高中生物選擇性必修三第三章·第二節(jié)第二節(jié)基因工程的基本操作程序GeneticallyengineeredBasicoperatingprocedures核心素養(yǎng)結(jié)合實(shí)例，采用文字和圖示方式說明基因工程的基本操作程序。生命觀念01科學(xué)探究02社會(huì)責(zé)任03運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀等觀念理解PCR技術(shù)的過程、原理、條件等。利用基因工程技術(shù)和方法獲得人類生產(chǎn)或生活所需產(chǎn)品。課標(biāo)要求明確基因工程操作的涉及的技術(shù)以及方法。010203闡明基因工程的基本操作程序及其主要步驟。聯(lián)系基因工程與實(shí)際生產(chǎn)生活的關(guān)系及應(yīng)用。新課導(dǎo)入右圖展示的是2014年5月14日《農(nóng)民日?qǐng)?bào)》刊發(fā)的文章《一切成果都是為國分憂為民解難》的內(nèi)容。文章介紹了科學(xué)家郭三堆克服困難，成功培育我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的先進(jìn)事跡以及轉(zhuǎn)基因抗蟲棉所產(chǎn)生的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。新課導(dǎo)入1997年，我國政府首次批準(zhǔn)商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉。到2015年，我國已育成轉(zhuǎn)基因抗蟲棉新品種100多個(gè)，減少農(nóng)藥用量40萬噸，增收節(jié)支社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益450億元。為什么傳統(tǒng)的雜交育種方法培育不出抗蟲棉，基因工程卻可以？轉(zhuǎn)基因抗蟲棉抗蟲的機(jī)制是什么？新課導(dǎo)入?yún)^(qū)分蘇云金桿菌、Bt抗蟲蛋白和Bt

基因。Bt

基因是從蘇云金芽孢桿菌中分離的基因，能夠控制Bt抗蟲蛋白的合成，具有高度專一的殺蟲特性，對(duì)靶標(biāo)害蟲有效，對(duì)人類和有益昆蟲無毒害作用。因而Bt基因是培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉較為合適的目的基因。蘇云金桿菌Bt抗蟲蛋白Bt

基因含有控制合成殺死目標(biāo)害蟲操作步驟想要培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，主要需要四個(gè)步驟：01目的基因的篩選與獲取02基因表達(dá)載體的構(gòu)建03目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞04目的基因的檢測(cè)與鑒定目的基因的篩選與獲取01目的基因什么是目的基因，怎么能夠確定我們所需要的目的基因？在基因工程的設(shè)計(jì)和操作中，用于改變受體細(xì)胞

或獲得預(yù)期

等的基因就是目的基因。概念性狀表達(dá)產(chǎn)物它主要是指編碼

的基因。蛋白質(zhì)生物抗逆性優(yōu)良品質(zhì)生產(chǎn)藥物毒物降解工業(yè)用酶目的基因所以，如果我們想要獲取抗蟲棉，就需要將抗蟲基因?qū)肫胀藁ǖ腄NA上。Bt基因是培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉較為合適的目的基因。如今我們已經(jīng)知道了目的基因的概念和原理。那么如何從眾多基因中篩選出我們需要的目的基因呢？目的基因的篩選在培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉之前，科學(xué)家不僅掌握了Bt基因的序列信息，也對(duì)Bt基因的表達(dá)產(chǎn)物__________________有了較為深入的了解。認(rèn)識(shí)基因結(jié)構(gòu)和功能的技術(shù)方法：_______________技術(shù)、遺傳序列數(shù)據(jù)庫、______________工具。有效方法從相關(guān)的________________和_________________的基因中進(jìn)行篩選。已知結(jié)構(gòu)功能清晰實(shí)例分析Bt抗蟲蛋白DNA測(cè)序序列比對(duì)目的基因的獲取將含有某種生物不同基因的許多DNA片段，導(dǎo)入受體菌的群體中儲(chǔ)存，各個(gè)受體菌分別含有這種生物的不同的基因，稱為基因文庫。從“基因文庫”中獲取目的基因。基因文庫基因組文庫：包含一種生物的全部基因部分基因文庫：包含一種生物的一部分基因(如cDNA文庫）種類劃分目的基因的獲取什么是cDNA文庫，如何獲得目的基因？cDNA文庫某種生物基因組轉(zhuǎn)錄的全部mRNA經(jīng)反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的cDNA片段與適當(dāng)?shù)妮d體連接后導(dǎo)入受體菌，這樣包含著全部mRNA信息的cDNA克隆集合稱為cDNA文庫。基因探針用DNA探針從基因文庫中準(zhǔn)確提取目的基因，根據(jù)目的基因的核苷酸序列制成一段與之互補(bǔ)的核苷酸短鏈，并用同位素標(biāo)記，即成為探針。用這一探針探查基因文庫中已經(jīng)變性的DNA片段，如果有一個(gè)DNA片段能和探針片段互補(bǔ)而結(jié)合成雙鏈（分子雜交），這一片段即含有所需要的基因。兩種文庫的比較cDNA文庫基因組文庫文庫大小有無啟動(dòng)子有無內(nèi)含子基因數(shù)量物種間的基因交流大小有無有無某種生物的全部基因某種生物的部分基因部分基因可以可以比較項(xiàng)目目的基因的獲取還有哪些方式，可以獲取目的基因？在我國首批具有較高抗蟲活性的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的培育過程中，科學(xué)家人工合成了目的基因。反轉(zhuǎn)錄法或采用DNA合成儀人工合成長度不是很大的DNA片段（基因序列已知）具體方法目的基因的mRNA單鏈DNA雙鏈DNA(即目的基因)反轉(zhuǎn)錄合成目的基因的獲取也可使用DNA合成儀合成核苷酸序列較短的目的基因。已知氨基酸序列的蛋白質(zhì)mRNA的核苷酸序列目的基因的核苷酸序列目的基因推測(cè)推測(cè)合成目的基因的獲取現(xiàn)在，常用PCR特異性地快速擴(kuò)增目的基因。PCR是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的縮寫。原理根據(jù)

的原理。DNA半保留復(fù)制在體外提供參與DNA復(fù)制的各種組分與反應(yīng)條件，對(duì)目的基因的核苷酸序列進(jìn)行大量復(fù)制的技術(shù)。穆里斯目的基因的獲取PCR是一項(xiàng)體外復(fù)制特定DNA片段的核酸合成技術(shù)。什么情況下適合用PCR技術(shù)呢？適用條件獲取核苷酸序列已知或部分已知的目的基因。PCR的進(jìn)行需要滿足于哪些條件？可以結(jié)合DNA的復(fù)制條件考慮。目的基因的獲取DNA復(fù)制所需要的條件參與的組分在DNA復(fù)制時(shí)的作用解旋酶（體外用高溫代替）打開DNA雙鏈DNA母鏈提供DNA復(fù)制的模板4種脫氧核苷酸合成DNA子鏈的原料DNA聚合酶催化合成DNA子鏈引物使DNA聚合酶能夠從引物的3’端開始連接脫氧核苷酸PCR反應(yīng)DNA模板、分別與兩條模板鏈結(jié)合的2種__________、四種______________、____________________________。引物脫氧核苷酸耐高溫的DNA聚合酶是一小段能與______________的一段堿基序列________

______的短單鏈核酸。用于PCR的引物長度通常為20~30個(gè)核苷酸。DNA母鏈條件引物互補(bǔ)配對(duì)單個(gè)引物中的堿基不能互補(bǔ)配對(duì)，兩個(gè)引物之間不能有兩個(gè)以上連續(xù)堿基互補(bǔ)序列。PCR反應(yīng)下面的核苷酸序列能作為引物嗎？判斷5’GGCAGTCTGCCAGTCTAC3’5’GGCAGTCTGCCAGTCTAC3’GACGG5’TCTGCCAGTCTAC3’發(fā)卡結(jié)構(gòu)PCR反應(yīng)真核細(xì)胞和細(xì)菌的DNA聚合酶都需要Mg2+激活。PCR反應(yīng)緩沖溶液中一般要添加Mg2+。環(huán)境條件同時(shí)，通過控制溫度使DNA復(fù)制在體外能夠反復(fù)進(jìn)行。具體是通過怎樣的過程來操作實(shí)現(xiàn)的呢？PCR反應(yīng)過程第一步變性DNA模板溫度上升到

90℃以上，雙鏈DNA解聚為單鏈。待擴(kuò)增的DNA模板PCR擴(kuò)增儀（900C以上）PCR反應(yīng)過程第二步復(fù)性當(dāng)溫度下降到50℃左右時(shí)，兩種引物通過堿基互補(bǔ)配對(duì)與兩條單鏈DNA結(jié)合。單鏈DNA引物1引物2+引物與DNA結(jié)合PCR反應(yīng)過程第三步延伸溫度上升到72℃左右時(shí)，4種脫氧核替酸在耐高溫的DNA聚合酶的作用下，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則合成新的DNA鏈。引物與DNA結(jié)合DNA聚合酶作用第一輪產(chǎn)物PCR反應(yīng)過程第四步重復(fù)循環(huán)多次第一輪循環(huán)的產(chǎn)物作為第二輪反應(yīng)的模板，經(jīng)過變性、復(fù)性和延伸三步產(chǎn)生第二輪循環(huán)的產(chǎn)物。第一輪產(chǎn)物第二輪第三輪第三輪亦是如此。PCR反應(yīng)過程結(jié)果每次循環(huán)后目的基因的量增加一倍，即成_______形式擴(kuò)增(約為2n)。每次循環(huán)后會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果？指數(shù)目的基因目的基因思考·討論Q1第幾輪最先獲得目的基因？母鏈母鏈思考·討論Q2復(fù)制n輪需要幾種引物？多少個(gè)引物呢？需要2

種引物。復(fù)制n輪形成2n個(gè)DNA分子，即有2n+1個(gè)DNA單鏈。每個(gè)單鏈能與一個(gè)引物結(jié)合，但最初的兩條模板連不結(jié)合引物。所以，需要2n+1-2個(gè)引物。PCR技術(shù)DNA復(fù)制項(xiàng)目條件原理解旋場(chǎng)所酶結(jié)果相同點(diǎn)不同點(diǎn)比較PCR和DNA復(fù)制4種脫氧核苷酸、能量、模板、酶半保留復(fù)制；堿基互補(bǔ)配對(duì)原則高溫下變性解旋解旋酶催化，邊解旋邊復(fù)制體外復(fù)制(30多次)主要在細(xì)胞核內(nèi)熱穩(wěn)定的DNA聚合酶細(xì)胞內(nèi)的DNA聚合酶大量的DNA片段形成整個(gè)DNA分子瓊脂糖凝膠電泳上述過程可以在PCR擴(kuò)增儀（PCR儀）中自動(dòng)完成，完成以后，通常采用瓊脂糖凝膠電泳來鑒定PCR的產(chǎn)物。瓊脂糖凝膠電泳來鑒定PCR的產(chǎn)物思考·討論Q3用PCR可以擴(kuò)增mRNA嗎？mRNA不可以直接擴(kuò)增，需要將它逆轉(zhuǎn)錄成cDNA再進(jìn)行擴(kuò)增。1.逆轉(zhuǎn)錄酶以RNA為模板合成互補(bǔ)的DNA鏈，形成RNA-DNA雜交分子。2.核酸酶H降解RNA-DNA雜交分子中的RNA鏈，使之變成單鏈DNA。3.以單鏈DNA為模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一條互補(bǔ)的DNA鏈，形成雙鏈DNA分子。小結(jié)獲取目的基因的方法從基因文庫中獲取目的基因基因文庫反轉(zhuǎn)錄法或采用DNA合成儀人工合成人工合成利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因（基因序列部分或全部已知）PCR技術(shù)當(dāng)堂檢測(cè)Q1下列不屬于獲得目的基因方法的是（)A.從基因文庫中獲取B.利用人工合成法獲得C.利用PCR技術(shù)大量獲得D.利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法獲得D解釋農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法是把目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法，而不是獲得目的基因的方法。當(dāng)堂檢測(cè)Q2下列關(guān)于cDNA文庫和基因組文庫的說法中，不正確的是（）BA.cDNA文庫中只含有某種生物的部分基因，基因組文庫中含有某種生物的全部基因B.如果某種生物的cDNA文庫中的某個(gè)基因與該生物的基因組文庫中的某個(gè)基因控制的性狀相同，則這兩個(gè)基因的結(jié)構(gòu)也完全相同C.cDNA文庫中的基因沒有啟動(dòng)子D.一種生物的cDNA文庫包含的基因種類要比基因組文庫少當(dāng)堂檢測(cè)Q3在基因較小、序列信息已知的情況下，獲取目的基因的最方便方法是（)AA.化學(xué)合成法B.基因組文庫法C.cDNA文庫法D.多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)解釋目的基因的序列未知的情況下，可以采用從基因文庫中獲取目的基因。目的基因比較小，核苷酸序列已知的情況下常采用人工合成法。當(dāng)堂檢測(cè)Q4PCR是一種體外迅速擴(kuò)增DNA片段的技術(shù)。下列有關(guān)該技術(shù)的敘述，不正確的是（）DA.PCR技術(shù)的原理是DNA復(fù)制B.變性過程中利用高溫使DNA雙鏈解開C.復(fù)性過程中引物與DNA模板