高中生物人教版 (2019)选择性必修3第2节 基因工程的基本操作程序示范课ppt课件

这是一份高中生物人教版 (2019)选择性必修3第2节 基因工程的基本操作程序示范课ppt课件，共36页。PPT课件主要包含了改变受体细胞性状，获得预期表达产物，编码蛋白质，生物抗逆性，生产药物，指数形式，琼脂糖凝胶电泳，3构建过程，维持稳定和表达，植物细胞等内容，欢迎下载使用。
探究一　目的基因的筛选与获取
1.目的基因。阅读教科书第76页,归纳目的基因的概念和类型。(1)概念:在基因工程的设计和操作中,用于 或 等的基因。(2)类型:主要是 的基因,如与 、 、毒物降解和工业用酶等相关的基因。2.筛选合适的目的基因。阅读教科书第76~78页,自主分析、总结如何在浩瀚的“基因海洋”中找到所需要的目的基因。
(1)筛选目的基因较为有效的方法是什么?试举例说明。 提示:从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是较为有效的方法之一。例如,已知Bt基因的序列信息,或者是对Bt基因的表达产物——Bt抗虫蛋白有较为深入的了解,而苏云金杆菌的杀虫作用与Bt基因有关,所以,我们就可以将Bt基因作为目的基因。
(2)Bt抗虫蛋白的致病机理是什么?对于昆虫和人体的作用效果是否相同?提示:当Bt抗虫蛋白被分解为多肽后,多肽与害虫肠上皮细胞上的特异性受体结合,导致细胞膜穿孔,最后造成害虫死亡。Bt抗虫蛋白只有在某类昆虫肠道的碱性环境中才能表现出毒性,而人的胃液呈酸性,肠道细胞也没有特异性受体。因此Bt抗虫蛋白不会对人产生上述影响。3.利用PCR获取和扩增目的基因。分析教科书第78~79页的图3-5,并阅读相关内容,讨论、分析并总结PCR反应的过程以及PCR与正常体细胞中DNA复制的区别。(1)利用PCR扩增目的基因的原理及条件是什么?
提示:PCR的原理是DNA半保留复制。条件是有一定的缓冲溶液、DNA模板、引物、4种脱氧核苷酸和耐高温的DNA聚合酶。(2)PCR反应过程与细胞内的DNA复制过程相比,主要区别是 。①PCR反应过程需要的引物是人工合成的单链DNA②PCR反应过程不需要DNA聚合酶　③PCR反应过程中DNA的解旋不依靠解旋酶,而是通过对反应温度的控制来实现的④PCR反应过程中,DNA不需要解旋,直接以双链DNA为模板进行复制(3)PCR扩增过程。
(4)扩增结果及鉴定。①结果:成 扩增。②鉴定:采用 来鉴定PCR的产物。
探究二　基因表达载体的构建
分析教科书第80页的图3-6,并阅读相关内容,明确基因表达载体的组成及每部分的作用,并讨论如何构建基因表达载体。(1)培育转基因抗虫棉的核心工作是构建基因表达载体。(2)组成。
①图中b与a所用的限制酶一定相同吗?提示:不一定,可以用同一种限制酶,也可以用不同的限制酶,只要能够产生相同的末端即可。②c处的操作是什么?提示:利用DNA连接酶将目的基因片段拼接到载体的接口处。
1.将目的基因导入受体细胞。分析教科书第81页的“资料卡”,并阅读相关内容,阐明农杆菌转化法的操作过程和T-DNA的作用,并了解将目的基因导入其他细胞的方法。(1)转化:目的基因进入受体细胞内,并且在受体细胞内 的过程。(2)农杆菌转化法:将目的基因导入 最常用的方法。①农杆菌特点:农杆菌细胞内的Ti质粒上的 (可转移的DNA)可转移至受体细胞,并且整合到受体细胞的 上。
探究三　将目的基因导入受体细胞和目的基因的检测与鉴定
②操作过程。a.从新鲜叶片上取下的圆形小片与农杆菌共培养 再生成植株。b.将花序直接浸没在含有 的溶液中 培养植株并获得 筛选、鉴定。(3)花粉管通道法。①用微量注射器将含 直接注入子房。②植物受粉一定时间内 剪去 将 滴加在花柱切面上 目的基因借助 进入胚囊。(4)目的基因导入动物细胞。①主要受体细胞: 。②方法: 。
(5)目的基因导入原核生物。①受体细胞:常用 。②方法:先用 处理细胞,使细胞处于 . 的生理状态,然后再将重组的基因表达载体导入其中。2.目的基因的检测与鉴定。阅读教科书第82页相关内容,明确目的基因导入受体细胞后,如何进行检测与鉴定。
将下列目的基因的检测与鉴定方法和检测对象用线连起来。①检测目的基因是否　　　a.抗原—抗体杂交　存在或者是否转录　出mRNA②检测目的基因是否　b.采摘抗虫棉的叶　翻译出蛋白质　 片饲喂棉铃虫③鉴定个体是否具备　c. PCR等技术　了抗虫的相关特性提示:①-c;②-a;③-b。
探究一　目的基因的筛选与获取
PCR反应的分析(1)PCR反应过程通过高温使双链DNA分子间的氢键打开,此过程不需要解旋酶。(2)在PCR反应过程中需要控制不同的温度,高温变性,低温复性,中温延伸。(3)耐高温的DNA聚合酶只在延伸过程中发挥作用,而其他两个过程不需要酶的参与,但是耐高温的DNA聚合酶的最大耐受温度应是PCR反应体系的最高温度。
【例1】利用PCR将某小段DNA分子扩增n代,需(　　)A.测定DNA分子两端的核苷酸序列,以便设计引物对B.2n对引物参与子代DNA分子的合成C.向反应体系中加入解旋酶、DNA聚合酶等D.保持反应体系温度恒定,确保扩增的正常进行解析:用于PCR的引物是根据扩增的DNA片段两端的核苷酸序列设计的,A项正确;依题意,将某小段DNA分子扩增n代,形成2n个DNA分子,其中除了两条最初的模板不含引物,其他的链均含有引物,因此需要(2n-1)对引物,B项错误;利用PCR在体外进行DNA扩增时,高温使氢键断裂,不需要解旋酶,需要耐高温的DNA聚合酶,C项错误;通过改变温度,从而使DNA变性、复性和延伸循环进行,D项错误。答案:A
【母题延伸】上述过程中所涉及的作为模板的DNA、引物及DNA聚合酶中,能在每一次扩增中重复使用的是哪些?提示:作为模板的DNA、DNA聚合酶。每一次循环用到的引物都会成为产物DNA中的一部分序列,在下一个反应循环中作为模板DNA,所以不可重复使用。
探究二　基因表达载体的构建
基因表达载体的构建过程转基因抗虫棉是将一种来自细菌、可专门破坏棉铃虫消化道的Bt基因经过改造,转到棉花中获得的。下图是利用基因工程技术培育抗虫棉的部分过程示意图,其中PstⅠ、SmaⅠ、EcRⅠ、ApaⅠ为四种限制酶。请分析并回答下列问题。
(1)图示过程的名称是什么?在基因工程中的地位如何?提示:基因表达载体的构建。该过程是基因工程中的核心步骤。(2)卡那霉素抗性基因的作用是什么?在基因表达载体中还应该存在哪些结构?提示:卡那霉素抗性基因是标记基因,目的是便于鉴定和筛选目的基因稳定维持和表达遗传特性的细胞;基因表达载体还应该包括启动子、目的基因、终止子等。(3)在基因表达载体构建时能不能选择SmaⅠ?如果不能,请表述原因。你认为应该选择的限制酶是什么?提示:不能选择SmaⅠ,否则会将目的基因破坏。构建过程中需要将目的基因完整切割下来,此时要用到限制酶PstⅠ和EcRⅠ。
构建基因表达载体时限制酶的选择
甲 乙
(1)根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类。①应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择PstⅠ。不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择SmaⅠ。
②为避免目的基因和质粒的自身环化及随意连接,可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,如图甲可选择用PstⅠ和EcRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)。(2)根据质粒的特点确定限制酶的种类。①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶相同或可产生同种末端。②质粒作为载体必须具备标记基因等,所以选择的限制酶不要破坏这些结构,如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因;如果所选限制酶的切割位点不止一个,则切割重组后可能丢失某些片段,若丢失的片段含复制原点,则切割重组后的DNA分子进入受体细胞后不能自主复制。
【例2】下图为某基因表达载体示意图,请据图回答下列问题。
(1)基因工程的核心步骤是　 。 (2)利用　　　　(技术)可以获得大量的目的基因。该技术利用　　　　的原理,将基因的核苷酸序列不断地加以复制,使其数量呈指数形式增长。 (3)图中的　　　　位于基因的上游,是　　　　识别和结合的部位。抗生素抗性基因的作用是作为　　　　,可用于鉴别受体细胞中是否导入了目的基因。 
解析:(1)基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建。(2)目的基因的获取方法有很多,现在常通过PCR获得大量目的基因,其依据的原理是DNA半保留复制。(3)基因表达载体必须包含目的基因、启动子、标记基因、终止子等。其中,启动子位于基因的上游,是RNA聚合酶识别和结合的部位,驱动基因转录出mRNA。抗生素抗性基因作为标记基因,可用于鉴别受体细胞中是否含有目的基因。答案:(1)基因表达载体的构建　(2)PCR　DNA半保留复制　(3)启动子　RNA聚合酶　标记基因
探究三　将目的基因导入受体细胞和目的基因的检测与鉴定
抗虫基因的检测与鉴定抗虫棉的好处有很多,除了它们自身的抵抗力有所提高之外,对其他的一些棉花生长问题也有很强的预防效果。这在一定程度上减少了杀虫剂的使用,对生态环境的改善起着不可估量的作用。请回答下列问题。(1)分子水平上检测抗虫基因是否导入棉花细胞的原理是什么?试举例说明此原理还可以应用于哪些方面。提示:碱基互补配对原则。还可用于亲子鉴定、刑事侦查、生物亲缘关系确定等。
(2)鉴定棉花中导入的抗虫基因是否表达,最简便的方法是什么?提示:用其叶片饲喂棉铃虫,观察棉铃虫是否死亡。(3)β-珠蛋白是动物血红蛋白的重要组成成分,当它的成分异常时,动物有可能患某种疾病,如镰状细胞贫血。假如让你用基因工程的方法,使棉花生产出鼠的β-珠蛋白,想一想应该如何进行设计。提示:①提取鼠的β-珠蛋白的mRNA;②逆转录mRNA合成互补DNA,再进行DNA大量复制;③将目的基因连接到载体(质粒)上,再导入棉花细胞中;④筛选出含有并表达目的基因的棉花细胞;⑤扩大培养,生产出鼠的β-珠蛋白。
关于不同分子检测的原理、场所、探针的异同(1)原理:转录水平的检测原理与复制水平的检测原理是相似的,只是被检测的物质不再是转基因生物的基因组DNA,而是转基因生物细胞内的mRNA;翻译水平的检测,则是利用抗原与抗体特异性结合的原理。(2)场所:无论是复制水平、转录水平还是翻译水平的检测,都是在体外进行的。(3)探针:在DNA分子、mRNA分子水平上检测目的基因是否插入、转录时,用的探针都是用放射性同位素等标记的目的基因的DNA片段。
技术思维本节课以转基因抗虫棉的培育过程为例,详细介绍了基因工程的基本操作程序,其思维流程为需求分析→技术反思→技术原理→技术建构→技术系统,从中可以体会到技术的创新性、精巧性和实用性,这体现了生物学核心素养中的技术思维。
【例3】人感染新冠病毒后,机体会产生多种特异性抗体。我国科学家从康复者的浆细胞中克隆出针对病毒表面抗原的抗体基因相关序列,构建基因表达载体并在相应系统中表达,可制备出全人源单克隆抗体。下列叙述错误的是(　　)A.该单克隆抗体可直接用于新冠病毒的核酸检测B.在该单克隆抗体制备过程中利用了基因工程技术C.该单克隆抗体可与新冠病毒相应蛋白特异性结合D.可用抗原—抗体杂交检测抗体基因表达产物【思维流程】将复杂的情境和问题简单化,回顾必备知识进行作答。
【例4】目的基因导入受体细胞后,是否可以稳定维持和表达其遗传特性,只有通过鉴定与检测才能知道。下列属于目的基因检测和鉴定的是(　　)①检测受体细胞中是否有目的基因　②检测受体细胞中是否有致病基因　③检测目的基因是否转录出了mRNA　④检测目的基因是否翻译出蛋白质A.①②③　　B.②③④ C.①③④D.①②④
解析:可以通过DNA分子杂交技术,检测受体细胞中是否有目的基因,①正确;可以通过分子杂交技术,检测目的基因是否转录出了mRNA,③正确;还可以通过抗原—抗体杂交技术,检测目的基因是否翻译出蛋白质,④正确。答案:C
【例5】农杆菌是一种在土壤中生活的微生物,能在自然条件下侵染部分植物,因而在植物基因工程中得到了广泛的运用。下图为农杆菌转化法的示意图,请分析回答下列问题。
(1)一般情况下农杆菌不能侵染的植物是　　　,利用农杆菌自然条件下侵染植物的特点,能实现　　　　　　　　。具体原理是在农杆菌的Ti质粒上存在T-DNA片段,它具有可转移至受体细胞并整合到受体细胞　　　　上的特点,因此只要将携带外源基因的DNA片段插入　　　　(填部位)即可。 (2)根据T-DNA这一转移特点,推测该DNA片段上可能含有控制　　　 　　(填酶的名称)合成的基因。 (3)植物基因工程中除了农杆菌转化法之外,还可以采取　　　　　　　　 。 
解析:(1)一般农杆菌不能侵染的植物是单子叶植物,可侵染双子叶植物和裸子植物。利用其侵染植物的特点,可实现将目的基因导入植物细胞。农杆菌Ti质粒上的T-DNA片段可转移至受体细胞并整合到受体细胞染色体DNA上,因此目的基因必须插入该部位才能成功。(2)根据T-DNA的转移特点,可以推测该DNA片段上含有能控制合成DNA连接酶、限制酶的基因。(3)植物基因工程中除了农杆菌转化法之外,还有花粉管通道法等。答案:(1)单子叶植物　将目的基因导入植物细胞　染色体DNA　T-DNA　(2)DNA连接酶、限制酶　(3)花粉管通道法
【方法规律】 农杆菌转化法中的两次拼接和两次导入(1)两次拼接:第一次拼接是将目的基因拼接到Ti质粒的T-DNA上。第二次拼接(非人工操作)是指插入目的基因的T-DNA被拼接到受体细胞的染色体DNA上。(2)两次导入:第一次导入是将含目的基因的Ti质粒重新导入农杆菌。第二次导入(非人工操作)是指含目的基因的T-DNA导入受体细胞。