2021-2022学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3 3.2基因工程的基本操作程序课件（27张ppt）
文档属性
| 名称 | 2021-2022学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3 3.2基因工程的基本操作程序课件（27张ppt） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 2.3MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-03-02 22:36:37 | ||
图片预览
文档简介
(共27张PPT)
第2节 基因工程的基本操作程序
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，增收节支社会经济效益450亿元。
从社会中来
转基因抗虫棉(使棉铃虫死亡，左)与非转基因抗虫棉(右)
你知道转基因抗虫棉抗虫的机制是什么吗
培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤
一、培育转基因抗虫棉的四个步骤
1.目的基因的筛选与获取
2.基因表达载体的构建
3.将目的基因导入受体细胞
4.目的基因的检测与鉴定
二 、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就是目的基因。
(2)作用：
根据不同的需要，目的基因是不同的，它主要是指编码蛋白质的基因。
(3)实例：
与生物抗逆性、优良品质、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关的基因。
2．筛选合适的目的基因：
从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是较为有效的方法之一。
如与苏云金杆菌的杀虫作用有关的Bt 抗虫蛋白基因(Bt 基因)及表达产物——Bt抗虫蛋白
测序技术；序列数据库；序列比对工具等为科学家找到合适的目的基因提供了更多的机会和可能
(1)较为有效的方法：
(2)认识基因结构和功能的技术方法：
(3)还可以通过构建基因文库来获取目的基因
3．利用PCR获取和扩增目的基因
(1)含义：
PCR是聚合酶链式反应的缩写。它是一项在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。
(2)原理：
DNA半保留复制
(3)DNA复制所需要的基本条件
参与的组分 在DNA复制中的作用
解旋酶(体外用高温代替)
DNA母链
提供DNA复制的模板
打开DNA双链
4种脱氧核苷酸
DNA聚合酶
引物
使DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸
催化合成DNA子链
合成DNA子链的原料
(4)场所：
在一定的缓冲溶液中进行，其中一般要添加Mg2＋
(5)过程：
①变性：
当温度超过90 ℃时，双链DNA解聚为单链。
②复性：
当温度下降到50 ℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。
③延伸：
当温度上升到72 ℃左右时，溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。
(5)过程:
DNA模板
4种脱氧核苷酸
耐高温的DNA聚合酶
引物
5'
3'
3'
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变性
复性
延伸
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第一轮循环的产物作为第二轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环的产物。
第二轮循环的产物作为第三轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第三轮循环的产物。
5'
3'
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3'
5'
比较PCR扩增技术和体内DNA复制的异同
核心归纳
项目 体内DNA复制 PCR扩增技术
解旋方式 解旋酶催化 DNA在高温作用下变性解旋
场所 细胞内(主要 在细胞核内) PCR扩增仪内
酶 解旋酶、DNA聚合酶 耐高温的DNA聚合酶
温度 条件 细胞内温和条件 需控制温度，
在较高温度下进行
结果 DNA分子 DNA片段或目的基因
相同点 (1)模板：均需要DNA的两条单链作为模板； (2)原料：均为4种脱氧核苷酸； (3)酶：均需DNA聚合酶
三 、第二步——基因表达载体的构建(核心步骤)
1．基因表达载体构建的目的
让目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。
2．基因表达载体的组成
限制酶切割位点
启动子
终止子
质粒
复制原点
标记基因
便于重组DNA分子的筛选
包括目的基因、标记基因、启动子、终止子等
位置:
位于基因的下游
功能:
终止转录
本质:
有特殊序列结构的DNA片段
位置:
位于基因的上游
功能:
是RNA聚合酶识别和结合的部位,驱动基因转录出mRNA
本质:
有特殊序列结构的DNA片段
3．基因表达载体的构建过程
(1)首先用一定的限制酶切割载体
(2)然后用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割含有目的基因的DNA片段
(3)再利用DNA连接酶将含目的基因的DNA片段拼接到载体的切口处
限制酶
限制酶
目的基因
限制酶切割位点
DNA连接酶
获取目的基因
重组DNA分子
质粒
限制酶切割位点
四、将目的基因导入受体细胞
1.将目的基因导入植物细胞
(1)花粉管通道法
①用微量注射器将含目的基因的DNA溶液直接注入子房中
②在植物受粉后的一定时间内，剪去柱头，将DNA溶液滴加在花柱切面上，使目的基因借助花粉管通道进入胚囊
(2)农杆菌转化法
①转化：
目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程
②农杆菌的特点：
农杆菌细胞内含有Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的T DNA(可转移的DNA)转移到被侵染的细胞，并且将其整合到该细胞的染色体DNA上
Ti质粒
T DNA
目的基因
植物细胞
表现出新性状的植株
将目的基因插入染色体DNA中
含重组Ti质粒的农杆菌
构建表达载体
转入农杆菌
导入植物细胞
③农杆菌转化法过程
1．农杆菌转化法中两次拼接、两次导入的辨析
(1)两次拼接：第一次拼接是将目的基因拼接到Ti质粒的T DNA上；第二次拼接(非人工操作)指被插入目的基因的T DNA拼接到受体细胞染色体的DNA上。
(2)两次导入：第一次导入是将含目的基因的重组Ti质粒导入农杆菌；第二次导入(非人工操作)是指含目的基因的T DNA导入受体细胞。
核心归纳
2.将目的基因导入动物细胞
(1)方法：
显微注射技术
(2)受体细胞：
受精卵
3.将目的基因导入微生物细胞
常以大肠杆菌作为受体细胞，一般先用Ca2＋处理大肠杆菌细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，然后再将重组的基因表达载体导入其中
核心归纳
将目的基因导入不同细胞的方法
种类 项目 植物细胞 动物细胞 微生物细胞
常用 方法 农杆菌转化法 显微注射法 Ca2＋处理法
受体 细胞 体细胞 受精卵 原核细胞
转化 过程 目的基因插入Ti质粒的T DNA上→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA中→表达 目的基因表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物 Ca2＋处理细胞→能吸收周围环境中DNA分子的生理状态细胞→重组的基因表达载体导入细胞中
五、第四步——目的基因的检测与鉴定
1.分子水平的检测
(1) 通过PCR等技术检测受体细胞的染色体DNA上是否插入了目的基因
(2)利用PCR技术检测目的基因是否转录出了mRNA
(3)用相应抗体进行抗原—抗体杂交检测目的基因是否翻译成蛋白质等
2.个体生物学水平的鉴定
抗虫、抗病接种实验等
目的基因的检测与鉴定
核心归纳
3.基因工程的基本操作程序
获取质粒、噬菌体等载体
筛选和获取目的基因
用限制酶切割载体和含有目的基因的DNA片段，然后用DNA连接酶连接，构建基因表达载体
将含有目的基因的表达载体导入受体细胞
检测和鉴定目的基因是否稳定维持和表达其遗传特性
思考·讨论
请结合上图，回答问题：
1．构建基因表达载体时，能否用SmaⅠ限制酶切割质粒？为什么？
不能；因为SmaⅠ会破坏质粒的抗性基因。质粒上的抗性基因是标记基因，便于重组DNA分子的筛选，若被破坏，无法进一步筛选。
2．与只使用EcoRⅠ相比较，使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA的优点是什么？
可以防止质粒和目的基因的自身环化以及目的基因与载体的反向连接。
1．区分启动子和终止子与起始密码子和终止密码子：启动子和终止子位于DNA上，是基因表达载体必需的部分，而起始密码子和终止密码子位于mRNA上，决定翻译的开始和结束。
2．图解限制酶的选择原则
(1)不破坏目的基因原则：如图甲中可选择PstⅠ，而不选择SamⅠ。
(2)保留标记基因、启动子、终止子、复制原点原则：所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中不选择SmaⅠ。
(3)确保出现相同黏性末端原则：通常选择与切割目的基因相同的限制酶切割质粒，如图中PstⅠ；为避免目的基因和质粒自身环化和随意连接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒，如图也可选择PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶。
核心归纳
1．重组Ti质粒的构建需要哪些酶的作用？
下面为利用农杆菌转化法制备转基因植物的过程图，据图回答下列问题：
限制酶、DNA连接酶。
2．在用土壤农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞的过程中，一定要将目的基因插入到Ti质粒的T DNA上的原因是什么？
下面为利用农杆菌转化法制备转基因植物的过程图，据图回答下列问题：
原因是农杆菌中的Ti质粒上的T DNA(可转移的DNA)可转移至被侵染的细胞，并且整合到该细胞的染色体DNA上。
3．将基因表达载体导入农杆菌细胞时，应怎样处理农杆菌细胞？
下面为利用农杆菌转化法制备转基因植物的过程图，据图回答下列问题：
基因表达载体(重组质粒)导入农杆菌细胞时，要用Ca2＋处理农杆菌细胞，使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，利于重组质粒的导入。
(1)基因工程操作程序的核心步骤是目的基因的获取( )
(2)基因表达载体中有的含有启动子和终止密码子( )
(3)标记基因不一定是抗生素抗性基因( )
(4)当诱导物存在时，诱导型启动子可以激活或抑制目的基因的表达( )
(5)为培育抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体细胞( )
(6)用PCR技术检测目的基因是否转录出mRNA，利用了碱基互补配对原则( )
×
×
辨析易错易混
√
√
×
√
图甲、乙中的箭头表示三种限制性内切核酸酶的酶切位点，AmpR表示氨苄青霉素抗性基因，neo表示新霉素抗性基因。下列叙述错误的是( )
A．在构建重组质粒时，可用PstⅠ和HindⅢ切割质粒和外源DNA
B．在酶切过程中，不能破坏质粒中全部的标记基因
C．若只用PstⅠ处理质粒和外源DNA分子片段，无法避免自身环化和反向连接
D．导入重组质粒的大肠杆菌可以在含氨苄青霉素的培养基中生长
练一练
D
第2节 基因工程的基本操作程序
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，增收节支社会经济效益450亿元。
从社会中来
转基因抗虫棉(使棉铃虫死亡，左)与非转基因抗虫棉(右)
你知道转基因抗虫棉抗虫的机制是什么吗
培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤
一、培育转基因抗虫棉的四个步骤
1.目的基因的筛选与获取
2.基因表达载体的构建
3.将目的基因导入受体细胞
4.目的基因的检测与鉴定
二 、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就是目的基因。
(2)作用：
根据不同的需要，目的基因是不同的，它主要是指编码蛋白质的基因。
(3)实例：
与生物抗逆性、优良品质、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关的基因。
2．筛选合适的目的基因：
从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是较为有效的方法之一。
如与苏云金杆菌的杀虫作用有关的Bt 抗虫蛋白基因(Bt 基因)及表达产物——Bt抗虫蛋白
测序技术；序列数据库；序列比对工具等为科学家找到合适的目的基因提供了更多的机会和可能
(1)较为有效的方法：
(2)认识基因结构和功能的技术方法：
(3)还可以通过构建基因文库来获取目的基因
3．利用PCR获取和扩增目的基因
(1)含义：
PCR是聚合酶链式反应的缩写。它是一项在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。
(2)原理：
DNA半保留复制
(3)DNA复制所需要的基本条件
参与的组分 在DNA复制中的作用
解旋酶(体外用高温代替)
DNA母链
提供DNA复制的模板
打开DNA双链
4种脱氧核苷酸
DNA聚合酶
引物
使DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸
催化合成DNA子链
合成DNA子链的原料
(4)场所：
在一定的缓冲溶液中进行，其中一般要添加Mg2＋
(5)过程：
①变性：
当温度超过90 ℃时，双链DNA解聚为单链。
②复性：
当温度下降到50 ℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。
③延伸：
当温度上升到72 ℃左右时，溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。
(5)过程:
DNA模板
4种脱氧核苷酸
耐高温的DNA聚合酶
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第一轮循环的产物作为第二轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环的产物。
第二轮循环的产物作为第三轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第三轮循环的产物。
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比较PCR扩增技术和体内DNA复制的异同
核心归纳
项目 体内DNA复制 PCR扩增技术
解旋方式 解旋酶催化 DNA在高温作用下变性解旋
场所 细胞内(主要 在细胞核内) PCR扩增仪内
酶 解旋酶、DNA聚合酶 耐高温的DNA聚合酶
温度 条件 细胞内温和条件 需控制温度，
在较高温度下进行
结果 DNA分子 DNA片段或目的基因
相同点 (1)模板：均需要DNA的两条单链作为模板； (2)原料：均为4种脱氧核苷酸； (3)酶：均需DNA聚合酶
三 、第二步——基因表达载体的构建(核心步骤)
1．基因表达载体构建的目的
让目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。
2．基因表达载体的组成
限制酶切割位点
启动子
终止子
质粒
复制原点
标记基因
便于重组DNA分子的筛选
包括目的基因、标记基因、启动子、终止子等
位置:
位于基因的下游
功能:
终止转录
本质:
有特殊序列结构的DNA片段
位置:
位于基因的上游
功能:
是RNA聚合酶识别和结合的部位,驱动基因转录出mRNA
本质:
有特殊序列结构的DNA片段
3．基因表达载体的构建过程
(1)首先用一定的限制酶切割载体
(2)然后用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割含有目的基因的DNA片段
(3)再利用DNA连接酶将含目的基因的DNA片段拼接到载体的切口处
限制酶
限制酶
目的基因
限制酶切割位点
DNA连接酶
获取目的基因
重组DNA分子
质粒
限制酶切割位点
四、将目的基因导入受体细胞
1.将目的基因导入植物细胞
(1)花粉管通道法
①用微量注射器将含目的基因的DNA溶液直接注入子房中
②在植物受粉后的一定时间内，剪去柱头，将DNA溶液滴加在花柱切面上，使目的基因借助花粉管通道进入胚囊
(2)农杆菌转化法
①转化：
目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程
②农杆菌的特点：
农杆菌细胞内含有Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的T DNA(可转移的DNA)转移到被侵染的细胞，并且将其整合到该细胞的染色体DNA上
Ti质粒
T DNA
目的基因
植物细胞
表现出新性状的植株
将目的基因插入染色体DNA中
含重组Ti质粒的农杆菌
构建表达载体
转入农杆菌
导入植物细胞
③农杆菌转化法过程
1．农杆菌转化法中两次拼接、两次导入的辨析
(1)两次拼接：第一次拼接是将目的基因拼接到Ti质粒的T DNA上；第二次拼接(非人工操作)指被插入目的基因的T DNA拼接到受体细胞染色体的DNA上。
(2)两次导入：第一次导入是将含目的基因的重组Ti质粒导入农杆菌；第二次导入(非人工操作)是指含目的基因的T DNA导入受体细胞。
核心归纳
2.将目的基因导入动物细胞
(1)方法：
显微注射技术
(2)受体细胞：
受精卵
3.将目的基因导入微生物细胞
常以大肠杆菌作为受体细胞，一般先用Ca2＋处理大肠杆菌细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，然后再将重组的基因表达载体导入其中
核心归纳
将目的基因导入不同细胞的方法
种类 项目 植物细胞 动物细胞 微生物细胞
常用 方法 农杆菌转化法 显微注射法 Ca2＋处理法
受体 细胞 体细胞 受精卵 原核细胞
转化 过程 目的基因插入Ti质粒的T DNA上→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA中→表达 目的基因表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物 Ca2＋处理细胞→能吸收周围环境中DNA分子的生理状态细胞→重组的基因表达载体导入细胞中
五、第四步——目的基因的检测与鉴定
1.分子水平的检测
(1) 通过PCR等技术检测受体细胞的染色体DNA上是否插入了目的基因
(2)利用PCR技术检测目的基因是否转录出了mRNA
(3)用相应抗体进行抗原—抗体杂交检测目的基因是否翻译成蛋白质等
2.个体生物学水平的鉴定
抗虫、抗病接种实验等
目的基因的检测与鉴定
核心归纳
3.基因工程的基本操作程序
获取质粒、噬菌体等载体
筛选和获取目的基因
用限制酶切割载体和含有目的基因的DNA片段，然后用DNA连接酶连接，构建基因表达载体
将含有目的基因的表达载体导入受体细胞
检测和鉴定目的基因是否稳定维持和表达其遗传特性
思考·讨论
请结合上图，回答问题：
1．构建基因表达载体时，能否用SmaⅠ限制酶切割质粒？为什么？
不能；因为SmaⅠ会破坏质粒的抗性基因。质粒上的抗性基因是标记基因，便于重组DNA分子的筛选，若被破坏，无法进一步筛选。
2．与只使用EcoRⅠ相比较，使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA的优点是什么？
可以防止质粒和目的基因的自身环化以及目的基因与载体的反向连接。
1．区分启动子和终止子与起始密码子和终止密码子：启动子和终止子位于DNA上，是基因表达载体必需的部分，而起始密码子和终止密码子位于mRNA上，决定翻译的开始和结束。
2．图解限制酶的选择原则
(1)不破坏目的基因原则：如图甲中可选择PstⅠ，而不选择SamⅠ。
(2)保留标记基因、启动子、终止子、复制原点原则：所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中不选择SmaⅠ。
(3)确保出现相同黏性末端原则：通常选择与切割目的基因相同的限制酶切割质粒，如图中PstⅠ；为避免目的基因和质粒自身环化和随意连接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒，如图也可选择PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶。
核心归纳
1．重组Ti质粒的构建需要哪些酶的作用？
下面为利用农杆菌转化法制备转基因植物的过程图，据图回答下列问题：
限制酶、DNA连接酶。
2．在用土壤农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞的过程中，一定要将目的基因插入到Ti质粒的T DNA上的原因是什么？
下面为利用农杆菌转化法制备转基因植物的过程图，据图回答下列问题：
原因是农杆菌中的Ti质粒上的T DNA(可转移的DNA)可转移至被侵染的细胞，并且整合到该细胞的染色体DNA上。
3．将基因表达载体导入农杆菌细胞时，应怎样处理农杆菌细胞？
下面为利用农杆菌转化法制备转基因植物的过程图，据图回答下列问题：
基因表达载体(重组质粒)导入农杆菌细胞时，要用Ca2＋处理农杆菌细胞，使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，利于重组质粒的导入。
(1)基因工程操作程序的核心步骤是目的基因的获取( )
(2)基因表达载体中有的含有启动子和终止密码子( )
(3)标记基因不一定是抗生素抗性基因( )
(4)当诱导物存在时，诱导型启动子可以激活或抑制目的基因的表达( )
(5)为培育抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体细胞( )
(6)用PCR技术检测目的基因是否转录出mRNA，利用了碱基互补配对原则( )
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辨析易错易混
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图甲、乙中的箭头表示三种限制性内切核酸酶的酶切位点，AmpR表示氨苄青霉素抗性基因，neo表示新霉素抗性基因。下列叙述错误的是( )
A．在构建重组质粒时，可用PstⅠ和HindⅢ切割质粒和外源DNA
B．在酶切过程中，不能破坏质粒中全部的标记基因
C．若只用PstⅠ处理质粒和外源DNA分子片段，无法避免自身环化和反向连接
D．导入重组质粒的大肠杆菌可以在含氨苄青霉素的培养基中生长
练一练
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