、基因工程在医药卫生领域的应用 【知识讲解】 教师展示PPT，适当一边引导学生思考，一边讲解，让学生充分理解本节相应知识点。 请同学们自主阅读教材P90-91，小组合作思考讨论完成问题。 通过基因工程得到的药物通常其化学本质是什么？ 通常是蛋白质 1.利用基因改造微生物或动植物的细胞生产药物： 常见药物类型：细胞因子、抗体、疫苗和激素等 成果：我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场。 资料卡：干扰素 　　干扰素是人体或动物受到病毒侵染后产生的一种细胞因子，是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等。 传统生产方法：从人血液中白细胞提取，每300L血液只能提取1mg干扰素。 基因工程方法： 与大肠杆菌相比，用酵母菌生产人的胰岛素有什么优势？ 酵母菌为真核生物，有生物膜系统，可通过内质网和高尔基体对产生的胰岛素进行加工和修饰，从而产生有活性的胰岛素。 2．利用转基因哺乳动物批量生产药物 类型：乳腺生物反应器 制备方法： 成果：目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品。 2000年我国首例转入α－抗胰蛋白酶基因的羊诞生，产出的羊奶可以提取α－抗胰蛋白酶。 　1.乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？ 不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物 几乎所有细胞。 2.培育乳腺生物反应器时为什么要选用乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件与药用蛋白基因重组在一起？ 目的是让药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达。 3.与利用细菌生产药用蛋白相比，用动物乳腺生物反应器生产药用蛋白的优势是什么？缺点？ 优势：①动物乳腺有完整的蛋白质翻译后修饰系统，生产的蛋白质活性高，更稳定；②产物直接经乳汁分泌，易提取。 缺点：受性别和是否处于哺乳期限制 膀胱生物反应器：继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了一定进展。最近，科学家培养出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。 1.研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？ 将目的基因与膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起。 2.膀胱生物反应器相比乳腺生物反应器的优点是什么？ 从尿中提取蛋白质比在乳汁中提取简便、高效。 可从动物一出生就收集产物，不受性别、年龄的限制 3.利用转基因动物作为器官移植的供体 由于人体移植器官短缺是世界性难题，人们不得不寻找可替代的移植器官。 猪作为移植器官的优点： ①猪的内脏构造、大小、血管分布与人相似； ②猪体内隐藏的致病基因远远少于灵长类动物。 面临最大的难题： 存在免疫排斥反应。 改造方法： ①在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达； ②设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。 制备方法： 假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上了健康人的生活。在生活中，他会遭到歧视吗？对此你怎么看? 学生自主阅读教材P90-91，小组合作思考讨论完成问题。 习题巩固 教师展示PPT上的试题并引导、督促学生认真答题，根据学生的答题情况，及时得到反馈，针对性补充讲解相关知识。 1.下列关于用转基因动物作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某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因 2.利用乳腺生物反应器生产药用蛋白是动物基因工程的重要应用，目前科学家已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等医药产品。下列有关乳腺生物反应器的叙述中，错误的是（ ） A.受体细胞可选用受精卵或胚胎干细胞 B.获得转基因动物需利用胚胎移植技术 C.鉴别药用蛋白基因是否导入受体细胞一般利用DNA分子杂交法 D.转基因动物产生的生殖细胞可能含有药用蛋白基因 答案：1.C 2.A 学生思考回答问题，及时查缺补漏，同时，加深对本节的理论相关知识的理解。 三、基因工程在食品工业方面的应用 教师展示PPT，适当一边引导学生思考，一边讲解，让学生充分理解本节相应知识点。 请同学们自主阅读教材P90-91，小组合作思考讨论完成问题。 基因工程菌 概念：用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类，一般称为基因工程菌。步骤：基因工程构建基因工程菌 工业发酵批量生产 应用： 利用基因工程菌，除了可以生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等 实例1：阿斯巴甜 一种普遍使用的甜味剂， 主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。 实例2：凝乳酶 应用：奶酪生产中用来凝聚固化奶中的蛋白质 传统制备：杀死未断奶的小牛，将其第四胃的黏膜取出来提取。 基因工程技术：将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。 实例3：淀粉酶、脂肪酶 制备方法：构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产 优点：纯度更高、生产成本显著降低、生产效率较高 乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别 基因工程的其他应用 1.环境监测 　　基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。 通过基因工程手段（如基因文库）获取目标生物的特异性核酸片段，经克隆、扩增后制备成单链DNA探针，并标记放射性同位素、荧光基团等示踪剂。 1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来 2.净化污染的环境 基因工程将能分解三种烃类的假单孢杆菌的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。 “超级细菌”降解泄漏的原油 　有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。 3.生产清洁能源 生物乙醇的生产流程 课堂小结 练习与应用 教师展示PPT上的试题，引导学生认真完成习题，及时巩固。 一、概念检测 1.将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导入大肠杆菌的细胞内，再通过发酵工程就能大量生产人生长激素。下列相关叙述正确的是（ ） A.转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶 B.发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢物 C.大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传 D.大肠杆菌质粒标记基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等 2.基因工程应用广泛，成果丰硕。下列不属于基因工程应用的是（ ） A.培育青霉菌并从中提取青霉素 B.利用乳腺生物反应器生产药物 C.制造一种能降解石油的“超级细菌” D.制造一种能产生干扰素的基因工程菌 二、拓展应用 除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘膦没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘膦的作物。 （1）下面是探究“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘膦”的流程，请补充完整。 ①用_____________________________等处理含有目的基因的DNA片段和T质粒，构建重组Ti质粒； ②将重组Ti质粒转入农杆菌中； ③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染___________细胞，再通过培育得到转基因植株；④用草甘膦同时喷洒转基因植株和对照组植株。 结果：对照组植株死亡，转基因植株存活，但也受到了影响。 结论： 。 （2）请思考并回答下列问题。 ①在该实验中，对照组是怎样设计的？ ②如果增加转入的外源 EPSP 合酶基因的数量，转基因矮牵牛对草甘膦的抗性是否会增加？请你给出进一步探究的思路。 答案：一、1.C 2. A 二、(1)①限制酶和DNA连接酶 ② 矮牵牛 ③ 转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。 （2）①对照组为非转基因矮牵牛 ②理论上增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，矮牵牛体内EPSP合酶的表达水平会升高，它对草甘膦的抗性会增强。 将不同拷贝数的EPSP合酶基因分别转入矮牵牛细胞中，培育转基因植株，比较它们对草甘膦抗性的差异。 学生思考回答问题，加深对本章相关概念的理解。 板书设计 基因工程的应用 0. 一、农牧业应用 0. 植物：抗虫 / 抗病 / 抗逆 / 品质改良（如抗虫棉） 0. 动物：乳腺生物反应器、生长 / 品质改良 0. 二、医药卫生应用 0. 基因工程药物：胰岛素、干扰素等（工程菌生产） 0. 基因治疗：导入正常基因，纠正缺陷 0. 三、其他应用 0. 食品工业、环境保护（如超级细菌） 教学反思 本节课以基因工程在农牧业、医药卫生及其他领域的应用为核心，在学生掌握基因工程工具与操作程序的基础上，展开实例教学，落实知识应用与社会责任素养。教学中，我以抗虫棉、转基因动物、基因工程药物等典型案例为主线，结合图片与生活实例展开讲解，帮助学生将抽象技术与实际生产生活联系起来，课堂参与度较高，多数学生能准确说出常见应用实例及其原理。 同时，本课注重知识前后衔接，引导学生结合基因表达载体构建、目的基因导入等知识分析应用设计思路，强化科学思维。但教学中仍存在不足：对乳腺生物反应器、基因治疗等难点讲解不够深入，部分学生对其机制理解模糊；课堂实例讲解偏多，留给学生讨论辨析的时间不足，对转基因安全性的探讨不够充分；不同应用之间的对比归纳不够系统，学生易混淆技术路径。 今后教学将优化设计：精简实例，突出重点，用表格梳理各类应用的原理与特点；增加小组讨论环节，引导学生理性辨析转基因技术的利与弊；强化案例背后的基因工程逻辑分析，提升知识迁移能力；适当补充前沿进展，拓宽视野，更好地实现知识、能力与价值观的统一。 / 学科网（北京）股份有限公司 $