玉米为什么会有如此多的颜色？
新课导入
这些生物为什么会如此的怪异？
他们之间为什么会有如此大的差异呢？
第2节 基因工程及其应用
一、基因工程的原理
二、基因工程的应用
三、转基因生物及食品的安全性
1.能说基因工程的主要步骤。
　　2.能说出基因工程应用的优势、应用方面和现状。
　　3.了解转基因生物和食品的安全性。
教学目标
知识目标
1. 通过动手实践,了解基因工程的主要步骤。
　　2. 通过学习,能够了解基因工程应用现状,并预测发展。
　　3. 通过讨论,对转基因生物和食品持理性态度。
能力目标
1.了解基因工程，认识基因工程技术的优势，同时理性对待基因工程技术及产物。
　　2.培养科学、严谨、为人类谋福利的主体科学思想。
情感态度与价值观
1.基因工程的主要步骤。
2.基因工程的应用。
3.转基因生物和食品的安全性。
基因工程经历的四个步骤。
教学重难点
重点
难点
一.基因工程的原理
基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。通俗地说，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。
1.基因的“剪刀 ”
（一）基因操作的工具
指的是限制性内切酶。是在生物体(主要是微生物)内的一种酶，能将外来的DNA切断，由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的，故名限制性内切酶。
特点：专一性。
即一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子。
实　例
如下图所示，大肠杆菌中的内切酶a可以准确的在G和A之间将基因片段切开。
重播
DNA被限制酶切断后，两条单链的切口各有几个伸出的核苷酸，它们正好互补配对，这样的切口称“黏性末端”。被同一种限制酶切断的几个DNA具有相同的黏性末端，能够通过碱基互补配对原则进行配对。
2.DNA连接酶
在基因工程中起到“针线”的作用，可以将DNA片断的粘性末端之间的缝隙“缝合”起来，使之重新组合为完整的DNA分子。
3.基因的运载工具-运载体
作为运载体的条件：
(1)有某种限制酶的一个切点, 最好是有许多种限制酶的切点, 而且每种酶的切点只有一个;
　　(2)外源DNA插入后不影响载体在受体细胞中进行自我复制, 载体应对受体细胞无害, 以及载体能接纳尽可能大的外源DNA片段;
(3)有利于选择的标记基因, 可以很方便地知道外源DNA已经插入,以及把接受了载体的受体细胞选出;
　　(4)具有促进外源DNA表达的调控区。
常用的运载体主要有两类：
　　(1)噬菌体或某些动植物病毒
　　(2)细菌细胞质的质粒
大肠杆菌
噬菌体λ
当噬菌体感染宿主细胞后, 双链DNA分子通过cos而成环状。在感染早期, 环状DNA 分子进行转录.在此期间, 噬菌体有两条复制途径可供选择:
(1)裂解生长。环状DNA 分子在宿主细胞里复制若干次, 合成了大量的噬菌体基因产物, 形成子代噬菌体颗粒。
(2)溶源性生长,噬菌体DNA 整合进宿主菌的基因组。
质　粒
存在：存在于细菌及酵母菌的染色体以外。
　　特性：是很小的环状DNA分子，在细胞染色体外能够自我复制。
大肠杆菌质粒是大肠杆菌中发现的染色体外的遗传因子, 它是闭合环状的双链DNA分子。应用的最广泛的质粒载体是pbr322, 它属松弛型质粒,有抗氨苄青霉素和抗四环素两个抗性基因可作为标记基因, 有许多种常用的限制酶的切点。它全长4352个核苷酸, 排列顺序已全部测定。
(二)基因工程的步骤
四个基本步骤：
提取目的基因
目的基因与运载体结合
将目的基因导入受体细胞
目的基因的检测和表达
1.提取目的基因
可应用的目的基因主要有：苏云金芽孢杆菌抗虫基因、植物的抗病（抗病毒、抗细菌）基因、种子的贮藏蛋白的基因、人的胰岛素基因、干扰素基因等。
从细胞中取出DNA
用限制性内切酶切断DNA
获得目的基因
DNA序列自动测序仪
DNA测序仪显示的碱基排列顺序
获得目的基因的两种途径
两种方案
直接取自供体细胞
人工合成
（鸟枪法）
供体DNA
DNA片段
限制酶
目的基因
扩增筛选
两条途径
信使RNA
逆转录合成
目的基因
推测
肽链氨基酸序列
信使RNA序列
基因DNA序列
目的基因
DNA合成仪
2.目的基因与运载体结合
用特定的限制酶切割质粒，然后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，在连接酶的作用下连接形成重组DNA分子。
细菌的质粒
供体细胞的DNA
切割DNA
切割DNA
目的基因粘性末端
目的基因
重组DNA
DNA连接酶
(同种限制性内切酶)
（目的基因的提取以及其与运载体的结合）
提供质粒细菌
供体细胞
同种限制酶
DNA 连接酶
重组DNA（重组质粒）
3.将目的基因导入受体细胞
重组DNA
4.目的基因的检测和表达
(1)检测的意义：鉴别目的基因是否真正导入受体细胞。
　　(2)检测方法：大肠杆菌质粒具有抗青霉素基因（标记基因），只要检测受体细胞具有抗青霉素的能力，就说明导入了目的基因。
　　(3)目的基因的表达：受体细胞表现出特定性状，说明目的基因导入和完成表达过程。
多细胞生物的检测
将每个受体细胞单独培养并诱导发育成完整个体，检测这些个体是否摄入目的基因，摄入的基因是否表达（是否表现出相应的性状）。淘汰无变化的个体，保留有相应变化的个体进一步培养、研究。
例：用棉铃饲喂棉铃虫，如虫吃后不出现中毒症状，说明未摄入目的基因或摄入目的基因未表达。如虫吃后中毒死亡，则说明摄入了抗虫基因并得到表达。
动画：
实 例
人们通过基因工程培育一种抗虫棉，它可以产生毒素，杀死害虫。毒素是蛋白质，表达它的基因是从苏云金芽孢杆菌中提取出来，放入棉的细胞中，与棉细胞中的DNA结合起来，在棉中表达并发挥作用。
抗虫棉的构建
二.基因工程的应用
运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。
1.基因工程与作物育种
(1)基因工程在农业上的应用
培育抗逆性品种
将细菌的抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如转基因抗虫棉。
抗虫基因作物的意义：
减少农药的用量，降低了生产的成本，减少了农药对环境的污染。
转抗黄瓜花叶病毒的番茄
转基因水稻和小麦
转耐除草剂基因大豆
(2)基因工程在畜牧业的应用
培育具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量的皮毛等优良品质的转基因动物品种。
　　该过程的重要步骤是重组DNA转移到动物受精卵中。
转基因高产奶牛
转基因荧光兔胚胎
转基因荧光猫
2.基因工程与药物研制
用基因工程的方法生产胰岛素、干扰素、白细胞介素、凝血因子、以及预防乙肝、霍乱、伤寒、疟疾等的疫苗。
　　提高生产产量、降低生产成本。
幽门螺杆菌疫苗
治疗糖尿病
治疗生长缺陷症
治疗烫伤、胃溃疡
治疗某些癌症
治疗癌症或病毒感染
预防病毒性肝炎
治疗心血管病
（心脏病）
部分基因工程药物及其作用
三.转基因生物及食品的安全性
转基因抗虫杨
转抗生素基因木瓜
已上市的转基因食品
抗除草剂基因大豆
抗虫基因玉米
抗病毒基因油菜
抗病毒土豆
转抗虫基因棉花
转基因水果和蔬菜
国际农业生物技术应用推广协会（ISAAA）的最新统计数据显示，2007年，全球转基因农作物种植国家增至23个，转基因农作物种植面积新增1230万公顷，增幅为12%；2008年，转基因农作物种植国增至25个，种植面积持续增长9.4%。
其中，种植面积排名前三位的国家分别为，美国（6250万公顷）、阿根廷（2100万公顷）和巴西（1580万公顷）。中国全国生物技术作物种植面积达380万公顷，在全球生物技术作物种植面积超过100万公顷的八个国家中排名第六。

1.抗逆性强,减少农药使用、减少环境污染。
2.节省生产成本，降低粮食售价。
3.增加食品营养、提高食品产量等。
5.增加食物种类，提升食物品质。
6.促进生产效率，带动相关产业发展。
转基因作物的优点
肉质鲜美的转基因青椒
高维生素含量的转基因胡萝卜

1.可能产生抗除草剂的超级杂草。
　 2.可能使疾病的散播跨越物种障碍。
　 3.可能损害农作物的生物多样性。
　 4.创造新物种, 干扰生态系统的稳定性。
　5.使人体产生抗药性,可能产生新毒素和新过敏源。
转基因可能存在的缺点

长“眼睛”的土豆
反对转基因食品卫士
抗议转基因婴儿食品
反对者在试验地
关于转基因争论产生的原因
1.转基因食品上市时间太短,人们对转基因食品缺乏了解。
　　2.转基因食品的安全性证实需要时间。
　　3.科学问题比较复杂,科学原理还不能够给出圆满的解答。
面对如此的诱惑
我国对转基因的态度
1.大力支持植物基因工程研究,但不支持商品化。
　　2.加强审批和管理。
　　3.制定相关法律和规定。
　　4.2002年3月我国规定转基因食品要贴标签。
(一)基因工程的原理
1.基因操作的“工具”
(1)限制性内切酶-剪刀
(2)DNA连接酶-针线
(3)基因的运载工具-运载体
课堂小结
1.基因工程与作物育种


2.基因工程与药物研制
(二)基因工程的应用
(1)基因工程在农业上的应用
(2)基因工程在畜牧业的应用
2.基因工程的步骤
(1)提取目的基因
(2)目的基因与运载体结合
(3)将目的基因导入受体细胞
(4)目的基因的检测和表达
(三)转基因生物及食品的安全性
1.已上市的转基因食品主要品种
2.转基因作物的优点
3.转基因可能存在的缺点
4.对转基因食品安全性产生疑问的原因
5.我国对转基因的态度
高考链接
（2009上海）人体细胞内含有抑制癌症发生的P53基因，生物技术可对此类基因的变化进行检测。
（1）目的基因的获取方法通常包括________和________。
从细胞中分离
通过化学方法人工合成
限制E
识别序列
限制E
识别序列
正常人
患者
部分基因区域
（2）上图表示从正常人和患者体内获取的P53基因的部分区域。与正常人相比，患者在该区域的碱基会发生改变，在上图中用方框圈出发生改编的碱基对，这种变异被称为________。
基因突变
（3）已知限制酶E识别序列为CCGG,若用限制酶E分别完全切割正常人和患者的P53基因部分区域（见上图），那么正常人的会被切成________个片段，而患者的则被切割成长度为________对碱基和________对碱基的两种片段。
解析:正常人p53基因终于两个限制酶E的识别序列，完全切割后可产生三个片段，患者p53基因中有一个限制酶E的识别序列发生突变，且突变点位于识别位点内，这样患者就只有一个限制酶E的识别序列，切割后产生两个片段，分别为290+170=460对碱基，220对碱基。
3
460
220
（4）如果某人的P53基因部分区域经限制酶E完全切割后，共出现170、220、290和460碱基对的四种片段，那么该人的基因型是________（以P+表示正常基因，Pn表示异常基因）。
解析：正常人经限制酶E完全切割后产生三个片段，290对碱基、170对碱基和220对碱基，患者产生两个片段460对碱基和220对碱基，则该人的基因型应为P+P-。
P+P-
1. 人体某蛋白质在细胞中合成后必须经过内质网和高尔基体的进一步加工方能分泌到细胞外，欲通过转基因技术使编码该蛋白质的基因得以表达最终获得成熟蛋白，下列适于充当受体细胞的是( )

A．大肠杆菌　　　　　　B．酵母菌
C．噬菌体　　　　　　　D．质粒
B
课堂练习
2.下列有关DNA聚合酶链式反应(PCR)的说法正确的是( )
A.需要引物 B.始终在高于70℃的条件下进行
C.需要加DNA连接酶 D.不需要加限制性内切酶
AD
3. 基因工程操作的三大基本元件是:(I 供体 II 受体 III 载体 IV 抗体 V 配体) ( )
Ａ. I + II + III　　Ｂ. I + III + IV
Ｃ. II + III + IV Ｄ. II + IV + V
A
4.下列对限制性内切酶描述正确的是( )
Ａ. 限制性内切酶可识别任一的DNA序列
Ｂ. 使用限制性内切酶时，有时可出现星活性
Ｃ. 限制性内切酶可识别碱基数不超过5个
Ｄ. 限制性内切酶切割碱基序列产生都是黏性末端
B
5.载体的功能是(I 运送外源基因高效进入受体细胞 II 为外源基因提供复制能力 III 为外源基因提供整合能力) ( )
A. I + II B. I + III
C. II + III D. I + II + III
D
6.1978年美国科学家利用转基因技术，将人类的胰岛素基因拼接到大肠杆菌DNA中，然后通过大肠杆菌的繁殖，生产出人类胰岛素药物。请回答：
　　①从分子结构看，细菌中的质粒是一种
　　　　　；质粒能随细菌的细胞分裂而增加，质粒这种增殖方式在遗传学上称为 。
　　②基因工程中常采用质粒作为　　　　　　。
DNA
DNA复制
运载体
③拼接到大肠杆菌DNA中的人胰岛素基因与人体细胞中的胰岛素基因是否相同？为什么？

　　④人的胰岛素基因能在大肠杆菌细胞中表达，合成人的胰岛素，说明不同生物 。
不同，体细胞中的胰岛素基因上含有内含子，而拼接到大肠杆菌DNA上的胰岛素基因是经过加工的，上面不含内含子。
共用一套密码子
请回答：
　　①图中外源基因由 提供，受体细胞由
提供。
　　②外源基因成功表达的过程为
。
7.现在，许多发达的国家采用基因疗法来治疗糖尿病，其操作过程如图所示。
健康人
病人
DNA→RNA→蛋白质
（胰岛素）
习题答案
基础题
1.基因工程的操作通常包括以下4步：（1）获得目的基因（外源基因）；（2）目的基因与运载体结合，形成重组DNA分子；（3）将重组DNA分子导入受体细胞；（4）目的基因的检测与表达。
2.
3.常用的运载体有质粒、噬菌体、农杆菌、动植物病毒等。
拓展题
　　1.提示：这是因为在基因水平上，人和细菌的遗传机制是一致的。细菌和人的遗传物质都是DNA，都使用同一套遗传密码子，都遵循中心法则。因此，通过基因重组，细菌能够合成人体的某些蛋白质。
　　2.提示：例如，可以向客户说明农场具备相应的安全检测设施和措施，已经领取了农业转基因生物安全证书，产品中所含有的成分都是自然界天然存在的物质，产品经过试用表明对人体无害等。
　　3.提示：例如，“转基因土豆──肝炎患者的希望！！”等。
恐龙复活术
课外扩展
据英国《每日邮报》报道，在电影《侏罗纪公园》中，一位科学家从一只吸了恐龙血，嵌于树脂化石中的蚊子中提取出DNA，成功复制出恐龙，并最终建成一个恐龙“侏罗纪公园”。而在现实生活中，美加两国科学家也在不遗余力复活恐龙，只不过他们手中的“道具”从蚊子变成了同样不起眼的鸡。
来自 《侏罗纪公园》的灵感
1992年，加利福尼亚州立工业大学微生物学教授保罗·坎诺(Raul Cano)首次尝试从与恐龙生活在同一时代的昆虫中提取基因。昆虫留在琥珀内，这是一种坚硬的半透明化石树胶。想必正是对这一可能性的猜测激发了《侏罗纪公园》的问世。
发现保存完好恐龙肉
在《侏罗纪公园》一片中担任顾问的霍纳领导一个研究小组，从蒙大拿州挖掘出一具有6800年历史的霸王龙骨骼化石，并从中获得一项重大发现。
　　在对这块化石进行仔细观察时，霍纳的学生施薇兹发现在硬硬的外壳内有一个奇怪的结构。蒙大拿州立大学的研究小组遂明白，所发现的物质看来是霸王龙身上保存完好的肉。

鸟类的祖先是恐龙？
上世纪90年代，科学家在中国发现了埋于泥土中的恐龙化石，它们的状况保存极为完好，可以辨别出鸟类一样的特征，包括爪、羽毛等。霍纳认为，现代鸟类的DNA隐藏有遗传记忆，这种遗传记忆或能再次“开启”，用以重建长久处于休眠状态的恐龙特征。
　　霍纳说：“鸸鹋具备我们所要重建身躯如迅猛龙一般大小的恐龙的所有特征。如果我打算复活恐龙，那么我应该以此为起点展开研究。