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（共39张ppt)
文档属性
| 名称 | 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（共39张ppt) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 7.7MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-10-20 22:36:22 | ||
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文档简介
(共39张PPT)
基因工程操作的基本程序
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。你知道转基因抗虫棉的机制是什么吗？培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤？
1. 幼虫摄食Cry蛋白
2. （碱性）肠道内，Cry蛋白分解产生Cry毒素，毒素与肠上皮细胞上的受体结合
Cry毒素
3.毒素结合导致肠道破坏，细菌和Bt 孢子进入体内，幼虫停止进食被饿死
Bt（苏云金芽孢杆菌）抗虫蛋白能赋予棉花抗虫性
Cry蛋白
Bt孢子
Cry蛋白属于Bt（苏云金芽孢杆菌）伴胞晶体蛋白（Bt抗虫蛋白），能杀死棉铃虫等害虫，且Bt抗虫蛋白对人无毒，相对安全。因此可将Bt基因作为抗虫棉育种的目的基因。
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
基因工程的基本操作程序
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
第一步
第二步
第三步
第四步
目的基因的检测与鉴定
目的基因的筛选与获取
第
一
步
一、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.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。（Bt基因：转基因抗虫棉）
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。
基因结构：
原核细胞的基因结构
真核细胞的基因结构
补充知识：基因结构：
编码区：编码蛋白质的合成
非编码区
非编码区
启动子：RNA聚合酶的识别和结合位点 开始转录
编码区
原核生物基因
终止子：终止转录
非编码区：
组成：编码区上游与编码区下游
功能：不能编码蛋白质，调控遗传信息的表达
启动子：RNA聚合酶结合位点 转录起始的信号
终止子：终止RNA的合成
加 工
转 录
mRNA前体
成熟mRNA
真核细胞的基因
非编码区
非编码区
编码区
与RNA聚合酶结合位点
外显子
内含子
1
2
3
4
5
启动子
终止子
编码区：
非编码区：
外显子：
内含子：
能编码蛋白质的序列
不能编码蛋白质的序列
不编码蛋白质,能调控遗传信息表达
原核细胞与真核细胞的基因结构比较
原核细胞 真核细胞
不同点 编码区是_______的 编码区是间隔的、________的
相同点 都由能够编码蛋白质的________和具有调控作用的________区组成的
1、非编码序列：
包括非编码区和内含子
2、编码相同数目氨基酸的蛋白质，原核细胞与真核细胞基因
结构一样长吗？
连续
不连续
编码区
非编码
注意
思考
（一）从基因文库中获取；
（二）人工合成
（三）利用PCR技术获取和扩增；
二、筛选合适的目的基因
三、目的基因获取方法
（一）从基因文库中获取目的基因
将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入到受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因，称为基因文库。
基因组文库
部分基因文库
（包含一种生物的所有基因）
（cDNA文库）
（包含一种生物的一部分基因）
三、目的基因获取方法
1
基因文库概念
2
基因文库类型
提取某种生物的全部DNA
多个一定大小的DNA片段
将DNA片段与载体连接，导入受体菌中储存
用适当的限制酶切割
基因组文库
构建
3
基因组文库的构建
某种生物的单链mRNA
单链互补DNA
双链cDNA片段
导入受体菌中储存
与载体连接
cDNA文库
逆转录酶催化
DNA聚合酶催化
部分基因文库（如cDNA文库）构建
构建
某生物体内全部DNA
许多DNA片段
受体菌群体
限制酶
与运载体连接导入
基因组文库
某种生物某个时期的mRNA
cDNA
反转录
受体菌群体
与运载体连接导入
部分基因文库（cDNA文库）
基因文库的构建过程
文库类型 cDNA文库 基因组文库
文库大小
基因中启动子
基因中内含子
基因多少
物种间基因交流
小
大
无
有
无
有
某种生物的部分基因
某种生物的全部基因
可以
部分基因可以
4
基因组文库和部分基因文库的比较
PCR是聚合酶链式反应的缩写。它是一项根据DNA半保留复制的原理，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。
DNA复制所需的基本条件
参与的组分 在DNA复制中的作用
解旋酶（体外用高温代替） 打开DNA双链
DNA两条母链 提供DNA复制的模板
4种脱氧核苷酸 合成DNA子链的原料
DNA聚合酶 催化合成DNA子链
与两条母链结合的2种引物 使DNA聚合酶能够从引物3′端开始连接脱氧核苷酸
以指数方式扩增，即____（n为扩增循环的次数）
2n
（二）利用PCR获取和扩增目的基因
1
概念
2
条件
3
扩增方式：
4
扩增过程：
4
扩增过程：
PCR扩增的计算：
（1）若开始只有一个DNA提供模板，则循环n次后获得的子代DNA数目为 个。
（2）若开始有N0个DNA提供模板，则循环n次后获得的子代DNA数目为 个。
2n
N0 2n
DNA复制 PCR技术
场所
解旋方式
酶
PCR技术扩增与DNA复制的比较
高温
解旋酶
体外复制
主要在细胞核内
热稳定的DNA聚合酶
细胞内的DNA聚合酶
DNA模板，四种脱氧核苷酸，分别与两条模板链相结合的两种引物，耐高温的DNA聚合酶
3) PCR和细胞内复制的不同点
PCR过程需要的引物不是RNA，而是人工合成的DNA单链，其长度通常为20－30个脱氧核苷酸
1） DNA聚合酶特性
不能从头合成DNA，只有当引物与DNA母链通过碱基互补配对结合后， DNA聚合酶才能从引物的3′端开始延伸DNA链， DNA的合成方向总是从子链的5′端向3′端延伸
2) 缓冲液需要为PCR反应提供的物质
5
关于PCR的几点说明：
PCR技术 DNA复制
相同点 原则
原料
条件
不同点 解旋方式
场所
酶
结果
碱基互补配对
四种脱氧核苷酸
模板、能量、酶
DNA在高温下变性解旋
解旋酶催化
体外复制
细胞内（主要在细胞核内）
耐高温的DNA聚合酶
解旋酶、DNA聚合酶
大量的DNA片段
形成整个DNA分子
6
PCR技术与DNA复制过程比较
关于公司
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基因表达载体的构建
第
二步
一、基因表达载体的目的
1、使目的基因在受体细胞中稳定存在，且可以遗传给下一代；
2、使目的基因能够表达和发挥作用。
a、目的基因
b、启动子
c、终止子
d、标记基因
e、复制原点
二、基因表达载体的组成
三、基因表达载体有关概念
位于基因首端的一段特殊的DNA片断，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA。
1、启动子：
是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将有目的基因的细胞筛选出来。
终止子是位于基因尾端的一段特殊的DNA片断，能终止mRNA的转录。
2、终止子：
3、标记基因：
基因表达载体自我复制起始的一段序列。
4、复制原点：
载体≠表达载体的区别：二者都有标记基因和复制原点两部分DNA片段。表达载体在载体基础上增加了目的基因、启动子、终止子三部分结构。
启动子 终止子 起始密码子
终止密码子
位置
作用
DNA
mRNA
转录
翻译
载体
（质粒）
DNA分子
（含目的基因）
限制酶处理
带有黏性末端切口
带有相同黏性末端的目的基因片段
DNA连接酶
重组DNA分子（重组质粒）
同一种
四、基因表达载体构建过程
思考 用DNA连接酶处理后会出现几种产物？
如何避免质粒的自我环化和目的基因反向连接的问题？
质粒
目的基因
将同一种限制酶切割获得的目的基因和质粒混合后加DNA连接酶会出现的连接方式有：
故实际应用中往往选择2种不同的限制酶分别切割，减少自连情况出现；应用标记基因对重组DNA进行筛选。
质粒
目的基因
自连
片段间的连接
目的基因自连
质粒自连
目的基因与质粒连接
目的基因与目的基因连接
质粒与质粒连接
第三步：将目的基因导入受体细胞
将目的基因导入受体细胞的方法，因为受体细胞的不同而有所区别
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
花粉管
花粉
外源DNA
花粉管
子房
胚珠
导入植物细胞（植物细胞转化方法）：
花粉通道法
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
农杆菌转化法
Ti质粒
T-DNA
目的基因
构建表达载体
含目的基因的Ti质粒
转入农杆菌
含重组Ti质粒的农杆菌
导入植物细胞
表现新性状的植物
植物细胞
染色体DNA
植物叶片切下与农杆菌共培养，然后筛选转化细胞，或将花序培养在农杆菌溶液中，获得种子，然后筛选、鉴定
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
导入动物细胞（动物细胞转化方法） ：
常用显微注射法将目的基因注入受精卵
导入细菌（细菌转化方法）
一般用Ca2+处理使大肠杆菌处于一种易于吸收周围环境中DNA分子的生理状态（感受态），然后将重组的基因表达载体导入其中
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
分子水平的检测
基因是否插入染色体DNA（存在）
第四步：目的基因的检测与鉴定
非转基因棉花
转基因抗虫棉
阴性对照
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
PCR
基因是否转录
Bt
M3
C0
T-9
T-2
T-51
T-5
T-23
T-11
T-20
T-21
T-34
T-10
RT-PCR
10个PCR阳性棉花植株中，有四株Bt基因发生转录
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
基因是否翻译为蛋白质
Bt抗虫蛋白
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
个体生物学水平的鉴定
接种棉铃虫观察性状表现，或采摘抗虫棉的叶子饲喂棉铃虫，观察抗虫效果
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
获取质粒、噬菌体等载体
筛选和获得目的基因
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
总结
转基因抗虫棉在世界范围被广泛种植，有效控制了棉铃虫的种群数量，显著减少了农药的用量。面对棉铃虫的危害，有了抗虫棉是否就可以一劳永逸、高枕无忧呢？根据棉铃虫对传统农药产生抗性的发展历史，科研人员推测棉铃虫中存在对Bt抗虫蛋白产生抗性的可能。请你查阅资料，了解以下问题：
1．在实际种植过程中，棉铃虫是否对转Bt基因的抗虫棉产生了严重的抗性？证据是什么？
2．科研工作者在发现棉铃虫出现抗性之前，就应该想办法应对。他们想出的延缓棉铃虫对Bt抗虫蛋白产生抗性的措施有哪些？这些措施的原理是什么？有效吗？
思考
基因工程操作的基本程序
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。你知道转基因抗虫棉的机制是什么吗？培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤？
1. 幼虫摄食Cry蛋白
2. （碱性）肠道内，Cry蛋白分解产生Cry毒素，毒素与肠上皮细胞上的受体结合
Cry毒素
3.毒素结合导致肠道破坏，细菌和Bt 孢子进入体内，幼虫停止进食被饿死
Bt（苏云金芽孢杆菌）抗虫蛋白能赋予棉花抗虫性
Cry蛋白
Bt孢子
Cry蛋白属于Bt（苏云金芽孢杆菌）伴胞晶体蛋白（Bt抗虫蛋白），能杀死棉铃虫等害虫，且Bt抗虫蛋白对人无毒，相对安全。因此可将Bt基因作为抗虫棉育种的目的基因。
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
基因工程的基本操作程序
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
第一步
第二步
第三步
第四步
目的基因的检测与鉴定
目的基因的筛选与获取
第
一
步
一、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.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。（Bt基因：转基因抗虫棉）
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。
基因结构：
原核细胞的基因结构
真核细胞的基因结构
补充知识：基因结构：
编码区：编码蛋白质的合成
非编码区
非编码区
启动子：RNA聚合酶的识别和结合位点 开始转录
编码区
原核生物基因
终止子：终止转录
非编码区：
组成：编码区上游与编码区下游
功能：不能编码蛋白质，调控遗传信息的表达
启动子：RNA聚合酶结合位点 转录起始的信号
终止子：终止RNA的合成
加 工
转 录
mRNA前体
成熟mRNA
真核细胞的基因
非编码区
非编码区
编码区
与RNA聚合酶结合位点
外显子
内含子
1
2
3
4
5
启动子
终止子
编码区：
非编码区：
外显子：
内含子：
能编码蛋白质的序列
不能编码蛋白质的序列
不编码蛋白质,能调控遗传信息表达
原核细胞与真核细胞的基因结构比较
原核细胞 真核细胞
不同点 编码区是_______的 编码区是间隔的、________的
相同点 都由能够编码蛋白质的________和具有调控作用的________区组成的
1、非编码序列：
包括非编码区和内含子
2、编码相同数目氨基酸的蛋白质，原核细胞与真核细胞基因
结构一样长吗？
连续
不连续
编码区
非编码
注意
思考
（一）从基因文库中获取；
（二）人工合成
（三）利用PCR技术获取和扩增；
二、筛选合适的目的基因
三、目的基因获取方法
（一）从基因文库中获取目的基因
将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入到受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同基因，称为基因文库。
基因组文库
部分基因文库
（包含一种生物的所有基因）
（cDNA文库）
（包含一种生物的一部分基因）
三、目的基因获取方法
1
基因文库概念
2
基因文库类型
提取某种生物的全部DNA
多个一定大小的DNA片段
将DNA片段与载体连接，导入受体菌中储存
用适当的限制酶切割
基因组文库
构建
3
基因组文库的构建
某种生物的单链mRNA
单链互补DNA
双链cDNA片段
导入受体菌中储存
与载体连接
cDNA文库
逆转录酶催化
DNA聚合酶催化
部分基因文库（如cDNA文库）构建
构建
某生物体内全部DNA
许多DNA片段
受体菌群体
限制酶
与运载体连接导入
基因组文库
某种生物某个时期的mRNA
cDNA
反转录
受体菌群体
与运载体连接导入
部分基因文库（cDNA文库）
基因文库的构建过程
文库类型 cDNA文库 基因组文库
文库大小
基因中启动子
基因中内含子
基因多少
物种间基因交流
小
大
无
有
无
有
某种生物的部分基因
某种生物的全部基因
可以
部分基因可以
4
基因组文库和部分基因文库的比较
PCR是聚合酶链式反应的缩写。它是一项根据DNA半保留复制的原理，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。
DNA复制所需的基本条件
参与的组分 在DNA复制中的作用
解旋酶（体外用高温代替） 打开DNA双链
DNA两条母链 提供DNA复制的模板
4种脱氧核苷酸 合成DNA子链的原料
DNA聚合酶 催化合成DNA子链
与两条母链结合的2种引物 使DNA聚合酶能够从引物3′端开始连接脱氧核苷酸
以指数方式扩增，即____（n为扩增循环的次数）
2n
（二）利用PCR获取和扩增目的基因
1
概念
2
条件
3
扩增方式：
4
扩增过程：
4
扩增过程：
PCR扩增的计算：
（1）若开始只有一个DNA提供模板，则循环n次后获得的子代DNA数目为 个。
（2）若开始有N0个DNA提供模板，则循环n次后获得的子代DNA数目为 个。
2n
N0 2n
DNA复制 PCR技术
场所
解旋方式
酶
PCR技术扩增与DNA复制的比较
高温
解旋酶
体外复制
主要在细胞核内
热稳定的DNA聚合酶
细胞内的DNA聚合酶
DNA模板，四种脱氧核苷酸，分别与两条模板链相结合的两种引物，耐高温的DNA聚合酶
3) PCR和细胞内复制的不同点
PCR过程需要的引物不是RNA，而是人工合成的DNA单链，其长度通常为20－30个脱氧核苷酸
1） DNA聚合酶特性
不能从头合成DNA，只有当引物与DNA母链通过碱基互补配对结合后， DNA聚合酶才能从引物的3′端开始延伸DNA链， DNA的合成方向总是从子链的5′端向3′端延伸
2) 缓冲液需要为PCR反应提供的物质
5
关于PCR的几点说明：
PCR技术 DNA复制
相同点 原则
原料
条件
不同点 解旋方式
场所
酶
结果
碱基互补配对
四种脱氧核苷酸
模板、能量、酶
DNA在高温下变性解旋
解旋酶催化
体外复制
细胞内（主要在细胞核内）
耐高温的DNA聚合酶
解旋酶、DNA聚合酶
大量的DNA片段
形成整个DNA分子
6
PCR技术与DNA复制过程比较
关于公司
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基因表达载体的构建
第
二步
一、基因表达载体的目的
1、使目的基因在受体细胞中稳定存在，且可以遗传给下一代；
2、使目的基因能够表达和发挥作用。
a、目的基因
b、启动子
c、终止子
d、标记基因
e、复制原点
二、基因表达载体的组成
三、基因表达载体有关概念
位于基因首端的一段特殊的DNA片断，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA。
1、启动子：
是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将有目的基因的细胞筛选出来。
终止子是位于基因尾端的一段特殊的DNA片断，能终止mRNA的转录。
2、终止子：
3、标记基因：
基因表达载体自我复制起始的一段序列。
4、复制原点：
载体≠表达载体的区别：二者都有标记基因和复制原点两部分DNA片段。表达载体在载体基础上增加了目的基因、启动子、终止子三部分结构。
启动子 终止子 起始密码子
终止密码子
位置
作用
DNA
mRNA
转录
翻译
载体
（质粒）
DNA分子
（含目的基因）
限制酶处理
带有黏性末端切口
带有相同黏性末端的目的基因片段
DNA连接酶
重组DNA分子（重组质粒）
同一种
四、基因表达载体构建过程
思考 用DNA连接酶处理后会出现几种产物？
如何避免质粒的自我环化和目的基因反向连接的问题？
质粒
目的基因
将同一种限制酶切割获得的目的基因和质粒混合后加DNA连接酶会出现的连接方式有：
故实际应用中往往选择2种不同的限制酶分别切割，减少自连情况出现；应用标记基因对重组DNA进行筛选。
质粒
目的基因
自连
片段间的连接
目的基因自连
质粒自连
目的基因与质粒连接
目的基因与目的基因连接
质粒与质粒连接
第三步：将目的基因导入受体细胞
将目的基因导入受体细胞的方法，因为受体细胞的不同而有所区别
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
花粉管
花粉
外源DNA
花粉管
子房
胚珠
导入植物细胞（植物细胞转化方法）：
花粉通道法
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
农杆菌转化法
Ti质粒
T-DNA
目的基因
构建表达载体
含目的基因的Ti质粒
转入农杆菌
含重组Ti质粒的农杆菌
导入植物细胞
表现新性状的植物
植物细胞
染色体DNA
植物叶片切下与农杆菌共培养，然后筛选转化细胞，或将花序培养在农杆菌溶液中，获得种子，然后筛选、鉴定
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
导入动物细胞（动物细胞转化方法） ：
常用显微注射法将目的基因注入受精卵
导入细菌（细菌转化方法）
一般用Ca2+处理使大肠杆菌处于一种易于吸收周围环境中DNA分子的生理状态（感受态），然后将重组的基因表达载体导入其中
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
分子水平的检测
基因是否插入染色体DNA（存在）
第四步：目的基因的检测与鉴定
非转基因棉花
转基因抗虫棉
阴性对照
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
PCR
基因是否转录
Bt
M3
C0
T-9
T-2
T-51
T-5
T-23
T-11
T-20
T-21
T-34
T-10
RT-PCR
10个PCR阳性棉花植株中，有四株Bt基因发生转录
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
基因是否翻译为蛋白质
Bt抗虫蛋白
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
个体生物学水平的鉴定
接种棉铃虫观察性状表现，或采摘抗虫棉的叶子饲喂棉铃虫，观察抗虫效果
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
获取质粒、噬菌体等载体
筛选和获得目的基因
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
总结
转基因抗虫棉在世界范围被广泛种植，有效控制了棉铃虫的种群数量，显著减少了农药的用量。面对棉铃虫的危害，有了抗虫棉是否就可以一劳永逸、高枕无忧呢？根据棉铃虫对传统农药产生抗性的发展历史，科研人员推测棉铃虫中存在对Bt抗虫蛋白产生抗性的可能。请你查阅资料，了解以下问题：
1．在实际种植过程中，棉铃虫是否对转Bt基因的抗虫棉产生了严重的抗性？证据是什么？
2．科研工作者在发现棉铃虫出现抗性之前，就应该想办法应对。他们想出的延缓棉铃虫对Bt抗虫蛋白产生抗性的措施有哪些？这些措施的原理是什么？有效吗？
思考