2020-2021学年高一生物人教版必修二6.2 基因工程及其应用课件（62张ppt）

(共62张PPT)
第六章
从杂交育种到基因工程
第2节
基因工程及其应用
学习目标：
1.理解基因工程的概念；
2.说出说出基因工程的基本工具。
3.深刻体会并表述基因工程的一般步骤。
豆科植物的根瘤能够固定空气中的氮
资料一：目前，全球的氮肥生产耗费世界的总电力的3%-4%，而且农作物只能吸收氮肥的1/10,造成了大面积的土壤和水质的污染。
资料分析：
蜘蛛能够吐出蛛丝
资料二：蛛丝是自然界最奇特的物质之一，它具有超强的韧度，它的韧度是同样直径钢材的好几倍。但与家蚕不同，蜘蛛不能家养，因为它们会互相吞食，所以不可能建立人工饲养蜘蛛的农场。30多年来，科学家们一直试图找到利用其他生物体来制造蛛丝的办法。
资料三
以往，治疗糖尿病的胰岛素是从动物胰腺中提取的，从100千克猪、牛等动物的胰腺只能提取3－4克胰岛素，治疗一个患者需宰杀40－50头牛，这种药物的造价就可想而知了。
微生物可以有分泌产物，且微生物繁殖速率快
设想一
能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？
能否让细菌“吐出”蛛丝？
设想二
能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？
设想三
经过多年的努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术——基因工程。
传统的育种方法能否实现上述设想呢？
能发出绿色荧光的转基因小鼠
能发光的水母
超级鼠与超级鱼
什么叫基因工程?
基因工程的基本工具和操作步骤有哪些?
归纳出科学家实施基因工程的总体思路.
阅读教材
P102，解决以下问题：
能力体现
基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的性状。
原理：基因重组
操作水平：DNA分子水平
操作环境：生物体外
结
果：定向地改造生物的性状，获得人类所需要的品种。
一、基因工程的原理
（一）概念
基因工程是在DNA上进行的分子水平的设计施工，需要有专门的工具。那么基因工程最基本的工具有哪些呢？
“基因剪刀”、“基因针线”和“基因的运载体”是基因工程的最基本的工具。
（二）基因操作的工具
１、基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）
限制酶是在生物体(主要是微生物)内的一类酶，能将外来的DNA切断，即能够限制异源DNA的侵入并使之失去活力，但对自身的DNA却无害。由于这类酶是在DNA分子内部进行切割的，故名限制性内切酶。
一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子。（专一性和特异性）
①来源:
主要存在于微生物中（目前大约已有500多种）。
②特点:
C
T
T
A
A
G
A
A
T
T
C
G
G
A
A
T
T
C
C
T
T
A
A
G
↓
限制酶
↓
黏性末端
黏性末端
限制酶
例：大肠杆菌中有一种限制酶(EcoRⅠ)能专一识别GAATTC序列，并在G和A之间将这段序列切开。
③作用结果:
产生两个黏性末端。
什么叫黏性末端？
被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，他们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。
注意：按照切割的方式，限制性内切酶可以分为错位切和平切两种，他们分别产生黏性末端和平末端。
限制性内切酶（EcoRⅠ）作用过程
限制酶切割的是脱氧核苷酸之间的化学键——磷酸二酯键，而不是切割碱基之间的氢键。
限制性内切酶切割的是碱基之间的氢键么？
磷酸二酯键
④作用位点:
磷酸二酯键
几种限制酶及酶切位点
几种限制酶及酶切位点
限制性内切酶通常能识别4—6个碱基长度的特定DNA序列，并能以特定的模式剪切DNA链。一般来说，被识别的DNA序列是回文序列。这种序列的特点是，当从左右两端分别阅读这段双链DNA的碱基序列时，双链上的碱基序列是相同的。
　　被同一种限制酶切断的几个DNA是否具有相同的黏性末端？
思考:
形成的黏性末端不同
不同的限制酶呢？
具有。
CTTCATG
AATTCCCTAA
GAAGTACTTAA
GGGATT
GGCATCTTAA
AATTCCGTAG
练习使用EcoRI
剪切目的基因
CTTCATG
AATTCCCTAA
GAAGTACTTAA
GGGATT
GGCATCTTAA
AATTCCGTAG
目的基因
黏性末端
限制性核酸内切酶
分布：主要在微生物中。
特点：专一性和特异性，即识别特定脱氧核苷酸序列，切割特定位点。
切割部位：磷酸二酯键
结果：产生黏性末端（碱基互补配对）。
举例：大肠杆菌的一种限制酶（EcoRⅠ）能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。
一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切割点上将DNA
分子切断。目前已发现的限制酶有200多种。
两种来源不同的DNA用同种限制酶切割后，末端可以相互黏合，但是这种黏合只能使互补的碱基连接起来，脱氧核糖和磷酸交替链接而构成的DNA骨架上的缺口，则需要靠DNA连接酶来“缝合”，这种DNA连接酶就称“基因的针线”。
G
C
T
T
A
A
A
A
T
T
C
G
DNA连接酶
DNA连接酶
2.基因的“针线”—DNA连接酶
作用：
把脱氧核糖和磷酸交替链接而构成的DNA骨架上的缺口“缝合”起来，即催化两条DNA链之间形成磷酸二酯键。
磷酸二酯键
使用DNA连接酶制作重组DNA分子
甲片段
CTTCATG
AATTCCCTAA
GAAGTACTTAA
GGGATT
乙片段
GGCATCTTAA
AATTCCGTAG
重组DNA分子
GGCATCTTAA
AATTCCGTAG
C
T
T
A
A
G
A
A
T
T
C
G
重组DNA分子
（外源基因）
？如何将外源基因送入受体细胞呢？
注：限制酶与连接酶作用的位点都是磷酸二酯键
3、基因的运输工具——运载体
目的基因
常用的运载体有两类：
1）质粒(最常用）（小型环状DNA)
2）噬菌体和某些动植物病毒
种类：
共同特点：都有侵染或进入宿主细胞的能力。
质粒
(plasmid)
大肠杆菌的质粒
质粒习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中染色体（或拟核）以外能够自主复制的小型环状DNA分子。
最常用的质粒是大肠杆菌的质粒，其中常含有抗药基因，如四环素的标记基因。
质粒的特点：
（1）细胞染色体或拟核之外能自主复制的很小的环状DNA分子。
（2）质粒的存在对宿主细胞的正常生活几乎没有影响。
（3）可以容易地从细胞中取出或放入。
（4）质粒的复制只能在宿主细胞内完成。
作为运载体必须具备哪些条件？
1.能够在宿主细胞中复制并稳定地保存。
2.具多个限制酶切点，以便与外源基因连接。
3.具有某些标记基因，便于进行筛选。
如抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。
在基因工程操作中，用肉眼无法看到载有目的基因的运载体是否真正进入细胞，这时，标记基因就为鉴别和筛选提供了标记。所谓的选择标记指的就是抗生素抗性基因，如抗四环素或抗氨苄青霉素基因。只要在培养基中加入四环素或氨苄青霉素就能够筛选已转化的细胞。
（三）基因工程的“四步曲”
提取目的基因
1
目的基因与运载体结合
2
将目的基因导入受体细胞
3
目的基因的检测和表达
4
基因工程基本步骤
1、获取目的基因
基因工程的第一步，是取得人们所需要的特定基因，也就是目的基因如抗虫基因，抗病基因、种子的贮存蛋白基因，以及人的胰岛素基因、干扰素基因等都是目的基因。
要获得目的基因，主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因，另一条是人工合成基因。
2、目的基因与运载体结合
　　用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在连接酶的作用下连接形成重组DNA分子。
细菌
供体细胞
取出质粒
取出DNA
用限制酶切断DNA
用连接酶连接目的基因
3、将目的基因导入受体细胞
将重组DNA导入受体细胞
扩增
3.将目的基因导入到受体细胞
（1）依据：主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。
?例如：如果运载体是质粒，受体细胞是细菌，一般是将细菌用CaCl2处理，以增大细菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞，随受体细胞的复制而复制。
?（2）常用的受体细胞有：大肠杆菌，枯草杆菌，土壤农杆菌，酵母菌和动植物细胞等。
若培育的是作物新品种，则可选择导入动物的受精卵（采用显微注射技术），植物的体细胞（采用农杆菌转化法）。
若要获得药品或代谢产物，则可选择导入微生物细胞，一般选不致病的大肠杆菌。
4、目的基因的检测与鉴定
　　大量的受体细胞接受不多的目的基因。处理的受体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中检测出来。
将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保留有表达产物的进一步培养、研究。
无表达产物
无表达产物
有表达产物
无表达产物
目的基因的检测和表达
（1）检测：借助受体细胞是否具有某种抗性（标记基因）来判断是否获得了目的基因。
?例：大肠杆菌质粒(具有青霉素抗性基因)＋目的基因
重组质粒
?
???????????????????????????
受体细胞
???????????????
放在含有青霉素的培养基上培养
（若受体细胞正常→抗性→目的基因导入）
（2）鉴定：根据目的基因表现的性状、目的产物或用病原体感染，判断目的基因是否表达。
基因工程操作是否成功的关键：目的基因是否得以表达
1
2
基因工程的操作工具
1.基因的剪刀
——限制性内切酶
2.基因的针线
——ＤＮＡ连接酶
3.基因的运输工具
——运载体
基因工程的操作步骤
1.目的基因的提取
2.目的基因与运载体结合
3.目的基因导入受体细胞
4.目的基因的检测与表达
基因工程(gene
engineering)的原理
小结
（1）获得高产、稳产和具有优良品质的农作物,培育出具有抗逆性的作物新品种。如抗虫棉。
目的：
１、基因工程与作物育种
二、基因工程的应用
抗虫基因作物的意义：
不仅减少了农药的用量，降低了生产成本，而且还减少了农药对环境的污染。
1993年，中国农业科学院的科学家成功地培育出了抗棉铃虫的转基因抗虫棉，抗虫的基因来自苏云金杆菌。苏云金杆菌形成的伴胞晶体是一种毒性很强的蛋白质晶体，能使棉铃虫等鳞翅目害虫瘫痪致死。科学家将编码这个蛋白质的基因导入作物，使作物自身具有抵御虫害的能力。
转黄瓜抗青枯病基因的甜椒
转鱼抗寒基因的番茄
转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯
不会引起过敏的转基因大豆
生长快、肉质好的转基因鱼(中国)
乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)
（2）在畜牧养殖业上培育人们所需要的、具优良性状的转基因动物。
将人的生长激素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“超级小鼠”。
2、基因工程与药物研制
我国生产的部分基因
工程疫苗和药物
　　许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。
　　微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。
利用转基因生物生产出各种高质量、低成本的药品。
胰岛素是治疗糖尿病的特效药，以往只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg的胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。
科学家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%!
用基因工程方法生产的药物还有干扰素、白细胞介素、溶血栓剂、凝血因子、以及预防乙肝、霍乱、伤寒、疟疾等的疫苗。
干扰素是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白。干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染，是一种抗病毒的特效药。此外干扰素对治疗某些癌症和白血病也有一定疗效。
传统的干扰素生产方法是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取出1mg干扰素。1980~1982年，科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，是传统的生产量的12万倍。1987年上述干扰素大量投放市场。
基因工程药品
——
干扰素
基因工程人干扰素α-2b（安达芬），安达芬具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。
治疗侏儒症的唯一方法，是向人体注射生长激素。而生长激素的获得很困难。以前，要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部摘取垂体，并从中提取生长激素。
现可利用基因工程方法，将人的生长激素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。人们从
450
L大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于6万具尸体的全部产量。
基因工程药品
——
生长激素
3、基因工程与环境保护
⑴
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
　　利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。
⑵
环境污染治理：
　　基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。
　　通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。
当人类拥有了只有大自然才拥有的改造生物、创造生物的能力时，也感到了不安与困惑。人类是否有权按照自已的意愿操纵地球上的生命？人类创造的转基因生物、转基因食品是否会危害整个生物圈，包括人类自身？
三、转基因食品的安全问题
转基因食品
安全吗?
转基因生物和转基因食品的安全性
事例1：
1998年，英国一位生物学家在电视节目中宣布：老鼠食用了转基因马铃薯后，肾、脾和消化道都出现了损伤。
事例2：
一个简陋的小实验室，就能把艾滋病病毒与感冒病毒组装到一起，使艾滋病病毒像感冒一样，大范围地传播。
事例3：
对转入了苏云杆菌基因的西红柿进行毒性分析表明，这种转基因西红柿对人体健康没有影响。
事例4：
转基因作物能使贫穷国家的亿万人口摆脱饥饿，同时还能减少使用农药引起的环境污染。
据于以上事例，你认为应该如何对待转基因生物和转基因食品的安全性问题？
转基因食品的优缺点
优点：
1、解决粮食短缺问题；
2、减少农药使用，从而减少环境污染；
3、节省生产成本，降低粮食价格；
4、增加食物营养，提高附加值；
5、增加食物种类，提升食物品质；
6、促进生产效率，带动相关产业发展。
返回
转基因食品的优缺点
缺点：
1、可能产生新毒素和新过敏原；
2、可能产生抗除草剂的杂草；
3、可能使疾病的散播跨越物种障碍；
4、可能会损害农作物的生物多样性；
5、可能干扰生态系统的稳定性。
理性看待转基因技术
a.趋利避害,而不能因殪废食
b.
建立相应的法规,如1993年制定的<基因工程安全管理办法>和2002年颁布的
<农业转基因生物标识管理办法>
1.基因诊断：
四、基因诊断和基因治疗
基因诊断也称为DNA诊断或基因探针技术，即用放射性同位素、荧光分子等标记的DNA分子作探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。
运用基因分析对疾病作出诊断的方法，是遗传病最准确的诊断手段，可用于一切遗传病的诊断。
2、基因治疗概念：
把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，是治疗遗传病的最有效的手段。
（把特定的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，从而达到治疗疾病的目的）
实例：
美国马里兰州一女孩，免疫缺陷，只能呆在无菌室。检查发现体内缺少腺苷酶，原因是缺乏表达合成腺苷酶的基因。
将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的淋巴细胞中，再将这种淋巴细胞转入患者体内。
小结
1.几种育种方法的比较
项目
杂交育种
诱变育种
单倍体
育种
多倍体
育种
基因工
程育种
原理
基因重组
基因突变
染色体
变异
染色体
变异
基因重组
常用方法
①杂交
→自交
→选优
→自交；
②杂交
→杂种
辐射诱
变等
花药离体培养，再用秋水仙素处理使其加倍，得到纯合体
秋水仙素处理萌发的种子或幼苗
将目的基因引入生物体细胞内，培育新品种
优点
方法简便，使不同个体的优良性状集中在一个个体上
提高变异频率或出现新的性状，加速育种进程
明显缩短育种年限
器官大，提高产量和营养成分
定向改变生物的性状；克服远缘杂交不亲和的障碍
项目
杂交育种
诱变育种
单倍体
育种
多倍体
育种
基因工
程育种
缺点
时间长，需及时发现优良性状
有利变异少，需大量处理实验材料，具有不定向性
①技术复杂；②成活率低
适用于植物，在动物中难于开展
有可能引起生态危机
举例
矮秆抗锈病小麦
青霉素高产菌株、太空椒
快速培育矮秆抗锈病小麦
三倍体无子西瓜、八倍体小黑麦
产生人胰岛素的大肠杆菌、抗虫棉
常见育种方法的选用
（1）若培育隐性性状个体，可用自交或杂交，只要出现该性状即可。对于植物最简便的方法是自交。
（2）将两个个体的优良性状集中到一个个体，则可以选择杂交育种或单倍体育种，单倍体的育种进程更快；
（3）若要快速获得纯种，选择单倍体育种
（4）提高营养物质的含量选择多倍体育种；
（5）培育从没有过的优良性状的品种，选择诱变育种；
（6）如果要克服远缘杂交不亲和的障碍或要定向改造生物性状，则可以选择基因工程育种。
比较项目
基因重组
基因工程
不
同
点
概念
在生物体进行
过程中，控制不同性状的基因的重新组合
按照
，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，
改造生物的遗传性状
重组基因
物种的不同基因
物种间的不同基因
繁殖方式
有性生殖
人们的意愿
定向地
同一
不同
有性生殖
无性生殖
2.比较基因重组与基因工程
比较项目
基因重组
基因工程
不同点
变异大小
意义
是
的来源之一，
对
有重要意义
使人类有可能按自己的意愿直接
改造生物，培育新品种
相同点
都实现了不同基因间的
，都能使生物产生
。
小
大
生物变异
生物进化
定向地
重新组合
变异
(1)基因重组发生于有性生殖中，不能打破生殖隔离，而基因工程则可实现异种生物的基因转移。
(2)基因工程可使受体获得新的基因，表现出新的性状，该技术可看作是一种广义的基因重组。
(3)转基因动、植物的培育，因其细胞全能性不同，外源基因的受体细胞也不同。培育转基因动物的受体细胞一般为受精卵；培育转基因植物的受体细胞可用生殖细胞，也可用体细胞。