高考生物大一轮复习第十章现代生物科技专题学案.docx

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高考生物大一轮复习第十章现代生物科技专题学案

基因工程

[最新考纲]

1．基因工程的诞生（Ⅰ）　2.基因工程的原理及技术（Ⅱ）　3.基因工程的应用（Ⅱ）　4.蛋白质工程（Ⅰ）

考点一　基因工程的操作工具

1．基因工程的概念理解

（1）供体：

提供目的基因。

（2）操作环境：

体外。

（3）操作水平：

分子水平。

（4）原理：

基因重组。

（5）受体：

表达目的基因。

（6）本质：

目的基因在受体体内表达。

（7）优点

①与杂交育种相比：

克服了远缘杂交不亲和的障碍。

②与诱变育种相比：

定向改造生物遗传性状。

2．DNA重组技术的基本工具

（1）限制性核酸内切酶（简称：

限制酶）

①来源：

主要是从原核生物中分离纯化出来的。

②作用：

识别特定的核苷酸序列并切开相应两个核苷酸之间的磷酸二酯键。

③结果：

产生黏性末端或平末端。

（2）DNA连接酶

①种类：

按来源可分为E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶。

②作用：

在两个核苷酸之间形成磷酸二酯键以连接两段DNA片段。

（3）载体

①种类：

质粒、λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等。

②质粒特点

[深度思考]

（1）限制酶与DNA连接酶的关系。

提示：

①限制酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。

②限制酶不切割自身DNA的原因：

原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。

（2）载体所具备条件的目的性。

提示：

条件

目的性

稳定并能复制

目的基因稳定存在且数量可扩大

有一个至多个限制酶切割位点

可携带多个或多种外源基因

具有特殊的标记基因

便于重组DNA的鉴定和选择

（3）几种酶的比较。

提示：

比较项目

限制酶

DNA连接酶

DNA聚合酶

解旋酶

作用底物

DNA分子

DNA分子片段

脱氧核苷酸

DNA分子

作用部位

磷酸二酯键

磷酸二酯键

磷酸二酯键

碱基对间的氢键

模板

不需要

不需要

需要

不需要

作用结果

形成黏性末端或平末端

形成重组DNA分子

形成新的DNA分子

形成单链DNA分子

题组一　考点诊断

（1）切割质粒的限制性核酸内切酶均特异性地识别6个核苷酸序列。

（2014·高考江苏卷）（　　）

（2）载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因。

（2014·高考江苏卷）（　　）

（3）限制酶只能用于切割目的基因。

（　　）

（4）DNA连接酶能将两碱基间通过形成氢键连接起来。

（　　）

（5）E·coliDNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端。

（　　）

（6）质粒是小型环状DNA分子，是基因工程常用的载体。

（　　）

答案：

（1）（×）　

（2）（×）　（3）（×）　（4）（×）　（5）（×）　（6）（√）

题组二　基因工程操作工具的分析

1．若要利用某目的基因（见图甲）和P1噬菌体载体（见图乙）构建重组DNA（见图丙），限制性核酸内切酶的酶切位点分别是BglⅡ（A↓GATCT）、EcoRⅠ（G↓AATTC）和Sau3AⅠ（↓GATC）。

下列分析合理的是（　　）

A．用EcoRⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体

B．用BglⅡ和EcoRⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体

C．用BglⅡ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体

D．用EcoRⅠ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体

解析：

选D。

解答本题的关键是要看清切割后目的基因插入的方向，只有用EcoRⅠ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体，构建的重组DNA中RNA聚合酶在插入的目的基因上的移动方向才一定与图丙相同。

2．下列关于载体的叙述中，错误的是（　　）

A．载体与目的基因结合后，实质上就是一个重组DNA分子

B．对某种限制酶而言，载体最好只有一个切点，但还要有其他多种酶的切点

C．目前常用的载体有质粒、λ噬菌体的衍生物和动植物病毒

D．载体具有某些标记基因，便于对其进行切割

解析：

选D。

标记基因的作用是便于筛选出重组载体，不是便于对其切割。

3．如图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，图中依次表示限制酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序是（　　）

A．①②③④　B．①②④③

C．①④②③D．①④③②

解析：

选C。

限制酶可在特定位点对DNA分子进行切割；DNA聚合酶在DNA分子复制时将脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链；DNA连接酶可将限制酶切开的磷酸二酯键连接在一起；解旋酶的作用是将DNA双链解开螺旋，为复制或转录提供模板。

1.限制酶是一类酶，而不是一种酶。

2.限制酶切割位点所处的位置必须是在所需的标记基因之外，这样才能保证标记基因的完整性，有利于对目的基因的检测。

3.为使目的基因与载体形成相同的DNA片段末端连接，通常使用同一种限制酶将二者切割，但如果不同的限制酶切割DNA分子所产生的末端也存在互补关系时，则两末端也可连接。

考点二　基因工程的操作过程及其应用

1．基因工程的操作程序

（1）基因工程的操作步骤

①

—

②

—组成

③

—方法

④

2．基因工程的应用

（1）植物基因工程：

主要用于提高农作物的抗逆能力，以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。

（2）动物基因工程：

主要应用于动物品种改良、建立生物反应器、器官移植等方面。

（3）基因工程药物：

来源于转基因的工程菌。

（4）基因治疗：

把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能。

[深度思考]

（1）在目的基因的获取方法上有怎样的区别？

提示：

直接分离法

①从自然界已有的物种中分离，如从基因组文库或cDNA文库中获取。

②如果需要大量增加目的基因，且目的基因的核苷酸序列仅部分已知，则利用PCR技术扩增。

人工合成目的基因

①如果基因比较小，核苷酸序列又已知，可以通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成。

②以RNA为模板，在逆转录酶的作用下人工合成。

（2）基因表达载体的构建。

提示：

①基因表达载体的组成及作用：

②基因表达载体的构建过程：

（3）将目的基因导入受体细胞。

提示：

①转化：

目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。

②将目的基因导入受体细胞：

生物种类

植物

动物

微生物

常用方法

农杆菌转化法

显微注射技术

感受态细胞法

受体细胞

体细胞

受精卵

原核细胞

转化过程

将目的基因插入到Ti质粒的TDNA上→转入农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的染色体DNA上→表达

将含有目的基因的表达载体提纯→取卵（受精卵）→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物

Ca2＋处理细胞→感受态细胞→重组表达载体DNA分子与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子

（4）目的基因的检测与鉴定。

提示：

方法

检测或鉴定目的

水平

DNA分子杂交技术

检测目的基因的有无

分子水平

分子杂交技术

目的基因是否转录

抗原—抗体杂交技术

目的基因是否翻译

生物性状的表达与否

目的基因是否表达

个体水平

题组一　考点诊断

（1）抗虫基因即使成功地插入到植物细胞染色体上也未必能正常表达。

（2014·高考江苏卷）（　　）

（2）应用DNA探针技术，可以检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在及其完全表达。

（2011·高考四川卷）（　　）

（3）将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株。

（　　）

（4）利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品，如人的血清白蛋白，这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中。

（　　）

（5）为培育抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体。

（　　）

答案：

（1）（√）　

（2）（×）　（3）（√）　（4）（×）　（5）（×）

题组二　基因工程的操作过程及应用分析

1．（2014·高考广东卷）（多选）利用基因工程技术生产羧酸酯酶（CarE）制剂的流程如下图所示，下列叙述正确的是（　　）

A．过程①需使用逆转录酶

B．过程②需使用解旋酶和PCR获取目的基因

C．过程③使用的感受态细胞可用NaCl溶液制备

D．过程④可利用DNA分子杂交鉴定目的基因是否已导入受体细胞

解析：

选AD。

本题考查基因工程。

由mRNA获得DNA的过程是逆转录，需要逆转录酶，A项正确。

过程②表示用PCR扩增目的基因，此过程不需要解旋酶，通过控制温度达到解旋的目的，B项错误。

过程③感受态的大肠杆菌是使用CaCl2处理的，C项错误。

鉴定目的基因是否导入受体细胞，可以采用DNA分子杂交技术，D项正确。

2．（2014·高考新课标全国Ⅱ卷）植物甲具有极强的耐旱性，其耐旱性与某个基因有关。

若从该植物中获得该耐旱基因，并将其转移到耐旱性低的植物乙中，有可能提高后者的耐旱性。

回答下列问题：

（1）理论上，基因组文库含有生物的________基因；而cDNA文库中含有生物的________基因。

（2）若要从植物甲中获得耐旱基因，可首先建立该植物的基因组文库，再从中________出所需的耐旱基因。

（3）将耐旱基因导入农杆菌，并通过农杆菌转化法将其导入植物________的体细胞中，经过一系列的过程得到再生植株。

要确认该耐旱基因是否在再生植株中正确表达，应检测此再生植株中该基因的________，如果检测结果呈阳性，再在田间试验中检测植株的________是否得到提高。

（4）假如用得到的二倍体转基因耐旱植株自交，子代中耐旱与不耐旱植株的数量比为3∶1时，则可推测该耐旱基因整合到了________________（填“同源染色体的一条上”或“同源染色体的两条上”）。

解析：

（1）基因组文库包含某种生物的全部基因，cDNA文库又称为部分基因文库，含有生物的部分基因。

（2）植物甲基因组文库中有该种植物的全部基因，从中可筛选出耐旱基因。

（3）植物乙的耐旱性低，所以植物乙体细胞作为受体细胞；要确定耐旱基因是否正确表达，应检测该基因的表达产物，对于个体水平的检测，应在干旱的田间进行试验，检测植物乙耐旱性是否得到了提高。

（4）将耐旱基因看作A，不耐旱基因看作a，Aa×Aa→耐旱与不耐旱数量比为3∶1，则耐旱基因整合到了同源染色体的一条上。

答案：

（1）全部　部分

（2）筛选

（3）乙　表达产物　耐旱性

（4）同源染色体的一条上

基因工程操作程序易错点剖析

1．基因表达载体≠载体：

基因表达载体与载体相比增加了目的基因。

2．目的基因的插入位点不是随意的：

基因表达需要启动子与终止子的调控，所以目的基因应插入启动子与终止子之间的部位，若目的基因插入启动子内部，启动子将失去原功能。

3．启动子≠起始密码子，终止子≠终止密码子：

启动子和终止子位于DNA片段上，分别控制转录过程的启动和终止；起始密码子和终止密码子位于mRNA上，分别控制翻译的启动和终止。

4．切割目的基因和载体并非只能用同一种限制酶。

如果用两种不同限制酶切割后形成的黏性末端相同时，在DNA连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。

5．基因工程操作过程中只有第三步没有碱基互补配对现象：

第一步存在逆转录法获得DNA，第二步存在黏性末端连接现象，第四步存在检测分子水平杂交。

考点三　蛋白质工程及其与基因工程的关系

1．流程图

写出流程图中字母代表的含义：

A．转录，B.翻译，C.分子设计，D.多肽链，E.预期功能。

2．结果：

改造了现有蛋白质或制造出新的蛋白质。

3．应用：

主要集中应用于对现有蛋白质进行改造，改良生物性状。

[深度思考]

蛋白质工程与基因工程的关系

项目

区别与联系

蛋白质工程

基因工程

区别

过程

预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列

获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定

实质

定向改造或生产人类所需的蛋白质

定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品

结果

可生产自然界没有的蛋白质

只能生产自然界已有的蛋白质

联系

①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程②基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造

题组一　蛋白质工程的分析

1．（2013·高考广东卷）从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。

目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是（　　）

A．合成编码目的肽的DNA片段

B．构建含目的肽DNA片段的表达载体

C．依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽

D．筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽

解析：

选C。

由题中信息“在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物”可推知本题考查蛋白质工程的相关知识。

根据蛋白质工程的基本途径：

从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因），可推知答案为C。

2．（2016·湖南师大附中月考）干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在－70℃条件下保存半年，请根据以上信息回答下列问题：

（1）蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”。

写出下列方框中相应实验步骤。

①____________________，②____________________，

③____________________，④____________________。

（2）基因工程与蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产__________的蛋白质，不一定符合__________需要。

而蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过__________或________，对现有蛋白质进行__________，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。

（3）蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的__________结构。

解析：

蛋白质工程的操作流程是：

预期蛋白质的功能→预期蛋白质结构→推测氨基酸序列→确定相对应的脱氧核苷酸序列。

基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程却可以生产自然界不存在的蛋白质。

蛋白质工程直接操作的对象是基因。

答案：

（1）预期蛋白质的功能　预期的蛋白质结构　应有的氨基酸序列　相对应的脱氧核苷酸序列（基因）

（2）自然界已存在　人类生产和生活　基因修饰　基因合成　改造　（3）空间（或高级）

题组二　蛋白质工程与基因工程的关系分析

3．（2015·高考全国Ⅱ卷）已知生物体内有一种蛋白质（P），该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。

如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质（P1）不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。

回答下列问题：

（1）从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的________进行改造。

（2）以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰________基因或合成________基因。

所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括________的复制，以及遗传信息在不同分子之间的流动，即：

________。

（3）蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过________和________，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物________进行鉴定。

解析：

（1）从题中所述资料可知，将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸后，该蛋白质的功能发生了改变，此过程是通过对构成蛋白质的氨基酸的排列顺序进行改造，进而改变了蛋白质的结构，从而改变了蛋白质的功能。

（2）在蛋白质工程中，目的基因可以以P基因序列为基础，对生物体内原有P基因进行修饰，也可以通过人工合成法合成新的P1基因。

中心法则的内容如下图所示：

由图可知，中心法则的全部内容包括：

DNA以自身为模板进行的复制，DNA通过转录将遗传信息传递给RNA，最后RNA通过翻译将遗传信息表达成蛋白质；在某些病毒中RNA可自我复制（如烟草花叶病毒等），在某些病毒中能以RNA为模板逆转录合成DNA（如HIV），这是对中心法则的补充。

（3）蛋白质工程的基本途径是预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→合成DNA→表达出蛋白质，经过该过程得到的蛋白质，需要对其生物功能进行鉴定，以保证其发挥正常作用。

答案：

（1）氨基酸序列（或结构）

（2）P　P1　DNA和RNA（或遗传物质）　DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、逆转录、翻译）

（3）设计蛋白质的结构　推测氨基酸序列　功能

1．（2012·高考新课标全国卷）根据基因工程的有关知识，回答下列问题：

（1）限制性内切酶切割DNA分子后产生的片段，其末端类型有________和________。

（2）质粒运载体用EcoRⅠ切割后产生的片段如下：

AATTC……G

G……CTTAA

为使运载体与目的基因相连，含有目的基因的DNA除可用EcoRⅠ切割外，还可用另一种限制性内切酶切割，该酶必须具有的特点是_______________________________________________。

（3）按其来源不同，基因工程中所使用的DNA连接酶有两类，即________DNA连接酶和________DNA连接酶。

（4）反转录作用的模板是________，产物是________。

若要在体外获得大量反转录产物，常采用________技术。

（5）基因工程中除质粒外，________和________也可作为运载体。

（6）若用重组质粒转化大肠杆菌，一般情况下，不能直接用未处理的大肠杆菌作为受体细胞，原因是

_______________________________________________

_______________________________________________。

解析：

此题考查基因工程应用的相关知识。

（1）DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有黏性末端和平末端两种类型。

（2）为使运载体与目的基因相连，应使二者被切割后产生的末端相同，故用另一种限制酶切割产生的末端必须与EcoRⅠ切割产生的末端相同。

（3）根据酶的来源不同，DNA连接酶分为E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶。

（4）以RNA为模板，合成DNA的过程称为逆转录，若要体外获得大量DNA分子，可以使用PCR技术。

（5）在基因工程中，通常利用质粒作为运载体，另外噬菌体和动植物病毒也可作为运载体。

（6）大肠杆菌作为受体细胞时，常用Ca2＋处理，使之成为能吸收周围环境中DNA分子的感受态细胞。

答案：

（1）黏性末端　平末端

（2）切割产生的DNA片段末端与EcoRⅠ切割产生的相同（其他合理答案也可）

（3）大肠杆菌　T4

（4）mRNA（或RNA）　cDNA（或DNA）　PCR

（5）噬菌体　动植物病毒（其他合理答案也可）

（6）未处理的大肠杆菌吸收质粒（外源DNA）的能力极弱（其他合理答案也可）

2．（2015·高考海南卷）在体内，人胰岛素基因表达可合成出一条称为前胰岛素原的肽链，此肽链在内质网中经酶甲切割掉氨基端一段短肽后成为胰岛素原，进入高尔基体的胰岛素原经酶乙切割去除中间片段C后，产生A、B两条肽链，再经酶丙作用生成由51个氨基酸残基组成的胰岛素。

目前，利用基因工程技术可大量生产胰岛素。

回答下列问题：

（1）人体内合成前胰岛素原的细胞是________，合成胰高血糖素的细胞是________。

（2）可根据胰岛素原的氨基酸序列，设计并合成编码胰岛素原的________序列，用该序列与质粒表达载体构建胰岛素原基因重组表达载体，再经过细菌转化、筛选及鉴定，即可建立能稳定合成________的基因工程菌。

（3）用胰岛素原抗体检测该工程菌的培养物时，培养液无抗原抗体反应，菌体有抗原抗体反应，则用该工程菌进行工业发酵时，应从________中分离、纯化胰岛素原。

胰岛素原经酶处理便可转变为胰岛素。

解析：

（1）人体合成前胰岛素原的细胞是胰岛B细胞，合成胰高血糖素的细胞是胰岛A细胞。

（2）蛋白质工程生产胰岛素时，需根据胰岛素原的氨基酸序列，设计并合成编码胰岛素原的脱氧核苷酸序列（目的基因），然后再构建胰岛素原基因重组表达载体，导入细菌细胞内，再经过细菌转化、筛选及鉴定，即可建立能稳定合成胰岛素原的工程菌。

（3）运用抗原—抗体检测法检测胰岛素原时，培养液无抗原抗体反应，菌体有抗原抗体反应，故应从菌体中分离、纯化胰岛素原。

答案：

（1）胰岛B细胞　胰岛A细胞

（2）DNA　胰岛素原

（3）菌体

课时规范训练（单独成册）

1．已知甲种农作物因受到乙种昆虫危害而减产，乙种昆虫食用某种原核生物分泌的丙种蛋白质后死亡。

因此，可将丙种蛋白质基因转入到甲种农作物体内，使甲种农作物获得抗乙种昆虫危害的能力。

回答下列问题：

（1）为了获得丙种蛋白质的基因，在已知丙种蛋白质氨基酸序列的基础上，推测出丙种蛋白质的________序列，据此可利用________方法合成目的基因。

获得丙种蛋白质的基因还可用________和________方法。

（2）在利用上述丙种蛋白质基因和质粒载体构建重组质粒的过程中，常需要使用________酶和________酶。

（3）将含有重组质粒的农杆菌与甲种农作物的愈伤组织共培养，筛选出含有丙种蛋白质的愈伤组织，由该愈伤组织培养成的再生植株可抵抗________的危害。

（4）若用含有重组质粒的农杆菌直接感染甲种农作物植株叶片伤口，则该植株的种子________（填“含有”或“不含”）丙种蛋白质基因。

解析：

本题考查抗虫作物培育过程的相关知识。

（1）获取目的基因的方法主要有基因文库获取法、PCR技术扩增法和人工化学合成法三种。

已知丙种蛋白质氨基酸序列，可通过推测丙种蛋白质的基因序列，然后利用化学方法人工合成丙种蛋白质基因。

（2）在构建重组质粒的过程中，需要使用限制性核酸内切酶和DNA连接酶，前者能识别特定的核苷酸序列，使每条链特定部位的核苷酸之间的磷酸二酯键断开形成黏性末端，被喻为“分子手术刀”；后者能使两个带有相同黏性末端的DNA片段连接起来，被称为“分子针线”。

（3）将含有重组质粒的农杆菌与甲种农作物的愈伤组织共培养，可筛选出含有丙种蛋白质的愈伤组织，而后培养出含有丙种蛋白质的抗乙种昆虫的植株。

（4）若只用重组质粒感染甲种农作物叶片伤口，可在叶片组织中筛选出含丙种蛋白质的细胞，由于该重组质粒感染的是体细胞，故该植株的种子中不含有丙种蛋白质基因。

答案：

（1）基因　化学　基因文库　PCR

（2）限制　DNA连接

（3）乙种昆虫

（4）不含

2.在某些深海鱼中发现的抗冻蛋白基因afp对提高农作物的抗寒能力有较高的应用价值。

如图所示是获得转基因莴苣的技术流程，请据图回答下列问题：

（1）获取目的基因的主要途径包括从自然界已有的物种中分离和________。

（2）①过程需要的酶有__________________、________。

（3）重组质粒除了带有抗冻蛋白基因afp以外，还必须含有启动子、终止子和________________，这样才能构成一个完整的基因表达载体。

（4）如果受体细胞C1是土壤农杆菌，则将目的基因导入它的目的是利用农杆菌的