3.3 基因工程的应用（1课时）课件-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

1.目的基因的筛选和获取-前提 利用PCR获取和扩增 化学方法人工合成 2.构建基因表达载体-核心 目的基因、启动子、终止子、标记基因 3.将目的基因导入受体细胞-关键 农杆菌转化法(植物)、显微注射法(动物) 、 感受态细胞转化法(微生物); 4.目的基因的检测与鉴定-保证 分子检测：是否插入、转录、翻译 个体水平：是否具有抗性以及抗性强度等。 基因工程的基本操作程序（4个步骤） 有了目的基因，我们才能赋予一种生物以另一种生物的遗传特性。 使目的基因在受体细胞中稳定存在，并可进行遗传、表达和发挥作用。 载体进入受体细胞稳定表达，才能实现一种生物的基因在另一种生物中的转化。 才能确定目的基因是否真正在受体细胞中稳定遗传和正确表达。 3.3 基因工程的应用 3 01 ①1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。转基因作物的种植使化学农药的施用量减少了8.2%，作物产量增加了6.6×108t，增加经济效益1.3万亿。 ②美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家 ③世界转基因作物种植面积最大的是大豆，其次是玉米、棉花； ④我国转基因作物的种植面积位居世界第八位，商业化种植的转基因作物有棉花和番木瓜； 植物方面 应用概述 一、农牧业方面 4 01 动物方面 ①几乎每年都有令人瞩目的研究成果报道，有些成果正在进入实用化和商业化开发的阶段； ②2015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（后排）和正常鲑鱼（前排） 应用概述 一、农牧业方面 5 基因工程在农牧业中的应用发展迅速。已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品产量等方面。 一、农牧业方面 6 01 基因工程在农牧业中的应用发展迅速。已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品产量等方面。 转基因抗虫植物 转基因抗病植物 转基因抗除草剂植物 改良植物的品质 Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因 将某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物 必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因、 植物花青素代谢相关的基因 降解或抵抗某种除草剂的基因 农牧业方面的应用 【生物防治】 非转基因抗虫棉（左） 转基因抗虫棉（右） 对照（被害虫侵害的黄绿色植株） 转基因抗虫水稻（绿色植株） 非转基因抗虫玉米（下） 转基因抗虫玉米（上） 实例：抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等。 实例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。 抗除草剂玉米 实例：将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，提高氨基酸的含量。 将与植物花青素代谢相关的基因导入植物中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高观赏价值。 抗癌抗衰老的紫色西红柿 高赖氨酸玉米 转基因矮牵牛 抗逆性 一、农牧业方面 7 01 基因工程在农牧业中的应用发展迅速。已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品产量等方面。 农牧业方面的应用 提高动物的生长速率 改良畜产品的品质 外源生长激素基因 肠乳糖酶基因 使获得的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。 转生长激素基因鲤鱼（下） 与非转基因鲤鱼（上） 转入外源生长激素基因 的“超级小鼠” 低乳糖奶牛 一、农牧业方面 8 02 1、对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物 二、医药卫生领域 02 　通过基因工程的方式创造了能合成人干扰素的大肠杆菌及酵母菌，每1Kg的培养液可提取20—40mg干扰素 1）基因工程药品 —— 干扰素 干扰素治疗病毒感染是“万能灵药”！过去从人血提取，300L血才提取1mg！“珍贵”程度自不用多说。 人干扰素α-1b（安达芬） 一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，广泛用于治疗病毒感染性疾病，对某些癌症也有一定疗效。 我国批准生产的第一个基因工程药物，治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等 二、医药卫生领域 02 2）基因工程药品 —— 胰岛素 　 将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌或酵母菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%! 　　胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。 1.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。 基因工程菌：用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。 二、医药卫生领域 02 生长激素、乙肝疫苗、人造血液等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。 基因工程肝炎疫苗 重组人生长激素 3）基因工程药品------ 人造血液 二、医药卫生领域 根据前面学过的基因工程的操作程序，说出通过基因工程方法用酵母菌生产乙肝疫苗的过程是怎样的？ （提示：乙肝病毒抗原蛋白基因） ①用PCR扩增乙肝病毒抗原蛋白基因； ②将乙肝病毒抗原蛋白基因插入质粒，构建基因表达载体； ③将该基因表达载体导入酵母菌； ④检测并鉴定，筛选出成功转化的酵母菌，进行发酵培养，分离并提纯产物，获得乙肝病毒抗原蛋白。 随堂练习 In-class practice 02 ①实例： 乳腺（房）生物反应器 ②培育过程： 2、让转基因哺乳动物批量生产药物 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。 ③应用： 药用蛋白基因 乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件 基因表达载体 显微注射 受精卵 泌乳期分泌乳汁 转基因动物 药物 早期胚胎培养 胚胎移植 早期胚胎 乳腺中特异性表达基因的启动子可以让目的基因只在乳腺细胞中表达 二、医药卫生领域 (1）乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。 (2）从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提纯，表达的蛋白质已经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。 (3）从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时，转基因动物又可无限繁殖。 为什么动物的乳腺细胞能成为基因药物最理想的表达场所呢？ 思考 02 构建膀胱生物反应器是将目的基因与膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子重组，从而指导目的基因表达产物分泌在尿中。 膀胱生物反应器 具有周期短、不受性别和年龄的限制，易收集和提纯更高。 优点： 二、医药卫生领域 思考 1.乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？ 2.为什么将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元 件重组在一起？ 3.药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？ 4.生物反应器除了用乳腺，还可以用什么器官？ 5.膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器？ 6.研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？ 7.用生物反应器生产药物的优点？ 让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达 几乎所有细胞 膀胱 不局限于性别与生长期（乳腺生物反应器必须是雌性，且泌乳期才会分泌） 将目的基因与膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子重组 产量高，易提取，且不会对动物造成伤害 不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物 比较项目 乳腺（房）生物反应器 基因工程菌生产药物 基因结构 基因产物 受体细胞 导入方式 生产条件 产物提取 哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同 细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异 与天然蛋白质几乎完全相同 细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质可能不具有生物活性 哺乳动物的受精卵 微生物细胞 显微注射法 Ca2+处理法（感受态细胞法） 不需要严格的灭菌，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 从动物乳汁中提取，相对简单 （一般经过工业发酵后）从微生物细胞（或发酵液）中提取，相对复杂 分析比较： 3、尝试建立移植器官工厂 二、医药卫生领域 截止2026年，已实现敲除猪的3个主要抗原基因，再加入人源抗凝等基因，超急性排斥基本解决，中国有公司能够稳定培育基因编辑供体猪群。虽然急性排斥压住，但数月后仍会出现迟发性排斥、血栓、炎症等，长期存活病例极少，有待继续研究。 （1）向供体基因组中导入某种调节因子，抑制抗原决定基因表达； （2）设法去除/敲除供体抗原决定基团。 克隆技术 不会免疫排斥的转基因克隆猪 假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上健康人的生活，在生活中，他会遭到歧视吗？对此你怎么看？ 生命和健康是人最宝贵的东西，如果一个病人换上了经过改造的猪心脏重获了健康，我们不仅不能歧视他，还应该从他身上看到现代生物技术在维持人体健康、治疗疾病等方面的应用价值。 异想天开 21 03 用___________的方法，使___________得到__________的菌类，一般称为基因工程菌 基因工程 外源基因 高效表达 基因工程构建基因工程菌 工业发酵批量生产 概念： 步骤： 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 1 基因工程菌 三、食品工业方面 22 03 ：凝聚固化奶中的蛋白质 牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉、酵母中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶 制备方法： 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。 2 实例——阿斯巴甜：甜味剂 2 实例——凝乳酶 传统制备方法： 未断奶的小牛第四胃的黏膜取出来提取。 实例——淀粉酶、脂酶 2 基因工程获得的工业用酶的优点： 纯度更高、 生产成本显著降低、生产效率较高 三、食品工业方面 23 04 　　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。 1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来 1 环境监测 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”。 2 净化污染的环境 有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。 四、环境污染处理方面 DNA探针指的是有放射性同位素/荧光标记的单链特异性DNA，能与细菌/病毒的单链核酸碱基互补配对形成杂交双链DNA。 转基因抗虫植物 基因工程的应用 农牧业方面 医药卫生方面 转基因抗病植物 转基因抗除草剂植物 改善畜产品的品质 提高动物的生长速率 改良植物的品质 让哺乳动物批量生产药物 建立移植器官工厂 食品工业方面 生产食品工业用酶 构建基因工程菌 对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物 纯度更高、生产成本显著降低、生产效率较高 【小结】 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 C 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 A 【概念检测】 （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； 限制酶和DNA连接酶 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。 矮牵牛 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：________________________________________ 转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。 【拓展应用】 （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。 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。 【拓展应用】 Lavf58.51.100 $