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高中生物人教版 (2019)选择性必修3第3节 基因工程的应用教案及反思
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这是一份高中生物人教版 (2019)选择性必修3第3节 基因工程的应用教案及反思，共7页。教案主要包含了基因工程在农牧业方面的应用，基因工程在医药卫生领域的应用，基因工程在食品工业方面的应用等内容，欢迎下载使用。
课题
第3节 基因工程的应用
单元
第三章
学科
生物
年级
高二
学习目标
与
核心素养
学习目标：举例说出基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。
1.文化基础：基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。
2.自主发展：基因工程的应用及价值。
3.社会参与：关注基因工程的发展，认同基因工程的价值。
重点
基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。
难点
乳腺生物反应器的应用
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
从社会中来
展示医学中重组胰岛素产品，介绍分析胰岛素的发展过程。
胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素，需要上千头牛，生产的成本非常高。1978年，科学家将鳊码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中，使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工程药物——重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。
课前查阅资料，欣赏重组胰岛素产品图片，了解医学热点问题。
借助医学热点问题，联系生活实例，激发学生的学习兴趣。
讲授新课
除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢?
一、基因工程在农牧业方面的应用
1．转基因抗虫植物
(1)技术方法：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中，培育出具有抗虫性的作物。
(2)实例：抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
2．转基因抗病植物
(1)技术方法：将来源于病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出转基因抗病植物。
(2)实例：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
3．转基因抗除草剂植物
(1)技术方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育抗除草剂的作物品种。
(2)实例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
4．改良植物的品质
(1)技术方法：将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量。
(2)实例：转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。
5．提高动物的生长速率
(1)技术方法：将外源生长激素基因导入动物体内，提高动物的生长速率。
(2)实例：转基因鲤鱼。
6．改善畜产品的品质
(1)技术方法：将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组。
(2)实例：乳汁中乳糖含量大大降低的转基因奶牛。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
(1)技术方法
①对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物。
②利用乳腺生物反应器生产药物：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在一起，通过显微注射导入哺乳动物的受精卵中，培育出的转基因动物通过分泌乳汁生产所需要的药物。
2．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别
比较内容
乳腺生物反应器
工程菌
含义
指让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
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
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
生产设备
畜牧业生产、提取设备
发酵生产、提取设备
③培育移植器官：在器官供体的基因组中导入某种调节因子抑制抗原决定基因的表达或设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官。
实例：重组人干扰素、促红细胞生成素、抗凝血酶、血清白蛋白等。
三、基因工程在食品工业方面的应用
(1)技术方法：利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。例如将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵生产凝乳酶。
(2)实例：淀粉酶、脂酶、天冬氨酸和苯丙氨酸。
到社会中来
转基因技术自诞生以来，发展迅速，研发对象已涵盖至少35科、200 多种的植物，涉及大豆、玉米和棉花等重要作物，以及牧草、花卉和林木等。请调查:
1.目前我国批准发放了哪些转基因作物的生产应用安全证书和进口安全证书?
提示：截至2019年年底，我国批准发放过转基因耐储藏番描、转基因抗虫棉、改变花色的转达因矮牵牛、转基因抗病辣椒、转基因抗病番木瓜、转基因抗虫水稻、转植酸麟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。
总结与练习
1．抗病毒转基因植物成功表达后，以下说法正确的是( B )
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
提示：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。
2．下列有关乳腺生物反应器的叙述错误的是( B )
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
提示：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。
3.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。
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
提示：(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。
【学习活动一】
学生阅读课本P87—89，联系实际，思考以下问题，阐述相关概念基因工程在农牧业方面的应用。
【学习活动二】
学生阅读课本P90—91，联系实际，思考以下问题，阐述相关概念基因工程在医药卫生方面的应用。
分析教材，完成表格。
【学习活动二】
学生阅读课本P91，联系实际，思考以下问题，阐述相关概念基因工程在食品工业方面的应用的应用。
小组讨论，联系社会热点问题，完成相关探究，解决相关问题。
根据所学，完成相关练习
提出问题，引导学生阅读，导入新课。通过阅读，培养学生获取信息的能力，加深学生对概念的认识，激发学生的科学研究的兴趣。
通过阅读，培养学生获取信息的能力，加深学生对基因工程在医药卫生领域的应用认识，激发学生的科学研究的兴趣。
通过完成表格，培养学生获取信息的能力，锻炼学生的语言表达能力，提高学生分析问题，解决问题的能力。
通过阅读，培养学生获取信息的能力，加深学生对概念的认识，激发学生的科学研究的兴趣。
通过社会热点问题探究，培养学生沟通、交流能力，增强团队合作意识，同时联系实际，解决实际问题，发展学生分析、推理思维能力。
回顾旧知，巩固和应用所学知识。
课堂小结
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。
板书
基因工程的应用
基因工程在农牧业方面的应用
转基因抗虫、抗病、抗除草剂植物
改良植物的品质、提高动物的生长速率
改良畜产品的品质
基因工程在医药卫生领域的应用
基因工程在食品工业方面的应用
课题
第3节 基因工程的应用
单元
第三章
学科
生物
年级
高二
学习目标
与
核心素养
学习目标：举例说出基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。
1.文化基础：基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。
2.自主发展：基因工程的应用及价值。
3.社会参与：关注基因工程的发展，认同基因工程的价值。
重点
基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。
难点
乳腺生物反应器的应用
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
从社会中来
展示医学中重组胰岛素产品，介绍分析胰岛素的发展过程。
胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素，需要上千头牛，生产的成本非常高。1978年，科学家将鳊码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中，使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工程药物——重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。
课前查阅资料，欣赏重组胰岛素产品图片，了解医学热点问题。
借助医学热点问题，联系生活实例，激发学生的学习兴趣。
讲授新课
除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢?
一、基因工程在农牧业方面的应用
1．转基因抗虫植物
(1)技术方法：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中，培育出具有抗虫性的作物。
(2)实例：抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
2．转基因抗病植物
(1)技术方法：将来源于病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出转基因抗病植物。
(2)实例：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
3．转基因抗除草剂植物
(1)技术方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育抗除草剂的作物品种。
(2)实例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
4．改良植物的品质
(1)技术方法：将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量。
(2)实例：转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。
5．提高动物的生长速率
(1)技术方法：将外源生长激素基因导入动物体内，提高动物的生长速率。
(2)实例：转基因鲤鱼。
6．改善畜产品的品质
(1)技术方法：将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组。
(2)实例：乳汁中乳糖含量大大降低的转基因奶牛。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
(1)技术方法
①对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物。
②利用乳腺生物反应器生产药物：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在一起，通过显微注射导入哺乳动物的受精卵中，培育出的转基因动物通过分泌乳汁生产所需要的药物。
2．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别
比较内容
乳腺生物反应器
工程菌
含义
指让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
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
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
生产设备
畜牧业生产、提取设备
发酵生产、提取设备
③培育移植器官：在器官供体的基因组中导入某种调节因子抑制抗原决定基因的表达或设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官。
实例：重组人干扰素、促红细胞生成素、抗凝血酶、血清白蛋白等。
三、基因工程在食品工业方面的应用
(1)技术方法：利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。例如将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵生产凝乳酶。
(2)实例：淀粉酶、脂酶、天冬氨酸和苯丙氨酸。
到社会中来
转基因技术自诞生以来，发展迅速，研发对象已涵盖至少35科、200 多种的植物，涉及大豆、玉米和棉花等重要作物，以及牧草、花卉和林木等。请调查:
1.目前我国批准发放了哪些转基因作物的生产应用安全证书和进口安全证书?
提示：截至2019年年底，我国批准发放过转基因耐储藏番描、转基因抗虫棉、改变花色的转达因矮牵牛、转基因抗病辣椒、转基因抗病番木瓜、转基因抗虫水稻、转植酸麟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。
总结与练习
1．抗病毒转基因植物成功表达后，以下说法正确的是( B )
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
提示：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。
2．下列有关乳腺生物反应器的叙述错误的是( B )
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
提示：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。
3.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。
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
提示：(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。
【学习活动一】
学生阅读课本P87—89，联系实际，思考以下问题，阐述相关概念基因工程在农牧业方面的应用。
【学习活动二】
学生阅读课本P90—91，联系实际，思考以下问题，阐述相关概念基因工程在医药卫生方面的应用。
分析教材，完成表格。
【学习活动二】
学生阅读课本P91，联系实际，思考以下问题，阐述相关概念基因工程在食品工业方面的应用的应用。
小组讨论，联系社会热点问题，完成相关探究，解决相关问题。
根据所学，完成相关练习
提出问题，引导学生阅读，导入新课。通过阅读，培养学生获取信息的能力，加深学生对概念的认识，激发学生的科学研究的兴趣。
通过阅读，培养学生获取信息的能力，加深学生对基因工程在医药卫生领域的应用认识，激发学生的科学研究的兴趣。
通过完成表格，培养学生获取信息的能力，锻炼学生的语言表达能力，提高学生分析问题，解决问题的能力。
通过阅读，培养学生获取信息的能力，加深学生对概念的认识，激发学生的科学研究的兴趣。
通过社会热点问题探究，培养学生沟通、交流能力，增强团队合作意识，同时联系实际，解决实际问题，发展学生分析、推理思维能力。
回顾旧知，巩固和应用所学知识。
课堂小结
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。
板书
基因工程的应用
基因工程在农牧业方面的应用
转基因抗虫、抗病、抗除草剂植物
改良植物的品质、提高动物的生长速率
改良畜产品的品质
基因工程在医药卫生领域的应用
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