第6章 从杂交育种到基因工程
1、杂交育种与诱变育种
2、基因工程及其应用
第2节 基因工程及其应用
什么是基因工程?

基因工程的原理是什么?
本课聚焦:
豆科植物的根瘤能够固定空气中的氮
资料一：目前，全球的氮肥生产耗费世界总电力的3%-4%，且农作物只能吸收氮肥的1/10,造成了大面积土壤和水质的污染。
资料分析引入
蜘蛛能够吐出蛛丝
资料二：蛛丝是自然界最奇特的物质之一，它具有极强的韧度，其韧度是同样直径钢材的好几倍。但与家蚕不同，蜘蛛不能家养，因为它们会互相吞食，所以不可能建立人工饲养蜘蛛的农场。30多年来，科学家们一直试图找到利用其他生物体来制造蛛丝的办法。
资料三
以往，治疗糖尿病的胰岛素是从动物胰腺中提取的，从100千克猪、牛等动物的胰腺只能提取3－4克胰岛素，治疗一个患者需宰杀40－50头牛，这种药物的造价就可想而知了。
微生物可以有分泌产物，且微生物繁殖速率快
设想一
能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？
能否让细菌“吐出”蛛丝？
设想二
能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？
设想三
经过多年的努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术——基因工程。
基因工程：又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。通俗的说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。
原 理：
操作水平：
结 果：
一、基因工程的定义
目的基因
基因重组
DNA分子水平
定向地改造生物的遗传性状，获得人类所需要的品种。
获得新性状
二、基因操作的工具
1.基因的“剪刀”──限制性核酸内切酶（限制酶）
一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子。
专一性
如:EcoRI限制酶
限制性内切酶（EcoRⅠ）作用过程
被同一种限制酶切断的几个DNA是否具有相同的黏性末端？
思考:
GAATTCCGTAGAATTCGGATT
尝试写出下列序列受EcoliI内切酶作用后的黏性末端
CTTCATGAATTCCCTAA
GAAGTACTTAAGGGATT
CTTAAGGCATCTTAAGCCTAA
练一练:
２、基因的针线──DNA连接酶
连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。
DNA连接酶的作用过程
基因的针线：DNA连接酶
DNA连接酶连接的是DNA骨架上的缺口，不是碱基间的氢键
3、基因的运输工具——运载体
3、基因的运输工具——运载体
常用的运载体： 质粒、噬菌体和动植物病毒等
标记基因，便于进行检测。
质粒存在于许多细菌和酵母菌等生物中,是细胞染色体外能够自主复制的很小的环状DNA分子.
三、基因工程基本步骤
1、获取目的基因
提取目的基因的方法
⑴直接分离基因——鸟枪法
将供体生物的DNA用限制酶切割为许多片段，再用运载体将这些片段都运载到受体生物的不同细胞中去。只要有一个细胞获得了需要的目的基因并得以表达，基因工程就算成功了。　　该法最大的缺点是带有很大的盲目性，工作量大，成功率低。且不能将真核生物的基因转移到原核生物中去。
⑵人工合成基因法
有两种方法：　　　　　①逆转录法：以信使RNA为模板，在逆转录酶的作用下利用脱氧核苷酸合成DNA(基因)。　　②化学合成法：根据蛋白质的氨基酸顺序推算出信使RNA核糖核苷酸顺序，再据此推算出基因DNA的脱氧核苷酸顺序。用游离脱氧核苷酸直接合成相应的基因。
用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在DNA连接酶的作用下连接形成重组DNA分子。
2、目的基因与运载体结合
3、将目的基因导入受体细胞
常用的受体细胞：菌类和动植物细胞
4、目的基因的表达和检测
大量的受体细胞接受不多的目的基因。处理的受体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中检测出来。
将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保留有表达产物的进一步培养、研究。

第一步：获取目的基因
基因工程基本步骤：
第二步：目的基因与运载体结合
第三步：将目的基因导入受体细胞
第四步: 目的基因的表达和检测
？如何让大肠杆菌生产人胰岛素？
①从细胞中分离出DNA
⒈要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是( )　
①限制酶　②DNA连接酶　③解旋酶　④还原酶　　　 Ａ．①②　Ｂ．③④　Ｃ．①④　Ｄ．②③

2.基因工程的正确操作步骤是（　）①使目的基因与运载体结合　　②将目的基因导入受体细胞　③检测目的基因的表达是否符合特定性状要求④提取目的基因
Ａ． ③②④① 　　Ｂ． ②④①③　　　　　Ｃ． ④①②③ 　 　Ｄ． ③④①②
积极思维:
3.实施基因工程的第一步的一种方法是把所需的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限制性内切酶。一种限制性内切酶能识别ＤＮＡ分子的ＧＡＡＴＴＣ顺序，切点在Ｇ和Ａ之间，这是利用了酶的（　） Ａ．高效性　　　　Ｂ．专一性　　　 Ｃ．多样性　　　　Ｄ．催化活性易受外界影响⒋采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的作法正确的是（　）①将毒素蛋白注射到棉受精卵中　　②将编码毒素蛋白的ＤＮＡ序列，注射到棉受精卵中　③将编码毒素蛋白的ＤＮＡ序列，与质粒重组，导入 细菌，用该细菌感染棉的体细胞，在进行组织培养④将编码毒素蛋白的ＤＮＡ序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵中Ａ．①②　Ｂ．②③ Ｃ．③④ Ｄ．④①
思维拓展:
细菌和人是差异非常大的两种生物,为什么通过基因重组后,细菌能够合成人体的某些蛋白质呢?
？
水母
四、　基因工程的应用
1、基因工程与作物育种
获得高产、稳产和具有优良品质的农作物和具有抗逆性的作物新品种。
获得人们所需要的和具有优良品质的转基因动物
2、基因工程与药物研制
许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。
微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。
胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。
将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%!
3、　环境保护　　基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。
通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。
利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。
环境检测：用DNA探针检测水中病毒的含量
4、其他
基因诊断：如用基因探针检测肝类病毒、诊断遗传病
基因治疗：把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。
五、转基因生物和转基因食品的安全性
阅读P105资料分析，讨论：
你认为应该如何对待转基因生物和转基因食品的安全性问题？
转基因生物与食物安全
反对实质性等同。
担心滞后效应。
担心出现新的过敏原。
担心营养成分改变。
把动物蛋白转入农作物是否侵犯了素食者的权益？
实质性等同是转基因农作物安全性评价的起点而非终点。
多环节、严谨的安全性评价，可以保证转基因食物的安全。
科学家审慎的态度。
没有转基因食物影响人体健康的实例。
举证排除法。
转基因生物与环境安全
会破坏生态系统的稳定性。
重组的微生物在降解某些化合物时所产生的中间产物，可能造成二次污染。
重组DNA与微生物杂交可能产生对人类有害的病原微生物。
转基因植物的花粉中含有的毒蛋白通过食物链有可能进入动物或人体。
转入的是自然界已有的基因，，不会破坏生态系统的稳定性。
可以减少农药用量。
抗除草剂农作物使农田管理更容易。
新闻报道不实，公众的过分担忧。
雀巢:坚持使用转基因原料 称安全性已经被证明
我国的行动
2001年5月，国务院公布《农业转基因生物安全管理条例》，对农业转基因生物的研究和试验、生产和加工、经营和进出口等作了具体规定。
趋利避害，不能因噎废食。
练习题
例题1:请写出下面各项培育方法：
（1）通过花药离体培养再用秋水仙素加倍得到烟草新品种的方法是 。
（2）用60Co 辐射谷氨酸棒状杆菌，选育出合成谷氨酸的新菌种，所用方法是 。
（3）用小麦和黑麦培育八倍体黑小麦的方法是 。
（4）将青椒的种子搭载人造卫星，在太空中飞行数周后返回地面，获得了果大、肉厚和维生素含量高的青椒新品种，这种育种原理本质上属于 。
（5）用抗倒伏、不抗锈病和不抗倒伏、抗锈病的两个小麦品种，培育出抗倒伏、抗锈病的品种，所用方法是 。
（6）用秋水仙素或硫酸二乙酯处理蕃茄、水稻种子，获得成熟期早、蛋白质含量高的品系，这种方法是 。
（7）将白菜与甘蓝的体细胞用酶处理，再用聚乙二醇使其融合，通过组织培养获得新的植物品种。这种方法是 。
（8）将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花受精卵中，培育出抗虫棉的方法是 。
（9）生产“人工种子”采用的方法是 。
单倍体育种
诱变育种
多倍体育种
诱变育种
杂交育种
多倍体育种
植物体细胞杂交育种
转基因育种
植物组织培养
2.下列黏性末端属于同一种限制酶切割而成的是（　　）
A.①② B.①③
C.①④ D.②③ 
3.1976年人类首次获得转基因生物，即将人的生长抑制素因子的基因转入大肠杆菌，并获得表达。这里的“表达”是指该基因在大肠杆菌内（　　）
A.能进行DNA复制 B.能进行转录和翻译
C.能合成生长抑制素因子 D.能合成人的生长激素
4.下列高科技成果中，根据基因重组原理进行的是（　　）
①我国科学家袁隆平利用杂交技术培育出超级水稻　②我国科学家将苏云金的某些基因移植到棉花体内，培育出抗虫棉　③我国科学家通过返回式卫星搭载种子培育出太空椒　④我国科学家通过体细胞克隆技术培育出克隆牛
A.① B.①②
C.①②③ D.②③④