2018学年高中生物第一章基因工程第2课时基因工程的实施过程学案苏教版选修

第2课时基因工程的实施过程[学习目标]　1.简述基因工程的原理。2.简述获取目的基因的方法。3.简述构建基因表达载体的过程。4.简述将目的基因导入受体细胞的过程。5.简述目的基因的检测与鉴定。一、基因工程的基本技术操作基因工程涉及哪些技术操作？答案　主要包括：获取目的基因、构建基因表达载体、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测和鉴定等步骤。二、获取目的基因阅读教材内容，回答相关问题：1．什么是目的基因？答案　主要是指编码蛋白质的基因，也可以是一些具有调控作用的因子。2．获取目的基因的常用方法有哪些？答案　(1)从基因文库中获取；(2)利用PCR技术扩增目的基因；(3)化学方法直接人工合成等。3．什么是基因文库？如何构建基因文库？答案　先用酶切等方法将某种生物细胞的整个基因组DNA切割成大小合适的片段，再分别与载体连接起来，导入受体菌的群体并储存起来，这样每个受体菌可能分别含有该种生物的不同基因，这个群体被称为基因文库。4．基因文库包括基因组文库和部分基因文库两种，二者有何不同？答案　基因组文库包含了某种生物全部的基因，部分基因文库只包含了某种生物的部分基因。5．如何从基因文库中获取某种目的基因呢？答案　只要根据基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA、基因的表达产物蛋白质等信息，就可以直接从基因文库中获取目的基因。6．什么是PCR技术？其原理是什么？答案　PCR是多聚酶链式反应的缩写。这项技术是在体外通过酶促反应有选择地大量扩增目的基因或DNA序列的技术。原理是DNA分子半保留复制。7．分析下面DNA的复制过程示意图，并填空。13 DNA复制是一个边解旋边复制的过程，以解开的每一段母链为模板，在DNA聚合酶等酶的作用下，利用细胞内游离的四种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，各自合成与母链互补的一段子链，复制结束后，一个DNA分子就形成了两个完全相同的DNA分子。8．结合上述过程，总结利用PCR技术进行DNA复制需要哪些条件？答案　引物、模板DNA、四种脱氧核苷酸和热稳定DNA聚合酶(TaqDNA聚合酶)，及严格控制的温度条件等。9．分析下图PCR技术示意图，并填空。(1)变性：加热至94℃，使DNA中的氢键断裂，双链解开。(2)退火(复性)：冷却至55℃，引物与单链相应互补序列结合。(3)延伸：加热至72℃，在DNA聚合酶的作用下，沿模板延伸子链，最终合成2条DNA分子。10．若PCR过程中，扩增循环的次数是n，则目的基因的量将被扩增2n倍。11．对于比较小的目的基因，在弄清脱氧核苷酸序列后，通过DNA合成仪直接人工合成。三、构建基因表达载体阅读教材，回答相关问题：1．基因工程的核心是什么？答案　基因工程的核心是构建基因表达载体。2．由基因表达载体模式图可以看出，基因表达载体除含有目的基因外，还必须有启动子、终止子、标记基因、复制原点等。目的基因插在启动子和终止子之间。13 基因表达载体模式图3．请尝试分析各结构的作用。答案　(1)启动子：位于目的基因上游的一段核苷酸序列，是RNA聚合酶识别、结合的部位。它驱动基因的转录活动，并引发相应的mRNA合成。(2)终止子是一段特殊的DNA片段，是载体上终止目的基因转录的核苷酸序列。(3)标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，以便筛选出含有目的基因的细胞。常用的标记基因主要是抗性基因、某些生化表型基因。4．对切割质粒和目的基因的酶有何要求？答案　用同一种限制酶切割含目的基因的DNA分子和质粒，这样形成的黏性末端相同。5．终止子与终止密码子有何不同？答案　终止子是DNA分子上决定转录停止的一段特殊结构的DNA片段；终止密码子是指mRNA分子上决定翻译停止的三个相邻碱基。四、导入目的基因1．阅读教材，比较各类目的基因导入受体细胞的方法，并填写下表。生物种类植物细胞动物细胞微生物细胞常用方法农杆菌转化法显微注射法Ca2＋处理法受体细胞体细胞受精卵原核细胞转化过程将目的基因插入Ti质粒的TDNA上→农杆菌→导入植物细胞→融合到受体细胞染色体的DNA上→表达将含有目的基因的表达载体提纯→取受精卵→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物Ca2＋处理细胞→感受态细胞→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子2.农杆菌转化法主要适用于哪些生物？答案　主要适用于双子叶植物和裸子植物。五、检测和鉴定目的基因阅读教材相关内容，回答问题。1．基因的功能是什么？答案　基因通过复制把遗传信息传递给下一代，并通过转录和翻译，控制蛋白质的合成，从而控制生物的个体性状表现。13 2．目的基因在受体细胞内能够维持稳定和表达其遗传特性，需要逐步进行检测。分析下面示意图，回答问题。(1)上图采用DNA分子杂交法，目的是要检测什么？答案　检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因。(2)什么是基因探针？答案　一段用放射性同位素标记，且与目的基因或特定的靶分子序列互补的核酸序列。如果出现杂交带，就表明目的基因已插入染色体DNA中或已经转录出了mRNA。(3)如果要检测目的基因是否转录出了mRNA分子，还应该从RNA水平检测重组体，此时与基因探针杂交的是什么物质？答案　从待测转基因生物细胞中提取的mRNA分子。(4)检测目的基因是否翻译成蛋白质：采用抗原—抗体杂交法。具体做法又如何？答案　从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原—抗体杂交，若有杂交带出现，表明目的基因已形成蛋白质产品。3．细胞中合成相应蛋白质，生物体却不一定呈现特定的性状。观察图示，判断抗虫棉的接种实验属于个体水平鉴定，通过做抗虫(或抗病)的接种实验，以确定是否具有抗性及抗性的程度。一、利用PCR技术扩增目的基因13 样品DNA经PCR技术扩增，可以获取大量DNA分子克隆。在试管中进行DNA的人工复制(如图)。可以在很短的时间内，将DNA扩增几百万倍甚至几十亿倍，使实验室所需的遗传物质不再受限于活动的生物体。据图回答下列问题：(1)PCR技术的原理是____________________，图中A过程表示________。(2)某样品DNA中共含3000个碱基对，碱基数量满足：(A＋T)∶(G＋C)＝1/2，现欲得到100个与样品相同的DNA，至少需要向试管中加入______个腺嘌呤脱氧核苷酸。(3)A过程也称为DNA的变性，此过程在温度高达90～95℃时才能完成，说明DNA分子具有__________性。利用PCR技术获取目的基因的前提是______________________________。(4)由图中信息分析可知，催化C过程的酶是____________，它与正常细胞里的酶的区别是________________。答案　(1)DNA分子半保留复制　DNA解旋(2)99000(3)稳定　要有一段已知的目的基因核苷酸序列(4)热稳定DNA聚合酶(或TaqDNA聚合酶)　能耐高温解析　PCR技术是利用DNA双链半保留复制的原理，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加。其前提是要有一段已知的目的基因核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物。扩增的过程是目的基因DNA受热变性后解链为单链，引物与单链相应互补序列结合，然后在耐高温的DNA聚合酶的作用下进行延伸，如此重复循环结合，使目的基因呈指数形式扩增。二、农杆菌转化法的应用为扩大可耕地面积，增加粮食产量，沿海滩涂盐碱地的开发利用备受关注。我国科学家应用耐盐碱基因培育出了耐盐碱水稻新品系。请据图回答下列问题：(1)获取真核生物的基因通常采用人工合成法，通过图示中①方法合成的耐盐碱基因中是不含________________________的，如果要将耐盐碱基因和质粒重组，应该在基因两侧的A和B位置除了接上以上两个结构外还需分别加入____________________限制酶识别序列，这样设计的优点有利于质粒和目的基因定向连接。(2)在步骤⑤⑥过程中都需用__________处理两类细菌。13 (3)图示中构建基因表达载体完成后为什么没有直接导入农杆菌，而是先将其导入大肠杆菌？_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)一般情况下农杆菌不能感染的植物是________植物。利用农杆菌自然条件下感染植物的特点，能实现____________________。具体原理是在农杆菌的Ti质粒上存在TDNA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片段插入到____________(部位)即可。(5)根据TDNA这一转移特点，推测该DNA片段上可能含有控制____________________(酶)合成的基因。(6)结合农杆菌转化过程，分析该过程中进行了哪些拼接和导入？_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(7)结合目的基因导入细菌和植物的过程，分析目的基因在受体细胞内的存在形式一般有哪几种？答案　(1)启动子和终止子　EcoRⅠ、SmaⅠ　(2)Ca2＋(3)目的是获取大量重组质粒(让目的基因扩增)。常采用大肠杆菌等原核生物作为受体细胞，因为原核生物繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对较少，有利于目的基因的复制与表达　(4)单子叶　将目的基因导入植物细胞染色体的DNA　TDNA片段(内部)　(5)DNA连接酶、限制酶　(6)农杆菌转化法中有两次拼接和两次导入。第一次拼接是将目的基因拼接到Ti质粒上TDNA的中间部位，第二次拼接非人工操作，指被插入目的基因的TDNA拼接到受体细胞的染色体DNA上；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TDNA进入受体细胞(7)目的基因在受体细胞内的存在形式一般有以下两种：三、检测和鉴定目的基因1．基因探针：以DNA分子中目的基因的一条单链为探针，用放射性同位素或荧光分子等进行标记，根据碱基互补配对原则，与被检测DNA分子进行碱基互补配对，看是否形成杂交带。13 2．DNA分子杂交法：用标记的基因探针与转基因生物基因组中的DNA进行碱基互补配对。3．分子杂交技术：用标记的基因探针与转基因生物细胞中提取的mRNA进行碱基互补配对。4．抗原—抗体杂交法：利用目的基因合成的蛋白质导入动物体内，制备单一抗体，与转基因生物细胞中提取的蛋白质能进行特异性地识别并结合。1．下列关于基因文库的说法，错误的是(　　)A．可分为基因组文库和部分基因文库B．可以从基因文库中获取基因工程所需的目的基因C．基因组文库的基因在不同物种之间均可进行基因交流D．同种生物的部分基因文库基因数量较基因组文库基因数量少答案　C解析　基因组文库只有部分基因能够在不同物种之间进行基因交流。2．下列获取目的基因的方法中需要模板链的是(　　)①从基因文库中获取目的基因　②利用PCR技术扩增目的基因　③逆转录法　④通过DNA合成仪利用化学方法人工合成目的基因A．①②③④B．①②③C．②③④D．②③答案　D解析　PCR技术利用的是DNA双链复制原理，即将双链DNA之间的氢键打开，变成单链DNA，作为聚合反应的模板链。逆转录法则是以目的基因转录成的信使RNA为模板，在逆转录酶的作用下，先逆转录形成互补的单链DNA，再合成双链的DNA。①④均不需要模板。3．在基因工程技术中，需要用到CaCl2处理的环节是(　　)A．目的基因的提取和导入B．目的基因与载体结合C．将目的基因导入受体细胞D．目的基因的检测与表达答案　C解析　将目的基因导入原核生物受体细胞时，首先用Ca2＋处理细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，然后在一定条件下促进感受态细胞吸收DNA分子，完成转化。4．基因工程中因受体细胞不同，目的基因导入的方法也不同，下列叙述不正确的是(　　)A．将目的基因导入棉花细胞内常用花粉管通道法13 B．将目的基因导入老鼠细胞内常用显微注射法C．将目的基因导入大肠杆菌内常用感受态细胞转化法D．将目的基因导入小麦细胞内常用农杆菌转化法答案　D解析　小麦是单子叶植物，其受伤后不能分泌酚类物质，农杆菌对它没有感染能力。5．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，只有通过鉴定和检测才能知道。下列属于目的基因检测和鉴定的是(　　)①检测受体细胞是否有目的基因　②检测受体细胞是否有致病基因　③检测目的基因是否转录出mRNA　④检测目的基因是否翻译成蛋白质A．①②③B．②③④C．①③④D．①②④答案　C解析　目的基因的检测包括：检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是用DNA探针与基因组DNA杂交；检测目的基因是否转录出了mRNA，方法是分子杂交技术；最后检测目的基因是否翻译出了蛋白质，方法是进行抗原—抗体杂交。基础再现1．水母发光蛋白由236个氨基酸构成，其中Asp、Gly、Ser构成发光环，现已将这种蛋白质的基因作为生物转基因的标记，在转基因技术中，这种蛋白质的作用是(　　)A．促使目的基因导入宿主细胞中B．促使目的基因在宿主细胞中复制C．使目的基因容易被检测出来D．使目的基因容易成功表达答案　C2．如图为用于基因工程的一个质粒示意图。用EcoRⅠ限制酶切割目的基因和该质粒，再用DNA连接酶连接形成重组质粒，然后导入大肠杆菌，最后将大肠杆菌放在四种培养基中培养：a—无抗生素的培养基，b—含四环素的培养基，c—含氨苄青霉素的培养基，d—含四环素和氨苄青霉素的培养基。含重组质粒的大肠杆菌能生长的是(　　)A．aB．a和c13 C．a和bD．b和c答案　B3．在胰岛素的基因与质粒形成重组DNA分子的过程中，下列哪组是所需要的(　　)①同一种限制酶切割两者　②不需同一种限制酶切割两者　③加入适量的DNA连接酶　④不需加DNA连接酶A．①③B．①④C．②④D．②③答案　A解析　目的基因与载体重组需要两者具有完全相同的黏性末端，而一般只有用同一种限制酶切割目的基因和质粒才能切出相同的黏性末端，目的基因插入质粒实现重组，必须在DNA连接酶作用下才能完成。4．人们将苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因导入棉花细胞中培育成为抗虫棉，这个过程中所利用的主要原理是(　　)A．基因突变B．基因重组C．基因工程D．染色体变异答案　B解析　将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞中，通过DNA复制、转录、翻译合成特定的蛋白质，表现出特定的性状。此题易错选C。基因工程是一种技术手段，而不是生物学原理，抗虫棉的培育利用的是基因工程这一技术手段使基因发生重组。5．利用外源基因在受体细胞中表达，可生产人类所需要的产品。下列选项中能说明目的基因完成了在受体细胞中的表达的是(　　)A．棉花二倍体细胞中检测到细菌的抗虫基因B．大肠杆菌中检测到人胰岛素基因及其mRNAC．山羊乳腺细胞中检测到人生长激素DNA序列D．酵母菌细胞中提取到人干扰素蛋白答案　D解析　基因表达的产物是蛋白质，因此，只有在受体细胞中检测或提取到了相应蛋白质才能证明目的基因在受体细胞中完成了表达。A、C项只能说明完成了目的基因的导入，B项只能说明完成了目的基因的导入和目的基因的转录过程。能力提升6．在基因工程技术中，下列方法与目的基因获得无关的是(　　)A．辐射诱变法B．从部分基因文库中获取C．逆转录法D．人工合成法答案　A13 7．在基因表达载体的构建中，下列说法不正确的是(　　)①一个基因表达载体的组成包括目的基因、启动子、终止子　②有了启动子才能驱动基因转录出mRNA　③终止子的作用是使转录在所需要的地方停止　④所有基因表达载体的构建是完全相同的A．②③B．①④C．①②D．③④答案　B解析　一个基因表达载体的组成，除了目的基因外，还必须有启动子、终止子以及标记基因等。由于目的基因的不同，所构建的基因表达载体也是不同的。其中，启动子是与RNA聚合酶识别、结合的位点，控制着转录的开始；而终止子控制着转录的结束。8．如图表示利用农杆菌转化法获得某种转基因植物的部分操作步骤。以下说法错误的是(　　)A．利用含有四环素的培养基可将含Ⅱ的细菌筛选出来B．Ⅲ是农杆菌，通过步骤③将目的基因导入植株C．⑥可与多个核糖体结合，并可以同时翻译出多种蛋白质D．①过程的完成需要限制酶和DNA连接酶的参与答案　C解析　⑥是一个mRNA分子，可与多个核糖体结合形成多聚核糖体，由于翻译的模板是同一个mRNA分子，故翻译出的是同一种蛋白质。9．用某人的胰岛素基因制成的DNA探针，能与之形成杂交分子的是(　　)①该人胰岛A细胞中的DNA　②该人胰岛B细胞中的mRNA　③该人胰岛A细胞中的mRNA　④该人肝细胞中的DNAA．①③④B．①②③C．①②④D．②答案　C解析　人的胰岛素基因存在于人的所有体细胞中，因此该人胰岛A细胞和肝细胞中均含有胰岛素基因，可与用胰岛素基因制成的DNA探针形成杂交分子。该人胰岛B细胞中的mRNA有一部分是由胰岛素基因转录形成的，也能与用胰岛素基因制成的DNA探针形成杂交分子。10．农杆菌中含有一个大型的Ti质粒(如右图所示)，在侵染植物细胞的过程中，其中的TDNA片段转入植物的基因组。若想用基因工程并通过农杆菌向某种植物中导入抗旱基因，以下分析不合理的是(　　)13 A．若用Ti质粒作为抗旱基因的载体，目的基因的插入位置应该在TDNA片段内，且要保证复制起始点和用于转移TDNA的基因片段不被破坏B．将重组Ti质粒导入农杆菌中时，可以用Ca2＋处理细菌C．转基因抗旱植物培育是否成功的最简单检测方法是看该植物是否具有抗旱性状D．若能够在植物细胞中检测到抗旱目的基因，则说明该基因工程项目获得成功答案　D解析　若用Ti质粒作为抗旱基因的载体，目的基因的插入位置应该在TDNA片段内，且要保证复制起始点、终止点和用于转移TDNA的基因片段不被破坏，否则不会成功；将重组Ti质粒导入农杆菌中时，可以用Ca2＋处理细菌，便于完成转化；转基因抗旱植物培育是否成功的最简单检测方法是看该植物是否具有抗旱性状；能够在植物细胞中检测到抗旱目的基因，并能成功表达出抗旱性状，才说明基因工程项目获得成功。11．阅读下列材料，回答下列问题：材料　研究表明，玉米的光合效率明显高于水稻的光合效率，这与玉米细胞中的高光效基因有关。(1)为获得大量的玉米高光效基因，一般采用________技术扩增，该技术的前提是要知道该目的基因的一段脱氧核苷酸序列，以便利用该序列合成________。(2)将含有高光效基因的DNA(用G表示)与质粒表达载体进行酶切，酶切产物用DNA连接酶进行连接后，其中由两个DNA片段之间连接形成的产物有________、________、________三种。答案　(1)PCR(多聚酶链式反应)　引物　(2)G－G(连接物)　G－质粒(连接物)　质粒－质粒(连接物)解析　在基因工程中，利用PCR技术扩增目的基因是获取目的基因的主要方法之一。用DNA连接酶连接目的基因与载体，由两个DNA片段之间可连接形成G－G连接物、G－质粒连接物、质粒－质粒连接物三种。12．酵母菌的维生素、蛋白质含量高，可用于生产食品和药品等。科学家将大麦细胞的LTP1基因导入啤酒酵母菌中，获得的啤酒酵母菌可产生LTP1蛋白，并酿出泡沫丰富的啤酒。基本操作过程如图所示，请据图回答下列问题：(1)该技术定向改变了酵母菌的性状，这种可遗传的变异属于________________。(2)从大麦细胞中可直接分离获得LTP1基因，还可采用__________方法获得目的基因。本操作中为了将LTP1基因导入酵母菌细胞内，所用的载体是____________。13 (3)要使载体与LTP1基因连接，首先应使用__________进行切割。假如载体被切割后，得到的分子末端序列为AATTCG，则能与该载体连接的LTP1基因分子末端是____________。A．GCTTAAB．TAATTCCC．CTTTAGD．AAATCT(4)切割完成后，采用__________________酶将载体与LTP1基因连接，连接后得到的DNA分子称为________________。(5)此操作中可以分别用含有青霉素、四环素的两种选择培养基进行筛选，则有C进入的酵母菌在选择培养基上的生长情况是___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(6)除了看啤酒泡沫丰富与否外，还可用什么方法检测LTP1基因在啤酒酵母菌中是否表达？__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案　(1)基因重组　(2)人工合成　质粒　(3)限制酶A　(4)DNA连接　重组DNA(重组质粒)　(5)能在含有青霉素的培养基上存活，但不能在含有四环素的培养基上存活　(6)检验转基因啤酒酵母菌能否产生LTP1蛋白解析　基因工程从变异角度分析应属于基因重组，获取目的基因可采用直接从物种中分离或人工合成等方法，常用的载体是质粒。个性拓展13．我国曾经发生过因“非典型性肺炎”而致人死亡的病例，经研究发现，该病是由SARS病毒(一种RNA病毒)感染所引起的疾病。SARS病毒表面的S蛋白是主要的病毒抗原，在SARS病人康复后的血清中有抗S蛋白的特异性抗体。某研究小组为了研制预防SARS病毒的疫苗，开展了前期研究工作，其简要的操作流程如图：(1)实验步骤①所代表的反应过程是______________。(2)步骤②构建重组表达载体A和重组表达载体B必须使用限制性核酸内切酶和________酶，后者的作用是将用限制性核酸内切酶切割的__________________和________________连接起来。13 (3)如果省略步骤②而将大量扩增的S蛋白基因直接导入大肠杆菌，一般情况下，不能得到表达的S蛋白，其原因是S蛋白基因在大肠杆菌中不能________________，也不能__________________________。(4)为了检验步骤④所表达的S蛋白是否与病毒S蛋白有相同的免疫反应特性，可用______________________与____________________进行抗原—抗体特异性反应实验，从而得出结论。(5)步骤④和⑥的结果相比，原核细胞表达的S蛋白与真核细胞表达的S蛋白的氨基酸序列______________(填“相同”或“不同”)，根本原因是______________________________。答案　(1)逆转录　(2)DNA连接　载体　S蛋白基因(3)复制　合成S蛋白基因的mRNA　(4)大肠杆菌中表达的S蛋白　SARS康复病人血清　(5)相同　表达蛋白质所用的基因相同解析　在解答本题的过程中，应注意分析图中标注过程的含义。①通过逆转录法获得目的基因；②基因表达载体的构建；③将目的基因导入大肠杆菌(受体细胞)；④目的基因在大肠杆菌体内表达；⑤将目的基因导入动物细胞(受体细胞)；⑥目的基因在动物体内表达。在完成此类习题时，应注意将图中所获得的信息与其他信息结合起来分析，可以大大减少错误。13