3.2.1基因工程的基本操作程序（第1课时）高中生物人教版（2019）选择性必修3课件(共43张PPT)
文档属性
| 名称 | 3.2.1基因工程的基本操作程序（第1课时）高中生物人教版（2019）选择性必修3课件(共43张PPT) |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 28.3MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2025-07-14 18:18:32 | ||
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文档简介
(共43张PPT)
（第一课时）
限制酶切割位点
第2节 基因工程的基本操作程序
第3章 基因工程
本节聚焦：
1、基因工程的基本操作程序主要包括哪几个步骤？
2、基因工程操作的每一步涉及的技术和方法有哪些？
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新品种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。
问题:你知道转基因抗虫棉抗虫的机制是什么吗？培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤呢？
P76
从社会中来
1.目的基因的筛选与获取
3.将目的基因导入受体细胞
4.目的基因的检测与鉴定
Bt基因
Ti质粒
重组DNA分子
将目的基因插入染色体DNA中
培育转基因抗虫棉的过程
苏云金杆菌
提取
2.基因表达载体的构建
（核心）
导入
棉花细胞
普通棉花
（无抗虫特性）
抗虫棉
(表达Bt基因)
P76
从社会中来
1.原核细胞的基因结构
不转录，不编码蛋白质，含有能调控遗传信息表达的DNA序列
非编码区
非编码区
编码区
编码区上游
编码区下游
启动子
终止子
连续的、不间隔的
编码区：
（连续的、不间隔的）
非编码区
启动子：
终止子：
位于基因上游，RNA聚合酶的识别和结合位点，驱动基因转录出mRNA
位于基因下游，终止RNA的合成
P76
基因的结构
放大
DNA片段
基因1
基因2
基因3
能转录相应的mRNA，进一步编码（翻译）出蛋白质的DNA区段。
基因通常是有遗传效应的DNA片段；能编码特定的蛋白质。
2.真核细胞的基因结构
编码区
非编码区
非编码区
编码区上游
编码区下游
间隔的、不连续的
外显子
内含子
启动子
终止子
编码区：
非编码区：
外显子：
能转录相应的mRNA，进一步能编码蛋白质的DNA序列
能转录相应的mRNA，但却不能编码蛋白质的DNA序列
内含子：
不编码蛋白质，能调控遗传信息表达
P76
基因的结构
启动子：
终止子：
位于基因上游，RNA聚合酶的识别和结合位点，驱动基因转录mRNA
位于基因下游，终止RNA的合成
3、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 的编码区和具有 作用的非编码区组成的 连续
不连续
编码蛋白质
调控
不能编码蛋白质的序列
= 非编码区
原核生物的基因：
不能编码蛋白质的序列
真核生物的基因：
= 非编码区+内含子
P76
基因的结构
(1)概念：
用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。
如与生物抗逆性、生产药物、毒物降解、工业用酶等相关的基因。
主要是指编码蛋白质的基因，也可以是具有调控作用的因子。
资料：苏云金杆菌通过产生苏云金杆菌伴胞晶体蛋白（Bt抗虫蛋白），破坏鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。科学家将
“杀虫基因”转入棉花中，棉花产生Bt抗虫蛋白抵抗虫害。
(2)种类：
培育转基因抗虫棉的目的基因——Bt 抗虫蛋白基因（Bt基因 ）
1.目的基因
第一步：目的基因的筛选与获取
P76-2
P76-3
当Bt抗虫蛋白被分解为多肽后，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，最后造成害虫死亡。
问题1：Bt抗虫蛋白的抗虫原理是什么？
问题2：抗虫棉中的Bt抗虫蛋白会不会对人畜产生危害？
Bt抗虫蛋白只有在某类昆虫肠道的碱性环境中才能表现出毒性，而人和牲畜的胃液呈酸性，肠道细胞也没有特异性受体，因此，Bt抗虫蛋白不会对人畜产生上述影响。
第一步：目的基因的筛选与获取
P76-3
2.筛选合适的目的基因
(1)较为有效的方法之一
从相关的___________和___________的基因中进行筛选。
已知结构
功能清晰
用苏云金杆菌制成的生物杀虫剂广泛用于防治棉花虫害
对Bt基因的表达产物Bt抗虫蛋白有了较为深入的了解
苏云金杆菌的杀虫作用与Bt 基因有关
掌握了Bt 基因的序列信息
Bt基因是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因
功能清晰
已知结构
实例：Bt 抗虫蛋白基因（Bt 基因）的筛选过程
第一步：目的基因的筛选与获取
P76-4&P77-1
(2)认识基因结构和功能的技术方法
利用测序技术、序列数据库（如GenBank）、序列对比工具(如BLAST)等，找到合适的目的基因。
2.筛选合适的目的基因
基因测序仪
测定核酸和蛋白质序列
测序技术
美国国家生物信息中心
序列数据库
以碱基顺序或氨基酸残基顺序为基本内容的分子生物信息数据库
核苷酸序列比对
氨基酸序列比对
序列比对工具
把感兴趣的序列跟已经存在的序列数据库进行比较的工具。通过比对识别相关的序列，从而能获得目的基因和蛋白质的功能。
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-2
①从生物组织中直接获取
②从基因文库中获取
③人工合成
④利用PCR获取和扩增目的基因
基因比较小、核苷酸序列已知
通过DNA合成仪用化学方法直接合成
基因组文库（某生物全部基因）
部分基因文库（主要是cDNA文库）
前提：
方法：
3.获取目的基因的方法
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
从供体细胞直接获取目的基因常用的方法是“鸟枪法”。
缺点:
工作量大，具有一定的盲目性。
(1)从生物组织中直接获取
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
3.获取目的基因的方法
①含义：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。
②种类
基因组文库：
部分基因文库：
含有一种生物所有基因的文库
含有一种生物部分基因的文库
（主要指：cDNA文库）
(2)从基因文库中获取
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
3.获取目的基因的方法
①基因组文库
受体菌
该受体菌群为基因组文库
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
3.获取目的基因的方法
(2)从基因文库中获取
②cDNA文库
如果用某种生物发育的某个时期的mRNA 产生的多种互补DNA（也叫cDNA）片段，与载体连接后储存在一个受体菌群中，那么，这个受体菌群体就叫做这种生物的 。
逆转录
cDNA文库
逆转录
基因组文库中的基因含有启动子、终止子、内含子，cDNA文库不含有
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
3.获取目的基因的方法
(2)从基因文库中获取
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
(2)从基因文库中获取
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
3.获取目的基因的方法
逆转录
目的基因的mRNA
单链DNA (单链cDNA）
双链DNA(即目的基因)
反转录
合成
反转录法：
根据已知的氨基酸序列合成DNA
蛋白质的氨基酸序列
mRNA的核苷酸序列
目的基因的核苷酸序列
推测
推测
目的基因
化学合成
①前提：
②方法：
DNA
合成仪
基因比较小、核苷酸序列已知
通过DNA合成仪用化学方法直接合成目的基因
(3)人工合成
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
3.获取目的基因的方法
(4)利用PCR（Polymerase Chain Reaction）获取和扩增目的基因（常用）
抗虫基因
快速获得大量抗虫基因
苏云金杆菌
提取
PCR
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-4
3.获取目的基因的方法
全称：
原理：
操作环境：
目的：
优点：
聚合酶链式反应
DNA半保留复制
体外（PCR扩增仪/PCR仪）
对目的基因的核苷酸序列进行大量复制
可以在短时间内大量扩增目的基因
PCR由穆里斯等人于1985年发明，1993年获得诺贝尔化学奖
PCR扩增仪
Ⅰ.PCR的概念：
模拟细胞内DNA的复制过程，在体外快速扩增特定的DNA片段。
(4)利用PCR（Polymerase Chain Reaction）获取和扩增目的基因（常用）
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-5
它是一项根据DNA半保留复制的原理，在体外提供参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(表3-1）。
3.获取目的基因的方法
体内DNA复制的条件:
原则:
③能量：
亲代DNA的两条链
4种游离的脱氧核苷酸
解旋酶、DNA聚合酶等
由细胞代谢提供的ATP
①模板：
②原料：
④酶：
碱基互补配对原则
从子链的5' 端向 3' 端延伸
方向:
特点:
边解旋边复制、半保留复制 、多起点双向复制
体外复制怎么改进
⑤引物
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-6
3.获取目的基因的方法
(4)利用PCR获取和扩增目的基因（常用）
(注：胞内DNA复制引物是RNA片段)
引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。
用于PCR的引物通常为20~30个核苷酸。
使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
什么是引物？
子链延伸
子链延伸
-5 ′
3′-
引物
5′-
-3′
5′-
-3′
引物
3′-
-5′
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-6
（P77相关信息）
3.获取目的基因的方法
(4)利用PCR获取和扩增目的基因（常用）
01
【重难点】引物的设计：
&.图2是某同学设计的两组引物(只标注了部分碱基序列)都不合理，
第1组不合理的原因： 。
第2组不合理的原因： 。
引物Ⅰ和引物Ⅱ会因局部发生碱基互补配对而失效
引物Ⅰ′自身折叠后会因出现局部碱基互补配对而失效
设计引物的原则：
①两种引物之间:
；
②每种引物内部:
；
不能在局部发生碱基互补配对
不能在局部发生碱基互补配对
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-6
3.获取目的基因的方法
(4)利用PCR获取和扩增目的基因（常用）
要保证目的基因能与载体相连接，还要对引物进行什么操作？
要在两种引物的5′端分别添加上限制酶的识别序列。
引物设计的原则：
①引物长度要适宜（通常为20~30个核苷酸）
②引物G-C含量要适宜
③引物自身及引物之间不应
存在互补序列
④引物5'端可以修饰，3'端
不可修饰
第一步：目的基因的筛选与获取
P78、79
PCR扩增仪（PCR仪）
微量离心管
——控制温度
一般添加Mg2+
（激活DNA聚合酶）
②DNA模板
③四种脱氧核苷酸(dNTP)
dATP
dGTP
dCTP
dTTP
④引物(2种）
⑤耐高温的DNA
聚合酶（Taq酶）
①稳定的缓冲溶液
Ⅱ.PCR反应所需条件
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-6
3.获取目的基因的方法
(4)利用PCR获取和扩增目的基因（常用）
PCR技术所需的基本条件
参与的组分 在PCR中的作用
高温
模板DNA
4种脱氧核苷酸
耐高温的DNA聚合酶
引物(2种多个)
一定的缓冲溶液(Mg2＋)
打开DNA双链
提供DNA复制的模板
合成DNA子链的原料
催化合成DNA子链
一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸,使耐高温的DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
提供合适的酸碱度和离子，
DNA聚合酶需要Mg2＋激活
(dNTP)
Ⅱ.PCR反应所需条件
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-6
表3-1 DNA复制所需的基本条件
【补充说明①】dNTP
dNTP是脱氧核苷三磷酸的缩写，
N是指A、T、G、C四种含氮碱基，
包括dATP、dGTP、dTTP、dCTP。
P
P
P
～
～
N
脱氧核糖
A
T
G
C
脱氧核苷酸
即可作原料，又可提供能量。
在PCR过程中实际加入的原料为dNTP，有什么优点？
思考
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-6
3’
5’
3’
5’
①变性：当温度超过90℃时，双链DNA解聚为单链。
3’
5’
DNA母链1
3’
5’
DNA母链2
利用高温断开碱基对之间氢键，得到两条单链
变性 复性 延伸
Ⅲ.PCR反应的基本过程：
变性的温度与氢键的数量有关。当氢键数量越多时，所需温度就越高；反之，当氢键数量越少时，所需温度也就越低。
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
3’
5’
3’
5’
3’
5’
引物1
3’
5’
引物2
②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。
3’
5’
DNA母链1
3’
5’
DNA母链2
为什么需要引物？
DNA聚合酶不能从头合成DNA，只能从引物的3′端开始延伸DNA链。
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
变性 复性 延伸
Ⅲ.PCR反应的基本过程：
③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。
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
注意：复性和延伸都是从子链 方向进行。
5'端→3'端
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
变性 复性 延伸
Ⅲ.PCR反应的基本过程：
第一轮循环的产物作为第二轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环的产物。
第一轮循环的产物
第二轮循环的产物
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
第二轮循环的产物作为第三轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第三轮的产物。
第二轮循环的产物
第三轮的产物
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
①由于一个循环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。
指数
2n
②经过n次扩增循环后，DNA分子数为 ，需要引物数量为 。
2n+1-2
引物个数=新增单链=2n+1-2
例题：若消耗了引物62个,则进行了几轮的扩增？
5
4.利用PCR获取和扩增目的基因
Ⅳ.PCR反应的结果
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
拓展：PCR中的数量关系
复制次数 1 2 3 n
DNA分子数
含引物的DNA分子数
含其中一种引物的DNA分子数
同时含两种引物的DNA分子数
共消耗引物的对数
含脱氧核苷酸链等长的DNA分子数
2
2
1＝21－1
0＝21－2
1＝21－1
0＝21－2
4
4
3＝22－1
2＝22－2
3＝22－1
0＝22－4
8
8
7＝23－1
6＝23－2
7＝23－1
2＝23－6
2n
2n
2n－1
2n－2
2n－1
2n－2n
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
一个DNA，一对引物（A与B），通过PCR扩增n次：
①子代DNA分子数为：___个
②子代DNA分子中含模板链DNA分子数为：__个
③复制过程中共需引物 个
④子代DNA分子中含引物A（或B）的DNA分子数为：______个
⑤第n次复制需要引物___个
2n
2
2n-1
2n＋1 - 2
2n
拓展：PCR中的数量关系
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
4.利用PCR获取和扩增目的基因
Ⅳ.PCR反应的结果
一个DNA，一对引物（A与B），通过PCR扩增n次：
①子代DNA分子数为：___个
②子代DNA分子中含模板链DNA分子数为：__个
③子代含有的目的基因数目：_________个
④复制过程中共需引物 个
⑤子代DNA分子中含引物A（或B）的DNA分子数为：______个
⑥第n次复制需要引物___个
2n
2
2n-1
2n＋1 - 2
2n
2n-2n
拓展：PCR中的数量关系
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
4.利用PCR获取和扩增目的基因
Ⅳ.PCR反应的结果
Ⅴ.PCR反应场所：
常采用 来鉴定PCR的产物。
琼脂糖凝胶电泳
PCR扩增仪（PCR仪）
Ⅵ.PCR产物鉴定方法
4.利用PCR获取和扩增目的基因
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
比较项目 细胞内DNA复制 PCR技术
区别 解旋方式 解旋酶催化 DNA在高温下变性解旋
场所 主要在细胞核内 细胞外(主要在PCR扩增仪内)
酶 解旋酶、DNA聚合酶等 热稳定的DNA聚合酶（Taq 酶）
温度 细胞内温和条件 控制温度，需在不同温度下进行
结果 合成整个DNA分子 扩增特定的DNA片段或基因
联系 ①模板:均需要脱氧核苷酸双链作为模板 ②原料:均为四种脱氧核苷酸（dATP、dTTP、dGTP、dCTP） ③酶:均需DNA聚合酶 ④引物:都需要引物，使DNA聚合酶从引物开始进行互补链的合成 第一步：目的基因的筛选与获取
P78、79
PCR技术与DNA复制过程比较
用PCR可以扩增mRNA吗？
PCR不能直接扩增RNA，应先将RNA逆转录为cDNA后，再进行扩增。
（逆转录PCR，简称RT-PCR ）。
①逆转录酶以RNA为模板合成一条与RNA互补的DNA链，形成RNA-DNA杂交分子；
②核酸酶H降解RNA-DNA杂交分子中的RNA链，使之变成单链DNA；
③以单链DNA为模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一条互补的DNA链，形成双链DNA分子。
第一步：目的基因的筛选与获取
P78、79
利用PCR技术扩增目的基因，在第几轮循环产物中开始出现两条脱氧核苷酸链等长的DNA片段(即出现完整的目的基因)？
5’
3’
5’
5’
第一次循环
第二次循环
3’
5’
第三次循环
3’
3’
第一步：目的基因的筛选与获取
P78、79
利用PCR技术扩增目的基因，在第几轮循环产物中开始出现两条脱氧核苷酸链等长的DNA片段(即出现完整的目的基因)？
第三次循环
第一步：目的基因的筛选与获取
P78、79
复制次数 1 2 3 n
含脱氧核苷酸链等长的DNA分子数
0＝21－2
0＝22－4
2＝23－6
2n－2n
第二次循环
第一次循环
第四次循环
(1)PCR反应中温度的周期性改变是为了DNA聚合酶催化不同的反应( )
(2)PCR扩增技术中，需用解旋酶使双链DNA解聚( )
(3)PCR过程使用的DNA聚合酶的特点是耐高温( )
(4)PCR技术中，DNA模板链上碱基G和C的比例越高，DNA变性解链的温度就越高( )
×
为了变性、复性、延伸，DNA聚合酶催化子链的延伸。
×
高温。
√
√
针 对 训 练
（2021·全国甲卷·高考真题）PCR技术可用于临床的病原菌检测。为检测病人是否感染了某种病原菌，医生进行了相关操作：
①分析PCR扩增结果； ②从病人组织样本中提取DNA；
③利用PCR扩增DNA片段； ④采集病人组织样本。
回答下列问题：
（1）若要得到正确的检测结果，正确的操作顺序应该是_________（用数字序号表示）（2）操作③中使用的酶是_______________________________。PCR 反应中的每次循环可分为变性、复性、_____三步，其中复性的结果是_________________________________________。
（3）PCR（多聚酶链式反应）技术是指________________________________________________________________________________________________________________________________。该技术目前被广泛地应用于疾病诊断等方面。
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
④②③①
Taq酶(耐高温的DNA聚合酶）
延伸
引物通过碱基互补配对与单链DNA结合
针 对 训 练
原理:
PCR反应体系（条件）
过程:
1、目的基因的筛选：
从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选
2、目的基因的获取：
从生物组织中直接获取、从基因文库中获取、人工合成、利用PCR获取和扩增目的基因
3、利用PCR获取和扩增目的基因
DNA半保留复制
DNA模板（目的基因）
4种脱氧核苷酸
引物：一小段DNA单链，与DNA母链的一段碱基序列互补配对
酶：耐高温的DNA聚合酶
高温条件、能量等
变性（ 90℃以上，双链DNA解聚为单链）
复性（ 50℃左右引物与两条单链DNA结合）
延伸（ 72℃左右合成新的DNA链。 ）
课堂小结：
（第一课时）
限制酶切割位点
第2节 基因工程的基本操作程序
第3章 基因工程
本节聚焦：
1、基因工程的基本操作程序主要包括哪几个步骤？
2、基因工程操作的每一步涉及的技术和方法有哪些？
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新品种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。
问题:你知道转基因抗虫棉抗虫的机制是什么吗？培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤呢？
P76
从社会中来
1.目的基因的筛选与获取
3.将目的基因导入受体细胞
4.目的基因的检测与鉴定
Bt基因
Ti质粒
重组DNA分子
将目的基因插入染色体DNA中
培育转基因抗虫棉的过程
苏云金杆菌
提取
2.基因表达载体的构建
（核心）
导入
棉花细胞
普通棉花
（无抗虫特性）
抗虫棉
(表达Bt基因)
P76
从社会中来
1.原核细胞的基因结构
不转录，不编码蛋白质，含有能调控遗传信息表达的DNA序列
非编码区
非编码区
编码区
编码区上游
编码区下游
启动子
终止子
连续的、不间隔的
编码区：
（连续的、不间隔的）
非编码区
启动子：
终止子：
位于基因上游，RNA聚合酶的识别和结合位点，驱动基因转录出mRNA
位于基因下游，终止RNA的合成
P76
基因的结构
放大
DNA片段
基因1
基因2
基因3
能转录相应的mRNA，进一步编码（翻译）出蛋白质的DNA区段。
基因通常是有遗传效应的DNA片段；能编码特定的蛋白质。
2.真核细胞的基因结构
编码区
非编码区
非编码区
编码区上游
编码区下游
间隔的、不连续的
外显子
内含子
启动子
终止子
编码区：
非编码区：
外显子：
能转录相应的mRNA，进一步能编码蛋白质的DNA序列
能转录相应的mRNA，但却不能编码蛋白质的DNA序列
内含子：
不编码蛋白质，能调控遗传信息表达
P76
基因的结构
启动子：
终止子：
位于基因上游，RNA聚合酶的识别和结合位点，驱动基因转录mRNA
位于基因下游，终止RNA的合成
3、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 的编码区和具有 作用的非编码区组成的 连续
不连续
编码蛋白质
调控
不能编码蛋白质的序列
= 非编码区
原核生物的基因：
不能编码蛋白质的序列
真核生物的基因：
= 非编码区+内含子
P76
基因的结构
(1)概念：
用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。
如与生物抗逆性、生产药物、毒物降解、工业用酶等相关的基因。
主要是指编码蛋白质的基因，也可以是具有调控作用的因子。
资料：苏云金杆菌通过产生苏云金杆菌伴胞晶体蛋白（Bt抗虫蛋白），破坏鳞翅目昆虫的消化系统来杀死棉铃虫。科学家将
“杀虫基因”转入棉花中，棉花产生Bt抗虫蛋白抵抗虫害。
(2)种类：
培育转基因抗虫棉的目的基因——Bt 抗虫蛋白基因（Bt基因 ）
1.目的基因
第一步：目的基因的筛选与获取
P76-2
P76-3
当Bt抗虫蛋白被分解为多肽后，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，最后造成害虫死亡。
问题1：Bt抗虫蛋白的抗虫原理是什么？
问题2：抗虫棉中的Bt抗虫蛋白会不会对人畜产生危害？
Bt抗虫蛋白只有在某类昆虫肠道的碱性环境中才能表现出毒性，而人和牲畜的胃液呈酸性，肠道细胞也没有特异性受体，因此，Bt抗虫蛋白不会对人畜产生上述影响。
第一步：目的基因的筛选与获取
P76-3
2.筛选合适的目的基因
(1)较为有效的方法之一
从相关的___________和___________的基因中进行筛选。
已知结构
功能清晰
用苏云金杆菌制成的生物杀虫剂广泛用于防治棉花虫害
对Bt基因的表达产物Bt抗虫蛋白有了较为深入的了解
苏云金杆菌的杀虫作用与Bt 基因有关
掌握了Bt 基因的序列信息
Bt基因是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因
功能清晰
已知结构
实例：Bt 抗虫蛋白基因（Bt 基因）的筛选过程
第一步：目的基因的筛选与获取
P76-4&P77-1
(2)认识基因结构和功能的技术方法
利用测序技术、序列数据库（如GenBank）、序列对比工具(如BLAST)等，找到合适的目的基因。
2.筛选合适的目的基因
基因测序仪
测定核酸和蛋白质序列
测序技术
美国国家生物信息中心
序列数据库
以碱基顺序或氨基酸残基顺序为基本内容的分子生物信息数据库
核苷酸序列比对
氨基酸序列比对
序列比对工具
把感兴趣的序列跟已经存在的序列数据库进行比较的工具。通过比对识别相关的序列，从而能获得目的基因和蛋白质的功能。
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-2
①从生物组织中直接获取
②从基因文库中获取
③人工合成
④利用PCR获取和扩增目的基因
基因比较小、核苷酸序列已知
通过DNA合成仪用化学方法直接合成
基因组文库（某生物全部基因）
部分基因文库（主要是cDNA文库）
前提：
方法：
3.获取目的基因的方法
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
从供体细胞直接获取目的基因常用的方法是“鸟枪法”。
缺点:
工作量大，具有一定的盲目性。
(1)从生物组织中直接获取
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
3.获取目的基因的方法
①含义：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。
②种类
基因组文库：
部分基因文库：
含有一种生物所有基因的文库
含有一种生物部分基因的文库
（主要指：cDNA文库）
(2)从基因文库中获取
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
3.获取目的基因的方法
①基因组文库
受体菌
该受体菌群为基因组文库
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
3.获取目的基因的方法
(2)从基因文库中获取
②cDNA文库
如果用某种生物发育的某个时期的mRNA 产生的多种互补DNA（也叫cDNA）片段，与载体连接后储存在一个受体菌群中，那么，这个受体菌群体就叫做这种生物的 。
逆转录
cDNA文库
逆转录
基因组文库中的基因含有启动子、终止子、内含子，cDNA文库不含有
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
3.获取目的基因的方法
(2)从基因文库中获取
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
(2)从基因文库中获取
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
3.获取目的基因的方法
逆转录
目的基因的mRNA
单链DNA (单链cDNA）
双链DNA(即目的基因)
反转录
合成
反转录法：
根据已知的氨基酸序列合成DNA
蛋白质的氨基酸序列
mRNA的核苷酸序列
目的基因的核苷酸序列
推测
推测
目的基因
化学合成
①前提：
②方法：
DNA
合成仪
基因比较小、核苷酸序列已知
通过DNA合成仪用化学方法直接合成目的基因
(3)人工合成
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-补
3.获取目的基因的方法
(4)利用PCR（Polymerase Chain Reaction）获取和扩增目的基因（常用）
抗虫基因
快速获得大量抗虫基因
苏云金杆菌
提取
PCR
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-4
3.获取目的基因的方法
全称：
原理：
操作环境：
目的：
优点：
聚合酶链式反应
DNA半保留复制
体外（PCR扩增仪/PCR仪）
对目的基因的核苷酸序列进行大量复制
可以在短时间内大量扩增目的基因
PCR由穆里斯等人于1985年发明，1993年获得诺贝尔化学奖
PCR扩增仪
Ⅰ.PCR的概念：
模拟细胞内DNA的复制过程，在体外快速扩增特定的DNA片段。
(4)利用PCR（Polymerase Chain Reaction）获取和扩增目的基因（常用）
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-5
它是一项根据DNA半保留复制的原理，在体外提供参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(表3-1）。
3.获取目的基因的方法
体内DNA复制的条件:
原则:
③能量：
亲代DNA的两条链
4种游离的脱氧核苷酸
解旋酶、DNA聚合酶等
由细胞代谢提供的ATP
①模板：
②原料：
④酶：
碱基互补配对原则
从子链的5' 端向 3' 端延伸
方向:
特点:
边解旋边复制、半保留复制 、多起点双向复制
体外复制怎么改进
⑤引物
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-6
3.获取目的基因的方法
(4)利用PCR获取和扩增目的基因（常用）
(注：胞内DNA复制引物是RNA片段)
引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。
用于PCR的引物通常为20~30个核苷酸。
使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
什么是引物？
子链延伸
子链延伸
-5 ′
3′-
引物
5′-
-3′
5′-
-3′
引物
3′-
-5′
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-6
（P77相关信息）
3.获取目的基因的方法
(4)利用PCR获取和扩增目的基因（常用）
01
【重难点】引物的设计：
&.图2是某同学设计的两组引物(只标注了部分碱基序列)都不合理，
第1组不合理的原因： 。
第2组不合理的原因： 。
引物Ⅰ和引物Ⅱ会因局部发生碱基互补配对而失效
引物Ⅰ′自身折叠后会因出现局部碱基互补配对而失效
设计引物的原则：
①两种引物之间:
；
②每种引物内部:
；
不能在局部发生碱基互补配对
不能在局部发生碱基互补配对
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-6
3.获取目的基因的方法
(4)利用PCR获取和扩增目的基因（常用）
要保证目的基因能与载体相连接，还要对引物进行什么操作？
要在两种引物的5′端分别添加上限制酶的识别序列。
引物设计的原则：
①引物长度要适宜（通常为20~30个核苷酸）
②引物G-C含量要适宜
③引物自身及引物之间不应
存在互补序列
④引物5'端可以修饰，3'端
不可修饰
第一步：目的基因的筛选与获取
P78、79
PCR扩增仪（PCR仪）
微量离心管
——控制温度
一般添加Mg2+
（激活DNA聚合酶）
②DNA模板
③四种脱氧核苷酸(dNTP)
dATP
dGTP
dCTP
dTTP
④引物(2种）
⑤耐高温的DNA
聚合酶（Taq酶）
①稳定的缓冲溶液
Ⅱ.PCR反应所需条件
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-6
3.获取目的基因的方法
(4)利用PCR获取和扩增目的基因（常用）
PCR技术所需的基本条件
参与的组分 在PCR中的作用
高温
模板DNA
4种脱氧核苷酸
耐高温的DNA聚合酶
引物(2种多个)
一定的缓冲溶液(Mg2＋)
打开DNA双链
提供DNA复制的模板
合成DNA子链的原料
催化合成DNA子链
一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸,使耐高温的DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
提供合适的酸碱度和离子，
DNA聚合酶需要Mg2＋激活
(dNTP)
Ⅱ.PCR反应所需条件
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-6
表3-1 DNA复制所需的基本条件
【补充说明①】dNTP
dNTP是脱氧核苷三磷酸的缩写，
N是指A、T、G、C四种含氮碱基，
包括dATP、dGTP、dTTP、dCTP。
P
P
P
～
～
N
脱氧核糖
A
T
G
C
脱氧核苷酸
即可作原料，又可提供能量。
在PCR过程中实际加入的原料为dNTP，有什么优点？
思考
第一步：目的基因的筛选与获取
P77-6
3’
5’
3’
5’
①变性：当温度超过90℃时，双链DNA解聚为单链。
3’
5’
DNA母链1
3’
5’
DNA母链2
利用高温断开碱基对之间氢键，得到两条单链
变性 复性 延伸
Ⅲ.PCR反应的基本过程：
变性的温度与氢键的数量有关。当氢键数量越多时，所需温度就越高；反之，当氢键数量越少时，所需温度也就越低。
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
3’
5’
3’
5’
3’
5’
引物1
3’
5’
引物2
②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。
3’
5’
DNA母链1
3’
5’
DNA母链2
为什么需要引物？
DNA聚合酶不能从头合成DNA，只能从引物的3′端开始延伸DNA链。
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
变性 复性 延伸
Ⅲ.PCR反应的基本过程：
③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。
3’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
5’
注意：复性和延伸都是从子链 方向进行。
5'端→3'端
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
变性 复性 延伸
Ⅲ.PCR反应的基本过程：
第一轮循环的产物作为第二轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第二轮循环的产物。
第一轮循环的产物
第二轮循环的产物
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
第二轮循环的产物作为第三轮反应的模板，经过变性、复性和延伸三步产生第三轮的产物。
第二轮循环的产物
第三轮的产物
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
①由于一个循环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。
指数
2n
②经过n次扩增循环后，DNA分子数为 ，需要引物数量为 。
2n+1-2
引物个数=新增单链=2n+1-2
例题：若消耗了引物62个,则进行了几轮的扩增？
5
4.利用PCR获取和扩增目的基因
Ⅳ.PCR反应的结果
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
拓展：PCR中的数量关系
复制次数 1 2 3 n
DNA分子数
含引物的DNA分子数
含其中一种引物的DNA分子数
同时含两种引物的DNA分子数
共消耗引物的对数
含脱氧核苷酸链等长的DNA分子数
2
2
1＝21－1
0＝21－2
1＝21－1
0＝21－2
4
4
3＝22－1
2＝22－2
3＝22－1
0＝22－4
8
8
7＝23－1
6＝23－2
7＝23－1
2＝23－6
2n
2n
2n－1
2n－2
2n－1
2n－2n
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
一个DNA，一对引物（A与B），通过PCR扩增n次：
①子代DNA分子数为：___个
②子代DNA分子中含模板链DNA分子数为：__个
③复制过程中共需引物 个
④子代DNA分子中含引物A（或B）的DNA分子数为：______个
⑤第n次复制需要引物___个
2n
2
2n-1
2n＋1 - 2
2n
拓展：PCR中的数量关系
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
4.利用PCR获取和扩增目的基因
Ⅳ.PCR反应的结果
一个DNA，一对引物（A与B），通过PCR扩增n次：
①子代DNA分子数为：___个
②子代DNA分子中含模板链DNA分子数为：__个
③子代含有的目的基因数目：_________个
④复制过程中共需引物 个
⑤子代DNA分子中含引物A（或B）的DNA分子数为：______个
⑥第n次复制需要引物___个
2n
2
2n-1
2n＋1 - 2
2n
2n-2n
拓展：PCR中的数量关系
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
4.利用PCR获取和扩增目的基因
Ⅳ.PCR反应的结果
Ⅴ.PCR反应场所：
常采用 来鉴定PCR的产物。
琼脂糖凝胶电泳
PCR扩增仪（PCR仪）
Ⅵ.PCR产物鉴定方法
4.利用PCR获取和扩增目的基因
第一步：目的基因的筛选与获取
P78-1
比较项目 细胞内DNA复制 PCR技术
区别 解旋方式 解旋酶催化 DNA在高温下变性解旋
场所 主要在细胞核内 细胞外(主要在PCR扩增仪内)
酶 解旋酶、DNA聚合酶等 热稳定的DNA聚合酶（Taq 酶）
温度 细胞内温和条件 控制温度，需在不同温度下进行
结果 合成整个DNA分子 扩增特定的DNA片段或基因
联系 ①模板:均需要脱氧核苷酸双链作为模板 ②原料:均为四种脱氧核苷酸（dATP、dTTP、dGTP、dCTP） ③酶:均需DNA聚合酶 ④引物:都需要引物，使DNA聚合酶从引物开始进行互补链的合成 第一步：目的基因的筛选与获取
P78、79
PCR技术与DNA复制过程比较
用PCR可以扩增mRNA吗？
PCR不能直接扩增RNA，应先将RNA逆转录为cDNA后，再进行扩增。
（逆转录PCR，简称RT-PCR ）。
①逆转录酶以RNA为模板合成一条与RNA互补的DNA链，形成RNA-DNA杂交分子；
②核酸酶H降解RNA-DNA杂交分子中的RNA链，使之变成单链DNA；
③以单链DNA为模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一条互补的DNA链，形成双链DNA分子。
第一步：目的基因的筛选与获取
P78、79
利用PCR技术扩增目的基因，在第几轮循环产物中开始出现两条脱氧核苷酸链等长的DNA片段(即出现完整的目的基因)？
5’
3’
5’
5’
第一次循环
第二次循环
3’
5’
第三次循环
3’
3’
第一步：目的基因的筛选与获取
P78、79
利用PCR技术扩增目的基因，在第几轮循环产物中开始出现两条脱氧核苷酸链等长的DNA片段(即出现完整的目的基因)？
第三次循环
第一步：目的基因的筛选与获取
P78、79
复制次数 1 2 3 n
含脱氧核苷酸链等长的DNA分子数
0＝21－2
0＝22－4
2＝23－6
2n－2n
第二次循环
第一次循环
第四次循环
(1)PCR反应中温度的周期性改变是为了DNA聚合酶催化不同的反应( )
(2)PCR扩增技术中，需用解旋酶使双链DNA解聚( )
(3)PCR过程使用的DNA聚合酶的特点是耐高温( )
(4)PCR技术中，DNA模板链上碱基G和C的比例越高，DNA变性解链的温度就越高( )
×
为了变性、复性、延伸，DNA聚合酶催化子链的延伸。
×
高温。
√
√
针 对 训 练
（2021·全国甲卷·高考真题）PCR技术可用于临床的病原菌检测。为检测病人是否感染了某种病原菌，医生进行了相关操作：
①分析PCR扩增结果； ②从病人组织样本中提取DNA；
③利用PCR扩增DNA片段； ④采集病人组织样本。
回答下列问题：
（1）若要得到正确的检测结果，正确的操作顺序应该是_________（用数字序号表示）（2）操作③中使用的酶是_______________________________。PCR 反应中的每次循环可分为变性、复性、_____三步，其中复性的结果是_________________________________________。
（3）PCR（多聚酶链式反应）技术是指________________________________________________________________________________________________________________________________。该技术目前被广泛地应用于疾病诊断等方面。
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
④②③①
Taq酶(耐高温的DNA聚合酶）
延伸
引物通过碱基互补配对与单链DNA结合
针 对 训 练
原理:
PCR反应体系（条件）
过程:
1、目的基因的筛选：
从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选
2、目的基因的获取：
从生物组织中直接获取、从基因文库中获取、人工合成、利用PCR获取和扩增目的基因
3、利用PCR获取和扩增目的基因
DNA半保留复制
DNA模板（目的基因）
4种脱氧核苷酸
引物：一小段DNA单链，与DNA母链的一段碱基序列互补配对
酶：耐高温的DNA聚合酶
高温条件、能量等
变性（ 90℃以上，双链DNA解聚为单链）
复性（ 50℃左右引物与两条单链DNA结合）
延伸（ 72℃左右合成新的DNA链。 ）
课堂小结：