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生物育种方法的比较
名称 原理 方法 优点 缺点 应用
杂交育种 基因重组 杂交—自交—筛选出符合要求的表现型，通过自交至不发生性状分离为止 使分散在同一物种不同个体中的多个优良性状集中于同一个体上(集优) 时间长，局限于同种个体之间进行杂交 用纯种高秆抗病与矮秆不抗病小麦杂交，选育出矮秆抗病小麦
名称 原理 方法 优点 缺点 应用
诱变育种 基因突变 物理方法：紫外线、微重力、激光等
化学方法：秋水仙素、硫酸二乙酯 提高变异频率，加速育种进程，大幅度改良某些性状 有利变异少，工作量大，需大量的供试材料 高产青霉菌、太空椒(空间技术育种成果)
单倍体育种 染色体变异 先将花药离体培养出单倍体植株；后将其幼苗经一定浓度的秋水仙素处理，使染色体加倍，选育 明显缩短育种年限，加速育种进程 技术要求高，难度大 用纯种高秆抗病小麦与矮秆不抗病小麦快速培育出矮秆抗病小麦
名称 原理 方法 优点 缺点 应用
多倍体育种 染色体变异 用一定浓度的秋水仙素处理萌发的种子或幼苗 植物茎秆粗壮，叶片、果实、种子都比较大，营养物质含量高 技术复杂，发育延迟，结实率低 三倍体无子西瓜、八倍体小黑麦、四倍体水稻
转基因育种 基因重组 提取目的基因、在体外目的基因与运载体结合后导入受体细胞、目的基因的检测与表达，筛选出符合要求的新品种 目的性强、周期短、克服了远缘杂交不亲和的障碍 技术复杂；存在基因污染问题 转基因“向日葵”、转基因抗虫棉、转基因动物
名称 原理 方法 优点 缺点 应用
细胞工程育种 植物体细胞杂交 细胞的全能性 “去壁”→“诱融”→“组培” 克服了远缘杂交不亲和的障碍，大大扩展了用于亲本杂交组合的范围 技术复杂，工作量大，操作繁琐 “白菜—甘蓝”、“番茄－马铃薯”植株
动物体细胞克隆 细胞核的全能性 核移植和胚胎移植 可用于繁殖优良动物，抢救濒危动物等 技术要求高 克隆羊“多利”
以下为五种不同的育种方法示意图，请据图回答：
例1
(1)图中A→D方向所示的途径表示____________育种方式，A→B→C的途径表示____________育种方式。这两种育种方式相比较，后者的优越性主要表现在________________________________________。
(2)B途径常用的方法为____________。
(3)通过E途径获得植物常用的方法是____________。
(4)C，F过程最常用的药剂是________________________________________________________________________。
(5)由G到J的过程中涉及到的生物技术有________________________________________________________________________、
________。
【尝试解答】 (1)杂交 单倍体 可明显地缩短育种年限，加快育种进程
(2)花药离体培养
(3)人工诱变
(4)一定浓度的秋水仙素溶液
(5)基因工程 植物组织培养
【解析】 这是一道有关作物育种方式的综合性试题，要对不同的育种方法、原理、适用对象、特点、优点、特殊处理方法、步骤及已取得成果等进行比较，并依据具体的事例理解各种育种方法的程序。
植物体细胞杂交和单克隆抗体的制备的比较
植物体细胞杂交 动物细胞融合(单克隆抗体的制备)
理论基础(原理) 细胞膜的流动性、细胞的全能性 细胞膜的流动性、细胞增殖
融合前处理 酶解法去除细胞壁(纤维素酶、果胶酶) 注射特定抗原，免疫处理正常小鼠
促融方法 (1)物理法：离心、振动 、电刺激等
(2)化学法：聚乙二醇(PEG) (1)物、化法：与植物细胞融合相同
(2)生物法：灭活的仙台病毒
植物体细胞杂交 动物细胞融合(单克隆抗体的制备)
过程 第一步 原生质体的制备(酶解法) 正常小鼠免疫处理
第二步 原生质体的融合(物、化法) 动物细胞的融合(物、化、生法)
第三步 杂种细胞的筛选与培养 杂交瘤细胞的筛选与培养
第四步 杂种植株的诱导与鉴定 单克隆抗体的提纯
意义和用途 (1)克服远源杂交不亲和的障碍，大大扩展了杂交的亲本组合范围
(2)克服有性杂交的母系遗传现象，获得细胞质基因的杂合子，研究细胞质遗传 (1)制备单克隆抗体等
(2)诊断、治疗、预防疾病
【特别提醒】 ①植物体细胞杂交的终点不是杂种细胞，而是杂种植株，其原理有两个，一是细胞的全能性，二是细胞膜的流动性；动物细胞融合(单克隆抗体的制备)是形成杂交瘤细胞，而不是形成新个体，其原理是细胞膜的流动性和细胞增殖。
②两者形成的杂种细胞包含两个亲本的遗传物质，其染色体数、基因组成情况、染色体组都是两个细胞之和，表现两个亲本的遗传性状。
请根据材料回答下列问题：
单克隆抗体在医疗、诊断等方面发挥着越来越重要的作用。英国科学家米尔斯坦和柯勒设计了一个用被免疫的B淋巴细胞制备单克隆抗体的实验，图示为其实验流程：
例2
(1)________________技术是单克隆抗体技术的基础。a是________________，b是________________________________________________________________________。
(2)①过程是____________________________，②表示在____________________上进行培养，③过程包括了体外培养和________________________________________________________________________。
(3)③过程如在体外培养，则需要的环境条件是(要求答5项)
________________________________________________________________________。
(4)单克隆抗体与常规的血清抗体相比。优点是________________、________________，并可以大量制备。
(5)诱导动、植物细胞融合常用的一种化学诱导剂是________，动物细胞融合除了采用植物细胞原生质体融合常用诱导剂外，还可以采用________________。植物体细胞杂交之前还需用________________去除细胞壁，植物体细胞杂交技术在一定程度上解决了杂交育种的________________________的问题。
【尝试解答】 (1)动物细胞培养 小鼠骨髓瘤细胞 杂交瘤细胞 (2) 筛选出能产生特定抗体的杂交瘤细胞 特定的选择性培养基 注射到小鼠腹腔内增殖 (3)无菌、无毒环境条件、适宜的营养、温度、pH和气体环境(主要有氧气和二氧化碳)、血清、血浆 (4)灵敏性高 特异性强 (5)聚乙二醇 灭活的病毒 纤维素酶、果胶酶 物种远缘杂交不亲和
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第二节 胚胎干细胞的研究及其应用
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．阐述胚胎干细胞及其研究进展。
2．举例说出胚胎干细胞的应用。
情景导引
据报道，13株胚胎干细胞系通过美国NIH审核，成为首批合法干细胞系。这将意味着今后由这13株干细胞系产生的干细胞，可以安全地应用于各种医学研究中，使用者不仅不会受到伦理责难，还会
得到政府基金的支持。
什么是胚胎干细胞？
胚胎干细胞有哪些应
用前景？
核心要点突破
知能过关演练
第二节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、胚胎干细胞及其研究进展
1．干细胞是动物胚胎及某些器官中具有____________和多向分化潜能的原始细胞，是重建、修复病损或衰老组织器官功能的种子细胞。按照分化潜能的大小，干细胞基本上可以分为
_______________________________________三类。
自我复制
专能干细胞、多能干细胞、全能干细胞
2．存在于胎儿、儿童和成人组织中的____________又统称为成体干细胞。在特定的条件下，成体干细胞能产生___________，或者按照一定的程序分化而形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。
3．胚胎干细胞是在人胚胎发育早期的____中未分化的细胞，它可以进一步分裂、分化，形成组织和器官，再逐步发育成个体。
多能干细胞
新的干细胞
囊胚
二、胚胎干细胞的应用
1．对人胚胎干细胞的研究，可以帮助人们理解复杂的___________过程，使人们深刻认识数十年来困扰着胚胎学家的一些基本问题，促进对人胚胎发育细节的基础研究，从而揭示人与动物的_____________及影响其发育的因素。
人体发育
发育机制
2．在研究新药对各种细胞的药理和毒理试验中，胚胎干细胞为其在__________上的研究提供了材料，大大减少了新药研究所需动物的数量，从而降低了成本。
3．胚胎干细胞在功能上类似于早期的胚胎细胞，因而有可能被用来揭示那些会干扰胎儿发育和引起出生缺陷的药物的致病机理。通过胚胎干细胞，结合基因工程等还可以在试管中改良并创造动物新品种，培育出________、__________、高产的家畜品种等。
细胞水平
生长快
抗病力强
思考感悟
1．某人患有严重的尿毒症，肾脏受损严重。功能衰退，经长期的血液透析治疗未能康复。你可否利用所学的胚胎干细胞技术为他提供可行的治疗方法？
【提示】 可利用该人的体细胞核克隆出早期胚胎，或寻找到配型相近而无明显免疫排斥的早期胚胎，得到胚胎干细胞，诱导定向分化，获得特异的肾脏细胞或组织甚至肾脏器官，然后移植给该患者。
三、胚胎干细胞研究面临的挑战
1．自从胚胎干细胞在1997年被分离出来后，各国政府和科学家就胚胎干细胞的应用展开了一场激烈的争论，它给法律、伦理、国家和社会安全等方面带来的冲击是空前的。
2．________________是一个瓶颈问题，如何获得组织工程所需__________的数量，很值得研究；而如何得到纯化的分化细胞也有很多工作要做。
分化细胞的增殖
种子细胞
3．理论上讲，胚胎干细胞可以分化成各种_______________，形成各种器官，然而，对胚胎干细胞向不同组织细胞“定向分化”的条件还不清楚，从而限制了胚胎干细胞的临床应用。
4．干细胞的研究领域主要有：建立并完善维持胚胎干细胞__________与定向诱导分化的体系；研究转基因或_______________的增殖与分化及其调控机制；诱导分化细胞性能分析与鉴定；体外重构重要的组织与器官，探索克服移植排异等的技术与方法。
组织细胞
体外增殖
转核胚胎干细胞
思考感悟
2．为什么捐出一部分骨髓救治他人，不会给捐献者的身体健康造成损伤？你愿意为救人一命而捐献自己一部分骨髓吗？为什么？
【提示】 (1)所谓捐献骨髓，实际上医生只是从你的骨髓中分离出一部分造血干细胞供移植。因为造血干细胞在人的骨髓中相对较多，而在外周血液中却很少。
(2)干细胞的一个重要特点是自我更新能力很强，被分离走的那部分造血干细胞，很快就会被“补齐”。因此捐献骨髓不会影响捐献者的身体健康。
(3)医生只是在医学公认的安全条件下，分离出捐献者有限数量的造血干细胞，而且整个抽取、分离过程，都是在设备良好的大医院中进行的，一般不会对捐献者造成意外伤害。
(4)捐献有限造血干细胞救人一命，对个人来说是一种美德、一种欣慰和快乐，是一种高尚的人道主义表现。
核心要点突破
有关干细胞的理解
1．干细胞的概念
干细胞是动物(包括人)胚胎及某些器官中具有自我复制和多向分化潜能的原始细胞，是重建、修复病损或衰老组织、器官功能的种子细胞。
2．干细胞作用
具有重建、修复病损或衰老组织、器官功能。
3．干细胞分类
名称 全能干细胞 多能干细胞 专能干细胞
特点 具有形成机体的任何组织或器官直至形成完整个体的潜能 具有分化成多种细胞或组织的潜能，但不能发育成完整的个体 只能分化成某一种类型或功能密切相关的两种类型的细胞
举例 受精卵、胚胎干细胞 造血干细胞 神经干细胞
应用 用于病人的器官移植等 造血干细胞移植是治疗血液系统疾病、遗传性血液病等的有效手段 通过神经干细胞移植治疗脑瘫、头颅外伤等病症
4.获得干细胞的主要途径
(1)从体外培养的胚胎中获得。
(2)从早期流产的胎儿中获得。
(3)从克隆的胚胎中获得。
(4)从成体中获得。
【特别提醒】 ①干细胞与癌细胞不同。干细胞的遗传物质没有发生基因突变。
②干细胞不仅能增殖，而且增殖的细胞还能正常分化。而癌细胞只能增殖，不能分化。
如图为哺乳动物的胚胎干细胞及其分化的示意图。请回答：
例1
(1)胚胎干细胞是从动物胚胎发育至__________期的内细胞团中分离得到的一类细胞。
(2)图中分化程度最低的干细胞是__________。在体外培养条件下，培养液中加入__________因子，可诱导该种干细胞向不同类型的组织细胞分化。
(3)在机体内，皮肤干细胞分化成皮肤细胞是机体细胞中基因__________的结果。
(4)某患者不能产生正常的白细胞，通过骨髓移植可以达到治疗的目的，骨髓移植的实质是将上图的________________________________
细胞移植到患者体内。
(5)若要克隆某种哺乳动物，从理论上分析，上述红细胞、白细胞、神经细胞中不能选用作为供体细胞的是成熟的__________，其原因是_____________________________________。
【思路点拨】 本题考查胚胎干细胞的相关知识，解答本题应明确以下几点：
①胚胎干细胞的分类。
②胚胎干细胞的特点及应用。
③细胞分化的实质为基因的选择性表达。
【尝试解答】 (1)囊胚 (2)胚胎干细胞 分化诱导 (3)选择性表达 (4)造血干 (5)红细胞 细胞中无细胞核
【解析】 (1)胚胎干细胞是由早期胚胎中分离出来的一类细胞，囊胚阶段细胞开始分化为内细胞团和滋养层细胞。
(2)图中分化程度最低的干细胞是胚胎干细胞，全能性最高，在体外培养条件下，培养液中加入分化诱导因子，该种干细胞可诱导分化形成不同类型的组织细胞。
(3)细胞分化是细胞中基因选择性表达的结果。
(4)骨髓是人体的造血组织，存在造血干细胞，骨髓移植的实质是将图中的造血干细胞移植到患者体内。
(5)克隆某种哺乳动物需要供体提供细胞核，而成熟的红细胞没有细胞核，所以不能作为供体。
跟踪训练 美国总统奥巴马撤销了布什发布的限制胚胎干细胞研究的行政命令，随后美国食品和药品管理局批准了全球首宗人类胚胎干细胞治疗临床试验。胚胎干细胞是从哺乳动物或人的早期胚胎中分离出来的一类细胞，具有发育的全能性，它可进一步分化发育成各种不同的组织细胞。如图所示为干细胞的培养过程，请问图中哪一部分的细胞是全能干细胞( )
A．囊胚 B．内细胞团
C．血液组织干细胞 D．各种血细胞
解析：选B。哺乳动物的胚胎干细胞是早期囊胚内细胞团细胞，它具有发育的全能性，可进一步分化形成造血干细胞和神经干细胞等各种不同的全能干细胞。因此胚胎干细胞又叫全能干细胞。
胚胎干细胞的应用及面临的挑战
1．原理
细胞的全能性。
2．应用方向
(1)如果科学家最终能够成功诱导和调控胚胎干细胞的分化与增殖，将会给胚胎干细胞的基础研究和临床应用带来积极的影响。
(2)对人胚胎干细胞的研究，能帮助人们理解人体的复杂的发育过程，认识一些基本问题，促进对人胚胎发育细节的基础研究，揭示人与动物的发育机制及影响因素。
(3)在研究新药对各种细胞的药理和毒理试验提供细胞水平上的材料，还有可能被用来揭示干扰胎儿发育和引起出生缺陷的药物的致病机理。
(4)能使人们更加深入地了解人的发育过程，为人类带来全新的医疗手段。最诱人的是生产细胞或组织，为细胞或组织移植提供无免疫原性的材料。
(5)通过胚胎干细胞，结合基因工程等能在试管中改良并创造动物新品种。
3．胚胎干细胞研究面临的挑战
(1)安全性问题。
(2)对培养条件的的优化仍需要进一步研究。
(3)对胚胎干细胞向不同的组织细胞“定向分化”的条件还不清楚。
(4)创造一种“万能供者”细胞，需要破坏或改变细胞中的许多基因，其可行性仍不清楚。
【特别提醒】 成体干细胞是指存在于胎儿、儿童和成人组织中的多能干细胞，因为它能修复和再生成年动物的许多组织和器官如表皮和造血系统而命名，并不是只存在于成体中才命名成体干细胞。
美、日两国曾在《科学》和《细胞》两份顶级学术期刊上发表研究成果：将人体皮肤细胞改造成可以分化为多种细胞的“万能细胞”。如图是“万能细胞”的诞生过程，图中OCT4、SOX2、NANOG和LIN28是在胚胎干细胞中能高度表达并决定其“全能性”的四个基因，将改造后的“万能细胞”植入小鼠身体上， 植入的细胞长成了“肿瘤”，“肿瘤”中出现了神经、骨髓、肌肉等多种类型的细胞。请据图回答下列问题：
例2
(1)胚胎干细胞又称ES细胞，是由________________中分离出来的一类细胞，如果胚胎发育到了囊胚期，这时的________________细胞就是ES细胞。
(2)胚胎干细胞在功能上具有发育的______________。
(3)图中逆转录病毒的作用是________________，过程③利用了逆转录病毒的____________特性。
(4)万能干细胞经体外诱导分化，可以培育出人造组织器官，这样培育的特殊细胞或器官移回病人体内与异体器官移植相比，最大的优点是________________。
【尝试解答】 (1)早期胚胎 内细胞团
(2)全能性
(3)作为基因工程的载体 感染(宿主细胞)
(4)不会产生免疫排斥反应
【解析】 (1)结合动物的个体发育过程可得出胚胎干细胞是由早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞，囊胚期的内细胞团还没有高度分化。
(2)胚胎干细胞能发育成个体，体现了细胞的全能性。
(3)能携带“目的基因”的逆转录病毒在基因工程中是作为载体的，利用其感染宿主细胞的能力。把目的基因带入受体细胞。
(4)器官移植最大的问题是发生异体免疫排斥反应，如果是自身细胞发育来的器官就不会发生这种情况。
跟踪训练 胚胎干细胞是全能干细胞，可定向诱导分化为各种细胞、组织、器官甚至于个体。胚胎干细胞研究的目的不包括( )
A．为烧伤病人植皮
B．为肾病患者进行肾移植
C．为不孕者培育婴儿
D．研究细胞分化机制
解析：选C。胚胎干细胞在体外培养，可以定向分化为各种专能干细胞或组织细胞，也可以发育成生物器官甚至于完整的个体。但人们研究胚胎干细胞不是用于人类的生殖，而是用于病人的细胞移植或器官移植。细胞分化的机制目前还不十分明了，胚胎干细胞这一原始细胞的体外培养是研究细胞分化的理想材料。
知能过关演练
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第二节 植物细胞工程
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．理解并阐述细胞的全能性。
2．举例说出植物组织培养的过程、原理及应用。
3．简述植物细胞培养的过程及应用。
4．举例说出植物体细胞杂交过程及应用。
情景导引
“春风欲擅秋风巧，催吐幽
兰继落梅。”素有“天下第
一香”之称的兰花(如右图)，
以其优美高雅成为文人墨客
吟诗作赋的对象。但是，兰
花在自然条件下播种繁殖的
难度很大，现在科学家发现
了兰花快速繁殖的技术——
植物组织培养。你想了解这一技术吗？
核心要点突破
知能过关演练
第二节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、细胞全能性
1．生物体的所有细胞几乎都含有该物种的全套遗传物质，具有发育成为完整个体所必需的_________，因此，这些细胞都具有发育成为一个新的生物个体的_____。细胞的这种特性称为细胞全能性。
2．植物体细胞在适宜的条件下可培育成完整的正常植株，这就是细胞_______的有力证据。
全部基因
潜能
全能性
二、植物组织培养技术
1．植物组织培养是指依据___________原理，在无菌条件下，分离植物的器官、组织、细胞或_________ (称为外植体)，并在培养基上培养，在适宜条件下使其长成部分或完整植株的技术。
2．植物组织培养最常用的培养材料是植株的茎尖、根尖、叶片和花药等。
3．由已经分化的植物细胞形成愈伤组织的过程，称为植物细胞的_________________。愈伤组织重新诱导分化形成根、芽等器官的过程，称为再分化。
细胞全能性
原生质体
脱分化(或去分化)
4．__________在一定的培养条件下也可诱导形成胚状体(也称为体细胞胚)。如果模拟植物种子的基本结构，在胚状体外包裹人工胚乳和人工种皮，就可制成“人工种子”。
5．人工种子有许多优点，如不受_____因素的制约、繁殖速度快，可在短时间内提供大量种苗、有利于保存种系的优良性状等。
愈伤组织
环境
思考感悟
1．在进行植物组织培养的培养基中总是要添加一定量的生长素和细胞分裂素，其主要目的是什么？
【提示】 诱导细胞分裂和芽、根的分化。
三、植物细胞培养
1．植物细胞培养是指在实验室工厂化生产条件下，将组织培养过程中形成的__________或其他易分散的组织置于_____培养基中，进行悬浮培养，得到分散游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增殖，从而获得大量的__________的一种技术。
2．植物细胞培养是在_____________的基础上发展起来的，但与组织培养不同的是，细胞培养的目的不是使细胞形成组织乃至更多的植物体，而是通过大规模的细胞培养以获得人类所需的_________________。
愈伤组织
液体
细胞群体
植物组织培养
细胞次生代谢产物
思考感悟
2．具有小灵芝草之称的金钗石斛是一种名贵的中草药，它具有生津益胃、润肺止咳之功效。金钗石斛的有效化学成分为大黄酚和β－谷甾醇。我们能否在工厂内大量生产这两种物质呢？
【提示】 取金钗石斛的茎尖或根尖组织，并培养为愈伤组织→放入液体培养基中，进行悬浮培养→得到游离的悬浮细胞→筛选→采用液体培养基在生物发生器内，利用发酵技术进行培养→获得大量的金钗石斛细胞→从混合液中分离纯化大黄酚和β—谷甾醇。
四、植物细胞工程与育种
1．原生质体是指去除____________后获得的裸露的植物细胞。用于细胞工程的原生质体主要来源于各种植物的叶片、_____等部位，此外也可从组织培养产生的__________中获得原生质体。
2．与未去除细胞壁的植物细胞一样，原生质体仍然具有____________，即具有再生细胞壁、进行连续分裂并长成完整植株的能力。原生质体在一定条件下，除了能实现_________外，还能摄入______、质粒、病毒、细菌、细胞器等外源物质，是植物细胞工程进行遗传操作，如基因转移的良好材料。
植物细胞壁
根尖
愈伤组织
细胞全能性
诱导融合
DNA
3．植物体细胞杂交技术是一种非常有用的遗传育种手段，可以克服不同种植物之间杂交的________障碍，实现远缘物种之间的核质组合，从而获得新品种植株。
4．植物细胞工程在育种中成功应用的另一范例是___________与利用。单倍体植株的特点是植株弱小且高度不育，但它们在育种中具有能缩短_________、获得纯系等重要意义。
不亲和
单倍体诱导
育种周期
核心要点突破
植物组织培养
1．植物细胞全能性
(1)内涵：高度分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能。
(2)原因：具有该生物的全部遗传信息。
(3)表达的条件：离体，必备的营养物质等。在体内由于基因的选择性表达，而使细胞发生分化。
(4)全能性表达由高到低依次为：受精卵>干细胞>生殖细胞>体细胞；植物细胞>动物细胞。
【特别提醒】 在植物体内，细胞没有表现出全能性，而是分化成为不同的组织和器官，这是基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果。但它们的遗传潜力并没有丧失，全部的遗传信息仍然被保存在DNA的序列中，一旦脱离原来组织和器官的束缚成为游离状态，并在一定的营养条件和植物激素的诱导下，细胞就能表现出全能性，发育成完整的植株。
2．进行植物组织培养的条件和过程
(1)条件：①植物细胞要处于离体状态。②给予一定的营养物质，如有机物(蔗糖、维生素、植物激素等)和矿质元素等。③无菌条件：即保证培养材料、培养基、培养用具完全无菌。因为一旦感染微生物，它们就会快速繁殖，争夺营养，并且还会产生毒素，使培养物很快中毒死亡。④适宜的环境条件，如适宜的温度和pH等。
名称 过程 结果 生长调节剂 光
脱分化 由外植体脱分化为愈伤组织 形成排列疏松、高度液泡化的薄壁细胞团 生长素与细胞分裂素 避光
再分化 由愈伤组织分化为幼苗或胚状体 有根、芽或有生根发芽的能力 生长素与细胞分裂素 需光
营养生
长生殖
生长 发育成完整的植物体 由根、茎、叶、花、果实、种子组成 自身产生各种激素 需光
3．人工种子
(1)培育过程：植物组织培养诱导体细胞胚状体的发生→胚胎发育同步化的控制→人工种皮的包埋等。
(2)结构：
(3)优点：可使在自然条件下不结实或种子昂贵的植物得以繁殖；保持亲本的优良性状；节约粮食，减少种子的使用。
1958年美国科学家将胡萝卜韧皮部的细胞培养产生完整植株(如下图)，请回答：
例1
(1)科学家所用的胡萝卜韧皮部的细胞，在正常生物体内是否能够进行有丝分裂？说明原因。
(2)韧皮部细胞通过________和________形成植株，形成的植株的特点是________________________________________________________________________。
(3)此实验证明了高度分化的植物细胞仍有发育成完整植株的能力，即具有________，高度分化的细胞具有此特性是由于________________________________________________________________________。
(4)下表为几种组织培养的培养基配方的部分成分及培养条件和特点。
培养基作用 糖类 大量元素 微量元素 植物激素 条件
建立愈伤组织的培养基 蔗糖 N、P、K Ca、Mg、S等 B、Cu、Mn、Mo、Cl、Fe等 2,4-D 25 ℃黑暗
培养根尖的培养基 蔗糖 N、P、K、Ca、Mg、S等 B、Cu、Mn、Mo、Cl、Fe等 － 15 ℃黑暗
培养茎尖的培养基 蔗糖 N、P、K、Ca、Mg、S等 B、Cu、Mn、Mo、Cl、Fe等 萘乙酸 18 ℃连续光照
根据上表分析说明，组织培养的条件和特点是：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)试简要说明组织培养技术的优点以及这一技术在实践中的具体应用。
【尝试解答】 (1)不能分裂，原因是植物韧皮部的细胞已经高度分化，在正常植物体内，这些细胞不再分裂。
(2)细胞分裂 细胞分化 彼此性状极为相似
(3)全能性 这些细胞最终由同一细胞(受精卵)经有丝分裂形成，在进行有丝分裂时，遗传物质经过复制，平均分配到子细胞中，所以子细胞的细胞核中含有保持该物种遗传性所需要的全套遗传物质
(4)组织培养的培养基中一般都含有维持细胞正常生活的物质，如蔗糖、大量元素和微量元素等，不同功能的培养基中还含有不同的植物激素，同时因为培养的目的不同，培养的外界条件(光照和温度等)也不同，这些是组织分化的条件
(5)植物组织培养不仅从植物体上取材少；培养周期短；繁殖率高，而且便于自动化管理。目前这项技术已经在花卉和果树的快速繁殖、培育无病毒植物、生产药物、食品添加剂、制造人工种子等方面得到了广泛的应用。
【解析】 (1)在生物体内已经高度分化的细胞不再具有分裂能力。
(2)(3)韧皮部细胞为胡萝卜体细胞，其细胞核内含有其生长发育所需要的全部遗传物质，遗传物质在特定时间和特定空间的表达从而形成许多植物。
(4)在植物组织培养过程中，不同的营养条件、不同的植物激素对植物细胞的表达影响不同。
(5)该项技术属于无性生殖范畴，不但能保护亲本的优良性状，而且便于管理。
跟踪训练 植物组织培养依据的原理、培养过程的顺序及诱导的植物激素分别是( )
①细胞的全能性 ②离体植物器官、组织或细胞 ③根，芽 ④生长素和细胞分裂素 ⑤生长素和乙烯 ⑥愈伤组织 ⑦再分化 ⑧脱分化 ⑨植物体
A．①、②⑧⑥⑦③⑨和④
B．①、②⑦⑥⑧③⑨和⑤
C．①、⑥②⑨⑧③⑦和⑤
D．①、②⑨⑧⑥⑦③和④
解析：选A。植物组织培养的理论基础是细胞的全能性，其培养过程中先是出现脱分化，然后才出现再分化。生长素和细胞分裂素能促进细胞分裂、分化，在培养的不同时期对两者的比例会有不同要求，因此是不可缺少的特殊添加物。
植物细胞培养
1．与植物组织培养的比较
植物组织培养 植物细胞培养
利用原理 细胞全能性 细胞增殖
培养基 固体培养基 液体培养基
培养对象 离体的植物器官、组织、细胞或原生质体 由愈伤组织分散得到的悬浮细胞
培养过程 外植体→脱分化→再分化→芽、根→植物幼苗 愈伤组织→分散成悬浮细胞→继代培养→细胞次生代谢产物
培养目的 植物幼苗 细胞的次生代谢产物
二者关系 植物组织培养是植物细胞培养的基础；它们都属于植物细胞工程的范畴
2.培养过程
筛选细胞→获得次生代谢产物含量高、生长迅速的单细胞无性繁殖系→扩大培养→发酵生产→分离纯化次生代谢产物。
3．优点
(1)可快速、高效地生产具有生理活性的次生代谢产物。
(2)生产不受季节、外部环境等条件的限制。
【特别提醒】 细胞次生代谢产物的生产需要植物细胞培养和发酵工程结合获得。
医学研究发现紫杉醇能有效治疗某些癌症。获得紫杉醇的传统方法是从红豆杉属植物的树皮中提取，但产量有限，也不利于濒危植物红豆杉的保护。研究发现，红豆杉的其他组织细胞也能生产紫杉醇，有人尝试用植物细胞工程技术生产。下图为三种红豆杉细胞培养过程中细胞数量、紫杉醇产量与培养时间的数据图。请回答：
例2
(1)据图分析，获得高产紫杉醇应选________红豆杉为原料，培养后期紫杉醇产量出现下降的原因包括_______________________________________
_________________________________等。
(2)将红豆杉细胞经组织培养形成________方可接种到培养基中。
(3)利用组织培养技术生产与传统方法提取紫杉醇相比，前者具有________(至少答出两点)优点。
【尝试解答】 (1)云南 活细胞数量减少，某些有害代谢产物的积累
(2)愈伤组织
(3)产量高、节约资源、保护环境等
【解析】 (1)由紫杉醇含量数据图可知云南红豆杉产量最高，随着培养时间的加长，培养基中营养物质减少，某些有害代谢产物积累，使活细胞数量减少，从而紫杉醇产量下降。
(2)培养是为了获得细胞产物，所以培养到愈伤组织即可。
(3)组织培养到愈伤组织时，这些细胞产量高，耗材少，且不会对环境造成污染。
解析：选D。根据培养对象不同分为单细胞培养、单倍体培养和原生质体培养，根据培养基类型的不同分为液体培养和固体培养。
植物体细胞杂交
1．具体过程
第一步：去掉细胞壁，分离出有活力的原生质体。常用方法是“酶解法”，即用纤维素酶和果胶酶等分解细胞壁。
第二步：将两个有活力的原生质体放在一起，通过人工诱导实现原生质体的融合。常用的诱导方法有：物理法和化学法。物理法是利用离心、振动、电刺激等促进原生质体融合。化学法是用聚乙二醇(PEG)等为诱导剂诱导融合。
第三步：将诱导融合得到的杂种细胞，用植物细胞培养的方法进行培育，就可以得到杂种植株。
植物体细胞杂交过程示意图
2．目的
植物体细胞杂交的终点是培育成杂种植株，而不是形成杂种细胞。杂种植株特征：具备两种植物的遗传特征，原因是杂种植株中含有两种植物的遗传物质。
3．优点
克服远缘杂交的不亲和障碍。
【特别提醒】 ①植物体细胞杂交过程中无有性生殖细胞的结合，属于无性生殖。
②从杂种植株的染色体组成上看，染色体数目增加，植物体细胞杂交属于染色体数目的变异。
科学家利用细胞工程培育出了“白菜—甘蓝”杂种植株，如图所示，请据图回答下列问题。
例3
(1)图中A、B的制备，需要去除细胞壁，此时要用到________酶和________酶；从本质上讲，“白菜一甘蓝”杂种植株具有的性状是________的结果。
(2)在________的方法下形成C细胞，杂种细胞D生成的标志是形成________；由D形成E的过程称为________，由D→F这项技术的生物学基础是________；由E形成F的过程中细胞的增殖方式为________。
(3)若“白菜—甘蓝”杂种植株为四倍体，则该植株的花粉经离体培养得到的植株是________倍体，若用秋水仙素处理该花粉培养得到的植株，则培育成的植株是________。(填“纯合子”或“杂合子”)
(4)“白菜—甘蓝”杂种植株的食用部分是叶，但叶易受昆虫危害而影响产量，科学家又利用基因工程培育出带有抗虫基因的“白菜—甘蓝”植株，请你设计实验，检测此植株的抗虫基因是否表达。
①取昆虫幼虫放到带有抗虫基因的“白菜—甘蓝”植株甲上，再取等量的、生活状态基本一致的昆虫幼虫放在________植株乙上。
②适宜条件下培养一段时间后，分别观察昆虫幼虫的生活情况。
③若________，说明甲植株的抗虫基因没有得到表达；若________，说明甲植株的抗虫基因得到表达。
(5)在大面积种植带有抗虫基因的“白菜—甘蓝”的同时，间隔种植普通“白菜—甘蓝”或其他蔬菜，供昆虫幼虫取食。这种做法的主要目的是( )
A．维持“白菜—甘蓝”菜地的物种多样性
B．减缓昆虫幼虫抗性基因频率增加的速度
C．使食虫鸟有虫可食
D．维持菜地生态系统中的能量流动
【尝试解答】 (1)纤维素 果胶 基因选择性表达
(2)人工诱导 新的细胞壁 脱分化(去分化) 细胞全能性 有丝分裂 (3)单 纯合子 (4)①与植株甲长势相似的普通“白菜—甘蓝” ③甲、乙植株上昆虫幼虫正常生活 甲植株上昆虫幼虫死亡，乙植株上昆虫幼虫正常生活(其他合理答案也可) (5)B
【解析】 此题主要考查了植物体细胞杂交的过程及基因工程的有关内容。(1)去除细胞壁常用酶解法，根据酶的专一性，去除植物细胞壁要用纤维素酶和果胶酶，对于杂种植株性状的表现是基因选择性表达的结果。(2)C细胞的形成需人工诱导，包括物理法和化学法，D细胞形成的标志是再生出新的细胞壁。由D→E是脱分化，由E→F为再分化，上述过程中均进行有丝分裂。(3)花粉离体培养得到单倍体，再经秋水仙素处理后得到纯合的四倍体植株。
(4)对于转入的目的基因的检测与鉴定，可以采取是否为转基因的“白菜—甘蓝”植株作为惟一变量构成对照实验，如果目的基因成功表达，应当得到转基因的植株上昆虫幼虫死亡而非转基因的植株上昆虫幼虫存活的结果，如果都存活，说明目的基因未表达。(5)在转基因大田里间隔种植非转基因植株的主要目的是减缓抗性基因频率增加的速度。
【规律方法】 解答有关植物体细胞杂交的有关问题应特别注意以下几点：
(1)植物体细胞杂交离不开植物组织培养。
(2)植物体细胞杂交的原理是细胞膜的流动性和细胞全能性。
(3)植物体细胞融合与植物体细胞杂交结束的标志不同。前者是再生出新的细胞壁，后者是形成杂种植株。
(4)杂种细胞虽然具有两种细胞的遗传物质，但这些遗传物质并不一定都表达。
跟踪训练 如图是植物细胞杂交过程示意图，据图分析回答。
(1)图中①过程是______，目前最常用的方法是________。
(2)②过程的发生，必须进行________，其方法有________法和________法。原生质体融合的关键是________的融合。
(3)在③④过程中，细胞分裂的主要方式是________。
(4)植物体细胞杂交的目的是获得新的杂种植株，使______能够在新的植物体上有所表现，其根本原因是________。
(5)若远源杂交亲本A和B都是二倍体，则杂种植株为________倍体。
(6)从理论上讲，杂种植株的育性为________。运用传统有性杂交方法能否实现？________。试说明理由：________________________________
________________________________________。
(7)利用植物体细胞杂交的方法培育作物新品种的过程中，遗传物质的传递是否遵循孟德尔遗传规律？为什么？
解析：植物体细胞杂交的障碍是细胞壁，其主要成分是纤维素和果胶，通常采用纤维素酶和果胶酶除去细胞壁，此方法称为酶解法。获得原生质体后需要在人工诱导下融合，采用的方法有物理法和化学法。细胞原生质体融合的关键是细胞膜的融合，利用的是细胞膜的流动性。图中③④过程细胞数目增多的方式为有丝分裂。植物体细胞杂交的目的是使具有不同遗传组成的两种植物细胞融合获得具有两种生物遗传物质的杂种植株。
若两种植物细胞中各有两个染色体组，则形成的杂种细胞中染色体组数为4，从理论上讲是可育的。但由于两种植物间存在着生殖隔离，因此欲获得如上所述遗传组成的杂种植株不能通过有性杂交实现。两种植物体细胞融合的过程虽然使来源不同的遗传物质集中到了杂种植株体内，但整个过程属于无性繁殖，故不遵循孟德尔遗传规律。
答案：(1)去除细胞壁 酶解法(用纤维素酶和果胶酶处理)
(2)人工诱导 物理 化学 细胞膜
(3)有丝分裂
(4)两种植物的性状 杂种细胞中具有两种植物的遗传物质 (5)四
(6)可育 不能 因为两种植物之间存在生殖隔离
(7)不遵循。整个过程不是有性生殖过程。
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第二节 关注生态工程的实例
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．知道生态工程建设遵循的原则。
2．掌握生态工程建设的基本过程。
3．举例说出我国的生态工程实例。
情景导引
大岛住宅(日本)屋顶和墙壁采
用沥青木面板。由于北侧斜面
只有屋顶向阳，此处屋顶铺设
聚氯乙烯薄膜，屋脊是中空的
通风道，热能储蓄在屋脊内，屋脊内的热能又被聚集到中央塔中。冬季通过塔内垂直通风道的通风口使热能向一层地板下面移动，成为暖房。夏季把塔窗打开，放走热量。通过日本这一生态住宅的实例，我国在发展节能与绿色建筑方面应该借鉴些什么？
核心要点突破
知能过关演练
第二节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、生态工程建设的基本过程
1．生态工程建设既要遵循__________原理，也要遵循适应性原则和_________原则，即在强调可行性的前提下，突出社会—经济—自然生态系统的整体与功能，以______________促进产业发展，并将环境保护融于产业工程之中。
生态学
高效益
生态建设
2．生态工程建设的基本过程包括拟定目标与本底调查、____________、可行性评价与决策和技术设计等环节。其中_____________是整个生态工程建设的核心环节；设计时必须强调社会—经济—自然复合生态系统整体协调的目标，系统分析是生态工程可行性分析和决策的基础和依据。
3．生态工程设计时要考虑到有利于人类和自然两方面，具有低消耗、多效益、__________的特征。
系统分析
技术设计
可持续
思考感悟
1．如果你是一个生态工程专家，你认为生态工程建设应包括哪些过程呢？
【提示】 拟定目标与本底调查→系统分析→可行性评价与决策→技术设计。
二、我国生态工程建设的实例
1．治污生态工程
(1)内容：固体、液体及有机废弃物的处理，
______________的研制与试用，___________的生态治理，塑料的再生利用等。
(2)实例
“人工湿地”：通过不同类型的___________和微生物的共同作用实现对污水的净化。
2．生态恢复工程
(1)生态恢复工程的第一步是______________。
生物肥料
湖区污染
水生植物
恢复植被
(2)实例：西部的生态治理。西部环境恶化的实质是___________的丧失。
3．生态农业工程
(1)概念理解
①依据：________________。
②前提：环境与经济协调发展。
③特点：___________、多功能的农业生产。
④目的：促进物质在系统内____________使用，以最少的投入获取最大的经济效益和生态效益。
(2)实例：留民营村生态农业。
水土资源
生态学理论
多层次
循环和重复
4．生态城市
(1)含义：是基于社会、经济、________三个系统并高度统一的可持续发展城市。
(2)特点：主要包括注重高效和谐性、保持整体性和实现____________等。
自然
可持续性
思考感悟
2．我国西北地区最近采用扎草方格阻止沙丘移动的方法，并取得了较好的效果，这体现了草原生态系统的什么生态作用？
【提示】 防风固沙。
三、生态工程建设的原理
具体包括(1)____________、整体性原理，(2)协调与平衡性原理，(3)____________________ 、自生性原理。
生态学原理
物质循环再生性原理
核心要点突破
生态工程的类型
类型 实例 主要原理 注意问题
生态农业工程 留民营村生态工程 物种多样性原理、食物链原理 ①核心：沼气工程为中心。②优点：农林牧副渔全面发展；开发可更新资源，减少环境污染
林业生态工程 “三北” 防护林 物种多样性原理、物种共生原理 “三北”防护林工程建设中应注意的问题：①考虑树种生态适应性问题，种植适宜品种。②考虑树种多样性，保证防护林体系稳定性。③不同地区应根据当地情况采取不同策略
类型 实例 主要原理 注意问题
治污生态工程 人工湿地生态工程 物种多样性原理 ①生物物种的丰富度。②考虑不同植物处理污水的先后顺序
生态恢复和重建工程 矿山废弃地的生态修复工程 物种多样性原理、系统工程理论 ①种植耐旱的灌木、草和树木，恢复植被。②合理确定载牧量。③改良表土
【特别提醒】 生态工程的基本成分是生态系统，所以在生态工程中，生态学原理均会不同程度地被利用并表达出来，但是，不同的生态工程中所依据的主要生态学原理存在着差异，要注意区别。
(2011年温州高二检测)20世纪以来石油农业的快速发展，大量化肥农药的使用，在粮食产量大幅度提高的同时，也使食品的质量安全持续下降。于是生态农业成了世界共同关注的焦点。下图表示一种“甘薯＋奶牛＋沼气＋花木＋龙虾＋食用菌”生态农业模式，试据图回答有关问题：
例1
(1)图中所示生态系统的主要成分是________________________________________________________________________，
属于该生态系统分解者的有________________________________________________________________________。
(2)图中可以组成的捕食食物链是________________________________________________________________________。
(3)该生态系统的设计遵循了________________________________等生态学原理，从而大大提高了能量利用率。
(4)甘薯藤青贮的主要操作是：甘薯藤切段→填压进入青贮窖中→密封一段时间。其目的在于________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
【尝试解答】 (1)甘薯、花木等生产者 沼气微生物、食用菌、底泥中的腐生微生物等
(2)甘薯→奶牛
(3)物质循环再生原理、物种多样性原理(答出
“物质循环再生原理”就给分)
(4)通过微生物厌氧发酵，初步分解甘薯藤中的有机物，有利于奶牛的消化吸收
【解析】 这是一个简单的人工建立的生态农业模式。该生态系统中的生产者是甘薯、花木，它是该生态农业的主要成分。分解者是沼气池中微生物、食用菌及其他腐生微生物，主要由它们来实现该系统中的物质循环再生。该生态工程所遵循的原理是：物质循环再生原理、物种多样性原理。
跟踪训练 小流域综合治理已经从开始时的单纯造林和保水、减沙等工程，逐渐转移到生态经济型模式上，目标是( )
A．建立节约型生态系统，获得最大的生态和经济效益
B．建立原始和现代的复合系统，获得最大的生态和经济效益
C．建立稳定、持久、高效的复合系统，获得最大的生态效益和经济效益
D．建立农村小流域综合系统，获得最大的生态和经济效益
解析：选C。小流域综合治理模式通过保土蓄水、耕作措施、林草措施等工程和生物措施，层层设防来控制土壤侵蚀。其目标是建立稳定、持久、高效的复合生态系统，获得最大的生态效益和经济效益。
我国部分生态工程实例
实例 问题 原理 对策 案例
农村综合发展型生态工程 实现物质的多级循环利用，在资源有限的条件下能较多的产出，以解决人多地少的矛盾 物质循环再生原理、整体性原理、物种多样性原理 建立综合发展型生态工程 窦店村以沼气为中心的生态工程
小流域综合治理生态工程 小流域的水土流失 整体性原理、协调与平衡原理、因地制宜的原理 运用多种原理，应用多种措施综合治理 甘肃陇南县“九子登科”模式
实例 问题 原理 对策 案例
大区域生态系统恢复工程 土地荒漠化 协调与平衡原理、整体性原理 退耕还林还草、植树造林等 “三北”防护林退耕还林还草工程
湿地生态恢复工程 湿地缩小和破坏 控制污染、退田还湖 江西鄱阳湖湿地生态恢复工程
矿区废弃地的生态恢复工程 矿区生态环境的破坏 系统学和工程学原理 修复土地、恢复植被 赤峰市元宝山矿区生态恢复工程
城市环境生态工程 环境污染 协调与平衡原理、整体性原理 城市绿化、污水净化、废弃物处理、合理布局等 污水及垃圾处理、城市绿化
【特别提醒】 我国生态工程的不足之处：缺乏定量化模型的指导，难以设计出标准化、易操作的生态工程样板。设计缺乏高科技含量，生态系统的调控缺乏及时准确的监测技术支持，缺乏理论性指导等。
如图为窦店村综合发展生态工程示意图。请据图回答：
例2
(1)该工程主要运用了生态工程的哪些基本原理？
________________________________________________________________________。
(2)这一生态工程的结构和功能有哪些特点？
________________________________________________________________________
__________________________________________
______________________________。
(3)蓝绿萍的代谢类型是__________，在生态系统中的地位是__________。
【尝试解答】 (1)食物链原理、物种多样性原理
(2)以沼气工程为核心，农、林、牧、副、渔各业全面发展，增加了劳动力就业机会，促进了经济发展，降低了环境污染，促进了农村的可持续发展
(3)自养需氧型 生产者
【解析】 (1)窦店村综合发展生态工程是以沼气工程为中心的物质多级循环利用工程。作物秸秆用来生产食用菌和饲料；饲料用于喂养畜禽；人、畜粪尿作为原料生产沼气；沼液用于水产养殖业；沼渣为蔬菜施肥和喂养畜禽，从而达到了物质利用的良性循环，缓解了农村“三料”的缺乏问题，提高了土地产出水平；
同时一些加工品和农产品可以输出到市场出售。因此该生态工程主要运用了食物链原理和物种多样性原理。
(2)该生态工程以沼气工程为核心，农、林、牧、副、渔各业全面发展，增加了劳动力就业机会，促进了经济发展；同时又降低了环境污染，促进了农村的可持续发展。
(3)蓝绿萍的代谢类型是自养需氧型，属于生产者。
【互动探究】 人们建立如上图所示的农业生态系统的主要目的是什么？
【提示】 提高物质和能量的利用率，减少甚至防止环境污染。
跟踪训练 下列关于生态农业的叙述中，不正确的是( )
A．生物的种类少，营养结构简单
B．人的作用突出，能量朝着对人类有利的方向发展
C．有机物基本保持在系统内部，可以实现物质循环的自给自足
D．抵抗力稳定性差，容易受旱、涝等自然灾害的影响
解析：选C。农业生态系统生产的农副产品往往被大量地输出到农业生态系统以外，故又必须经常大量的输入如肥料、种子等物质及电力、石油等能源，在物质上系统内部是不能自给自足的。
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第一节 动物的胚胎发育和胚胎工程
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．了解两性生殖细胞的发生和受精过程。
2．简述动物胚胎发育的基本过程。
3．简述胚胎工程的原理和技术。
4．举例说出胚胎工程的应用。
情景导引
从1978年的第一例试管婴儿出生到1988十年间，全世界已出生了七千多个试管婴儿，现在，可以说试管婴儿技术已相当成熟了。目前试管婴儿技术已成为治疗某些不孕症的好办法。你知道胚胎工程还有哪些应用吗？让我们走进本节一起探究一下吧！
核心要点突破
知能过关演练
第一节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、哺乳动物生殖细胞的发生和受精作用
1．精子的发生
睾丸的___________是产生精子的部位，每个初级精母细胞经过减数分裂形成4个精细胞，再经过成熟过程形成精子。在此过程中，需要_____________提供营养，精子形成后进入曲细精管的管腔中。
曲细精管
支持细胞
2．卵子的发生
雌性动物的卵巢中，_____________被一层扁平的细胞所包围，形成初级卵泡，其发育在动物出生后暂停，直至雌性动物性成熟时才继续发育。发育时经过_________________，形成一个几乎不含细胞质的第一极体和一个次级卵母细胞。人类的次级卵母细胞停留在__________________中期，并从卵泡中排出。在完成受精作用时，才会完成减数分裂，形成一个大的卵子和一个小的第二极体。
初级卵母细胞
减数第一次分裂
减数第二次分裂
3．受精作用
成熟的精子必须在雌性动物的________中经历一段时间才能获得受精能力，这个过程叫做获能。卵泡液、输卵管分泌物、血清等液体可使精子获能。受精的第一步是精子的头部和卵细胞膜接触，2个细胞的__________融合，精子的_____进入卵细胞，此时，要触发一系列的反应：_________发生变化，阻止其他精子进入；激活次级卵母细胞继续完成减数第二次分裂。第二步是卵子的细胞核与精子的细胞核融合，形成一个单细胞受精卵。
生殖道
细胞膜
头部
卵细胞膜
二、哺乳动物胚胎发育的基本过程
1．概念：是指受精卵发育成________的过程(______________的完成，标志着胚胎发育的开始)。
2．过程：受精卵→_______→囊胚→_______
→胚层分化→胎儿。
3．各个时期的特点
(1)卵裂期：合子形成后即在输卵管内进行有丝分裂，这个过程叫卵裂。
(2)桑葚胚：进行卵裂的胚胎形成致密的细胞团，形似桑葚，叫桑葚胚。
幼体
受精过程
桑葚胚
原肠胚
(3)囊胚：桑葚胚继续分裂，中间出现一个腔，腔内充满液体。
①细胞出现分化——内细胞团和滋养层，内细胞团逐渐发育成_______，胚盘细胞逐渐分化为三个胚层，胚层再分化为各种组织，滋养层将来发育成___________。随着三个胚层的分化，胚盘逐渐发育为胚体。
②出现________，它是胚胎内部一个含有液体的囊腔。
(4)人体的胚胎发育可分为胚卵期、________和胎儿期3个阶段。
胚盘
胎膜和胎盘
囊胚腔
胚胎期
思考感悟
1．为什么会出现畸形发育的“胎中胎”？
【提示】 “胎中胎”是卵裂期形成的同卵双胞胎在个体发育过程中，其中一胎不正常地寄生在另一胎儿体内，是一种特殊的连体婴儿。
三、胚胎工程的主要技术与应用
1．体外受精技术
体外受精的基本内容是人工模拟体内环境，包括营养、温度、pH等，使初级卵母细胞成熟，同时使精子_________，最终完成受精作用，并有计划地保存胚胎等。此技术可用于研究哺乳动物生殖细胞的发生、受精和早期胚胎发育机制等。
获能
2．胚胎移植技术
胚胎移植技术是指将良种母畜配种后，从其生殖道取出__________________，移植到生理状态相同的同种母畜体内，使之继续发育成为新个体的技术。
受精卵或早期胚胎
3．胚胎分割技术
是用___________的方法将一枚胚胎分割成二分胚、四分胚甚至八分胚，经体内或体外培养后植入受体，以得到同卵双生或同卵多生后代的技术。
4．胚胎冷冻保存技术
是将动物的早期胚胎，通过特殊的保护剂和降温措施，使其长期保存在超低温环境下。
5．动物性别控制技术
是指通过人为干预，使动物按照人们的愿望繁衍所需_______的后代的技术。
显微手术
性别
思考感悟
2．2011年3月11日，日本发生了史上罕见的9级特大地震，造成严重的人员伤亡、物质损失，小泽先生家的养牛厂里的良种奶牛仅一头存活下来。为进行灾后重建，恢复生产，请你结合所学知识，为张先生出谋划策以快速繁殖出大量的该种优质奶牛。
【提示】 可以取该奶牛的体细胞核利用克隆技术移植到该牛去核卵细胞中，得到自体克隆胚胎，在桑葚胚或囊胚期利用胚胎分割技术得到大量胚胎，经体内或体外培养后植入受体，从而快速繁殖出大量的该种优质奶牛。
核心要点突破
精子和卵子发生的比较
项目 精子发生 卵子发生
区别 场所 睾丸曲细精管 卵巢(减数第一次分裂)、
输卵管(减数第二次分裂)
时间 初情期后 性别分化后开始，初级卵泡的形成和在卵巢内的储备是在出生前完成的，减数第二次分裂是在精子和卵子的结合过程中完成的
项目 精子发生 卵子发生
区别 过程特点 ①减数第一次分裂和减数第二次分裂是连续的，需变形
②细胞质均等分配 ①减数第一次分裂和减数第二次分裂是不连续的，不需变形
②细胞质不均等分配
结果 形成4个精细胞 形成一个卵子和3个极体
相同点 ①原始生殖细胞的增殖为有丝分裂
②生殖细胞的成熟为减数分裂
③成熟过程中均经一次染色体复制和两次减数分裂，子细胞中染色体数目减半
【特别提醒】 ①精子和卵子在发生上的重要区别是哺乳动物卵泡的形成和在卵巢内的储备是在胎儿出生前完成的，而精子是从性成熟后开始的。
②动物精子的大小与动物的体型大小无关。
下列不是精子和卵子发生的区别是( )
A．初级精母、卵母细胞的形成时间
B．减数第一次分裂和第二次分裂的连续性
C．成熟生殖细胞是否经过变形
D．成熟生殖细胞中染色体的数量
【思路点拨】 精子和卵子的发生具有不同的特点，在做题时应着重从场所、时间、过程特点、结果、是否变形这几个重要方面来考虑。
【尝试解答】 D
例1
【解析】 初级精母细胞是雄性动物性成熟后由精原细胞分裂形成的，而初级卵母细胞是胎儿期完成的；精子产生时减数第一次分裂和第二次分裂是连续进行的，卵子产生时通过减数第一次分裂形成次级卵母细胞，在精子和卵子的结合过程中完成减数第二次分裂；精子需精细胞变形为蝌蚪状，卵子不需要变形，成熟的精子和卵子经过减数分裂形成，都含有相当于亲本体细胞染色体数目的一半。
【互动探究】 上述二者的区别还有哪些方面？
【提示】 (1)二者发生的场所：精子发生在睾丸的曲细精管内，卵子发生在卵巢和输卵管。
(2)二者产生的结果不同：精子发生的结果为一个精原细胞形成4个精子(生殖细胞)，卵子发生的结果为一个卵原细胞形成1个卵子(生殖细胞)。
跟踪训练 哺乳动物的精子和卵子在发生上的重要区别是( )
A．分裂方式不同
B．发生时间不同
C．形成子细胞的数目不同
D．发生过程不同
解析：选B。精子发生于动物性成熟以后。而卵细胞的初级卵泡发生于雌性动物的胚胎发育阶段，在出生后暂停发育，直至性成熟以后才继续发育，形成次级卵母细胞，如果不受精，它就会退化。如果完成受精作用，次级卵母细胞就会完成减数分裂，形成一个大的卵子和一个小的第二极体。
受精作用的过程特点
1．精子的成熟和获能
(1)精子在附睾中成熟。
(2)成熟的精子必须在雌性动物的生殖管道中经历一段时间才能获得受精能力，此过程叫获能。
2．卵子的准备
卵子都要在输卵管中进一步成熟，到减数第二次分裂中期时，才具备受精能力。
3．受精过程
(1)第一阶段：细胞膜融合。
过程：精子获能→精子穿过透明带→精卵细胞膜结合。
(2)第二阶段：卵细胞完成减数分裂是受精的标志。
过程：①透明带发生变化不再接受其他精子进入。
②次级卵母细胞继续完成减数第二次分裂。
(3)第三阶段：精卵核融合。
【特别提醒】 ①对于受精的标志和受精完成的标志应该区分开，受精的标志是第二极体的形成，受精完成的标志是精、卵两核融合形成受精卵。
②卵子的细胞核和精子的细胞核不能理解成卵子、精子原来的核，而是在原来细胞核的基础上形成的新核，原核膜已破裂。
③将从卵巢中取出的卵母细胞用于体外受精时，应在体外人工模拟的输卵管环境中进行培养，才能使其成熟。
如图为成熟精子的结构示意图，请据图完成下列问题。([ ]内填号码)
例2
(1)图中[ ]顶体是由__________发育来的，在受精作用时发生__________反应，释放__________，溶解卵泡细胞之间的物质和透明带。
(2)④由__________演变而成，③聚集许多__________，这是与__________相适应的。
(3)获得的精子穿越放射冠和透明带，进入卵黄膜完成受精作用，会产生__________、__________两次生理反应，阻止其他精子入内。
【尝试解答】 (1)② 高尔基体 顶体 顶体酶 (2)中心体 线粒体 尾部运动需要消耗大量能量 (3)透明带反应 卵黄膜封闭作用
【解析】 本题考查精子的结构及其各部分结构与精子各结构之间的关系，注意结构③为尾基部的线粒体鞘膜，其内聚集了很多线粒体，可为精子的运动提供能量。
跟踪训练 我国首例虎狮兽在南京红山动物园诞生，利用了雄虎的精子和雌狮的卵子“体外受精”而产生，完成这一过程需要解决的问题是( )
A．精子在体外用获能物质处理
B．用化学物质处理掉卵黄膜便于精子进入
C．抽取精子、卵子的细胞核进行融合
D．精子入卵后进行人工处理防止多精入卵
解析：选A。精子获能后才具有受精能力，因此体外受精要给予获能处理；精子进入卵细胞后随即触发一系列的自然反应：卵细胞膜发生变化，不再接受其他精子进入，阻止多个精子受精；激活次级卵母细胞继续完成减数第二次分裂；卵子的细胞核与精子的细胞核融合便形成了一个单细胞受精卵。
1．概念：是指受精卵发育成幼体的过程，包括桑葚胚、囊胚、原肠胚、胚层分化和胚体形成等主要阶段。
2．早期胚胎发育的几个阶段
(1)卵裂期
①概念：在透明带内进行的早期胚胎发育的时期称为卵裂期。
②特点：细胞分裂为有丝分裂，细胞的数量不断增加，但胚胎的总体积不增加，或略有缩小。
哺乳动物胚胎发育的基本过程
(2)桑葚胚
①概念：当胚胎细胞数目达到32个左右时，形成的致密细胞团，形似桑葚的胚胎。
②特点：细胞排列紧密，属于全能干细胞。
(3)囊胚
①细胞开始出现分化：分化为内细胞团、滋养层细胞。内细胞团将来发育为胎儿的各种组织，滋养层细胞发育成胎膜和胎盘。
②出现了空腔——囊胚腔。
③孵化：随着囊胚的扩大，导致透明带的破裂，胚胎从其中伸展出来的过程。
(4)原肠胚
①胚层的分化：孵化后，内细胞团表层的细胞形成外胚层，下方的细胞形成内胚层。
②出现原肠腔。
(5)胚层分化
3．人胚胎发育的基本过程
(1)胚卵期
①场所：在输卵管中。
②时间：从受精至第1周末。
③过程：受精卵不断地进行分裂，形成囊胚植入子宫内膜。
(2)胚胎期
①场所：子宫内。
②时间：从第2周至第8周。
③过程：囊胚植入子宫内膜后继续发育，经过原肠胚、胚层的分化阶段直至各器官原基形成，胚初具人形。
(3)胎儿期
①场所：子宫内。
②时间：从第9周开始直至到第38周胎儿出生。
③过程：胎儿逐渐长大，各器官、系统继续发育。
4．性别决定
(1)时间：受精时。
(2)地点：输卵管。
(3)决定者：参与受精(进入卵子)的精子类型。
【特别提醒】 桑葚胚阶段前的每一个细胞和囊胚的内细胞团细胞都具有发育成完整胚胎的潜能，属于全能干细胞。
(2010年聊城高二检测)下列能正确表示高等动物胚胎发育顺序的是( )
A．受精卵→卵裂→囊胚→原肠胚→胚层分化→胚体形成
B．卵→卵裂→原肠胚→胚层分化→胚体形成
C．受精卵→囊胚→原肠胚→幼体
D．受精卵→桑葚胚→囊胚→原肠胚→胚层分化→胚体形成
【尝试解答】 D
例3
【解析】 卵裂发生在透明带内，至孵化完成结束，而孵化发生囊胚期，故囊胚的一段时期属于卵裂期，A项错误。而受精卵经卵裂形成32个左右细胞的时候，形似桑葚，称为桑葚胚，所以其发育顺序为受精卵→桑葚胚→囊胚→原肠胚→胚层分化→胚体形成。
跟踪训练 如图表示高等动物的个体发育过程，下列说法中正确的是( )
A．图中①过程表示胚胎发育，②过程表示胚后发育
B．受精卵卵裂处于囊胚形成的过程中，每个细胞的体积不断增大
C．爬行类、鸟类、哺乳动物的原肠胚期是分化程度最高的时期
D．囊胚期开始出现三胚层的分化
解析：选C。胚胎发育指受精卵发育成幼体的过程，胚后发育指幼体发育成性成熟个体的过程，受精卵卵裂形成囊胚，每个细胞的体积不断减小的主要技术与应用，原肠胚期出现三胚层的分化。
1．体外受精技术
(1)基本原理：人工模拟体内环境，包括营养、温度、pH等，使初级卵母细胞成熟，同时使精子获能，最终完成受精作用，并有计划地保存胚胎等。
(2)操作对象：哺乳动物的精子和卵子。
(3)操作目的：获得受精卵。
(4)操作环境：生物体外试管中。
胚胎工程
(5)操作步骤：
①卵母细胞的采集和培养
第一种方法：对于实验动物如小鼠、兔和家畜如猪、羊等，进行卵母细胞采集时，可先用促性腺激素处理，使其排出更多的卵子，然后在适当的时间从输卵管冲取卵子，并使其直接与获能的精子在体外受精。
第二种方法：从刚屠宰的雌性动物体内摘取卵巢，再从卵巢中采集卵母细胞。
第三种方法：直接从活体动物的卵巢中采集卵母细胞，叫活体采卵。需借助超声波探测仪、内窥镜或腹腔镜等工具。
②精子采集的具体方法：主要分为假阴道法、手握法和电刺激法。
③精子获能的处理方法：在体外受精前，必须先对精子进行获能处理。诱导方法有：
a．培养法：对于啮齿类动物、家兔和猪等动物，将取自附睾的精子，放入人工配制的获能液中，培养一段时间后，精子就可获能；b.化学诱导法：对于牛、羊等家畜，将精子放在一定浓度的肝素或钙离子载体A23187溶液中，用化学药物诱导精子获能。
④受精：获能的精子和培养成熟的卵子，一般情况下都可以在获能溶液或专用的受精溶液中完成受精过程。
2．胚胎移植技术
(1)概念理解
①胚胎来源：a.雌性动物体内早期胚胎；b.通过体外受精和早期胚胎的培养得到；c.通过哺乳动物体细胞核移植及培养而得到。
②对受体的要求：a.同一物种；b.与供体处于相同的生理状态；c.雌性动物。
③实质：是生产胚胎的供体和孕育胚胎的受体共同繁殖后代的过程。
④胚胎移植成功与否的两个重要条件：a.同种动物之间进行胚胎移植容易成功。这里的“同种”是指“同物种”；b.供、受体生理状态要相同，为此必须做到：供、受体母畜同期发情；移入受体子宫胚胎的位置应该与其在供体内的位置相同或相似。
【特别提醒】 胚胎移植成功率的高低与供、受体生理环境条件的一致性相关。只有供、受体生理环境高度一致，移入受体的胚胎才能被接受并继续发育，胚胎移植的实质为早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转移。
①供、受体的选择：供体牛选择遗传性能和生产性能优秀的个体，而受体牛则重在选择具有健康的体质和正常的繁殖能力；供体牛一般为引进的优良个体，受体牛为本地牛。②同期发情是指用性激素或促性腺激素处理供、受体动物，使供、受体生殖器官的生理变化处于同步状态，为胚胎移入受体提供相同的生理环境。③超数排卵是指应用外源性促性腺激素诱发卵巢多个卵泡发育，并排出多个具有受精能力的卵子的方法。
(3)胚胎移植的意义
①充分发挥雌性优良个体的繁殖潜能。因为正常情况下，一头牛一生可产下4～5头牛犊，但通过胚胎移植一次可产下3～4头，一生可产下数十头，是自然繁殖的十几倍到几十倍。
②加速品种改良。
3．胚胎分割技术
(1)操作手段：用显微手术的方法(主要用到实体显微镜的显微操作仪)分割胚胎。
(2)目的：同卵双生或同卵多生后代，提高胚胎的利用率。
(3)特点：来自同一胚胎的后代具有相同的遗传物质，可以看做动物无性繁殖或克隆的方法之一。
(4)选择的胚胎：发育良好、形态正常的桑葚胚或囊胚。
(5)分割注意事项：在对囊胚阶段的胚胎进行分割时，一定要注意将内细胞团均等分割，否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。
(6)意义：可为转基因技术、性别控制技术、家畜育种提供有价值的材料。
胚胎移植的基本过程如图(以牛胚胎移植为例)，请据图回答：
例4
(1)可给供体母牛注射激素，促进其超数排卵，该激素作用的靶器官是__________。
(2)分娩后产生的多个优质后代，其遗传性状是否完全相同？为什么？____________________________________。
(3)哺乳动物受精过程有哪些机制阻止多精子入卵受精(多选)( )
A．精子获能具有差异性
B．精子穿越次级卵母细胞透明带触及卵黄膜，导致透明带反应
C．精子触发卵黄膜表面微绒毛的抱合反应
D．精子入卵后，触发卵黄膜封闭作用
(4)受精有关过程有：①第一次卵裂开始，②释放第二极体，③顶体反应，④穿越透明带，⑤核膜消失，雌、雄细胞核融合。其正确的顺序为________(填序号)，受精过程的完成，标志着________的开始。
(5)若供体母牛具有许多优良性状，可利用体细胞克隆技术加速遗传改良进程，则核移植技术中获得重构卵多采用卵母细胞的原因是________________________________________________________________________。
【尝试解答】 (1)卵巢
(2)不完全相同，因为它们是由不同的受精卵发育而来的
(3)B、D
(4)③④②⑤① 胚胎发育
(5)体积大，易操作，含有使细胞核表达全能性的营养和物质条件
【解析】 (1)在给供体母牛注射促性腺激素后，促性腺激素会促进雌性激素的合成和分泌，雌性激素促进生殖细胞的形成，所以作用的靶器官是雌性生殖器官卵巢。
(2)分娩后产生的多个优质后代其遗传性状不完全相同，因为它们是由不同的受精卵发育而来的。
(3)透明带反应是防止多个精子进入透明带、引起多精子受精的第一道屏障；卵黄膜的封闭作用是防止多精子入卵受精的第二道屏障。
(4)受精过程：①精卵相遇，发生顶体反应。精子穿过放射冠；②精子接触透明带；③精子穿过透明带，接触卵黄膜；④精子头膨胀，同时次级卵母细胞完成第二次成熟分裂，释放第二极体；⑤核膜消失，两个细胞核融合。受精过程的完成，标志着胚胎发育的开始。
(5)因为卵母细胞体积大，且含有激发细胞核全能性的物质。
跟踪训练 培育“试管山羊”的基本过程如下图所示。若要培育成功，下列叙述正确的是( )
A．甲过程中可通过给母山羊注射有关激素使其超数排卵
B．乙过程的目的之一是促进卵母细胞和精子的成熟
C．丙过程与乙过程中应采用相同成分的培养液
D．丁过程中早期胚胎须移植到供体性状相同的代孕母羊子宫内
解析：选A。对小型动物而言，一般采用注射促性腺激素的方法来促进雌性个体的超数排卵，A项正确；乙过程为体外受精过程，B项错误；乙过程即受精时用获能培养液或者专门的受精溶液，丙过程为体外胚胎培养过程，所用溶液为发育培养液，C项错误；对代孕母羊的要求只是身体健康，而对它的性状无要求，D项错误。
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第二节 基因工程的应用
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．举例说出基因工程的应用及取得的丰硕成果。
2．关注基因工程的发展，讨论转基因生物的利弊。
3．了解并简述生物武器对人类的主要威胁及应用办法。
情景导引
转基因食品安全吗？
民意调查显示，66%的法国人认
为转基因食品对健康有害，在英
国只有14%的消费者愿意接受转
基因食品，大多数消费者对转基
因生物的安全性持怀疑态度。我
们该如何科学地认识转基因生物的安全性呢？
核心要点突破
知能过关演练
第二节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、基因工程的应用
1．转基因生物是指利用基因工程技术导入_________培育出的、能够将新性状稳定地遗传给后代的基因工程生物。
2．通过基因工程培育新的动植物品种的最突出优点是定向改造生物性状、能打破常规育种难以突破的_____之间的界限。
3．基因工程与人类健康的关系十分密切，突出表现在基因诊断和基因治疗方面。
外源基因
物种
4．基因诊断又称为DNA诊断，是采用_________的方法来判断患者是否出现了基因异常(如遗传病患者的基因缺陷)或携带病原体(如乙型肝炎病毒)等。基因治疗是指利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法。
思考感悟
1．江苏省南京鼓楼医院将基因诊断技术用于孕妇产前检查，以降低新生缺陷儿的比例，提高人口素质。你知道基因诊断依据的原理吗？
【提示】 DNA分子碱基互补配对或DNA分子杂交。
基因检测
二、转基因生物的安全性问题
1．转基因生物的安全性问题开始引起人们的关注，例如转基因植物，不仅要考虑它们的食用安全问题，还需要考虑其对________的影响。
2．对于转基因生物及其产品，我们应当科学地______、______和利用，应保障公众对所购的食品是否来源于转基因生物拥有________。国家应当建立相应的评估和预警机制。
生态系统
认识
评估
知情权
思考感悟
2．生长快、体形大、肉质细、味道美的转草鱼生长激素基因三倍体鲤鱼，是由我国转基因鲤鱼研究小组近年取得的重要成果。专家们将转草鱼生长激素基因鲤鱼培育为三倍体的主要目的是什么？
【提示】 三倍体生物高度不育，可以防止转基因鲤鱼破坏生态系统的稳定性。
三、生物武器的危害性
1．利用转基因技术，在一些不致病的微生物体内插入__________，或在一些致病的细菌或病毒中插入能对抗普通疫苗或药物的基因，就会培育出新的致病微生物或新的抗药性增强的微生物，这些微生物可能被制造成_________、__________、毒性更强的生物武器。
致病基因
容易储存
便于携带
2. 人类基因组计划的完成也为生物武器的研制创造了条件。例如，对不同种群__________的特性的阐明，就有可能被用于研制针对特定种群的生物武器。
3．科学技术是一把“双刃剑”，生物科学技术也不例外，它既能在许多方面造福人类，也可能因用于______________而造成灾难。必须要用______和道德规范管好它，这样生物科学才能真正朝着健康的方向发展。
基因组成
制造生物武器
法律
核心要点突破
基因工程的应用
1．基因工程硕果累累
项目
类型 外源基因类型及举例 成果举例
植物基因工程的成果 抗虫转基因植物 抗虫基因：Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等 抗虫水稻、抗虫棉和抗虫玉米等
抗病转基因植物 抗病毒基因：病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因 抗真菌基因：几丁质酶基因和抗毒素合成基因
抗病毒烟草、抗病毒小麦、抗病毒番茄和抗病毒甜椒等
抗逆转基因植物 抗逆基因：渗透压调节基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因 抗盐碱和抗干旱的烟草、抗寒番茄、抗除草剂的大豆和玉米
改良品质的转基因植物 优良性状基因：提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、控制番茄果实成熟的基因、与花青素代谢有关的基因 富含赖氨酸的玉米、耐储存番茄、新花色矮牵牛
项目
类型 外源基因类型及举例 成果举例
动物基因工程的成果 提高生长速度的转基因动物 外源生长激素基因 转基因绵羊、转基因鲤鱼等
改善畜产品品质的转基因动物 肠乳糖酶基因 乳汁中乳糖含量较少甚至没有的转基因牛
生产药物的转基因动物 药用蛋白基因＋乳腺蛋白基因的启动子等调控组件 转基因动物具有乳腺生物反应器(或乳房生物反应器)
作为器官移植供体的转基因动物 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供体的抗原决定基因 无免疫排斥反应的转基因克隆猪器官
2.基因治疗的原理及过程
(1)原理：利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法，即把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。
(2)过程
【特别提醒】 基因治疗并非把健康的外源基因导入患者的所有细胞中，而只是导入某些功能细胞中，且是体细胞。
《人类基因治疗》报道，在美国佛罗里达大学基因治疗中心接受基因治疗的三名遗传性失明患者都重新获得了一定的视力，并且没有严重的副作用。基因治疗是指( )
A．把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的
B．对有缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗疾病的目的
C．运用人工诱变方法，使有基因缺陷的细胞发生基因突变，从而恢复正常
D．运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的
例1
【思路点拨】 本题考查基因治疗的有关知识，解答本题注意突破以下几点：
①正确理解基因治疗的原理。
②注意基因治疗和基因诊断的区别。基因诊断是在DNA水平上分析检测某一基因，从而对特定的疾病进行诊断。
【尝试解答】 __A__
【解析】 由于对基因治疗定义理解不到位，很容易错选其他选项。基因治疗只是将正常的外源基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，而细胞中的缺陷基因并未修复，基因治疗不是切除病变基因或诱发其突变。
【互动探究】 从根本上治疗白化病、苯丙酮尿症等人类遗传病是采取口服化学药物、注射化学药物或辐射诱发基因突变，还是基因治疗较好？为什么？
【提示】 基因治疗。用药物或辐射诱发基因突变可以改变原有的基因，但突变大多是有害的，很可能引起另一种新的疾病，口服或注射化学药物只能治标，不能治本。
跟踪训练 1990年科学家们对一位缺乏腺苷脱氨酶基因而患先天性体液免疫缺陷病的美国女孩进行基因治疗，其方法是首先将患者的白细胞取出作体外培养，然后用逆转录病毒将正常腺苷脱氨酶基因转入人工培养的白细胞中，再将这些转基因白细胞回输到患者的体内，经过多次治疗，患者的免疫功能趋于正常。
据材料回答下列问题：
(1)基因治疗是把健康的________________导入有________________的细胞中，以达到治疗疾病的目的。
(2)在基因治疗过程中，逆转录病毒的作用相当于基因工程中基因操作工具中的________________，此基因工程中的目的基因是____________________，目的基因的受体细胞是________________。
(3)将转基因白细胞多次回输到患者体内后，免疫能力趋于正常是由于白细胞中能合成________________。
(4)下图中甲所示的方法是从________的DNA中直接分离出基因，图乙所示的方法是用________的方法人工合成基因。
解析：第(4)小题中图甲表示用DNA限制性内切酶将供体细胞的DNA切成许多片段，然后将片段通过运载体转入到不同的受体细胞，从中找到目的基因。图乙表示用目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，再合成双链DNA，从而获得目的基因。
答案：(1)外源基因 基因缺陷
(2)运载体(或基因的运输工具) 腺苷脱氨酶基因 白细胞
(3)腺苷脱氨酶
(4)供体细胞 反转录
转基因生物的安全性问题
1．转基因生物与食物安全
(1)对食物安全性检测不仅要检测其主要成分是否发生改变，还应包括其他方面的测试结果。
(2)担心出现滞后效应。
(3)担心出现新的过敏原。
(4)担心营养成分改变。
(5)把动物蛋白基因转入农作物，是否侵犯了宗教信仰者或素食者的权益。
2．转基因生物与生物安全
(1)转基因植物可能会扩散到种植区以外，成为杂草。
(2)转基因生物可能成为“入侵的外来物种”。
(3)外源基因有可能与感染转基因生物的某些细菌或病毒杂交，重组出对人类或其他生物有害的病原体。
(4)有可能使杂草成为除草剂除不掉的“超级杂草”。
3．转基因生物与环境安全
(1)打破自然物种的原有界限，改变生态系统中的能量流动和物质循环。
(2)重组的微生物在降解某些化合物过程中所产生的中间产物，可能会对人类生活环境造成二次污染。
(3)重组DNA与微生物杂交，可能会产生有害的病原微生物。
(4)转基因植物的花粉中含有有毒蛋白或过敏蛋白，可通过蜜蜂的采集进入蜂蜜，再经过食物链的传递，有可能进入其他动物和人体内。
(2011年陕西汉中高二检测)一个学习小组的同学在对当地栽培作物种类进行调查时，发现有的地方种植了转基因抗除草剂玉米，这种玉米在喷洒除草剂的环境中生长良好，杂草被除草剂杀死，玉米还能正常生长，给农民节省了很大的人力和物力。跟踪调查还发现，这种转基因玉米除直接食用外，还被加工成食品摆在超市的货架上。请回答下列问题：
例2
(1)一部分同学认为，这种转基因玉米不会对当地生物多样性构成威胁。如果你同意这种观点，请列举出三条理由：
①__________________________________________
______________________________。
②__________________________________________
______________________________。
③__________________________________________
______________________________。
(2)用转基因玉米加工成的食品被摆在超市货架上，生产厂商根据我国的有关规定，对产品进行转基因生物标注，这样做是为了尊重________。
【尝试解答】 (1)①玉米与其他植物之间存在生殖隔离
②玉米的花粉传播距离有限
③玉米花粉的存活时间有限(或其他理由)
(2)消费者的选择权利
【解析】 本题考查转基因生物与生物安全的相关知识及转基因食品的标识。
(1)转基因生物不会对当地生物多样性构成威胁，有以下理由：转基因生物虽然具有某些新的性状，但其生命力没有人们想象的那么强，扩散到种植区以外时，会很快死亡；转基因生物的种植需有一定的水、肥等条件，以及配套的种植技术；转基因生物与其他自然生物之间存在生殖隔离，难以进行自然杂交；许多植物花粉的传播距离有限，花粉存活时间有限，具有受精能力的时间更短。
(2)2002年，我国农业部颁布了《农业转基因生物标识管理办法》，要求对转基因生物产品及其加工品加贴标识，以方便消费者自主选择，保护消费者的知情权，尊重消费者的选择权利。
A．转基因技术应用的基本原理是基因重组，转基因作物是转基因技术的一种产物
B．如果转基因作物产生了对人类健康及环境的负面影响，我们应该反对转基因技术
C．科学家必须在现有知识与技术的基础上尽量考虑转基因作物可能存在的风险并采取相应的防范措施
D．国家必须对转基因作物的研究制定相应的法律法规，并进行严格管理与有效控制
解析：选B。为了保障转基因作物的安全性，国家要制定相应的法律法规，以立法保障；人们要加强舆论监督，同时要改变观念去接受新生事物，不能因为其可能存在负面影响而全盘否定转基因技术。
生物武器的危害性
1．生物武器
生物武器的种类包括致病菌、病毒、生化毒剂，以及经过基因重组的致病菌等。把这些病原体直接或者通过食物、生活必需品等散布到敌方，可以对军队和平民造成大规模杀伤后果。
2．生物武器的特点
(1)传染性强。
(2)污染面广。直接喷洒的生物气溶胶，可随风飘到较远的地区，杀伤范围可达数百至数千平方千米。在适当条件下，生物战剂存活时间较长，不易被发现。
(3)难以防治。
(4)具有一定的潜伏期。
(5)受自然条件影响大。
3．生物武器的局限性
(1)生物武器主要指病原微生物，所以它们的生存、繁殖、死亡易受环境条件的影响。
①温度：37 ℃左右。
a．过高：40～50 ℃，细胞停止繁殖；50～70 ℃，死亡；但芽孢必须在100 ℃以上的温度条件下才会死亡；b.过低：一般会停止繁殖、生长，但不会死亡。
②湿度：大多数在干燥的空气中容易死亡，如霍乱弧菌；少数在干燥环境中仍较易存活，如结核杆菌。
(2)还受地形、风向等多种条件影响。
(3)生物武器使用不易控制，使用不当可危害本方安全。
4．基因工程与新型生物武器
(1)利用转基因技术将某些致病微生物的某些特殊基因镶嵌到一些非致病微生物的基因组内，使其转变为一些新型的生物武器，对人类产生新的危害。
(2)利用转基因技术，根据人类特定种群或民族的基因组成特点，研制针对特定种群的生物武器。
阅读下列材料，回答问题。
材料一：联合国组织的一个专家小组的研究报告指出，虽然许多国家签订了《禁止生物武器公约》，但对生物武器的研制并未停止，因此，对生物武器防治方法的研究也应得到加强。
材料二：生物战剂做成干粉或液体喷洒到空气中，形成有害的气雾云团，叫做“生物战剂气溶胶”。它的颗粒很小，肉眼很难看见，渗透力强、杀伤范围广，一些通常通过食物或昆虫传播的病原体也可以通过气溶胶由呼吸道感染，所以使人致死的剂量较其他感染途径小。
例3
(1)有可能成为“生物战剂气溶胶”病原体的生物包括哪些类群？(请列举两例)
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)人体抵抗病原体感染的第一道防线是________，最有效的防线是________________。
(3)在战争中，为预防敌方使用生物武器，你认为参战部队采取的最有效措施是________。请简述这一措施的原理
________________________________________________________________________。
【尝试解答】 (1)细菌、病毒、衣原体、立克次氏体等(答出两项即可) (2)皮肤、黏膜等 特异性免疫 (3)接种疫苗 使参战人员体内产生相应的抗体和记忆细胞，当病原体侵入时，会迅速产生强烈的免疫反应
【解析】 该题通过材料分析，考查生物武器和免疫的有关知识。作为生物武器的微生物主要有细菌、病毒、衣原体、立克次氏体等，这些病原微生物借助于其他辅助装置，在作战区内散播，首先穿过人的皮肤、消化道和呼吸道黏膜进入内环境，使作战人员失去战斗力。为预防敌方使用生物武器，可采取接种疫苗、穿隔离服等措施，其中最有效的措施为接种疫苗，其原理为产生特异性免疫使体内产生相应的抗体和记忆细胞，能够消灭生物武器中的病原微生物。
跟踪训练 与常规武器相比，生物武器具有( )
①传染性强 ②污染面积广，不易被发现 ③有一定的潜伏期 ④像核武器一样破坏建筑物 ⑤自然条件下的大雪、低温、干燥、日晒等不影响生物武器的杀伤力
A．①②③ B．②③④⑤
C．①②③④⑤ D．①②③④
解析：选A。生物武器的特点为：致病力强，传染性强，污染面积广，不易被发现，有一定的潜伏期，受自然条件影响大，如风速、气温等对传播速度影响较大，大雪、低温、干燥、日晒等能加速病菌消亡。
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第三节 蛋白质工程
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．理解蛋白质工程与基因工程的关系。
2．描述蛋白质工程的基本原理。
3．举例阐述蛋白质工程的应用和发展。
情景导引
人类可以创造出自然界不存
在的蛋白质吗？答案是肯定
的。例如：科学家已生产出
一种以前必须从南极鱼类体
中提取的抗冻蛋白质。这一
技术可用于储存大量新鲜的动植物和人类的组织细胞，防止形成冰晶，破坏脆弱的细胞膜和细胞的内部结构。你想了解这方面的知识吗？
核心要点突破
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第三节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、蛋白质工程的概念和原理
1．蛋白质工程是指通过__________与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并借助计算机辅助设计、______________和重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。基因工程是蛋白质工程中的关键技术，因此，蛋白质工程又被称为________________。
物理化学
基因定点诱变
第二代基因工程
2．实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质的_____和_____的关系，应用X射线晶体衍射法，可以测定蛋白质的三维空间结构，利用__________法可以了解其构象。
3．根据蛋白质被改造部位的多少，可以将对蛋白质的改造分成______、______、______。
结构
功能
核磁共振
大改
中改
小改
4．“大改”是指根据氨基酸的性质和特点，设计并制造出___________________________，使之具有特定的氨基酸序列、空间结构和预期功能。“中改”是指在蛋白质分子中替代某一个肽段或一个特定的结构域。“小改”是指通过基因工程中的定点诱变技术，有目的地改造蛋白质分子中___________的1个或几个氨基酸残基，以改善蛋白质的性质和功能。____________________是改变蛋白质结构的核心技术之一。
自然界中不存在的全新蛋白质
某活性部位
基因的定点诱变技术
思考感悟
1．对天然蛋白质进行改造，是直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？
【提示】 对基因的操作。
二、蛋白质工程的应用
1．蛋白质工程可通过改造酶的结构，有目的地提高酶的热稳定性，如在蛋白质分子中引入_______可以显著提高蛋白质的热稳定性。
2．科学家发明的利用鼠源杂交瘤抗体来处理癌细胞的方法，对癌细胞有一定的杀伤力，但也有导致机体高度过敏的副作用。为了解决这一问题，科学家又对该抗体进行了改造，生产出效果良好的_______________。
二硫键
鼠—人嵌合抗体
3．我国科学家为蛋白质工程的理论和技术发展做出的积极贡献，最著名的是完成了_____________的人工合成。
4．蛋白质工程使我们不仅能更充分地利用自然界存在的基因和蛋白质，而且能在_________上对基因和蛋白质进行再设计和改造，进而创造出自然界不存在的基因和蛋白质。
结晶牛胰岛素
分子水平
思考感悟
2．一般的藻类植物仅能生活在40 ℃以下的水环境中，但也有少数种类的藻类植物可以生活在80 ℃以上的温泉中。若从酶的角度考虑，其主要原因是什么？
【提示】 温泉藻类植物体内酶肽链中的某些氨基酸与一般藻类植物的不同，导致了酶的热稳定性的差异。
核心要点突破
蛋白质工程的概念和原理
1．产生
基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。这就需要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样，人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生。
2．基本原理
(1)从理论上分析，蛋白质工程的最基本原理就是中心法则的逆推。
(2)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→找到相对应的脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质。
3．蛋白质工程与基因工程的比较
基因工程 蛋白质工程
操作环境(场所) 生物体外 生物体外
操作核心 基因 基因
操作起点 目的基因 预期的蛋白质功能
基本过程 剪切→拼接→导入→表达 确定蛋白质功能→应有的高级结构→应具备的折叠状态→应有氨基酸序列→应有的碱基序列→改造的蛋白质
实质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需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的蛋白质
结果 生产自然界已存在的蛋白质 可以创造出自然界不存在的蛋白质
【特别提醒】 ①蛋白质工程最终还是回到基因工程上来，因为蛋白质的合成由基因控制，所以说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。
②基因工程中的目的基因一般为自然界存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的。
(2011年陕西安康高二检测)某多肽链的一段氨基酸序列是：…—甲硫氨酸—色氨酸—苯丙氨酸—色氨酸—…(氨基酸及对应的密码子为：甲硫氨酸AUG，色氨酸UGG，苯丙氨酸UUU、UUC)
(1)怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。
(2)确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因(DNA)
例1
【思路点拨】 本题考查蛋白质工程的原理及实例，解答本题应突破以下几点：
①首先设计蛋白质氨基酸序列。
②找到对应的脱氧核苷酸序列。
③根据DNA(基因)脱氧核苷酸序列进行人工合成或进行基因改造。
【尝试解答】 (1)根据氨基酸序列反推mRNA密码子序列，再反推DNA上碱基序列。其DNA碱基序列为：
…－TACACCAAGACC－…
| | | | | | | | | | | | | 或
…－ATGTGGTTCTGG－…
…－TACACCAAAACC－…
| | | | | | | | | | | | |
…－A TGTGGTTTTGG－…
(2)确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法，或从基因库中获取。
【解析】 由氨基酸序列知，翻译该蛋白质的mRNA上碱基序列为…—AUGUGGUUCUGG—…或…—AUGUGGUUUUGG—…。由mRNA上碱基序列知，转录产生mRNA的DNA碱基序列为：
…－TACACCAAGACC－…
| | | | | | | | | | | | | 或
…－ATGTGGTTCTGG－…
…－TACACCAAAACC－…
| | | | | | | | | | | | |
…－A TGTGGTT TTGG－…
【互动探究】 由上述氨基酸序列推导出的目的基因为什么有多种？
【提示】 一种氨基酸可以由一种或几种不同的密码子决定，这样推导出的基因也就有多种。
跟踪训练 蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是( )
A．氨基酸结构 B．蛋白质空间结构
C．肽链结构 D．基因结构
解析：选D。蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。其目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计，但因为基因决定蛋白质，因此对蛋白质的结构进行设计改造，归根到底还需要对相应的基因进行操作，按要求进行修饰、加工、改造，使之能控制合成人类需要的蛋白质。
定点诱变技术和非定点诱变技术
1．定点诱变技术：基因的定点诱变技术是改变蛋白质结构的核心技术之一。
项目 内容
条件 原料 脱氧核苷酸
酶 DNA聚合酶和DNA连接酶
引物 含突变顺序的DNA分子片段
能量 ATP
操作方法 PCR技术
结果 后代中半数为诱变的DNA分子
适用范围 空间结构完全清楚的蛋白质
(1)适用对象：适用于对已知空间结构的蛋白质，进行“小改”。
(2)特点：定点诱变有目的性和针对性。
(3)常用操作方法：PCR技术是目前常用的方法之一。
(4)具体操作过程：人工合成带有突变位点的引物→通过技术扩增获得定点突变的基因→通过基因工程的方法，将目的基因导入受体细胞→在受体细胞内转录和翻译合成所需的蛋白质。
(5)结果：完成对蛋白质分子的“小改”。即通过定点诱变技术在蛋白质肽链中引入替代氨基酸，从而改变其结构，有目的地改造蛋白质的功能。
2．非定点诱变技术
(1)适用对象：对于不能预先确定诱变位点的蛋白质，可采用非定点诱变来进行蛋白质的改造。
(2)特点：非定点诱变突变位点多，有时甚至会产生出意想不到的改造效果。
下图为蛋白质的定点诱变过程的部分过程图解，请据图解回答下列问题：
例2
(1)图中的质粒的本质是_____________________
________________________________________。
(2)将定点诱变过的质粒引入细胞进行复制后，可得到________种结果，图示的三对碱基的组成分别是________________、________________________。
(3)图示的这种对遗传物质的改造和人工诱变的区别是_______________________________________
_________________________________。
(4)通过图示技术实现对蛋白质的改造属于________________________________________________________________________。
【尝试解答】 (1)小型环状DNA分子 (2)两种 CTG//GAC CGG//GCC (3)人工诱变是遗传物质的不定向改变，而基因的定点诱变技术是对遗传物质的定向改变 (4) 小改
【解析】 基因的定点诱变技术是实现蛋白质小改的核心技术，其实质是通过基因水平的改造，实现对蛋白质分子结构的改造，与人工诱变相比这是一种定向的基因改造，而人工诱变则是不定向的。基因的定点诱变技术其原理是DNA分子的半保留复制，通过利用人工合成的含有所需突变顺序的引物，利用DNA多聚酶合成完整的链，再用DNA连接酶连接，从而得到定点诱变了的DNA分子，这样的DNA分子表达的结果，得到个别氨基酸发生改变的蛋白质分子。
跟踪训练 下列关于基因定点诱变技术的说法，正确的是( )
A．对任何蛋白质的改造都可以用基因定点诱变技术
B．对于已知空间结构的蛋白质的改造可以采用基因定点诱变技术
C．基因定点诱变技术是蛋白质工程中必须用到的技术
D．采用基因定点诱变技术通常可以改变蛋白质中多种氨基酸
解析：选B。基因定点诱变技术是“小改”时所用的一项技术，是有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的1个或几个氨基酸残基，是改变蛋白质结构的核心技术之一。主要应用于空间结构已知的蛋白质，对于空间结构未知的蛋白质用非定点诱变来进行蛋白质的改造。
蛋白质工程的应用
利用蛋白质工程改造或者设计制造出的人工蛋白，在活性、稳定性及抗原性等方面都优于天然蛋白质。
1．提高蛋白质的热稳定性
一种方法是通过替换酶的几种氨基酸，可以提高酶的热稳定性；另一种方法是在蛋白质分子中引入二硫键也可提高蛋白质的热稳定性。
2．改变蛋白质的活性
组织纤溶酶原激活物(t—PA)专一激活人体内的纤溶系统，保证血液循环的畅通。但t—PA进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物形成复合物，并迅速失去活性。利用蛋白质工程将t—PA分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺后，t—PA在血液循环中的停留时间会大大延长。
3．合成嵌合抗体
小鼠单克隆抗体的制备比较简单，但这种鼠源性的单克隆抗体会被人的免疫系统排斥，不能直接用于人体。嵌合抗体就是保留鼠单克隆抗体的可变区，而用人体抗体的恒定区替换鼠单克隆抗体的恒定区，这种嵌合抗体的抗原性显著下降，而抗体的特异识别功能没有丧失，可用于临床治疗。
目前蛋白质工程成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还不够，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需经过艰辛的探索。
胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，需经较长的时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，因此，治疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：
例3
(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是________________________________________________________________________。
(2)通过DNA合成形成的新基因应与__________结合后转移到__________________中才能得到准确表达。
(3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有____________、____________和发酵工程。
(4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是什么？
【尝试解答】 (1)蛋白质的预期功能 (2)载体 大肠杆菌等受体细胞 (3)蛋白质工程 基因工程 (4)根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因。
【解析】 (1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计，因此，图中构建新的胰岛素模型的依据是胰岛素的预期功能，即速效胰岛素。(2)合成的目的基因应与载体构建基因表达载体后导入受体细胞中才能得以表达。
(3)利用蛋白质工程生产自然界原本不存在的蛋白质，需对原有胰岛素进行改造，根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，人工合成新的胰岛素基因，形成目的基因，改造好的目的基因需通过基因工程来生产基因产物，并且在生产过程中要借助工程菌，所以还需要进行发酵，因此该过程涉及蛋白质工程、基因工程和发酵工程。(4)由新的蛋白质模型到构建新的基因，其基本设计思路是根据新的蛋白质中氨基酸的序列，推测出基因中的脱氧核苷酸序列。然后用DNA合成仪直接合成出新的基因。
跟踪训练 下列关于蛋白质工程应用的叙述正确的是(多选)( )
A．蛋白质工程可以改造酶的结构，提高酶的热稳定性
B．通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性
C．利用蛋白质工程可以在大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素
D．蛋白质工程可以对胰岛素进行改造和修饰，合成速效型胰岛素制剂
解析：选ABD。蛋白质工程是依据人们设计的蛋白质分子结构来改造基因，进而控制合成或改变自然界中的蛋白质，而在大肠杆菌中生产人胰岛素利用基因工程技术便可达到。
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试管牛与克隆牛的比较
生物技术 性别 繁殖方式 特点 应用
试管牛 体外受精、动物细胞培养、胚胎移植 雌性或雄性 有性
生殖 可能出现性状分离 加快良种家畜的繁殖速度
克隆牛 细胞核移植、动物细胞培养、胚胎移植 与提供细胞核的个体的性别相同 无性
繁殖 可保持良种牛的优良性状 加快良种家畜的繁殖速度、克隆动物可用于生理学、病理学等科研
世界上第一只克隆绵羊“多利”和我国第一只转基因牛“滔滔”的培育程序分别如下图所示，请据图回答：
例1
(1)请写出培育克隆绵羊中①②所指的细胞工程名称：
①________________；②__________________。
(2)培育克隆绵羊实施工程①时，所需的受体细胞大多采用动物卵细胞的原因是___________________________________。
(3)培育转基因牛过程中的关键环节是右图的( )
A．① B．②
C．③ D．④
(4)在转基因牛的培育中，图中D与亲本A、B牛的最根本区别是______________________________。
(5)继植物组织培养之后，克隆绵羊的培育成功，证明动物细胞也具有________________________。
【尝试解答】 (1)细胞核移植技术 胚胎移植技术 (2)细胞体积大，有利于操作，且细胞能在核移植后，具有发育成新个体的能力 (3)A (4)转基因牛D基因组中含有外源基因，而A、B牛基因组中不含有外源基因 (5)全能性
【解析】 克隆绵羊的培育过程，所用的生物技术包括细胞核移植技术、动物细胞培养和胚胎移植技术，其中的关键技术是胚胎移植技术。转基因牛的培育过程，所用的生物技术是基因工程、动物细胞培养和胚胎移植技术，其中的关键技术是基因工程技术，转基因牛与普通牛的最根本区别是在基因组中含有外源基因。
胚胎干细胞
1．来源和特点
ES细胞来源于早期胚胎，是从早期胚胎细胞中分离出来的。它具有胚胎细胞的特性，体积较小，细胞核大，核仁明显；在功能上，具有发育的全能性，可分化为成年动物任何一种组织细胞。另一方面，在体外培养条件下，ES细胞可不断增殖而不发生分化，可进行冷冻保存，也可以进行某些遗传改造。
2．主要用途
可用于研究哺乳动物个体发生和发育的规律，也是在体外条件下研究细胞分化的理想材料。ES细胞通过诱导分化可产生新的组织细胞，用于治疗人类的组织损伤和某些顽症。还可通过ES细胞的体外诱导分化，定向培育人造组织器官，用于器官移植，解决供体器官不足和移植后免疫排斥的问题。
医学上常用器官移植来治疗人类的某些疾病，而利用人类胚胎干细胞可以解决器官移植中的很多问题。分析以下材料回答问题：
例2
(1)上述组织器官的获得所依据的生物学原理和生物工程技术是____________________________。
(2)哪一阶段的细胞是胚胎干细胞？______________，其形态特点是__________________________________。
从细胞水平上看，卵裂的分裂方式是________________。
(3)过程X称为________________；①指的是________________；②指的是____________，它在胚胎发育过程中可以发育成____________。
(4)这种方法与移植他人器官相比，其优点是_____________________________________，
请说出一种胚胎干细胞的其他应用：__________。
【尝试解答】 (1)细胞核的全能性、治疗性克隆(包括核移植、早期胚胎培养、干细胞培养和定向诱导分化等)
(2)囊胚期的内细胞团 体积小，细胞核大，核仁明显 有丝分裂
(3)细胞核移植 内细胞团 滋养层 胎膜、胎盘
(4)可以解决器官移植的来源和移植后的免疫排斥反应等问题 用于研究细胞分化和细胞凋亡机理等
【解析】 治疗性克隆是把患者的细胞核移植到去核卵细胞中，并使重组细胞发育成早期胚胎，得到胚胎干细胞，这些细胞具有胚胎细胞的特性，在形态上，表现为体积小、细胞核大、核仁明显；在功能上具有发育的全能性，即可以分化为成年动物体任何一种组织细胞，为细胞或组织移植提供无免疫原性的材料，用于疾病治疗。
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生态工程与传统工程比较
类别
项目 传统工程 生态工程
对象 局部环境、污染物排放点 生态系统，特别是社会—经济—自然复合生态系统
目标 单一，污染物减量，达标排放 多目标，优化功能，同步获得生态环境、经济和社会效益
模式 先污染后治理 寓环保于生产和消费之中
设计原则 人为地恢复部分 按自然设计
类别
项目 传统工程 生态工程
规模 单一化、大型化 多样化、组合化
主要过程 物理的 人＋自然
功能 处理“三废” 产品＋生态服务＋社会服务
稳定性 对外部依赖性高 抗外部干扰性强
环境效益 局部，当前 整体，长远
经济效益 投入运转费高，无直接收入 投入及运转费低，多层分级利用，增加收入
阅读下述材料，回答有关问题。
自2000年9月开展“南京莫愁湖物理生态示范试验研究”以来，试验区内相继引种了浮水植物、沉水植物共计十余种，在围隔区内已经形成了以沉水植物为优势的水生植物群落。试验区营养盐的浓度得到有效控制，如试验区内氨态氮和总氮分别仅为试验区外的1/13和1/15，有效地改善了水质。
(1)上述生态工程属于__________类型，其设计目的是治理环境污染中的__________问题。
例1
(2)该生态工程所依据的生态学基本原理有________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)生态工程的调控机制是__________，主要利用的能源是__________。
(4)生态工程的主要目的是________________________________________________________________________。
【尝试解答】 (1)治污生态工程(或湖泊治理生态工程) 水体富营养化 (2)物种共生原理、生态位原理、食物链原理和物种多样性原理(缺一不可) (3)人为辅助下的自我调节 太阳能 (4)建造和调控人工生态系统，使生物和环境之间变得高度和谐
【解析】 (1)题干中“营养盐的浓度得到有效控制”，而且还重点说明了“氮”的情况，故可认为其治理的是水体富营养化，该生态工程属于治污生态工程(或湖泊治理生态工程)。(2)可以说任何一个生态工程、任何一个自然生态系统都遵循生态学的原理：物种共生原理、生态位原理、食物链原理和物种多样性原理等基本原理。(3)生态工程的调控以自我调节为主，人为调控为辅。任何生态工程(或生态系统)的能量来源都是太阳能。(4)生态工程的主要目的是建造和调控人工生态系统，使生物和环境之间变得高度和谐。
有关生态农业的相关知识
1．生态农业的概念
生态农业是以生态学理论为依据，以环境与经济协调发展为前提，在一定区域内，因地制宜地规划、组织和开展多层次、多功能的农业生产。
2．生态农业的基本原理
生态学的基本原理是发展生态农业的主要理论基础。生态系统中能量的多级利用和物质循环再生是生态学的一条基本原理。而食物链则是生态系统能量流动和物质循环的主要渠道，因此食物链既是一条能量转换链，又是一条物质传递链，从经济上看还是一条增值链。
因此，遵循这一原理，就可以合理设计食物链，充分利用当地自然资源，利用动物、植物和微生物之间的相互依存关系，使生态系统中的物质和能量被分层次地充分利用，使生产一种产品时产生的有机废弃物成为生产另一种产品的投入，也就是实行无废物生产，提供尽可能多的洁净产品。即充分有效地利用机械设备、化肥、农药，又减少环境污染。
3．生态农业的特点
生态农业可以实现对物质和能量的多级利用，减少对能源和资源的消耗，减少环境污染。具体优点突出表现在：
(1)减少化肥使用量，降低农业投入。
(2)收获多种产品，增加经济效益。
(3)净化环境，降低人和家畜的患病率。
4．生态农业的设计
主要从空间、时间和食物链等几方面去考虑。空间方面：包括“平面空间”和“垂直空间”。
(1)平面空间：在一定的区域内，确定各种农作物的种类和各种农业产业所占的比例及分布区域，是比较宏观的，即农业区划分或农业规划布局。
(2)垂直空间：利用生态学的原理，将不同的种群科学地组合成复合生态系统，达到最充分、最合理地利用环境资源的目的。可以微观地解决一个比较小的范围内的生态组合，例如一片稻田、一个庭院、一座小山、一个池塘等。在一片农田中应该从地上和地下进行两个方面的科学搭配。地上部分包括不同作物在不同层次空间上茎、叶的配置，以便最大限度地利用光、热、水、气等自然资源。地下部分是要使不同农作物的根系分布在不同的土层中，以便更好地利用营养物质。
在我国南方已经逐渐开始尝试一种新的养殖方法——稻田养鸭，它是利用雏鸭旺盛的杂食性，吃掉稻田里的杂草和害虫，利用鸭不间断的活动产生中耕浑水效果，刺激水稻生长，同时鸭的粪便可作为肥料，在稻田有限的空间里生产无公害、安全的大米和鸭肉。所以稻田养鸭是一种种养结合、生态型的综合农业技术，应该得以迅速推广。(注：雏鸭不食水稻秧苗，当水稻抽穗时，鸭已收回饲养)
请分析上述材料回答下列有关问题：
例2
(1)该农业生态系统中最主要的成分是________________________________________________________________________。
(2)该农业生态系统中，鸭与杂草的关系是________，有竞争关系的是________________________________________。
(3)生产的大米无公害的主要原因是____________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)请你画出该农业生态系统中物质循环利用的简图。
【尝试解答】 (1)水稻、杂草等生产者
(2)捕食 害虫和鸭，水稻和杂草
(3)因减少了化肥和农药的使用量，生产的大米污染少
(4)如图所示
【解析】 本题考查对生态工程原理的理解和运用。生态工程中的生态农业是建立在物质循环再生与物种多样性原理基础上的，体现了生态效益、经济效益的整体效应。在此生态系统中，水稻、杂草等生产者是最主要的成分，由材料信息可推出，稻田中使用的化肥与农药减少，生产的大米污染少。
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第三节 动物细胞工程
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．简述动物细胞的培养过程及所需条件。
2．掌握动物体细胞克隆技术，并关注其伦理问题。
3．举例说出细胞融合和单克隆抗体技术及应用。
情景导引
早在1978年，美国科幻小说
家罗维克就写过一本名叫
《克隆人》的小说。该小说
对“克隆人”培育过程的描
述与今天科学家所述的原理
和过程基本一致。然而，有
些人认为，克隆人严重地违
反了人类的伦理道德，是克
隆技术的滥用。
有些国家制定相关法律严禁进行克隆人的研究，而现任美国总统奥巴马在刚刚上任的第48天，即2009年3月9日，就正式为美国科学界签署了为人体胚胎干细胞在医学方面的克隆研究解禁的命令。为什么人们对克隆技术既爱又恨？
让我们走进克隆世界一探究竟吧！
核心要点突破
知能过关演练
第三节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、动物细胞与组织培养
1．动物细胞工程一般包括动物细胞与组织培养、_______移植、_______克隆、细胞融合、单克隆抗体的制备等技术。___________________是动物细胞工程的基础。
2．动物细胞与组织培养是指在体外模拟动物体内环境，将动物细胞或组织在____、_________和营养充足的条件下培养，使其继续生长、繁殖并维持原有结构和功能的技术过程。
细胞核
体细胞
动物细胞与组织培养
无菌
温度适宜
3．动物细胞培养需要严格的环境条件，包括____、____、气体和营养物质等。
4．动物细胞培养与动物组织培养方法主要区别是动物细胞培养过程中需要用_________等使组织块中的细胞离散，而动物组织培养过程中不需要使用胰蛋白酶等。
5．原代培养是指从供体获取组织或细胞后的初次培养。这一阶段的培养很适用于药物测试、基因表达等实验研究。传代培养是将_________的细胞分离稀释后转入新的培养瓶中继续培养。一般情况下，传代培养__________后，细胞增殖会明显缓慢，甚至完全停止。
温度
pH
胰蛋白酶
原代培养
10～50次
思考感悟
1．动物细胞培养如何检测有毒物质毒性的大小？
【提示】 用含有一定浓度有毒物质的细胞培养液和正常细胞培养液同时培养正常细胞，通过对照观察变异细胞的百分数来确定其毒性强弱。
二、细胞核移植与动物体细胞克隆
1．动物体细胞克隆是将供体体细胞的_______与受体去核卵细胞的细胞质进行人工组合，借助于卵细胞的发育能力，经过培养发育成胚胎进而形成个体的技术。其技术关键是___________技术。
2．细胞核移植是一种利用显微操作技术将某种动物的细胞核移入同种或异种动物的去除细胞核的成熟_______内的技术。
3．克隆技术在克服动物______杂交繁殖障碍、创造新物种等方面具有重要的科学意义和潜在的经济价值。
细胞核
细胞核移植
卵细胞
种间
三、细胞融合和单克隆抗体
1．细胞融合是指在一定条件下将两个或多个细胞融合为一个细胞的过程。科学研究表明，不同类型的动物细胞之间能进行融合，形成_____细胞，如鼠－鸡、鼠－猴杂种细胞等。
2．要促进细胞融合，采取的方法主要有_______ (如电激法)、化学法(如用_________作为诱导剂)和生物法(如用灭活的_________作为诱导剂)。目前物理法融合效率较高，且对细胞伤害小，易操作、控制和观察，在实验室被广泛使用。动物细胞融合技术的最重要的用途是制备____________。
杂种
物理法
聚乙二醇
仙台病毒
单克隆抗体
3．单克隆抗体制备的基本原理是：
单个的B淋巴细胞只能产生一种抗体，骨髓瘤细胞具有_________的能力，若将小鼠的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞相融合，首先形成_____细胞，随后该细胞通过多次增殖形成一群这样的细胞，这些细胞即可产生大量的________抗体。
4．目前，单克隆抗体主要用于治疗各种_____，如淋巴瘤、白血病等。此外，还可以用于治疗由于免疫系统紊乱导致的疾病，如类风湿性关节炎、过敏性鼻炎等。
无限增殖
杂交
单克隆
肿瘤
思考感悟
2．鼠的单克隆抗体能否用于人体疾病的治疗？试分析？
【提示】 不能。因为抗体具有特异性，鼠的B淋巴细胞所产生的抗体与人体B淋巴细胞产生的抗体是不同的。
核心要点突破
动物细胞与组织培养
1．基本条件
(1)无菌、无毒的环境：首先应保证被培养的细胞处于无菌、无毒的环境，即对培养液和所有的培养用具进行无菌处理。通常还要在细胞培养液中添加一定量的抗生素，以防培养过程中的污染。此外，应定期更换培养液，以便清除代谢产物，防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害。
(2)营养：细胞体外培养所需营养物质与体内的环境基本相同。例如，需要有糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等。将细胞所需的上述营养物质按其种类和所需数量严格配制而成的培养基，称为合成培养基。由于人们对细胞所需的营养物质还没有完全搞清楚，因此，在使用合成培养基时，通常需加入血清、血浆等一些天然成分。
(3)温度和pH：细胞体外培养的适宜温度一般与动物的体温相近，哺乳动物多以36.5±0.5 ℃为宜。多数细胞生存的适宜pH为7.2～7.4。
(4)气体环境：细胞培养所需气体主要有O2和CO2，O2是细胞代谢所必需的，CO2的主要作用是维持培养液的pH。进行细胞培养时，通常采用培养皿或松盖培养瓶，将其置于含95%空气加5% CO2的混合气体的培养箱中进行培养。
2．培养过程
(1)原代培养
①材料：动物早期胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织，因为这些组织或器官中的细胞生命力旺盛，分裂能力强。
②过程：直接从动物体内取出的组织块，用胰蛋白酶使其分散成单个细胞，然后转入培养瓶中进行培养的过程。
(2)传代培养
原代培养到一定程度，空间会变小，营养会减少，而且细胞会出现接触抑制，如果还需要继续进行细胞培养，就要用胰蛋白酶使细胞从瓶壁上脱离下来，重新形成悬浮细胞，分装到多个培养瓶中继续培养。
【规律小结】 动物细胞培养与植物组织培养的比较
植物组织培养 动物细胞培养
理论基础(原理) 细胞的全能性 细胞增殖
培养基 固体培养基，需一定营养物质、激素、光照等条件 液体培养基，其中包括营养物质、维生素、动物血清等
过程
结果 获得新个体或细胞产品 大量产生细胞或细胞产物
用途 ①快速繁殖名贵花卉和果树。②培养无病毒植物、转基因植物。③大规模生产药物、食品添加剂、香精、色素等 ①生产蛋白质制品如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等。②检测有毒物质。③研究药理、病理。④移植治疗
(2009年高考江苏卷)动物器官的体外培养技术对于研究器官的生理、病理过程及其机制意义重大。下图是一个新生小鼠的肝脏小块培养装置示意图。请回答下列问题：
例1
(1)肝脏切成小薄片，这有利于肝脏细胞________________________________________________________________________。
(2)气室中充入5%CO2气体的主要作用是________________________________________________________________________。
(3)培养液中添加抗生素是为了抑制细菌生长，但要注意选择抗生素的________，以保证抗生素对肝脏无害。
(4)有机物X有毒性，可诱发染色体断裂。利用上图所示装置和提供的下列材料用具，探究肝脏小块对有机物X是否具有解毒作用。
材料用具：
肝脏小块，外周血淋巴细胞，淋巴细胞培养液，植物凝集素(刺激淋巴细胞分裂)，显微镜，载玻片，盖玻片，玻璃皿，滴管，吉姆萨染液(使染色体着色)，有机物X溶液等。
实验过程：
①在淋巴细胞培养液中加入植物凝集素培养淋巴细胞，取4等份，备用。
②利用甲、乙、丙、丁4组上图所示装置，按下表步骤操作(“√”表示已完成的步骤)。
甲 乙 丙 丁
步骤一：加入肝脏培养液 √ √ √ √
步骤二：加入有机物X溶液 √ √
步骤三：放置肝脏小块 √
上表中还需进行的操作是________________________________________________________________________。
③培养一段时间后，取4组装置中的等量培养液，分别添加到4份备用的淋巴细胞培养液中继续培养。
④一段时间后取淋巴细胞分别染色、制片。在显微镜下观察________，并对比分析。若丙组淋巴细胞出现异常，而甲组的淋巴细胞正常，则说明________________________________________________________________________。
【尝试解答】 (1)吸收氧气和营养物质、排出代谢废物
(2)维持培养液适宜的pH
(3)种类和剂量
(4)②向乙(或丁)组装置中放置肝脏小块 ④染色体形态和数量 肝脏小块对有机物X具有解毒作用
【解析】 肝脏是动物体内最大的消化腺，还有造血和解毒功能。将肝脏切成小薄片，可使肝细胞直接接触培养液，有利于肝细胞吸收氧气和营养物质、排出代谢废物。向培养液中充入5%CO2，有利于维持培养液的pH。添加抗生素可抑制细菌生长，但不能用错、用多，否则会伤害甚至杀死肝细胞。
跟踪训练 右图是动物细胞培养
的基本过程示意图。请据此回答：
(1)容器A中放置的是动物器官或
组织。它一般取自
______________________________________。
(2)容器A中的动物器官或组织首先要进行的处理是________，然后用________处理，这是为了使细胞分散开来，这样做的目的是__________________________________。
(3)培养首先在B瓶中进行，瓶中的培养基成分有________________________________等。在此瓶中的培养称为________。
(4)为了把B瓶中的细胞分装到C瓶中，用胰蛋白酶处理，然后配制成________，再分装。
(5)在C瓶中正常培养了一段时间后，发现细胞全部死亡。原因是________________________________________________________________________。
解析：(1)动物细胞培养一般取材于动物早期胚胎或幼龄动物的器官或组织，这部分细胞的分裂能力强。
(2)在进行培养时应尽量使细胞分散，便于与培养液充分接触，使其分散需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理。
(3)动物细胞培养过程中应尽量使培养基成分与体内基本相同，所以需要添加葡萄糖、氨基酸、无机盐、动物血清等。培养的过程分为原代培养和传代培养两个大阶段，B瓶中的培养叫原代培养。
(4)原代培养的细胞由于接触抑制不再分裂，用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理后，再分瓶培养，让细胞继续增殖。
(5)传代培养过程中，有个别细胞传50代后，遗传物质改变，成为不死的癌细胞，如果遗传物质没有改变，细胞会全部死亡。
答案：(1)早期胚胎或幼龄动物的器官或组织 (2)剪碎组织 胰蛋白酶 使细胞与培养液充分接触 (3)葡萄糖、氨基酸、无机盐和动物血清 原代培养 (4)细胞悬浮液
(5)细胞没有发生癌变
细胞核移植与动物体细胞克隆
1．原理：细胞核的全能性。
2．动物细胞全能性的特点
动物细胞的全能性随着动物细胞分化程度的提高而逐渐受到抑制，全能性表达很难，但动物的细胞核内仍含有该种动物的全部遗传基因，具有发育成完整个体的潜能，即动物的细胞核仍具有全能性。
(2)用卵母细胞作受体细胞的原因：①卵母细胞质内存在激发细胞核全能性表达的物质。②卵母细胞体积大，便于操作。③卵黄多，营养物质丰富。
(3)体细胞核移植技术的应用
①加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育。②保护濒危物种，增大存活数量。③生产珍贵的医用蛋白。④作为异种移植的供体。⑤用于组织、器官移植等。
5．动物体细胞克隆的一般过程
【特别提醒】 ①动物细胞克隆利用的技术主要包括动物体细胞核移植技术、动物细胞培养技术和胚胎移植。
②动物体细胞核移植产生的新个体的亲本有三个：体细胞核供体、卵细胞细胞质供体、代孕母体。新个体细胞核基因型与体细胞核供体完全一样，因此新个体性状与体细胞核供体基本相同。卵细胞细胞质中也有少量DNA，即线粒体DNA，新个体性状与卵细胞供体也有一些地方相同。代孕母体没有为新个体提供遗传物质，性状之间没有联系。
③克隆可分以下三个层次：a.分子水平：如DNA复制；b.细胞水平：动物细胞培养；c.个体水平：“多利”羊的诞生。
“治疗性克隆”将是人胚胎干细胞(简称ES细胞)造福于人类的一种非常重要的途径。应用人胚胎干细胞进行“治疗性克隆”研究的技术途径包括以下几个步骤：首先取病人的体细胞核，移植到去核的成熟受体卵母细胞中；在早期胚胎形成后，从中分离获得ES细胞；对ES细胞进行基因修饰和定向分化研究，将定向分化后的细胞移植给病人。进行核移植的目的并不是用于克隆人，而是希望通过对ES细胞进行分离培养、定向分化等处理后，进一步获得再造的人体组织或器官。请根据材料回答下列问题：
例2
(1)人类“治疗性克隆”属于动物细胞工程的______________________技术。
(2)科学家为何要将患者的体细胞核植入去核的卵细胞中，而不直接用体细胞进行细胞培养？________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)“治疗性克隆”的结果说明高度分化的体细胞的细胞核仍然具有________。相同的胚胎干细胞，“克隆”的结果各种各样，如有的是胰岛细胞、有的是血细胞、有的是心肌细胞，究其本质原因是基因______________的结果。
(4)克隆的器官在给自身移植方面的主要优点是__________________________________________________________________________________________。
(5)目前世界上绝大多数国家反对进行“克隆人”的原因是
________________________________________________________________________。
【尝试解答】 (1)动物细胞核移植 (2)体细胞核在体细胞中不能表达全能性，而卵细胞的细胞质可以为其提供表达全能性的环境 (3)全能性 选择性表达 (4)没有免疫排斥反应 (5)克隆人会导致人类社会的伦理道德发生混乱(合理解释均可)
【解析】 本题主要考查细胞核移植在人类“治疗性克隆”中的应用，分析如下：
跟踪训练 (2011年无锡高二检测)乙马的卵细胞核被甲马的体细胞核置换后，这个卵细胞经过多次分裂，再植入丙马的子宫内发育，结果产下一只小马。下列叙述正确的是( )
A．直接在体外对甲马的体细胞进行诱导也能培养出胚胎来
B．小马的性状完全与甲马相同
C．此项技术可用于保护濒危物种
D．该过程可以很好地证明动物细胞的全能性
解析：选C。克隆过程中细胞质中遗传物质来自一方，而细胞核中遗传物质来自另一方，所以小马与甲马不完全一致，该过程只能说明动物细胞核具有全能性，而动物细胞全能性的体现目前还没成功。
细胞融合和单克隆抗体
1．动物细胞融合
(1)概念：动物细胞融合也称细胞杂交，是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程。融合后形成的具有原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞，称为杂交细胞。
(2)过程：细胞融合的过程包括细胞膜融合、细胞质融合和细胞核融合。细胞膜融合是细胞融合的先导。没有细胞膜的融合，就不会有细胞质和细胞核的融合。
(3)意义：克服了远源杂交的不亲和性，成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和生物新品种培育的重要手段。
(4)诱导方法：物理和化学方法与植物体细胞杂交相同，如聚乙二醇、电激法等，又增加了生物方法：灭活的病毒。
2．单克隆抗体
(1)概念：通过细胞融合技术获得的杂交瘤细胞群产生的化学性质单一、特异性强的抗体。
(2)制备过程
(3)特点：特异性强、灵敏度高、产量大。
(4)制备条件：无菌、无毒的环境、营养全面、适宜的温度和pH、气体条件符合要求。
(5)单克隆抗体的作用
①作为诊断试剂：准确识别各种抗原物质的细微差异，并与一定抗原发生特异性结合，具有准确、高效、简易、快速的优点。
②用于治疗疾病和运载药物：主要用于癌症治疗，可制成“生物导弹”，也有少量用于治疗其他疾病。
【特别提醒】 ①从小鼠或其他动物体中取B淋巴细胞前必须先注射抗原，使体内发生免疫反应，而且参与融合的细胞应是浆细胞(只有浆细胞能产生抗体)或已免疫过的B淋巴细胞，不能简单地说B淋巴细胞。
②融合过程中一共有五种细胞(一般只考虑了细胞两两融合)，未融合的有两种，已融合的有三种，符合要求的只有杂交瘤细胞。
③两次筛选：第一次利用选择培养基筛选出杂交瘤细胞，第二次是筛选出能分泌特定抗体的杂交瘤细胞。
如图表示用生物工程制备人抗A抗体的过程。请回答下列问题。
(1)图中细胞1是小鼠体内注入人A型血红细胞后获得的________细胞，这种细胞具有产生____________的特点，但难以在体外培养。甲培养皿中培养的细胞2是从患骨髓瘤的小鼠体内获取的骨髓瘤细胞，这种细胞在体外培养时能____________________，但不会产生抗体。
例3
(2)为了能充分发挥上述两种细胞各自的特点，经特殊处理，在促细胞融合因子的作用下，使两种细胞发生融合，形成图中的细胞3，这种细胞称为________________。把它在乙培养皿中进行培养，则能产生大量的细胞群，这种方法称为
________________________________________________________________________。
(3)过程①的主要目的是________________________________________________________________________。
通过过程②或③的培养方法能产生大量____________抗体。
【尝试解答】 (1)免疫B淋巴 单一的抗A抗体(或单一的特异性抗体) 快速大量增殖 (2)杂交瘤细胞 单克隆 (3)筛选出能产生单一抗A抗体的杂交瘤细胞 抗A单克隆
【解析】 由于抗体具有专一性，而不同的效应B细胞产生的抗体是不同的，因此单克隆抗体的制备的首要步骤就是获得相应的效应B细胞。图中细胞1应是小鼠体内注入人A型血红细胞后而获得的效应B细胞，这种细胞能分泌单一的特异性抗体。2是骨髓瘤细胞，3是骨髓瘤细胞和B细胞融合形成的杂交瘤细胞。
乙是在具有筛选作用的培养基上培养，目的是筛选出杂交瘤细胞。这种细胞既具有效应B细胞能产生抗体的特点，又具有骨髓瘤细胞在体外大量增殖的本领，因此可获得大量的化学性质单一的抗体。①是筛选出能产生单一抗A型血抗体的杂交细胞。②是将能产生单一抗体的杂交瘤细胞在体外适宜条件下做大规模培养，或注射到小鼠腹腔内增殖。
跟踪训练 近年来，我国死于狂犬病的人数有上升之势。狂犬病病毒的核酸是RNA，机体感染病毒后产生的特异性IgG抗体，能消除狂犬病病毒，这是接触狂犬病病毒后及时注射疫苗和特异性抗体的重要依据。我国利用地鼠的肾细胞培养狂犬病疫苗，已取得良好效果。
请根据上述材料，回答下列问题：
(1)狂犬病病毒的毒力可发生变异。从自然感染动物体内分离的病毒株称为野毒株，其致病力强。将野毒株在家兔脑________内连续传50代后，变成固定毒株。固定毒株对人及动物致病。
(2)特异性抗体获取的方法可用单克隆抗体制备法。在制备单克隆抗体的过程中，应用的动物细胞工程技术是________________。
(3)如图是单克隆抗体制备过程示意图，请据图回答：
①图中A过程，从小鼠的脾脏中取得的“小鼠细胞”是________细胞，该细胞能够产生________。从小鼠体内提取分离该细胞之前，给小鼠注射的特定的物质是________________________________________________________________________。
②图中B过程是细胞融合，该过程需要用灭活的________、聚乙二醇或电激等诱导。
③特异性抗体的获取方法也可以采用向动物体内反复注射某种抗原，使动物产生抗体，然后从动物血清中分离所需抗体。与这种方法制备的抗体相比，单克隆抗体具有
________________________________________________________________________等特点。
(4)动物细胞体外培养需要满足的环境条件有____________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)单克隆抗体技术还有哪些用途？________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：病毒是营寄生生活的，所以在体外只能用活细胞来培养。B淋巴细胞受到抗原刺激后可分化成浆细胞，产生相应的抗体。动物细胞培养最大的用途就是制备单克隆抗体，单克隆抗体的特点和应用要熟练、准确地掌握。
答案：(1)活细胞 (2)动物细胞融合技术
(3)①B淋巴 抗体 抗原(或狂犬病病毒) ②病毒(或仙台病毒) ③特异性强、灵敏度高，并可以大量制备 (4)无菌、无毒，温度和pH，气体，营养物质 (5)作为诊断试剂；开发治疗恶性肿瘤的抗体等
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第一节 细胞工程概述
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．了解细胞工程的发展。
2．简述细胞工程的基本技术。
3．举例说出细胞工程的应用。
情景导引
山东的金乡县是全国闻名的
大蒜之乡。该县农科所与中
国农科院联合成功开发和培
育出的品质好、产量高的新
品种——脱毒大蒜，是细胞
工程的又一成果。
什么是细胞工程？是如何发
展起来的？包括哪些基本技术？在哪些方面得到了应用？
核心要点突破
知能过关演练
第一节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、细胞工程的发展
时间 人物 事件
1907年 哈里森 开创动物细胞培养的先河
1937年 高特里特等 首次成功进行________________培养
1972年 卡尔逊等 获得世界上第一个____________植株
1997年 伊恩·维尔穆特等 首次____出绵羊“多利”
植物细胞与组织
体细胞杂交
克隆
二、细胞工程的基本技术
1．细胞工程的概念
(1)单位：细胞。
(2)条件：体外_____条件下进行培养、繁殖。
(3)技术手段：植物细胞与组织培养、_________、细胞核移植等。
(4)目的：使细胞某些生物学特性按照人们的意愿发生改变，从而改良生物品种、创造新品种和加速繁育生物个体，以及获得某些有用的______________。
无菌
细胞融合
细胞代谢产物
2．分类
(1)根据研究对象分为：
①植物细胞工程。
②动物细胞工程。
③_______________。
(2)根据所使用技术的不同分为：
①植物细胞与组织培养技术：在无菌条件下分离植物细胞或组织，将其放在适当的培养基上，给予必要的生长条件，使它们在体外继续生长、增殖与分化，形成新的组织、器官和个体的技术。
微生物细胞工程
②细胞融合技术：采用自然或人工的方法使2个或多个不同细胞融合为_________的技术，常用的促融合方法有生物法、化学法和物理法等。植物细胞融合前用___________等去除细胞壁。
③细胞核移植技术：将一个细胞的细胞核转移到另一个___________的细胞中，从而使________获得新的遗传信息，产生新的生命迹象的技术。
④染色体工程：人们按照一定的设计，有计划地消减、添加或替换同种或异种染色体，从而达到_____改变遗传性状和选育新品种的一种技术。
一个细胞
纤维素酶
去除细胞核
受体细胞
定向
思考感悟
1．1978年，梅尔彻斯等人首次获得了马铃薯与番茄的属间体细胞杂种。他们将培育的二倍体马铃薯品系和番茄叶片细胞进行融合，所产生的杂交株被称为“马铃薯—番茄”。像大多数杂种一样，杂交株同时具有马铃薯和番茄的形态特征。却没有如科学家所想像的那样，地上长番茄、地下结马铃薯，你能分析其中的原因吗？
【提示】 主要原因是：生物基因的表达不是孤立的，它们之间是相互调控、相互影响的，所以马铃薯—番茄杂交植株的细胞中虽然具备两个物种的遗传物质，但这些遗传物质的表达受到相互干扰，不能再像马铃薯或番茄植株中的遗传物质一样有序表达，杂交植株不能地上长番茄、地下结马铃薯就是很自然的了。
三、细胞工程的应用
1．快速培养花卉及濒危植物：利用_____的植物细胞、组织或器官在特定的条件下，通过_________、再分化等过程培育新植株，如名贵花卉郁金香等。
2．获得无病毒作物：植物_______附近，如茎尖、根尖，因很少被病毒感染，甚至无病毒，而被用来培育________植株。
3．开发洁净能源减少环境污染：如利用单细胞生物在特定条件下产生的______作为燃料。
4．繁殖优良家畜品种及濒危动物
5．医疗领域的应用：(1)开发和生产各种____、_____。
(2)成为器官移植的新来源等。
离体
脱分化
分生区
无病毒
氢气
抗体
疫苗
思考感悟
2．我国青岛崂山森淼生物技术研究所曾培育出携带有转β-干扰素基因的克隆羊。试从它们的培育过程，谈谈细胞工程与其他生物工程的关系。
【提示】 将人的β-干扰素基因转移到羊的体内必须利用基因工程中的转基因技术；将转有β-干扰素基因的受精卵再培养成克隆羊，又必须利用细胞工程(核移植)和胚胎工程(胚胎培养与移植)，故由此可知，生物工程中的基因工程、细胞工程与胚胎工程等是相辅相成的关系。
核心要点突破
细胞工程的基本技术分析
1．植物细胞与组织培养技术
(1)依据原理：植物细胞的全能性。
(2)培养对象：离体的植物细胞或组织。
(3)培养条件：体外无菌条件和必要的生长条件。
(4)培养目的：使离体植物细胞或组织生长、增殖与分化，形成新的组织、器官和个体的技术。
2．细胞融合技术
(1)融合原理：细胞膜的流动性。
(2)融合对象：2个或多个不同细胞。
(3)促融合方法：生物法(如病毒诱导融合法)、化学法(如聚乙二醇诱导融合法)、物理法(如电场诱导融合法)。
(4)融合结果：形成杂种细胞。
(5)融合过程：2个或多个不同细胞的质膜发生粘连、破裂→细胞质发生融合→发生核融合→形成杂种细胞。
(6)融合意义：突破有性杂交的局限，使远缘杂交成为可能。
【特别提醒】 植物细胞融合前还需要用纤维素酶和果胶酶等去除细胞壁。
【知识拓展】 不同融合方法的比较
不同融合方法的目的是相同的，都是要获得融合的细胞；不同融合方法所依据的原理也是相同的，即都依据细胞膜所具有的流动性。
类型
区别 生物法 化学法 物理法
诱导剂(方法) 疱疹病毒、仙台病毒、天花病毒、腮腺炎病毒等 聚乙二醇、高浓度钙离子等 电场
常用方法 病毒诱导融合法 聚乙二醇诱导融合法 电场诱导融合法
优点 易培养，对各种动物细胞都适宜，融合率高 使用方便，诱导细胞融合频率高 频率高，对细胞无毒害，操作简便，可重复性好
缺点 有些病毒(如仙台病毒)不稳定，在保存过程中活性会降低；而且病毒进入细胞后，可能对细胞的生命活动产生干扰 有些物质(如聚乙二醇)有一定的毒性，对有些细胞(如卵细胞)不适用 目前没有发现
3.细胞核移植技术
(1)概念：细胞核移植技术是将一个细胞的细胞核转移到另一个去除细胞核的细胞中去，从而使受体细胞获得新的遗传信息，产生新的生命现象的技术。
(2)处理方法：用微吸管把一个细胞中的细胞核吸出后直接转移到另一个去除细胞核的细胞中。
(3)体细胞：提供细胞核。
(4)卵细胞：提供细胞质。
(5)操作仪器：显微操作仪。
4．染色体工程
(1)处理方法：消减、添加或替换同种或异种染色体。
(2)目的：定向改变遗传性状和选育新品种。
(3)应用：用于培育抗病新品种(如多倍体育种)；也是基因定位和染色体转移等基础研究的有效手段。
“白菜—甘蓝”是用细胞工程的方法培育出来的蔬菜新品种，它具有生长周期短、耐热性强和易贮藏等优点。如图是“白菜—甘蓝”的杂交过程示意图。请回答下列问题：
例1
(1)过程①应使用__________________酶。
(2)过程②常用的化学试剂是________________。
(3)过程④的细胞分裂方式为________________。
(4)通常情况下，白菜和甘蓝不能杂交成功，原因是________________________，上述方法克服了________________的障碍。
【尝试解答】 (1)纤维素酶和果胶 (2)聚乙二醇
(3)有丝分裂 (4)存在生殖隔离 远缘杂交不亲和
【解析】 过程①是去除细胞壁的过程，常用的方法是酶解法；用诱导剂诱导细胞融合，进而用组织培养法可获得杂种植株。 由于白菜、甘蓝为不同物种，存在生殖隔离，利用上述方法可克服远缘杂交不亲和的难题。
【互动探究】 在经过②过程后，形成了几种两两融合的细胞，分别是什么？
【提示】 三种。分别是白菜—白菜、白菜—甘蓝和甘蓝—甘蓝细胞。
跟踪训练 (2011年淮安高二检测)将基因型为Aa植株的花粉和基因型为Bb植株的花粉，除去细胞壁后，进行原生质体融合，可以得到多少种基因型不同的细胞( )
A．6种 B．8种
C．10种 D．12种
解析：选C。基因型为Aa的植株可形成基因型为A和基因型为a的两种花粉。基因型为Bb的植株可形成基因型为B和基因型为b的两种花粉，除去细胞壁后，在进行原生质体融合时，基因型相同的原生质体可以相互融合，基因型不同的原生质体也可以相互融合。这样得到的细胞其基因型共有AA、aa、Aa、BB、Bb、bb、AB、Ab、aB、ab 10种。
细胞工程与基因工程的比较
细胞工程 基因工程
不同点 操作水平 细胞或细胞器水平 DNA分子水平
技术方法 细胞融合、细胞培养、细胞核移植、染色体工程 体外对基因“剪切”和“拼接”等方法
实施目的 培育新品种或新物种，以及获得细胞代谢产物 改良生物品种，获得人类需要的基因产物
相同点 两者都可以定向改变生物体内的遗传物质，从而使人们获得基因产物或生物新品种，在育种上都能打破物种间的界限。
【特别提醒】 利用细胞工程技术可进行不同物种之间的“杂交”。形成的新杂交物种所产生的变异属于染色体变异。
如图所示为农作物新品种的育种方式：
例1
(1)图示育种方式涉及到的生物工程技术有：________、____________。
(2)⑤过程中常用的运载体是________；⑤过程表示的基因操作步骤是________________________________________________________________________。
(3)上述育种与传统杂交育种相比，突出优点是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
【思路点拨】 本题综合考查基因工程和细胞工程的操作过程和应用，应从以下两方面分析：
①基因工程和细胞工程的操作工具和过程。
②基因工程与传统育种相比有哪些优点。
【尝试解答】 (1)基因工程、植物组织培养 植物体细胞杂交(细胞融合)
(2)质粒 转化受体细胞
(3)打破生殖隔离、克服了远源杂交不亲和的障碍
【解析】 (1)图中⑤过程涉及到基因工程，①过程为植物体细胞杂交，两者都需要植物组织培养技术的支持。
(2)基因工程中的运载体为质粒，⑤过程是转化受体细胞。
(3)不管是基因工程育种还是植物体细胞杂交育种，都会打破物种的界限——生殖隔离，实现生物性状的定向改变。
解析：选C。基因芯片和蛋白质芯片技术，分别属于基因工程、蛋白质工程。
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本章优化总结
专题归纳整合
本章网络构建
章末综合检测
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专题归纳整合
不同转基因生物的比较
1．用基因工程培育动植物和微生物新品种的基本操作流程
2．转基因动物
(1)概念与方法：把外源DNA或mRNA通过逆转录病毒法、DNA显微注射等方法转入到受精卵内，经过筛选，那些体内带有外源遗传物质的动物就是转基因动物。
(2)应用事例：将大鼠生长因子基因转入小鼠受精卵内培养成巨型转基因小鼠；还有已成功培育的转基因羊，可使其分泌的羊奶中含有人们所需的药物(如干扰素等)；把哺乳动物的乳腺作为生物反应器，生产药用蛋白。总之，转基因动物的应用前景非常广阔。
3．转基因植物
(1)基因工程给植物育种提供了一种重要的新手段，以实现利用植物作为生物反应器的目的。
一般的方案是：首先鉴定和分离控制着植物生长及生殖中的重要过程的DNA序列，然后修改现有的基因，或导入新基因，从而使植物的某一性状得以改善。
(2)应用事例：利用基因工程技术，使转基因植物成功地生产糖类物质(如蔗糖、淀粉等)、降解生物“塑料”和生产蛋白质等。
基因工程是在现代生物学、化学和工程学基础上建立和发展起来的，并有赖于微生物学理论和技术的发展运用。基因工程的基本操作流程如下图，请据图分析回答：
例1
(1)图中A是________________；在基因工程中，需要在______________________酶的作用下才能完成剪接过程。
(2)在上述基因工程的操作过程中，可以遵循碱基互补配对原则的步骤有________________。(用图解中序号表示)
(3)不同种生物之间的基因移植成功，从分子水平分析，进行基因工程的主要理论依据是________________________________________________________________________，
也说明了生物共用一套________________________。
(4)研究中发现，番茄体内的蛋白酶抑制剂对害虫的消化酶有抑制作用，导致害虫无法消化食物而被杀死，人们成功地将番茄的蛋白酶抑制剂基因导入玉米体内，玉米获得了与番茄相似的抗虫性状，玉米这种变异的来源是________________________________________________________________________。
(5)科学家在某种植物中找到了抗枯萎病的基因，并用基因工程的方法将该基因导入金茶花叶片细胞的染色体DNA上，经培养长成的植株具备了抗病性，这说明____________________。如果把该基因导入叶绿体DNA中，将来产生的配子中________________(填一定或不一定)含有抗病基因。
【尝试解答】 (1)载体 限制性核酸内切酶和DNA连接 (2)①②④ (3)不同生物的DNA结构基本形式相同 密码子 (4)基因重组 (5)目的基因(抗枯萎病的基因)已表达 不一定
【解析】 通过基因工程培育转基因生物的方法是把目的基因与运载体结合形成重组DNA，导入适宜的受体细胞，并使外源基因在转基因生物体内进行表达，产生特定的基因产物或性状。外源基因进入转基因生物的基因组，这在遗传学上可以认为是基因重组，外源基因在转基因生物体内的成功表达可以说明，不同的生物共用一套遗传密码。要注意基因整合在受体细胞染色体DNA上与线粒体、叶绿体中DNA上的遗传特点不同。
几种酶的比较
种类
项目 限制性核酸内切酶 DNA连接酶 DNA聚合酶 解旋酶
作用底物 DNA分子 DNA分子片段 脱氧核苷酸 DNA分子
作用部位 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 碱基对间的氢键
作用结果 形成黏性末端或平口末端 形成重组DNA分子 形成新的DNA分子 形成单链DNA分子
基因工程中涉及多种工具酶，请分析下面材料回答相关问题：
(1)限制性核酸内切酶是一类能识别特定核苷酸序列并在特定位点切割双链DNA的“基因剪刀”。被限制酶识别的序列往往正反读顺序相同，断裂的位置交错，但又是围绕着一个轴线(对称轴)对称排列，如下左图。PstI和EcoRI都是限制酶。请补全如下右图中的互补链，画出对称轴以及切割后的产物。
例2
(2)DNA连接酶是基因操作的“针线”，其作用是把具有__________能力而粘贴在一起但存在的切口封闭，进而才可能形成有意义的____________。
(3)逆转录酶也常被用于基因工程，其存在于________(生物)中，催化以__________为模板合成DNA的过程。
【尝试解答】 (1)
(2)碱基互补配对 重组DNA (3)(某些)病毒
mRNA
【解析】 本题是一道材料分析题。属于起点高，但落点低的题目类型，只要将材料信息获取，即可做题。(1)考查限制酶的作用结果及黏性末端的写法，由碱基互补配对原则即可得互补链，再由左图模式画出右图对称轴及产物。(2)(3)为DNA连接酶和逆转录酶的相关作用。
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第一节 基因工程概述
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．简述基因工程的诞生过程和发展历程。
2．理解并阐释基因工程的实质，说出基因工程中基本工具的特点及作用。
3．概述基因工程的基本原理和技术过程。
情景导引
对婴儿进行母乳喂养好处是很
多的，不过你听说过让山羊生
产“人奶”吗？俄罗斯和白俄
罗斯的科学家经过多年的研究，
已成功地培育出了一批能生产
“人奶”的转基因山羊。该项目负责人埃琳娜·萨德奇科娃博士介绍说，乳铁蛋白是人奶中所含有的一种天然抗生素，可以帮助不具备成熟免疫系统的婴儿提高免疫力。
然而，普通羊的乳汁中没有这一成分。他们将人体的乳铁蛋白基因转移到山羊的基因组中，使转基因山羊能够分泌出含人体乳铁蛋白的乳汁。你知道怎样才能将人体的乳铁蛋白基因转移到山羊体内吗？
核心要点突破
知能过关演练
第一节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、基因工程诞生的背景
1．艾弗里证明了_________________；沃森和克里克阐明了_____________________；尼伦贝格等破译了遗传密码，以上成就为基因工程的创立提供了重要的理论依据。
2．限制性核酸内切酶和_____________等工具酶、质粒等载体和逆转录酶的发现，则直接促使了基因工程的诞生。
DNA是遗传物质
DNA分子的双螺旋结构
DNA连接酶
3．1973年，美国科学家科恩等将两种不同来源的DNA分子进行体外重组，并首次实现了在大肠杆菌中的表达，创立了__________生物的新技术——基因工程。
4．基因工程的诞生和发展大约经历了三个时期：1973～1976年为开始期；1977～1981年为发展期；1982年以后为迅猛发展和实际应用期。
定向改造
二、基因工程的概念
方法 在体外通过人工剪切和拼接等方法
原理 对生物的基因进行改造和_________
操作水平 基因水平
过程 包括基因的分离、转移及在受体细胞内的复制和表达等
目的 获得人类需要的__________
重新组合
基因产物
三、基因工程的操作工具——酶与载体
1．“分子手术刀”
基因工程中常用的能够准确切割DNA的“手术刀”是限制性核酸内切酶，它的特点是每一把“手术刀”只能识别特定的________序列，并在特定的位点上切割DNA分子，由其切割后的DNA分子有的形成__________，有的形成平口末端。
核苷酸
黏性末端
2．“分子针线”
由同一种限制性核酸内切酶切割的两种来源不同的DNA分子的“黏性末端”相互连接的过程，一是两“黏性末端”上的核苷酸通过_____________相互结合在一起，二是DNA连接酶将DNA这把“梯子”的扶手断口连接起来。“分子针线”是对DNA连接酶的比喻。
3．载体
将外源基因导入__________时所需要的运载工具叫做载体。常用的载体有质粒、噬菌体以及一些可以起载体作用的______________。______是最早应用的载体。
碱基互补配对
受体细胞
动、植物病毒
质粒
思考感悟
1．科学家利用噬菌体和动、植物病毒做载体的理由主要是什么？
【提示】 噬菌体和绝大多数动、植物病毒仅由蛋白质外壳和DNA分子组成，其中的DNA分子能与目的基因构成重组DNA分子；重组的DNA分子可在宿主细胞内进行复制和表达。
四、基因工程的一般过程与技术
1．基因工程的基本过程
(1)获取__________。
(2)制备_______________。
(3)转化受体细胞。
(4)筛选______________的受体细胞。
(5)培养受体细胞并实现__________________等。
目的基因
重组DNA分子
获得目的基因
目的基因功能表达
2．基因工程技术的应用
(1)培育出能________的转基因玉米。
(2)转基因植物的推广与应用已经带来了巨大的__________和经济效益。
(3)转基因__________也得到了迅速发展。
思考感悟
2．耐贮存转基因番茄在室温条件下可贮藏40～55天，在培育过程中将用到哪些工具酶？
【提示】 限制性核酸内切酶和DNA连接酶。
抗虫害
社会效益
动物技术
核心要点突破
几种工具酶的作用比较
1．DNA连接酶与DNA聚合酶的比较
DNA连接酶 DNA聚合酶
相同点 催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键
不同点 模板 不需要模板 需要DNA的一条链为模板
作用对象 游离的DNA片段 单个的脱氧核苷酸
作用结果 形成重组DNA分子 形成DNA的一条链
用途 基因工程 DNA复制
2.限制性核酸内切酶与DNA解旋酶的比较
(1)相同点：都作用于DNA分子中的化学键。
(2)不同点
①作用部位不同：前者作用于磷酸与脱氧核糖之间的磷酸二酯键，而后者作用于两个碱基之间的氢键。
②作用结果不同：限制性核酸内切酶在DNA分子特定部位切割DNA；DNA解旋酶是把双链DNA分子间氢键打开使双链DNA成为两个互补的单链DNA分子。
【特别提醒】 限制性核酸内切酶具有专一性，能识别特定的DNA序列，切出能互补配对的黏性末端或平口末端。
3．DNA连接酶与限制性核酸内切酶的比较
(1)区别
作用 应用
限制性核酸内切酶 使特定部位的磷酸二酯键断裂 用于提取目的基因和切割载体
DNA连接酶 在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键 将载体与外源基因组成一个重组DNA分子
(2)两者的关系可表示为：
【特别提醒】 由于核苷酸分子间的氢键是分子间作用力， 其断裂与重新形成均与限制性核酸内切酶、DNA连接酶无关。
限制酶Ⅰ的识别序列和切点是－G↓GATCC－，限制酶Ⅱ的识别序列和切点是－↓GATC－。在质粒上有酶Ⅰ的一个切点，在目的基因的两侧各有一个酶Ⅱ的切点。用上述两种酶分别切割质粒和含有目的基因的DNA。
(1)请画出质粒被限制酶Ⅰ切割后所形成的黏性末端。
(2)请画出目的基因两侧被限制酶Ⅱ切割后所形成的黏性末端。
(3)在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制性核酸内切酶切割后形成的黏性末端能否连接起来？为什么？
例1
(3)能连接。因为由两种不同的限制酶切割后形成的黏性末端是相同的(或是可以互补的)。
【解析】 限制酶能识别DNA分子上特定的序列和切点，并进行切割。限制酶具有专一性，即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列。被限制酶Ⅰ和限制酶Ⅱ切开的DNA两条单链的切口，各含有几个伸出的、可互补配对的核苷酸，这种切口就是黏性末端。黏性末端之间，只要切口处伸出的核苷酸之间存在互补关系，就可能在DNA连接酶的作用下连接起来。虽然限制酶Ⅰ和限制酶Ⅱ识别的序列和切点是不同的，但是形成的黏性末端是相同的，存在着互补关系，因此在DNA连接酶的作用下是可以连接起来的。
【规律方法】 限制性核酸内切酶的作用特点
①限制性核酸内切酶所识别的DNA序列，无论是6个碱基还是4、5、8个碱基，都可以找到一条中心轴线，中心轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。
②若限制性核酸内切酶在识别序列的中心轴线的两侧分别切割，则得到黏性末端；若限制性核酸内切酶在识别序列的中心轴线处进行切割，则得到平口末端。
跟踪训练 下图中所示黏性末端属于由同一种限制酶切割而成的是( )
①－T－C－G－
| | |
－A－G－C－T－T－A－A－
②－C－A－
| |
－ G－T－T－C－C－A－
③－A－A－T－T－C－
|
－ G－
④－A－G－C－T－T－C－
|
－ A－G－
A．①② B．①③
C．①④ D．②③
解析：选B。限制酶的主要特点是能够识别特定的核苷酸序列，并且有唯一的切点。由于DNA双链上的碱基互补配对，一条链上的碱基序列与另一条链上的碱基序列反向排列，因此一种限制酶所识别的一条链上的碱基序列与另一条链上反向序列相同，并且有唯一的切点，这个切点在两条链上也是相同的。从图中可以看出，①的一条链上游离碱基是－T－T－A－A－，另一条链上与之对应的应该是－A－A－T－T－，这样③的碱基符合要求，如果将③与①配对起来，则可看出上下两条链之间的切点都在G－A之间。再分析②与④，游离的碱基不能互补配对，其他组合也不能互补配对。
基因的运载工具——载体
1.
作用 将外源基因送入受体细胞
条件 ①能在宿主细胞内复制并稳定地保存
②具有多个限制酶切点
③具有某些标记基因
种类 常用的载体有质粒、噬菌体、动植物病毒
质粒 ①结构：细菌细胞中的很小的环状DNA分子
②特性：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
③质粒是最早应用的载体
④重组质粒的形成：用同一种限制性核酸内切酶切割质粒和外源DNA分子，并通过DNA连接酶的连接，就能将质粒和外源DNA分子组成一个重组质粒(重组DNA分子)
2.质粒载体的基本结构
最简单的质粒载体必须包括三个部分：
(1)复制区，含有复制原点。
(2)遗传标记基因，主要是抗性基因，如抗生素抗性标记基因或某些生化表型的标记基因，可用于鉴定与筛选重组DNA分子。
(3)目的基因(外源基因)插入位点，即限制性核酸内切酶的切割位点，便于外源DNA分子的插入。此外，质粒载体一般还具有低分子量(小分子质粒易于操作，也易于分离纯化)等特征。
(2011年南通高二检测)作为基因的运输工具——质粒载体，必须具备的条件及理由是( )
A．能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因
B．具有多个限制性核酸内切酶切点，以便于目的基因的表达
C．具有某些标记基因，以便为目的基因的表达提供条件
D．能够在宿主细胞中复制并稳定保存，以便于进行筛选
例2
【尝试解答】 __A__
【解析】 质粒具有能够稳定地在宿主细胞内复制的特性，可以达到大量繁殖目的基因的目的，使基因工程的成功率更高。具有多个限制性核酸内切酶切点，以便与外源基因连接；具有某些标记基因，便于进行筛选，如对抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。
跟踪训练 质粒之所以能做基因工程的载体，是由于它( )
A．含蛋白质，从而能完成生命活动
B．能够自我复制，而保持连续性
C．是RNA，能够指导蛋白质的合成
D．具有环状结构，能够携带目的基因
解析：选B。质粒存在于细菌和酵母菌等生物中，是一种很小的环状DNA分子，上有标记基因，便于在受体细胞中检测。质粒在受体细胞中，能随受体细胞DNA复制而复制，进行目的基因的扩增和表达。
基因工程的基本过程
基因工程也称为DNA重组技术，是现代生物技术的主体技术。基因工程能打破种属界限，在基因水平上定向地改造生物的遗传特性，从而更好地为人类服务。基因工程的具体过程包括以下四步：
第一步：获得目的基因。目的基因是基因工程设计中所需要的某些DNA分子片段，含有所需要的完整的遗传信息。目前获取目的基因的方法较多，主要有直接分离、人工合成等方法。
直接分离基因：最常用的方法是“鸟枪法”，又叫“散弹射击法”。鸟枪法的具体做法是：用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别载入载体，然后通过载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞所提供的DNA(外源DNA)的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制(在遗传学中叫做扩增)，从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来。如许多抗虫、抗病毒的基因都可以用上述方法获得。
反转录法：先分离出目的基因转录出的mRNA，再在反转录酶的作用下，以RNA为模板合成所需要的目的基因。
此外，也可以根据目的蛋白质的氨基酸序列，先人工合成出相应的RNA，再用反转录法得到目的基因。
第二步：制备重组DNA分子。常用的载体有细菌质粒、噬菌体、动植物病毒等。具体做法是：先用同一种限制酶处理目的基因和载体，使两者形成相同的黏性末端(或平口末端)，然后利用DNA连接酶将两者连接成重组DNA分子。
重组DNA分子的组成：目的基因＋启动子＋终止子＋标记基因，如图。
(1)启动子：一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端。它是RNA聚合酶识别、结合的部位。
(2)终止子：一段有特殊结构的DNA短片段，位于基因的尾端。作用是使转录过程停止。
(3)标记基因：一般为抗生素抗性基因或荧光基因等，其作用是鉴别细胞中是否有目的基因(目的基因是否导入成功)。
第三步：转化受体细胞。载体一般都具有侵入细胞的特性，重组DNA分子可以借助这一特性顺利进入受体细胞。有时也可以使用CaCl2等物质处理受体细胞，使得重组DNA分子更容易导入。
第四步：筛选出获得目的基因的受体细胞。可以根据受体细胞是否具有某些标记基因(充当载体的DNA分子所具有的某些特殊碱基序列)判断目的基因是否成功导入。
第五步：培养受体细胞并诱导目的基因的表达。
采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的做法正确的是( )
①将毒素蛋白注射到棉受精卵中 ②将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中 ③将编码毒素蛋白的DNA序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养 ④将编码毒素蛋白的DNA序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵
A．①② B．②③
C．③④ D．①④
例3
【尝试解答】 __C__
【解析】 采用基因工程的方法培育抗虫棉，首先要获取目的基因，即抗虫基因，然后将目的基因与载体结合，目前常用的载体有质粒等。结合后的质粒就是重组质粒，再将重组质粒导入受体细胞中。而现在的受体细胞就是子房内的受精卵，故C项是正确的。
【规律方法】 重组DNA分子导入受体细胞的分析比较
受体细胞种类 植物细胞 动物细胞
常用方法 农杆菌转化法 显微注射技术
受体细胞特点 体细胞 受精卵
转化过程 将重组DNA分子→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA分子并得到表达 将重组DNA分子提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物
实例 培育抗软化番茄 培育转基因小鼠
跟踪训练 采用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵，培育出了转基因羊。但是，人凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中。以下有关叙述正确的是( )
A．人体细胞中凝血因子基因编码区的碱基对数目等于凝血因子氨基酸数目的3倍
B．可用显微注射技术将含有人凝血因子的重组DNA分子导入羊的受精卵
C．在该转基因羊中，人凝血因子基因存在于乳腺细胞中，不存在于其他体细胞中
D．人凝血因子基因开始转录后，DNA连接酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA
解析：选B。在人体细胞中，凝血因子基因编码区既有内含子，也有外显子。内含子不能编码氨基酸，所以凝血因子基因编码区的碱基对数目要大于凝血因子氨基酸数目的3倍。多细胞生物体的个体发育起点为受精卵，受精卵经有丝分裂形成一个完整的个体，所以转基因羊中人凝血因子基因不仅存在于乳腺细胞中，其他体细胞中也有，只是没有表达。人凝血因子基因开始转录后，以DNA分子的一条链为模板合成mRNA，在这一过程中用的是RNA聚合酶而不是DNA连接酶。
知能过关演练
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第一节 生态工程及其原理
课标领航
通过本节的学习，我能够
1．说出生态工程的概念。
2．概述生态工程的基本原理。
3．掌握生态工程设计的方法。
情景导引
纵观一万年来农业发展的历史，
从刀耕火种的原始农业到近代
的传统农业，乃至现代的石油农
业(又称能源农业)，这种发展过程本身都是围绕着生产更多的粮食进行的。
你对“石油农业”如何理解？“石油农业”的生产模式应当怎样改进？进入本节的学习获得一些启示吧！
核心要点突破
知能过关演练
第一节
基础自主梳理
基础自主梳理
一、生态工程的概念
1．生态工程是指应用生态系统中_____________
______________原理、______________原则，结合系统分析的最优化方法设计的促进物质被分层多级利用的生产工艺系统。它提供了合理利用自然资源、减少环境污染，有效促进经济发展和加强环境保护的途径。
物种共生与
物质循环再生
结构与功能协调
2．人类设计生态工程的目的多种多样，但其根本目标是在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥资源的__________，防治_________，达到生态效益与经济效益的同步发展。主要目的在于协调人与自然的关系，促进可持续发展。
生产潜力
环境污染
思考感悟
1．被誉为“世间少有美景、良性循环典范”的桑基鱼塘模式体现了现代生态工程的基本思想，你知道它体现了生态工程的什么原理吗？遵循了什么原则？
【提示】 体现了生态系统中物种共生与循环再生原理；结构与功能协调原则。
二、生态工程的原理
1．生态工程主要由_________、__________和生态系统构成。生态工程的构建和运行主要依据是生态学的基本原理，主要包括物种共生、__________、食物链和____________。
2．自然界中复杂的食物关系对生态系统的稳态具有重要作用，是实现生态系统中物质循环
、___________和信息传递的基础，也是生态工程所利用的物种共生原理的基础。
生物种群
生物群落
生态位
物种多样性
能量流动
3．在农业生态工程中，增加生态系统中食物链的长度或在人工林中增加植被层次，丰富物种多样性，使__________更为复杂，可实现对资源充分利用并增加系统___________的目的。
4．目前，一些发达国家的生态工程建设主要依据生态系统的__________理论，而在我国人为调控仍起着较大的作用。
三、生态工程的设计
1．生态工程的设计依据的是_______和_______的基本原理。
营养结构
稳定性
自我调节
生态学
工程学
2．设计生态工程的过程中，可以通过“相接”的方法建立新的__________网络，促进物质的良性循环；也可以通过“加环”的方法在_______
________中增加一些环节，充分利用尚未利用的_________________，发挥生产潜力，提高生态效益和经济效益。
3．在生态工程的整体结构中，要考虑物质循环
、能量流动、________以及自然界中多种生态因子对生物的综合作用，加强对系统的_________
，减少系统内生态因子的____________，增强相互促进，使系统处于最佳的运行状态。
互利共生
食物
链(网)
物质和能量
信息传递
调控能力
相互拮抗
思考感悟
2．生物氧化塘是利用什么处理污水的？
【提示】 利用藻类和细菌等生物之间的协同作用。
核心要点突破
生态工程所遵循的基本原理
项目 理论 内容 意义 举例
食物链原理 食物链既是一条能量转化链、物质传递链，又是一条价值增值链 巧接食物链，调整食物链长度，利用相应的腐生生物，将各营养级的食物残渣或粪便等排泄物进一步转化 提高物质和能量的利用率，减少环境污染 利用青蛙来控制农田中的害虫
项目 理论 内容 意义 举例
物种多样性原理 生态系统具有自我调节、自我修复和自我延续的能力 物种越多、营养关系越复杂的生态系统，越稳定；生物多样性高，可以为各类生物提供多种生存的机会和条件，容纳更多的生物数量 增强生态系统结构和功能的稳态 单一物种的人工林病虫害严重，自然林有虫无灾
项目 理论 内容 意义 举例
生态位原理 每个种群在生态系统中都有特定的功能和位置 将适宜的生物引入生态系统，填补空白的生态位 实现物种多样化，提高生态系统的稳定性，提高物质、能量利用效率 稻田养鱼，鱼吃掉危害水稻生产的害虫，同时为水稻提供矿质元素，水稻能够为鱼提供一定饵料
物种共生原理 物种之间相互依存，不能单独生存和繁衍 经过长期进化而形成的种间关系，包括共生，竞争等多种关系 构成生态系统的自我调节和反馈机制 大豆与根瘤菌互利共生
【特别提醒】 生态学中物种共生原理与种间关系中互利共生的区别
①物种共生原理是生态学基本原理之一，它是指自然界中任何一种生物都不能离开其他生物而单独生存和繁衍，这是自然界中生物之间长期进化的结果，包括共生、竞争等多种关系。
②互利共生是生物种间关系的一种类型。它是指两种生物共同生活在一起，相互依赖，彼此有利；如果分开，则双方或一方不能独立生活。共生生物之间数量上呈现出同步性变化即“同生共死”。
请仔细读图，回答下列问题。
例1
(1)生态农业设计的基本原理是①________________________，②________________________。
(2)生态农业的优越性表现在__________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)在“农作物→猪→农户”这条食物链中，若农作物通过光合作用产出300摩尔氧气，则农作物同时产出____________摩尔葡萄糖，农户从猪中获取的最大能量相当于____________摩尔的葡萄糖。
【思路点拨】 本题主要考查生态工程的主要原理。解决此题要突破：
①物种多样性原理、食物链原理的含义。
②能量传递效率的计算问题。
【尝试解答】 (1)①食物链原理 ②物种多样性原理
(2)生态农业能保持系统内的生态平衡，促进物质在系统内循环和重复使用，以最少的投入获取最大的经济效益和生态效益
(3)50 2
【解析】 本题考查农村综合发展型生态工程建设遵循的原理和优势。具体分析如下：
【互动探究】 上述生态系统的主要成分是什么？
【提示】 农田中的生产者——农作物，如粮食作物、蔬菜等。
【规律小结】 ①建立一种生态工程时可能同时运用到几种原理。
②建立不同的生态工程时，依据的主要原理不同，要因地制宜，不能相互照搬。
跟踪训练 在社会主义新农村建设中，我国南方某些地区建立的“桑基鱼塘”(如图所示)构建了新型农业生态系统。据图回答：
(1)该生态系统所需的能量最终来自__________。
(2)该生态系统的生产者是__________。
(3)该生态系统中除了已知生物种类外，还必须有__________等生物作为__________。
(4)在该生态系统中，实现了物质的多级利用，提高了__________，减少了__________。
(5)人们建立这一生态系统的目的是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(6)在进行生态工程建设时应该遵循生态工程的基本原理，这些基本原理主要包括__________原理、__________原理、__________原理、__________原理。
解析：本题考查生态系统的组成成分和生态工程原理的应用。分析图解可知，该系统的桑、稻能利用光能进行光合作用，所以是生产者。图中只有动物和植物，缺少营腐生生活的生物，如细菌、真菌等分解者。在该生态系统中，一种产品的废料可作为另一种产品的原料，所以提高了物质和能量的利用率，减少了废料对环境的污染。人们建立这一生态系统的目的是调整生态系统的能量流动关系，使能量流向对人类最有益的部分。生态工程的建立应遵循五个原理，但不同的生态系统遵循的原理可以不同。
答案：(1)光能 (2)桑、稻 (3)细菌、真菌 分解者 (4)能量利用率 环境污染 (5)调整生态系统的能量流动关系，使能量流向对人类最有益的部分 (6)物种共生 生态位 物种多样性 食物链
生态工程技术设计常用的方法
设计方法 具体内容 事例
食物链(网)的
“相接” 连接平行的原本不相连接的种类，形成互利共生网络，提高效率，促进物质的良性循环 稻田养鱼生态工程：在人有意识的调控下，将一些鱼苗放养在稻田中，使稻田生态系统的结构有所改变，促进物质循环和能量流动
食物链(网)的
“加环” 在食物链(网)中增加一些环节，以充分利用原先尚未利用的那部分物质和能量，促使物流和能流的路径畅通，发挥生产潜力，提高生态和经济效益 用玉米的副产品玉米芯生产木糖醇等，其残渣培养食用菌，食用菌的残渣再养殖蛆蛹，蛆蛹粪再作为优良有机肥还田等
【特别提醒】 “相接”与“加环”的区别有两点：(1)“相接”是把原本不相连接的平行种类形成互利共生的新网络。如稻和鱼本无连接关系，但在稻田里放养鱼类后，就建立了一个互利共生的联系，“加环”也有“相接”，但不是连接平行种类，而是以充分利用尚未利用的那部分物质和能量而建立联系的。
(2)“相接”形成的是“互利共生”的结果，“加环”却是促进尚未利用的能量流向了特定的对象。“加环”常见的模式是通过增加分解者来添加，它没有增加或延长食物链，却使物质得到了充分的利用。
江苏某农户创建的冬季生态型种植养殖模式如图所示，请据图回答下列问题。
例2
(1)牛棚内产生的__________可扩散进入蔬菜大棚，提高蔬菜的光合效率；蔬菜光合作用产生的__________可扩散进入牛棚。
(2)秸秆除了作为牛的饲料外，还可与牛粪混合堆放进行__________，腐熟的产物肥效提高，这是因为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________，这种肥料用于蔬菜栽培可以提高蔬菜产量。
(3)在牛的品系、饲料品种和用量不变的条件下，采用这种养殖模式，牛的生长速率明显提高，其主要原因是_________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)牛棚保温所需的热能来源于牛自身散热、地热、__________和__________。
(5)从生态系统主要功能的角度分析，这种种植养殖模式较好地实现了________________________________________________________________________。
【尝试解答】 (1)二氧化碳 氧气
(2)发酵 微生物将有机物分解为无机物
(3)牛棚内温度较高因而牛维持体温消耗的能量较少
(4)太阳光能 发酵产热
(5)物质的循环利用和能量的高效利用
【解析】 本题综合考查生态系统的功能和建立生态工程等知识。
(1)由图示可知，在这种生态型模式中，牛及微生物可通过细胞呼吸为蔬菜提供CO2，而蔬菜又可通过光合作用为牛等生物提供O2。
(2)秸秆与牛粪混合后，在微生物的作用下将有机物转变为无机物，从而提高了肥效。
(3)冬季大棚内温度较高，从而减少了牛因维持体温所消耗的能量；维持大棚内温度的能量来源有太阳光能和微生物发酵散热等。
(4)这种生态型模式，可实现物质的循环利用和能量的高效利用，提高了经济效益。
跟踪训练 (2011年南通高二检测)设计生态工程的常用方法之一是食物链(网)“加环”，下图就是一种“加环”示意图，据图判断下列说法正确的是( )
①用残渣来培育食用菌和蛆蛹，实现了物质的多级利用
②用玉米的副产品玉米芯生产木糖醇，可增加经济效益
③将蛆蛹排泄物作有机肥还田，运用了能量循环再生原理
④在离开人的管理条件下，该生态工程仍可以正常运转
A．①② B．①②③
C．①②③④ D．③④
解析：选A。分析该生态工程，用残渣来培育食用菌和蛆蛹，实现了物质的多级利用；用玉米芯生产木糖醇，可增加经济效益；将蛆蛹排泄物作有机肥还田，运用了物质循环再生原理；该生态工程的正常运转，离不开人的管理。
生物氧化塘的作用原理
1．生物氧化塘是一种利用藻类和细菌等生物之间的协同作用来处理污水的生态系统。
2．在氧化塘中，藻类光合作用产生的氧气和空气中的氧气，有利于好氧菌降解废水中的有机物；兼性菌和厌氧菌则通过好氧或厌氧反应，分解废水中的有机物。
3．多功能生物氧化塘不仅具有污水净化的作用，还可使污水资源化。
如图所示为利用自然生态系统净化污水的一种大面积、敞开式污水处理池塘(即氧化塘)。请据图回答：
例3
(1)氧化塘实现净化污水的原理主要是利用细菌和藻类的________关系来分解有机污染物。图中A、B分别代表的物质主要是________________________。
(2)随着距水面深度的不断增加，不同水层微生物的新陈代谢类型也在发生着变化，其中它们的异化作用类型的变化是____________________________。
(3)由图示看，氧化塘净化污水的途径有____________和______________。
【尝试解答】 (1)共生(或种间互助) 有机物、氧气；二氧化碳、矿质养料等
(2)需氧型、兼性厌氧型、厌氧型
(3)物理沉降 生物分解
【解析】 由图可知，细菌和藻类生活在一起彼此有利，细菌通过分解有机物，为藻类生长提供二氧化碳、矿质养料等，藻类的光合作用为细菌的分解作用提供氧气。不同水层由于受到物理扩散、生物消耗等因素的影响，水中溶解氧气量随水深度的增加而减少，其中生存的生物类群也会因此而变化。
跟踪训练 生物氧化塘所利用的生物主要是
( )
A．水生植物和鱼类
B．人和水生植物
C．藻类和细菌
D．浮游植物和浮游动物
解析：选C。氧化塘法净化污水是利用藻类和细菌等生物之间的协同作用处理污水。藻类能吸收污水中的无机污染物，细菌等可分解污水中的有机污染物。
知能过关演练
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