基因工程及其应用
第2节
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.
1、什么是基因工程?
2、基因工程的原理是什么？
3、基因工程的基本操作工具有哪些?
阅读教材 P102—103，思考以下问题：
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
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。
培育转基因大肠杆菌的简要过程：
你认为上述培育转基因大肠杆菌的关键步骤有哪些？
普通大肠杆菌
(不能分泌胰岛素)
实例展示
培育转基因大肠杆菌的关键步骤：
二、基因操作的工具
1.基因的“剪刀”──限制性内切酶（限制酶）
功能特点：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
模型构建1
练习使用EcoRI 剪切目的基因
黏性末端
什么是黏性末端？
被限制酶切开的DNA两条单链的切口
带有几个伸出的核苷酸，
它们之间正好互补配对，
这样的切口叫黏性末端。
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:
是
基因的针线：DNA连接酶
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骨架上的缺口磷酸二酯键，不是碱基间的氢键
模型构建2
使用DNA连接酶制作重组DNA分子
甲片段
重组DNA分子
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
1、什么是基因工程?

2、基因工程的原理是什么?
课堂小结：
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?
？
因为在基因水平上，人和细菌的遗传机制是一样的。
细菌和人的遗传物质都是DNA，都使用一套遗传密
码子，遵循中心法则。
水母
香 蕉 鱼
四、基因工程的应用
（一）、基因工程与作物育种
1、在农作物生产方面
目的：培育出高产、稳产、抗逆性的优良作物及新品种。
优点：降低生产成本，减少农药的使用对环境的危害，提高农作物对不良环境的适应能力。
1993年，中国农业科学院的科学家成功的培育出
了抗棉铃虫的转基因抗虫棉，抗虫的基因来自苏云金杆菌，
科学家将抗性基因导入作物，使作物自身具有抵御虫害的能力。
（一）、基因工程与作物育种
2、在畜牧养殖方面
科学家利用基因工程的方法培育出了转基因奶牛、超级绵羊等多种转基因动物。
(二）、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%!
优点：能够高效率地生产出各种高质量，低成本的药品。
（三）、　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。
1998年，英国一位生物学家在电视节目中宣布：老鼠食用了转基因马铃薯后，肾、脾和消化道都出现了损伤，体重和器官重量减轻，免疫系统遭到破坏。
五、转基因生物和食品的安全
？
转基因食品
安全吗?
转基因植物的安全性争论
支持派认为：如果转基因农业生物技术得不到社会支持，这一研究将被扼杀，并且强调，迄今为止并没有发现转基因食品危害人体健康和环境的确切证据。
反对派的观点
一英国科学家声称，转基因马铃薯会减弱老鼠免疫系统功能；
美国康乃尔大学也发现，转基因玉米会危害蝴蝶幼虫及其相关生态环境。
环保团体认为这种违反自然的转基因作物及产品，未经长期安全测试，长期食用可能对人类及生态环境造成负面影响。
我国态度
十分重视基因工程的安全性问题，对农业转基因生物的研究和试验、生产和加工、经营和进口作了具体规定。
课堂小结：
基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶
基因的“针线”——DNA连接酶
基因的运输工具——运载体（质粒）
1.基因工程的概念
2.基因工程操作的基本工具
3.基因操作的基本步骤
目的基因提取
目的基因与运载体结合
目的基因导入受体细胞
目的基因的检测与鉴定
小结：五种育种方式的比较
⒈要使目的基因与对应的载体重组，所需的工具酶是
①限制酶　②连接酶　③解旋酶　④还原酶　　　 Ａ．①②　Ｂ．③④　Ｃ．①④　Ｄ．②③
2.下列关于基因工程的叙述中,正确的是:
A.限制酶只用于提取目的基因B.细菌体内的环状DNA均可作运载体C.DNA连接酶可用于目的基因和运载体的连接D.重组DNA分子一旦进入受体细胞,基因工程则完成.
3.以下说法正确的是:
A.目的基因是指重组DNA B.一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列C.DNA重组所用的工具酶是限制酶、连接酶和运载体D.只要受体细胞中含有目的基因，目的基因就一定
能够成功表达
A
C
B
小试身手
DNA连接酶的作用是：
A.子链和母链之间形成氢键B.黏性末端之间形成氢键C.两个DNA末端间的缝隙连接（磷酸二酯键）D.A、B、C都对
C
下列是由限制酶切割形成的DNA片段，能用相应DNA连接酶将它们恢复连接的组合是
①…CTGCA …G
②…G
…CTTAA
③ G…
ACGTC…
④ AATTC…
G…
A. ①③；②④ B. ①②；③④C. ①④；②③ D.以上都不对
A
(多选题)如图,下列有关酶功能的叙述中,正确的是
A.切断a处的酶为限制性内切酶B.连接a处的酶为DNA连接酶C.切断b处的酶为解旋酶D.连接b处的酶为RNA聚合酶
ABC
4.基因工程技术在培育抗旱植物用于发展沙漠农业和改造沙漠方面显示了良好的前景,荷兰一家公司将大肠杆菌中的海藻糖合成酶基因导入植物(如甜菜、马铃薯等)中并获得有效表达，使“工程植物”增强了耐旱性、耐寒性的基本操作步骤是：
① ②
③ ④
（2）基因表达的含义是：
（3）写出酶基因工程在植物体内的表达过程：
（4）基因工程操作中的工具是：
海藻糖合成酶基因的获取
目的基因与运载体结合
将目的基因导入受体细胞
目的基因的表达和检测
基因通过转录、翻译合成蛋白质，体现出相应的性状
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
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