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第3章 基因工程
第3节 基因工程的应用
课标内容要求
核心素养对接
必备知识·自主预习储备
01
抗虫功能
病毒、真菌等
降解或抵抗某种除草剂
某种必需氨基酸含量多的蛋白质
外源生长激素
肠乳糖酶
基因改造
药用蛋白
启动子
显微注射
分泌乳汁
调节因子
抗原决定
抗原决定
克隆
免疫排斥
酶
氨基酸
维生素
工业发酵
×
√
×
×
√
关键能力·重难探究达成
02
核心点
应用创新·问题情境探究
03
学习效果·随堂评估自测
04
点击右图进入…
课
时
分
层
作
业
谢谢观看 THANK YOU!
W
浅仰芹
我仰
h
团结守纪勤学春
转基因抗虫植物
转基因抗病植物
基因工程在农牧业
转基因抗除草剂植物
基
方面的应用
改良植物的品质
提高动物的生长速率
因工程的应
改善畜产品的品质
利用工程菌或转基
基因工程在医药卫
因植物生产药物
生领域的应用
利用乳腺生物反应
闸
器生产药物
基因工程在食品工
业方面的应用第3节 基因工程的应用
举例说明基因工程在农业、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。 1．科学思维——基于基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业应用的实例说明基因工程给社会带来的巨大进步。2．社会责任——基于基因工程在各方面发展的前景，理性看待基因工程的安全性。
一、基因工程在农牧业方面的应用
1．转基因抗虫植物
(1)技术方法：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物。
(2)实例：转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
2．转基因抗病植物
(1)技术方法：将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物。
(2)实例：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
3．转基因抗除草剂植物
(1)技术方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的作物品种。
(2)实例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
4．改良植物的品质
(1)技术方法：将某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量。
(2)实例：转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。
5．提高动物的生长速率
(1)技术方法：将外源生长激素基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。
(2)实例：转基因鲤鱼。
6．改善畜产品的品质
(1)技术方法：将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组。
(2)实例：乳汁中乳糖含量大大降低的转基因奶牛。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
1．技术方法
(1)对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物。
(2)利用乳腺生物反应器生产药物：将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中，培育出的转基因动物通过分泌乳汁来生产所需要的药物。
(3)培育移植器官：在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官。
2．实例
重组人干扰素、促红细胞生成素、抗凝血酶、血清白蛋白等。
三、基因工程在食品工业方面的应用
1．技术方法
利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。例如将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。
2．实例
淀粉酶、脂肪酶、天冬氨酸和苯丙氨酸。
野外种植转基因抗A害虫植物的同时，还种植一定量的同种不抗虫植物，可降低抗性害虫在整个害虫种群中所占比例的增加速率。试分析其中的原因。
提示：种植一定量的同种不抗虫植物，对抗性害虫的选择作用减弱。
(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．农业害虫不会对转基因抗虫作物产生抗性。 (×)
提示：害虫仍会对抗虫作物产生抗性。
2．培育转基因抗病植物的目的基因主要来源于病毒、真菌。 (√)
3．基因工程中，要培育转基因植物和动物，选用的受体细胞都是受精卵。 (×)
提示：培育转基因动物时，所选用的受体细胞一般是受精卵；培育转基因植物时，所选用的受体细胞可以是受精卵，也可以是体细胞。
4．利用工程菌可生产人的胰岛素等某些激素。 (√)
5．乳腺生物反应器就是把药用蛋白基因导入动物的乳腺细胞中。 (×)
提示：应是把药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射法导入哺乳动物的受精卵中。
利用乳腺生物反应器和工程菌生产药物
1．乳腺生物反应器的操作过程
2．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别
比较内容 乳腺生物反应器 工程菌
含义 指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白 指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系
受体基因结构与人类基因结构差异 动物基因结构与人类的基因结构基本相同 细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异
基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白质相同 细菌合成的药物蛋白可能没有活性
受体细胞 动物受精卵 微生物细胞
目的基因导入方式 显微注射法 感受态细胞法
生产条件 不需严格灭菌；温度等外界条件对其影响不大 需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其培养液中提取
生产设备 畜牧业生产、提取设备 发酵生产、提取设备
1．为了生产药物，常把药用蛋白基因构建的表达载体导入大肠杆菌或酵母菌细胞中构建工程菌，选用细菌或酵母菌作为受体细胞的优点有哪些？
提示：细菌和酵母菌繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对少，生产能力大等。
2．继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了成功。科学家培育出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。在研制膀胱生物反应器时，应使药用蛋白基因在什么细胞中特异表达？它与乳腺生物反应器有什么相同和不同点？
提示：应使药用蛋白基因在膀胱上皮细胞中特异表达。相同点是收集药用蛋白较容易，且不会对动物造成伤害。不同点是乳腺生物反应器必须是处于生殖期的雌性动物才可生产药用蛋白，而膀胱生物反应器则是任何生长期的雌雄动物均可生产。
1．tPA是机体在凝血平衡调节中发挥关键性作用的蛋白质，如图是利用奶牛乳腺生产tPA的图解，请据图回答下列问题。
(1)要使tPA基因在奶牛的乳腺细胞中特异性表达，需将其与_____________等调控元件重组在一起。
(2)乳腺生物反应器生产医用人体蛋白比工程菌有优势，是由于乳腺细胞有较强的________能力，省去了从工程菌细胞内提取时的破壁、分离等程序，大大降低了成本。
[解析] (1)要使tPA基因在奶牛的乳腺细胞中特异性表达，需将其与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起。(2)乳腺细胞有较强的分泌能力，使得乳腺生物反应器生产医用人体蛋白比工程菌有优势。
[答案] (1)乳腺中特异表达的基因的启动子
(2)分泌
2．人血清白蛋白(HSA)具有重要的医用价值，只能从人血浆中制备。如图是以基因工程技术获取重组HSA(rHSA)的两条途径。
(1)为获取HSA基因，首先需采集人的血液，提取__________合成总cDNA，然后以cDNA为模板，使用PCR技术扩增HSA基因。如图中箭头表示一条引物结合模板的位置及扩增方向，请用箭头在方框内标出另一条引物的位置及扩增方向。
(2)启动子通常具有物种及组织特异性，构建在水稻胚乳细胞内特异表达rHSA的载体，需要选择的启动子是________(填写字母，单选)。
A．人血细胞启动子
B．水稻胚乳细胞启动子
C．大肠杆菌启动子
D．农杆菌启动子
(3)人体合成的初始HSA多肽，需要经过膜系统加工形成正确空间结构才有活性。与途径Ⅱ相比，选择途径Ⅰ获取rHSA的优势是_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(4)为证明rHSA具有医用价值，须确认rHSA与_________的生物学功能一致。
[解析] (1)要想合成总cDNA，需要采集人的血液获得总RNA。由于DNA的复制只能从脱氧核苷酸单链的5′端向3′端延伸，因而引物均应结合在DNA单链的3′端，而DNA的两条链反向平行，由此可以确定引物在另一条脱氧核苷酸单链的位置和方向。(2)若要从水稻胚乳细胞内获得目的产物，需要控制该目的基因只在水稻胚乳细胞内表达。由题干中的信息“启动子通常具有物种及组织特异性”可知，此处需要选择水稻胚乳细胞启动子。(3)途径Ⅰ和Ⅱ的主要区别是途径Ⅰ的受体细胞是真核细胞，途径Ⅱ的受体细胞是原核细胞。由于人体合成的初始HSA多肽需要经过膜系统加工形成正确的空间结构才有生物活性，所以选择途径Ⅰ获取rHSA更具有优势。(4)rHSA是基因工程的产物，为判断其是否具有医用价值，还需要在个体水平上进一步确认其与HAS的生物学功能是否一致。
[答案] (1)总RNA(或mRNA)
(2)B (3)水稻是真核生物，具有膜系统，能对初始rHSA多肽进行高效加工 (4)HAS
矮牵牛花瓣紫色的深浅由花青素的含量高低决定，花青素由查耳酮合酶(CHS)催化合成。为获得紫色更深的矮牵牛，科研人员将CHS基因导入野生型紫花矮牵牛叶肉细胞中，得到的转基因植物花色反而出现了浅紫色。检测CHS基因的转录水平，得到了如图所示的电泳图谱(2道和3道分别表示野生型和转基因植株)。
本示例考查演绎与推理和归纳与概括的科学思维及对实验结果交流和讨论的能力。
请根据实验结果从内源CHS基因和外源CHS基因表达水平分析转基因牵牛花花色变浅的原因。(科学思维)
提示：由于外源CHS基因的导入，造成内源CHS基因的表达被抑制，导致外源CHS基因和内源CHS基因的综合表达量没有野生型的内源CHS基因表达量高。
[课堂小结]
知 识 网 络 构 建 要 点 强 化 识 记
结论语句(1)将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育转基因抗病植物。(2)将外源生长激素基因导入鲤鱼，可提高鲤鱼的生长速度。(3)将药用蛋白基因导入大肠杆菌或酵母菌构建工程菌可生产药物。(4)将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组成表达载体导入哺乳动物的受精卵中可构建乳腺生物反应器。(5)在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官。
1．抗病毒转基因植物成功表达后，以下说法正确的是( )
A．抗病毒转基因植物可以抵抗所有病毒
B．抗病毒转基因植物对病毒的抗性具有局限性或特异性
C．抗病毒转基因植物可以抗害虫
D．抗病毒转基因植物可以稳定遗传，不会变异
B [由于外源抗病毒基因具有特异性，因而其表达产物具有特异性或局限性，只能抵抗某种或某类病毒，不可能抵抗所有病毒，更不能抗害虫。目的基因导入受体细胞后，可以随受体内的自身遗传物质稳定遗传，也会同自身遗传物质一样发生变异。]
2．下列有关乳腺生物反应器的叙述错误的是( )
A．动物基因结构与人类基因结构相同
B．乳腺生物反应器生产的药物是自然界没有的
C．可从具有目的基因的转基因雌性动物乳汁中提取药物
D．乳腺生物反应器是转基因技术在医药卫生领域的应用
B [乳腺生物反应器生产的药物在自然界中可以找到，只不过在转基因动物体内更容易提取到较大量的药物。]
3．应用基因工程的方法，可将酵母菌制造成“工程菌”，用于生产乙肝疫苗，在制造该“工程菌”时，应向酵母菌中导入( )
A．乙肝病毒的表面抗原
B．抗乙肝病毒抗体的基因
C．抗乙肝病毒的抗体
D．乙肝病毒的表面抗原的基因
D [利用基因工程生产乙肝疫苗时，应该向酵母菌中导入乙肝病毒的表面抗原基因。]
4．下列不属于基因工程成果的是( )
A．乳腺生物反应器生产药用蛋白
B．从大肠杆菌体内获得白细胞介素
C．从大肠杆菌体内获得生长激素
D．用高产青霉菌生产青霉素
D [乳腺生物反应器是用转基因动物生产药物，属于基因工程成果，A错误；从大肠杆菌体内获得白细胞介素及从大肠杆菌体内获得生长激素都是将相关基因转入大肠杆菌，从而得到的基因工程药物，属于基因工程成果，B、C错误；用高产青霉菌生产青霉素是利用基因突变的原理进行的诱变育种，不属于基因工程的范畴，D正确。]
5．糖尿病已经成为危害人类健康的严重疾病之一，注射胰岛素是目前治疗糖尿病最为有效的途径和手段。如何生产优质而不昂贵的人胰岛素，是当下医药界急需攻克的科学难题。如图为利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图，请回答下列问题。
(1)在基因表达载体中，________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。
(2)图中细胞1是________细胞。过程②必需的酶是________。过程③④⑤为利用________技术扩增目的基因，此过程必需的酶是________。过程③断开的是________键，在体外进行PCR操作时，实现该过程的处理方法是________。能否利用人的皮肤细胞来完成过程①，为什么？___________________________
____________________________________________________________________。
(3)为便于重组DNA的鉴定和选择，图中C的组成必须有________；为使过程⑧更易进行，可用__________处理大肠杆菌。
(4)过程⑩得到的人胰岛素需要体外加工才具有生物活性，原因是大肠杆菌____________________________。
[解析] (1)启动子是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。(2)图中过程①为胰岛素基因转录出mRNA，过程②为胰岛素mRNA经逆转录获得目的基因，过程③④⑤为利用PCR技术扩增目的基因，过程⑥为用限制酶切割载体，过程⑦为目的基因与载体结合构建基因表达载体，过程⑧为将目的基因导入受体细胞。逆转录过程需要逆转录酶，利用PCR技术扩增DNA需要耐高温的DNA聚合酶，即Taq酶。过程③断开的是DNA两条链间的氢键，在体外进行PCR操作时，实现该过程的处理方法为加热至90 ℃以上。(3)图中B为质粒，其实质为DNA，基本组成单位为4种脱氧核苷酸。构建的基因表达载体中必须有标记基因，以利于重组DNA的鉴定和选择。将目的基因导入大肠杆菌最常用的转化方法是Ca2＋处理法，用Ca2＋处理可使大肠杆菌细胞处于能够吸收周围环境中DNA分子的生理状态。(4)大肠杆菌细胞内没有内质网和高尔基体，不能将肽链加工成为有活性的人胰岛素。
[答案] (1)启动子 (2)(人)胰岛B 逆转录酶 PCR Taq酶(或耐高温的DNA聚合酶) 氢 加热至90 ℃以上 不能。皮肤细胞中的胰岛素基因不表达，不能形成胰岛素mRNA (3)标记基因 Ca2＋ (4)没有内质网和高尔基体，不能对蛋白质进行加工课时分层作业(14) 基因工程的应用
题组一 基因工程在农牧业方面的应用
1．我国转基因抗虫棉是在棉花细胞中转入Bt基因培育出来的，它对棉铃虫具有较强的抗性。下列叙述错误的是( )
A．Bt基因是从苏云金杆菌中分离的
B．Bt基因可借助花粉管通道进入棉花细胞中
C．培育的转基因棉花植株需要做抗虫的接种实验
D．用DNA聚合酶连接经切割的Bt基因和载体
D [Bt基因是从苏云金杆菌中分离出来的抗虫基因；Bt基因可借助花粉管通道进入棉花细胞中；培育的转基因棉花植株需要做抗虫的接种实验，以在个体水平检测目的基因的表达；切割得到的Bt基因和载体的连接是靠DNA连接酶来完成的。]
2．下列有关转基因植物的说法错误的是( )
A．科学家可以利用一些调节细胞渗透压的基因来提高作物的抗盐碱和抗旱的能力
B．由于抗虫棉可以抵抗一切危害棉花植株的害虫，所以抗虫棉已经推广应用
C．科学家往往将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，以提高农作物的营养价值
D．引起植物生病的病原微生物，主要有病毒、真菌和细菌等
B [由于盐碱和干旱对农作物的危害与细胞内渗透压的调节有关，所以目前科学家正在利用调节细胞渗透压的基因来提高农作物的抗盐碱和抗干旱的能力；转基因抗虫棉只是对棉铃虫有较强的抗性，并不是针对所有害虫；人体自身不能合成必需氨基酸，所以在改良植物品质上科学家更重视提高必需氨基酸的含量。]
3．科学家构建了含有大洋鳕鱼抗冻蛋白基因启动子和大鳞鲑鱼生长激素基因的表达载体，并将其导入了大西洋鲑的细胞中，获得了生长速度加快的转基因大西洋鲑。下列相关叙述正确的是( )
A．转基因大西洋鲑体内抗冻蛋白明显增加
B．构建基因表达载体需要限制酶和DNA聚合酶
C．大鳞鲑鱼生长激素基因不能通过PCR技术扩增获得
D．转基因大西洋鲑生长激素含量增加导致生长速度加快
D [ 转基因大西洋鲑体内并没有导入抗冻蛋白基因，只是导入了抗冻蛋白基因的启动子，A项错误；构建基因表达载体需要限制酶和DNA连接酶，B项错误；目的基因可通过PCR技术扩增获得，C项错误；生长激素基因能控制合成生长激素，生长激素含量增加导致转基因大西洋鲑的生长速度加快，D项正确。]
4．菊天牛是菊花的主要害虫之一。科研人员将抗虫基因转入菊花，培育出抗虫菊花。如图是获得转基因菊花的技术流程，请据图回答：
注：卡那霉素抗性基因(kanR)作为标记基因，菊花叶片对卡那霉素高度敏感。
(1)为了促进土壤农杆菌吸收重组质粒，可用______处理土壤农杆菌，使其处于感受态。
(2)将重组质粒导入土壤农杆菌的目的是利用农杆菌能够________________的特点，使目的基因进入受体细胞中，并插入菊花细胞的________上，最终形成转基因植株。
(3)将愈伤组织转移到添加一定浓度植物激素和__________的培养基中，在适宜条件下进行培养，筛选转基因菊花。
(4)用PCR方法检测转基因菊花是否含有目的基因时，需根据________的核苷酸序列设计特异引物，以_________________为模板进行第一轮扩增。
[解析] (1)用Ca2＋处理土壤农杆菌，使其处于感受态，易于吸收外源重组DNA分子。(2)农杆菌能够感染植物细胞，并将T DNA转移至受体细胞中，并插入受体细胞的染色体DNA上，利用这个特点实现导入目的基因。(3)利用添加卡那霉素的培养基可以筛选含卡那霉素抗性基因的转基因植株。(4)用PCR方法检测转基因菊花是否含有目的基因时，需根据目的基因的核苷酸序列设计特异引物，以含目的基因的菊花DNA为模板进行第一轮扩增。
[答案] (1)Ca2＋(或CaCl2溶液) (2)感染菊花(或植物)细胞，并将T DNA转移至受体细胞 染色体DNA (3)卡那霉素 (4)抗虫基因(目的基因) 转基因菊花的DNA(或含目的基因的菊花DNA)
题组二 基因工程在医药卫生领域的应用
5．转基因技术可以改良动物品种，生产人类需要的药用蛋白。下列符合生产药用蛋白的是( )
A．养殖含生长激素基因的转基因鲑鱼
B．养殖能抗口蹄疫病毒的转基因兔
C．养殖含乳糖酶基因的转基因牛
D．从牛乳汁中获得人血清白蛋白
D [养殖含生长激素基因的转基因鲑鱼只能获得体积更大的鲑鱼，A错误；养殖能抗口蹄疫病毒的转基因兔，只能获得具有能抗口蹄疫病毒能力的兔，B错误；养殖含乳糖酶基因的转基因牛，只能使牛乳汁中乳糖含量降低，C错误；从牛乳汁中获得人血清白蛋白，血清白蛋白可用于治疗失血性休克、脑水肿、肾病等，D正确。]
6．动物基因工程前景广阔，最令人兴奋的是利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器，以生产所需要的药品，如转基因动物生产人的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时( )
A．仅仅利用了基因工程技术
B．不需要乳腺蛋白基因的启动子
C．利用基因枪法将人的生长激素基因导入受精卵中
D．需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”
D [科学家培养转基因动物时除涉及基因工程外，还涉及其他现代生物技术；生产生长激素时需要将人的生长激素基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射法导入哺乳动物的受精卵中，然后将受精卵送入母体内使其生长发育成转基因动物。]
7．(2022·湖南高三联考)胶原蛋白广泛应用于医学、化妆品、化工原料等领域，科研人员开展利用家蚕生产人胶原蛋白的研究。请回答下列问题：
(1)家蚕核型多角体病毒(BmNPV)专性寄生于鳞翅目昆虫，将人胶原蛋白基因与____________重组后，构建________________。体外克隆目的基因的方法是__________________________________________________________________。
(2)BmNPV的p10基因是极强的启动子，将目的基因连接在p10基因的下游，目的是___________________________________________________________
____________________________________________________________________。
目的基因与p10基因连接时，断裂与连接的化学键都是____________。
(3)重组BmNPV感染家蚕幼虫后，在幼虫淋巴液中提取蛋白质，用__________________的方法检测目的基因是否成功表达。相比于大肠杆菌，选择家蚕作为人胶原蛋白的生物反应器，其优点是____________________________
____________________________________________________________________。
[解析] (1)BmNPV专性寄生于鳞翅目昆虫，如家蚕，为了更有利于将目的基因导入家蚕细胞，可将目的基因与BmNPV基因重组，构建基因表达载体。PCR是指在体外复制特定DNA片段，可在短时间内大量扩增目的基因。(2)启动子位于基因的首端，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录。限制酶和DNA连接酶作用的化学键均是磷酸二酯键。(3)检测目的基因是否翻译出蛋白质，采用的方法是抗原—抗体杂交。大肠杆菌为原核生物，无内质网和高尔基体，不能对人胶原蛋白进行加工。
[答案] (1)BmNPV基因 基因表达载体 利用PCR技术扩增目的基因 (2)使目的基因在p10基因的驱动下高效表达 磷酸二酯键 (3)抗原—抗体杂交 家蚕细胞的内质网和高尔基体会对人胶原蛋白进行加工，使表达的胶原蛋白与人的胶原蛋白的结构和功能相似
题组三 基因工程在食品工业方面的应用
8．下列关于基因工程在食品工业方面的应用的叙述，错误的是( )
A．用于形成阿斯巴甜的主要氨基酸可以通过基因工程大规模生产
B．基因工程获得凝乳酶时，需将编码凝乳酶的基因导入受体菌的基因组中
C．相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶的纯度较低
D．生产淀粉酶和脂肪酶时，可通过构建工程菌，用发酵技术大量生产
C [阿斯巴甜主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可以通过基因工程大规模生产，A正确；基因工程获得凝乳酶时，需将编码凝乳酶的基因导入受体菌，如大肠杆菌、黑曲霉等的基因组中，B正确；相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶的纯度较高，C错误；生产淀粉酶和脂肪酶时，可通过构建工程菌，用发酵技术大量生产，D正确。]
9．如图是培育表达出人乳铁蛋白的乳腺生物反应器的技术路线。图中tetR表示四环素抗性基因，ampR表示氨苄青霉素抗性基因，BamHⅠ、HindⅢ、SmaⅠ箭头所示为三种限制酶的酶切位点。下列相关叙述不正确的是( )
A．要将人乳铁蛋白基因插入载体，需用Hind Ⅲ和BamH Ⅰ限制酶同时酶切载体和目的基因
B．图中能使人乳铁蛋白基因在乳腺细胞中特异性表达的调控序列是复制原点
C．为检测人乳铁蛋白基因是否成功表达，可采用抗原—抗体杂交技术
D．该过程中的早期胚胎一般需要培养至桑葚胚或囊胚阶段再进行胚胎移植
B [将人乳铁蛋白基因插入载体，不能破坏目的基因，酶切的载体和目的基因两端露出的黏性末端碱基序列应相同，分析可知，应选用二者共有的限制酶HindⅢ和BamHⅠ切割，A正确；能使人乳铁蛋白基因在乳腺细胞中特异性表达的调控序列是启动子、终止子等，B错误；为检测人乳铁蛋白基因是否成功表达，可采用抗原—抗体杂交技术检测，C正确；胚胎移植时，早期胚胎一般需要培养至桑葚胚或囊胚阶段再进行移植，D正确。]
10．(2022·山东章丘第四中学月考)如图是科研人员利用乙烯合成酶的反义基因，通过转基因技术获得耐储存的转基因番茄的过程。下列相关叙述错误的是( )
A．该转基因技术所用的目的基因是乙烯合成酶基因
B．乙烯合成酶的反义基因与乙烯合成酶基因的区别是转录的模板链不同
C．由图可知过程⑤依据的原理是碱基互补配对原则
D．转基因番茄中乙烯含量低的原因可能是乙烯合成酶基因的翻译过程受阻
A [该转基因技术所用的目的基因是乙烯合成酶的反义基因，A错误；乙烯合成酶的反义基因与乙烯合成酶基因都是由α链和β链组成的，区别是转录的模板链相反，使转录出的mRNA能互补配对，形成双链RNA，B正确；过程⑤依据的原理是碱基互补配对原则，乙烯合成酶基因的反义拷贝转录出的反义mRNA与乙烯合成酶基因转录出的mRNA结合，可能会使乙烯合成酶基因的翻译过程受阻，C、D正确。]
11．某研究小组为了研制预防H7N9 禽流感病毒的疫苗，开展了前期研究工作。其简要的操作流程如图所示。下列有关叙述不正确的是( )
A．过程①需使用逆转录酶
B．步骤②过程所依据的理论基础之一是DNA分子结构的相似性
C．步骤③可将重组质粒与大肠杆菌直接混合
D．检验Q蛋白的免疫反应特性，可用 Q 蛋白与患禽流感康复的鸡的血清进行抗原—抗体特异性反应实验
C [步骤①是以RNA为模板生成DNA的过程叫逆转录，需使用逆转录酶，A项正确；步骤②是基因表达载体的构建，所依据的理论基础之一是DNA分子结构的相似性，B项正确；步骤③需用CaCl2处理大肠杆菌，使其处于感受态之后，才能将重组质粒导入大肠杆菌，C项错误；患禽流感康复的鸡的血清中含有相应的抗体，可以与Q蛋白发生抗原—抗体特异性结合反应，以此可以检测Q蛋白的免疫反应特性，D项正确。]
12．(2021·辽宁省适应性测试)菊花是一种双子叶植物，易感桃蚜。桃蚜不但直接影响植物生长，还是多种植物病毒的传播媒介。雪花莲凝集素基因GNA的表达产物能有效抑制桃蚜生长。某科研团队运用农杆菌转化法获得了转GNA基因菊花。下列有关叙述不正确的是( )
A．受体细胞可以选择菊花叶片细胞或桃蚜细胞
B．将目的基因GNA插入Ti质粒的T DNA上构建表达载体
C．菊花外植体产生的酚类化合物能吸引农杆菌移向受体细胞
D．应用抗虫接种实验，检测转基因菊花对桃蚜的抗性及抗性的程度
A [分析题意可知，科学家将目的基因导入了菊花细胞，故受体细胞可以选择菊花叶片细胞，但不能选择桃蚜细胞，A错误；基因工程中构建表达载体时，由于T DNA可以转移到受体细胞内， 可以将目的基因GNA插入Ti质粒的T DNA上，B正确；菊花外植体产生的酚类化合物能吸引农杆菌移向受体细胞，有利于目的基因成功导入，C正确；已知雪花莲凝集素基因GNA的表达产物能有效抑制桃蚜生长，故应用抗虫接种实验，检测转基因菊花对桃蚜的抗性及抗性的程度，D正确。]
13．(2021·河北省适应性测试)我国约在7 000年前就开始种植水稻，现在水稻已经成为我国广泛种植的重要作物。提高水分利用效率对于旱作水稻的生产有重要意义。科学家从拟南芥中获取功能基因HARDY(HRD)，并将其转入水稻中过量表达，提高了水稻的水分利用效率。请回答下列问题：
(1)科学家在获取拟南芥HRD基因过程中，采用了增强子作为筛选工具。增强子是一段能增强与其相连基因转录的DNA序列，将增强子插入基因组中可得到若干个突变株系。增强子插入基因外部，可获得基因________突变株；增强子插入基因内部，可获得基因________突变株。
(2)提取拟南芥总RNA，经________过程获得总cDNA，利用PCR技术选择性扩增HRD基因的cDNA。以上过程依次需要用到________和________两种工具酶。
(3)将HRD基因的cDNA插入Ti质粒的__________上构建重组载体，利用农杆菌侵染水稻细胞并将HRD基因的cDNA整合到水稻细胞染色体上。为了便于转基因植物的筛选，重组Ti质粒中必需包括________。
(4)在干旱条件下，野生型(WT)和HRD基因增强表达的转基因水稻植株A、B(HRDA、HRDB)的根生物量(根系干重)及叶片蒸腾速率的测定结果如图所示。据图分析转基因水稻耐旱能力增强的原因包括________________________和__________________。
图1 图2
[解析] (1)增强子能增强与其相连的基因的转录，所以插入基因外部(启动子的上游)可促进基因转录获得基因激活突变株。增强子属于调控序列，插入内部不起作用，甚至有可能破坏基因，获得基因失活突变株。(2)RNA经过逆转录获得cDNA，逆转录要用到逆转录酶，PCR扩增要用到Taq酶。(3)将HRD基因的cDNA插入Ti质粒的T DNA上构建重组载体，Ti质粒上的T DNA可转移并整合到受体细胞的染色体DNA上，这样利用农杆菌侵染水稻细胞可将HRD基因的cDNA整合到水稻细胞染色体上。重组Ti质粒应包含标记基因，其作用是供重组DNA的鉴定与选择。(4)由图1可知，转基因水稻的根生物量多于非转基因水稻，吸水能力增强了，同时由图2可知，转基因水稻蒸腾速率小于非转基因水稻，失水减少，从而使得转基因水稻抗旱能力增强。
[答案] (1)激活 失活 (2)逆转录 逆转录酶 Taq酶 (3)T DNA 标记基因 (4)根生物量增加，吸水能力增强 蒸腾速率下降，失水减少
5课时分层作业(14) 基因工程的应用
题组一 基因工程在农牧业方面的应用
1．我国转基因抗虫棉是在棉花细胞中转入Bt基因培育出来的，它对棉铃虫具有较强的抗性。下列叙述错误的是( )
A．Bt基因是从苏云金杆菌中分离的
B．Bt基因可借助花粉管通道进入棉花细胞中
C．培育的转基因棉花植株需要做抗虫的接种实验
D．用DNA聚合酶连接经切割的Bt基因和载体
D [Bt基因是从苏云金杆菌中分离出来的抗虫基因；Bt基因可借助花粉管通道进入棉花细胞中；培育的转基因棉花植株需要做抗虫的接种实验，以在个体水平检测目的基因的表达；切割得到的Bt基因和载体的连接是靠DNA连接酶来完成的。]
2．下列有关转基因植物的说法错误的是( )
A．科学家可以利用一些调节细胞渗透压的基因来提高作物的抗盐碱和抗旱的能力
B．由于抗虫棉可以抵抗一切危害棉花植株的害虫，所以抗虫棉已经推广应用
C．科学家往往将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，以提高农作物的营养价值
D．引起植物生病的病原微生物，主要有病毒、真菌和细菌等
B [由于盐碱和干旱对农作物的危害与细胞内渗透压的调节有关，所以目前科学家正在利用调节细胞渗透压的基因来提高农作物的抗盐碱和抗干旱的能力；转基因抗虫棉只是对棉铃虫有较强的抗性，并不是针对所有害虫；人体自身不能合成必需氨基酸，所以在改良植物品质上科学家更重视提高必需氨基酸的含量。]
3．科学家构建了含有大洋鳕鱼抗冻蛋白基因启动子和大鳞鲑鱼生长激素基因的表达载体，并将其导入了大西洋鲑的细胞中，获得了生长速度加快的转基因大西洋鲑。下列相关叙述正确的是( )
A．转基因大西洋鲑体内抗冻蛋白明显增加
B．构建基因表达载体需要限制酶和DNA聚合酶
C．大鳞鲑鱼生长激素基因不能通过PCR技术扩增获得
D．转基因大西洋鲑生长激素含量增加导致生长速度加快
D [ 转基因大西洋鲑体内并没有导入抗冻蛋白基因，只是导入了抗冻蛋白基因的启动子，A项错误；构建基因表达载体需要限制酶和DNA连接酶，B项错误；目的基因可通过PCR技术扩增获得，C项错误；生长激素基因能控制合成生长激素，生长激素含量增加导致转基因大西洋鲑的生长速度加快，D项正确。]
4．菊天牛是菊花的主要害虫之一。科研人员将抗虫基因转入菊花，培育出抗虫菊花。如图是获得转基因菊花的技术流程，请据图回答：
注：卡那霉素抗性基因(kanR)作为标记基因，菊花叶片对卡那霉素高度敏感。
(1)为了促进土壤农杆菌吸收重组质粒，可用______处理土壤农杆菌，使其处于感受态。
(2)将重组质粒导入土壤农杆菌的目的是利用农杆菌能够________________的特点，使目的基因进入受体细胞中，并插入菊花细胞的________上，最终形成转基因植株。
(3)将愈伤组织转移到添加一定浓度植物激素和__________的培养基中，在适宜条件下进行培养，筛选转基因菊花。
(4)用PCR方法检测转基因菊花是否含有目的基因时，需根据________的核苷酸序列设计特异引物，以_________________为模板进行第一轮扩增。
[解析] (1)用Ca2＋处理土壤农杆菌，使其处于感受态，易于吸收外源重组DNA分子。(2)农杆菌能够感染植物细胞，并将T DNA转移至受体细胞中，并插入受体细胞的染色体DNA上，利用这个特点实现导入目的基因。(3)利用添加卡那霉素的培养基可以筛选含卡那霉素抗性基因的转基因植株。(4)用PCR方法检测转基因菊花是否含有目的基因时，需根据目的基因的核苷酸序列设计特异引物，以含目的基因的菊花DNA为模板进行第一轮扩增。
[答案] (1)Ca2＋(或CaCl2溶液) (2)感染菊花(或植物)细胞，并将T DNA转移至受体细胞 染色体DNA (3)卡那霉素 (4)抗虫基因(目的基因) 转基因菊花的DNA(或含目的基因的菊花DNA)
题组二 基因工程在医药卫生领域的应用
5．转基因技术可以改良动物品种，生产人类需要的药用蛋白。下列符合生产药用蛋白的是( )
A．养殖含生长激素基因的转基因鲑鱼
B．养殖能抗口蹄疫病毒的转基因兔
C．养殖含乳糖酶基因的转基因牛
D．从牛乳汁中获得人血清白蛋白
D [养殖含生长激素基因的转基因鲑鱼只能获得体积更大的鲑鱼，A错误；养殖能抗口蹄疫病毒的转基因兔，只能获得具有能抗口蹄疫病毒能力的兔，B错误；养殖含乳糖酶基因的转基因牛，只能使牛乳汁中乳糖含量降低，C错误；从牛乳汁中获得人血清白蛋白，血清白蛋白可用于治疗失血性休克、脑水肿、肾病等，D正确。]
6．动物基因工程前景广阔，最令人兴奋的是利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器，以生产所需要的药品，如转基因动物生产人的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时( )
A．仅仅利用了基因工程技术
B．不需要乳腺蛋白基因的启动子
C．利用基因枪法将人的生长激素基因导入受精卵中
D．需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”
D [科学家培养转基因动物时除涉及基因工程外，还涉及其他现代生物技术；生产生长激素时需要将人的生长激素基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射法导入哺乳动物的受精卵中，然后将受精卵送入母体内使其生长发育成转基因动物。]
7．(2022·湖南高三联考)胶原蛋白广泛应用于医学、化妆品、化工原料等领域，科研人员开展利用家蚕生产人胶原蛋白的研究。请回答下列问题：
(1)家蚕核型多角体病毒(BmNPV)专性寄生于鳞翅目昆虫，将人胶原蛋白基因与____________重组后，构建________________。体外克隆目的基因的方法是__________________________________________________________________。
(2)BmNPV的p10基因是极强的启动子，将目的基因连接在p10基因的下游，目的是___________________________________________________________
____________________________________________________________________。
目的基因与p10基因连接时，断裂与连接的化学键都是____________。
(3)重组BmNPV感染家蚕幼虫后，在幼虫淋巴液中提取蛋白质，用__________________的方法检测目的基因是否成功表达。相比于大肠杆菌，选择家蚕作为人胶原蛋白的生物反应器，其优点是____________________________
____________________________________________________________________。
[解析] (1)BmNPV专性寄生于鳞翅目昆虫，如家蚕，为了更有利于将目的基因导入家蚕细胞，可将目的基因与BmNPV基因重组，构建基因表达载体。PCR是指在体外复制特定DNA片段，可在短时间内大量扩增目的基因。(2)启动子位于基因的首端，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录。限制酶和DNA连接酶作用的化学键均是磷酸二酯键。(3)检测目的基因是否翻译出蛋白质，采用的方法是抗原—抗体杂交。大肠杆菌为原核生物，无内质网和高尔基体，不能对人胶原蛋白进行加工。
[答案] (1)BmNPV基因 基因表达载体 利用PCR技术扩增目的基因 (2)使目的基因在p10基因的驱动下高效表达 磷酸二酯键 (3)抗原—抗体杂交 家蚕细胞的内质网和高尔基体会对人胶原蛋白进行加工，使表达的胶原蛋白与人的胶原蛋白的结构和功能相似
题组三 基因工程在食品工业方面的应用
8．下列关于基因工程在食品工业方面的应用的叙述，错误的是( )
A．用于形成阿斯巴甜的主要氨基酸可以通过基因工程大规模生产
B．基因工程获得凝乳酶时，需将编码凝乳酶的基因导入受体菌的基因组中
C．相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶的纯度较低
D．生产淀粉酶和脂肪酶时，可通过构建工程菌，用发酵技术大量生产
C [阿斯巴甜主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可以通过基因工程大规模生产，A正确；基因工程获得凝乳酶时，需将编码凝乳酶的基因导入受体菌，如大肠杆菌、黑曲霉等的基因组中，B正确；相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶的纯度较高，C错误；生产淀粉酶和脂肪酶时，可通过构建工程菌，用发酵技术大量生产，D正确。]
9．如图是培育表达出人乳铁蛋白的乳腺生物反应器的技术路线。图中tetR表示四环素抗性基因，ampR表示氨苄青霉素抗性基因，BamHⅠ、HindⅢ、SmaⅠ箭头所示为三种限制酶的酶切位点。下列相关叙述不正确的是( )
A．要将人乳铁蛋白基因插入载体，需用Hind Ⅲ和BamH Ⅰ限制酶同时酶切载体和目的基因
B．图中能使人乳铁蛋白基因在乳腺细胞中特异性表达的调控序列是复制原点
C．为检测人乳铁蛋白基因是否成功表达，可采用抗原—抗体杂交技术
D．该过程中的早期胚胎一般需要培养至桑葚胚或囊胚阶段再进行胚胎移植
B [将人乳铁蛋白基因插入载体，不能破坏目的基因，酶切的载体和目的基因两端露出的黏性末端碱基序列应相同，分析可知，应选用二者共有的限制酶HindⅢ和BamHⅠ切割，A正确；能使人乳铁蛋白基因在乳腺细胞中特异性表达的调控序列是启动子、终止子等，B错误；为检测人乳铁蛋白基因是否成功表达，可采用抗原—抗体杂交技术检测，C正确；胚胎移植时，早期胚胎一般需要培养至桑葚胚或囊胚阶段再进行移植，D正确。]
10．(2022·山东章丘第四中学月考)如图是科研人员利用乙烯合成酶的反义基因，通过转基因技术获得耐储存的转基因番茄的过程。下列相关叙述错误的是( )
A．该转基因技术所用的目的基因是乙烯合成酶基因
B．乙烯合成酶的反义基因与乙烯合成酶基因的区别是转录的模板链不同
C．由图可知过程⑤依据的原理是碱基互补配对原则
D．转基因番茄中乙烯含量低的原因可能是乙烯合成酶基因的翻译过程受阻
A [该转基因技术所用的目的基因是乙烯合成酶的反义基因，A错误；乙烯合成酶的反义基因与乙烯合成酶基因都是由α链和β链组成的，区别是转录的模板链相反，使转录出的mRNA能互补配对，形成双链RNA，B正确；过程⑤依据的原理是碱基互补配对原则，乙烯合成酶基因的反义拷贝转录出的反义mRNA与乙烯合成酶基因转录出的mRNA结合，可能会使乙烯合成酶基因的翻译过程受阻，C、D正确。]
11．某研究小组为了研制预防H7N9 禽流感病毒的疫苗，开展了前期研究工作。其简要的操作流程如图所示。下列有关叙述不正确的是( )
A．过程①需使用逆转录酶
B．步骤②过程所依据的理论基础之一是DNA分子结构的相似性
C．步骤③可将重组质粒与大肠杆菌直接混合
D．检验Q蛋白的免疫反应特性，可用 Q 蛋白与患禽流感康复的鸡的血清进行抗原—抗体特异性反应实验
C [步骤①是以RNA为模板生成DNA的过程叫逆转录，需使用逆转录酶，A项正确；步骤②是基因表达载体的构建，所依据的理论基础之一是DNA分子结构的相似性，B项正确；步骤③需用CaCl2处理大肠杆菌，使其处于感受态之后，才能将重组质粒导入大肠杆菌，C项错误；患禽流感康复的鸡的血清中含有相应的抗体，可以与Q蛋白发生抗原—抗体特异性结合反应，以此可以检测Q蛋白的免疫反应特性，D项正确。]
12．(2021·辽宁省适应性测试)菊花是一种双子叶植物，易感桃蚜。桃蚜不但直接影响植物生长，还是多种植物病毒的传播媒介。雪花莲凝集素基因GNA的表达产物能有效抑制桃蚜生长。某科研团队运用农杆菌转化法获得了转GNA基因菊花。下列有关叙述不正确的是( )
A．受体细胞可以选择菊花叶片细胞或桃蚜细胞
B．将目的基因GNA插入Ti质粒的T DNA上构建表达载体
C．菊花外植体产生的酚类化合物能吸引农杆菌移向受体细胞
D．应用抗虫接种实验，检测转基因菊花对桃蚜的抗性及抗性的程度
A [分析题意可知，科学家将目的基因导入了菊花细胞，故受体细胞可以选择菊花叶片细胞，但不能选择桃蚜细胞，A错误；基因工程中构建表达载体时，由于T DNA可以转移到受体细胞内， 可以将目的基因GNA插入Ti质粒的T DNA上，B正确；菊花外植体产生的酚类化合物能吸引农杆菌移向受体细胞，有利于目的基因成功导入，C正确；已知雪花莲凝集素基因GNA的表达产物能有效抑制桃蚜生长，故应用抗虫接种实验，检测转基因菊花对桃蚜的抗性及抗性的程度，D正确。]
13．(2021·河北省适应性测试)我国约在7 000年前就开始种植水稻，现在水稻已经成为我国广泛种植的重要作物。提高水分利用效率对于旱作水稻的生产有重要意义。科学家从拟南芥中获取功能基因HARDY(HRD)，并将其转入水稻中过量表达，提高了水稻的水分利用效率。请回答下列问题：
(1)科学家在获取拟南芥HRD基因过程中，采用了增强子作为筛选工具。增强子是一段能增强与其相连基因转录的DNA序列，将增强子插入基因组中可得到若干个突变株系。增强子插入基因外部，可获得基因________突变株；增强子插入基因内部，可获得基因________突变株。
(2)提取拟南芥总RNA，经________过程获得总cDNA，利用PCR技术选择性扩增HRD基因的cDNA。以上过程依次需要用到________和________两种工具酶。
(3)将HRD基因的cDNA插入Ti质粒的__________上构建重组载体，利用农杆菌侵染水稻细胞并将HRD基因的cDNA整合到水稻细胞染色体上。为了便于转基因植物的筛选，重组Ti质粒中必需包括________。
(4)在干旱条件下，野生型(WT)和HRD基因增强表达的转基因水稻植株A、B(HRDA、HRDB)的根生物量(根系干重)及叶片蒸腾速率的测定结果如图所示。据图分析转基因水稻耐旱能力增强的原因包括________________________和__________________。
图1 图2
[解析] (1)增强子能增强与其相连的基因的转录，所以插入基因外部(启动子的上游)可促进基因转录获得基因激活突变株。增强子属于调控序列，插入内部不起作用，甚至有可能破坏基因，获得基因失活突变株。(2)RNA经过逆转录获得cDNA，逆转录要用到逆转录酶，PCR扩增要用到Taq酶。(3)将HRD基因的cDNA插入Ti质粒的T DNA上构建重组载体，Ti质粒上的T DNA可转移并整合到受体细胞的染色体DNA上，这样利用农杆菌侵染水稻细胞可将HRD基因的cDNA整合到水稻细胞染色体上。重组Ti质粒应包含标记基因，其作用是供重组DNA的鉴定与选择。(4)由图1可知，转基因水稻的根生物量多于非转基因水稻，吸水能力增强了，同时由图2可知，转基因水稻蒸腾速率小于非转基因水稻，失水减少，从而使得转基因水稻抗旱能力增强。
[答案] (1)激活 失活 (2)逆转录 逆转录酶 Taq酶 (3)T DNA 标记基因 (4)根生物量增加，吸水能力增强 蒸腾速率下降，失水减少
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