3.2基因工程的基本操作程序4个课时教学设计2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

高二生物学（新人教版） 教学设计 章 选择性必修3 节 第2节 课题 基因工程的基本操作程序 课型 新课 课时 4 主备教师 张枚 二备时间 5.18日 授课教师 授课时间 学 习 目 标 1.阐明基因工程的原理和基本操作程序。（生命观念、科学思维） 2.针对人类生产或生活中的某一需求，选取适当的基因工程的技术和方法，尝试设计获得某一转基因产品的方案。（科学思维、科学探究） 3.尝试进行PCR的基本操作并用电泳鉴定PCR的产物。（科学思维、科学探究） 教学重点 1.基因工程基本操作程序的四个步骤。 2.DNA片段的扩增及电泳鉴定。 教学难点 1.利用PCR获取和扩增目的基因。 2.片段的扩增及电泳鉴定。 教学过程（通案） 二次备课(个案) 引 入 课 题 第1课时 教师播放视频，结合展示的素材，提出问题，激起学生的学习兴趣。 1997年，我国政府首次批准商业化种植转基因抗虫棉。到2015年，我国已育成转基因抗虫棉新品种100多个，减少农药用量40万吨，增收节支，创造社会经济效益450亿元。 思考：培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤呢？ 资料：苏云金杆菌通过产生伴胞晶体蛋白（Bt 抗虫蛋白），破坏鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。科学家将“杀虫基因”转入棉花中，棉花产生Bt抗虫蛋白抵抗虫害。 教师提问，那么，如何筛选目的基因呢？ （二）目的基因的筛选 1.较为有效的筛选方法 从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选。 2.认识基因结构和功能的技术方法 （3） 目的基因的获取 教师提问：目的基因的获取方法？ 【拓展延伸】 ①概念：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。 ②本质：细胞内的DNA复制通常以RNA单链为引物（后续被酶切除）。 细胞外（PCR）一般以DNA单链为引物，长度通常为20-30个核苷酸（不切除）。 （2） PCR的进行需要的条件： 教师：结合体内DNA复制过程，思考PCR的进行需要哪些条件？ 反应还需要其他条件，如控温设备和缓冲液（一般添加Mg2+，激活真核细胞和细菌的DNA聚合酶）。 （3）PCR的过程：视频播放 （4）PCR的结果： （5）PCR产物的鉴定： PCR过程可以在PCR扩增仪中自动完成，完成以后，常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定PCR的产物。 琼脂糖凝胶电泳 DNA分子具有可解离的基团，在一定的pH下，这些基团可以带上正电荷或负电荷，在电场的作用下，这些带电分子会向与它所带电荷相反的电极移动，这个过程就叫电泳。 较小的DNA片段在凝胶中的移动相对容易，较大的DNA片段移动难。 当电泳结束时，比较DNA样品所在 的位置和一系列已知大小的DNA片段的位置(标准)，这些已知大小的片段称为DNA分子量标准样品。 教师：想一想：获取足够量的目的基因后能不能直接将它导入受体细胞呢？ 第2课时 不能原因: 1.游离的DNA片段进入受体细胞，一般会直接被分解 2.就算可以进行转录和翻译成蛋白质，游离的DNA片段也无法随着细胞分裂进行复制，导致子代细胞不再含有目的基因 教师：那怎样才能让基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代呢？ 1.构建基因表达载体的目的 （1）使目的基因在受体细胞中稳定存在，且可以遗传给下一代； （2）使目的基因能够在受体细胞中表达和发挥作用。 思考：要想目的基因实现以上功能，载体需要哪些结构？ 2.基因表达载体的组成 【拓展延伸】 1、基因表达载体中启动子、终止子的来源： ①如果目的基因是从自然界中已有的物种中分离出来的。——已含有启动子、终止子 在构建基因表达载体时，不需要在质粒上接上特定的启动子、终止子。 ②如果目的基因是通过人工方法合成的，或是cDNA。 ——目的基因不含启动子和终止子 在构建基因表达载体时，需要在目的基因的前后端接上特定的启动子、终止子。 启动子、终止子、起始密码子、终止密码子的比较 3.基因表达载体的构建过程 第3课时 按前面三个步骤进行了操作，是否可以确定目的基因进入了受体细胞并能维持稳定？是否可以确定目的基因一定能够进行表达？是否可以确定得到了新的性状？ 不一定！ 练习巩固 1.(2025·安徽高考)质粒K中含有β-半乳糖苷酶，将该质粒导入大肠杆菌细胞后，其编码的酶可分解X - gal，产生蓝色物质，进而形成蓝色菌落，如图所示。科研小组以该质粒作为载体，采用基因工程技术实现人源干扰素基因在大肠杆菌中的高效表达。下列叙述错误的是（ ） A.使用氯化钙处理大肠杆菌以提高转化效率，可增加筛选平板上白色和蓝色菌落数 B.如果筛选平板中仅含卡那霉素，生长出的白色菌落不可判定为含目的基因的菌株 C.因质粒K中含两个标记基因，筛选平板中长出的白色菌落即为表达目标蛋白的菌株 D.若筛选平板中蓝色菌落偏多，原因可能是质粒K经酶切后自身环化并导入了大肠杆菌 答案：C 第4课时 探究•实践——DNA片段的扩增及电泳鉴定 1.实验原理 (1)DNA体外扩增的原理 ①PCR利用了DNA热变性原理，通过调节温度来控制DNA双链的解聚与结合。 ②PCR仪实质上就是一台能够自动调控温度的仪器，一次PCR一般要经历30次循环。 PCR 的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定。 (2)DNA片段电泳鉴定的原理 教师展示内容，引导学生完成填空：①DNA分子具有____________，在一定的___下，这些基团可以带上正电荷或负电荷，在____的作用下，这些带电分子会向着_________________的电极移动，这个过程就是_____。 ②在凝胶中DNA分子的迁移速率与____________、_______________和_____等有关。 ③凝胶中的DNA分子通过_____，可以在波长为_______的_______下被检测出来。 思考：若电泳缓冲液使DNA带负电荷，加样孔侧应连电极的哪一极？ 负极 2.实验用具 ①PCR仪 （自动控温，实现DNA的扩增） ②微量离心管 （实际上是进行PCR反应的场所） ③微量移液器 （用于向微量离心管转移PCR配方中的液体） ④一次性吸液枪头 （微量移液器吸取一种试剂更换一次枪头） ⑤电泳装置 （包括电泳仪、电泳槽等） 3.实验材料 ①4种脱氧核苷酸等量混合液、2种引物、TaqDNA聚合酶、模板DNA、扩增缓冲液。 ②无菌水、电泳缓冲液、凝胶载样缓冲液、琼脂糖和核酸染料等。 (1)DNA片段的扩增 4.实验步骤 (1)DNA片段的扩增 (2)琼脂糖凝胶电泳 琼脂糖凝胶电泳图 教师展示PPT上的试题，引导学生认真完成习题，及时巩固。 1.(2024黑吉辽高考)关于采用琼脂糖凝胶电泳鉴定PCR产物的实验， 下列叙述正确的是(　　) A.琼脂糖凝胶浓度的选择需考虑待分离DNA片段的大小 B.凝胶载样缓冲液中指示剂的作用是指示DNA分子的具体位置 C.在同一电场作用下，DNA片段越长，向负极迁移速率越快 D.琼脂糖凝胶中的DNA分子可在紫光灯下被检测出来 2.用PCR方法检测转基因植株是否成功导入目的基因时，得到以下电泳图谱。其中1号为DNA标准样液(Marker)，10号为蒸馏水，PCR时加入的模板DNA如图所示。据此作出的分析，不合理的是(　　) A.PCR产物的分子大小在250~500bp之间 B.3号样品为不含目的基因的载体DNA C.9号样品对应植株不是所需的转基因植株 D.10号确定反应体系等对结果没有干扰 答案：1.A 2.B 【知识讲解】 （一）目的基因 1.概念 在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。(主要指的是编码蛋白质的基因) 2.实例 与生物抗逆性、生产药物、毒物降解、工业用酶等相关的基因。 【知识讲解】 1.人工合成 在我国首批具有较高抗虫活性的转基因抗虫棉的培育过程中，科学家采用的是人工合成的方法。 (1)前提:基因比较小、核苷酸序列已知 (2)方法:通过DNA合成仪用化学方法直接合成 2.利用PCR获取和扩增目的基因 （1）PCR的概念： 全称：聚合酶链式反应 原理：DNA半保留复制 操作环境：体外 目的：对目的基因的核苷酸序列进行大量复制 优点：可以在短时间内大量扩增目的基因 补充拓展 .从基因文库中获取 （1）基因文库的概念： 将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入到受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因，称为基因文库。 （2）基因文库的种类： 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.PCR 扩增的是完整的模板 DNA 分子吗？ 一般不是； 扩增的是两种引物之间所对应的特定DNA片段 2.由此可知在扩增目的基因时，引物是根据什么来设计的？ 设计引物时必须依据：目的基因的核苷酸序列 PCR扩增的前提是：根据一段已知目的基因两端的核苷酸序列合成引物 3.利用PCR技术扩增目的基因，在第几轮循环产物中开始出现两条脱氧核苷酸链等长的DNA片段(即出现完整的目的基因)？第三轮 4.用PCR可以扩增mRNA吗？（P79旁栏思考） 不能！ ①DNA聚合酶无法识别RNA； ②高温变性步骤会破坏RNA的结构，导致其降解。 5.如果需要扩增mRNA上的遗传信息，该如何操作？ 将RNA反转录为cDNA，然后再进行扩增。 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）构建基因表达载体时，能否用 Sma Ⅰ 限制酶切割质粒？为什么？ 不能；因为 SmaⅠ 切割会破坏质粒的抗生素抗性基因（抗生素抗性基因是质粒上的标记基因，若被破坏，无法进一步筛选重组 DNA 分子）。 （2）若只用 EcoR Ⅰ 限制酶切质粒和外源 DNA，则构建基因表达载体时会出现哪些结果？（3）为避免出现上述情况可以选择什么限制酶对质粒和外源 DNA 进行切割？ 使用 BamHⅠ和 Hind Ⅲ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA。 双酶切法 补充：优点：①避免质粒、目的基因的自身环化； ②有利于载体与目的基因正向连接，避免反向连接。 问题1：为使目的基因在受体细胞中稳定存在，在构建基因表达载体时，应将目的基因插入哪里？ 两次拼接目的 第1次：目的基因拼接到Ti质粒的T-DNA上。 第2次：被插入目的基因的T-DNA拼接到受体细胞染色体的DNA上。 两次导入： 第1次：将含目的基因的重组Ti质粒导入农杆菌 第2次：含目的基因的T-DNA导入受体细胞 1.分子水平的检测 (1)检测受体细胞的染色体DNA上是否插入了目的基因 ①方法一：通过PCR等技术检测 如：检测棉花的染色体 DNA 上是否插入了 Bt 基因 ②方法二：核酸杂交技术(DNA分子杂交) 原理：碱基互补配对 说明： 带标记的基因探针，与目的基因DNA单链在一定条件下互补配对，结合成双链，从而出现杂交带。 （基因探针：一段带有标记（荧光或同位素标记）的，能与目的基因互补的核酸片段（DNA或RNA） (3)检测目的基因是否翻译成蛋白质 ①方法：抗原-抗体杂交技术 ②原理：抗原能与抗体特异性结合 .注意事项 1.为避免外源DNA等因素的污染，PCR实验中使用的微量离心管、枪头和蒸馏水等在使用前必须进行高压灭菌处理。 2.该实验所需材料可以直接从公司购买，缓冲液和酶应分装成小份，并在-20℃储存。使用前，将所需试剂从冰箱拿出，放在冰块上缓慢融化。 3.在向微量离心管中添加反应组分时，每吸取一种试剂后，移液器上的枪头都必须更换。 4.在进行操作时，一定要戴好一次性手套。 5.PCR扩增不能随意加大试剂用量。 6.结果分析与评价 (1)你是否成功扩增出DNA片段？判断的依据是什么？ 可以在紫外灯下直接观察到DNA条带的分布及粗细程度来评价扩增的结果。进行电泳鉴定的结果应该是一条条带，如图片段大小约为750bp。 (2)你进行电泳鉴定的结果是几条条带？如果不止一条条带，请分析产生这个结果的可能原因。 ①如果扩增不成功，可能的原因有： 漏加了PCR的反应成分，各反应成分的用量不当，PCR程序设置不当等。 ②如果扩增结果不止一条条带，可能的原因有： 引物设计不合理，它们与非目的序列有同源性或容易形成二聚体；复性温度过低；DNA聚合酶的质量不好；模板DNA出现污染；Mg2＋浓度过高等。 总结 教 学反思 1 学科网（北京）股份有限公司 $