第2节 基因工程及其应用
一、教学目标
知识目标
（1）简述基因工程的基本原理。
（2）举例说出基因工程在农业、医药等领域的应用。
情感态度与价值观
（1）关注转基因生物和转基因食品的安全性。
（2）进行角色扮演，使学生体验参与社会问题的讨论和决策的方法。
（3）通过学习了解我国基因工程的发展前景及成 ( http: / / www.21cnjy.com )果，激发学生对于生物知识的兴趣，开阔学生的思路，养成学生的爱国主义热情，树立在学习上努力刻苦的决心。
能力目标
（1）利用课本以外的资料和信息解决课内学习中发现的问题，培养自主学习能力。
（2）通过制作模型的活动来模拟基因工程的操作过程，使学生在理解步骤的同时，切身体会基因工程的主要过程。
（3）收集基因工程所取得的成果以及发展前景。
（4）通过对书中插图、照片等的观察，学会科学的观察方法，培养学生收集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力。
二、教学重点和难点
教学重点：
(1) 基因工程的基本原理。
(2) 基因工程的安全性问题。
教学难点：
(1)基因工程的基本原理。
(2)转基因生物与转基因食品的安全性。
三、教学方法：讨论法、演示法、讲授法
四、教学课时：2
五、教学过程
教学内容 教师组织和引导 学生活动 教学意图
情境创设 演示多媒体课件列举几种生物的不同性状 ( http: / / www.21cnjy.com )，如下：（1）青霉菌能产生对人类有用的抗生素——青霉素。（2）豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮气。（3）人的胰岛素细胞能分泌胰岛素调节血糖的浓度。〖讲述〗以上几种生物各自有其特定的性状，这些性状都是基因特异性表达的结果，但是人类能不能改造基因呢？能不能使本身没有某个性状的生物具有某个特定性状呢？例如，让禾本科植物能够固定空气中的氮气；让微生物生产出人的胰岛素、干扰素等药物。这样既节省了人力，又简化了生产，同时还不会对环境造成污染。这种设想能实现吗？回答是可以的。通过科学家们的不断努力，在20世纪70年代终于创立了一种能定向改造生物的新技术——基因工程。
基因工程的原理
“问题探讨” 提出问题组织学生讨论、交流看法。（1）为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上？（2）推测这种“嫁接”怎样才能实现？（3）这种“嫁接”对品种的改良有什么意义？【问1】杂交育种有哪些局限性？人类是否可以按照自己的意愿直接定向改变生物。“你的想法很好，可是用什么样的方法才能实现你的设想呢？”用类比的方法引导学生思考基因工程的大致 ( http: / / www.21cnjy.com )步骤和所需要的工具：剪刀、针线、运载体等。并用问题启发学生：“你能想像这种剪刀加浆糊式的’嫁接工作在分子水平的操作，其难度会有多大吗？”下面以EcoRI为例，构建重组DNA分子模型，体会基因的剪切、拼接、缝合的道理。 EcoRI是已发现的500多种限制性内 ( http: / / www.21cnjy.com )切酶中的一种，它是一种从细菌中发现的能在特定位置上切割DNA分子的酶。它的特殊性在于，它在DNA分子内部“下剪刀”，专门识别DNA分子中含有的“GAATTC”这样的序列，一旦找到就从G和A之间剪断（参考教科书插图6-3）。同学们来试一试，动手做一个重组DNA模型吧。在动手做之前，先要明白“分子剪刀”和“分子针线”的用途和使用方法。用同一种限制性内切酶切割后的DNA片断其末端可以用连接酶来缝合（参考教科书插图6-4）。这样“剪切拼接”就可以形成重组的DNA分子。【问】（1）制作模型时用到的(剪刀和针线)各代表什么 比较剪切后的DNA片断的末端切片，你发现有什么特点呢 （2）回顾在模型构建过程中,每一步的操作和所用到的工具以及形成的“产品”，你对重组DNA的操作有什么新的理解？【问】要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切几个切口？可产生几个黏性未端？【问】用DNA连接酶连接两个相同的 ( http: / / www.21cnjy.com )黏性未端要连接几个磷酸和脱氧核糖交替连接而构成的DNA骨架上的缺口(磷酸二酯键)？用限制酶切一个特定基因要切断几个磷酸和脱氧核糖交替连接而构成的DNA骨架上的缺口(磷酸二酯键)？现在同学们分组各做一个重组DNA模型，看一看哪个组的最科学。重组后的DNA分子还需要特殊的搬运工具运载到受体细胞（如大肠杆菌、动植物细胞）中。哪么谁能承担这个任务呢？用图片或课件动画展示质粒的结构及特点。〖讲解〗质粒的特点：细胞拟核之外的小的环状DNA分子。借宿于细菌、霉菌、酵母菌等细胞里，对细胞的正常生活几乎没有影响。质粒能够自主复制，而且复制只能在宿主细胞内完成。可以容易地从细胞中取出或放入。这些特点使它能够胜任运载体的工作，携带目的基因进入细胞。【问】有了基因工程操作的工具后，哪么基因工程具体是如何进行操作的呢，教师：用多媒体课件或与教科书插图6- ( http: / / www.21cnjy.com )6示意图类似的基因操作步骤的有关录像资料。思考问题如下：（可以利用幻灯或多媒体课件演示）
（1）举例说明什么是目的基因。
（2）从供体细胞DNA中直接分离基因的方法叫什么？简要说出该方法的过程是什么。
（3）人工合成基因的方法有几种？其操作过程分别是什么？
（4）将目的基因与用限制性内切酶处理后的运载体混合，用DNA连接酶处理会出现几种结果？（只考虑两两结合）
（5）将含目的基因的重组质粒导入细菌受体细胞的过程中常用到哪种化学试剂？其作用是什么？
（6）在目的基因的检测过程中，检测的对象是什么？【讲述】现在请同学们阅读教材内容，从理论上理解有关知识，同学们可从生物学的专业知识角度出发，用生物学的专业术语准确地解答有关问题。简要归纳基因工程操作的基本步骤和大致过程。 思考回答1.杂交育种方法简单，容易操作的优点， ( http: / / www.21cnjy.com )但是，杂交育种只能利用已有基因的重组，按需选择，并不能创造新的基因。杂交后代会出现性状分离现象，育种进程缓缦，过程繁琐。我们可以利用基因工程的办法解决。即把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上。（头脑中设想“嫁接”的过程。）头脑中设想“嫁接”的过程。并 ( http: / / www.21cnjy.com )跟随教师的引导，思考基因工程的大致步骤：找到目的基因、剪切、拼接、缝合、表达、检测，所用到的工具：基因剪刀、基因针线、基因的运载体。4个人一组，再次阅读课前教师下发的“构建DNA分子模型的文字指导”。讨论模型构建的具体方法，按“指导”的方法步骤、依次完成模拟制作过程。并思考教师提出的问题。回答并交流对重组DNA技术的理解。学生：剪刀——限制性内切酶 ( http: / / www.21cnjy.com )（简称限制酶）。它的作用具有特异性特点，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。例如大肠杆菌的EcoRI限制酶能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。剪切的结果是：产生黏性未端（碱基互补配对）。【答】要想获得某个特定性状的基因必须要用限制酶切2个切口。可产生2个黏性未端。针线——DNA连接酶。连接的部位：磷酸和脱 ( http: / / www.21cnjy.com )氧核糖交替连接而构成的DNA骨架上的缺口（梯子的扶手），不是氢键（梯子的踏板）。结果是：把两个来源不同却有相同的黏性未端的DNA连接。
【答】2个、2个。
观看图片或课件，了解质粒的特点及其运载体功能。观看录像资料，想像科学家在分子水平上进行这一 ( http: / / www.21cnjy.com )操作的精确性。然后思考、讨论、回答。（通过观看录像资料学生对基因工程的步骤能够大体了解，对以上的问题能基本回答，但是对具体的操作步骤还不能从生物学角度上很透彻地理解。）学生和教师一起归纳基因工程操作的几个步骤：第一步：提取目的基因、第二步：目的基因与运载体的结合、第三步：将目的基因导入受体细胞、第四步：目的基因的检测和表达。
小结及板书1、基因工程的概念：基因工程又叫基因拼接技术或DNA重组技术。通 ( http: / / www.21cnjy.com )俗地说，就是按照人们地意愿，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，定向地改造生物的遗传性状。2、基因操作的工具 ：基因的剪刀——限制性内切酶。分布：主要在微生物中。
( http: / / www.21cnjy.com ) 作用特点：特异性，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。
结果：产生黏性未端（碱基互补配对）。
基因的针线——DNA连接酶。 连接的部位：磷酸二酯键（梯子的扶 ( http: / / www.21cnjy.com )手），不是氢键（梯子的踏板）。
结果：两个相同的黏性未端的连接。
基因的运输工具——运载体。作用：将外源基因送入受体细胞。
具备的条件：能在宿主细胞内复制并稳定地保存。具有多个限制酶切点。
具有某些标记基因。
( http: / / www.21cnjy.com )种类：质粒、噬菌体和动植物病毒。
质粒的特点：质粒是基因工程中最常用的运载体。
最常用的质粒是大肠杆菌的质粒。
存在于许多细菌及酵母菌等生物中。
质粒的存在对宿主细胞无影响。
质粒的复制只能在宿主细胞内完成。
细胞染色体外能自主复制的小型环状DNA分子。3、基因操作的基本步骤。
（1）提取目的基因目的基因的提取途径：两条，一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因；另一种是人工合成基因。（2）目的基因与运载体结合（以质粒为运载体）。目的基因与运载体结合的结果可能有三种情况：目的基因与目的基因结合，质粒与质粒结合，目的基因与质粒结合。（3）将目的基因导入受体细胞。导入方法：借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。导入过程：运载体为质粒，受体细胞为细菌。（4）目的基因的检测和表达检测：通过检测标记基因的有无，来判断目的基因是否导入。表达：通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。第1节 杂交育种与诱变育种
一、教学目标
知识目标
（1）简述杂交育种的概念，举例说明杂交育种方法的优点和不足。
（2）举例说出诱变育种在生产中的应用。
（3）讨论遗传和变异规律在生产实践中的应用。
（4）总结杂交育种、诱变育种、多倍体育种、单倍体育种异同点。
情感态度与价值观
（1）讨论育种科学技术发展是科学、技术和社会的相互作用。
（2）体会科学技术在发展社会生产力、推动社会进步等方面的巨大作用。
能力目标
（1）尝试将你获得信息用图表、图解的形式表达出来。
（2）运用遗传和变异原理,解决生产和生活实际中的问题。
二、教学重点和难点
教学重点：遗传和变异规律在改良农作物和培育家畜品种等方面的应用。
教学难点：
1、杂交育种和诱变育种的优点和局限性。
2、用遗传图解表示各种育种过程。
三、教学方法：讨论法、演示法。
四、教学课时：1
五、教学过程
教学内容 教师组织和引导 学生活动 教学意图
“问题探讨”1、杂交育种 从上述同学们的汇报交流中，我们发现大家使用的 ( http: / / www.21cnjy.com )方法都是――杂交育种，看来你们已经尝试从理论上探索杂交育种的方法了。现在我们来分析各组的方案是否科学规范。（再次出示各小组的遗传图解）〖评价〗同学们提的问题都非常到位，大家再讨论。点拨、解答同学们的问题：杂交育种依据的遗传学原理就是：基因的自由组 ( http: / / www.21cnjy.com )合规律，即通过杂交，把生物不同品种间的基因重新组合，以便使不同亲本的优良基因组合到一起、从而创造出对人类有益的新品种。 课本的遗传图解就是一个很规范的育种方 ( http: / / www.21cnjy.com )案，它是以文字的形式，从性状的角度来阐述杂交育种的过程。同学们在书写时，要依据基因的自由组合规律的原理，把每一代的可能表现型都正确的写出，从杂种第二代就可以选出我们需要的品种。选育出的新品种必须是纯合子，否则其后代就会因为发生性状分离而失去优势。这里，同学们可能发现了问题：隐性性状的品种肯定是纯合子，但显性性状的品种就有可能是纯合子、也有可能是杂合子，该如何鉴定呢 如果我们需要的性状是显性性状，育种时就用亲本的杂交后代连续自交，逐步淘汰，直到不再发生性状分离为止；如果我们需要的性状是隐性性状，育种时就从杂种二代中直接选用。遗传图解有更简洁的表示方法，即用我们在第一章所学的基因型的方式来表示。以课本的两个小麦品种杂交为 ( http: / / www.21cnjy.com )例:如果小麦中，高产（A）对低产（a）是显性，不抗病（B）对抗病（b）是显性，我们需要的是高产抗病的纯种，假定两个亲本小麦品种都是纯合子，请绘出育种过程的基因型图解。〖点评〗并示范书写过程如下：P AABB X aa ( http: / / www.21cnjy.com )bb
↓ ↓
配子 AB ab
↓ ↓
F１ AaBbF２ 基因型 1/16 AAB ( http: / / www.21cnjy.com )B 1/16 aaBB 1/16 AAbb 1/16 aabb
2/16 AaBB 2/16 aaBb 2/16 Aabb 2/16 AABb4/16 AaBb表现型 9/16高产不抗 3/16低产不抗 3/16高产抗病 1/16 底产抗病根据自由组合定律，在F２ 中高产抗病（一显一隐）品种占总数的3／16。
〖问〗我们得到的这种具有杂种优势的品种可以代代遗传吗那么，如何能得到可以代代遗传的优势品种？我们选育出的纯合子新品种――AAbb，在F２ 所有的后代中的概率是1/16。哪么它在F２的高产抗病后代中的概率又是多少？通过上述分析，请给杂交育种下一个合理的定义。请举出我国在杂交育种方面成就。综上所述杂交育种的优点是很明显的， ( http: / / www.21cnjy.com )但是在实际操作中，会遇到不少困难。请从杂交后代可能出现的类型，以及育种时间等方面，分析杂交育种方法的不足。杂交育种只能利用已有基因的重组，按需选择，并不能创造新的基因。杂交后代会出现性状分离现象，育种进程缓缦（一般需5至7年），过程繁琐。这些都是杂交育种方法的不足。有没有更好的育种方法来弥补这些缺点呢？ 阅读 分组讨论 听课评价 疑问1.杂交育种蕴含着哪些遗传学规律？什么是规范的遗传图解？2.如何推测杂交育种可能的选育过程和结果，培育出的一个新品种，如何判断它是否符合预期的要求呢？3. 如果我们需要的性状显性该如何选？如果是隐性呢？如果又有显性又有隐性呢？选出的新品种应该是纯合子还是杂合子？4. 有没有更简洁的遗传图解呢？每人都在作业本上尝试书写，请两位同学在黑板上书写。〖答〗不可以，因为其中有2/16的植株是杂合体，它的下一代会出现性状分离。〖答〗要想得到可以代代遗传 ( http: / / www.21cnjy.com )的优势品种，就必须对在F２中所得到表现型为高产抗病（一显一隐）的植株连续自交和育种，逐步淘汰不符合要求的植株，直到不再发生性状分离，就是我们要选育的能够稳定遗传的纯合子新品种――AAbb。1/3。 杂交育种就是将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起，再经过选择和培育，就得到新品种的方法。袁隆平的杂交水稻，中国荷斯坦牛等 讨论回答
2、诱变育种 〖提示〗从变异的角度去思考。并举例说明其可行性。同学们的知识面很广，介绍了许多诱变育种的方法，请给诱变育种一个合理的定义。与杂交育种相比，诱变育种有什么优点？联系基因突变的特点，谈谈诱变育种的局限性。要想克服这些局限性，可以采取什么办法？可见科学与技术的发展与社会的发展有着相互影响、相互制约的关系，请简单的叙述他们之间的这种关系。〖提示〗遗传变异规律在促 ( http: / / www.21cnjy.com )进经济与社会发展方面的有着重要的价值，遗传变异规律的发展直接促进了经济与社会发展。但是，在某一历史阶段，由于科学认识的局限性，科学技术总会存在一些难以解决的问题，这些问题阻碍了生产力的提高。随着科学认识的不断深入，技术上的问题得以解决，生产力也随之提高；社会生产力的提高，又能反过来促进科学技术的发展。〖精讲〗杂交育种就是将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起，再经过选择和培育，就得到新品种的方法。诱变育种就是利用物理因素（如X射线、r ( http: / / www.21cnjy.com )射线、紫外线、激光等）或化学因素（亚硝酸、硫酸二乙脂等）来处理生物，使生物发生基因突变。从而在短时间内获得更多的优良变异类型的育种方法。杂交育种的优点：方法简单，容易操作；但 ( http: / / www.21cnjy.com )是，杂交育种只能利用已有基因的重组，按需选择，并不能创造新的基因。杂交后代会出现性状分离现象，育种进程缓缦，过程繁琐。诱变育种的优点：是能够提高突变率， ( http: / / www.21cnjy.com )在较短的时间内获得更多的优良变异类型。但是，诱变育种的诱发突变的方向难以掌握，突变体难以集中多个理想性状。需大量处理供试材料。两种育种方法都为我们创造许多优良的品种， ( http: / / www.21cnjy.com )育种技术的发展为我们的社会经济创造了许多价值，我国作为目前世界上能发射返回式卫星的三个国家之一，在作物空间技术育种方面已经进入世界先进行列。 1：利用基因突变的原理，用辐射 ( http: / / www.21cnjy.com )方法处理大豆，可以培育优良的大豆品种。如:黑农五号。2：利用基因突变的原理，利用返回式卫 ( http: / / www.21cnjy.com )星和高空气球搭载农作物种子，使种子在空间条件下发生基因突变，进行农作物遗传性状的改良。如：卫星“87－2”青椒、“航育1号”水稻、“豫麦13号小麦”等。3：利用基因突变的原理，对青霉菌多次进行X射线、紫外线照射以及综合处理，培育了高产菌株。4、利用基因突变的原理，进行核技术诱变育种，可培育出优良的粮食、蔬菜、水果、花卉品种。〖定义〗诱变育种就是利用物理因素（如X ( http: / / www.21cnjy.com )射线、r射线、紫外线、激光等）或化学因素（亚硝酸、硫酸二乙脂等）来处理生物，使生物发生基因突变。从而在短时间内获得更多的优良变异类型的育种方法。诱变育种的优点是能够提高突变率，在较短的时间内获得更多的优良变异类型。诱变育种的局限性是诱发突变的方向难以掌握，突变体难以集中多个理想性状。要想克服这些局限性，可以扩大诱变后代的群体，增加选择的机会。
课堂小结四种育种方法的比较:杂交育种诱变育种多倍体育种单倍体育种处理杂交用物理、化学因素处理生物，用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗花药离体培养原理通过基因重组，把两个亲本的优良性状的组合在同一个后代中，从而产生符合要求的新类型。用人工方法诱发基因实变，产生新性状，创造新品种或新类型。抑制细胞分裂中纺锤体的形成。使染色体的数目加倍后不能形成两个细胞。诱导精子直接发育成植株，再用秋水仙素加倍成纯合子。优缺点方法简单，容易操作。不能创造新的基因，育种进程缓缦，过程繁琐。能提高变异的频率，大幅改良某些性状，变异性状较稳定，可加速育种进程。有利变异少，需大量处理供试材料，诱发突变的方向难以掌握，突变体难以集中多个理想性状。器官较大，营养物质含量高。发育延迟，结实率底。自交后代不发生性状分离，可缩短育种年限（2年）。方法复杂，成活率低。实例小麦高茎（易倒伏）、抗锈病的纯种与矮茎（抗倒伏）易染病的纯种进行杂交，培育出矮茎抗锈病小麦品种。青霉菌经X射线、紫外线照射以及综合处理，培育出青霉素产量很高的菌株三倍体无籽西瓜、八倍体小黑麦。抗病植株的育成。
作业 课本P101 练习
【板书设计】小麦高产（ ( http: / / www.21cnjy.com )A）对低产（a）是显性，不抗病（B）对抗病（b）是显性，选育高产抗病的纯种，假定两个亲本小麦品种都是纯合子。则遗传图解如下：P AABB（高产不抗） ( http: / / www.21cnjy.com ) X aabb（低产抗病）
↓ ↓
配子 AB ab
↓ ↓
F１ AaBb（高产不抗）F２ 基因型 1/16 AABB ( http: / / www.21cnjy.com ) 1/16 aaBB 1/16 AAbb 1/16 aabb
2/16 AaBB 2/16 aaBb 2/16 Aabb 2/16 AABb4/16 AaBb表现型 9/16高产不抗 3/16低产不抗 3/16高产抗病 1/16 底产抗病本节聚焦 （P98）（一）杂交育种的原理是什么？杂交育种依据的遗传学原理就是 ( http: / / www.21cnjy.com )：基因的自由组合规律，即通过杂交，是生物不同品种间的基因重新组合，以便使不同亲本的优良基因组合到一起、从而创造出对人类有益的新品种。 （二）什么是诱变育种？诱变育种就是利用物理因素（如X射线、r ( http: / / www.21cnjy.com )射线、紫外线、激光等）或化学因素（亚硝酸、硫酸二乙脂等）来处理生物，使生物发生基因突变。从而在短时间内获得更多的优良变异类型的育种方法。（三）杂交育种和诱变育种各有哪些优点和不足？杂交育种的优点：方法简单，容易操作。但 ( http: / / www.21cnjy.com )是，杂交育种只能利用已有基因的重组，按需选择，并不能创造新的基因。杂交后代会出现性状分离现象，育种进程缓缦，过程繁琐。诱变育种的优点：是能够提高突变率，在较短的时间内获得更多的优良变异类型。但是，诱变育种的诱发突变的方向难以掌握，突变体难以集中多个理想性状。需大量处理供试材料。
育种
杂交育种
诱变育种
多倍体育种
单倍体育种
方法
原理
优缺点
方法
原理
优缺点
方法
原理
优缺点
方法
原理
优缺点
