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

课题名称 3.3 基因工程的应用（1课时） 课堂类型： R新课 □复习课 □习题课 □实验课 □试卷讲评课 □其他： 学习者 分析 本节课的授课对象是已经掌握了遗传与变异基本原理的高二学生，他们对基因工程的概念有了初步的了解，已经掌握基因工程的常用工具和一般过程，他们对于微观知识也具备了一定的基础。但是基因工程的操作水平无法用肉眼直接观察，因此给抽象思维能力较弱的同学造成一定程度的学习困难。本节教学过程中，我们将引导学生对抽象的基因工程进行具体化分析，借助网络、书籍等资源帮助学生对基因工程的应用有全面认识。 教学目标 与本节内容对应的课程标准的“内容要求”是：举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。结合教材内容，确定本节的教学目标如下： 1、 举例说出基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用； 2、 认同基因工程的应用价值； 3、 关注基因工程的进展。 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。 落实教学重点的方法： 学生分组讨论、视频展示、概念图总结 教学难点 乳腺生物反应器 突破教学难点的方法： 学生讨论分析、教师板画 教学资源 选择 教师用书、教材、题单、天天练 技术手段的使用： 电子白板、板书、多媒体 课时： 1课时 核心问题 1、 基因工程的应用有哪些？ 2、 怎样理性看待基因工程在生产和生活中的应用？ 教学过程设计 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 回顾旧知，导入新课 在前面的内容中，我们通过学习重组DNA分子技术的基本工具以及基因工程的基本操作程序，对基因工程的理论内容已经有所了解。基因工程的基本操作程序主要包括四大步骤：目的基因的筛选和提取，这就涉及到PCR技术，PCR技术依据DNA的半保留复制原理，提供原料等条件进行体外扩增DNA，包括90℃变性（即打开双链）——复性，50摄氏度作用，（一对引物分别与DNA的两条母链进行结合，作用是启动后面DNA聚合酶的作用）——延伸，72℃作用，耐高温的DNA聚合酶将游离的脱氧核苷酸接到DNA的3’端。一般来说，由于取出来的DNA中含有非目的基因片段，我们需要循环三次才能得到两条核苷酸链的DNA片段。 获取到目的基因以后就是构建基因的表达载体，常常用两种不同的限制酶分别处理质粒和目的基因以获得相同的两个黏性末端，再用DNA连接酶进行连接。 基因的表达载体导入到受体细胞分为三种情况，植物细胞、动物细胞和微生物细胞，导入植物细胞的方法有我国独创的花粉管通道法以及农杆菌转化法，其中花粉管通道法是将目的基因导入到受精卵细胞中，而农杆菌转化法的受体细胞既可以是受精卵也可以是体细胞，虽然农杆菌是侵染大部分的双子叶植物和裸子植物，但是随着技术发展也可以诱导其侵染单子叶植物；将目的基因导入动物细胞常用显微注射法导入到受精卵中；导入微生物细胞常用钙离子处理法将其导入到原核细胞比如大肠杆菌中。 导入受体细胞以后还需要进行基因检测和鉴定，从分子层面的目的基因是否导入、目的基因是否转录成mRNA以及是否翻译出相关蛋白质进行检测，再从个体层面进行鉴定，如抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等。 随着基因工程技术的成熟，基因工程不仅在科学技术层面创造了“可能”与“可行”，更产生了巨大的价值，它距离我们的生活并不遥远。大家应该都听说过转基因抗虫棉、转基因大豆、转基因的胰岛素等等，在农牧业、食品工业、医药卫生领域都取得了较为显著的应用。 由于本节内容之前进行了月考，距离时间较差，学生对于前面内容可能有部分遗忘，通过引导学生梳理重点内容强化学生对所学知识的消化。 引导学生主动联系生活中的实例，感受基因工程带来的影响，激发学生的学习兴趣。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 基因工程在农牧业方面的应用有哪些？ 基因工程在农牧业方面的应用体现在哪些方面呢？在农牧业中的应用发展迅速，1996-2017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。美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家，世界转基因作物种植面积最大的是大豆，其次是玉米、棉花；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； 在转基因动物方面，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；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。 目前，基因工程技术已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面。 请大家阅读教材88-89，回答下表内容： 项目 举例 为什么要做 怎样做 成效如何 转基因植物 抗虫 抗病 抗除草剂 改良品质 转基因动物 提高生长速率 改良畜产品品质 学生阅读教材并请学生分享自己的见解。教师简单点评。教师总结： （1） 植物方面 1、 转基因抗虫棉：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，这就是目的基因，将其按照前面讲的基因工程的基本操作程序进行导入到作物中培育出具有抗虫性的作物，比如Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等，现在已经成功的转基因抗虫植物有转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。教师展示图片。这种防治害虫的方法属于生物防治。 2、 转基因抗病植物：将某些病毒、真菌等的抗病基因导入到植物中。 【拓展：病毒外壳蛋白基因的抗病毒机理——一种假说认为：CP基因在植物细胞内表达积累后，当入侵的病毒裸露核酸进入植物细胞后，会立即被这些外壳蛋白重新包裹，从而阻止病毒核酸分子的复制和翻译。 另一种假说认为：植物细胞内积累的病毒外壳蛋白会抑制病毒脱除外壳，使病毒核酸分子不能释放出来。 然而最近的研究表明，如果将病毒的外壳蛋白的AUG起始密码缺失，使之不能被翻译，或者将外壳蛋白基因变成反义RNA基因，整合到植物细胞染色体上，转基因植物则有很好的抗性。因此，有人认为抗性机理不是外壳蛋白在起作用，而是CP基因转录出RNA后，与入侵病毒RNA之间的相互作用起到了抗性作用。】 3、 转基因抗除草剂植物：我们前面选择性必修二的时候讲过可以利用双子叶杂草和单子叶农作物对生长素的敏感性不同来进行除草，由于双子叶杂草更敏感，所以高浓度的生长素对杂草来说是抑制生长而对于不那么敏感的单子叶农作物来说是促进生长，但并不是所有的除草剂都具备这样的特点，有的杀虫剂既杀死杂草还杀死作物，导致农作物减产，将降解或抵抗某种除草剂的基因导入农作物，就可以得到抗除草剂的作物品种。 4、 改良植物的品质：随着生活水平的提高，我们更关注营养价值和观赏价值，比如将某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量；我国科学家成果将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中，使得其呈现出自然界没有的颜色变异，提高了观赏价值。 其中抗虫、抗病以及抗除草剂其实都可以看成是提高农作物的抗逆性。 （2） 动物方面 1、 提高动物的生长速率：由于体内合成的激素都是微量的，因此外源生长激素基因的表达可以使得转基因动物生长得更快。 2、 改善畜产品的品质：有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶以后会出现腹泻等不适症状，这就是乳糖不耐受。中国大概有三分之一都是乳糖不耐受，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，获得转基因牛分泌的乳汁中含有的乳糖含量降低。 让学生基于教材进行梳理、总结，认同转基因技术在农牧业上有广阔的应用前景。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 基因工程在医药卫生领域的应用体现在哪些方面？ 我们前面讲到利用基因工程可以生产胰岛素，其实利用基因工程生产药物也是基因工程取得的实际应用成果非常多的领域，这些领域包括细胞因子、抗体、疫苗和激素等。这些药物可以用来预防和治人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿性关节炎等，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【一类细胞刺激骨髓造血的药物】等基因工程药物均已投放市场。 （一）对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物 1、干扰素 干扰素指的是什么呢？——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。 传统生产干扰素的方法是从人血液中的白细胞里提取，每300L血才提取1mg！很珍贵。而利用基因工程，我们可以从大肠杆菌以及酵母菌细胞中获取干扰素，每1Kg的培养液可提取20—40mg干扰素。 在1993年，我国批准生产重组人干扰素α-1b。它是我国批准生产的第一个基因工程药物，目前用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。 Q：抗生素和干扰素有何不同？——干扰素是抗病毒类药物，抗生素是抗细菌类药物。 2、胰岛素 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。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%! Q：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。 我们把转基因的微生物称为基因工程菌，即用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。 除此以外，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。 【学以致用】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(该过程也是将酵母菌制备成感受态细胞，但是并不是用Ca2+处理，而是用醋酸锂处理）； 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。 （二）让转基因哺乳动物批量生产药物 利用基因工程，还可以让哺乳动物批量生产药物。比如乳腺生物反应器或乳房生物反应器。 1、乳腺生物反应器或乳房生物反应器。 原理就是将药用蛋白基因，也就是目的基因，与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控原件重组在一起。由于我们需要的是哺乳动物分泌的乳汁中含有目的基因表达的药用蛋白，也就意味着药用蛋白基因需要随着乳腺中特异表达的基因一起表达，比如乳蛋白基因。因此需要将目的基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控原件重组在一起，进而使得目的基因在乳腺细胞中表达。 你能不能结合基因工程的操作程序构建乳腺生物反应器的生产流程？ 该技术目前已经在牛、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。 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？——(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。 不足：该方法必须培育雌性动物，利用其乳腺分泌乳汁来获取药物，因此受到性别的限制。【导学案】 2、膀胱生物反应器 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。 优点是具有周期短、不受性别和年龄的限制，易收集和提纯更高。 【总结】乳腺生物反应器与膀胱生物反应器 ①乳腺生物反应器是利用转基因动物的乳汁生产药用蛋白，而膀胱生物反应器是利用转基因动物的尿液生产药用蛋白，二者的优点是：产量高、质量好、成本低、易提取，且不必对动物造成伤害。 ②乳腺生物反应器需是处于生殖期的雌性动物才可生产药用蛋白，而膀胱生物反应器则是任何生长期的雌雄动物均可生产。 结合刚刚将的基因工程菌，你能否完成下表关于乳腺生物反应器和基因工程菌的比较？ （三）用转基因动物作为器官移植的供体 除了利用转基因动植物或者微生物生产药物，以及转基因动物作为反应器配量生产药物，还可以通过转基因动物作为器官移植的供体。比如选择猪：原因是①猪的内脏构造、大小、血管分布与人的极为相似。②与灵长类动物相比，猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒要少得多。对于异种生物器官移植来说最大的难题就是免疫排斥，因此科学家目前正在尝试利用基因工程技术对猪的器官进行改造：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；或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。 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。 激发学生的民族认同感。 学以致用，让学生巩固和应用所学的知识。 绘制流程图可以帮助学生巩固和综合运用所学的知识。 结合导学案上相关习题引导学生迁移应用。 问题驱动学生理解乳腺生物反应器。 列表比较基因工程菌和乳腺生物反应器，培养学生的比较分析能力。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 基因工程在食品工业方面有哪些应用？ 利用基因工程菌除了可以生产药物，还可以生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。比如： 联系食品工业实际，让学生进一步体会基因工程在生产和生活中的应用价值。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 基因工程在其他方面的应用有哪些? （一）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。1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来 （二）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”。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。 拓展基因工程的其他应用，引导学生认同基因工程在实际生活中的应用价值，认同基因工程的发展。 总结 通过概念图形式总结本节内容，让学生对复杂繁长的文字能够形成知识网络。 学科网（北京）股份有限公司 $