1、创新方案高中生物 62 基因工程及其应用导学设计 必修2基因工程及其应用了解1.基因工程的原理2.基因工程在农业、医药等领域的应用基因工程的原理一、基因工程的原理1基因工程的概念按照人们的意愿，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。操作水平为DNA分子水平。2基因工程的操作工具(1)基因的“剪刀”：限制性核酸内切酶，其作用特点是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。(2)基因的“针线”：DNA连接酶，其作用是连接DNA骨架上的脱氧核糖和磷酸之间的缺口。(3)基因的运载体：作用：将外源基因送入受体细胞。
2、3基因工程的操作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与鉴定。二、基因工程的应用及安全性1基因工程的应用(1)基因工程与作物育种：目的：获得高产、稳产和具有优良品质的农作物，培育出具有各种抗逆性的作物新品种。实例：抗棉铃虫的转基因抗虫棉。意义：抗虫基因作物的使用，不仅减少了农药的用量、大大降低了生产成本，而且还减少了农药对环境的污染。(2)基因工程与药物研制：实例：用基因工程方法生产胰岛素。过程：胰岛素基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌内获得成功地表达。(3)基因工程与环境保护：实例：利用转基因细菌降解有毒有害的化合物，吸收环境中的重金属，分解泄漏
3、的石油、处理工业废水等。2转基因产物的安全性的两种观点(1)转基因生物与转基因食品不安全，要严格控制。(2)转基因生物与转基因食品是安全的，应该大范围推广。一、基因工程的原理1阅读教材P102103内容，仔细观察分析图66，探究下列问题。(1)基因工程中工具酶的作用：DNA解旋酶和限制酶都作用于DNA，试分析这两种酶的作用部位相同吗？提示：不相同。DNA解旋酶作用于碱基之间的氢键，而限制酶作用于磷酸与脱氧核糖之间的化学键，即磷酸二酯键。切割运载体和目的基因用同一种限制酶的原因。提示：因为只有用同一种限制酶才能切割出相同的黏性末端，利于目的基因与运载体结合。限制酶和DNA连接酶作用的位点相同吗？
4、提示：相同，均作用于磷酸二酯键。若用DNA连接酶将目的基因与运载体两两结合时，可能有哪些产物？提示：产物可能有三种：目的基因与目的基因结合、运载体与运载体结合、目的基因与运载体结合。(2)运载体的特点及其作用：运载体与物质跨膜运输中的载体化学本质相同吗？提示：不相同。运载体是小的DNA分子，载体是蛋白质。基因工程中的运载体具有怎样的特点？提示：a.能够在宿主细胞中稳定保存并大量复制，以保证外源基因在宿主细胞内长期稳定存在并复制；b具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接；c具有某些标记基因，便于检测运载体是否进入受体细胞。2判断下列说法的正误：(1)基因工程能够实现不同物种之间基因的重新组合。(
5、)(2)基因工程的运载体与物质跨膜运输所需要的载体化学本质相同，都是蛋白质。()(3)所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列。()二、基因工程的应用及其安全性1转基因技术已经实现了将人的胰岛素基因转入细菌体内，利用细菌生产人的胰岛素，分析讨论下列问题：(1)试从基本单位、空间结构和碱基配对方式三个方面分析运载体与目的基因结合成功的基础。提示：基本单位相同：不同生物的DNA分子都是由脱氧核苷酸构成的。空间结构相同：不同生物的DNA分子都是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链形成的规则的双螺旋结构。碱基配对方式相同：不同生物的DNA分子中两条链之间的碱基配对方式都是A与T配对，G与C配对。(2)目
6、的基因能够在受体细胞中表达的基础是什么？提示：所有生物共用一套遗传密码。2与杂交育种、诱变育种相比，基因工程育种原理是什么？主要优点有哪点？提示：其原理与杂交育种相同，是基因重组。与杂交育种相比，基因工程育种的育种周期短并产生了新性状；与诱变育种相比，基因工程育种能定向改造生物的遗传性状。1限制酶与DNA解旋酶的比较(1)相同点：作用机理都是破坏化学键。(2)不同点：作用部位：限制酶作用于磷酸二酯键，DNA解旋酶作用于氢键。作用范围：限制酶作用于特定的核苷酸序列和特定的切点，DNA解旋酶作用于所有的DNA分子。2基因工程操作中的两个注意点(1)切割目的基因和运载体时，一般用同一种限制酶，使目的
7、基因和运载体产生相同的黏性末端，达到目的基因与运载体结合的目的。(2)目的基因导入受体细胞并非标志着基因工程的成功，只有目的基因在受体细胞中表达才说明基因工程的成功。3基因工程育种的优点(1)目的性强，能定向改造生物性状。(2)育种周期短。(3)能克服远缘杂交不亲和的障碍。4有性生殖和基因工程中基因重组的区别(1)有性生殖：基因重组同一物种的不同基因重新组合。(2)基因工程：基因重组不同物种间的不同基因的重组。例1某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶(Amy)基因a，通过基因工程的方法，将基因a与运载体结合后导入马铃薯植株中，经检测发现Amy在成熟块茎细胞中存在。结合图形分析下列有关这一过程的叙
8、述，不正确的是()A获取基因a的限制酶其作用部位是图中的B连接基因a与运载体的DNA连接酶其作用部位是图中的C基因a进入马铃薯细胞后，可随马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞D通过该技术人类实现了定向改造马铃薯的遗传性状解析限制酶和DNA连接酶均作用于磷酸二酯键，即处，二者作用相反，分别是打开和连接该化学键；目的基因进入受体细胞后，会随着马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞，使之产生定向变异，从而改变其遗传性状。答案B限制酶、DNA连接酶和DNA聚合酶的区别不同点相同点作用作用特点限制酶切割具有特异性DNA连接酶连接无特异性，将DNA片段连接成DNA分子作用目标：磷酸二酯键DNA聚
9、合酶将单个的脱氧核苷酸连接成DNA片段例2右图为某种质粒表达载体简图，小箭头所指分别为限制酶EcoRI、BamHI的酶切位点，ampR为青霉素抗性基因，tetR为四环素抗性基因，P为启动子，T为终止子，ori为复制原点。已知目的基因的两端分别有包括EcoR、BamH在内的多种酶的酶切位点。据图回答：(1)将含有目的基因的DNA与质粒表达载体分别用EcoR酶切，酶切产物用DNA连接酶进行连接后，其中由两个DNA片段之间连接形成的产物有_、_、_三种。若要从这些连接产物中分离出重组质粒，需要对这些连接产物进行_。(2)用上述3种连接产物与无任何抗药性的原核宿主细胞进行转化实验。之后将这些宿主细胞接
10、种到含四环素的培养基中，能生长的原核宿主细胞所含有的连接产物是_；若接种到含青霉素的培养基中，能生长的原核宿主细胞所含有的连接产物是_。(3)目的基因表达时，RNA聚合酶识别和结合的位点是启动子，其合成的产物是_。(4)在上述实验中，为了防止目的基因和质粒表达载体在酶切后产生的末端发生任意连接，酶切时应选用的酶是_。解析(1)用EcoRI酶切出的目的基因和质粒具有相同的黏性末端，如果放在一起加入DNA连接酶，则可出现三种连接结果，即目的基因自身形成的连接物，载体自身形成的连接物和重组质粒，要通过筛选、纯化才能选出符合要求的重组DNA。(2)载体自身形成的连接物能重新形成完整的tetR基因，具有
11、抗四环素的特点，其他连接物中tetR基因均被限制酶破坏，不再具有抗四环素的特点；在整个操作过程中，ampR基因均保持完整，质粒自身形成的连接物和重组质粒都具有抗青霉素的特性。(3)RNA聚合酶与相关基因的启动子结合，完成转录过程。(4)将含有目的基因的靶DNA片段和载体分别用两种不同的限制酶切割，使两种DNA片段自身的5和3黏性末端不同，但二者相同末端又互补，这明显减少了靶DNA片段和载体自身的环化与串连，使外源DNA片段能正确插入载体启动子下游。在本题中目的基因两端有EcoR和BamH的切点，在质粒载体上也有这两种酶的切点，所以可以用这两种酶切出非同源互补末端来阻止其他方式的连接。答案(1)
12、目的基因载体连接物载体载体连接物目的基因目的基因连接物分离纯化(2)载体载体连接物目的基因载体连接物、载体载体连接物(3)mRNA(4)EcoR和BamH1下列有关基因工程中限制酶的描述，错误的是()A一种限制酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列B限制酶的活性受温度影响C限制酶能识别和切割RNAD限制酶可从原核生物中提取解析：限制酶只能识别和切割DNA，不能识别和切割RNA。答案：C2质粒是基因工程中最常用的运载体，下列有关质粒的说法正确的是()A质粒不仅存在于细菌中，某些病毒也具有B细菌的基因只存在于质粒上C质粒为小型环状DNA分子，存在于核(区)外的细胞质基质中D质粒是基因工程中的重要工具酶
13、之一解析：质粒存在于许多细菌以及酵母菌等生物中，是拟核或细胞核外能够自主复制的很小的环状DNA分子，在病毒、动植物细胞中是不存在的；细菌的基因除少部分在质粒上外，大部分在拟核中的DNA分子上。答案：C3下列黏性末端由同一种限制酶切割而成的是()A BC D解析：同一种限制酶切割出的黏性末端应是互补的，而且两者的序列相同，是互补的，切点都是在G与A之间，识别序列为GAATTC。答案：B4基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的。在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的是()A人工合成目的基因B目的基因与运载体结合C将目的基因导入受体细胞D目的基因的检测和表达解析：合成目的基因及其与运载体的
14、结合都进行碱基互补配对，目的基因的检测实质是标记基因的表达，也进行碱基互补配对，与目的基因的表达原理相同。答案：C5据图所示，有关工具酶功能的叙述不正确的是()A限制酶可以切断a处BDNA连接酶可以连接a处C解旋酶可以使b处解开DDNA连接酶可以连接b处解析：限制酶和DNA连接酶作用的部位是磷酸二酯键即a处，解旋酶作用部位是氢键即b处。答案：D6通过DNA重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。运用这一技术可使羊奶中含有人体蛋白质，下图表示这一技术的基本过程，在该工程中所用的基因“剪刀”能识别的序列和切点是GGATCC，请回答：(1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是_，人体蛋白质
15、基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中需要的酶是_。(2)人体蛋白质基因之所以能连接到羊的染色体DNA中，原因是_，人体蛋白质基因导入羊细胞时常用的工具是_。(3)此过程中目的基因的检测与表达中的表达是指_。(4)你认为此类羊产的奶安全可靠吗？理由是什么？_。解析：(1)剪取目的基因的酶是限制性核酸内切酶，将不同的DNA片段连接起来的酶是DNA连接酶。(2)不同生物的DNA化学组成和空间结构相同，即具有相同的物质基础和结构基础。目的基因导入受体细胞需先与运载体结合，最常用的运载体是质粒，也可以用动物病毒的DNA。(3)基因的表达是指基因通过控制蛋白质的合成来控制生物的性状，即通过转录和翻译过程合
16、成相应的蛋白质。(4)为开放性问题，理由与观点相对应即可。答案：(1)限制性核酸内切酶DNA连接酶(2)具有相同的物质基础和结构基础(有互补的碱基序列)细菌质粒或病毒(3)人体蛋白质基因在羊体细胞内控制合成人体蛋白质(4)安全，因为目的基因导入受体细胞后没有改变，控制合成的人奶蛋白质成分没有改变(或不安全，因为目的基因导入受体细胞后，可能由于羊细胞中某些成分的影响，合成的蛋白质成分发生一定的改变)一、选择题(每小题4分，共32分)1基因工程技术也称为DNA重组技术，其实施必须具备的四个必要条件是()A目的基因、限制酶、运载体、体细胞B重组DNA、RNA聚合酶、内切酶、连接酶C模板DNA、信使R
17、NA、质粒、受体细胞D工具酶、目的基因、运载体、受体细胞解析：基因工程必须用到限制酶、DNA连接酶等工具酶，需要将目的基因与运载体结合，并导入受体细胞，所以基因工程必须具备的四个必要条件是工具酶、目的基因、运载体和受体细胞。答案：D2下列有关育种的说法，正确的是()A通过杂交育种可获得农作物新品种B诱变育种只适用于对微生物菌株的选育C无子番茄通常是用多倍体育种方式获得D通过基因工程育种无法获得抗逆性强的新品种解析：诱变育种对真核、原核生物都适用；无子番茄通常是用生长素处理而获得的。答案：A3下图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，图中依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、
18、解旋酶作用的正确顺序是()A BC D解析：限制性核酸内切酶的作用是切割磷酸二酯键()；DNA聚合酶的作用是在有模板的条件下催化合成DNA子链，形成新的DNA分子()；DNA连接酶的作用是连接磷酸二酯键，即将2个DNA分子片段末端的缺口缝合起来()；解旋酶的作用是使双链DNA解旋()。答案：C4下图是基因工程主要技术环节的一个基本步骤，这一步骤需用到的工具是()ADNA连接酶和解旋酶BDNA聚合酶和限制性核酸内切酶C限制性核酸内切酶和DNA连接酶DDNA聚合酶和RNA聚合酶解析：该步骤是基因工程的第二步目的基因与运载体结合。切割质粒要用限制性核酸内切酶，目的基因与切割后的质粒结合要用DNA连接
19、酶。答案：C5下列高科技成果中，根据基因重组原理进行的是()利用杂交技术培育出超级水稻通过返回式卫星搭载种子培育出太空椒通过体细胞克隆技术培养出克隆牛将苏云金杆菌的某些基因移植到棉花体内，培育出抗虫棉将健康人的正常基因植入病人体内治疗基因病A BC D解析：通过返回式卫星搭载种子培育出太空椒属于太空育种，其原理为基因突变；通过体细胞克隆技术培养出克隆牛属于无性生殖，应用的原理是细胞核的全能性。答案：C6下列有关生物转基因技术安全性的叙述，不正确的是()A生物转基因技术既可造福人类，又能威胁社会B人们对转基因食品的担心，从某些实例来看并非是多余的C转基因生物带来的安全性问题主要包括食品安全、环境
20、安全、生物安全D由于生殖隔离，转基因农作物肯定不会将目的基因传给杂草解析：转基因技术是一把双刃剑，既有有利的一面，又存在安全性问题，各种生物之间不一定都存在生殖隔离，1996年一些科学家发现转入抗除草剂基因的油菜可以与某些杂草杂交，并结出种子。答案：D7育种的方法有杂交育种、单倍体育种、诱变育种、多倍体育种、基因工程育种等，下面对这五种育种的说法正确的是()A涉及的原理有：基因突变、基因重组、染色体变异 B都不可能产生定向的可遗传变异 C都在细胞水平上进行操作 D都不能通过产生新基因从而产生新性状 解析：杂交育种和基因工程育种的原理为基因重组，单倍体、多倍体育种的原理为染色体变异，诱变育种的原
21、理为基因突变。答案：A8下列关于基因工程的叙述，错误的是()A目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物B限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶C人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性D载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达解析：根据基因工程的目的不同，目的基因和受体细胞均可来自动植物或微生物；基因工程中常用的工具酶有限制性核酸内切酶和DNA连接酶；大肠杆菌为原核生物，不含有内质网和高尔基体等细胞器，不能对蛋白质进行加工，其合成的胰岛素原无生物活性。运载体中的抗性基因为标记基因，其作用是有利于筛选含重组DNA的细胞，不能促进目的基因的表达。答案：
22、D二、非选择题(共18分)9(18分)质粒是基因工程中最常用的运载体，质粒上有标记基因，如图所示，通过标记基因可推知外源基因插入的位置，插入位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同。下图表示外源基因的插入位置(插入点有a、b、c)。.(1)质粒的基本组成单位是_。(2)将细菌放在含有四环素、氨苄青霉素的培养基中培养，属于基因工程操作中的_步骤。(3)在插入外源基因过程中用到的工具酶有_。.设计实验探究外源基因插入的位置。(1)步骤：将导入外源基因的细菌进行培养产生大量细菌。分组：将细菌平均分成两组并标号为1、2。培养：将第1组细菌放入_中培养，将第2组细菌放入_中培养。观察并记录结果。(2)预
23、测实验结果及结论：若1组、2组均能正常生长，则外源基因插入点是_；若1组能正常生长，2组不能生长，则外源基因插入点是_；若1组不能生长，2组能生长，则外源基因插入点是_。解析：.质粒是一种小型环状DNA分子，含有标记基因是作为运载体的前提，它可以用于目的基因的检测与鉴定。.本实验中的特点是若目的基因插入b或c处时就会破坏运载体上原有的标记基因，使细菌不再具有相应的抗性性状，所以应放在含有不同抗生素的培养基上进行培养，观察结果得出相应结论。答案：.(1)脱氧核苷酸(2)目的基因的检测与鉴定(3)限制性核酸内切酶、DNA连接酶.(1)含氨苄青霉素的培养基含四环素的培养基(2)acb教师备选题10假
24、设A、b代表玉米的优良基因，这两种基因是自由组合的。现有AABB、aabb两个品种，为培育出优良品种AAbb，可采用的方法如图所示，有关叙述不正确的是() A由品种AABB、aabb经过、过程培育出新品种的育种方式称为杂交育种B基因型为Aabb的类型经过过程，子代中AAbb与aabb的数量比是11C与过程的育种方法相比，过程的优势是明显缩短了育种年限D过程在完成目的基因和运载体的结合时，必须用到的工具酶是限制性核酸内切酶、DNA连接酶和运载体解析：AABB、aabb经过、过程培育出新品种称为杂交育种，过程为单倍体育种。与杂交育种方法相比，单倍体育种可明显缩短育种年限。过程为基因工程育种，必须用
25、到的工具酶有限制性核酸内切酶、DNA连接酶，而运载体是将目的基因导入受体细胞时用到的运输工具，不属于工具酶。答案：D11限制性核酸内切酶能识别特定的DNA序列并进行剪切，不同的限制性核酸内切酶可以对不同的核酸序列进行剪切。现用3种不同的限制性核酸内切酶分别对一种6.2 kb(千碱基对)大小的线状DNA进行剪切后，用凝胶电泳分离各核酸片段，实验结果如图所示。请问：3种不同的限制酶在此DNA片段上的切点位置是图中的()解析：本题只要分别考虑三种酶切下来的片段长度是否与电泳分离结果一致就行。A选项考虑A酶可得到0.30.71,2.60.93.5,1.20.51.7，与电泳结果不符。B选项考虑A酶可得
26、到0.3,0.72.60.94.2，0.51.21.7，与电泳结果相符，再考虑B酶可得到0.30.71.0,2.60.90.54.0,1.2，与电泳结果不符。C选项考虑A酶可得到0.3,0.72.60.90.51.25.9，与电泳结果不符。答案：D12中国青年科学家成功地把人的抗病毒干扰素基因“嫁接”到烟草的DNA分子上，使烟草获得了抗病毒的能力，试分析回答：(1)抗病毒烟草的培育应用了_技术。(2)在培育过程中，所用的基因“剪刀”是_，基因的“针线”是_，基因的“运载工具”_。(3)烟草具有抗病毒能力，说明烟草体内产生了_。(4)烟草DNA分子被“嫁接”上或“切割”掉某个基因，但并不影响该基因的表达，从基因功能角度考虑，说明_。解析：(1)基因工程能定向改变生物的特定性状。(2)基因工程中有三大工具：分别是剪切目的基因的限制酶，连接目的基因和运载体的DNA连接酶及运载体。(3)烟草具有了相应性状，说明目的基因已经表达，产生了相应蛋白质。(4)基因不会因位置发生变化而丧失功能，说明它是遗传物质的基本单位。答案：(1)基因工程(2)限制性核酸内切酶DNA连接酶运载体(3)抗病毒干扰素(4)基因是遗传物质的基本单位
