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1、第6章 从杂交育种到基因工程 青年是人生的骄傲, 也是时代未来的希望。 林伯渠第2节 基因工程及其应用1 .简述基因工程的概念。2 .简述基因工程的原理和过程。3 .关注基因工程的发展和应用。4 .探讨转基因生物和转基因食品的安全性。要点1 基因工程的原理与工具1.基因工程的概念:基因工程, 又叫基因拼接技术或D NA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。如下表。基因工程的别名基因拼接技术或D NA重组技术操作环境生物体外操作对象基因操作水平D NA分子水平基本过程剪切拼接导入表达结果人
2、类需要的基因产物2.原理: 不同生物间的基因重组。3.优点: 克服了远源杂交的不亲和性; 周期短; 目的性强。4.工具: (1) 限制性核酸内切酶 “ 分子手术刀” ;存在: 主要存在微生物体内。特性: 专一性。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列, 并在特定的位点上切割D NA分子。切割部位一般都具有反向重复序列, 即一条链正向读的碱基顺序与另一条链反向读的顺序完全一致。且各种酶切点不同, 即限制酶具有特定的酶切位点。作用: 基因工程中重要的切割工具, 能将外来的D NA在特定的切点上切割形成两个带有完全相同黏性末端的D NA片段, 对自身的D NA无损害。作用的化学键是磷酸二酯键。种类:
3、2 0 0多种限制酶。切割结果: 产生2个带有黏性末端的D NA片段。例子: 大肠杆菌中的一种叫做E c oR的限制酶, 能够专一识别GAA T T C的序列, 并在G和A之间将这段序列切开。如下图:(2)D NA连接酶 “ 分子缝合针” ;本质: 蛋白质。作用: 把脱氧核糖和磷酸交替连接而成的D NA骨架上的缺口“ 缝合” 起来, 形成磷酸二酯键。如下图所示:结果: 催化形成重组D NA分子。 (3) 基因的运输工具 运载体。概念: 能将外源基因送入受体细胞的专门的运输工具。具备的条件: 能在宿主细胞内稳定地保存并复制( 可以停留在细胞中进行自我复制, 或者整合到染色体D NA上, 随染色体
4、D NA进行同步复制) ; 具有多个限制酶切点, 以便与外源基因连接; 具有标记基因, 以便筛选( 如: 抗四环素、 氨苄青霉素等标记基因, 供重组D NA的鉴定和选择) 。种类: 主要是质粒、 噬菌体、 动植物病毒等。其中质粒是基因工程中最常用的运载体。举例: 质粒, 存在于许多细菌以及酵母菌等生物中, 是细胞拟核或染色体外能够自主复制的很小的环状D NA分子。最常用的是大肠杆菌的质粒, 含有抗药性等标记基因。【 案例1】 现有黑色短毛兔和白色长毛兔, 要育出黑色长毛兔。理论上可采用的技术是( ) 。杂交育种 基因工程 诱变育种 克隆技术A . B . C . D . 【 精析】 由黑色短毛
5、兔和白色长毛兔, 通过杂交育种可实现基因重组, 育出黑色长毛兔; 通过基因工程将决定黑色的基因和长毛的基因导入兔的受精卵中, 而育出黑色长毛兔; 通过基因突变也有可能使决定白色的基因突变为黑色的基因,使白色长毛兔突变为黑色长毛兔; 而克隆属于无性生殖, 子代的遗传物质未发生变化, 所产生的兔的性状仍是黑色短毛兔或白色长毛兔, 因此不会出现黑色长毛兔。第2节 基因工程及其应用青春应当是鲜红的, 永远的鲜红。 杨 沫【 解答】 D【 案例2】 下列有关基因工程中限制性核酸内切酶的描述, 错误的是( ) 。A.一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列B.限制性核酸内切酶的活性受温度的影响C.
6、限制性核酸内切酶能识别和切割R NAD.限制性核酸内切酶可从原核生物中提取 【 精析】 限制性核酸内切酶存在于许多细菌及酵母菌等生物中; 一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列, 并能切割D NA分子; 限制性核酸内切酶的活性与其他酶一样也受温度的影响。 【 解答】 C顿有所悟 一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列, 不同的限制酶识别的核苷酸序列不同。 【 案例3】 下图为D NA分子的某一片段, 其中分别表示某种酶的作用部位, 则相应的酶依次是( ) 。A. D NA连接酶、 限制性内切酶、 解旋酶B.限制性内切酶、 解旋酶、D NA连接酶C.解旋酶、 限制性内切酶、D NA连接
7、酶D.限制性内切酶、D NA连接酶、 解旋酶 【 精析】 使碱基对氢键断裂的是解旋酶; 将特定部位的相邻两脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键断开的是限制酶; 连接D NA片段间磷酸二酯键的是D NA连接酶。 【 解答】 C归纳整理 比较D NA连接酶、D NA聚合酶、D NA酶、解旋酶:D NA连接酶是连接D NA片段的;D NA聚合酶是在D NA复制时, 将单个的脱氧核苷酸连接成D NA分子;D NA酶的作用是水解D NA成脱氧核苷酸; 解旋酶是把D NA分子的两条单链解开。要点2 基因工程操作的基本步骤1.提取目的基因 (1) 目的基因: 就是人们所需要的特定基因。 (2) 操作工具: 限制性核酸
8、内切酶。2.目的基因与运载体结合 (1) 操作工具: 限制性内切酶、D NA连接酶。 (2) 过程:用一定的限制酶切割质粒, 用同一种限制酶切割目的基因;加入D NA连接酶;质粒和目的基因结合成重组D NA分子。用如下图解表示:质粒露出质粒黏性末端切割同一种限制酶切割目的基因露出黏性末端插入D N A连接酶重组D N A( 含目的基因的重组质粒)3.将目的基因导入受体细胞 (1) 操作工具: 运载体。 (2) 常用的受体细胞: 大肠杆菌、 枯草杆菌、 土壤农杆菌、酵母菌、 动植物细胞。(3) 导入方法: 主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的方法。 (4) 导入途径: 受体细胞细菌C a C l2处理
9、细菌细胞 壁通透性增 加导 入 重 组 质 粒受 体 细 胞 重 组 质 粒 扩 增( 复制) 。4.目的基因的表达和检测 (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: 很多种。例如: 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( 如棉花 抗虫性状的表现) , 说明目的基因导入和完成表达过程。 【 案 例4】 下 列 有 关 基 因 工 程 的 叙 述, 正 确 的 是( ) 。A. D NA连接酶的作用是将两个黏性末端的碱基连接起来B.目的基因导入受
10、体细胞后, 受体细胞即发生基因突变C.目的基因与运载体结合的过程发生在细胞外D.常使用的运载体有大肠杆菌、 噬菌体和动植物病毒等 【 精析】 D NA连接酶的作用是将两个脱氧核糖核苷酸片段连接起来, 碱基是通过氢键连接起来的; 基因工程的原理是基因重组, 而不是发生基因突变; 常用的运载体有质粒、 噬菌体、 动植物病毒等; 基因工程的操作环境是在生物体外, 目的基因与运载体结合的过程是在细胞外进行的。 【 解答】 C关键提醒 质粒是目前最常用的运载体, 但运载体并非只局限于质粒。质粒是存在于细菌或酵母菌中染色体D NA以外的一种小型环状D NA分子, 而运载体除这种小型环状D NA外, 还可有
11、噬菌体( 细菌病毒) 及动植物病毒等。另外, 许多运载体是经人工改造的微生物质粒。 【 案例5】 下列关于图中P、Q、R、S、G的描述中, 正确的是( ) 。A. P代表的是质粒R NA,S代表的是外源D NAB.Q表示限制性内切酶的作用,R表示R NA聚合酶的作用第6章 从杂交育种到基因工程 青少年是人生发展最重要的时期。 威柯珀C. G是R NA与D NA形成的重组质粒D. G是转基因形成的重组D NA质粒 【 精析】 图中P代表的是质粒D NA,R表示D NA连接酶的作用,G是质粒D NA与目的基因形成的重组质粒。 【 解答】 D要点3 基因工程的应用1 .基因工程与作物育种 (1) 目
12、的: 把各种优良基因通过基因工程导入生物体内,从而改变生物的遗传特性, 培育出新品种。培育高产、 稳产和具有优良品质的农作物。如各种抗虫植物的培育。培育各种抗逆性的作物新品种。(2) 优点: 降低生产成本, 减少农药的使用对环境造成的污染, 提高农作物对不良环境的适应能力。2 .基因工程与药物研制把控制产生药物的基因通过基因工程直接转移到另一种生物( 一般是微生物) 体内, 从而获得各种高质量、 低成本的药物。目前用基因工程生产的药物在市场上已经很常见了, 如胰岛素、 干扰素, 以及预防乙肝的疫苗等。3 .基因工程与环境保护 (1) 环境监测: 用D NA探针检测饮水中病毒的含量。 (2) 环
13、境净化: 获得分解四种烃类的“ 超级细菌” , 吞噬汞和降解土壤中D D T的细菌, 去除环境镉污染的植物, 构建新的杀虫剂。【 案例6】 用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的胰岛素。下列叙述不正确的是( ) 。A.常用相同的限制酶处理目的基因和质粒B. D NA连接酶和R NA聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶C.可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒D.导入大肠杆菌的目的基因不一定成功表达 【 精析】 由题干可知使微生物合成人的胰岛素, 这个目的的实现需要用到基因工程技术。构建重组质粒需用限制性内切酶和D NA连接酶,R NA聚合酶的功能是催化D NA转录形成R NA。 【 解答
14、】 B【 案例7】 1 9 9 3年, 我国科学工作者培育成的抗棉铃虫的转基因抗虫棉, 其抗虫基因的来源是( ) 。A.普通棉花的基因突变B.棉铃虫变异形成的致死基因C.寄生在棉铃虫体内的线虫D.苏云金芽孢杆菌体内的抗虫基因 【 精析】 我国科学家培育成功的抗棉铃虫的转基因抗虫棉的抗虫基因是从原核生物苏云金芽孢杆菌体内提取出来的基因。【 解答】 D要点4 转基因生物和转基因食品的安全性1.一种观点: 转基因生物和转基因食品安全, 应该大范围推广。理由: (1) 解决粮食短缺问题;(2) 减少农药使用, 从而减少环境污染; (3) 节省生产成本, 降低粮食售价; (4) 增加食物营养, 提高附加
15、值; (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。2.另一种观点: 转基因生物和转基因食品不安全, 要严格控制。理由: (1) 可能产生新毒素和新过敏原; (2) 可能产生抗除草剂的杂草; (3) 可能使疾病的散播跨越物种障碍; (4) 可能会损害农作物的生物多样性; (5) 可能干扰生态系统的稳定性。我国的相关法规:2 0 0 1年5月国务院公布了 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、 经营和进出口作了具体规定。 【 案例8】 在对番茄的研究中发现, 害虫损伤番茄叶片后, 叶上的细胞壁能释放出一种类激素因子, 这种物质通过细胞组织扩散到茎和其他叶片上, 启动蛋白酶抑制剂的基因后,开始高效合成蛋白酶抑制剂, 并在茎叶中迅速积累, 以对付害虫的再次侵袭。蛋白酶抑制剂对害虫的消化酶有抑制作用,因此害虫取食后, 就会因无法消化食物而被杀死。人们尝试将番茄的蛋白酶抑制剂基因导入玉米, 让玉米获得与番茄相似的抗虫性状, 以对付异常猖獗的玉米螟( 一种玉米害虫) 。根据材料回答下列问题:(1) 番茄的蛋白酶抑制剂很可能是在茎叶细胞的 处合成的。(2) 将番茄的蛋白酶抑制基因导入玉米内, 使玉米形成新 的
