第3章基因工程章末復(fù)習(xí)課教學(xué)分析教學(xué)分析教學(xué)目標1.通過復(fù)習(xí)基因工程的基本原理和操作流程，結(jié)合抗蟲棉研發(fā)案例，強化學(xué)生的生命觀念與科學(xué)思維能力，提升對基因工程核心原理和操作邏輯的理解。（生命觀念）2.通過分析基因工程在抗蟲棉研發(fā)中的應(yīng)用，梳理基因工程操作流程的邏輯關(guān)系，提升學(xué)生運用科學(xué)思維解決實際問題的能力，提升學(xué)生對基因工程原理和應(yīng)用的系統(tǒng)性理解。（科學(xué)思維）3.通過對蛋白質(zhì)工程改造抗蟲蛋白的復(fù)習(xí)，讓學(xué)生回顧實驗設(shè)計的關(guān)鍵步驟，提升在復(fù)習(xí)中整合知識、設(shè)計實驗方案的能力，進一步提升科學(xué)探究素養(yǎng)。（科學(xué)探究）4.結(jié)合基因工程和蛋白質(zhì)工程在農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用實例，讓學(xué)生回顧基因工程技術(shù)和蛋白質(zhì)工程技術(shù)對社會和人類健康的積極影響，增強對科學(xué)知識應(yīng)用的社會責(zé)任感。（社會責(zé)任）教學(xué)重難點重點：1.基因工程的基本工具與操作流程（包括PCR擴增目的基因）。2.基因工程和蛋白質(zhì)工程在農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的典型應(yīng)用。難點：1.限制酶和載體構(gòu)建的雙酶切策略。2.PCR擴增過程的關(guān)鍵條件。教學(xué)方法講授法、討論法、練習(xí)法等教學(xué)方法，準備PPT。課時安排1課時教學(xué)準備多媒體，學(xué)案，PPT等。教學(xué)設(shè)計教學(xué)設(shè)計生產(chǎn)中進一步發(fā)揮巨大作用。（設(shè)計意圖：通過抗蟲棉研發(fā)案例，自然引入基因工程單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容，展示基因工程在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重大成就，幫助學(xué)生理解其在解決實際問題中的重要價值。通過引導(dǎo)學(xué)生思考“如何通過改造Bt蛋白提升抗蟲性能”這一問題，串聯(lián)基因工程的工具、操作及其應(yīng)用邏輯，為后續(xù)復(fù)習(xí)任務(wù)奠定思維基礎(chǔ)。）任務(wù)一、基因工程的基本工具請結(jié)合教材知識，閱讀材料，完成學(xué)案內(nèi)容：【師】資料1：將從蘇云金桿菌中獲取的Bt基因轉(zhuǎn)入棉花細胞內(nèi)培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的過程中，需借助多種分子工具且經(jīng)歷多個操作步驟。實驗人員使用限制酶EcoRⅠ和NheⅠ切割質(zhì)粒。如圖表示常用的限制酶識別序列和切割位點以及質(zhì)粒上的限制酶切割位點。請思考以下問題：(1)請用圖示法寫出限制酶EcoRⅠ和NheⅠ切割后形成黏性末端的過程。(2)切割圖示中的目的基因應(yīng)選用哪類限制酶？請說明理由。(3)用兩種不同的限制酶切割目的基因的優(yōu)點是什么？【生】限制酶EcoRⅠ：限制酶NheⅠ：（2）用限制酶MunⅠ和SpeⅠ切割目的基因。限制酶MunⅠ和EcoRⅠ切割后形成的黏性末端相同，限制酶NheⅠ和SpeⅠ切割后形成的黏性末端相同，實驗人員使用限制酶EcoRⅠ和NheⅠ切割質(zhì)粒，應(yīng)選用MunⅠ和SpeⅠ切割目的基因。（3）防止質(zhì)粒和目的基因的自我環(huán)化及質(zhì)粒和目的基因的反向連接?！編煛可疃人伎迹喝裟康幕騼?nèi)部存在MunⅠ酶切位點，應(yīng)該如何調(diào)整實驗方案？【生】①尋找與MunI產(chǎn)生相同黏性末端的其他限制酶（同尾酶），以避免內(nèi)部切割。②重新設(shè)計引物引入新的酶切位點：通過PCR引物設(shè)計，在目的基因的兩端引入新的酶切位點，避開MunI的切割位點?！編煛恳罁?jù)所學(xué)內(nèi)容，自主完成遷移拓展1和歸納總結(jié)中“限制酶的選擇”的相關(guān)內(nèi)容。【遷移拓展1】(2023·新課標卷，6)某同學(xué)擬用限制酶(酶1、酶2、酶3和酶4)、DNA連接酶為工具，將目的基因(兩端含相應(yīng)限制酶的識別序列和切割位點)和質(zhì)粒進行切割、連接，以構(gòu)建重組表達載體。限制酶的切割位點如圖所示。下列重組表達載體構(gòu)建方案合理且效率最高的是()A.質(zhì)粒和目的基因都用酶3切割，用E.coliDNA連接酶連接B.質(zhì)粒用酶3切割、目的基因用酶1切割，用T4DNA連接酶連接C.質(zhì)粒和目的基因都用酶1和酶2切割，用T4DNA連接酶連接D.質(zhì)粒和目的基因都用酶2和酶4切割，用E.coliDNA連接酶連接【歸納總結(jié)】限制酶的選擇(1)不破壞目的基因原則：如圖甲中可選擇，而不選擇。(2)保留原則：質(zhì)粒作為載體必須具備標記基因，所選擇的限制酶盡量不要破壞這些結(jié)構(gòu)，如圖乙中不選擇。若載體上有兩個及以上的標記基因，則可合理對其中一些標記基因進行酶切破壞，從而達到比一個標記基因更高的篩選成功率，防止只有一個標記基因時出現(xiàn)的“假陽性”(即未成功導(dǎo)入目的基因的載體也能正常表達標記基因，造成無效篩選)。(3)善用“雙酶切”，注意方向性：目的基因所在序列和載體上存在多種酶切位點時，一般需要選擇在目的基因所在序列和載體上都存在切割位點的兩種不同的限制酶，對目的基因所在序列和載體進行剪切，即“雙酶切法”。其優(yōu)點是即用DNA連接酶連接后形成的重組DNA分子上，目的基因和載體啟動子的方向(或描述為“RNA聚合酶的移動方向”)必須是相同的，否則目的基因?qū)牒鬅o法正常表達。如圖甲、乙也可選擇和兩種限制酶。(4)巧用“同尾酶”：同尾酶指來源不同，但能產(chǎn)生相同黏性末端的限制酶。當不適合選擇某種限制酶時，可用其同尾酶替換，以獲得相同的黏性末端?！旧孔灾魍瓿蛇w移拓展1、歸納總結(jié)中的內(nèi)容，進行小組討論完善答案，進行小組展示?！具w移拓展1】C【歸納總結(jié)】（1）PstⅠSmaⅠ（2）標記基因、啟動子、終止子、復(fù)制原點SmaⅠ（3）①防止目的基因環(huán)化；②避免目的基因與載體反向連接PstⅠEcoRⅠ評價設(shè)計：根據(jù)學(xué)生遷移拓展1的作答情況及歸納總結(jié)的完成情況，通過學(xué)生互評、教師點評檢測學(xué)生對基因工程的基本工具這部分內(nèi)容的掌握情況。評價要素等級A等級B等級C學(xué)生互評教師評價內(nèi)容要求能正確分析遷移拓展1的各個選項并能準確總結(jié)選擇限制酶的標準能得出遷移拓展1的準確答案并大致準確總結(jié)選擇限制酶的標準不能得出遷移拓展1的準確答案、不能準確總結(jié)選擇限制酶的標準（設(shè)計意圖：鞏固基礎(chǔ)知識，通過限制酶切割和黏性末端的圖示，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)和鞏固基因工程基本工具的使用。培養(yǎng)分析能力，通過選擇限制酶和調(diào)整實驗方案，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力，提升科學(xué)探究能力。）任務(wù)二、基因工程的基本操作程序【師】活動一：利用PCR技術(shù)擴增Bt基因資料2：Bt抗蟲蛋白基因(簡稱Bt基因)是培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉較為合適的目的基因，篩選Bt基因后可以利用PCR技術(shù)對其進行大量擴增。回答下列問題：(1)什么是引物？DNA復(fù)制時為什么需要引物？(2)PCR擴增Bt基因需要知道Bt基因的全部核苷酸序列嗎？(3)為檢測Bt基因在轉(zhuǎn)基因抗蟲棉細胞中是否轉(zhuǎn)錄，科研人員提取棉花細胞中的總RNA，經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄過程獲得總cDNA，通過PCR技術(shù)可在總cDNA中專一性地擴增出Bt基因的cDNA，原因是什么？(4)PCR擴增過程中的循環(huán)圖示與規(guī)律如圖所示，若一個Bt基因在PCR中經(jīng)過n輪循環(huán)，理論上得到多少個DNA分子？含引物的DNA分子多少個？含其中一種引物的DNA分子多少個？同時含兩種引物的DNA分子多少個？共需要消耗多少個引物？含不等長脫氧核苷酸鏈的DNA分子多少個？含等長脫氧核苷酸鏈的DNA分子多少個？(5)PCR擴增Bt基因的過程中需要解旋酶嗎？并說明理由。所需要的DNA聚合酶應(yīng)具有什么特點？【生】結(jié)合所學(xué)知識回答相關(guān)問題（1）引物是指一小段能與DNA母鏈的一段堿基序列互補配對的短單鏈核酸。在DNA擴增時，DNA聚合酶不能從頭開始合成DNA，只能從引物的3′端延伸DNA鏈，因此復(fù)制DNA時應(yīng)加入兩種引物。（2）不需要，只要知道Bt基因兩端的部分核苷酸序列即可(以便根據(jù)這部分序列合成兩種引物)。（3）引物是依據(jù)Bt基因的一段已知序列設(shè)計合成的(或引物能與Bt基因的cDNA特異性結(jié)合)。（4）經(jīng)過n輪循環(huán)，得到2n個DNA分子，含引物的DNA分子2n個，含其中一種引物的DNA分子數(shù)(2n－1)個，同時含兩種引物的DNA分子(2n－2)個，共需要消耗(2n＋1－2)個引物。含不等長脫氧核苷酸鏈的DNA分子2n個，含等長脫氧核苷酸鏈的DNA分子(2n－2n)個。（5）不需要解旋酶，因為PCR過程中，DNA雙鏈在高溫下即可完成解旋。由于PCR過程溫度較高，故所需要的DNA聚合酶應(yīng)具有耐高溫的特點?！編煛炕顒佣豪棉r(nóng)桿菌轉(zhuǎn)換法培育抗蟲棉（1）農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法中的兩次拼接和兩次導(dǎo)入的目的分別是什么？（2）為了保證目的基因在受體細胞中能正確表達，對目的基因在質(zhì)粒中的插入位點有什么要求？（3）該實例中，導(dǎo)入目的基因的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法。為什么目的基因可以整合到染色體的DNA上？【生】（1）第一次拼接是將目的基因拼接到Ti質(zhì)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拼接到受體細胞的染色體DNA上；第一次導(dǎo)入是將含目的基因的Ti質(zhì)粒導(dǎo)入農(nóng)桿菌，第二次導(dǎo)入(非人工操作)是指含目的基因的T－DNA導(dǎo)入受體細胞。（2）目的基因應(yīng)插入啟動子與終止子之間。（3）由于Ti質(zhì)粒上的T－DNA可轉(zhuǎn)移到受體細胞且能整合到受體細胞的染色體DNA上，而目的基因又插入T－DNA，所以目的基因可以整合到受體細胞的染色體DNA上?！編煛可疃人伎迹?）在抗蟲棉培育過程中，為了防止花粉隨意傳播導(dǎo)致的“基因污染”，可以采取什么措施？（2）為了優(yōu)化Bt基因的表達，提高轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的抗蟲效果，科研工作者選擇不同的啟動子開展實驗，啟動子的作用是什么？如何檢測效果情況？【生】深度思考（1）①葉綠體轉(zhuǎn)基因技術(shù)：將目的基因轉(zhuǎn)入作物的葉綠體基因組中。由于植物的花粉一般只含有核基因組，而不含葉綠體基因組，因此通過該技術(shù)獲得的轉(zhuǎn)基因植物花粉本身不含轉(zhuǎn)基因，從而限制了轉(zhuǎn)基因通過花粉傳播。②雄性不育技術(shù)：利用雄性不育植株，將抗蟲基因?qū)脒@些植株中。雄性不育植株的花粉無法正常發(fā)育或傳播，從而限制了基因通過花粉的傳播。（2）啟動子的作用：啟動子是基因表達調(diào)控的重要元件，位于基因的上游，是RNA聚合酶識別和結(jié)合的部位，驅(qū)動基因轉(zhuǎn)錄出mRNA。檢測方法：①抗原—抗體雜交法：通過特異性抗體檢測Bt蛋白在轉(zhuǎn)基因棉花中的表達水平。②個體性狀檢測：將棉鈴蟲幼蟲放置在轉(zhuǎn)基因棉花葉片上，觀察其生長發(fā)育情況和死亡率，評估抗蟲效果。【師】依據(jù)所學(xué)內(nèi)容，自主完成遷移拓展2和歸納總結(jié)中“啟動子、起始密碼子、終止子、終止密碼子的區(qū)別”的相關(guān)內(nèi)容。A.①②B.②③C.①④D.③④【歸納總結(jié)】啟動子、起始密碼子、終止子、終止密碼子的區(qū)別項目啟動子終止子起始密碼子終止密碼子本質(zhì)位置功能【生】自主完成遷移拓展2、歸納總結(jié)中的內(nèi)容，進行小組討論完善答案，進行小組展示。【遷移拓展2】D【解析】題干中給定的條件為“在反應(yīng)管中只含大腸桿菌DNA聚合酶、擴增緩沖液、H2O和4種脫氧核苷酸”，其中缺少引物和模板，所以加入的單鏈DNA既要提供模板，又要同時作為引物。分析給定的四組DNA，均可以形成雙鏈DNA，且②④兩組的引物還可以自身折疊，結(jié)合題干信息“本實驗的溫度條件下不能產(chǎn)生小于9個連續(xù)堿基對的雙鏈DNA區(qū)”可知自身折疊部分無法形成，所以給定引物均可以兩兩結(jié)合形成雙鏈DNA區(qū)作為模板和引物進行延伸，需要注意的是提供的原料中只有dATP的堿基被熒光標記，故要想得到帶有熒光標記的DNA探針，擴增的模板鏈中應(yīng)含堿基T。分析反應(yīng)管①～④中加入的單鏈DNA，看哪種情況下可得到符合要求的雙鏈DNA，即帶有熒光標記的DNA探針，如表所示：【歸納總結(jié)】啟動子、起始密碼子、終止子、終止密碼子的區(qū)別項目啟動子終止子起始密碼子終止密碼子本質(zhì)DNADNAmRNAmRNA位置目的基因上游目的基因下游mRNA首端mRNA尾端功能RNA聚合酶識別和結(jié)合的部位，驅(qū)動基因轉(zhuǎn)錄出mRNA使轉(zhuǎn)錄在所需要的地方停下來翻譯的起始信號(編碼氨基酸)翻譯的結(jié)束信號(正常情況下,不編碼氨基酸)評價設(shè)計：根據(jù)學(xué)生遷移拓展2的作答情況及歸納總結(jié)的完成情況，通過學(xué)生互評、教師點評檢測學(xué)生對基因工程的基本操作程序這部分內(nèi)容的掌握情況。評價要素等級A等級B等級C學(xué)生互評教師評價內(nèi)容要求能正確分析遷移拓展2的各個選項并能準確總結(jié)啟動子、起始密碼子、終止子、終止密碼子的區(qū)別能得出遷移拓展2的準確答案并大致準確總結(jié)啟動子、起始密碼子、終止子、終止密碼子的區(qū)別不能得出遷移拓展的2準確答案、不能準確總結(jié)啟動子、起始密碼子、終止子、終止密碼子的區(qū)別（設(shè)計意圖：針對近幾年山東卷的重點考查內(nèi)容，通過具體任務(wù)和問題，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)基因工程的基本操作程序，包括PCR技術(shù)和農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法。通過活動一和活動二的問題設(shè)置，幫助學(xué)生理解PCR擴增、目的基因轉(zhuǎn)錄檢測、農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的原理和操作步驟，以及啟動子、終止子等基因元件的作用。同時，通過深度思考和遷移拓展，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，提升科學(xué)思維和探究素養(yǎng)。）任務(wù)三、基因工程與蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用【師】呈現(xiàn)資料，提出問題：資料3：近年來，科學(xué)家們通過引入雙價抗蟲基因，進一步提高了抗蟲棉的抗蟲效果。雙價抗蟲基因是指將兩個具有不同殺蟲機制的基因（如Bt基因和CpTI基因）共同轉(zhuǎn)入棉花。Bt基因編碼的Bt毒素能夠殺死或抑制害蟲的生長和繁殖，而CpTI基因編碼的蛋白酶抑制劑可以抑制害蟲消化道中的蛋白酶，阻止其消化功能，從而增強抗蟲效果。（1）上述抗蟲棉能抗病毒、細菌、真菌嗎？為什么？（2）從環(huán)境保護和抗蟲效果角度出發(fā)，分析雙價抗蟲棉與單基因轉(zhuǎn)基因抗蟲棉、普通棉相比在害蟲防治方面的優(yōu)越性有哪些。（1）不能。抗蟲基因具有專一性，體內(nèi)未導(dǎo)入抗病毒、細菌和真菌的基因。（2）與單基因抗蟲棉相比，增強了對害蟲的殺傷力，還延緩了害蟲對單一抗蟲基因產(chǎn)生抗性的速度。與普通棉相比，減少了化學(xué)農(nóng)藥的使用量，降低了環(huán)境污染。（3）評價設(shè)計：評價要素等級A等級B等級C等級D教師評價內(nèi)容要求(1)如果僅將基因用限制酶從DNA片段中切割下來，沒有經(jīng)過對編碼蛋白序列進行修飾、加工，或僅對其調(diào)控序列進行加工，則屬于基因工程；如果將目的基因經(jīng)過了一些實質(zhì)性的改造，如對編碼蛋白序列進行了堿基替換、增添或缺失某幾個堿基，則屬于蛋白質(zhì)工程。(2)如果合成的蛋白質(zhì)是自然界中已存在的蛋白質(zhì)(天然蛋白質(zhì))，則是基因工程；如果合成的蛋白質(zhì)與天然蛋白質(zhì)有差異，甚至是自然界中所沒有的，則為蛋白質(zhì)工程。評價反饋評價反饋完成學(xué)案中的素養(yǎng)專練課堂小結(jié)課堂小結(jié)布置作業(yè)布置作業(yè)完成課后作業(yè)（30分鐘）。教學(xué)反思教學(xué)反思在基因工程章末復(fù)習(xí)課中，以抗蟲棉的培育和改良為大情境，整體教學(xué)效果較為理想，但也暴露出一些需要改進的地方。結(jié)合抗蟲棉對生態(tài)環(huán)境的保護作用以及我國在該領(lǐng)域的成就，增強了學(xué)生對科學(xué)知識應(yīng)用的社會責(zé)任感和民族自豪感，實現(xiàn)了知識與情感態(tài)度的雙重教育目標。知識整合與應(yīng)用：通過抗蟲棉案例，學(xué)生能夠?qū)⒒蚬こ痰幕竟ぞ?、操作步驟與實際應(yīng)用緊密結(jié)合，提升了對知識的整體把握和系統(tǒng)性理解，有助于學(xué)生構(gòu)建知識體系。思維能力培養(yǎng)：設(shè)計的深度思考和遷移拓展問題，有效鍛煉了學(xué)生的分析和解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識，使學(xué)生能夠從不同角度思考問題。板書設(shè)計板書設(shè)計發(fā)酵工程章末復(fù)習(xí)一、基因工程的基本工具限制酶的合理選擇二、基因工程的基本操作流程1.PCR技術(shù)擴增目的基因的操作流程2.構(gòu)建抗蟲棉的基因表達載體3.利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法導(dǎo)入受體細胞4.目的基因的檢測與鑒定三、基因工程和蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.基因工程方法提升抗蟲棉抗蟲效果2.蛋白質(zhì)工程方法提升抗蟲棉抗蟲效果備課資源備課資源一.發(fā)酵工程近五年考題分布2020年山東卷第5題，2020年山東卷第15題，2020年山東卷第25題，2021年山東卷第13題，2021年山東卷第25題，2022年山東卷第13題，2022年山東卷第25題，2023年山東卷第25題，2024年山東卷第13題。通常以具體情境，考查基因工程的原理、工具和基本操作程序，啟動子的含義和功能，PCR技術(shù)的原理，限制酶的作用、基因表達載體的組成、啟動子的作用等，題目難度系數(shù)大；其中啟動子的插入位點和插入方向、報告基因的表達等都需要學(xué)生有很強的理解信息、獲取信息的能力、以及綜合運用知識解決問題的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，通過基因工程考查學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀。二.相關(guān)高考題1.（2020山東高考）雙脫氧核苷三磷酸（ddNTP）與脫氧核苷三磷酸（dNTP）的結(jié)構(gòu)如圖所示。已知ddNTP按堿基互補配對的方式加到正在復(fù)制的子鏈中后，子鏈的延伸立即終止。某同學(xué)要通過PCR技術(shù)獲得被32P標記且以堿基“C”為末端的、不同長度的子鏈DNA片段。在反應(yīng)管中已經(jīng)有單鏈模板、引物、DNA聚合酶和相應(yīng)的緩沖液等，還需要加入下列哪些原料？（）dGTP，dATP，dTTP，dCTP②dGTP，dATP，dTTP③α位32P標記的ddCTP④γ位32P標記的ddCTPA.①③ B.①④ C.②③ D.②④【答案】A【解析】PCR擴增DNA時，需要dGTP、dATP、dTTP、dCTP作為原料，而脫氧核苷三磷酸（dNTP）連接到子鏈上時，會斷掉2個高能磷酸鍵，為了獲得被32P標記且以堿基“C”為末端的、不同長度的DNA片段，32P標記應(yīng)位于ddCTP的α位，加入ddCTP后會終止子鏈的延伸，獲得不同長度的子鏈DNA片段，故需要①③，A正確。2.（2023山東高考）科研人員構(gòu)建了可表達JV5融合蛋白的重組質(zhì)粒并進行了檢測，該質(zhì)粒的部分結(jié)構(gòu)如圖甲所示，其中V5編碼序列表達標簽短肽V5。（1）與圖甲中啟動子結(jié)合的酶是____________。除圖甲中標出的結(jié)構(gòu)外，作為載體，質(zhì)粒還需具備的結(jié)構(gòu)有________________（答出2個結(jié)構(gòu)即可）。（2）構(gòu)建重組質(zhì)粒后，為了確定J基因連接到質(zhì)粒中且插入方向正確，需進行PCR檢測，若僅用一對引物，應(yīng)選擇圖甲中的引物___________。已知J基因轉(zhuǎn)錄的模板鏈位于b鏈，由此可知引物F1與圖甲中J基因的_____________（