3.2.1 基因工程的基本操作程序 课件（38张ppt）【新教材】 2020-2021学年人教版（2019）高二生物选择性必修三
文档属性
| 名称 | 3.2.1 基因工程的基本操作程序 课件（38张ppt）【新教材】 2020-2021学年人教版（2019）高二生物选择性必修三 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 11.3MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2021-03-28 17:17:18 | ||
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文档简介
2021
第2节
基因工程的基本操作程序
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？
转基因抗虫棉
非转基因抗虫棉
基因工程的基本操作程序（四个步骤）
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
有了目的基因，我们才能赋予一种生物以另一种生物的遗传特性。
使目的基因在受体细胞中稳定存在，并可进行遗传、表达和发挥作用。
载体进入受体细胞稳定表达，才能实现一种生物的基因在另一种生物中的转化。
才能确定目的基因是否真正在受体细胞中稳定遗传和正确表达。
前提
核心
关键
保证
在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。
目的基因的筛选与获取
第一步
目的基因
根据不同的需要，目的基因不同，主要是指编码蛋白质的基因。
目前被广泛提取使用的目的基因有：苏云金杆菌抗虫基因、植物抗病基因（抗病毒、抗细菌)、人胰岛素基因、人干扰素基因等。
如
与生物抗逆性、优良品质、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关的基因。
转基因抗虫棉的抗虫机制
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。
目的基因
转基因抗虫棉
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。
筛选合适的目的基因
从相关的已知结构和功能清晰的基因中筛选，是较为有效的方法之一。
随着测序技术的发展，序列数据库（如GenBank）、序列对比工具（如BLAST）等的应用，更多的基因的结构和功能为人们所知，为科学家找到合适的目的基因提供更多机会和可能。
筛选
Bt
基因作为培育转基因抗虫棉的目的基因。
如
目的基因的获取方法
利用PCR技术获取和扩增
cDNA文库
逆转录法
从基因文库中获取
人工合成
基因组文库
化学合成法
利用PCR获取和扩增目的基因
聚合酶链式反应(
Polymerase
Chain
Reaction
)的缩写。
PCR
美国科学家穆里斯等人发明
1993年获诺贝尔奖
DNA半保留复制的原理。
是一项在体外对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。
依据
原创
DNA复制的基本条件
参与的组分
在DNA复制中的作用
解旋酶
（体外-高温）
打开DNA双链
DNA母链
提供DNA复制的模板
4种游离的脱氧核苷酸
合成子链的原料
DNA聚合酶
催化合成DNA子链
引物
使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
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。
PCR的条件
（1）DNA（目的基因）模板。
（2）分别与模板DNA相结合的两种引物。
（3）A、T、G、C四种脱氧核苷酸。
（4）耐高温的DNA聚合酶。
（5）稳定的缓冲溶液（一般添加Mg2+）。
（6）能严格控制温度的温控设备。
耐高温的DNA聚合酶
引物
四种脱氧核苷酸
DNA模板
PCR的反应过程
A．变性
当温度上升到90℃以上时，双链DNA解聚为单链。
待扩增的DNA片段
B．复性
温度下降到50℃左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。
C．延伸
温度上升到72℃左右，溶液中的四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。
变性、复性和延伸三步反应完成后，一个DNA分子就复制成了2个DNA分子，随着重复次数的增多，DNA分子就以2n的形式增加。
结果
完成后，常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定产物。
反应场所
在PCR扩增仪中自动完成的。
鉴定方法
模板DNA
利用PCR获取和扩增目的基因过程：
50℃
引物1
引物2
DNA引物
95℃
利用PCR获取和扩增目的基因过程：
引物1
引物2
DNA引物
72℃
Taq酶
Taq酶
利用PCR获取和扩增目的基因过程：
72℃
第1轮结束
第2轮开始
利用PCR获取和扩增目的基因过程：
95℃
50℃
72℃
Taq
Taq
Taq
Taq
利用PCR获取和扩增目的基因过程：
72℃
第2轮结束
利用PCR获取和扩增目的基因过程：
PCR技术与细胞内DNA复制的比较
{8799B23B-EC83-4686-B30A-512413B5E67A}
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
归纳比较
1、目的：
2）使目的基因能够表达和发挥作用。
2、组成：
a、目的基因
b、启动子
c、终止子
d、标记基因
1）使目的基因在受体细胞中稳定存在，且可以
遗传给下一代
基因表达载体的构建
第二步
——基因工程的核心
一段有特殊序列结构的DNA片段，位于基因的上游（首端），紧挨转录的起始位点是RNA聚合酶的识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA。
启动子
有时为满足应用需要，会在载体中人工构建诱导型启动子。
诱导物存在时，可激活或抑制目的基因的表达。
终止子
一段有特殊序列结构的DNA片段，位于基因的下游（尾端），标志着转录的停止。
作用：鉴别受体细胞中是否含有目的基因，筛选含有目的基因的受体细胞。
标记基因
抗生素抗性基因，荧光蛋白基因等。
如
a.目的基因
b.启动子
c.终止子
d.标记基因（抗生素抗性基因）
表达特定性状
位于基因的首端,是RNA聚合酶结合位点，基因转录的开始
位于基因的末端,终止转录
检测目的基因是否导入受体细胞
e、复制原点：DNA聚合酶结合位点
总结
基因表达载体的构建过程
3.将切下的目的基因片段拼接到载体的切口处，再加入适量DNA连接酶，形成了一个重组DNA分子。
2.用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割含有目的基因的DNA片段。
1.用一定的限制酶切割载体，使其出现一个切口，露出黏性末端.
动物细胞
植物细胞
原核细胞（大肠杆菌、土壤农杆菌等）
将目的基因导入受体细胞
第三步
常用的受体细胞
针对不同的受体细胞，选用不同的方法。
导入植物细胞
②农杆菌转化法
我国科学家独创
①花粉管通道法
在植物授粉后一定时间内，剪去柱头，将DNA溶液滴在花柱切面，使目的基因通过花粉管通道进入胚囊。
花粉
卵细胞
精子
花粉管
如
用微量注射器将含目的基因的DNA溶液直接注入子房中；
多种操作方法
农杆菌转化法
易感染双子叶植物和裸子植物；
内含Ti质粒，其上的T-DNA可转移至受体细胞的染色体DNA上。
农杆菌特点
Ti质粒
T-DNA
目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
转化
Ti质粒
目的基因
构建
表达载体
导入
植物细胞
插入
植物细胞染色DNA
表达
新性状
转入
农杆菌
将从叶片取下的圆形小片与农杆菌共培养，筛选转化细胞，再生成植株；
随转化方法的突破，用农杆菌侵染水稻
、玉米等单子叶植物也取得成功。
如
根据受体植物不同，具体转化方法有所区别
将花序浸没在含农杆菌的溶液中，培养植株并获得种子，再进行筛选、鉴定。
导入动物细胞
显微注射技术
受精卵
方法
注入
转化方法
将含有目的基因的表达载体提纯
取卵（受精卵）
显微注射
受精卵发育
获得具有新性状的生物
基因工程中，常用原核生物作为受体细胞。
1.繁殖周期短
2.体积小易于培养操作
3.多为单细胞，遗传物质相对较少
4.经济实用
导入微生物细胞
优点
感受态细胞法
大肠杆菌
感受态细胞吸收DNA分子
Ca2+处理细胞
感受态细胞
重组表达载体与感受态细胞混合
常用菌
转化方法
受体生物
植物
动物
微生物
受体细胞
导入方法
受精卵
体细胞
受精卵
细胞/个体
农杆菌转化法
基因枪法
花粉管通道法
显微注
射技术
用Ca2+处理成感受态细胞
总结
第2节
基因工程的基本操作程序
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？
转基因抗虫棉
非转基因抗虫棉
基因工程的基本操作程序（四个步骤）
目的基因的筛选与获取
基因表达载体的构建
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
有了目的基因，我们才能赋予一种生物以另一种生物的遗传特性。
使目的基因在受体细胞中稳定存在，并可进行遗传、表达和发挥作用。
载体进入受体细胞稳定表达，才能实现一种生物的基因在另一种生物中的转化。
才能确定目的基因是否真正在受体细胞中稳定遗传和正确表达。
前提
核心
关键
保证
在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。
目的基因的筛选与获取
第一步
目的基因
根据不同的需要，目的基因不同，主要是指编码蛋白质的基因。
目前被广泛提取使用的目的基因有：苏云金杆菌抗虫基因、植物抗病基因（抗病毒、抗细菌)、人胰岛素基因、人干扰素基因等。
如
与生物抗逆性、优良品质、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关的基因。
转基因抗虫棉的抗虫机制
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。
目的基因
转基因抗虫棉
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。
筛选合适的目的基因
从相关的已知结构和功能清晰的基因中筛选，是较为有效的方法之一。
随着测序技术的发展，序列数据库（如GenBank）、序列对比工具（如BLAST）等的应用，更多的基因的结构和功能为人们所知，为科学家找到合适的目的基因提供更多机会和可能。
筛选
Bt
基因作为培育转基因抗虫棉的目的基因。
如
目的基因的获取方法
利用PCR技术获取和扩增
cDNA文库
逆转录法
从基因文库中获取
人工合成
基因组文库
化学合成法
利用PCR获取和扩增目的基因
聚合酶链式反应(
Polymerase
Chain
Reaction
)的缩写。
PCR
美国科学家穆里斯等人发明
1993年获诺贝尔奖
DNA半保留复制的原理。
是一项在体外对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。
依据
原创
DNA复制的基本条件
参与的组分
在DNA复制中的作用
解旋酶
（体外-高温）
打开DNA双链
DNA母链
提供DNA复制的模板
4种游离的脱氧核苷酸
合成子链的原料
DNA聚合酶
催化合成DNA子链
引物
使DNA聚合酶能够从引物的3’端开始连接脱氧核苷酸
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。
PCR的条件
（1）DNA（目的基因）模板。
（2）分别与模板DNA相结合的两种引物。
（3）A、T、G、C四种脱氧核苷酸。
（4）耐高温的DNA聚合酶。
（5）稳定的缓冲溶液（一般添加Mg2+）。
（6）能严格控制温度的温控设备。
耐高温的DNA聚合酶
引物
四种脱氧核苷酸
DNA模板
PCR的反应过程
A．变性
当温度上升到90℃以上时，双链DNA解聚为单链。
待扩增的DNA片段
B．复性
温度下降到50℃左右，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。
C．延伸
温度上升到72℃左右，溶液中的四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。
变性、复性和延伸三步反应完成后，一个DNA分子就复制成了2个DNA分子，随着重复次数的增多，DNA分子就以2n的形式增加。
结果
完成后，常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定产物。
反应场所
在PCR扩增仪中自动完成的。
鉴定方法
模板DNA
利用PCR获取和扩增目的基因过程：
50℃
引物1
引物2
DNA引物
95℃
利用PCR获取和扩增目的基因过程：
引物1
引物2
DNA引物
72℃
Taq酶
Taq酶
利用PCR获取和扩增目的基因过程：
72℃
第1轮结束
第2轮开始
利用PCR获取和扩增目的基因过程：
95℃
50℃
72℃
Taq
Taq
Taq
Taq
利用PCR获取和扩增目的基因过程：
72℃
第2轮结束
利用PCR获取和扩增目的基因过程：
PCR技术与细胞内DNA复制的比较
{8799B23B-EC83-4686-B30A-512413B5E67A}
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
归纳比较
1、目的：
2）使目的基因能够表达和发挥作用。
2、组成：
a、目的基因
b、启动子
c、终止子
d、标记基因
1）使目的基因在受体细胞中稳定存在，且可以
遗传给下一代
基因表达载体的构建
第二步
——基因工程的核心
一段有特殊序列结构的DNA片段，位于基因的上游（首端），紧挨转录的起始位点是RNA聚合酶的识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA。
启动子
有时为满足应用需要，会在载体中人工构建诱导型启动子。
诱导物存在时，可激活或抑制目的基因的表达。
终止子
一段有特殊序列结构的DNA片段，位于基因的下游（尾端），标志着转录的停止。
作用：鉴别受体细胞中是否含有目的基因，筛选含有目的基因的受体细胞。
标记基因
抗生素抗性基因，荧光蛋白基因等。
如
a.目的基因
b.启动子
c.终止子
d.标记基因（抗生素抗性基因）
表达特定性状
位于基因的首端,是RNA聚合酶结合位点，基因转录的开始
位于基因的末端,终止转录
检测目的基因是否导入受体细胞
e、复制原点：DNA聚合酶结合位点
总结
基因表达载体的构建过程
3.将切下的目的基因片段拼接到载体的切口处，再加入适量DNA连接酶，形成了一个重组DNA分子。
2.用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割含有目的基因的DNA片段。
1.用一定的限制酶切割载体，使其出现一个切口，露出黏性末端.
动物细胞
植物细胞
原核细胞（大肠杆菌、土壤农杆菌等）
将目的基因导入受体细胞
第三步
常用的受体细胞
针对不同的受体细胞，选用不同的方法。
导入植物细胞
②农杆菌转化法
我国科学家独创
①花粉管通道法
在植物授粉后一定时间内，剪去柱头，将DNA溶液滴在花柱切面，使目的基因通过花粉管通道进入胚囊。
花粉
卵细胞
精子
花粉管
如
用微量注射器将含目的基因的DNA溶液直接注入子房中；
多种操作方法
农杆菌转化法
易感染双子叶植物和裸子植物；
内含Ti质粒，其上的T-DNA可转移至受体细胞的染色体DNA上。
农杆菌特点
Ti质粒
T-DNA
目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
转化
Ti质粒
目的基因
构建
表达载体
导入
植物细胞
插入
植物细胞染色DNA
表达
新性状
转入
农杆菌
将从叶片取下的圆形小片与农杆菌共培养，筛选转化细胞，再生成植株；
随转化方法的突破，用农杆菌侵染水稻
、玉米等单子叶植物也取得成功。
如
根据受体植物不同，具体转化方法有所区别
将花序浸没在含农杆菌的溶液中，培养植株并获得种子，再进行筛选、鉴定。
导入动物细胞
显微注射技术
受精卵
方法
注入
转化方法
将含有目的基因的表达载体提纯
取卵（受精卵）
显微注射
受精卵发育
获得具有新性状的生物
基因工程中，常用原核生物作为受体细胞。
1.繁殖周期短
2.体积小易于培养操作
3.多为单细胞，遗传物质相对较少
4.经济实用
导入微生物细胞
优点
感受态细胞法
大肠杆菌
感受态细胞吸收DNA分子
Ca2+处理细胞
感受态细胞
重组表达载体与感受态细胞混合
常用菌
转化方法
受体生物
植物
动物
微生物
受体细胞
导入方法
受精卵
体细胞
受精卵
细胞/个体
农杆菌转化法
基因枪法
花粉管通道法
显微注
射技术
用Ca2+处理成感受态细胞
总结