高中人教版 (2019)第3节 基因工程的应用导学案

这是一份高中人教版 (2019)第3节 基因工程的应用导学案，共12页。学案主要包含了师问导学，智涂笔记，师说核心，检测反馈，网络建构，主干落实等内容，欢迎下载使用。
课程标准
举例说明基因工程在农业、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。
素养达成
1.举例说出植物基因工程、动物基因工程成果及其给人类带来的影响。(生命观念)
2．展开想象的翅膀，用图画或文字创造等，畅想基因工程的未来。(社会责任)
我国转基因水稻的研究处于国际领先水平。除了转基因抗虫水稻(如图)，我国科学家还自主研发出能生产“人血清白蛋白”的转基因水稻、可造福于高血压患者的“血管紧张素转化酶抑制剂”转基因水稻、有利于减肥的“高抗性淀粉”转基因水稻等新品种，都是我国在国际生物育种领域有重要影响的创新性成果。进入21世纪后，转基因技术已经得到广泛应用，你知道基因工程在农业、食品工业、医药等领域有哪些重要成果吗？基因工程对改善人类生活品质作出了哪些贡献？
探究点一 基因工程在农牧业方面的应用
【师问导学】
随着科学技术的发展，化学农药的产量和品种逐年增加，但害虫的抗药性也不断增强，对农作物危害仍然很严重。农科院开展“转基因抗虫棉”的科技攻关研究，成功地将某种细菌产生抗虫蛋白的抗虫基因导入棉花细胞中，得到的棉花新品种对棉铃虫的毒杀效果高达80%以上。全球转基因作物的种植面积从1996年的170万公顷发展到2017年的1.898亿公顷，20年间增加了100多倍。请讨论回答下列问题。
(1)植物基因工程主要用于哪些方面？
(2)大量使用农药的负面作用有哪些？
(3)植物的抗逆性包括哪些内容？请举例说明在基因工程中的应用。
【智涂笔记】
[易错提醒]
转基因作物中的目的基因
目的基因都是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因，并不都是来自细菌、病毒等微生物，如抗冻蛋白基因来自鱼类。
【师说核心】
植物基因工程的应用
【检测反馈】
1．目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉，下列说法正确的是( )
A．苏云金芽孢杆菌的Bt抗虫蛋白基因与质粒结合后直接进入棉花的叶肉细胞表达
B．抗虫基因导入棉花叶肉细胞后，可通过传粉、受精的方法，使抗虫性状稳定遗传下去
C．标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因
D．连续种植转基因抗虫棉不会改变棉铃虫的抗性
2．北极比目鱼中有抗冻基因，其编码的抗冻蛋白具有11个氨基酸的重复序列，该序列重复次数越多，抗冻能力越强。下图是获取转基因抗冻番茄植株的过程示意图，有关叙述正确的是( )
A．过程①是获取抗冻基因的过程，用到的酶只有限制酶
B．在重组质粒上，抗冻基因首端和末端一定具有启动子和终止子，启动和终止翻译的进程
C．过程②用到的质粒是农杆菌的Ti质粒，要将重组质粒转入农杆菌才能进行筛选
D．根据抗冻基因制作的DNA探针，可以用来检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在
探究点二 基因工程在医药卫生领域的应用
【师问导学】
干扰素是治疗癌症的重要药物，每300 L人血中只能提取1 mg，所以从血液中提取的干扰素价格昂贵。美国加利福尼亚的某生物制药公司用如下方法生产干扰素(如下图所示)。
请讨论回答下列问题。
1．什么是干扰素？有何作用？用什么方法可大量生产干扰素？
2．什么叫工程菌？利用工程菌可生产哪些药物？
3．基因工程药物与传统意义上的药物相比，有何优点？
4．培育转基因动物，为什么不选用体细胞而选用受精卵作为受体细胞？
5．异体器官移植会产生什么反应？主要由哪种特异性免疫引起？现在科学家有何设想来改变这种现状？
6．为提高动物的生长速度，需将外源生长激素基因导入动物体内，应该选择哪种细胞作为受体细胞？试分析原因。
【智涂笔记】
[易错提醒]
基因工程应用的四个易混点
(1)动物基因工程的目的主要是改良畜产品的品质或者是用转基因动物生产药物。
(2)高产青霉菌是诱变产生的，不属于基因工程菌。
(3)乳腺生物反应器的操作过程中，构建基因表达载体时，目的基因首端要连接乳腺蛋白基因的启动子等调控组件，否则目的基因在乳腺上皮细胞中不能转录。将构建好的基因表达载体导入受精卵，而不是乳腺上皮细胞，这样由受精卵发育成的个体体细胞均含有目的基因(如药用蛋白基因)，但该基因只在乳腺上皮细胞中表达。
(4)与乳腺生物反应器相比，膀胱生物反应器的优点是从转基因动物一出生就可以收集产物，不用考虑动物的性别和是否正处于生殖期。膀胱生物反应器最显著的优势在于从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
【师说核心】
1．转基因动物的培育过程(以转基因牛培育过程为例)
2．转基因微生物的培育过程(以可生产干扰素的酵母菌的培育过程为例)
3．乳腺生物反应器培育过程
4．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较
【检测反馈】
1．下列有关动物基因工程的说法，错误的是( )
A．将外源生长激素基因导入动物体内可提高动物生长速度
B．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
C．利用基因工程技术，得到的乳腺生物反应器可以解决很多重要药品的生产问题
D．用转基因动物作为器官移植的供体时，由于导入的是调节因子，而不是目的基因，因此无法抑制抗原的合成
2．下面有关基因工程的叙述，正确的是( )
A．利用基因工程技术可分别从大肠杆菌和青霉菌体内获取基因工程药品胰岛素和青霉素
B．用大肠杆菌作受体细胞时，可用NaCl处理大肠杆菌
C．启动子也称为起始密码子，终止子也称为终止密码子
D．由大肠杆菌工程菌获得的人的干扰素不能直接利用
3．(多选)动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺进行大规模生产可用于治疗人类疾病或保健的活性蛋白质的现代生物技术成果。目前科学家已在牛和羊等动物的乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要医药产品。大致过程如下图所示。
下列有关说法错误的是( )
A．通过③形成的重组质粒只具有人的药用蛋白基因、终止子和标记基因
B．④通常采用Ca2＋处理法
C．人的药用蛋白基因在转基因雌牛的乳腺细胞中得以表达，因此可以从乳汁中提取药物
D．该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取
【网络建构】
【主干落实】
1．将来源于某些病毒、真菌的抗病基因导入植物中，培育转基因抗病植物。
2．将外源生长激素基因导入鲤鱼，可提高鲤鱼的生长速度。
3．将药用蛋白基因导入大肠杆菌或酵母菌构建工程菌可生产药物。
4．将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组成表达载体导入哺乳动物的受精卵中可构建乳腺生物反应器。
5．在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，然后结合克隆技术，可培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官。
1.抗病毒转基因植物成功表达后，以下说法正确的是( )
A．抗病毒转基因植物可以抵抗所有病毒
B．抗病毒转基因植物对病毒的抗性具有局限性或特异性
C．抗病毒转基因植物可以抗害虫
D．抗病毒转基因植物可以稳定遗传，不会变异
2．下列有关乳腺生物反应器的叙述错误的是( )
A．动物基因结构与人类基因结构相同
B．乳腺生物反应器生产的药物是自然界没有的
C．可从具有目的基因的转基因雌性动物乳汁中提取药物
D．乳腺生物反应器是转基因技术在畜牧业中的应用
3．应用基因工程的方法，可将酵母菌制造成“工程菌”，用于生产乙肝疫苗，在制造该“工程菌”时，应向酵母菌中导入( )
A．乙肝病毒的表面抗原
B．抗乙肝病毒抗体的基因
C．抗乙肝病毒的抗体
D．乙肝病毒的表面抗原的基因
4．下列不属于基因工程成果的是( )
A．乳腺生物反应器生产药用蛋白
B．从大肠杆菌体内获得白细胞介素
C．从大肠杆菌体内获得生长激素
D．用高产青霉菌生产青霉素
5．糖尿病已经成为危害人类健康的严重疾病之一，注射胰岛素是目前治疗糖尿病最为有效的途径和手段。如何生产优质而不昂贵的人胰岛素，是当下医药界急需攻克的科学难题。下图为利用基因工程技术生产人胰岛素的操作过程示意图，请回答：
(1)在基因表达载体中，________是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA。
(2)图中细胞1是________细胞。过程②必需的酶是________。过程③④⑤为利用________技术扩增目的基因，此过程必需的酶是________。过程③断开的是________键，在体外进行PCR操作时，实现该过程的处理方法是________。能否利用人的皮肤细胞来完成过程①，为什么？
________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(3)为便于重组DNA的鉴定和选择，图中C的组成必须有________；为使过程⑧更易进行，可用________处理大肠杆菌。
(4)过程⑩得到的人胰岛素需要体外加工才具有生物活性，原因是大肠杆菌________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(一)从社会中来
提示：可以让学生结合学过的知识和自己的生活经历，如使用过用转基因技术生产的产品来进行说明。
(二)异想天开
提示：生命和健康是人最宝贵的东西，如果一个病人换上了经过改造的猪心脏后重获了健康，我们不仅不能歧视他，还应该从他身上看到现代生物技术在维持人体健康、治疗疾病等方面的应用价值。
(三)到社会中去
1．提示：截至2019年年底，我国批准发放过转基因耐储藏番茄、转基因抗虫棉、改变花色的转基因矮牵牛、转基因抗病辣椒、转基因抗病番木瓜、转基因抗虫水稻、转植酸酶基因玉米以及转基因耐除草剂大豆的生产应用安全证书；批准了转基因棉花、大豆、玉米、油菜、甜菜和番木瓜的进口安全证书，但我国进口的基本上是转基因棉花的纤维，其他进口转基因作物的用途仅限于用作加工原料；我国没有批准任何一种转基因粮食作物种子进口到我国境内商业化种植。
2．提示：根据实际情况回答。
(四)练习与应用
概念检测
1．C
2．A
拓展应用
1．(1)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。
(2)对照组为非转基因矮牵牛 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。
提示：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，比较它们对草甘膦抗性的差异。
2．略。
第3节 基因工程的应用
互动·探究·智涂
探究点一
【师问导学】
(1)提示：提高农作物的抗逆能力，改良农作物的品质，利用植物生产药物等。
(2)提示：大量使用农药不仅造成严重的环境污染，损害了人类健康，而且大大增加了生产成本。
(3)提示：抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱、抗盐碱等。盐碱和干旱对作物的危害与细胞内渗透压调节有关，可利用基因工程将可以调节细胞渗透压的基因导入农作物，培育转基因抗盐碱和抗干旱的农作物，来提高农作物的抗盐碱和抗干旱能力；利用基因工程技术将抗除草剂基因导入农作物，培育转基因抗除草剂作物，可在喷洒除草剂时，杀死杂草，而农作物不受伤害。
【检测反馈】
1．解析：重组质粒形成后需要通过农杆菌转化法等方法导入棉花的叶肉细胞；如果抗虫基因导入棉花叶肉细胞的细胞质中，转基因棉花的花粉中不含该基因，如果导入细胞核基因中，该转基因植株相当于杂合子，后代会发生性状分离；抗虫棉的选择作用使具有抗性突变的棉铃虫生存下来，经过长时间积累，棉铃虫的抗性会增强。
答案：C
2．解析：据题图可知，该转基因技术操作中，获取目的基因的方法是利用抗冻基因(目的基因)的mRNA进行人工化学合成，需要的酶是逆转录酶和限制酶，A错误；目的基因首端和末端的启动子和终止子均是DNA片段，分别启动和终止转录的进程，B错误；重组质粒转入农杆菌的目的是通过农杆菌转化法将目的基因导入番茄细胞中，C错误；检测目的基因是否导入受体细胞，通常是用DNA探针进行检测，即所谓DNA分子杂交技术，D正确。
答案：D
探究点二
【师问导学】
1．提示：干扰素是动物或人体细胞受到病毒侵染后产生的一种糖蛋白。干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染，它是一种抗病毒的特效药。用基因工程的方法利用大肠杆菌及酵母菌细胞大量生产干扰素。
2．提示：用基因工程的方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系一般称为工程菌。工程菌生产的药物有细胞因子、抗体、疫苗、激素等。
3．提示：基因工程药物生产效率高、针对性强、成本低、价格便宜。
4．提示：动物已分化的体细胞全能性受到限制，而受精卵分化程度低，全能性容易表达。
5．提示：免疫排斥。细胞免疫。科学家试图利用基因工程方法对猪的器官进行改造，采用的方法是在器官供体基因组导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
6．提示：受精卵。受精卵体积较大，操作较容易，含营养物质丰富，也能保障发育成的个体所有细胞都含有外源基因，全能性较高。
【检测反馈】
1．解析：用转基因动物作为器官移植的供体时，可将某种调节因子导入器官供体基因组，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。
答案：D
2．解析：青霉菌产生青霉素是一种自身基因的正常表达，故从青霉菌体内获得的青霉素不属于基因工程药品，A错误；用大肠杆菌作受体细胞时，可用CaCl2处理大肠杆菌，B错误；启动子和终止子都是一段特殊的DNA序列，负责调控基因的转录，而起始密码子和终止密码子都存在于mRNA上，分别决定翻译的起始和终止，C错误；大肠杆菌是原核生物，无内质网和高尔基体，由大肠杆菌工程菌生产的干扰素不具备天然活性，需经过人工加工处理后才能利用，D正确。
答案：D
3．解析：要让人的药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并得到含药用蛋白的乳汁，重组质粒上还必须具有牛的乳腺蛋白基因的启动子等调控组件，A错误；培育转基因动物时通常利用的受体细胞是受精卵，采用显微注射技术将重组质粒导入受精卵，B错误；人的药用蛋白基因在转基因雌牛的乳腺细胞中得以表达，因此转基因雌牛分泌的乳汁中含有该药用蛋白，C正确；该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取，D正确。
答案：AB
随堂·巩固·达标
1．解析：由于外源抗病毒基因具有特异性，因而其表达产物具有特异性或局限性，只能抵抗某种或某类病毒，不可能抵抗所有病毒，更不能抗害虫。目的基因导入受体细胞后，可以随受体内的自身遗传物质稳定遗传，也会同自身遗传物质一样发生变异。
答案：B
2．解析：乳腺生物反应器生产的药物在自然界中可以找到，只不过在转基因动物体内更容易提取到较大量的药物。
答案：B
3．解析：利用基因工程生产乙肝疫苗时，应该向酵母菌中导入乙肝病毒的表面抗原基因。
答案：D
4．解析：乳腺生物反应器是用转基因动物生产药物，属于基因工程成果，A不符合题意；从大肠杆菌体内获得白细胞介素及从大肠杆菌体内获得生长激素都是将相关基因转入大肠杆菌，从而得到的基因工程药物，属于基因工程成果，B、C不符合题意；用高产青霉菌生产青霉素是利用基因突变的原理进行的诱变育种，不属于基因工程的范畴，D符合题意。
答案：D
5．解析：(1)启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA。(2)图中过程①为胰岛素基因转录出mRNA，过程②为胰岛素mRNA经反转录获得目的基因，过程③④⑤为利用PCR技术扩增目的基因，过程⑥为用限制酶切割载体，过程⑦为目的基因与载体结合构建基因表达载体，过程⑧为将目的基因导入受体细胞。反转录过程需要逆转录酶，利用PCR技术扩增DNA需要耐高温的Taq酶。过程③断开的是DNA两条链间的氢键，在体外进行PCR操作时，实现该过程的处理方法为加热至90～95 ℃。(3)图中B为质粒，其实质为DNA，基本组成单位为4种脱氧核苷酸。构建的基因表达载体中必须有标记基因，以利于重组DNA的鉴定和选择。将目的基因导入大肠杆菌最常用的转化方法是Ca2＋处理法，用Ca2＋处理可使大肠杆菌细胞处于能够吸收周围环境中DNA分子的生理状态。(4)大肠杆菌细胞内没有内质网和高尔基体，不能将肽链加工成为有活性的人胰岛素。
答案：(1)启动子 (2)(人)胰岛B 逆转录酶 PCR
Taq酶(或耐高温的DNA聚合酶) 氢 加热(至90 ℃以上) 不能。皮肤细胞中的胰岛素基因不表达，不能形成胰岛素mRNA (3)标记基因 Ca2＋ (4)没有内质网和高尔基体，不能对蛋白质进行加工
外源基因类型及举例
成果举例
转基因
抗虫植物
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、抗虫玉米
转基因
抗病植物
(1)抗病毒基因：病毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因；
(2)抗真菌基因：几丁质酶基因、抗毒素合成基因
抗病毒番木瓜、抗病毒烟草、抗病毒甜椒
转基因抗除
草剂植物
抗除草剂基因
抗除草剂的大豆和玉米
改良植物
的品质
优良性状基因：提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、控制番茄成熟的基因、与植物花青素代谢有关的基因
高赖氨酸玉米、耐储存番茄、新花色矮牵牛
提高动物的
生长速率
外源生长激素基因
转基因鲤鱼
改善畜产
品的品质
肠乳蛋白酶基因
转基因牛
项目
乳腺生物反应器
工程菌
含义
指将外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白
指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系
受体基因结构与人类基因结构的差异
动物基因结构与人类的基因结构基本相同
细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异
基因表达
合成的药物蛋白与天然蛋白质相同
细菌合成的药物蛋白可能没有活性
受体细胞
动物受精卵
微生物细胞
目的基因导入方式
显微注射法
感受态细胞法
药物提取
从动物乳汁中提取
从微生物细胞或其培养液中提取
生产条件
不需严格灭菌；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
生产设备
畜牧业生产、提取设备
发酵生产、提取设备