2016-2017学年高二生物人教版选修三同课异构课件：1.ppt

1、1.2基因工程的基本操作程序探究1 目的基因的获取【研读教材自主认知】1.目的基因:主要是指_的基因,也可以是一些具有_的因子。2.目的基因的来源:可以从自然界中已有的_中分离出来,也可以用_合成。编码蛋白质调控作用物种人工的方法3.获取目的基因常用的方法:(1)从_中获取。(2)利用PCR技术扩增目的基因。(3)人工合成法。基因文库【小判断】(1)基因工程的核心步骤是目的基因的获取。()【分析】基因工程操作的核心是基因表达载体的构建,目的基因的获取是基因工程操作的第一步。(2)目的基因可以从自然界已有的物种中分离,也可以用化学方法人工合成。()【分析】如果目的基因的序列是已知的,可以采用化学

2、方法合成,如合成胰岛素基因。(3)人工合成目的基因不需要用限制性核酸内切酶。()【分析】人工合成目的基因有两种方法,其一是化学合成法,即用游离的脱氧核苷酸合成,不需要限制性核酸内切酶;其二是反转录法,即用已知的mRNA和反转录酶先合成DNA单链,再进一步得到DNA双链,也不需要限制性核酸内切酶。【合作探究核心归纳】1.从基因文库中获取目的基因:(1)cDNA文库是从某种生物的某一细胞中提取出mRNA,经反转录过程获得的基因文库,为什么该基因文库仅含有该生物的部分基因?提示:由于基因的选择性表达,某种生物的某一细胞中仅有部分基因转录出mRNA,所以由该细胞中的mRNA反转录得到的基因文库仅含该生

3、物的部分基因。(2)结合基因文库、基因组文库、cDNA文库的概念,尝试从范围上比较三者之间的大小关系,并阐明理由。提示:基因文库基因组文库cDNA文库。基因组文库含有一种生物的全部基因,而cDNA文库只含有一种生物的部分基因,二者都属于基因文库。2.利用PCR技术扩增目的基因:PCR是体外扩增DNA的技术,结合细胞内DNA的复制过程讨论下列问题。(1)结合相关知识填充表格内容:细胞内DNA复制PCR技术解旋解旋酶催化_场所_细胞外(主要在PCR扩增仪内)DNA在高温作用下变性解旋细胞内(主要在细胞核内)(2)利用PCR技术扩增目的基因时,需要哪些物质和条件。提示:需要模板、脱氧核苷酸、引物、耐

4、高温的DNA聚合酶等。3.人工合成法:人工合成目的基因时,需要预先知道目的基因的核苷酸序列。请推测目的基因的核苷酸序列是如何得到的?提示:测定目的基因产物的氨基酸序列,根据密码子表推测mRNA的可能的核糖核苷酸序列,再根据碱基互补配对原则推测出目的基因的脱氧核苷酸序列。【归纳总结】获取目的基因的四种方法方法基因文库的构建PCR技术扩增人工合成基因组文库部分基因文库(如cDNA文库)过程方法基因文库的构建PCR技术扩增人工合成基因组文库部分基因文库(如cDNA文库)优点操作简单专一性强可在短时间内大量扩增目的基因专一性强,可产生自然界中不存在的新基因方法基因文库的构建PCR技术扩增人工合成基因组

5、文库部分基因文库(如cDNA文库)缺点工作量大、盲目性大、专一性差操作过程较麻烦,技术要求高需要严格控制温度,技术要求高适用范围小【过关小练即时应用】1.(2015长沙高二检测)有关PCR技术的说法,不正确的是()A.PCR是一项在生物体外复制特定的DNA片段的核酸合成技术B.PCR的原理是DNA双链复制C.利用PCR获取目的基因的前提是要有一段已知目的基因的核苷酸序列D.PCR扩增中必须有解旋酶才能解开双链DNA【解题指南】解答本题注意以下关键点:(1)PCR技术扩增DNA的原理为DNA复制。(2)PCR技术中突出的两点是不需要解旋酶,但是需要耐高温的DNA聚合酶。【解析】选D。PCR技术是

6、一种体外DNA分子复制技术,A正确;其理论基础是DNA分子的复制,B正确;该过程需要一段已有的DNA分子作为模板,C正确;需要四种游离的脱氧核苷酸作为原料,还需要耐热的DNA聚合酶,但是不需要解旋酶,在复制过程中DNA的解旋是由加热过程实现的,D错误。2.(2015揭阳高二检测)为从根本上解决水稻中的高植酸问题,可将植酸酶基因导入水稻,培育低植酸转基因水稻品种。下图是获取植酸酶基因的流程。据图回答:(1)B过程需要的酶是。(2)获得植酸酶基因的方法除图中所示外,还有方法。(3)目的基因和除可从构建的文库中分离外,还可以分别利用图中和为模板直接进行PCR扩增,该过程中所用酶的显著特点是。【解题指

7、南】解答本题的关键在于:【解析】B过程是以RNA为模板合成DNA的反转录过程,需要的酶应该是反转录酶;目的基因和除可从构建的文库中分离外,还可以分别利用图中DNA和cDNA为模板直接进行PCR扩增,该过程中所用酶的显著特点是耐高温。答案:(1)反转录酶(2)人工合成(3)DNAcDNA 耐高温【补偿训练】获取目的基因的方法有多种,下列不属于目的基因获取方法的是()A.从基因组文库中获取 B.从cDNA文库中获取C.直接从细胞质中获取D.利用PCR技术扩增【解析】选C。获取目的基因的方法常用的有以下几种:从基因文库中获取,利用PCR技术扩增,用化学方法直接人工合成。细胞质中不能获取目的基因。探究

8、2 基因表达载体的构建和将目的基因导入受体细胞【研读教材自主认知】1.基因表达载体的构建:(1)构建目的:使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以_给下一代。使目的基因能够_和发挥作用。遗传表达(2)基因表达载体的组成:位 置功 能目的基因位于启动子和终止子之间编码蛋白质,控制生物的性状启动子基因的首端是_识别和结合的部位,驱动基因转录出_终止子基因的尾端终止_标记基因鉴别_中是否含有_RNA聚合酶mRNA转录受体细胞目的基因2.将目的基因导入受体细胞:将相应的受体细胞和导入方法进行连线【小判断】(1)基因表达载体中含启动子和密码子。()【分析】密码子由位于信使RNA上的三个相邻的碱基构成,基

9、因表达载体中无密码子。(2)基因工程中所用的受体细胞只有大肠杆菌一种。()【分析】基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌、植物细胞和动物细胞的受精卵等。(3)重组DNA分子都能进入受体细胞。()【分析】重组DNA分子导入受体细胞时,不是所有的重组DNA分子都能进入受体细胞,也不能保证所有的受体细胞都有重组DNA分子,因此在导入后需要筛选含有目的基因的受体细胞。(4)动物的体细胞也能作为受体细胞。()【分析】动物体细胞的全能性受到限制,只有细胞核具有全能性,所以不能作为受体细胞。【合作探究核心归纳】1.基因表达载体的构建:(1)为什么切割目的基因和载体要选用同一种限制性核酸内切酶?

10、提示:选用同一种限制性核酸内切酶切割会产生相同的黏性末端,可以在DNA连接酶的作用下将切割的目的基因和载体连接起来。(2)在实际的基因工程操作时往往用两种限制性核酸内切酶分别切割目的基因的两端以及载体,这样做有什么好处?试分析原因。提示:可以有效避免载体与载体以及目的基因与目的基因的连接,提高连接的有效性。如果用一种限制性核酸内切酶切割,目的基因两侧的末端以及质粒切口的两个末端都是互补的,因此连接时可能会出现载体与载体、目的基因与目的基因、目的基因与载体三种连接情况,而符合要求的只有载体与目的基因的连接。如果用两种不同的限制性核酸内切酶进行切割就可以有效避免载体与载体以及目的基因与目的基因的连

11、接,提高连接的有效性。(3)分析基因表达载体模式图,回答下面问题。在基因表达载体中,启动子和终止子的位置是否可以互换?试分析原因。提示:不可以。启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位,使转录开始;终止子位于基因的尾端,使转录终止;只有顺序正确,目的基因才能正常转录。能否将目的基因插入载体的标记基因中?为什么?提示:不能。标记基因用于鉴定受体细胞是否成功导入目的基因,以便将含目的基因的细胞筛选出来,若有目的基因插入,则标记基因被破坏,无法进一步筛选。2.将目的基因导入受体细胞:分析农杆菌转化法示意图,回答第(1)题。(1)在用土壤农杆菌转化法将目的基因导入植物细胞的过程中,为什么一定要将目的基因插

12、入Ti质粒的T-DNA上?提示:Ti质粒上的T-DNA也称为可转移DNA,可转移至受体细胞,并且整合到受体细胞染色体的DNA上。(2)植物基因工程常用的受体细胞为什么可以是体细胞,而动物基因工程一般只用受精卵?提示:植物体细胞的全能性较高,可经植物组织培养过程形成完整植物体,因此受体细胞可以是体细胞;动物体细胞的全能性受到严格限制,因此动物基因工程中的受体细胞一般只用受精卵。(3)将目的基因导入微生物细胞时,为什么受体细胞常选择原核生物?提示:原核生物具有繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等特点。(4)导入微生物细胞时,常用Ca2+处理的机理是什么?提示:Ca2+可以改变细胞膜的通透性,使细

13、胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态。【规律方法】选择受体细胞的方法(1)植物:可以是受精卵(花粉管通道法)或体细胞(可经组织培养成为完整植株)。(2)动物:受精卵(因为体细胞的全能性难以表达)。(3)微生物:若要获得基因产物,常把目的基因转入细菌、酵母菌等微生物中。微生物的繁殖速度较快,短时间内可获得大量基因产物。【归纳总结】基因表达载体的构建过程将切下的目的基因片段插入质粒的切口处,再加入适量DNA连接酶,形成一个重组DNA分子(重组质粒)。构建过程如下图所示:【过关小练即时应用】1.(2015邢台高二检测)如图是利用基因工程技术培育转基因植物,生产可食用疫苗的部分过程示意图,其

14、中Pst、Sma、EcoR、Apa为四种限制酶。下列说法错误的是()A.图示过程是基因工程的核心步骤B.表达载体构建时需要用到限制酶SmaC.抗卡那霉素基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来D.除图示组成外,表达载体中还应该含有启动子和终止子等结构【解题指南】解答本题需要注意两个关键点:(1)明确基因表达载体必需的构成。(2)在保证表达载体必备结构完整的情况下选择目的基因的插入位点,从而选择相应的限制酶。【解析】选B。图示过程为基因表达载体的构建过程,是基因工程中的核心步骤,A正确。构建过程中需要将目的基因完整切割下来,此时要用到限制酶Pst、EcoR,B错误。抗卡那霉素基因是标记基因,

15、目的是便于鉴定和筛选含有目的基因的细胞,C正确。基因表达载体包括启动子、目的基因、终止子和标记基因等,D正确。2.农杆菌是一种在土壤中生活的微生物,能在自然条件下感染植物,因而在植物基因工程中得到了广泛的应用。下图为农杆菌转化法的示意图,试回答下列问题:(1)一般情况下农杆菌不能感染的植物是,利用农杆菌能在自然条件下感染植物的特点,能实现_。具体原理是在农杆菌的Ti质粒上存在T-DNA片段,它具有可转移到受体细胞并整合到受体细胞的_上的特点,因此只要将携带外源基因的DNA片段插入_(部位)即可。(2)根据T-DNA这一转移特点,猜测该DNA片段上可能含有控制_(酶)合成的基因。(3)图中c过程

16、中,能促进农杆菌移向植物细胞的物质是类化合物。(4)植物基因工程中将目的基因导入受体细胞的方法除了农杆菌转化法之外,还可采取。(至少写出两种)【解题指南】解答本题的关键:(1)分析农杆菌能感染双子叶植物和裸子植物的本质。(2)分析农杆菌Ti质粒中的T-DNA特点及其整合到染色体DNA的实质。【解析】(1)一般农杆菌不能感染单子叶植物,可感染双子叶植物和裸子植物,利用其感染性,可实现目的基因导入植物细胞。这里应特别明确的是真正可转移到受体细胞并整合到受体细胞的染色体DNA上的是农杆菌T-DNA片段,因此目的基因必须插入该部位才能成功。(2)由T-DNA这一转移特点,可以推测该DNA片段能控制合成

17、DNA连接酶、限制酶,才能实现与双子叶植物细胞的染色体DNA整合。(3)植物细胞受伤后可产生酚类物质,促进农杆菌向植物细胞转移。(4)植物基因工程中除了农杆菌转化法之外,还有基因枪法和花粉管通道法。答案:(1)单子叶植物 目的基因导入植物细胞染色体DNAT-DNA片段(内部)(2)DNA连接酶、限制酶(3)酚(4)基因枪法、花粉管通道法【补偿训练】将目的基因导入微生物细胞的最常用方法是()A.感受态细胞法B.显微注射法C.基因枪法D.农杆菌转化法【解析】选A。将目的基因导入微生物细胞最常用的方法是感受态细胞法,其主要步骤是:首先用Ca2+处理微生物细胞,使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子

18、的生理状态,称为感受态细胞;第二步是将重组表达载体DNA分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合,在一定的温度下促进感受态细胞吸收DNA分子,完成转化过程。探究3 目的基因的检测与鉴定【研读教材自主认知】根据教材知识完成下表检测方法分子水平检测导入DNA分子检测转基因生物的DNA上是否插入了目的基因,采用_转录检测目的基因是否转录出了_,采用_DNA分子杂交技术mRNA分子杂交技术检测方法分子水平检测翻译检测目的基因是否翻译成蛋白质,采用_个体生物学水平鉴定如做抗虫或抗病接种实验等抗原抗体杂交法【合作探究核心归纳】1.将目的基因成功导入受体细胞后是否意味着基因工程操作成功?为什么?提示:不是。将目的基

19、因导入受体细胞后还要进一步鉴定目的基因是否成功表达。2.DNA分子杂交的原理是什么?除了用于目的基因检测与鉴定以外,试举例说明还有哪些应用。提示:碱基互补配对原则。还可用于亲子鉴定、刑事侦察、生物亲缘关系确定等。3.检测棉花中导入的抗虫基因是否表达的最简便的方法是什么?提示:用叶片饲养棉铃虫,观察棉铃虫是否死亡。4.基因工程操作的四个步骤中,有哪几个步骤涉及碱基互补配对?提示:目的基因的获取、基因表达载体的构建和目的基因的检测与鉴定。【归纳总结】目的基因的检测与鉴定的方法汇总【过关小练即时应用】1.要检测目的基因是否成功地插入了受体DNA中,需要用基因探针检测。基因探针是指()A.用于检测疾病

20、的医疗器械B.用放射性同位素或荧光分子等标记的单链DNA分子C.合成-球蛋白的DNA片段D.合成苯丙羟化酶的DNA片段【解题指南】解答本题的关键:(1)明确基因探针的本质是单链DNA。(2)明确基因探针的作用原理是碱基互补配对原则。【解析】选B。基因探针是指一段已知的DNA片段(实际上是单链),为便于对杂交的结果进行检测,需要对其进行放射性同位素或荧光分子标记。2.检测苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞是否已表达的方法是 ()A.是否有抗生素抗性 B.是否能检测到标记基因C.是否有相应的性状D.是否能分离到目的基因【解题指南】明确检测目的基因是否成功表达的两个方法,即在分子水平和个体生物学水

21、平进行检测。【解析】选C。基因表达指的是基因转录翻译出相应的蛋白质,检测苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞是否已表达,应在个体生物学水平上检测是否有相应的性状出现。【互动探究】检测导入基因是否表达,除题目中的方法外,还可以检测哪种物质的存在?利用什么技术?提示:可以检测转基因生物的相应细胞中是否存在目的基因所表达的蛋白质;所用的方法是抗原抗体杂交技术。【补偿训练】用人的胰高血糖素基因制成的DNA探针检测下列物质,不可能形成杂交分子的是()A.人胰岛A细胞中的DNAB.人胰岛A细胞中的mRNAC.人胰岛B细胞中的DNAD.人胰岛B细胞中的mRNA【解析】选D。DNA分子探针检测利用的原理是碱基互补配对,需要被测分子中含有相应的碱基序列,胰岛B细胞中不表达胰高血糖素,因此也不具有相应的mRNA,因此不能形成杂交分子。