3.3基因工程的应用2025-2026学年高二生物同步备课优质课件（人教版2019选择性必修3）

该高中生物学课件聚焦基因工程的应用，涵盖农牧业、医药卫生和食品工业三大领域，以“低乳糖奶牛”等实例导入，通过转基因作物（抗虫、抗病等）、转基因动物（生长速率与品质改良）、乳腺生物反应器及基因工程菌等具体内容，搭建前后知识关联的学习支架。 其亮点在于融合科学思维与探究实践，通过对比乳腺生物反应器与基因工程菌的表格分析、乳糖不耐受问题引导及高考题案例，帮助学生形成结构与功能观的生命观念，提升分析解决实际问题的能力。教师可借助系统实例与检测题高效教学，学生能在实例中深化理解并培养科学探究精神。

第3节 基因工程的应用 第3章 基因工程 低乳糖奶牛 1 教学目标 TEACHING OBJECTIVES 学习目标： 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。 重难点： 1.基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。 2.乳腺生物反应器。 基因工程在农牧业方面的应用 1 目录 CONTENT 2 基因工程在医药卫生领域的应用 3 基因工程在食品工业的应用 1 基因工程在农牧业方面的应用 一、转基因农作物 全世界转基因作物种植面积呈增加趋势；转基因作物的种植使化学农药的施用量减少了8.2%。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。 1.转基因抗虫植物： 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。 ①Bt毒蛋白基因： ③淀粉酶抑制剂基因： ②蛋白酶抑制剂基因： ④植物凝集素基因： 主要杀虫基因 阻断或降低蛋白酶的活性，使害虫不能正常消化食物，还会引起厌食反应。 导致细胞膜穿孔，细胞肿胀裂解。 产生的抑制剂可与害虫消化道内的淀粉酶结合。 可与害虫肠道黏膜上的某种物质结合， 影响害虫对营养物质的吸收和利用。 普通水稻 抗虫水稻 优点：减少化学农药的使用，降低生产成本，提高产量。 2.转基因抗病植物： 许多栽培作物自身缺少抗病基因。 方法：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。 主要抗病基因 抗病毒基因： 抗真菌基因： 病毒外壳蛋白基因（CP基因）、 病毒的复制酶基因 几丁质酶基因、抗毒素合成基因 注：导入的病毒CP基因转录出的mRNA被植物RNA沉默系统识别为“外源核酸”，进而诱导产生小干扰RNA（siRNA）。siRNA与植物体内的RNA诱导沉默复合体结合，特异性切割病毒RNA的同源序列（包括入侵病毒的基因组RNA或mRNA），从而抑制病毒复制。 植物表达的CP蛋白与入侵病毒的外壳蛋白竞争性结合病毒RNA，形成非感染性病毒颗粒（无功能外壳包裹），阻断病毒组装和传播。 环斑病毒感染的番木瓜 抗病毒的番木瓜 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。 【小结】转基因作物的优点： ①减少化学杀虫剂的施用量，减少环境污染； ②增加作物产量 ③增加经济效益 4.改良植物品质 ①改良作物的营养价值 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。 ②丰富花品颜色，提高观赏价值。 例：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。 例：赖氨酸含量提高30%的转基因玉米 二、转基因动物 1.提高动物的生长速率 （将外源生长激素基因导入动物体内） 例：第一种用于食用的转基因动物—转基因大西洋鲑在美国获得批准上市。 转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排） 超级小鼠 2.改善畜产品的品质 例：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，称为乳糖不耐受。我国约有⅓的成年人对乳糖不耐受。 对策： 将乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得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。 你喝牛奶会腹泻吗？为什么？ 普通人 乳糖不耐受 问：转基因植物的制备用到的技术主要有？ 问：转基因动物的制备用到的技术主要有？ 基因工程、 植物组织培养技术。 基因工程、 动物细胞培养、 早期胚胎培养、 胚胎移植。 （1）干扰素： 人体或动物受到病毒侵染后产生的一种细胞因子 本质：______ 作用：___________ ①用于哪些疾病的治疗? ②传统生产干扰素的方法是什么？ ③现代生产方法是什么？ 2 基因工程在医药卫生领域的应用 1.改造微生物或动植物的细胞生产药物 糖蛋白 干扰病毒复制 从人血液中的白细胞提取。 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。 利用基因工程技术将 与质粒拼接成的重组质粒，导入大肠杆菌或酵母菌细胞，通过 获得大量产生干扰素的大肠杆菌或酵母菌。 干扰素基因 动物细胞培养 思考：干扰素和抗生素相同吗？ 抗生素≠干扰素 抗生素：抗细菌药物 干扰素：抗病毒药物 ④我国批准生产的第一个基因工程药物的是什么？ 重组人干扰素α-1b，目前主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。 （2）基因工程改造的常见药物类型： 细胞因子、抗体、疫苗和激素等 案例：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。 用于：预防治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等 思考：与大肠杆菌相比，用酵母菌生产人的生长激素有什么优势？ 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生长激素进行加工和修饰，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——乳腺生物反应器 胚胎移植前应做DNA分析，鉴定性别，保留雌性 药用蛋白基因 载体（含有在 细胞中 _______________________） 重组载体 显微注射 哺乳动物 ________ 培养 早期胚胎 胚胎移植 代孕母体 转基因动物 生育 分泌 乳汁 （含有 ） 注：受精卵具有全能性，可使外源基因在相应的组织细胞中表达 乳腺 特异表达的基因的启动子 受精卵 药用蛋白 ①乳腺生物反应器是指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？ 目的：让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达。 不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物。 2.利用转基因哺乳动物批量生产药物——乳腺生物反应器 药用蛋白基因 载体（含有在 细胞中 _______________________） 重组载体 显微注射 哺乳动物 ________ 培养 早期胚胎 胚胎移植 代孕母体 转基因动物 生育 分泌 乳汁 （含有 ） 乳腺 特异表达的基因的启动子 受精卵 药用蛋白 ③目的基因可在乳腺细胞中表达，其他组织细胞中含有该目的基因吗？ 几乎所有细胞都有，因为它们都是由同一个受精卵分裂、分化而来的。 ④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？ 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：①动物泌乳期有间隔；②有些蛋白不能在乳腺里表达 ③某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同 优点：①适合于表达高等动物体内的复杂蛋白 ②制备乳腺反应器的方法成熟；③乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官 ④乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易 2. 乳腺生物反应器批量生产药物 【延伸】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 等调控元件重组在一起。 特异表达的基因的启动子 思考：膀胱生物反应器相比乳腺生物反应器的优点是什么？ ①可以从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否处于生殖期。 ②从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。 3.用转基因动物作为器官移植的供体 背景：人体移植器官短缺是世界性难题 解决：寻求可替代的移植器官，如利用基因工程对猪的器官进行改造。 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。 供体猪的优点： 存在免疫排斥反应。 最大的难题： 注：人体细胞膜表面都有作为身份标签的一组蛋白质(主要组织相容性复合体MHC)，能被自身的免疫细胞识别。其他生物的细胞也带有各自的身份标签(相当于抗原)，当它们入侵人体后，能被免疫细胞识别出来，引起免疫排斥。 如何利用基因工程技术改造猪的器官？ 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。 目的基因 基因敲除 3 基因工程在食品工业的应用 1. 什么是基因工程菌？ 用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。 基因工程构建基因工程菌 工业发酵批量生产药物、食品工业用酶、氨基酸和维生素等 实例1：凝乳酶（凝聚固化奶中的蛋白质生产奶酪） ·基因工程技术： ·传统制备方法： 将 导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过 批量生产凝乳酶。 杀死未断奶的小牛，将其第四胃的黏膜取出来提取。 编码牛凝乳酶的基因 工业发酵 实例2：淀粉酶、脂酶 加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品用到的脂酶等也都可通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。 优点：相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术 获得的工业用酶纯度更高，生产成本显著降低， 生产效率较高。 实例3：生产氨基酸 阿斯巴甜是一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产。 乳腺（房）生物反应器 基因工程菌生产药物 基因结构 哺乳动物基因的结构与 人的基因结构_________ 细菌或酵母菌等生物的基因结构与 人的基因结构_________ 基因产物 与天然蛋白质________ 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_____________ 受体细胞 哺乳动物的________ 导入方式 _____处理法（ 细胞法） 生产条件 产物提取 从动物 中提取， 相对简单 一般经过工业发酵后从__________ （或发酵液）中提取，相对复杂 基本相同 有较大差异 完全相同 受精卵 微生物细胞 显微注射法 Ca2+ 不需要严格灭菌，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 乳汁 微生物细胞 感受态 不具有生物活性 19 4 基因工程的其他应用 （1）培育可以降解多种污染物的“超级细菌”治理环境污染； （2）利用经过基因改造的微生物生产清洁能源。 例：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”。 生物乙醇的生产流程： 植物 淀粉/纤维素 提取 可发酵糖 糖化 微生物 乙醇 发酵 微生物 淀粉酶 /纤维素酶 习题检测 .将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导人大肠杆菌的细胞内，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 21 【检测卷P146】13,(2025·安徽高考)稻瘟病是一种真菌病害，水稻叶片某些内生放线菌对该致病菌有抑制作用。科研小组分离筛选出内生放线菌，并开展了相关研究。 (1)采集有病斑的水稻叶片，经表面消毒、研磨处理，制备研磨液。此后，采___________将研磨液接种于不同的选择培养基，分别置于不同温度下培养， 目的是 。 (2)经筛选获得一株内生放线菌，该菌株高效合成铁载体小分子， 能辅助内生放线菌吸收铁离子。R基因是合成铁载体的关键基因 之一。科研小组构建R基因敲除株， 探究铁载体的功能。主要 步骤如下:首先克隆R基因的上游片段R-U和下游片段R-D;然后构 建重组质粒；最后利用重组质粒和内生放线菌DNA片段中同源区 段可发生交换的原理，对目标基因进行敲除。 如图1所示。 稀释涂布平板法 筛选出不同条件下的内生放线菌 采用PCR技术鉴定R基因的敲除结果。PCR通过变性、 复性和延伸三步，反复循环，可实现基因片段的 ________。R基因敲除过程中，可发生多种形式的同源区段交换，PCR检测结果如图2所示，其中R基因敲除株为菌落____（填序号），出现菌落④的可能原因是_____________________________________________________。 （3）内生放线菌和稻瘟病致病菌的生长均需要铁元素。科研小组推测该内生放线菌通过对铁离子的竞争性利用，从而抑制稻瘟病致病菌生长。设计实验验证该推测，简要写出实验思路____。 扩增 ② 重组质粒通过（单交换）同源重组整合到了内生放线菌的基因组中     甲组是稻瘟病致病菌十含Fe培养基；乙组是内生放线9.选菌+稻瘟病致病菌+含Fe培养基；丙组是R基因敲除放线菌+稻瘟病致病菌十含Fe培养基，在相同且适宜条件和下培养一段时间，观察稻瘟病致病菌的生长情况。 基因编辑： 又称基因组编辑或基因组工程，是一种新兴的比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术或过程。 例：CRISPR/Cas9系统由向导RNA和Cas9蛋白组成，由向导RNA（gRNA）引导Cas9蛋白在特定的基因位点进行切割，从而完成基因编辑过程，过程如图。现欲用CRISPR/Cas9编辑技术对轮状病毒（双链RNA病毒）进行编辑，下列相关叙述错误的是（    ） A．若向导RNA的序列为5'-UCACAUC-3'，则其识别的基因靶序列为3'-AGTGTAG-5' B．Cas9类似于基因工程中的限制酶，其作用位点是磷酸二酯键 C．向导RNA的碱基序列越短，则其在基因上出现定位错误的概率越高 D．可以根据目标基因的碱基序列人工设计向导RNA A 感谢观看! 2019人教版·生物·选择性必修3 25 $