(共56张PPT)
第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
课标要点 学法指导
1．举例说出蛋白质工程崛起的缘由
2．阐述蛋白质工程的原理及应用
3．尝试运用逆向思维分析和解决问题 1．结合教材实例和中心法则的内容，理解蛋白质工程崛起的缘由及其原理(生命观念、科学思维)
2．用列表法比较蛋白质工程和基因工程(科学思维)
3．结合教材实例和有关材料，理解蛋白质工程的应用前景(社会责任)
知识导图
课前·新知导学
蛋白质工程的概念及崛起的缘由
1．蛋白质工程的概念
蛋白质工程是指以蛋白质分子的___________及其与___________的关系作为基础，通过________或__________，来改造______________，或制造一种______________，以满足人类的生产和生活的需求。它是在____________的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是涉及多学科的综合科技工程。
结构规律
生物功能
改造
合成基因
现有蛋白质
新的蛋白质
基因工程
2．蛋白质工程崛起的缘由
(1)基因工程的实质及不足：
①实质：将一种生物的_______转移到另一种生物体内，使后者可以产生它本不能产生的__________，进而表现出_____________。
②不足：基因工程在原则上只能生产自然界已存在的_________。
(2)蛋白质工程崛起的缘由：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的______________符合___________生存的需要，却不一定完全符合人类_____________的需要。若不能直接满足人类需要，就必须人为对其进行改造，蛋白质工程从而崛起。
基因
蛋白质
新的性状
蛋白质
结构和功能
特定物种
生产和生活
3．蛋白质工程的实例
富含__________的玉米新品种的培育。玉米体内赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成过程中的两个关键酶——____________________ __________________的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大，当赖氨酸浓度达到一定量时，就会_______这两种酶的活性，从而影响赖氨酸含量的提高。经过蛋白质工程改造，将天冬氨酸激酶的第352位的_________变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成____________，就可以分别使玉米叶片和种子中的赖氨酸含量提高5倍和2倍。
赖氨酸
天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶
抑制
苏氨酸
异亮氨酸
在培育富含赖氨酸的玉米的过程中，为什么改变一个氨基酸就可以改变天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性？
_________________________________。
【答案】两种酶的化学本质是蛋白质，蛋白质的结构的决定因素包括氨基酸的种类、数目及排列顺序和蛋白质的空间结构，因此个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变，从而影响其性质和功能
蛋白质工程制造的蛋白质是 ( )
A．天然蛋白质
B．稀有蛋白质
C．自然界中不存在的蛋白质
D．尚没有制造出来
【答案】C
【解析】蛋白质工程是对基因进行改造，进而产生符合人们需要的蛋白质，因此其产物不再是天然的蛋白质。
蛋白质工程的基本原理
1．蛋白质工程的目标
根据人们对______________的特定需求，对蛋白质的________进行设计改造。
2．蛋白质工程的原理
根据对蛋白质的结构进行设计改造，来改造基因或____________。
蛋白质功能
结构
合成基因
3．天然蛋白质的合成途径(中心法则)
基因→表达(________和_________)→形成具有特定____________的多肽链→形成具有___________的蛋白质→行使生物功能。
4．蛋白质工程的基本思路
从预期的蛋白质功能出发→设计__________________→推测应有的______________→找到并改变相对应的______________________或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
转录
翻译
氨基酸序列
高级结构
预期的蛋白质结构
氨基酸序列
脱氧核苷酸序列(基因)
基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？
_____________________________________。
【答案】都遵循中心法则
蛋白质工程正确的基本流程是 ( )
①设计蛋白质分子结构 ②合成DNA ③从预期的蛋白质功能出发 ④根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列
A．①→②→③→④ B．④→②→①→③
C．③→①→④→② D．③→④→①→②
【答案】C
【解析】蛋白质工程是根据人们的需要首先要预期蛋白质的相应功能，然后设计预期的蛋白质结构，推测其应有的氨基酸序列，根据相应的氨基酸序列推测脱氧核苷酸序列，再合成相应的目的基因，C正确。
蛋白质工程的应用
1．医药工业方面
(1)速效胰岛素类似物的研发：通过改造______________实现了对相应氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替换为____________或者将它与B29位的__________交换位置，从而抑制胰岛素的聚合。
胰岛素基因
天冬氨酸
赖氨酸
(2)干扰素的体外保存的实现：将干扰素分子上的一个___________变成__________，在一定条件下，可以延长保存时间。
(3)小鼠单克隆抗体的改造：将小鼠抗体上___________的区域“嫁接”到____________上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度会________很多。
半胱氨酸
丝氨酸
结合抗原
人的抗体
降低
2．工业用酶方面
利用蛋白质工程获得枯草杆菌__________的突变体，从中筛选出一些符合工业化_____________的突变体，从而提高这种酶的使用价值。
3．农业方面
(1)科学家正尝试改造某些参与调控________________，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
(2)利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物________________，使它防止害虫的效果增强。
蛋白酶
生产需求
光合作用的酶
蛋白质的结构
蛋白质工程在各个方面的成功应用，是对蛋白质直接改造还是对基因进行改造或修饰？
_____________________________________。
【答案】对基因进行改造或修饰
猪的胰岛素用于人体降低血糖浓度效果不明显，原因是猪的胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪的胰岛素可用于临床治疗人的糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子进行设计的最佳方案是 ( )
A．对猪的胰岛素进行一个不同氨基酸的替换
B．将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接，组成新的胰岛素
C．将猪的胰岛素和人的胰岛素混合在一起治疗人的糖尿病
D．根据人的胰岛素设计制造一种新的胰岛素
【答案】A
【解析】 由于猪的胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同，所以可通过蛋白质工程中蛋白质的分子设计，替换这一个不同的氨基酸，A正确；将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接，组成新的胰岛素的结构改变，B错误；将猪的胰岛素和人的胰岛素混合在一起治疗人的糖尿病达不到预期的效果，C错误；虽然根据人胰岛素分子的结构设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但在分子设计和胰岛素的生产方面都存在着很多困难，所以不是最佳方案，D错误。
课堂·重难探究
[知识归纳]
1．蛋白质工程的概念分析
蛋白质工程的概念分析和原理分析
基础 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
手段 通过改造或合成基因，来改造现有的蛋白质，或制造一种新的蛋白质
目的 满足人类生产和生活的需求
2．蛋白质工程的原理
由预期的蛋白质结构找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列。
3．蛋白质工程的过程
从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
4．流程图
1．基因工程中的目的基因与蛋白质工程中的目的基因有何区别？
提示：基因工程中目的基因一般是自然存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的。
2．为什么要通过基因改造或基因合成来完成蛋白质工程，而不是直接对蛋白质进行改造？
提示：①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。②对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。
[对点精练]
1．(2023·广东清远期末)下列有关蛋白质工程的叙述，错误的是 ( )
A．蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构
B．蛋白质工程生产干扰素的过程遵循了中心法则
C．蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术
D．对纤维素酶的改造是通过改造基因的结构而实现的
【答案】C
【解析】蛋白质工程是以蛋白质的结构规律及其与生物功能的关系作为基础的，因此蛋白质工程可以定向改变蛋白质分子的结构，A正确；蛋白质工程是通过改造基因的结构实现的，该过程中，干扰素的合成过程依然需要经过转录和翻译过程实现，即遵循了中心法则，B正确；蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程技术，因此其没有完全摆脱基因工程技术，C错误；蛋白质工程通过基因改造或基因合成，对现有蛋白质进行基因改造，或制造一种新的蛋白质，可见对纤维素酶的改造需通过改造基因结构，D正确。
2．(2023·云南名校阶段练习)如图为蛋白质工程操作的基本思路，下列叙述不正确的是 ( )
A．代表蛋白质工程操作思路的过程是④⑤
B．代表中心法则内容的是①②③
C．①代表转录，②③代表翻译，④代表分子设计，⑤代表DNA合成
D．蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计，通过基因合成或改造而实现
【答案】D
【解析】蛋白质工程操作思路是以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，即图中的④⑤，A正确；中心法则是指遗传信息的传递过程，包括转录、翻译、DNA复制、RNA复制和逆转录过程，图中①代表转录，②③代表翻译，因此代表中心法则内容的有①②③，B正确；据图可知，①代表转录，②③代表翻译，④代表分子设计，⑤代表DNA合成，C正确；蛋白质工程的目的是对蛋白质的结构进行分子设计，通过基因合成或基因改造实现，D错误。
课堂·延伸提分
易错易混：基因工程与蛋白质工程的比较
比较项目 基因工程 蛋白质工程
原理 基因重组 中心法则的逆转
区别 过程 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 从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质
比较项目 基因工程 蛋白质工程
区别 实质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的生物类型或生物产品(基因的异体表达) 定向改造或生产人类所需要的蛋白质
结果 生产自然界中已经有的蛋白质 生产自然界中没有的蛋白质
联系 蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程，对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过基因改造或基因合成来实现，蛋白质工程离不开基因工程，而基因工程中所用的某些酶也需要通过蛋白质工程进行修饰或改造，以提高其功能，因此两者是相互促进的
例1 下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，不合理的是( )
A．基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造，从而制造一种新的蛋白质
B．蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因改造或基因合成来完成
C．当得到可以在－70 ℃条件下保存半年的干扰素后，在相关酶、氨基酸和适宜的温度、pH条件下，干扰素可以大量自我合成
D．基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的
【答案】C
【解析】基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以通过对基因改造实现对现有蛋白质的改造，或制造一种新的蛋白质，A正确；蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程，蛋白质工程不是对蛋白质分子的直接改造，而是通过修改基因或创造合成新基因来合成新的蛋白质，B正确；干扰素的成分是糖蛋白，不能自我复制，C错误；蛋白质工程的实质是改造基因，基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的，D正确。
错因分析：一是对蛋白质工程和基因工程的结果分辨不清；二是对蛋白质工程的发展和原理掌握不清；三是对蛋白质工程和基因工程的过程和实质掌握不熟练，导致对两者产生的变异是否可以遗传不清楚；四是对干扰素的化学本质及其自我复制的特性理解不清。
解题技巧：实验流程图类试题的解题技巧
例2 Ⅰ．肠道病毒71型(EV71)为单股正链RNA病毒，是引起手足口病的主要病原体之一。 在EV71中，结构蛋白1(VP Ⅰ)为主要的中和抗原(中和抗原与中和抗体结合后能阻止病原体入侵与增殖)。研究人员在研制VP Ⅰ蛋白疫苗的过程中，做了如下实验：
(1)图中过程①和②分别是_____________________________。
(2)采用PCR技术进行体外扩增获得大量的VP Ⅰ基因，除了需要引物外，PCR扩增目的基因还需要_______________________等条件。
(3)通过上述过程⑥得到的蛋白制备的疫苗比④效果更好，从细胞结构差异的角度分析，原因是_________________________________。
Ⅱ．赖氨酸是人体八大必需氨基酸之一，能促进人体发育、增强免疫功能，并有提高中枢神经组织功能的作用。某农科所科技人员欲将玉米中某种蛋白酶改造成“M酶”，从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量，以期培育出高赖氨酸玉米新品种。请回答下列问题：
(1)科技人员先从“提升玉米种子中赖氨酸含量”这一目标出发，预期构建出________的结构，再推测出相对应目的基因的______________序列，最终合成出“M酶”基因。
(2)“M酶”基因只有插入______________，才能确保“M酶”基因在玉米细胞中得以稳定遗传。
(3)将含有“M酶”基因的玉米细胞培育成转“M酶”基因的玉米植株。为了确保育种成功，科技人员需要通过________________，从个体水平加以鉴定。
【答案】Ⅰ．(1)逆转录 、基因表达载体的构建
(2)模板(DNA的两条母链)、原料(四种脱氧核苷酸)、耐高温的DNA聚合酶
(3)动物细胞具有内质网、高尔基体，可以对核糖体合成的多肽链进行剪切、折叠、加工、修饰等处理
Ⅱ．(1) “M酶” 脱氧核苷酸
(2)玉米细胞的染色体DNA中
(3)测定玉米种子中赖氨酸含量
审题流程：
第一步 解读题干，提取信息
根据题干“在EV71中，结构蛋白1(VPⅠ)为主要的中和抗原(中和抗原与中和抗体结合能阻止病原体入侵与增殖)。研究人员在研究VPⅠ蛋白疫苗的过程中，做了如下实验”，“赖氨酸能促进人体发育、增强免疫功能……将玉米中某种蛋白酶改造成‘M酶’，从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量，以期培育出高赖氨酸玉米新品种”可以获得信息：①VPⅠ蛋白是病毒的主要抗原，可以利用VPⅠ蛋白作为抗原研制疫苗；②赖氨酸有许多功能；③可以通过蛋白质工程提高玉米种子赖氨酸的含量。
第二步 解读流程图，对接教材
本题Ⅰ流程图表示有“RNA→DNA的逆转录过程”“DNA→VPⅠ基因的PCR扩增过程”“携带VPⅠ基因的重组表达载体构建过程”“将目的基因分别导入大肠杆菌和动物细胞过程”“检测VPⅠ蛋白表达过程”等内容，可以判断考查的是基因工程的基本操作程序，与教材中第3章第2节密切相关。基因工程的基本操作程序包括目的基因的筛选和获取，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。
根据本题Ⅱ题干“将玉米中某种蛋白酶改造成‘M酶’，从而大大提高玉米种子中赖氨酸的含量”判断考查的是蛋白质工程，与教材中第3章第4节《蛋白质工程的原理和应用》密切相关。蛋白质工程先从预期蛋白质的功能出发，设计预期蛋白质的结构，推测其应有的氨基酸序列，进而推测基因的脱氧核苷酸序列，然后通过基因工程生产需要的蛋白质。
第三步 结合小题，逐个突破
Ⅰ．(1)①是以RNA为模板合成DNA，表示逆转录；②是用VPⅠ基因构建携带VPⅠ基因的重组表达载体，表示基因表达载体的构建。
(2)采用PCR技术进行体外扩增获得大量的VPⅠ基因，除了需要引物外，PCR扩增目的基因还需要模板、原料、耐高温的DNA聚合酶。
(3)大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体；而动物细胞具有内质网、高尔基体，可以对核糖体合成的多肽链进行剪切、折叠、加工、修饰等处理，疫苗效果更好。
Ⅱ．(1)根据题意，从“提升玉米种子中赖氨酸含量”这一目标出发，进行的是蛋白质工程，预期构建出“M酶”的结构，再推测出相对应目的基因的脱氧核苷酸序列，最终合成出“M酶”基因。
(2)“M酶”基因只有插入玉米细胞的染色体DNA中，才能在玉米细胞中得以稳定遗传。
(3)从个体水平鉴定育种是否成功，要测定玉米种子中赖氨酸的含量。
小练·素养达成
1．(2023·广东梅州期末)下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是 ( )
A．蛋白质工程的实质是通过改造基因来改造蛋白质
B．蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子
C．蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列
D．蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
【答案】C
【解析】蛋白质工程的实质是通过改造基因来改造蛋白质，A正确；蛋白质工程能以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因改造或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，B正确；蛋白质工程并非是改变蛋白质分子的所有氨基酸序列，C错误；蛋白质工程可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代的基因工程，是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程，D正确。
2．(2023·广东深圳期中)科学家将葡萄糖异构酶的第138位甘氨酸用脯氨酸替代，结果它的最适温度提高了10～12 ℃。下列说法正确的是 ( )
A．蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异
B．对葡萄糖异构酶的改造需要以基因工程为基础
C．蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具
D．经改造后的葡萄糖异构酶热稳定性提高，这一性状不可遗传
【答案】B
【解析】蛋白质工程和基因工程都要对基因进行操作，其操作对象相同，A错误；对葡萄糖异构酶的改造属于蛋白质工程，需要以基因工程为基础，B正确；蛋白质工程要通过基因工程实施，需要酶和载体作为工具，C错误；蛋白质工程对编码蛋白质的基因进行了改造，遗传物质已经改变，属于可以遗传的变异，D错误。
3．(2023·广东梅州期末)下列关于基因工程和蛋白质工程的叙述错误的是 ( )
①科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，目的是降低转基因奶牛分泌的乳汁中乳糖的含量 ②人生长激素基因工程菌产生的生长激素属于该工程菌的初生代谢物 ③基因工程和蛋白质工程都需要在分子水平对基因进行操作 ④蛋白质工程最终要达到的目的是获取编码蛋白质的基因序列信息
A．一项 B．二项 C．三项 D．四项
【答案】B
【解析】将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，肠乳糖酶基因表达产物是乳糖酶，可分解乳糖，使乳糖含量降低，①正确；人生长激素基因工程菌产生的生长激素属于该工程菌的次生代谢物，②错误；蛋白质工程本质上属于基因工程的延伸，基因工程和蛋白质工程都需要在分子水平上对基因进行操作，③正确；蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求，④错误。综上所述，错误的有二项，B符合题意。
4．(2023·中山名校期末)L天冬酰胺酶对于治疗小儿白血病特别有效，但临床应用中经常出现过敏反应。科研人员预期在L天冬酰胺酶的基础上研发药效性强但免疫性弱的蛋白质药物，下一步要做的是 ( )
A．合成编码L天冬酰胺酶的DNA片段
B．设计出药效性强但免疫性弱的蛋白质结构
C．构建含L天冬酰胺酶基因片段的表达载体
D．利用PCR等技术对表达产物进行检测
【答案】B
【解析】“合成编码L天冬酰胺酶的DNA片段”的上一步骤应该是“根据蛋白质氨基酸序列推断编码蛋白质的DNA序列”，A错误；预期在L天冬酰胺酶的基础上研发药效性强但免疫性弱的蛋白质药物，即“确定预期蛋白质功能”，则下一步应是设计出药效性强但免疫性弱的蛋白质结构，B正确，“构建含L天冬酰胺酶基因片段的表达载体”的上一步骤应该是“合成编码L天冬酰胺酶的DNA片段”，C错误；利用PCR等技术对表达产物进行检测是已经表达出相应产物以后的操作，D错误。
5．(2023·广东深圳期中)生物工程的应用领域非常广泛，下列对于生物工程应用有关叙述错误的是 ( )
A．泡菜的腌制过程中加入一定量的“老汁”(陈泡菜水)，是因为“老汁”中含有大量的乳酸菌，使其在短时间形成优势菌种
B．作物脱毒目前一般采用茎尖等分生组织培养技术脱去病毒，是因为茎尖等分生区分裂旺盛
C．利用蛋白质工程可以生产出自然界不存在的蛋白质，但这种技术最终只能通过操作基因来完成
D．胚胎分割若在囊胚期，内细胞团和滋养层细胞均需进行均等分割
【答案】D
【解析】泡菜的腌制过程中加入一定量的“老汁”(陈泡菜水)，是因为“老汁”中含有大量的乳酸菌，使其在短时间形成优势菌种，增加菌种数量，有助于泡菜的制作，A正确；脱毒苗的培育采用了植物组织技术，培育脱毒苗应选用分生组织，因为其分裂旺盛，所含的病毒少或者不含病毒，B正确；蛋白质工程不是对蛋白质分子的直接改造，而是通过改造或合成基因来改变生物的遗传和表达性状，合成新的蛋白质，这种技术最终只能通过操作基因来完成，C正确；若在囊胚期进行胚胎分割，内细胞团需均等分割，而滋养层不需要均等分割，D错误。(共69张PPT)
第3章 基因工程
①阐述基础理论研究和技术进步催生了基因工程。
②阐述DNA重组技术所需的三种基本工具的作用。
③认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。
④阐述基因工程的原理及基本操作程序。
⑤尝试设计某一转基因生物的研制过程。
⑥举例说明基因工程的应用。
⑦关注基因工程的进展。
⑧认同基因工程的应用促进生产力的提高。
⑨举例说明蛋白质工程崛起的缘由。
⑩阐述蛋白质工程的原理，尝试运用逆向思维分析和解决问题。
5个重点：①DNA重组技术所需的三种基本工具的作用。
②基因工程基本操作程序的四个步骤。
③基因工程在农牧业和医药卫生等方面的应用。
④蛋白质工程崛起的缘由。
⑤蛋白质工程的原理。
4个难点：①基因工程载体具备的条件。
②利用PCR技术获取和扩增目的基因。
③乳腺生物反应器生产药物。
④蛋白质工程的原理。
7个考点：①DNA重组技术所需的两种工具酶的作用。
②基因工程的载体应具备的条件。
③基因工程基本操作程序的四个步骤。
④基因工程在农牧业、医药卫生等方面的应用。
⑤蛋白质工程崛起的缘由。
⑥蛋白质工程的原理。
⑦蛋白质工程的应用。
第1节 重组DNA技术的基本工具
课标要点 学法指导
1．说出基因工程的概念
2．阐述重组DNA技术所需三种基本工具的作用
3．认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新 1．通过分解的方式从操作环境、水平、步骤、结果等方面理解基因工程的概念 (生命观念)
2．列表比较不同的限制酶、DNA连接酶的差异，区分DNA连接酶和DNA聚合酶(科学思维)
3．结合实例分析基因工程载体必须满足的条件(科学思维、社会责任)
知识导图
课前·新知导学
基因工程概念及工具酶
1．基因工程概念
按照人们的愿望，通过____________等技术，赋予生物新的______________，创造出更符合人们需要的新的______________和______________。由于基因工程是在_______________上进行设计和施工的，因此又叫作________________。
转基因
遗传特性
生物类型
生物产品
DNA分子水平
重组DNA技术
2．“分子手术刀”——_____________________
(1)来源：主要是从____________中分离纯化出来的。
(2)作用：能够识别双链DNA分子的________________，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的______________断开。
(3)结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式——____________和___________。
限制性内切核酸酶
原核生物
特定核苷酸序列
磷酸二酯键
黏性末端
平末端
3．“分子缝合针”——__________________
DNA连接酶
E.coli DNA
(2)作用结果：恢复被___________切开的两个核苷酸之间的______ ________，拼接成新的DNA分子。
大肠杆菌
互补黏性末端
T4噬菌体
黏性末端
平末端
限制酶
磷酸
二酯键
基因工程的原理是什么？
____________________________。
【答案】基因重组
下列有关基因工程的叙述，正确的是 ( )
A．基因工程是细胞水平上的生物工程
B．基因工程的产物对生物都有利
C．基因工程能定向改造生物的性状
D．基因工程引起的变异属于基因突变
【答案】C
【解析】基因工程是分子水平上的生物工程，其产生的变异属于基因重组，A、D错误。基因工程是按照人们的意愿进行的，能定向改造生物的性状；基因工程的产物有的对生物有利，有的对生物不利，B错误、C正确。
“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体
1．作用
将____________送入细胞。
2．载体具备的条件
(1)能够在受体细胞中进行_____________，或整合到____________上，随受体DNA进行同步复制。
(2)有一个或多个__________切割位点，供外源基因插入。
(3)具有特殊的___________，供重组DNA分子的筛选。
外源基因
自我复制
受体DNA
限制酶
标记基因
3．种类
(1)常用的载体：________，是一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，并具有_________________的___________DNA分子。
(2)其他载体：噬菌体、_______________等。
质粒
自我复制能力
环状双链
动植物病毒
质粒是基因工程中最常用的载体，它只存在于原核细胞中吗？
_____________________________________。
【答案】不是，某些真核细胞中也存在质粒，如酵母菌细胞内也存在质粒
质粒是基因工程中最常用的目的基因运载工具。下列有关叙述正确的是 ( )
A．质粒只分布于原核细胞中
B．在所有的质粒上总能找到一个或多个限制酶切割位点
C．携带目的基因的重组质粒只有整合到宿主细胞的染色体DNA上才会随后者的复制而复制
D．质粒上的抗性基因常作为标记基因供重组DNA分子的筛选
【答案】D
【解析】质粒不只分布于原核生物中，在真核生物——酵母菌细胞内也有分布，A错误；并不是所有的质粒都能找到限制酶的切割位点而成为合适的运载目的基因的工具，B错误；重组质粒进入受体细胞后，可以在细胞内自我复制，也可以整合后复制，C错误；质粒上的抗性基因常作为标记基因供重组DNA分子的筛选，D正确。
DNA的粗提取与鉴定
1．DNA的粗提取原理
(1)DNA__________酒精，但某些蛋白质_______酒精，利用这一原理，可以初步分离DNA与蛋白质。
(2)DNA在不同浓度的NaCl溶液中的_________不同，它能溶于2 mol/L的NaCl溶液。
2．DNA的鉴定原理
在一定温度下，DNA遇______________会呈现蓝色，因此，______________可以作为鉴定DNA的试剂。
不溶于
溶于
溶解度
二苯胺试剂
二苯胺试剂
3．方法步骤
↓
↓
↓
↓
新鲜洋葱
酒精
二苯胺
研磨洋葱组织时，如果研磨不充分，会对实验结果产生怎样的影响？
_____________________________________。
【答案】研磨不充分，会使细胞核内的DNA释放不完全，提取的DNA量变少，影响实验结果，导致看不到丝状物或沉淀物，用二苯胺试剂鉴定不显示蓝色
下列关于“DNA的粗提取与鉴定”实验的原理的叙述，正确的是 ( )
A．可用猪血作为实验材料，原因是猪血中的成熟红细胞有细胞核，细胞核中DNA含量多
B．利用“DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，在2 mol/L的NaCl溶液中析出”的特性提取DNA
C．利用“DNA不溶于酒精，而细胞中的某些蛋白质溶于酒精”的特性可以初步分离DNA与蛋白质
D．利用“DNA与二苯胺试剂作用呈现紫色”的特性鉴定DNA
【答案】C
【解析】猪血中的成熟红细胞不含细胞核，A错误；DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，它能溶于2 mol/L的NaCl溶液，B错误；DNA不溶于酒精，而细胞中的某些蛋白质溶于酒精，可以利用这一特性进行DNA与蛋白质的初步分离，C正确；在沸水条件下，DNA与二苯胺试剂反应呈现蓝色，D错误。
课堂·重难探究
基因工程概念及工具酶分析
[知识归纳]
1．基因工程概念分析
项目 基因工程
别称 重组DNA技术
原理 基因重组
操作环境 生物体外
操作对象 基因
操作水平 DNA分子水平
基本过程 剪切→拼接→导入→表达
结果 创造出人类需要的新的生物类型和生物产品
2．限制性内切核酸酶的相关分析
来源 原核生物(主要)
作用 切割DNA分子
作用部位 磷酸二酯键
作用特点 具有特异性，即能识别特定的核苷酸序列，并在特定位点切割磷酸二酯键
作用结果 形成黏性末端或平末端
3．DNA连接酶的相关分析
作用 将DNA片段拼接成新的DNA分子
作用部位 磷酸二酯键
种类 E.coli DNA连接酶：只连接黏性末端
T4 DNA连接酶：连接黏性末端和平末端
[对点精练]
1．(2023·广东潮州期中)下列有关限制酶和DNA连接酶的叙述正确的是 ( )
A．限制酶将DNA双链切割成两条单链
B．同种限制酶既可以切割含目的基因的DNA片段又可以切割质粒，因此不具有专一性
D．E．coli DNA连接酶能催化平末端和黏性末端的连接
【答案】C
2．(2023·广东云浮期末)图甲、乙分别表示EcoRⅠ和SmaⅠ限制酶识别序列和切割位点(图中箭头处)，可形成不同的末端。据图分析，下列说法正确的是 ( )
A．限制酶可作用于DNA的磷酸二酯键和氢键
B．识别黏性末端的DNA连接酶也能识别平末端
C．限制酶的识别序列都是由6个核苷酸组成的
D．图甲的末端“缝合”时有氢键的重新连接
【答案】D
【解析】限制酶使每一条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键断裂，A错误；E.coli DNA连接酶只能识别黏性末端，不能识别平末端，B错误；多数限制酶识别的核苷酸序列是由6个核苷酸组成，但不是所有限制酶的识别序列都是由6个核苷酸组成的，也可能识别5个或8个核苷酸序列，C错误；图甲的末端“缝合”时两个核苷酸之间由磷酸二酯键连接，两个黏性末端的互补碱基之间靠氢键连接，D正确。
【易错易混】比较DNA连接酶和DNA聚合酶
项目 DNA连接酶 DNA聚合酶
相同点 催化形成磷酸二酯键
不同点 模板 不需要 需要
作用
实质 在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键 将单个脱氧核苷酸加到已存在的核苷酸链的3′端的羟基上，形成磷酸二酯键
作用结果 连接两个DNA片段 延伸形成DNA子链
[知识归纳]
1．载体的作用
(1)将目的基因送入受体细胞。
(2)使目的基因在受体细胞内得到复制和表达。
载体
2．载体应具备的条件及原因分析
具备条件 原因分析
有一个至多个限制酶切割位点 供外源DNA基因插入其中
能在受体细胞中进行自我复制，或能够整合到受体DNA上 能使目的基因在受体细胞中得到复制和表达
带有标记基因 便于重组DNA分子的筛选
对受体细胞无害 不影响受体细胞的正常生命活动
3．质粒的分析
(1)质粒的本质：环状双链DNA分子。
(2)质粒的特点：能够进行自我复制。
(3)质粒的存在场所：真核细胞细胞核以外、原核细胞拟核DNA以外。
(1)切割目的基因应选用哪类限制酶？切割质粒呢？请说明理由。
(2)限制酶Ⅰ和限制酶Ⅱ切割DNA后获得的黏性末端是否相同？
(3)基因工程的载体和细胞膜上的载体有什么区别呢？
(2)相同，均具有GATC—的黏性末端。
(3)基因工程的载体和细胞膜上的载体的区别主要表现在两个方面：①化学本质不同。细胞膜上的载体的化学成分是蛋白质；基因工程中的载体可能是物质，如质粒(DNA)，也可能是生物，如噬菌体、动植物病毒等。②功能不同。细胞膜上的载体功能是协助细胞膜控制物质进出细胞；基因工程中的载体是一种“分子运输车”，用于把目的基因导入受体细胞。
[对点精练]
1．(2023·河北张家口期中)质粒是基因工程最常用的载体，下列有关质粒的说法正确的是 ( )
A．质粒不仅存在于细菌中，也存在于某些病毒中
B．细菌的基因只存在于质粒中
C．质粒为小型环状DNA分子
D．质粒是基因工程中的重要工具酶之一
【答案】C
【解析】质粒主要存在于细菌、酵母菌等生物中，病毒中没有质粒，A错误；细菌基因主要存在于拟核DNA中，也有少数存在于质粒中，B错误；质粒为小型环状DNA分子，存在于细胞核外或拟核外的细胞质基质中，C正确；质粒是基因工程中的重要工具之一，但不是工具酶，基因工程中的工具酶是限制酶和DNA聚合酶，D错误。
2．(2023·吉林名校期末)在重组DNA技术中，将外源基因导入受体细胞，通常是利用质粒作为载体。下列关于质粒的叙述，正确的是 ( )
A．质粒是一种只存在于原核细胞中的结构简单的环状DNA分子
B．质粒的复制和表达过程都遵循中心法则和碱基互补配对原则
C．目的基因只有通过质粒整合到受体细胞的DNA中才能表达
D．大多数天然质粒都不需要人工改造，可以直接作为载体使用
【答案】B
【解析】质粒是存在于许多细菌以及酵母菌(真核细胞)中的有自主复制能力的小型环状DNA分子，A错误；质粒的复制和表达都遵循中心法则，也遵循碱基互补配对原则，B正确；只需要将含有目的基因的质粒导入受体细胞，无需整合到受体细胞的DNA中也能表达，C错误；天然的质粒不能直接作为载体，基因工程中用到的质粒都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的，D错误。
课堂·延伸提分
易错易混：与DNA的有关的酶的作用底物、作用部位和作用产物
项目 作用底物 作用部位 作用产物
限制酶 DNA分子 磷酸二酯键 黏性末端或平末端
DNA连接酶 DNA片段 磷酸二酯键 重组DNA分子
DNA聚合酶 脱氧核苷酸 磷酸二酯键 新的DNA分子
解旋酶 DNA分子 氢键 单链DNA
例1 如图表示DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，下面有关叙述不正确的是 ( )
A．①和②中的酶都是基因工程中所需的工具
B．DNA复制会用到③和④中的酶
C．除了③以外，①②④中的酶作用的都是相同的键
D．③作用过程中会产生水
【答案】D
【解析】①中的酶为限制酶，②中的酶为DNA连接酶，都是基因工程中所需要的工具，A正确；DNA复制会用到③中的解旋酶和④中的DNA聚合酶，B正确；③中的酶作用于氢键，除了该酶以外，①②④中的酶作用的都是相同的键，即磷酸二酯键，C正确；③是解旋过程，该过程中不会产生水，D错误。
错因分析：一是对4种酶的作用底物识记不清，二是对4种酶的作用部位没有掌握，三是对4种酶的作用产物理解不到位，以及对每种酶的使用掌握不清。
解题技巧：探究性实验的解题方法
例2 基因工程中最常用的载体是质粒，作为载体，需有标记基因，如抗青霉素基因、抗四环素基因等。现欲鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别，设计了如下实验。
材料用具：青霉素、四环素的10万单位溶液、菌种试管、已经灭菌的含细菌培养基的培养皿、酒精灯、接种环、一次性注射器、蒸馏水、恒温箱。
方法步骤：
第一步：取3个含细菌培养基的培养皿并分别标为1、2、3号，在酒精灯旁，用3只注射器分别注入1 mL蒸馏水、青霉素溶液、四环素溶液，并使之分布在整个培养基表面。
第二步：将接种环放在酒精灯的火焰______(填“上”或“旁”)灼烧，并在酒精灯的火焰________(填“上”或“旁”)取菌种，对3个培养皿分别接种。
第三步：将接种后的3个培养皿放入37 ℃恒温箱中培养24 h。
请对结果进行预测：
(1)若________号培养皿中细菌存活，说明该细菌质粒上有两种抗性基因。
(2)若1号培养皿中细菌存活，2、3号培养皿中没有细菌存活，说明_____________________________________。
(3)_____________________________________。
(4)_____________________________________。
【答案】第二步：上 旁
(1) 1、2、3
(2)该细菌质粒上两种抗性基因都没有
(3)若1、2号培养皿中细菌存活，3号培养皿中没有细菌存活，说明该细菌质粒上有青霉素抗性基因
(4)若1、3号培养皿中细菌存活，2号培养皿中没有细菌存活，说明该细菌质粒上有四环素抗性基因
审题流程：
第一步 解读题干，获取有用信息
由题干“基因工程中最常用的载体是质粒，作为载体，需有标记基因，现欲鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别”可以获得信息：①基因工程中最常用的载体是质粒；②质粒作为载体，需要有标记基因；③欲鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别。
第二步 对接教材和探究性实验的做题方法，迁移运用
题干中“基因工程中最常用的载体”对接教材中《重组DNA技术的基本工具》一节中“分子运输车”。本实验“鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别”实验结果是未知的，为探究性实验。探究性实验的设计，遵循对照原则和单一变量原则。上述实验的自变量是培养基中添加的抗生素种类，因变量是培养基中的菌落生存情况；添加蒸馏水的组为空白对照组，分别添加四环素和青霉素的组均为实验组；实验中添加的试剂的量、培养条件等均属于无关变量，各组应相同且适宜。探究性实验的结果未知，实验结果和结论不唯一。根据上述分析可知，该实验中细菌可能存在4种类型，这4种类型的细菌在3组培养基中的生长情况不同，故实验结果可能有4种，对应的实验结论也就有4种。
第三步 结合小题，逐个突破
根据题意可知，本实验的目的是鉴别某种细菌质粒抗药性基因的类别，即检测细菌在何种培养基中能正常生长、繁殖。根据已有的步骤安排，按照无菌操作的要求，第二步中应将接种环放在酒精灯的火焰上灼烧，并在酒精灯的火焰旁(无菌区)取菌种，对3个培养皿分别接种。实验结果和结论有多种可能：若细菌中含有某种抗生素抗性基因(标记基因)，该基因正常表达，则该细菌就有抵抗此抗生素的能力，就可以在含有该种抗生素的培养基中正常生长、繁殖，否则就不能在含有该抗生素的培养基中生存。
因此：(1)若该细菌质粒上有两种抗性基因，则细菌可在1、2、3号培养基中存活。(2)若该细菌质粒上两种抗性基因都没有，则细菌可在1号培养基中存活，在2、3号培养基中无法存活。(3)若该细菌质粒上仅含有青霉素抗性基因，则细菌能在1、2号培养基中存活，而在3号培养基中无法存活。(4)若该细菌质粒上仅含有四环素抗性基因，则细菌可在1、3号培养基中存活，在2号培养基中无法存活。
小练·素养达成
1．(2023·山西名校阶段练习)下列不属于质粒作为载体的理由的是 ( )
A．能自我复制
B．有一个至多个限制酶切割位点
C．具有标记基因
D．它是环状DNA
【答案】D
【解析】质粒存在于细菌和酵母菌等生物中，含有标记基因，便于受体细胞检测和筛选；有多个限制酶切点，以便与多种外源基因连接；能随着受体细胞DNA的复制而复制，使目的基因能在宿主细胞中保存下来并能大量复制，基因工程中并未要求载体一定是环状的DNA，A、B、C正确，D错误。
2．(2023·重庆名校期末)下列对于基因工程所需基本工具的叙述，错误的是 ( )
C．DNA连接酶和DNA聚合酶连接的是同一化学键，但它们催化底物不同
D．培育转基因抗虫水稻，可以选用质粒或者植物病毒作为载体
【答案】A
3．下列与基因工程有关的说法，正确的是 ( )
A．基因工程育种不能使不同物种的优良性状集中在同一个体中
B．常用的基因载体有大肠杆菌拟核 DNA、动植物病毒等
C．限制性内切核酸酶只用于切割获取目的基因
D．基因工程利用基因重组的原理，可定向改变生物的性状
【答案】D
【解析】基因工程育种能按照人们的意愿，使不同物种的优良性状集中在同一个体中，A错误；常用的载体有质粒、噬菌体、动植物病毒，大肠杆菌拟核区的DNA不能作为载体，B错误；限制性内切核酸酶不仅用于切割目的基因，同时也用于切割载体，C错误；基因工程育种能按照人们的意愿，利用基因重组的原理来定向改变生物性状，D正确。
4．(2023·海南名校阶段练习)以下是几种不同限制性内切核酸酶切割DNA分子后形成的部分片段。下列叙述中正确的是 ( )
A．以上DNA片段是由4种限制酶切割后产生的
C．①和④两个片段可以在DNA聚合酶的作用下形成重组DNA分子
D．限制酶和DNA连接酶作用的部位都是磷酸二酯键
【答案】D
A．酶切过程中，需控制好酶浓度、温度和反应时间等因素
B．目的基因经BamH Ⅰ切割后形成的黏性末端是－CTAGG
C．分别用两种限制酶切割，保证了目的基因定向插入质粒
D．经两种酶处理得到的重组质粒能再被这两种酶识别
【答案】A
【解析】酶切过程中，需控制好酶浓度、温度和反应时间等因素，A正确；目的基因经BamHⅠ切割后形成的黏性末端是－GATC或CTAG－，B错误；分别用两种限制酶切割，由于形成的黏性末端相同，因此并不能保证目的基因定向插入质粒，C错误；经两种酶处理得到的重组质粒不能再被这两种酶识别，D错误。(共103张PPT)
第3章 基因工程
第2节 基因工程的基本操作程序
课标要点 学法指导
1．阐明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的获取、基因表达载体的构建、目的基因导入受体细胞和目的基因及其表达产物的检测鉴定等步骤
2．利用聚合酶链式反应(PCR)扩增DNA片段并完成电泳鉴定或运用软件进行虚拟PCR实验 1．掌握目的基因的筛选与获取方法(科学思维)
2．学会基因表达载体构建的方法和要求(生命观念)
3．理解目的基因导入受体细胞的具体过程(科学思维)
4．掌握目的基因检测与鉴定的方法(社会责任)
5．掌握DNA片段的扩增及电泳鉴定的方法(科学探究)
知识导图
课前·新知导学
目的基因的筛选与获取
1．目的基因
用于改变受体细胞性状或获得______________等的基因，它可以编码__________。
2．筛选目的基因的依据
根据目的基因的已知____________进行筛选是较为有效的方法。
预期表达产物
蛋白质
结构和功能
3．利用PCR技术获取和扩增目的基因
(1)原理：______________复制。
(2)条件：一定的缓冲液、DNA、分别与两条模板链结合的__________、4种脱氧核苷酸、____________________、温度控制。
DNA半保留
2种引物
耐高温的DNA聚合酶
(3)过程：
【答案】引物 耐高温的DNA聚合 3′
(4)结果：由于延伸后得到的产物又可以作为下一个循环的模板，因而每一次循环后目的基因的量可以增加一倍，即成________形式扩增(约为2n，其中n为扩增循环的次数)。
(5)产物鉴定：_________________。
4．目的基因也可以通过构建___________获得
指数
琼脂糖凝胶电泳
基因文库
PCR过程需要解旋酶吗？所需要的DNA聚合酶又具有什么特点呢？
_____________________________________。
【答案】PCR过程中，DNA双链解开是在高温下完成的，不需要解旋酶。所需要的DNA聚合酶应具有耐高温的特点
下列属于PCR技术的条件的是 ( )
①单链的脱氧核苷酸序列引物 ②目的基因所在的DNA片段 ③脱氧核苷酸 ④核糖核苷酸 ⑤DNA连接酶 ⑥DNA聚合酶
⑦限制性内切核酸酶
A．①②③⑤ B．①②③⑥
C．①②③⑤⑦ D．①②④⑤⑦
【答案】B
【解析】PCR技术需要一对引物，即一对单链的脱氧核苷酸序列引物，①正确；PCR技术需要模板，即目的基因所在的DNA片段，②正确；需要脱氧核苷酸作为原料，③正确；核糖核苷酸是合成RNA的原料，而PCR合成的是DNA，④错误；采用PCR合成DNA时，不需要DNA连接酶，而需要DNA聚合酶，⑤错误，⑥正确；体外合成DNA时，不需要限制性内切核酸酶，⑦错误。故B符合题意。
基因表达载体的构建——基因工程的核心
1．基因表达载体的功能
使目的基因在受体细胞中____________，并且可以遗传给下一代，使目的基因能够________和发挥作用。
稳定存在
表达
2．表达载体的组成
目的基因、__________、__________、标记基因等。
(1)启动子：位于基因的________的一段有特殊序列结构的DNA片段，是____________识别和结合的部位，能驱动基因________产生所需的mRNA。
(2)终止子：位于基因的________的一段有特殊序列结构的DNA片段，终止________。
启动子
终止子
上游
RNA聚合酶
转录
下游
转录
3．基因表达载体的构建过程
(1)用一定的__________切割载体，使它出现一个切口。
(2)用__________或能产生相同末端的限制酶切割含___________的DNA片段。
(3)利用________________将目的基因片段拼接到载体的切口处，形成重组DNA分子。
限制酶
同一种
目的基因
DNA连接酶
构建重组质粒时只能用同一种限制酶切割目的基因和载体吗？
_____________________________________。
【答案】切割目的基因和载体并非只能用同一种限制酶，如果两种不同的限制酶切割后形成的黏性末端相同，在DNA连接酶的作用下目的基因和载体也可以连接起来
下列选项中不是表达载体必要的组成成分的是 ( )
A．目的基因 B．启动子
C．终止子 D．抗青霉素基因
【答案】D
【解析】基因表达载体的组成包括目的基因、标记基因、启动子、终止子等，A、B、C正确；抗青霉素基因可以作为标记基因，但标记基因也可以是其他的基因，所以抗青霉素基因不是基因表达载体所必需的，D错误。
将目的基因导入受体细胞
1．转化的概念
目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内__________________的过程。
2．转化的方法
维持稳定和表达
受体细胞 导入方法 举例 操作方法
植物
细胞 农杆菌
转化法 农杆菌
侵染水稻 目的基因插入Ti质粒的__________上→转入农杆菌→导入植物细胞→目的基因插入植物细胞中的____________中→目的基因表达
T－DNA
染色体DNA
受体细胞 导入方法 举例 操作方法
植物
细胞 花粉管
通道法 培育转
基因抗
虫棉 方法1：用微量的注射器将含目的基因的DNA溶液直接注入_______中
方法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________通道进入 胚囊
子房
花粉管
受体细胞 导入方法 举例 操作方法
动物
细胞 显微
注射法 转基因
动物 目的基因表达载体提纯→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的转基因动物
大肠
杆菌 Ca2+
处理法 转基因
药物 用Ca2+处理大肠杆菌细胞，使细胞处于一种能________________________的生理状态，然后将____________________导入其中
吸收周围环境中DNA分子
重组的基因表达载体
植物基因工程的受体细胞是体细胞还是受精卵？为什么？
_____________________________________。
【答案】体细胞和受精卵都可以，因为植物细胞的体细胞和受精卵都具有全能性，都可以发育成完整个体
农杆菌转化法将目的基因导入受体细胞，目的基因的最终位置是 ( )
A．Ti质粒上 B．受体细胞染色体上
C．裸露细胞核中 D．存在细胞质中
【答案】B
【解析】农杆菌的Ti质粒上的T-DNA片段具有转移作用，能整合到细胞染色体DNA上。将目的基因插入T－DNA片段中，能利用T－DNA片段的特性，将目的基因转移到受体细胞的染色体DNA上。
目的基因的检测与鉴定
类型 检测内容 检测方法
分子水平
的检测 检测受体细胞的______________上是否插入了目的基因 _______等技术
检测目的基因是否转录出了mRNA
检测目的基因是否翻译成相应的蛋白质 _______________
个体生物学水平的鉴定 目的基因的表达产物是否具有生物学活性 抗病、抗虫等个体性状测定
染色体DNA
PCR
抗原－抗体杂交
检测棉花中导入的抗虫基因是否表达的最简单的方法是什么？
_____________________________________。
【答案】用叶片直接饲喂棉铃虫，观察棉铃虫是否死亡
目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过鉴定和检测才能知道。下列属于目的基因检测和鉴定的是 ( )
①检测受体细胞是否含有目的基因 ②检测受体细胞是否含有致病基因 ③检测目的基因是否转录出mRNA ④检测目的基因是否翻译出蛋白质
A．①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②④
【答案】C
【解析】目的基因导入受体细胞后，要检测其是否进入了受体细胞及在受体细胞中是否进行了表达，所以要进行的检测和鉴定包括检测受体细胞是否含有目的基因，①正确；检测目的基因是否转录出mRNA，③正确；检测目的基因是否翻译出蛋白质，④正确；不需要检测受体细胞中是否含有致病基因，②错误。故C符合题意。
DNA片段的扩增与电泳鉴定
1．实验原理
(1)DNA片段扩增的原理：利用________可以在体外进行DNA片段的扩增。PCR利用了________________原理，通过调节温度来控制________________________。
PCR
DNA的热变性
DNA双链的解聚与结合
(2)DNA片段鉴定的原理：
①DNA分子具有可解离的__________，在一定的pH下，这些基团可以带上__________________。在________的作用下，这些带电分子会向着与它所带电荷________的电极移动，这个过程就是电泳。
②PCR的产物DNA片段一般通过__________________来鉴定。在凝胶中DNA分子的迁移速率与_____________、_________________和________等有关。
③在凝胶中DNA分子通过________，可以在波长为__________的紫外灯下被检测出来。
基团
正电荷或负电荷
电场
相反
琼脂糖凝胶电泳
凝胶的浓度
DNA分子的大小
构象
染色
300 nm
2．方法步骤
(1)DNA片段扩增：
(2)DNA片段的电泳鉴定：
【答案】(2)0.8%～1.2% 电泳槽
【答案】PCR产物 指示分子 凝胶边缘
PCR实验中使用的微量离心管、枪头和蒸馏水在使用前要进行灭菌，灭菌的方法有哪些？____________________________。
【答案】高压蒸汽灭菌
使用PCR仪的具体实验操作顺序应为 ( )
①设计好PCR仪的循环程序 ②按照配方准备好各组分 ③用微量移液器在微量离心管中依次加入各组分 ④进行PCR反应 ⑤离心使反应液集中在离心管底部
A．②③⑤④① B．①⑤③②④
C．②③⑤①④ D．④②⑤③①
【答案】C
【解析】使用PCR仪的操作步骤一般为准备(包括配制配方及将各配方放于实验台上)、移液、混合、离心、设计循环程序、反应，C正确。
课堂·重难探究
目的基因的筛选、获取
[知识归纳]
1．目的基因筛选的原理
根据目的基因已知的结构和功能进行筛选。
2．目的基因获取的方法
(1)利用PCR技术获取和扩增目的基因。
①PCR技术的原理：DNA半保留复制。
②PCR技术的前提条件：有一段已知目的基因的核苷酸序列(便于根据这一序列合成引物)。
③PCR技术的条件分析：
所需条件 在PCR技术中参与的组分
模板 DNA母链
原料 4种脱氧核苷酸
酶 耐高温的DNA聚合酶
引物 一小段能与DNA母链进行配对的短单链核酸
一定的缓冲液 保持反应体系的pH稳定
控制温度 保证DNA复制在体外反复进行
④PCR技术的过程：
PCR一般要经历三十多次循环，每次循环可以分为变性、复性和延伸三步。在循环之前，常要进行一次预变性，以便增加大分子模板DNA彻底变性的概率(如图)。
a．变性：当温度上升到90 ℃以上时，双链DNA解聚为单链。
b．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。
c．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结果：使处于两个引物之间的DNA片段呈指数增长。
(2)通过构建基因文库获取目的基因。
[对点精练]
1．以下甲、乙两图表示从细菌细胞中获取目的基因的两种方法，以下说法中错误的是 ( )
A．甲方法可以根据目的基因的结构和功能进行筛选
B．乙方法的c过程表示转录，d过程表示逆转录
C．甲方法要以脱氧核苷酸为原料
D．乙方法需要逆转录酶参与
【答案】C
【解析】甲方法是某细菌的DNA扩增并用限制酶切割，得到该细菌的多个DNA片段，可以根据目的基因的结构和功能进行筛选，A正确、C错误；乙方法中c为转录，d为逆转录，需要逆转录酶的参与，B、D正确。
2．(2023·河北张家口期中)利用PCR技术扩增目的基因，其原理与细胞内DNA复制类似(如下图所示)。图中引物为单链DNA片段，它是子链合成延伸的基础。下列叙述错误的是 ( )
A．用PCR方法扩增目的基因时不必知道基因的全部序列
B．设计引物时需要避免引物之间形成碱基互补配对而造成引物自连
C．复性温度过高可能导致PCR反应得不到任何扩增产物
D．第四轮循环产物中同时含有引物A和引物B的DNA片段所占的比例为15/16
【答案】D
【解析】用PCR方法扩增目的基因时不必知道基因的全部序列，只需要知道一段已知目的基因的核苷酸序列，从而根据这段序列合成引物，A正确；设计引物时需要避免引物之间形成碱基互补配对而造成引物自连，B正确；复性的目的是引物与模板DNA结合，故复性温度过高可能导致引物与模板DNA不能结合，因而使得PCR反应得不到任何扩增产物，C正确；DNA复制为半保留复制，DNA复制n次，共形成2n个DNA，其中两个DNA含有母链和子链(引物A或引物B)，(2n－2)个DNA都含有子链(含有引物A和引物B)，第四轮循环即DNA复制4次，共形成16个DNA，其中2个DNA含有引物A或引物B，所以第四轮循环产物中同时含有引物A和引物B的DNA片段所占的比例为14/16＝7/8，D错误。
【易错易混】比较体内DNA复制和PCR技术
比较项目 体内DNA复制 PCR反应
解旋 在解旋酶作用下，细胞提供能量，部分DNA双链解开 90 ℃以上高温下解旋，DNA双链全部解开，不需要解旋酶
酶 解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶 耐高温的DNA聚合酶
引物 一小段RNA 可以是RNA或单链DNA分子片段
合成
子链 在引物基础上，一条链连续合成；另一条链不连续合成，再由DNA连接酶连接 分别从两条链的引物的3′端开始延伸，都是连续合成
比较项目 体内DNA复制 PCR反应
过程
循环次数 受生物体自身控制 30多次
产物 完整DNA 两个引物之间的DNA片段
相同点 都需要DNA模板、4种脱氧核苷酸、分别与两条模板链相结合的两种引物；都是半保留复制，严格遵循碱基互补配对原则
[知识归纳]
1．基因表达载体的组成
基因表达载体的构建
2．基因表达载体构建的过程
3．构建基因表达载体时限制酶的选择
根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类：
(1)所选限制酶的切点应该位于目的基因的两端，不能位于目的基因的内部，否则，会破坏目的基因的结构。
(2)为了便于目的基因与载体连接，常常选用同一种限制酶切割目的基因和载体，这样可以产生相同的黏性末端，有利于连接。
(3)为了防止目的基因和载体的自身环化和随意连接，应使用不同的限制酶切割目的基因和载体，这样目的基因和载体两端的末端不一样，但目的基因和载体上都有一个相同的末端。
利用基因工程培育转基因植物，需要构建基因表达载体，下图甲、乙分别表示含有目的基因的DNA片段、质粒，请结合甲、乙两图，回答下列问题：
(1)为什么不直接将目的基因导入受体细胞，而需要构建基因表达载体？
(2)图乙是载体质粒的示意图，除了图中的标记基因外，基因表达载体还有哪些结构？
(3)结合甲、乙两图分析，为了使目的基因与载体连接，应用哪种限制酶进行切割，为什么？能用限制酶Sma Ⅰ吗？
(4)获得目的基因后，用DNA连接酶连接构建基因表达载体时，会出现几种结果？为了防止目的基因与载体反向连接，结合上图分析，可以怎么解决？
提示：(1)游离的DNA进入受体细胞，一般会直接被分解，就算可以进行转录并翻译成蛋白质，游离的DNA片段也无法随着细胞分裂而进行复制，导致子代细胞中不再含有目的基因。若构建基因表达载体，由于载体可以在细胞内复制，随着细胞分裂，载体会带着目的基因存在于每个子代细胞中。
(2)基因表达载体除了标记基因外，还有目的基因、启动子、终止子、复制原点等。
(3)用限制酶PstⅠ，因为目的基因和载体上都有限制酶PstⅠ的识别位点，可以产生相同的黏性末端，便于连接；不能用限制酶SmaⅠ切割目的基因和载体，因为用限制酶SmaⅠ切割目的基因，会破坏目的基因的结构，用限制酶SmaⅠ切割载体，会破坏标记基因，难以进行筛选。
(4)目的基因与载体结合、目的基因与目的基因结合、载体与载体结合，还会出现目的基因与载体反向结合；为了防止目的基因与载体反向连接，可以同时使用限制酶PstⅠ和EcoRⅠ对目的基因和载体进行切割。
[对点精练]
1．(2023·广东珠海期末)目的基因与载体结合所需的条件是 ( )
①同一种限制酶 ②具有标记基因的质粒 ③RNA聚合酶 ④目的基因 ⑤DNA连接酶 ⑥四种脱氧核苷酸 ⑦ATP
A．①②③④⑤⑥⑦ B．①②④⑤⑥⑦
C．①②③④⑤ D．①⑤⑦
【答案】D
【解析】目的基因与载体结合需要用同一种限制酶切割形成相同的黏性末端，①正确；②载体一般选择具有标记基因的质粒，但不是目的基因与载体结合的条件，②错误；③RNA聚合酶一般用于转录过程，③错误；④目的基因是基因工程的必需条件，但不是目的基因与载体结合的条件，④错误；⑤切割后的目的基因和质粒需要利用DNA连接酶连接成重组质粒，⑤正确；⑥四种脱氧核苷酸一般作为DNA复制和逆转录过程的原料，该过程中不需要，⑥错误；⑦该过程需要消耗能量，因此需要ATP，⑦正确。综上所述，①⑤⑦正确。故选D。
2．为了增加菊花花色类型，研究者从其他植物中克隆出花色基因C(图1)，拟将其与质粒(图2)重组，再借助农杆菌导入菊花中。下列操作不正确的是 ( )
A．用限制性内切核酸酶EcoRⅠ和DNA连接酶构建重组质粒
B．重组质粒的构建依赖于碱基互补配对
C．在培养基中添加卡那霉素，筛选被转化的菊花细胞
D．C基因导入受体细胞后，不一定能够成功表达，需要进一步检测与鉴定
【答案】C
【解析】分析图示可知，用限制性内切核酸酶EcoRⅠ切割目的基因(花色基因C)和质粒，可使目的基因和质粒产生相同的黏性末端，再用DNA连接酶将切口连起来从而构建重组质粒，A正确；重组质粒构建时，目的基因的黏性末端和质粒的黏性末端之间的碱基通过碱基互补配对形成氢键，B正确；从图中可以看出，该质粒中只有潮霉素抗性基因，被转化的菊花细胞只对潮霉素有抗性，因此在培养基中添加卡那霉素不能筛选被转化的菊花细胞，C错误；C基因导入受体细胞后，不一定能够成功表达，需要进一步检测与鉴定，D正确。
[知识归纳]
将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定
1．将目的基因导入受体细胞的方法
生物类型 方法 受体细胞 过程 特点
转基
因植
物 花粉
管通
道法 受精
卵 植物受粉一段时间后剪去柱头→滴加DNA溶液(含目的基因)→目的基因借助花粉管通道进入受体细胞(胚囊)→目的基因表达 我国独
创的一
种方法
生物类型 方法 受体细胞 过程 特点
转基因
植物 农杆
菌转
化法 体细胞或
受精卵 将目的基因插入农杆菌Ti质粒的TDNA片段上→转入农杆菌→用农杆菌侵染植物细胞→目的基因整合到植物细胞的染色体DNA上→目的基因表达 适用于
双子叶
植物和
裸子植物
生物类型 方法 受体细胞 过程 特点
转基
因植物 显微
注射法 受精卵 提纯含目的基因的表达载体→取卵(受精卵)→显微注射→胚胎早期发育，移植→获得具有新性状的动物 目的基因
导入动物
细胞最有
效的方法
转基
因微
生物 Ca2+
处理法 微生物
细胞 用Ca2+处理微生物细胞→处于能吸收DNA分子的状态(即感受态细胞)→基因表达载体与感受态细胞混合→在一定温度下促进感受态细胞吸收DNA分子 简便、经
济、有效
2．目的基因检测与鉴定方法
类型 检测内容 方法 结果显示
分子水平
的检测 目的基因是否插入受体细胞DNA上 PCR技术 是否扩增出目的基因
目的基因是否转录出mRNA PCR技术
目的基因是否翻译成蛋白质 抗原－抗体杂交(蛋白质和蛋白质之间) 是否显示出杂交带
个体生物学水平的检测 是否具有抗性及抗性程度 对转基因生物进行抗性接种实验 是否赋予了预期抗性
【拓展延伸】 图解新冠病毒感染的核酸检测
在PCR反应体系中，包含一对特异性引物以及一个Taqman探针，该探针为一段特异性寡核苷酸序列，两端分别标记了报告荧光基团和猝灭荧光基团。探针完整时，报告基团发射的荧光信号被猝灭基团吸收；若反应体系存在靶序列，PCR反应时探针与模板结合，DNA聚合酶沿模板利用酶的外切酶活性将探针降解，报告基团与猝灭基团分离，发出荧光。每扩增一条DNA链，就有一个荧光分子产生。荧光定量PCR仪能够监测出荧光到达预先设定阈值的循环数(Ct值)与病毒核酸浓度有关，病毒核酸浓度越高，Ct值越小(如图)。
将目的基因导入受体细胞是实施基因工程的第三步。结合图片，回答下列问题。
(1)将目的基因导入植物细胞的方法有__________和__________等，其中由我国科学家独创的一种方法是__________，适用于双子叶植物和裸子植物的是__________。
(2)农杆菌转化法利用了农杆菌的什么特性？
(3)为什么植物基因工程常用的受体细胞可以是体细胞，而动物基因工程一般只用受精卵？
(4)从细胞器的功能上分析，若通过基因工程生产人的糖蛋白，可以用大肠杆菌作受体细胞吗？
提示：(1)农杆菌转化法 花粉管通道法 花粉管通道法 农杆菌转化法
(2)农杆菌中Ti质粒上的T－DNA(可转移的DNA)可转移至受体细胞，并且整合到受体细胞的染色体DNA上。
(3)植物体细胞的全能性较高，可经植物组织培养过程形成完整植物体，因此受体细胞可以是体细胞；动物体细胞的全能性受到严格限制，因此动物基因工程中的受体细胞一般只用受精卵。
(4)不可以。因为糖蛋白上的糖链是在内质网和高尔基体上加工完成的，而内质网和高尔基体存在于真核细胞中，大肠杆菌是原核生物，细胞中不含有这两种细胞器。
[对点精练]
1．(2023·广东揭阳期末)研究人员将一种海鱼的抗冻蛋白基因AFP整合到土壤农杆菌的Ti质粒上，然后用它侵染番茄细胞，获得了抗冻的番茄品种。以下说法正确的是 ( )
A．目的基因的筛选与获取是培育转基因生物的核心工作
B．海鱼的抗冻蛋白基因AFP是培育抗冻番茄用到的目的基因
C．构建含有AFP基因的Ti质粒需要限制酶、DNA连接酶和核酸酶
D．只要检测出番茄细胞中含有AFP基因就代表抗冻番茄培育成功
【答案】B
【解析】基因表达载体的构建是培育转基因生物的核心工作，A错误；实验目的是获得抗冻的番茄品种，因此抗冻蛋白基因AFP属于目的基因，B正确；构建含有AFP基因的Ti质粒需要限制酶、DNA连接酶，不需要核酸酶，C错误；只有番茄具有抗冻性才能代表抗冻番茄培育成功，含有的AFP基因若不表达，也不会形成抗冻番茄，D错误。
2．(2023·广东佛山期中)如图所示为培育转基因抗植物病毒番茄的过程示意图。下列叙述正确的是 ( )
A．过程A需要的启动子，位于基因的下游，有了它才能驱动基因转录出mRNA
B．过程B需要用Ca2+处理，以提高番茄细胞壁的通透性
C．抗植物病毒基因一旦整合到番茄细胞的染色体上，就能正常表达
D．转基因抗植物病毒番茄是否培育成功可通过抗病毒接种实验进行鉴定
【答案】D
【解析】启动子应位于基因的上游，有了它才能驱动基因转录出mRNA，A错误；Ca2+处理只能提高农杆菌细胞的细胞壁的通透性，不能提高番茄细胞壁的通透性，B错误；抗植物病毒基因整合到番茄细胞的染色体上，不一定能表达，还需检测该植物是否具有抗性，C错误；转基因抗植物病毒番茄是否培育成功可从个体水平通过抗病毒接种实验进行鉴定，D正确。
课堂·延伸提分
易错易混1：启动子与起始密码子、终止子与终止密码子的区分
启动子、终止子、起始密码子、终止密码子的位置、化学本质和作用各不相同，如下表所示：
项目 启动子 终止子 起始密码子 终止密码子
位置 基因的上游 基因的下游 mRNA上 mRNA上
化学本质 DNA序列 DNA序列 RNA序列 RNA序列
作用 RNA聚合酶识别和结合的部位，启动基因的转录 终止基因的转录 蛋白质合成开始的信号(起点) 终止蛋白质合成(终点)
例1 下列有关人胰岛素基因表达载体的叙述，正确的是 ( )
A．胰岛素基因的起始密码子是一段DNA序列，位于胰岛素基因的首端
B．表达载体的复制和胰岛素基因的表达均启动于复制原点
C．借助抗生素抗性基因可将含胰岛素基因的受体细胞筛选出来
D．启动子和终止密码子均在胰岛素基因的转录中起作用
【答案】C
【解析】起始密码子是mRNA上三个相邻的碱基，是蛋白质翻译的起点，A错误；表达载体的复制启动于复制原点，但胰岛素基因的表达启动于启动子，B错误；借助抗生素抗性基因(标记基因)可将含胰岛素基因的受体细胞筛选出来，C正确；启动子在胰岛素基因的转录中起作用，终止密码子在翻译中起作用，D错误。
错因分析：一是混淆了启动子与起始密码子，终止子与终止密码子的位置、本质和作用；二是对基因的复制起点、转录的起点、翻译的起点理解不清；三是对含有目的基因的受体细胞的筛选方法理解不到位。
易错易混2：农杆菌转化法过程的分析
农杆菌转化法过程中有两次拼接和两次导入。第一次拼接(人工操作)是将目的基因拼接到Ti质粒的TDNA片段上，第二次拼接(非人工操作)是指插入目的基因的TDNA片段拼接到受体细胞的染色体DNA上；第一次导入(人工操作)是将含目的基因的Ti质粒重新导入农杆菌，第二次导入(非人工操作)是指含目的基因的T-DNA(即重组质粒)导入受体细胞。
例2 下图是利用基因工程培育抗虫植物的示意图，以下相关叙述，正确的是 ( )
A．②的构建需要限制性内切核酸酶和DNA聚合酶参与
B．③侵染植物细胞后，重组Ti质粒整合到④的染色体上
C．④的染色体上若含抗虫基因，则⑤就一定表现出抗虫性状
D．⑤若表现出抗虫性，则该植株发生的变异是可遗传的
【答案】D
【解析】②重组质粒的构建需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶参与，A错误；③侵染植物细胞后，重组Ti质粒上的T-DNA整合到④的染色体上，B错误；受体细胞的染色体上含抗虫基因，说明目的基因已经成功导入，但这不代表该基因就一定成功表达，因此不能确定⑤是否表现出抗虫性状，C错误；⑤只要表现出抗虫性状就表明植株发生了可遗传变异，D正确。
错因分析：一是对基因表达载体构建的过程掌握不熟练，对基因表达载体构建过程中使用的酶的种类识记不清；二是对农杆菌Ti质粒上的TDNA片段的特性掌握不清，不知道目的基因插入受体细胞染色体的DNA上依靠的是T-DNA片段的转移作用；三是对目的基因的插入与表达是两回事理解不到位，目的基因插入受体细胞的染色体DNA上，不一定就表达；四是对可遗传变异的含义理解不到位。
解题技巧：实验评价的解题方法
例3 阿尔茨海默病是一种神经退行性疾病，患者脑部大多有β?淀粉样蛋白(Aβ)沉积形成的斑块且患者神经元会发生“过劳死”。淀粉样前体蛋白(APP)的酶切片段被分泌到细胞外发挥功能，其中一段会形成Aβ，因此以往研究更多关注Aβ。然而针对Aβ研发的药物在近年均被证明无效，为寻找阿尔茨海默病的新治疗途径，研究者希望通过实验了解APP其他酶切片段(比如sAPPα)的生理功能。
(1)由于APP蛋白集中表达于神经元突触部位，研究者推测，分泌的sAPPα可能与突触部位细胞表面的________结合，进而影响神经调节。经过筛选，发现sAPPα能与GABABR蛋白结合。为确定sAPPα与GABABR蛋白的结合区域，研究者分别构建了含__________、编码GABABR不同亚基的目的基因、一段特殊多肽(HA)的基因以及终止子的______，转入细胞。通过研究发现，sAPPα与特异性受体结合阻止了神经递质的释放，从而抑制了神经元之间信号的传递。
(2)研究者发现sAPPα中一个由17个氨基酸组成的多肽片段(APP 17mer)就具有sAPPα的生理功能。为验证该多肽在生物个体水平是否有效，有人设计了以下实验方案：将同一批正常小鼠分为两组，一组为实验组，一组为对照组。
组别 实验处理 检测
实验组 给小鼠喂食人工合成的该多肽片段(APP 17mer) 分别检测实验组和对照组小鼠海马神经元的电信号
对照组 给小鼠喂食清水
①请指出该实验方案存在的缺陷：
_____________________________________。
②请改进本实验方案(写出实验组和对照组处理)：
_____________________________________。
【答案】(1)受体 启动子 载体
(2)①多肽不可通过喂食方式给药；对照组不应喂食清水
②实验组：需要对小鼠海马区局部直接给药，比如注射、灌流等；对照组：应采用氨基酸种类相同但排列顺序不同的多肽对小鼠给药
审题流程：
第一步 解读题干，获得有用信息
从题干“为寻找阿尔茨海默病的新治疗途径，研究者希望通过实验了解APP其他酶切片段(比如sAPPα)的生理功能”得到实验目的信息：①研究寻找治疗阿尔茨海默病的治疗途径；②通过实验了解APP其他酶切片段的生理功能。
第二步 对接教材和实验分析方法，迁移应用
第(1)题考查基因工程中基因表达载体的构建，基因表达载体的组成包括启动子、终止子、标记基因、目的基因、复制原点等。第(2)题考查实验方案的评价，实验方案的评价可以从以下几个方面进行：①是否遵循对照实验原则，自变量设置是否合理，因变量确立是否可观，无关变量是否控制得当；②实验材料、器材和药剂的选择是否合理；③实验条件的设置是否合理；
④实验步骤设计是否完整、顺序是否合理、有无违反生物学原理；⑤实验目的是否与实验结果、结论对应；是否先写结果后写结论；探究性实验结果和结论是否讨论全面等。本实验自变量的处理方式和对照实验设置不恰当，药物的化学本质是多肽，不能采用饲喂的方式，对照组饲喂清水不合适。
第三步 结合小题，逐个突破
(1)作为信号分子的sAPPα可能通过与突触表面的特异性受体结合来影响神经调节。研究发现，sAPPα是与GABABR蛋白结合，而GABABR蛋白含有若干亚基，为了确定结合的具体部位，需要构建含有编码GABABR不同亚基的目的基因的基因表达载体，基因表达载体应含有启动子、终止子及一段特殊多肽(HA)的基因，并将基因表达载体导入受体细胞中。
(2)APP 17mer是多肽，若口服，会被水解酶水解成氨基酸，不能发挥作用，可以采用注射法；为了排除无关变量的影响，对照组不应该喂清水，而应该注射氨基酸种类相同但排列顺序不同的多肽，然后分别检测实验组和对照组小鼠海马神经元的电信号变化。
“五看法”评价实验设计小结
小练·素养达成
1．(2023·广东清远期末)下列有关PCR技术的说法，正确的是 ( )
A．用PCR方法扩增目的基因时必须知道基因的全部序列
B．PCR技术的原理是DNA分子半保留复制
C．退火过程中引物与模板链的结合不遵循碱基互补配对原则
D．PCR过程中不需要酶的参与
【答案】B
【解析】PCR技术扩增时，只需要知道一小段目的基因的核苷酸序列，A错误；PCR是一项在生物体外复制特定的DNA片段的核酸合成技术，原理是DNA分子半保留复制，B正确；退火过程中引物与DNA模板链的结合是依靠碱基互补配对原则完成的，C错误；PCR过程中需要耐高温的DNA聚合酶的催化，D错误。
2．(2023·广东清远期末)下面是质粒的示意图，其中ori为复制必需的序列，AmpR为氨苄青霉素抗性基因，TetR为四环素抗性基因，箭头表示限制性内切核酸酶的酶切位点。若要得到一个能在氨苄青霉素培养基上生长而不能在四环素培养基上生长的含重组质粒的细胞，应选择合适的酶切位点是 ( )
【答案】D
【解析】A图中酶切位点在ori序列上，该序列被破坏，重组质粒将无法进行复制，因此含重组DNA的细胞既不能在四环素培养基上生长，也不能在氨苄青霉素培养基上生长，A错误；B图中酶切位点没有破坏三个基因，因此含重组DNA的细胞既能在四环素培养基上生长，也能在氨苄青霉素培养基上生长，B错误；C图中酶切位点在氨苄青霉素抗性基因(AmpR)上，氨苄青霉素抗性基因被破坏，则含重组DNA的细胞能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长，C错误；D图中酶切位点在四环素抗性基因(TetR)上，由于仅四环素抗性基因被破坏，则含重组DNA的细胞能在氨苄青霉素培养基上生长而不能在四环素培养基上生长，D正确。
3．(2023·广东佛山期末)如图是PCR扩增过程的示意图，下列叙述错误的是 ( )
A．①②过程均不需要酶的参与
B．常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定PCR的产物
C．在用PCR技术扩增DNA时，DNA的复制过程与细胞内的类似
D．该过程需要设计两种特异性的引物，要求这两种引物的序列互补
【答案】D
【解析】①表示变性过程，该过程DNA的解旋在高温条件下进行，不需要酶的催化，②是复性过程，该过程氢键形成也不需要酶的催化，A正确；不同的DNA片段在电泳时移动的速率不同，可以将PCR产物的电泳结果与标准DNA样品的电泳结果进行比对，从而鉴定PCR的产物，常采用琼脂糖凝胶电泳，B正确；PCR技术扩增DNA的原理是DNA复制，因此在该过程中DNA的复制过程与细胞内DNA的复制类似，C正确；该过程需要一对特异性的引物，要求一对引物的序列是不互补的，否则会因为碱基互补配对无法发挥作为引物的作用，D错误。
4．(2023·广东名校阶段练习)下列关于基因工程的叙述，错误的是 ( )
A．细菌质粒是基因工程常用的载体
B．基因工程常以抗生素抗性基因作为标记基因
C．通常用两种限制酶分别处理含目的基因的DNA和载体DNA
D．目前常用的载体质粒在原核细胞和酵母菌细胞中都能找到
【答案】C
【解析】基因工程的载体有质粒、噬菌体和动植物病毒，其中细菌质粒是基因工程常用的运载体，A正确；基因工程经常以抗生素抗性基因作为标记基因，用于筛选成功导入重组质粒的受体细胞，B正确；通常用同一种限制酶切割含有目的基因的DNA和载体DNA，以产生相同的黏性末端，C错误；质粒是最常用的载体之一，它主要存在于原核细胞中，部分真核细胞如酵母菌中也有，即目前常用的载体质粒在原核细胞和酵母菌细胞中都能找到，D正确。
5．(2023·广东广州期中)科学家将人的生长激素基因与某种细菌(不含抗生素抗性基因)的DNA分子进行重组，并成功地在该细菌中得以表达(如下图)。下列相关叙述错误的是( )
A．过程①合成人生长激素基因的过程需要用到逆转录酶
B．过程③是将重组质粒溶于缓冲液后与经Ca2+处理的细菌B混合
C．可采用抗原－抗体杂交技术检测工程菌中生长激素基因是否成功表达
D．成功导入了重组质粒的细菌B在含有氨苄青霉素和四环素的培养基上都可以生长
【答案】D
【解析】过程①合成人生长激素基因的过程是逆转录过程，需要用到逆转录酶，A正确；过程③是将重组质粒导入细菌B中 ，故用Ca2+处理细菌B使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，重组质粒容易进入，B正确；检测生长激素基因是否成功表达用抗原－抗体杂交技术，C正确；成功导入了重组质粒的细菌B，因目的基因插入质粒后，破坏了四环素抗性基因，所以在含有四环素的培养基上不能生长，D错误。(共66张PPT)
第3章 基因工程
第3节 基因工程的应用
课标要点 学法指导
1．举例说出基因工程的应用
2．基因工程的进展
3．认同基因工程的应用促进生产力的提高 1．结合具体实例了解基因工程在各个领域的应用 (科学思维)
2．联系当地生产、生活中的具体实例，思考如何用基因工程的方法解决实际问题 (科学探究、社会责任)
知识导图
课前·新知导学
基因工程在农牧业方面的应用
基因工程技术广泛用于改良____________、提高________________ _______等方面。
1．转基因抗虫植物
(1)过程：从某些生物中分离出具有___________的基因，将它导入作物中培育出具有_________的作物，是目前防治作物虫害的一种发展趋势。
(2)成果：转基因__________、玉米、大豆、水稻、马铃薯等。
动植物品种
作物和畜产品的
产量
抗虫功能
抗虫性
抗虫棉花
2．转基因抗病植物
(1)过程：将来源于某些病毒、真菌等的____________导入植物中，培育出转基因抗病植物。
(2)成果：转基因抗病毒甜椒、番木瓜、烟草等。
3．转基因抗除草剂植物
(1)过程：将_______________________的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的作物品种。
(2)成果：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
抗病基因
降解或抵抗某种除草剂
4．改良植物的品质
(1)将____________________________编码基因导入植物中，可以提高这些氨基酸的含量。如科学家培育的某种转基因玉米中赖氨酸的含量提高30%。
(2)将____________________相关的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了它的观赏价值。
必需氨基酸含量多的蛋白质
与植物花青素代谢
5．提高动物的生长速率
(1)过程：将_______________基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。
(2)成果：转基因超级鲤鱼。
外源生长激素
6．改善畜产品的品质
(1)乳糖不耐受：有些人由于_________分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现________等不适症状。
(2)解决措施：将____________基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，________的含量大大降低，而其他营养成分不受影响。
乳糖酶
腹泻
肠乳糖酶
乳糖
转基因抗虫棉的目的基因是什么？是从哪种生物中获取的？
_____________________________________。
【答案】Bt抗虫蛋白基因。是从苏云金杆菌体内提取出来的
关于转基因抗病毒植物，以下说法正确的是 ( )
A．转基因抗病毒植物可以抵抗所有病毒
B．转基因抗病毒植物对病毒的抗性具有局限性或特异性
C．转基因抗病毒植物可以抗害虫
D．转基因抗病毒植物可以稳定遗传，不会变异
【答案】B
【解析】每一种抗病毒的基因只能抵抗一种病毒，即转基因抗病毒植物对病毒的抗性具有局限性或特异性，A错误、B正确；转基因抗病毒植物能抵抗某种病毒，但不能抗害虫，C错误；转基因抗病毒植物可以稳定遗传，也会发生变异，D错误。
基因工程在医药卫生领域的应用
1．利用微生物或动植物的细胞作为受体细胞生产药物
(1)方法：对微生物或动植物进行__________，使它们能够生产药物。
(2)药物种类：细胞因子、________、________和激素等。
(3)用途：预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、_________、糖尿病和________________等。
基因改造
抗体
疫苗
传染病
类风湿关节炎
2．利用哺乳动物批量生产药物
(1)过程：将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的________等调控元件重组在一起，通过__________的方法导入哺乳动物的受精卵中，由这个受精卵发育成的转基因动物进入_______后，可以通过_________来生产所需要的药物，这称为_________________________________。
(2)成果：抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等。
启动子
显微注射
泌乳期
分泌乳汁
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
3．器官移植
(1)器官移植面临的问题：器官短缺和__________。
(2)解决措施：在器官供体的基因组中导入某种____________，以抑制______________的表达，或设法除去_______________，然后再结合克隆技术，培育出不会引起________________的转基因克隆器官。
免疫排斥
调节因子
抗原决定基因
抗原决定基因
免疫排斥反应
在培育动物乳腺生物反应器时，为什么将目的基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控元件重组在一起？
_____________________________________。
【答案】为了保证目的基因只在乳腺细胞中表达
动物基因工程技术有可能使建立移植器官工厂的设想成为现实，科学家正试图利用基因工程的方法对猪的器官进行改造，对猪的器官改造后所达到的要求是 ( )
A．能够提高猪的生长速率 B．没有免疫排斥反应
C．改善猪器官的品质 D．能够生产药物
【答案】B
【解析】器官短缺和免疫排斥是制约器官移植的两大难题。目前，科学家正试图利用基因工程方法对猪器官进行改造，采用的方法是给器官供体猪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，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆动物器官。所以对猪的器官改造后所达到的要求是没有免疫排斥反应，B正确。
基因工程在食品工业方面的应用
(1)基因工程菌：用基因工程的方法，使____________得到高效表达的菌类。
(2)成果：生产食品工业用酶、__________和维生素等。
(3)甜味剂阿斯巴甜主要由____________和___________形成，可以通过____________实现大规模生产。
(4)奶酪的生产：将编码牛__________的基因导入____________、黑曲霉或酵母菌的基因组中，通过__________批量生产凝乳酶。
(5)淀粉酶、脂肪酶也可以通过构建______________，然后用发酵技术生产。
外源基因
氨基酸
天冬氨酸
苯丙氨酸
基因工程
凝乳酶
大肠杆菌
工业发酵
基因工程菌
利用工程菌生产食品工业用酶时，目的基因是直接导入受体细胞吗？
_____________________________________。
【答案】不是，必须先构建基因表达载体
奶酪是一种被广泛食用的发酵奶制品。大多数奶酪的生产需要使用凝乳酶来凝聚固化奶中的蛋白质。传统的制备凝乳酶的方法不能满足市场的需求，下列选项中属于大量生产凝乳酶方法的是 ( )
A．细胞融合技术 B．转基因技术
C．组织培养技术 D．人工诱变
【答案】B
【解析】大量生产凝乳酶可以将凝乳酶基因导入大肠杆菌等微生物中，再通过工业发酵批量生产，B正确。
课堂·重难探究
基因工程在农牧业方面的应用
[知识归纳]
1．基因工程在农牧业方面的应用
(1)改良动植物品种。
(2)提高作物和畜产品的产量。
2．转基因植物在农业方面的应用
项目 转基因抗虫植物 转基因抗病植物 转基因抗除草剂植物 改良作物品质
目的
基因 具有抗虫功能的基因，如Bt基因 抗病基因，如病毒外壳蛋白基因、几丁质酶基因 降解或抵抗某种除草剂的基因 必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，与植物花青素代谢相关的基因
项目 转基因抗虫植物 转基因抗病植物 转基因抗除草剂植物 改良作物品质
方法 从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将其导入作物中 将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入作物中 将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物中 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因或植物花青素代谢相关的基因分别导入不同植物中，使之具有特定的性状
项目 转基因抗虫植物 转基因抗病植物 转基因抗除草剂植物 改良作物品质
成果 转基因抗虫棉花、玉米、大豆等 转基因抗病毒甜椒、烟草等 转基因抗除草剂玉米、大豆等 赖氨酸含量提高的转基因玉米、花色奇特的矮牵牛
优点 减少化学农药的使用，降低生产成本，减少环境污染，降低了对人体健康的损害 提高作物抵抗不良环境的能力和作物产量 提高人们的生活品质；提高花卉观赏价值
3．转基因动物在畜牧业方面的应用
项目 目的基因 作用 成果
提高动物的生长速度 外源生长激素基因 促进生长，提高生长速率 转基因鲤鱼、转基因绵羊
改善畜产品的品质 肠乳糖酶基因 减少牛乳中乳糖含量 转基因牛分泌的乳汁中乳糖含量少
下图为抗虫棉的培育过程，分析并回答下列问题：
(1)该过程中的目的基因和载体分别是什么？
(2)该实例中，采用什么方法导入目的基因？为什么目的基因可以整合到染色体的DNA上？
(3)该实例中，检测目的基因是否成功表达的常用方法有哪些？
提示：(1)目的基因是Bt抗虫蛋白基因，载体是Ti质粒。
(2)采用的方法是农杆菌转化法。由于Ti质粒上的T－DNA转入受体细胞后能整合到受体细胞的染色体DNA上，而目的基因又插入了T－DNA上，所以目的基因可以整合到受体细胞的染色体DNA上。
(3)抗原－抗体杂交法、用棉花叶饲喂棉铃虫。
[对点精练]
1．(2023·广东深圳期中)水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术将相关基因导入水稻细胞中，建立水稻“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，减少使用氮肥的生产成本以及可能造成的环境污染。下列相关叙述错误的是 ( )
A．用PCR技术可从根瘤菌DNA中获取固氮基因
B．PCR扩增后的目的基因可直接注入水稻细胞中
C．PCR技术可用于检测目的基因是否插入水稻基因组中
D．实验中需将转基因水稻种植在缺氮培养液中进行筛选
【答案】B
【解析】PCR技术的原理是模拟生物体内DNA分子复制过程，故用PCR技术可从根瘤菌DNA中获取固氮基因，A正确；PCR扩增后的目的基因需要与载体结合，构建基因表达载体后才能注入水稻细胞中，B错误；PCR技术可用于检测目的基因是否插入水稻基因组中，若出现杂交带，则证明插入成功，C正确；具有固氮基因的水稻根系微生物能利用空气中的氮气，故培养基中不需要加入氮源，从而对转基因水稻进行筛选，D正确。
2．(2023·广东佛山期中)采用基因工程技术培育转基因羊作为乳腺生物反应器，使其能合成人凝血因子且只存在于乳汁中。下列有关叙述，不正确的是 ( )
A．将人凝血因子基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件结合在一起构建成基因表达载体
B．将含有人凝血因子基因的表达载体导入羊乳腺细胞中即可获得乳腺生物反应器
C．该转基因羊产生的生殖细胞中可能会含有人凝血因子基因
D．与乳腺生物反应器相比，膀胱生物反应器不受性别等限制，受体来源更广泛
【答案】B
【解析】分析题意可知，该基因表达载体包括人凝血因子基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件，A正确；转基因动物的受体细胞是受精卵，B错误；将人凝血因子的基因表达载体导入受精卵后，发育为转基因羊，其产生的生殖细胞是由受精卵经有丝分裂发育而来的，可能会含有人凝血因子基因，C正确；与乳腺生物反应器(只能选雌性)相比，膀胱生物反应器不受性别等限制，受体来源更广泛，D正确。
[知识归纳]
1．基因工程在医药卫生领域的应用
基因工程在医药卫生和食品工业的应用
应用 方法 作用 成果
转基因工程菌生产药物 药物蛋白基因构建基因表达载体，导入工程菌 通过发酵工程培养工程菌生产相应药物 细胞因子、抗体、疫苗等的生产
应用 方法 作用 成果
转基因动物生产药物 药用蛋白基因和乳腺中特异性表达的基因的启动子等调控元件重组 分泌乳汁来生产相应的药物 乳腺生物反应器
转基因动物做器官移植的供体 在器官供体基因组中导入某种调节因子，或设法除去抗原决定基因 抑制抗原决定基因的表达，或不能合成相应抗原 结合克隆技术培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官
2．基因工程在食品工业方面的应用
成果 方法 作用
生产甜味剂 将编码天冬氨酸和苯丙氨酸的基因导入工程菌，通过发酵工程生产 作为食品
添加剂
生产凝乳酶 将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌中，通过发酵工程生产 生产奶酪
生产淀粉酶、脂酶等 用编码淀粉酶、脂酶等的基因构建工程菌，通过发酵工程生产 加工糖浆、加
工烘烤食品
[对点精练]
1．(2023·陕西宝鸡期末)下列关于利用乳腺生物反应器生产药用蛋白的叙述，正确的是 ( )
A．可以使用Ca2+处理法将基因表达载体导入受体体细胞
B．相关目的基因需与能在乳腺细胞蛋白基因启动子等调控元件重组在一起
C．需要借助于核移植技术、早期胚胎培养和胚胎移植技术培育出转基因动物
D．药物的生产不会受到转基因动物性别和年龄的限制
【答案】B
【解析】乳腺生物反应器的受体是动物细胞，将目的基因导入动物细胞的方法是显微注射法，A错误；相关目的基因需与能在乳腺细胞蛋白基因启动子等调控元件重组在一起，才能使药用蛋白基因在奶牛乳腺细胞中特异性表达，B正确；乳腺生物反应器的培育过程中不涉及核移植技术，C错误；由于乳腺生物反应器需要利用动物产生的乳汁进行药物生产，故药物的生产受到转基因动物性别和年龄的限制，要求选择合适的雌性个体，D错误。
2．(2023·广东肇庆期末)吉林大学农学部研究人员将编码赖氨酸的基因片段转入“雌性黑白花奶牛”胎儿成纤维细胞内，以此细胞为细胞核供体，通过体细胞核移植技术获得一头雌性转基因克隆牛犊，提高了牛奶中赖氨酸的含量，改善了牛奶品质。下列有关叙述合理的是( )
A．该转基因克隆牛必须以雌性黑白花奶牛去核的卵母细胞为受体细胞
B．通过显微操作法吸出处于MⅠ中期的卵母细胞的细胞核和第一极体
C．培养成纤维细胞或早期胚胎时CO2的主要作用是维持培养液的pH
D．编码赖氨酸的基因只在转基因克隆牛的乳腺细胞中存在并表达
【答案】C
【解析】该转基因克隆牛的遗传物质主要来自雌性黑白花奶牛，去核的卵母细胞也可来自其他母牛，A错误；通过显微操作法去除处于MⅡ期的卵母细胞的纺锤体—染色体复合物和第一极体，B错误；动物细胞培养时通入的CO2的主要作用是维持培养液的pH，C正确；该转基因克隆牛由含有编码赖氨酸基因的重构胚经过分裂分化而来，编码赖氨酸的基因存在于克隆牛的所有体细胞中，D错误。
课堂·延伸提分
易错易混：乳腺生物反应器与工程菌的比较
项目 乳腺生物反应器 工程菌
含义 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所需药物 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
受体基因结构与人类基因结构的差异 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
项目 乳腺生物反应器 工程菌
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 动物的受精卵 微生物细胞
目的基因导入方式 显微注射法 Ca2+处理法
生产条件 不需要严格灭菌 需要严格灭菌
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
例1 下列有关乳腺生物反应器与大肠杆菌生产药物的叙述错误的是 ( )
A．前者在乳汁中提取药物，后者在细胞中或细胞产物中提取
B．前者生产药物的过程不需要严格灭菌，后者需要严格灭菌
C．前者合成的蛋白质可加工成熟，后者合成的蛋白质一般未加工成熟
D．两者的基因与人类基因结构均相同
【答案】D
【解析】乳腺生物反应器生产药物从乳汁中提取，大肠杆菌生产药物从细胞或细胞产物中提取，A正确；乳腺生物反应器生产药物是在动物体内合成的，不需要严格灭菌，大肠杆菌生产药物涉及微生物的培养，需要严格灭菌，B正确；乳腺生物反应器生产的药物是在真核生物细胞内进行的，蛋白质药物可加工成熟，大肠杆菌生产药物是在大肠杆菌细胞内进行的，大肠杆菌属于原核生物，无内质网和高尔基体，不能对其合成的蛋白质进行加工，C正确；动物基因的结构与人类基因的结构基本相同，大肠杆菌基因的结构与人类基因的结构不同，D错误。
错因分析：一是对两种方式生产的药物提取方式掌握不牢；二是对两种方式生产的过程和条件理解不到位；三是对两种生物的细胞结构区分不清，对分泌蛋白的加工、运输掌握不牢；四是对两种方式中受体基因结构与人类基因结构区分不清。
解题技巧：实验设计的解题程序
例2 苏云金杆菌含抗虫蛋白基因和抗虫蛋白，寄生在棉铃虫体内时会导致棉铃虫死亡。科学家从苏云金杆菌中提取抗虫蛋白基因并导入棉花细胞而成功培育出转基因抗虫棉。有人为验证转基因抗虫棉的抗虫效果与棉铃虫种群密度的关系，设计了以下实验。请你把实验补充完整。
(1)实验目的是____________________________。
(2)实验中自变量是________________，因变量是______________。
(3)实验步骤。
①实验组：将一定数量的________________的棉铃虫幼虫放养在5株________上。
②对照组：将________________相同的同种棉铃虫幼虫放养在等量且长势相同的______________上。
(4)实验结果及结论。
①实验结果：实验组__________________，对照组_____________ _______________。
②实验结论：_____________________________________。
【答案】(1)验证转基因抗虫棉能使棉铃虫种群密度降低
(2)供棉铃虫采食的棉花植株的种类 棉铃虫种群密度的变化
(3)①未接触过转基因抗虫棉 转基因抗虫棉 ②等量、生理状况 普通棉花植株
(4)①棉铃虫种群密度降低 棉铃虫种群密度基本不变 ②转基因抗虫棉可杀死棉铃虫的幼虫，从而使棉铃虫种群密度降低
审题流程：
第一步 阅读题干信息，获得有用信息
由题干信息“验证转基因抗虫棉的抗虫效果与棉铃虫种群密度的关系”可以看出：①本实验的目的是研究转基因抗虫棉的抗虫效果；②本实验的自变量是供棉铃虫采食的棉花植株的种类，因变量是棉铃虫种群密度的变化；③本实验结果已知，是验证性实验。
第二步 结合实验解题方法，分析实验
本题考查了实验目的的确定，自变量、因变量的判断，实验步骤的设计及分析实验结果，得出结论。本题设计实验的目的是验证转基因抗虫棉能使棉铃虫种群密度降低，故确定是让棉铃虫采食转基因抗虫棉还是普通棉作为实验的自变量；棉铃虫的生活状况(用种群密度的变化表示)为因变量。为验证转基因抗虫棉的抗虫效果，应放养没有接触过转基因抗虫棉的棉铃虫。
另外要注意单一变量原则和对照原则。实验步骤：①实验组为将一定数量的未接触过转基因抗虫棉的棉铃虫幼虫放养在5株转基因抗虫棉上；②对照组为将等量、生理状况相同的同种棉铃虫幼虫放养在等量且长势相同的普通棉花植株上。结果及结论：实验组结果是棉铃虫种群密度降低，对照组结果是棉铃虫种群密度基本不变。结论是转基因抗虫棉可杀死棉铃虫的幼虫，从而使棉铃虫种群密度降低。
第三步 结合小题，正确解答
实验设计题解题归纳：
口诀：先看目的和原理，实验材料与试剂；设置对照分步骤，标号定量铭记心。现象结果写具体，结论叙述扣目的；验证实验要唯一，探究实验需讨论。
具体步骤：
1．判断实验的类型
根据实验的目的或结果判断，若实验目的或结果已知则为验证性实验；若实验目的或结果未知则为探究性实验。
2．确定实验的自变量和因变量
一般根据实验的目的就可以确定自变量和因变量。
3．实验步骤的设计
实验步骤的设计要遵循对照原则、等量原则、单一变量原则和科学性原则等，有数据测量的实验还要遵循平行重复原则。具体步骤一般分为三步：第一步是取材、分组、编号。为排除无关变量的干扰，取材要具有统一性，分组要具有随机性。第二步是施加实验变量。自变量施加时要注意“等量”。第三步是培养观察。为排除无关变量的干扰，实验组和对照组应该在相同且适宜条件下培养；观察时要确立可观可测的观察指标。
4．实验结果和结论的预测
实验结果就是对实验现象的描述，实验结论是由特殊的实验结果推测出的具有一般性的结论。验证性实验的结果与结论是唯一的；探究性的结果与结论有多种可能，注意不能遗漏，一个可能的实验结果对应一个可能的实验结论。书写时注意先写实验结果，再写实验结论。
小练·素养达成
1．(2023·四川绵阳期中)利用基因工程的方法，将乙肝病毒的抗原基因转移到大肠杆菌细胞内，就可以大量生产重组乙肝疫苗。下列有关该技术的说法，正确的是 ( )
A．达到了定向改造细菌的目的
B．需要用到两种操作工具
C．不存在基因扩散的安全风险
D．重组乙肝疫苗就是失活的病毒
【答案】A
【解析】按照人类的意愿定向改造了大肠杆菌，A正确；基因工程需要三种工具：限制酶、DNA连接酶、基因的载体，B错误；转基因大肠杆菌可能将目的基因转移到其他微生物，C错误；重组乙肝疫苗，就是利用基因工程技术制造出乙肝表面抗原，然后加入相应的辅助剂，制成乙肝疫苗，重组乙肝疫苗不是失活的病毒，D错误。
2．(2023·四川名校阶段练习)我国科学家利用基因工程技术将海藻合成酶基因转移到甘蔗体内，获得了抗旱、高产、高糖的甘蔗新品种。以下关于基因工程的说法，不正确的是 ( )
A．我国转基因抗虫棉的目的基因来自某种真菌
B．利用基因工程的方法可以获取干扰素、凝血因子等药物
C．培育抗除草剂的玉米需要使用限制酶、DNA连接酶等工具酶
D．通过基因工程可以提高作物的抗盐碱和抗干旱的能力
【答案】A
【解析】转基因抗虫棉的目的基因主要是Bt抗虫蛋白基因，该目的基因是从苏云金杆菌中提取的，苏云金杆菌属于细菌而非真菌，A错误；基因工程在医药卫生领域方面的应用包括生产干扰素、凝血因子等药物，B正确；培育抗除草剂的玉米需要使用限制酶(切割目的基因和运载体)、DNA连接酶(连接切割后的目的基因和运载体)等工具酶，C正确；由于盐碱和干旱对农作物的危害与细胞内渗透压调节有关，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干旱能力，D正确。
3．(2023·广东广州期末)下列关于基因工程及其应用的叙述，错误的是 ( )
A．花粉管通道法可以用微量注射器将含有目的基因的DNA溶液直接注入子房中
B．只要从转基因棉花中检测到Bt抗虫蛋白，就代表转基因抗虫棉培育成功
C．Bt抗虫蛋白被分解为多肽后与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合，导致细胞膜穿孔
D．干扰素是一种糖蛋白，科学家用基因工程方法从大肠杆菌细胞内获得了干扰素
【答案】B
【解析】我国科学家用独创的花粉管通道法将Bt基因导入棉花细胞，如可以用微量注射器将含有目的基因的DNA溶液直接注入子房中，A正确；从转基因棉花中检测到Bt抗虫蛋白，还需要进行个体生物学鉴定才能说明转基因抗虫棉是否培育成功，B错误；Bt抗虫蛋白被分解成多肽后，多肽与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合，导致细胞膜穿孔，细胞肿胀裂解，最后造成害虫死亡， C正确；干扰素是一种糖蛋白，科学家利用大肠杆菌代谢旺盛的特点，用基因工程方法从大肠杆菌细胞内获得了干扰素， D正确。
4．(2023·广东名校开学考)抗虫作物对害虫的生存产生压力，会使害虫种群抗性基因频率迅速提高，导致作物的抗虫效果逐渐减弱。为使转基因抗虫棉保持抗虫效果，农业生产上会采取一系列措施。以下措施不能实现上述目标的是 ( )
A．在转基因抗虫棉种子中混入少量常规种子
B．大面积种植转基因抗虫棉，并施用杀虫剂
C．转基因抗虫棉与小面积的常规棉间隔种植
D．转基因抗虫棉大田周围设置常规棉隔离带
【答案】B
【解析】在转基因抗虫棉种子中混入少量常规种子，则常规种子长成的普通植株能为敏感型(不抗虫)个体提供生存空间，增加与抗虫个体的竞争，避免抗性基因频率升高过快，提高了抗虫棉的抗虫持久性，A正确；大面积种植转基因抗虫棉、施用杀虫剂，都会进一步选择并保存抗性强的个体，导致敏感型个体死亡，从而加快害虫种群抗性基因频率提高，不利于抗虫棉的抗虫持久性，B错误；将转基因抗虫棉与小面积的常规棉间隔种植以及转基因抗虫棉大田周围设置常规棉隔离带，作用机理相似，可以使敏感型个体存活，敏感型个体能与抗性强的棉铃虫进行竞争，不会导致抗性基因频率升高过快，提高了抗虫棉的抗虫持久性，C、D正确。
5．(2023·广东佛山联考)水中雌激素类物质(E物质)污染会导致鱼类雌性化等异常，并通过食物链影响人体健康和生态安全。斑马鱼的肌细胞、生殖细胞等均存在E物质受体，且幼体透明。科学家将绿色荧光蛋白(GFP)等基因转入斑马鱼，建立了一种快速的水体E物质监测方法。下列分析错误的是 ( )
A．将GFP基因表达载体导入斑马鱼受精卵的最常用方式是显微注射法
B．GFP基因表达时需要消耗氨基酸、脱氧核苷酸和酶以及能量
C．在被E物质污染的水体中转基因斑马鱼的幼体会显绿色
D．转基因斑马鱼逃逸可能带来生物安全问题
【答案】B
【解析】将基因表达载体导入斑马鱼受精卵中常用的方法是显微注射法，A正确；GFP基因表达时需要消耗氨基酸、核糖核苷酸和酶以及能量，B错误；绿色荧光蛋白(GFP) 表达后会使透明的斑马鱼幼体显出绿色，C正确；转基因斑马鱼逃逸可能带来生物安全问题，D正确。
