2021-2022学年高二下学期生物人教版选择性必修3-3.3基因工程的应用利用CRISPCas9技术培育高抗性淀粉水稻教案（Word版）
文档属性
| 名称 | 2021-2022学年高二下学期生物人教版选择性必修3-3.3基因工程的应用利用CRISPCas9技术培育高抗性淀粉水稻教案（Word版） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 347.5KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-06-02 21:38:06 | ||
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文档简介
主题：基因工程的应用——利用CRISPR/Cas9技术培育高抗性淀粉水稻
一、教学目标 1、阅读资料理解CRISPR/Cas9的原理，并尝试应用CRISPR/Cas9解决实际问题。 2、通过应用基因工程的知识，培养学生实验设计、结果分析，演绎推理和创造性思维等科学思维能力。 3、激发对前沿科学发展的兴趣，通过课下作业培养学生发散性思维。 二、教学重难点 重点： 1、了解CRISPR/Cas9的过程 2、应用基因工程的操作解决实际问题 难点： 1、设计靶向SBEⅠg RNA的方案 2、设计检测导入水稻细胞的CRISPR/Cas9系统诱发SBE基因突变的方法
三、教学过程
教学阶 段 教师活动 学生活动 设计意图
引入 通过一种适合糖尿病人食用的“米抗儿”低GI值大米引入抗性淀粉的概念。并通过淀粉代谢过程，让学生分析如何通过控制酶的活性提高水稻中抗性淀粉的含量。 让学生阅读资料理解CRISPR/Cas9，讲解CRISPR/Cas9的原理，并说明可运用CRISPR/Cas9引起SBE基因的突变，从而改变SBE酶的功能。 感悟培育高抗性淀粉水稻的意义，并分析如何提高水稻的抗性淀粉含量。 通过阅读了解CRISPR/Cas9的原理，理解CRISPR/Cas9如何诱导特定基因产生突变。 创设真实情境， 启发学生的学习兴趣。引导学生理解CRISPR/Cas9的原理。
将CRISPR/Cas9系统导入水稻细胞 3.提出问题。 自然界中的水稻存在CRISPR/Cas9系统吗？ 基因工程的四步程序分别是什么？ 为了导入CRISPR/Cas9系统需要获取哪些基因？ 如何从SBEＩ和SBEＩＩ基因的编码区序列中筛选靶点序列呢？ 回顾基因工程所学知识，运用刚刚学习的资料中的信息解决问题。 引导学生将CRISPR/Cas9与基因工程相结合运用，并学会从资料中获取信息。
目的基因的获取——设计SBEⅠgRNA 4、引导学生结合资料第三段，设计一个可以编码SBEⅠgRNA的DNA片段 提出要求（①可以重组到载体上②编码SBEⅠgRNA的基因能够正常表达）并介绍所给质粒。 分析、讨论并分享。完成对可编码SBEⅠgRNA的DNA片段的设计。 引导学生运用资料、并通过讨论设计DNA片段，从而进一步理解gRNA的结构以及复习运用学过的基因工程相关知识。
基因表达载体的构建及导入受体细胞 5、通过问题引导学生回忆基因表达载体的构建的过程。 基因表达载体的构建需要应用哪两种工具酶？ 如何从导入DNA混合物的受体菌中筛选出导入重组质粒的受体菌？ 展示：PCR电泳图像，让学生分析结果。 6、通过问题引导学生思考将目的基因导入受体细胞的方法。 依据使用的载体用什么方法将目的基因导入受体细胞中？ 导入的受体细胞是谁的细胞？可以使用什么细胞？ 回忆所学的基因工程基本操作的知识，运用知识解决真实情景中的问题。 引导学生分析、思考运用学过的知识解决实际问题，加深对基因工程基本操作的知识理解。
检测导入水稻细胞中的CRISPR/Cas9系统的效果 7、引导学生分析思考检测导入水稻细胞中的CRISPR/Cas9系统效果的方法。 什么体现了CRISPR/Cas9系统的效果？ 可以从什么层面进行效果检测？ Cas9会切割双链DNA的特定部位和DNA产生突变的部位有什么关系？ 如何从分子层面检验SBE基因有无发生突变？ 展示：真实研究中的检测数据，并让学生分析并得出结论。 思考、讨论设计检测导入水稻细胞的CRISPR/Cas9系统诱发SBE基因突变的方法。分析数据得出结论。 引导学生分析、思考、设计检验CRISPR/Cas9系统效果的方法。锻炼学生分析数据得出结论的能力。
对CRISPR/Cas技术的展望 8、介绍CRISPR/Cas9其他方面的应用 最后介绍如果改变Cas9酶的切割作用，CRISPR/Cas系统还可以发展出其他方面的应用如单碱基编辑技术、活体成像技术，介绍原理。 布置课后作业：让学生去查找CRISPR/Cas系统的其他应用。 思考、理解 引导学生关注CRISPR/Cas技术的应用，锻炼学生查找资料和发散思维的能力。
四、板书设计
培育培育高抗性淀粉水稻 ——利用CRISPR/Cas9 gRNA+含有Cas9基因的Ti质粒 构建基因表达载体 农杆菌 导入受体细胞 检测CRISPR/Cas9的效果：酶切、测序 检测淀粉含量
五、学习资料
资料：
1987年，科学家发现大肠杆菌基因组DNA中有一些重复结构：一段29个碱基的序列反复出现了多次，两两之间都被32个碱基形成的看似无规律的间隔序列隔开，这种重复结构被命名为CRISPR（图1）。进一步研究发现，多种细菌均有CRISPR结构，且很多间隔序列与入侵细菌的一些噬菌体基因组序列一致。法国科学家在2007年证明了CRISPR-Cas9是一种细菌获得性免疫系统，细菌通过对入侵的外源 DNA 进行特异性识别，利用Cas9对外源DNA进行剪切，从而达到对自身的免疫作用。Cas9对DNA的特异性识别需要依赖一种特殊的RNA——guide RNA(gRNA)（图2）。
如图3所示，在细菌中gRNA由两部分组成，一部分是CRISPR序列中的一段间隔序列与部分重复序列转录形成的crRNA，它可以与外源DNA上的靶序列互补配对，还可以和gRNA的另一部分具有支架功能的trans activating crRNA （tracrRNA)部分碱基互补配对从而形成具有部分双链结构的gRNA，在细胞内gRNA与Cas9蛋白结合形成Cas9复合体。
根据细菌中gRNA的生成过程，科学家成功优化设计出可以在其他生物中定向切割某一目标基因的人工构建编码gRNA基因的方法，由人工设计的Cas9结合所必需的支架序列(gRNA scaffold)以及约20个核苷酸的靶点序列（Target）组成，转录后的gRNA既可以与Cas9蛋白结合又可以识别靶点序列，从而对某个特定基因进行切割。
科学家基于此，构建了对DNA序列进行定点切割的CRISPR/Cas9基因编辑技术，并将其广泛应用于各种生物中。将编码Cas9蛋白和gRNA的基因作为目的基因，构建基因表达载体后导入受体细胞，可对细胞内某个基因定点切割，形成DNA的双链断裂，通常情况下，会触发细胞高效的非同源末端连接方式，从而导致碱基插入或缺失，引发被切割部位的.
一、教学目标 1、阅读资料理解CRISPR/Cas9的原理，并尝试应用CRISPR/Cas9解决实际问题。 2、通过应用基因工程的知识，培养学生实验设计、结果分析，演绎推理和创造性思维等科学思维能力。 3、激发对前沿科学发展的兴趣，通过课下作业培养学生发散性思维。 二、教学重难点 重点： 1、了解CRISPR/Cas9的过程 2、应用基因工程的操作解决实际问题 难点： 1、设计靶向SBEⅠg RNA的方案 2、设计检测导入水稻细胞的CRISPR/Cas9系统诱发SBE基因突变的方法
三、教学过程
教学阶 段 教师活动 学生活动 设计意图
引入 通过一种适合糖尿病人食用的“米抗儿”低GI值大米引入抗性淀粉的概念。并通过淀粉代谢过程，让学生分析如何通过控制酶的活性提高水稻中抗性淀粉的含量。 让学生阅读资料理解CRISPR/Cas9，讲解CRISPR/Cas9的原理，并说明可运用CRISPR/Cas9引起SBE基因的突变，从而改变SBE酶的功能。 感悟培育高抗性淀粉水稻的意义，并分析如何提高水稻的抗性淀粉含量。 通过阅读了解CRISPR/Cas9的原理，理解CRISPR/Cas9如何诱导特定基因产生突变。 创设真实情境， 启发学生的学习兴趣。引导学生理解CRISPR/Cas9的原理。
将CRISPR/Cas9系统导入水稻细胞 3.提出问题。 自然界中的水稻存在CRISPR/Cas9系统吗？ 基因工程的四步程序分别是什么？ 为了导入CRISPR/Cas9系统需要获取哪些基因？ 如何从SBEＩ和SBEＩＩ基因的编码区序列中筛选靶点序列呢？ 回顾基因工程所学知识，运用刚刚学习的资料中的信息解决问题。 引导学生将CRISPR/Cas9与基因工程相结合运用，并学会从资料中获取信息。
目的基因的获取——设计SBEⅠgRNA 4、引导学生结合资料第三段，设计一个可以编码SBEⅠgRNA的DNA片段 提出要求（①可以重组到载体上②编码SBEⅠgRNA的基因能够正常表达）并介绍所给质粒。 分析、讨论并分享。完成对可编码SBEⅠgRNA的DNA片段的设计。 引导学生运用资料、并通过讨论设计DNA片段，从而进一步理解gRNA的结构以及复习运用学过的基因工程相关知识。
基因表达载体的构建及导入受体细胞 5、通过问题引导学生回忆基因表达载体的构建的过程。 基因表达载体的构建需要应用哪两种工具酶？ 如何从导入DNA混合物的受体菌中筛选出导入重组质粒的受体菌？ 展示：PCR电泳图像，让学生分析结果。 6、通过问题引导学生思考将目的基因导入受体细胞的方法。 依据使用的载体用什么方法将目的基因导入受体细胞中？ 导入的受体细胞是谁的细胞？可以使用什么细胞？ 回忆所学的基因工程基本操作的知识，运用知识解决真实情景中的问题。 引导学生分析、思考运用学过的知识解决实际问题，加深对基因工程基本操作的知识理解。
检测导入水稻细胞中的CRISPR/Cas9系统的效果 7、引导学生分析思考检测导入水稻细胞中的CRISPR/Cas9系统效果的方法。 什么体现了CRISPR/Cas9系统的效果？ 可以从什么层面进行效果检测？ Cas9会切割双链DNA的特定部位和DNA产生突变的部位有什么关系？ 如何从分子层面检验SBE基因有无发生突变？ 展示：真实研究中的检测数据，并让学生分析并得出结论。 思考、讨论设计检测导入水稻细胞的CRISPR/Cas9系统诱发SBE基因突变的方法。分析数据得出结论。 引导学生分析、思考、设计检验CRISPR/Cas9系统效果的方法。锻炼学生分析数据得出结论的能力。
对CRISPR/Cas技术的展望 8、介绍CRISPR/Cas9其他方面的应用 最后介绍如果改变Cas9酶的切割作用，CRISPR/Cas系统还可以发展出其他方面的应用如单碱基编辑技术、活体成像技术，介绍原理。 布置课后作业：让学生去查找CRISPR/Cas系统的其他应用。 思考、理解 引导学生关注CRISPR/Cas技术的应用，锻炼学生查找资料和发散思维的能力。
四、板书设计
培育培育高抗性淀粉水稻 ——利用CRISPR/Cas9 gRNA+含有Cas9基因的Ti质粒 构建基因表达载体 农杆菌 导入受体细胞 检测CRISPR/Cas9的效果：酶切、测序 检测淀粉含量
五、学习资料
资料：
1987年，科学家发现大肠杆菌基因组DNA中有一些重复结构：一段29个碱基的序列反复出现了多次，两两之间都被32个碱基形成的看似无规律的间隔序列隔开，这种重复结构被命名为CRISPR（图1）。进一步研究发现，多种细菌均有CRISPR结构，且很多间隔序列与入侵细菌的一些噬菌体基因组序列一致。法国科学家在2007年证明了CRISPR-Cas9是一种细菌获得性免疫系统，细菌通过对入侵的外源 DNA 进行特异性识别，利用Cas9对外源DNA进行剪切，从而达到对自身的免疫作用。Cas9对DNA的特异性识别需要依赖一种特殊的RNA——guide RNA(gRNA)（图2）。
如图3所示，在细菌中gRNA由两部分组成，一部分是CRISPR序列中的一段间隔序列与部分重复序列转录形成的crRNA，它可以与外源DNA上的靶序列互补配对，还可以和gRNA的另一部分具有支架功能的trans activating crRNA （tracrRNA)部分碱基互补配对从而形成具有部分双链结构的gRNA，在细胞内gRNA与Cas9蛋白结合形成Cas9复合体。
根据细菌中gRNA的生成过程，科学家成功优化设计出可以在其他生物中定向切割某一目标基因的人工构建编码gRNA基因的方法，由人工设计的Cas9结合所必需的支架序列(gRNA scaffold)以及约20个核苷酸的靶点序列（Target）组成，转录后的gRNA既可以与Cas9蛋白结合又可以识别靶点序列，从而对某个特定基因进行切割。
科学家基于此，构建了对DNA序列进行定点切割的CRISPR/Cas9基因编辑技术，并将其广泛应用于各种生物中。将编码Cas9蛋白和gRNA的基因作为目的基因，构建基因表达载体后导入受体细胞，可对细胞内某个基因定点切割，形成DNA的双链断裂，通常情况下，会触发细胞高效的非同源末端连接方式，从而导致碱基插入或缺失，引发被切割部位的.