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第三章 基因工程
第3节 基因工程的应用
人教版·选择性必修3
问题探究:
问题探究:
胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素需要上千头牛,生产的成本非常高。1978年,科学家将编码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中,使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工程药物——重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。
抗虫棉、转基因大豆、重组人干扰素等。
除了生产胰岛素,基因工程还有哪些应用呢?
一、基因工程在农牧业方面的应用
1. 发展现状
基因工程在农牧业中的应用发展迅速。
①1996-2017年,全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。
②转基因作物的种植使化学农药的施用量减少了8.2%,作物产量增加了6.6×108t,增加经济效益1.3万亿。
③美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家。棉花、玉米、大豆种植比例都超过90%。
④2017年,我国转基因作物的种植面积居世界第八位。商业化种植的有棉花、番木瓜。
一、基因工程在农牧业方面的应用
1. 发展现状
5.在转基因动物方面,近些年几乎每年都有令人瞩目的研究成果报道,有些成果正在进入实用化和商业化开发的阶段。2015年11月,第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑(俗称“三文鱼”)在美国获得批准上市。
目前,基因工程技术已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面。
①缩短了生长周期。
②都是雌性而且不育,避免了野生鲑鱼杂交的风险。
基因工程在农牧业中的应用发展迅速。
转基因鲑鱼(后排)和正常鲑鱼(前排)
转基因大西洋鲑的优点:
一、基因工程在农牧业方面的应用
1. 发展现状
转基因抗虫植物
农牧业方面的应用
转基因抗病植物
转基因抗除草剂植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改良畜产品的品质
抗逆性
一、基因工程在农牧业方面的应用
2. 转基因抗虫植物
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。
已问世的转基因抗虫植物有转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯。
减少因化学农药的使用而造成的环境污染和对人类健康的损害、降低生产成本、提高产量
优点:
一、基因工程在农牧业方面的应用
4. 转基因抗除草剂植物
大多数除草剂不仅能杀死田间杂草,还会损伤作物,导致作物减产。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品种。这样在喷洒除草剂时,田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。
目前已经获得转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜。
3. 转基因抗病植物
科学家将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物,培育出转基因抗病毒植物,如转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草。
一、基因工程在农牧业方面的应用
5. 利用转基因改良植物品质
①使食品的营养成分均衡
将某种必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中,提高氨基酸的含量,科学家培育的某种转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。
转基因高赖氨酸玉米
一、基因工程在农牧业方面的应用
②丰富花品颜色,提高观赏价值。
我国科学家将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中,使它呈现出自然界没有的颜色变异,大大提高观赏价值。
普通矮牵牛
转基因矮牵牛
5. 利用转基因改良植物品质
一、基因工程在农牧业方面的应用
6. 利用转基因提高动物生长速度
外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长更快。科学家将外源生长激素基因,导入动物体内,以提高动物生长速率。
7. 利用转基因改善畜产品的品质
有些人由于乳糖酶分泌少,不能完全消化牛奶中的乳糖,食用牛奶后会出现腹泻等不适症状,称之为乳糖不耐受。
一、基因工程在农牧业方面的应用
乳糖耐受
乳糖不耐受
乳糖
乳糖
细菌发酵
产气
产酸
腹痛
乳糖酶
小肠
大肠
一、基因工程在农牧业方面的应用
6. 利用转基因提高动物生长速度
外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长更快。科学家将外源生长激素基因,导入动物体内,以提高动物生长速率。
7. 利用转基因改善畜产品的品质
有些人由于乳糖酶分泌少,不能完全消化牛奶中的乳糖,食用牛奶后会出现腹泻等不适症状,称之为乳糖不耐受。
科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组,使获得的转基因牛分泌的乳汁中,乳糖的含量大大降低,其他营养成分不受影响。
解决方法:
低乳糖奶牛
一、基因工程在农牧业方面的应用
连一连:
基于基因工程在改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面的应用,将下列转基因生物和选用的目的基因连线。
知识巩固
二、基因工程在医疗卫生领域的应用
1. 对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等。
可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等;
① 药物类型:
细胞因子、抗体、疫苗和激素等。
② 用途:
③ 成果:
二、基因工程在医疗卫生领域的应用
【资料2】:
干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白,是治疗病毒感染的“万能灵药”!对癌症也有一定疗效。传统的干扰素生产方法是从人血中的白细胞内提取,300L血才提取1mg!其“珍贵”程度自不用多说。
1980~1982年,科学家用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素,从1kg细菌培养液中可20~40mg干扰素。
资料卡——干扰素
干扰素生产过程:
干扰素基因
质粒
重组质粒
大肠杆菌
大量可生产干扰素的大肠杆菌
构建
导入
培养
二、基因工程在医疗卫生领域的应用
2. 让转基因哺乳动物批量生产药物
①实例:
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
②应用:
目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中,获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品。
二、基因工程在医疗卫生领域的应用
乳腺生物反应器的生产过程
药用蛋白基因(如血清蛋白基因、人生长激素基因等)
(将目的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)
(显微注射法)
(进入泌乳期后,从分泌的乳汁中获得所需的药物)
2. 让转基因哺乳动物批量生产药物
获取目的基因
构建基因表达载体
导入哺乳动物受精卵
形成胚胎
将胚胎送入母体动物
发育成转基因动物
二、基因工程在医疗卫生领域的应用
寻求可替代的移植器官,如用猪的器官来解决人类器官移植的来源问题。
①人体器官移植的难题:
人体移植器官短缺是世界性难题。
②解决途径:
3. 用转基因动物作为器官移植的供体
人体移植器官短缺
寻求可代替的移植器官
猪的内脏与人相似
在器官供体的基因组中导入某种调节因子
抑制抗原决定基因的表达或除去抗原决定基因
结合克隆技术
培育出无免疫排斥的转基因克隆猪器官
二、基因工程在医疗卫生领域的应用
3. 用转基因动物作为器官移植的供体
猪的优点:
a. 猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似。
b. 猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物。
最大难题:
免疫排斥。
③改造方法:
三、基因工程在食品工业方面的应用
1. 基因工程菌
利用基因工程菌,除了可以生产药物,还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等
用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类。
①概念:
②应用:
2. 实例
产物 应用 制备方法
阿斯巴甜
凝乳酶
淀粉酶、脂酶
主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成,这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产
科学家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
通过构建基因工程菌、然后用发酵技术大量生产
普遍使用的甜味剂
用于奶酪生产,凝聚固化奶中的蛋白质。
转化糖浆(淀粉酶)、烘烤食物(脂酶)
三、基因工程在食品工业方面的应用
课堂小结
比较项目 乳腺(房)生物反应器 基因工程菌生产药物
基因结构
基因产物
受体细胞
导入细胞
生产条件
产物提取
哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同。
细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异。
与天然蛋白质完全相同
细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器,合成的蛋白质可能不具有生物活性。
哺乳动物的受精卵
微生物细胞
显微注射法
Ca2+处理法(感受态细胞法)
不需要严格的灭菌,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。
从动物乳汁中提取,相对简单
(一般经过工业发酵后)从微生物细胞(或发酵液)中提取,相对复杂。
乳腺生物反应器与基因工程菌生产药物比较
三、基因工程在食品工业方面的应用
基因工程将能分解三种烃类的假单孢杆菌的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内,创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。
有的还能吞食转化汞、镉等重金属,分解DDT等毒害物质。
净化污染的环境
三、基因工程在食品工业方面的应用
三、基因工程在食品工业方面的应用
基因工程使人们更容易培育出具有优良性状的动植物品种,获得很多过去难以得到的生物制品,甚至还能培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染,利用经过基因改造的微生物来生产能源……
三、基因工程在食品工业方面的应用
利用经过基因改造的微生物来生产能源。
生产清洁能源
生物乙醇
生物柴油
3种淀粉酶基因
组成的复合基因
海底热泉古生菌
玉米
乙醇单位产量的利润提高了8%~15%
三、基因工程在食品工业方面的应用
【概念检测】
1. 将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后,重新导入大肠杆菌的细胞内,再通过发酵工程就能大量生产人生长激素。下列相关叙述正确的是( )
A. 转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶
B. 发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢物
C. 大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传
D. 大肠杆菌质粒标记基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等
练习与应用
教材P92
2. 基因工程应用广泛,成果丰硕。下列不属于基因工程应用的是( )
A. 培育青霉菌并从中提取青霉素
B. 利用乳腺生物反应器生产药物
C. 制造一种能降解石油的“超级细菌"
D. 制造一种能产生干扰素的基因工程菌
A
C
结果:对照组植株死亡,转基因植株存活,但也受到了影响。
结论:___________________________________________
三、基因工程在食品工业方面的应用
【拓展应用】1. 除草剂的有效成分草甘麟能够专一地抑制EPSP合酶的活性,从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘腾没有选择性,它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘麟的作物。
练习与应用
教材P92
(1)下面是探究“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘腾”的流程,请补充完整。
①用_______________________等处理含有目的基因的DNA片段和T质粒,构建重组Ti质粒;
②将重组Ti质粒转入农杆菌中;
③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染_________细胞,再通过培育得到转基因植株;
④用草甘瞬同时喷酒转基因植株和对照组植株。
限制酶和DNA连接酶
矮牵牛
转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。
三、基因工程在食品工业方面的应用
练习与应用
教材P92
【拓展应用】1. 除草剂的有效成分草甘麟能够专一地抑制EPSP合酶的活性,从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘腾没有选择性,它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘麟的作物。
(2)请思考并回答下列问题。
①在该实验中,对照组是怎样设计的?
②如果增加转入的外源 EPSP 合酶基因的数量,转基因矮牵牛对草甘膦的抗性是否会增加?请你给出进一步探究的思路。
①对照组为非转基因矮牵牛。
③将不同拷贝数的EPSP合酶基因分别转入矮牵牛细胞中,培育转基因植株,比较它们对草甘辟抗性的差异。
②理论上增加转入的外源EPSP合酶基因的数量,矮牵牛体内EPSP合酶的表达水平会升高,它对草甘膦的抗性会增强。
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