第3章基因工程第3節(jié)基因工程的應用學習目標學習目標1.通過梳理整合基因工程的典型應用案例，理解其基本原理，舉例說出其在實際生活中的重要成果。（生命觀念、社會責任）2.通過分析材料并借助問題引導，構(gòu)建基因工程操作流程模型，培養(yǎng)模型建構(gòu)與問題解決能力。（生命觀念、科學思維）3.引導學生關注科學與社會，認同基因工程的應用對生產(chǎn)力的提高有促進作用。（社會責任）自主預習自主預習一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應用1.轉(zhuǎn)基因抗蟲植物(1)技術方法:從某些生物中分離出具有的基因,將它導入作物中培育出具有抗蟲性的作物。

(2)實例:轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花、玉米、大豆、水稻和馬鈴薯等。2.轉(zhuǎn)基因抗病植物(1)技術方法:將來源于等的抗病基因?qū)胫参镏?培育出轉(zhuǎn)基因抗病植物。

(2)實例:轉(zhuǎn)基因抗病毒甜椒、番木瓜和煙草等。3.轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物(1)技術方法:將的基因?qū)胱魑?可以培育出抗除草劑的作物品種。

(2)實例:轉(zhuǎn)基因抗除草劑玉米、大豆、油菜和甜菜等。4.改良植物的品質(zhì)(1)技術方法:將編碼基因?qū)胫参镏?可以提高這種氨基酸的含量。

(2)實例:轉(zhuǎn)基因玉米中賴氨酸的含量比對照高30%。5.提高動物的生長速率(1)技術方法:將基因?qū)雱游矬w內(nèi),以提高動物的生長速率。

(2)實例:轉(zhuǎn)基因鯉魚。6.改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)(1)技術方法:將基因?qū)肽膛；蚪M。

(2)實例:乳汁中乳糖含量大大降低的轉(zhuǎn)基因奶牛。二、基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領域的應用1.技術方法①對微生物或動植物的細胞進行,使它們能夠生產(chǎn)藥物。

②利用乳腺生物反應器生產(chǎn)藥物:將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調(diào)控序列整合，構(gòu)建表達載體,通過導入哺乳動物的受精卵中,培育出的轉(zhuǎn)基因動物通過來生產(chǎn)所需要的藥物。

③培育移植器官:在器官供體的基因組中導入調(diào)控基因表達的,以抑制基因的表達,或設法除去基因,然后再結(jié)合克隆技術,培育出不會引起反應的轉(zhuǎn)基因克隆器官。

2.實例:重組人干擾素、血小板生成素、促紅細胞生成素和粒細胞集落刺激因子等。三、基因工程在食品工業(yè)方面的應用1.技術方法:利用基因工程菌生產(chǎn)食品工業(yè)用、和等。例如將編碼牛凝乳酶的基因?qū)氪竽c桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中,再通過批量生產(chǎn)凝乳酶。

2.實例:阿斯巴甜、淀粉酶、脂肪酶等。預習自測（1）基因工程“超級細菌”可降解DDT等持久性有機污染物，但存在生態(tài)風險。（）（2）基因工程改造的微生物可生產(chǎn)所有種類的工業(yè)酶，包括高溫淀粉酶、纖維素酶等。（）課堂探究課堂探究情境：請同學們想象：你們是未來生物科技公司的核心技術人員，需要向投資人推薦一個具有應用前景的基因工程項目。如何選題，如何講清技術原理？今天我們就從應用角度出發(fā)，深入探討基因工程的多領域?qū)嵺`。任務一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應用資料分析：在閱讀教材P88～89內(nèi)容和資料1～3的基礎上，完成轉(zhuǎn)基因作物的應用歸類表。資料1.科學家將從蘇云金桿菌中分離出來的編碼蘇云金桿菌Bt抗蟲蛋白基因（簡稱Bt基因）導入棉花細胞，培育出了轉(zhuǎn)基因抗蟲棉。資料2.科學家將番木瓜環(huán)斑病毒毒株的復制酶基因轉(zhuǎn)入番木瓜細胞內(nèi)，培育出具有很強抗病性能的轉(zhuǎn)基因品系——“華農(nóng)1號”。近年來，科學家利用基因工程技術將一些特定的基因，如病毒的復制酶基因和衣殼蛋白基因以及幾丁質(zhì)酶基因、植物抗毒素基因?qū)胄←湣⑻鸾坊蚍训茸魑铮@得了抗病的小麥、甜椒或番茄等新品種。資料3.科學家發(fā)現(xiàn)土壤農(nóng)桿菌中的突變型EPSPS基因編碼的酶對草甘膦的親和力極低。將該基因轉(zhuǎn)入大豆中，轉(zhuǎn)基因大豆即使在草甘膦存在的情況下下仍能合成必需氨基酸從而存活。1.完善表格項目轉(zhuǎn)基因生物目的基因轉(zhuǎn)基因植物抗蟲抗蟲棉抗病抗病番木瓜抗除草劑轉(zhuǎn)基因大豆改良品質(zhì)轉(zhuǎn)基因矮牽牛轉(zhuǎn)基因動物提高生長速率轉(zhuǎn)基因鯉魚改良畜產(chǎn)品品質(zhì)轉(zhuǎn)基因奶牛2.運用基因工程改良動植物品種的優(yōu)點是什么？思考提升：轉(zhuǎn)基因抗蟲植物能殺滅害蟲，與農(nóng)藥防治相比有很多優(yōu)點，但與生物防治相比存在哪些缺點？任務二、基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領域的應用資料分析：閱讀教材P90并根據(jù)以下資料完成下列問題。資料1.1993年我國推出首個重組IFNα1b（商品名“賽若金”），它打破進口藥壟斷，實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)干擾素。科學家從人白細胞cDNA文庫克隆IFNα1b基因?qū)氪竽c桿菌中，使其能正常表達干擾素。資料2：科學家發(fā)現(xiàn)，利用基因工程菌生產(chǎn)干擾素時會有一定局限性，如大腸桿菌因缺少相應細胞器故無法完成真核蛋白的加工修飾；大腸桿菌細胞壁脂多糖易隨裂解釋放，需額外步驟去除，增加純化負擔等等?？茖W家正積極探索替代辦法。1.比較乳腺生物反應器與基因工程菌生產(chǎn)藥物的區(qū)別比較內(nèi)容乳腺生物反應器基因工程菌含義指讓外源基因在哺乳動物的乳腺中特異表達,利用動物的乳腺組織生產(chǎn)藥物蛋白指用基因工程的方法,使外源基因得到高效表達的菌類細胞株系受體基因結(jié)構(gòu)與人類基因結(jié)構(gòu)差異基因表達受體細胞目的基因?qū)敕绞缴a(chǎn)條件藥物提取生產(chǎn)設備畜牧業(yè)生產(chǎn)、提取設備發(fā)酵生產(chǎn)、提取設備2.繪制利用基因工程技術獲得生產(chǎn)干擾素的乳腺生物反應器流程圖。思考提升：乳腺生物反應器有何缺陷？還可以用動物的什么部位替代生產(chǎn)？任務三、基因工程在食品工業(yè)方面的應用[回扣教材]閱讀教材P91內(nèi)容回答下列問題：1.凝乳酶的用途是什么？利用基因工程技術生產(chǎn)凝乳酶相比傳統(tǒng)生產(chǎn)凝乳酶的優(yōu)勢有哪些？2.繪制利用基因工程技術生產(chǎn)凝乳酶的步驟概念圖。3.基因工程技術生產(chǎn)的工業(yè)用酶與從天然產(chǎn)物中提取的酶相比有何優(yōu)點？學以致用：小麥是重要的糧食作物。它的根部一般沒有根瘤菌，在種植時常需要施加氮肥，這不但增加了生產(chǎn)成本，還可能污染環(huán)境。嘗試從“引入外源基因”和“基因改造微生物”兩個角度提出利用基因工程技術解決問題的方案，并分析每種方法的可行性、成本和生態(tài)風險，選擇最優(yōu)方案。1．生物學相關技術在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)方面應用廣泛。下列相關說法錯誤的是（）A．將藥用蛋白基因?qū)肽膛Ｊ芫?，?gòu)建乳腺生物反應器B．植物組織培養(yǎng)、動物細胞培養(yǎng)和PCR實驗中均需無菌操作C．可用PCR等技術檢測編碼牛凝乳酶的基因是否導入受體細胞D．可采用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將抗某種除草劑的基因?qū)朕r(nóng)作物細胞2．以下有關基因工程應用的說法正確的是（）A．用基因工程培育的抗蟲植物也能抗病毒B．基因工程在畜牧業(yè)上的應用主要是培育體型巨大的動物C．基因工程可用來培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、品質(zhì)優(yōu)良和抗逆性強的作物D．科學家將必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)導入植物中，或者改變這些氨基酸的合成途徑中某種關鍵酶的活性，以提高必需氨基酸的含量3．（不定項）天然蝦青素具有強大的清除氧自由基的能力，還具有著色、提高免疫力等特性，被廣泛應用在化妝品、飼料添加劑和醫(yī)藥等行業(yè)中。常用微生物發(fā)酵合成蝦青素，已知紅法夫酵母能夠生產(chǎn)蝦青素，但存在產(chǎn)量低、成本高等弊端，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)蝦青素存在諸多挑戰(zhàn)。下列敘述正確的是（）A．蝦青素可能具有延緩衰老、抑制腫瘤發(fā)生等生理作用B．培養(yǎng)基中碳氮源比例可能會影響到菌株發(fā)酵合成蝦青素C．可通過基因工程改造野生型紅法夫酵母提高蝦青素產(chǎn)量D．工業(yè)化生產(chǎn)蝦青素不需要考慮pH、溶氧量等因素對產(chǎn)量的影響4．閱讀下面的材料并回答問題：轉(zhuǎn)基因生物就是利用DNA重組技術，將外源基因（目的基因）導入受體生物（動物、植物、微生物）體內(nèi)。當這些外源基因與受體生物的基因整合后，外源基因就能隨受體生物細胞的分裂而增殖，并能表達出受體生物原本沒有的性狀，且能遺傳給后代。(1)不同生物間基因移植成功，說明生物共用一套；從生物進化的角度看，說明這些生物具有。(2)轉(zhuǎn)基因技術將給農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等諸多領域帶來革命，目前取得了許多成就，同時也可能給人類帶來災難性的后果。試各舉一至兩個實例：。(3)有人提出“吃基因補基因”，你是否贊成這種觀點？試從新陳代謝的角度簡要說明理由：。[課堂小結(jié)]請根據(jù)本節(jié)課學到的內(nèi)容構(gòu)建知識體系。參考答案參考答案自主預習一、1.抗蟲功能2.某些病毒、細菌、真菌等3.降解或抵抗某種除草劑4.某種必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)5.外源生長激素6.腸乳糖酶二、1.①基因改造②顯微注射的方法分泌乳汁③DNA序列抗原決定抗原決定免疫排斥三、1.酶氨基酸維生素工業(yè)發(fā)酵預習自測：（1）√（2）×課堂探究任務一1.項目轉(zhuǎn)基因生物目的基因轉(zhuǎn)基因植物抗蟲抗蟲棉蘇云金桿菌Bt基因抗病抗病番木瓜番木瓜環(huán)斑病毒毒株的復制酶基因抗除草劑轉(zhuǎn)基因大豆突變型EPSPS基因改良品質(zhì)轉(zhuǎn)基因矮牽牛植物花青素代謝相關基因轉(zhuǎn)基因動物提高生長速率轉(zhuǎn)基因鯉魚外源生長激素基因改良畜產(chǎn)品品質(zhì)轉(zhuǎn)基因奶牛腸乳糖酶基因2.最突出的優(yōu)點是能打破常規(guī)育種難以突破的物種之間的界限?；蚬こ淌乖松锱c真核生物之間、動物與植物之間，甚至人與其他生物之間的遺傳物質(zhì)相互重組和轉(zhuǎn)移成為可能，在農(nóng)、林、牧、漁等產(chǎn)業(yè)中的應用前景廣闊。思考提升：抗蟲轉(zhuǎn)基因植物對害蟲進行了定向選擇，使含抗性基因的害蟲個體得到保留，并大量繁殖，害蟲有再度大爆發(fā)的可能；而生物防治會使害蟲數(shù)量長期被控制在較低水平。任務二1.比較內(nèi)容乳腺生物反應器基因工程菌含義指讓外源基因在哺乳動物的乳腺中特異表達,利用動物的乳腺組織生產(chǎn)藥物蛋白指用基因工程的方法,使外源基因得到高效表達的菌類細胞株系受體基因結(jié)構(gòu)與人類基因結(jié)構(gòu)差異動物基因結(jié)構(gòu)與人類的基因結(jié)構(gòu)基本相同細菌和酵母菌的基因結(jié)構(gòu)與人類的基因結(jié)構(gòu)有較大差異基因表達合成的藥物蛋白與天然蛋白質(zhì)相同細菌合成的藥物蛋白可能沒有活性受體細胞動物受精卵微生物細胞目的基因?qū)敕绞斤@微注射法感受態(tài)細胞法生產(chǎn)條件無需嚴格滅菌;溫度等外界條件對其影響不大需嚴格滅菌,嚴格控制工程菌所需的溫度、pH、營養(yǎng)物質(zhì)濃度等外界條件藥物提取從動物乳汁中提取從微生物細胞或其培養(yǎng)液中提取生產(chǎn)設備畜牧業(yè)生產(chǎn)、提取設備發(fā)酵生產(chǎn)、提取設備2.思考提升：受性別的限制；若從動物尿液中提取目的基因產(chǎn)物則不受性別限制，故可利用膀胱生物反應器生產(chǎn)藥用蛋白。任務三1.凝聚固化奶中的蛋白質(zhì)，生產(chǎn)奶酪。無需屠宰小牛，符合動物福利與素食/潔凈食品需求；成本低等。2.3.純度更高，生產(chǎn)成本顯著降低，生產(chǎn)效率較高。學以致用：方案1，將豆科植物（如大豆）的根瘤菌共生基因通過轉(zhuǎn)基因技術導入小麥基因組，使其根部能識別并與根瘤菌建立共生關系，形成固氮根瘤。方案2，通過基因編輯技術改造小麥的固氮相關基因，激活其內(nèi)源性固氮潛力。建議方案2，理由：不引入外源微生物，符合生物安全原則；基因編輯工具（如CRISPR）已成熟，可模塊化改造代謝途徑；可與方案一結(jié)合（如先優(yōu)化自身固氮能力，再嘗試共生系統(tǒng)），形成技術迭代路徑。當堂訓練1.A【解析】將藥用蛋白基因和乳腺蛋白基因的啟動子等調(diào)控組件導入奶牛受精卵，構(gòu)建乳腺生物反應器，A錯誤；為避免雜菌污染，植物組織培養(yǎng)、動物細胞培養(yǎng)和PCR實驗中均需無菌操作，B正確；可用PCR等技術檢測編碼牛凝乳酶的基因是否導入受體細胞，該過程遵循堿基互補配對原則，C正確；可采用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將抗某種除草劑的基因?qū)朕r(nóng)作物細胞，該方式是將目的基因?qū)胫参锛毎淖畛Ｓ梅椒?，D正確。2.C【解析】用基因工程培育的抗蟲植物只能抗某種蟲害，不能抗病毒，A錯誤；基因工程用于畜牧業(yè)主要是為了改良動物品種，改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)，B錯誤；基因工程可用來培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、品質(zhì)優(yōu)良和抗逆性強的作物，如轉(zhuǎn)基因抗病植物、轉(zhuǎn)基因抗逆植物、轉(zhuǎn)基因改良植物品質(zhì)等，C正確；想要提高植物的必需氨基酸含量，應將必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参镏校珼錯誤。3.ABC【解析】蝦青素具有強大的清除氧自由基的能力，而氧自由基是導致衰老和癌癥的重要因素之一，因此蝦青素可能具有延緩衰老、抑制腫瘤發(fā)生等生理作用，A正確；碳氮源是微生物生長和代謝的重要營養(yǎng)物質(zhì)，其比例會影響微生物的生長速度、代謝途徑和產(chǎn)物合成，因此培養(yǎng)基中碳氮源比例可能會影響到菌株發(fā)酵合成蝦青素，B正確；基因工程技術可以對微生物的基因進行定向改造，從而改變其代謝途徑和產(chǎn)物合成，提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)量，因此可通過基因工程改造野生型紅法夫酵母提高蝦青素產(chǎn)量，C正確；pH和溶氧量是影響微生物生長和代謝的重要環(huán)境因素，其變化會影微生物的生長速度、代謝途徑和產(chǎn)物合成，因此在工業(yè)化生產(chǎn)蝦青素的過程中，需要嚴格控制pH和溶氧量等環(huán)境因素，以確保微生物的正常生長和代謝，從而提高蝦青素的產(chǎn)量，D錯誤。4.(1)遺傳密碼親緣關系（共同祖先）(2)成就：將抗病基因轉(zhuǎn)移到水稻中形成抗病水稻新品種；將人的干擾素基因轉(zhuǎn)移到豬的體內(nèi)，培育生產(chǎn)人干擾素的豬。不良后果：轉(zhuǎn)基因作物通過花粉傳播可與親緣關系較近的植物雜交，從而導致基因逃逸，可能產(chǎn)生優(yōu)勢種，危及生物多樣性(3)不贊成，因為基因被吃入后，與其他生物大分子一樣被消化分解，不可能以原狀進入細胞，更不可能補充或整合到人體原有的基因中去；贊成，基因被吃下去后，消化分解為簡單物質(zhì)，可以作為合成DN