第六章第2节 基因工程及其应用
【学习目标】
简述基因工程的基本原理；
举例说出基因工程在农业、医药等领域的应用；
关注转基因生物和转基因食品的安全性。
【学习重点】
基因工程的基本原理；
基因工程的安全性问题。
【学习难点】
基因工程的基本原理；
转基因生物与转基因食品的安全性。
【课型】新课
【学习过程】
演示多媒体课件列举几种生物的不同性状，如下：
（1）青霉菌能产生对人类有用的抗生素——青霉素。
（2）豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮气。
（3）人的胰岛素细胞能分泌胰岛素调节血糖的浓度。
〖讲述〗以上几种生物各自有其特定的性状，这些性状都是基因特异性表达的结果，但是人类能不能改造基因呢？能不能使本身没有某个性状的生物具有某个特定性状呢？例如，让禾本科植物能够固定空气中的氮气；让微生物生产出人的胰岛素、干扰素等药物。这样既节省了人力，又简化了生产，同时还不会对环境造成污染。这种设想能实现吗？回答是可以的。通过科学家们的不断努力，在20世纪70年代终于创立了一种能定向改造生物的新技术——基因工程。
探究一：基因工程的原理
教师利用“问题探讨”，提出问题，组织学生讨论、交流看法。
·为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上？
·推测这种“嫁接”怎样才能实现？
·这种“嫁接”对品种的改良有什么意义？
【问1】杂交育种有哪些局限性？人类是否可以按照自己的意愿直接定向改变生物。
“你的想法很好，可是用什么样的方法才能实现你的设想呢？”
用类比的方法引导学生思考基因工程的大致步骤和所需要的工具：剪刀、针线、运载体等。并用问题启发学生：“你能想像这种剪刀加浆糊式的’嫁接工作在分子水平的操作，其难度会有多大吗？”下面以EcoRI为例，构建重组DNA分子模型，体会基因的剪切、拼接、缝合的道理。
教师交代清楚EcoR I是已发现的500多种限制性内切酶中的一种，它是一种从细菌中发现的能在特定位置上切割DNA分子的酶。它的特殊性在于，它在DNA分子内部“下剪刀”，专门识别DNA分子中含有的“GAATTC”这样的序列，一旦找到就从G和A之间剪断（参考教科书插图6-3）。
用同一种限制性内切酶切割后的DNA片断其末端可以用连接酶来缝合（参考教科书插图6-4）。这样“剪切拼接”就可以形成重组的DNA分子。
将学生分成4个人一组，发给所需材料，可将构建模型的文字指导（参见选修3《现代生物科技专题》P.6“重组DNA分子的模拟操作”），复印后发给各组。
教师提出问题：
1.在制作模型时用到的工具（剪刀和不干胶）各代表什么？比较剪切后的DNA片断的末端切片，你发现有什么特点呢？
2.回顾在模型构建过程中，每一步的操作和所用到的工具以及形成的“产品”，你对重组DNA的操作有什么新的理解？
教师启发学生思考重组后的DNA分子还需要特殊的搬运工具运载到受体细胞（如大肠杆菌、动植物细胞）中。
教师用图片或课件动画展示质粒的结构及特点。（教科书图6-5）
·细胞拟核之外的小的环状DNA分子。
·借宿于细菌、霉菌、酵母菌等细胞里，对细胞的正常生活几乎没有影响。
·能够自主复制。
·可以容易地从细胞中取出或放入。
这些特点使它能够胜任运载体的工作，携带目的基因进入细胞。
教师用多媒体课件或与教科书插图6-6类似的示意图，简要归纳基因工程操作的基本步骤和大致过程。
启发学生思考：想像科学家在分子水平上进行这一操作的精确性。
多媒体展示探究思考题。
1.基因工程育种与杂交育种、诱变育种相比，主要优点是什么？其原理是什么？
2.限制酶有什么特点？
3.如果用同一种限制酶切割不同的DNA，产生的黏性末端的碱基之间有什么关系？
4．目的基因能否直接导入受体细胞？
5.切割运载体和目的基因往往是用同一种限制酶还是两种？为什么？
6.受体细胞有哪些？
7.基因工程的操作步骤？
探究二：基因工程的应用
教师： 首先请各小组汇报课前收集到的有关基因工程应用的事例资料。
学生分组汇报并交流课前收集资料的情况。
学生1：基因工程在农业上的应用主要表现在两方面：
（1）通过基因工程技术获得高产、稳产和具有优良品质的农作物。
（2）用基因工程的方法可培育出具有各种抗逆性的作物新品种。现在已培育出一批分别具有抗病、抗虫、抗除草剂、抗盐碱、抗病毒、抗干旱等性状的转基因农作物。1996至2000年的短短五年，全球转基因作物从170×104hm2发展到4420×104hm2，其推广速度使前所未有的……。
学生2：基因工程在畜牧养殖业的应用
基因工程在畜牧养殖业上的应用也具有广阔的前景，科学家将某种特定基因与病毒DNA构成重组DNA，然后，通过感染或显微注射技术将重组DNA转移到动物受精卵中，并由这种受精卵发育成新个体，这就是我们在前面提到的转基因动物。通过转基因动物人们可以获得所需要的各种优良品质。
1982年，美国科学家将人的生长基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠的受精卵中，借腹怀胎后，产下的小白鼠比一般的大一倍，出现了前所未有的"超级鼠"，这是世界上第一只转基因动物。人们还用同样的方法，陆续获得自然界中从来就不曾有过的"超级绵羊"和"超级鱼"等动物。例如：转基因绵羊，比一般绵羊生长快30％，体型大0.5倍；又如，澳大利亚科学家培育的转基因猪，4个月后可达 90 kg，生长速度比普通家猪提高100％。
学生3：基因工程与医药卫生
基因工程在医药卫生领域的应用主要可概括为两个方面：
（1） 用于生产基因工程药品
所谓基因工程药物就是先确定对某种疾病有预防和治疗作用的蛋白质，然后将控制该蛋白质合成过程的基因取出来，经过一系列基因操作，最后将该基因放入可以大量生产的受体细胞中去，这些受体细胞包括细菌、酵母菌、动物或动物细胞、植物或植物细胞，在受体细胞不断繁殖过程中，大规模生产具有预防和治疗这些疾病的蛋白质，即基因疫苗或药物。
基因工程的方法由于不受原料的限制，可以高效率的生产出各种高质量、低成本的药物，如胰岛素、抗生素等。
（2）用于基因诊断和基因治疗
①基因诊断 （展示DNA分子杂交过程的动画效果）
基因诊断：运用基因分析对疾病作出诊断的方法，是遗传病最准确的诊断手段，也是一种威力强大的高新技术。传统诊断方法是通过表现型来推测基因型，而基因诊断是从基因着手来推断表现型，即绕过基因产物，通过直接探查基因进行诊断，不受细胞类型和发病年龄的限制，可用于一切遗传病的诊断。基因诊断也称为DNA诊断或基因探针技术，即在DNA水平分析检测某一基因，从而对特定的疾病进行诊断。用放射性同位素（如P）、荧光分子等标记的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。
癌细胞的病变过程，主要是由于基因调节控制失灵，通过基因诊断，将发生紊乱的基因加以修复，有希望根治癌症。半乳糖血症是一种先天性糖代谢缺陷症，通过基因诊断，发现病人缺少一个合成半乳糖转移酶的基因。若把半乳糖转移酶的基因转入缺乏这种基因的人体中，治疗这种先天性疾病将成为可能。基因诊断已用于镰刀状红细胞贫血症和地中海贫血症的诊断；对肠道病毒、疱疹病毒、腺病毒、肝炎病毒等引起的疾病，基因诊断技术已用于临床实践。
②基因治疗
基因治疗，顾名思义，是指在基因水平上对人类疾病进行治疗。具体地说，它是利用基因转移或基因调控的手段，将正常基因转人疾病患者机体细胞内，取代致病的突变基因，表达所缺乏的基因产物。或者是通过基因调控的手段，有目的地抑制异常基因表达或重新开启已关闭的基因，达到治疗遗传病、肿瘤、艾滋病、心血管等疾病的目的。
学生4：基因工程在食品工业中的应用
随着人类社会的发展，粮食危机越来越威胁着人类的生存与发展，利用基因工程可以为人类开辟新的食物来源。如鸡蛋白基因在大肠杆菌和酵母菌中表达成功，表明人们有希望从发酵罐里生产出人类需要的卵清蛋白。同样的，不久的将来，人们还可以从微生物中获得人们所需要的各种营养物质。
学生5：基因工程应用于环保
基因工程应用于环保，一方面基因工程方法可用于环境监测。据报道，用DNA探针可以检测饮用水病毒的含量。具体方法：用一个特定的DNA片段制成探针，与被测的病毒DNA杂交，从而把病毒检测出来。与传统方法相比具有快速、灵敏的特点。传统的检测一次，需几天或几个星期的时间，精确度不高，而用DNA探针只需一天。据报道，能从1t水中检测出 10个病毒来，精确度大大提高。
基因工程还可用于净化环境。随着石油工业的迅速发展，石油这种含有多种烃类的物质对环境造成很大的污染。自然界中，假单相杆菌的细菌能够分解石油，但是，每一种假单抱杆菌只能分解石油中的某一种成分。1975年，科学家用基因工程的方法，把能分解三种焊类的基因都转到能分解另一种烃类的假单抱杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的"超级细菌"。
学生6：展望21世纪，将是基因工程迅速发展和日臻完善的世纪，它将为人类带来巨大的效益，人们不光在基因工程的技术上取得突破，还将加速其产业化的进程。基因工程将在人类生活的方方面面发挥它举足轻重的作用。
【典型例题】
1．下列关于基因工程的叙述，错误的是( B )
A．目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物
B．目的基因导入受体细胞就能表达
C．人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性
D．载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞
解析：基因工程中目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物；目的基因导入受体细胞后，受体细胞表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达；人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性，只有经过内质网、高尔基体加工和一定物质激活以后，才有生物活性；载体上的抗性基因作为标记基因有利于筛选含重组DNA的细胞所以D正确。
2．可获得无子西瓜、青霉素高产菌株、矮秆抗病小麦和无子番茄的方法分别是( B )
①诱变育种 ②杂交育种 ③单倍体育种 ④多倍体育种 ⑤生长素处理
A．⑤①②④ B．④①②⑤
C．②①③⑤ D．④①③②
解析：无子西瓜通常用多倍体育种获得，青霉素高产菌株利用诱变育种获得，矮秆抗病小麦可利用杂交育种获得，无子番茄通常是用生长素处理而获得的。
3．在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作错误的是 ( A )
A．用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸
B．用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体
C．将重组DNA分子导入烟草原生质体
D．用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞
解析：限制性核酸内切酶切割的对象是DNA，而烟草花叶病毒的核酸是RNA，不能切割，再者要构建抗除草剂的转基因烟草应提取抗除草剂基因而不是烟草花叶病毒的核酸。基因工程操作的步骤是：用限制性核酸内切酶切割目的基因和载体→用DNA连接酶连接经切割的目的基因和载体→将重组DNA分子导入受体细胞→用特定的培养基筛选转基因细胞。《第六章第2节 基因工程及其应用》问题训练—评价单
姓名： 班级： 学号： 设计者：
1．要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是 （ ）
①限制酶 ②连接酶 ③解旋酶 ④还原酶
Ａ．①② Ｂ．③④ Ｃ．①④ Ｄ．②③
2．基因工程的正确操作步骤是 （ ）
①使目的基因与运载体结合 ②将目的基因导入受体细胞
③目的基因的表达和检测 ④提取目的基因
Ａ．③②④① Ｂ．②④①③ Ｃ．④①②③ Ｄ．③④①②
3．科学家们经过多年努力，创立了一种新兴生物技术—基因工程，实施该工程的最终目的是 （ ）
A．定向提取生物体的DNA分子 B．定向地对DNA分子进行“剪切”
C．在生物体外对DNA分子进行改造 D．定向地改造生物的遗传性状
4．下列哪项不是基因工程中经常使用的用来运载目的基因的载体 （ ）
A．细菌质粒 B．噬菌体 C．动植物病毒 D． 细菌核区的DNA
5．有关基因工程的叙述中，错误的是 （ ）
A．DNA连接酶将黏性末端的碱基对连接起来 B．限制性内切酶用于目的基因的获得
C．目的基因须由运载体导入受体细胞 D．人工合成目的基因不用限制性内切酶
6、不属于基因工程方法生产的药物是 （ ）
A、干扰素 B、白细胞介素 C、青霉素 D、乙肝疫苗
7、下列哪一组生物都是通过基因工程方法培育成功的 （ ）
A、转基因奶牛与无籽西瓜 B、超级小鼠与高产青霉菌
C、超级绵羊与无籽番茄 D、超级绵羊与抗虫棉
8．人们试图利用基因工程的方法，用乙种生物生产甲种生物的一种蛋白质。生产流程是：甲生物的蛋白质→mRNA目的基因与质粒DNA重组导入乙生物的受体细胞获得甲生物的蛋白质，下列说法正确的是( B )
A．①过程需要的酶是逆转录酶，原料是A、U、G、C
B．②要用限制酶切断质粒DNA，再用DNA连接酶将目的基因与质粒连接在一起
C．如果受体细胞是细菌，可以选用枯草杆菌、炭疽杆菌等
D．④过程中用的原料不含有A、U、G、C
9．关于转基因生物与环境安全的叙述错误的是( )
A．重组的微生物在降解污染物的过程中可能产生二次污染
B．种植抗虫棉可以减少农药的使用量，对环境没有任何负面影响
C．如果转基因花粉中有毒蛋白或过敏蛋白，可能会通过食物链传递到人体内
D．转基因生物所带来的环境安全问题是可以解决的
10．中国青年科学家陈大炬成功地把人的抗病毒干扰素基因“嫁接”到烟草的DNA分子上，使烟草获得了抗病毒的能力，试分析回答：
(1)人的基因之所以能接到植物体上，原因是_______________________________________
(2)烟草具有抗病毒能力，说明烟草体内产生了____________________________。
(3)不同生物间的基因移植成功，说明生物共有一套____________，从进化的角度来看，这些生物具有____________________________________________________________。
(4)烟草DNA分子被“嫁接”上或“切割”掉某个基因，实际上并不影响遗传信息的表达功能。这说明__________________________________________________________。
参考答案
1.A 2.C 3.D 4.D 5.A 6.C 7.D 8.B 9.B
10. (1)人与植物的基因化学组成和结构是相同的
(2)抗病毒干扰素
(3)遗传密码 共同的原始祖先
(4)基因是遗传物质结构和功能的基本单位
自我评价： 同伴评价： 学科长评价：《第六章第2节 基因工程及其应用》问题导读—评价单
姓名： 班级： 学号： 设计者：
【学习目标】
简述基因工程的基本原理；
举例说出基因工程在农业、医药等领域的应用；
关注转基因生物和转基因食品的安全性。
【学习重点】
基因工程的基本原理；
基因工程的安全性问题。
【学习难点】
基因工程的基本原理；
2.转基因生物与转基因食品的安全性
【课型】新课
【导读过程】
（一） 基因工程的原理
1..基因工程的工具
（1）、基因的“剪刀”：__________（简称__________）
（2）、基因的“针线”：__________
（3）、基因的 ：基因工程中，目前常用的运载体有________、________和______________等。
2.限制酶有什么特点？
3. 基因工程的操作步骤？
4. 目的基因能否直接导入受体细胞？
（二）、基因工程的应用
1、抗虫基因作物的使用，不仅减少了__________，大大降低了生产成本，而且还减少了__________。
2、基因工程生产药品有__________、__________、__________等。
3、目前关于转基因生物和转基因产品的安全性，有两种观点，一种观点是转因生物和转基因食品不安全，____________________；另一种观点____________________。
参考答案：
（一） 基因工程的原理
1. 基因工程的工具 ：限制性核酸内切酶（限制酶） DNA连接酶 运载体 质粒 噬菌体 动植物病毒
2. . 一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸系列，并在特定的切点上切割DNA分子。
3. 提取目的基因、目的基因与运载体结合、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。
4. 不能
（二）、基因工程的应用
1.农药的用量 农药对环境的污染
2.胰岛素 干扰素 乙肝疫苗
3.要严格控制 转因生物和转基因食品是安全的，应该大范围推广
自我评价： 同伴评价： 学科长评价：《第六章第2节 基因工程及其应用》问题生成—评价单
姓名： 班级： 学号： 设计者：
【教师生成的问题】
1.基因工程育种与杂交育种、诱变育种相比，主要优点是什么？其原理是什么？
2.完成下表：
基因工程的别名
操作环境
操作对象
操作水平
操作工具
基本过程
结果
3. 举例说明基因工程在作物育种、药物研制、环境保护中的应用
【学生生成的问题】
参考答案：
1.目的性强，育种周期短，克服远缘杂交不亲的障碍
2.
基因工程的别名 基因拼接技术或DNA重组技术
操作环境 生物体外
操作对象 DNA或基因
操作水平 DNA分子水平
操作工具 限制性核酸内切酶、DNA连接酶、运载体
基本过程 （1）提取目的基因（2）目的基因与运载体结合 （3）将目的基因导入受体细胞（4）目的基因的表达和检测
结果 人类需要的基因产物
3.
（1）农药的用量 农药对环境的污染
（2）胰岛素 干扰素 乙肝疫苗
（3）要严格控制 转因生物和转基因食品是安全的，应该大范围推广
自我评价： 同伴评价： 学科长评价：
