3.2 基因工程的基本操作程序（第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

该高中生物学课件聚焦基因工程中目的基因的筛选与获取，以培育转基因抗虫棉过程为课堂导入，先解析Bt基因作用及安全性，再通过回顾真核与原核基因结构搭建知识支架，衔接PCR技术的学习。 其亮点在于情境化与深度探究结合，通过抗虫棉案例体现生命观念的结构与功能观，借助PCR过程分析和引物设计问题培养科学思维，课堂小测与实践活动促进探究实践。学生能系统构建知识，教师可利用清晰脉络提升教学效率。

第3章 基因工程 第2节 基因工程的基本操作程序 （第1课时） 培育转基因抗虫棉的简要过程 课堂导入 苏云金杆菌 重组DNA分子 普通棉花 （无抗虫特性） 棉花细胞 （含抗虫基因） 抗虫棉 （含有并表达Bt 基因） 抗虫基因 Bt (抗虫蛋白)基因 提取 导入 与载体拼接 抗虫基因已插入 染色体DNA中 1.目的基因的筛选与获取 3.将目的基因导入受体细胞 2.基因表达载体的构建（核心） 4.目的基因的检测与鉴定 培育抗虫棉的目的基因——Bt (抗虫蛋白)基因 Bt 基因 导入 表达 苏云金杆菌伴胞晶体蛋白 (Bt抗虫蛋白) 破坏鳞翅目昆虫的消化系统 杀死棉铃虫 苏云金杆菌 普通棉花 抗虫棉 1. 抗虫棉的作用机理是什么？ 当Bt抗虫蛋白被分解为多肽后，多肽与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合，导致细胞膜穿孔，最后造成害虫死亡。 培育抗虫棉的目的基因——Bt (抗虫蛋白)基因 Bt 基因 导入 表达 苏云金杆菌伴胞晶体蛋白 (Bt抗虫蛋白) 破坏鳞翅目昆虫的消化系统 杀死棉铃虫 苏云金杆菌 普通棉花 抗虫棉 2. 为什么不会让人畜中毒？ Bt 抗虫蛋白只有在某类昆虫肠道的碱性环境中才能表现出毒性，而人和牲畜的胃液呈酸性，肠道细胞也没有特异性受体。因此，Bt抗虫蛋白不会让人畜中毒。 第一步：目的基因的筛选与获取 1. 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。 (2)类型： 主要指的是编码蛋白质的基因，也可以是一些具有调控作用的因子。 (3)实例 生物抗逆性 生产药物 毒物降解 工业用酶 抗虫棉 （Bt 基因） 产生胰岛素的基因 产生果胶酶的基因 非编码区 非编码区 编码区（基因） 知识回顾：真核生物基因的结构 外显子 内含子 编码区上游 编码区下游 启动子 终止子 转录 前体mRNA 剪切 拼接 成熟mRNA RNA聚合酶识别与结合位点，启动转录 终止转录 7 非编码区 非编码区 编码区（基因） 知识回顾：原核生物基因的结构 编码区上游 编码区下游 启动子 终止子 转录 成熟mRNA RNA聚合酶识别与结合位点，启动转录 终止转录 8 第一步：目的基因的筛选与获取 2. 筛选合适的目的基因 (1)较为有效的方法： 从相关的已知结构和功能清晰的基因中筛选 苏云金杆菌 制 成 杀虫剂 防治棉花害虫 研究表明：杀虫作用与Bt 基因有关 掌握了Bt基因的序列信息 对Bt 基因的表达产物(Bt抗虫蛋白)有较为深入的了解 掌握目的基因的功能 掌握目的基因的结构 Bt 基因是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因 序列比对工具 （如BLAST） 第一步：目的基因的筛选与获取 2. 筛选合适的目的基因 (2)认识基因结构和功能的技术方法 测序技术 序列数据库 （如GenBank） 测定核酸和蛋白质序列 以碱基顺序或氨基酸残基顺序为基本内容的分子生物信息数据库 把感兴趣的序列跟已经存在的序列数据库进行比较的工具。通过比对识别相关的序列，从而能获得目的基因和蛋白质的功能。 DNA测序仪 美国国家生物信息中心 核苷酸序列比对 氨基酸序列比对 第一步：目的基因的筛选与获取 获取目的基因的方法 人工合成 目的基因 通过构建基因文库来获取目的基因 利用PCR获取 和扩增目的基因 DNA合成仪 基因组文库 cDNA文库 PCR 扩增仪 我国首批具有较高抗虫活性的转基因抗虫棉的培育 现在常用方法 DNA(限制酶酶切)→DNA片段 mRNA(逆转录酶)→cDNA 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 苏云金杆菌 Bt 基因 大量Bt 基因 提取 ？ (1)含义 全称： 原理： 操作环境： 目的： 优点： 聚合酶链式反应 DNA半保留复制 体外，在PCR(扩增)仪 对目的基因的核苷酸序列进行大量复制 可以在短时间内大量扩增目的基因 穆里斯 该技术于1985 年发明，穆里斯于1993 年获得了诺贝尔化学奖 知识回顾 ：体内DNA复制 DNA聚合酶 解旋酶 子链 DNA模板链 DNA聚合酶 DNA模板链 子链 游离的4种脱氧核苷酸 3′ 5′ 5′ 3′ 条件 模板： 原料： 能量： 酶： DNA的每一条链 解旋酶 DNA聚合酶 游离的4种脱氧核苷酸 ATP (解螺旋，氢键断裂) (形成磷酸二酯键) 原则 碱基互补配对原则 特点 ①半保留复制 ②边解旋边复制 ③双向复制 子链延伸方向 5′端到3′端 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 引物的作用： 使DNA聚合酶能够从引物的3'端开始连接脱氧核苷酸 ①只能从5'端向3'端延伸子链 ②无法从头合成DNA链 DNA聚合酶的特点 3’ 5’ DNA母链1 3’ 5’ DNA母链2 3’ 5’ 引物1 3’ 5’ 引物2 3’ 5’ DNA母链1 3’ 5’ DNA母链2 解旋 引物结合在母链的3′端 体内DNA复制： RNA单链 引物的类型 PCR： DNA单链 (后续被酶切除) 引物：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 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 (2)基本条件 体内DNA复制 在DNA复制中的作用 PCR 打开DNA双链 提供DNA复制的模板 合成DNA子链的原料 催化合成DNA子链 使DNA聚合酶能够从引物 的3'端开始连接脱氧核苷酸 PCR还需要其它条件： DNA母链 DNA聚合酶 4种脱氧核苷酸 解旋酶 2种引物 DNA（目的基因）母链 耐高温的DNA聚合酶 4种脱氧核苷酸或dNTP 无需解旋酶，用高温代替 2种引物 如缓冲液（一般添加Mg2+）和控温设备 Taq DNA聚合酶 dNTP：dATP、dGTP、dTTP、dCTP N P P P ～ ～ 脱氧 核糖 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 (3)过程 PCR过程可以在PCR（扩增）仪中自动完成 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 (3)过程： ①变性： 不需要解旋酶 当温度超过 时， 断裂，双链DNA解聚为两条 。 90℃ 氢键 单链 3. 变性的温度为何是90℃以上的一个温度范围，而不是95℃？ 因为变性的温度与氢键的数量有关。当氢键数量越多时，所需温度就越高；反之，当氢键数量越少时，所需温度也就越低。 3′ 5′ 5′ 3′ 第1次循环 目的基因 17 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 (3)过程： ②复性： 当温度下降到 左右时， 种引物通过 ,与两条单链DNA结合。 50℃ 两 碱基互补配对 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 5′ 目的基因 第1次循环 引物1 引物2 5′ 3′ 3′ 5′ 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 (3)过程： 5′ 3′ 3′ 5′ ③延伸： 当温度上升到 左右时，溶液中的4种 在耐高温的 的作用下，根据 原则合成新的DNA链。 72℃ DNA聚合酶 脱氧核苷酸 碱基互补配对 5. 为什么温度要上升至72℃？ 72℃是Taq DNA聚合酶的最适温度 第1次循环 目的基因 引物1 引物2 3′端 4. Taq DNA聚合酶结合在引物的5′还是3′端？ 5′ 3′ 3′ 5′ 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 (3)过程： 第1次循环 循环次数 第1次循环 DNA分子数 长链-中链DNA数 中链-短链DNA数 短链-短链DNA数 需要引物的总数 同时含引物1和2的DNA分子数 特点：一个循环得到的产物又可以作为下一个循环的模板 2 2 0 0 目的基因 引物1 引物2 2 0 5′ 3′ 3′ 5′ 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 (3)过程： 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 第2次循环 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 循环次数 第2次循环 DNA分子数 长链-中链DNA数 中链-短链DNA数 短链-短链DNA数 需要引物的总数 同时含引物1和2的DNA分子数 目的基因 引物1 引物2 4 2 2 0 6 2 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 (3)过程： 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 第3次循环 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 循环次数 第3次循环 DNA分子数 长链-中链DNA数 中链-短链DNA数 短链-短链DNA数 需要引物的总数 同时含引物1和2的DNA分子数 目的基因 引物1 引物2 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 (3)过程： 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 第3次循环 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 循环次数 第3次循环 DNA分子数 长链-中链DNA数 中链-短链DNA数 短链-短链DNA数 需要引物的总数 同时含引物1和2的DNA分子数 目的基因 引物1 引物2 5′ 3′ 3′ 5′ 5′ 3′ 3′ 5′ 3′ 5′ 5′ 3′ 5′ 3′ 3′ 5′ 8 2 4 2 14 6 从第3次循环才会获得完整的目的基因 循环次数 1 2 3 n DNA分子数 长链-中链DNA数 中链-短链DNA数 短链-短链DNA数 需要引物的总数 同时含引物1和2的DNA分子数 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 (3)过程： 第1次循环的产物 8 2 4 2 14 6 2 2 0 0 2 0 4 2 2 0 6 2 第2次循环的产物 第3次循环的产物 2n 2 2(n-1) 2n-2n 2n+1-2 2n-2 课堂小测 1、利用PCR既可以快速扩增特定基因，也可以检测基因的表达。下列有关PCR的叙述错误的是（ ） A. PCR用的DNA聚合酶是一种耐高温酶 B. 变性过程中双链DNA的解开不需要解旋酶 C. 复性过程中引物与模板链的结合遵循碱基互补配对原则 D. 延伸过程中需要DNA聚合酶、ATP 和4种核糖核苷酸 D 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 全部解旋后再复制 Q1：在PCR仪内进行DNA复制是边解旋边复制吗？ 不一定 Q2：复性的过程一定是引物与DNA模板链结合吗？ ①引物与DNA模板链结合； ③解旋的两条DNA模板链重新结合 ②引物与引物结合； Q3：设计的2种引物要注意什么？ 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 GGCAGTCTGCCAGTCTAC GGCAGTCTGCCAGTCTAC 发卡结构 CTGCCAGTCTAC GACGG T 引物3 CAGGCT ATCCGA 引物1 引物2 引物1和引物2之间会发生碱基互补配对 不合理 第1组 不合理 引物1（或引物2）自身会发生碱基互补配对 判断：下列设计的引物合理吗？ 27 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 全部解旋后再复制 Q1：在PCR仪内进行DNA复制是边解旋边复制吗？ 不一定 Q2：复性的过程一定是引物与DNA模板链结合吗？ ①引物与DNA模板链结合； ③解旋的两条模板链重新结合 ②引物与引物结合； Q3：设计的2种引物要注意什么？ ①引物1和引物2之间不能发生碱基互补配对 ②引物1（或引物2）自身不能发生碱基互补配对 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 试一试：请你为Bt 基因设计合适的引物 5′-T C C• • •C A A T T C • • • T A T G A A• • • C C A -3′ 3′-A G G• • •G T T A A G • • •A T A C T T• • • G G T -5′ Bt 基因 变性 5′-T C C• • •C A A T T C • • •T A T G A A • • • C C A -3′ 3′-A G G• • •G T T A A G • • •A T A C T T • • • G G T -5′ A T A -5′ 引物1 引物2 5′-T T C 29 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 试一试：请你为Bt 基因设计合适的引物 5′-T C C• • •C A A T T C • • • T A T G A A• • • C C A -3′ 3′-A G G• • •G T T A A G • • •A T A C T T• • • G G T -5′ Bt 基因 变性 5′-T C C• • •C A A T T C • • •T A T G A A • • • C C A -3′ 3′-A G G• • •G T T A A G • • •A T A C T T • • • G G T -5′ 引物2 5′-C A A C T T -5′ 引物1 引物可以设计在目的基因内 也可以设计在目的基因的外 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 试一试：若用PCR技术扩增图示目的基因，请选用合适的引物 选用引物甲、引物丙 适当降低 Q4：若设计的引物与模板不完全配对时，复性的温度要怎么变化？ 常造成引物与模板错配，导致扩增的非特异性片段过多 Q5：若复性温度过低会造成什么结果？ 引物乙 Q6：怎样提高复性时引物与模板配对结合率，而不是模板链之间配对结合呢？ 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 加入过量的引物，引物与模板之间的碰撞结合机会，远远高于模板互补链之间的碰撞机会。 一般不是，扩增的是两种引物之间所对应的特定DNA片段 Q7：PCR 扩增的是完整的模板 DNA 分子吗？ 第一步：目的基因的筛选与获取 3. 利用PCR获取和扩增目的基因 不能 Q8：用PCR可以扩增mRNA吗？为什么？ 需要将mRNA逆转录为cDNA，然后再进行扩增 Q9：如果需要扩增mRNA上的遗传信息，该如何操作？ 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。 单链RNA 逆转录酶 杂交双链 核酸酶H 单链DNA 引物、DNA聚合酶 双链DNA PCR扩增 课堂小测 2、利用 PCR技术扩增目的基因，其原理与细胞内DNA复制类似(如图所示)。图中引物为单链DNA 片段，它是子链合成延伸的基础。下列叙述错误的是（ ） A. 用 PCR方法扩增目的基因时不必知道基因的全部序列 B. 设计引物时需要避免引物之间形成碱基 互补配对而造成引物自连 C. 复性温度过高可能导致PCR 反应得不到 任何扩增产物 D. 第四轮循环产物中同时含有引物A和引 物B的 DNA片段所占的比例为15/16 D 课堂小测 3、金属硫蛋白(MT)是一米广泛存在的金属结合蛋白，某研究小组计划通过聚合酶链式反应(PCR)扩增获得目的基因，如图是PCR扩增过程的示意图，请回然下列问题。 (1)从高表达MT蛋白的生物组织中提取mRNA， 通过 获得 用于PCR扩增。 (2)设计一对与 MT 基因两端序列互补配对的引 物(引物1和引物2)，为方便构建重组质粒，在 引物中需要增加适当的 识别序列。设计 引物时需要避免引物之间形成 ，而造成引物之间相互配对。 逆转录 cDNA 限制酶 碱基互补 课堂小测 3、金属硫蛋白(MT)是一米广泛存在的金属结合蛋白，某研究小组计划通过聚合酶链式反应(PCR)扩增获得目的基因，如图是PCR扩增过程的示意图，请回然下列问题。 (3)图中步骤1代表 ，步骤2代表复性，步 骤3代表延伸，这三个步骤组成一轮循环。 (4)PCR扩增时，复性温度的设定是成败的关键。 复性温度过高会破坏 的碱基配对。 复性温度的设定与引物长度、碱基组成有关， 长度相同但 的引物需要设定更高的复性温度。 变性 引物与模板 G、C含量高 课堂小测 3、金属硫蛋白(MT)是一米广泛存在的金属结合蛋白，某研究小组计划通过聚合酶链式反应(PCR)扩增获得目的基因，如图是PCR扩增过程的示意图，请回然下列问题。 (5)如果PCR反应得不到任何扩增产物，则可以 采取的改进措施有 (填序号)。 ①升高复性温度； ②降低复性温度； ③重新设计引物 ② ③ Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.45.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $