2024-2025學年高二生物人教版選擇性必修3 第3章 第3節(jié) 基因工程的應用

第3節(jié)基因工程的應用[學習目標]1.舉例說出基因工程在農牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)等方面的應用。2.乳腺生物反應器的制備過程。一、基因工程在農牧業(yè)方面的應用1．轉基因抗蟲植物(1)方法：從某些生物中分離出具有抗蟲功能的基因，將它導入作物中培育出具有抗蟲性的作物。(2)成果：轉基因抗蟲棉花、玉米、大豆、水稻和馬鈴薯等。2．轉基因抗病植物(1)背景：許多栽培作物由于自身缺少抗病基因，因此用常規(guī)育種的方法很難培育出抗病的新品種。(2)方法：科學家將來源于某些病毒、真菌等的抗病基因導入植物中，培育出了轉基因抗病植物。(3)成果：轉基因抗病毒甜椒、番木瓜和煙草等。3．轉基因抗除草劑植物(1)背景：雜草常常危害農業(yè)生產，而大多數(shù)除草劑不僅能殺死田間雜草，還會損傷作物，導致作物減產。(2)方法：將降解或抵抗某種除草劑的基因導入作物，可以培育出抗除草劑的作物品種。(3)成果：轉基因抗除草劑玉米、大豆、油菜和甜菜等。4．改良植物的品質優(yōu)良基因成果必需氨基酸含量多的蛋白質編碼基因富含賴氨酸的轉基因玉米與植物花青素代謝相關的基因轉基因矮牽牛5.提高動物的生長速率(1)基因：外源生長激素基因。(2)成果：轉基因鯉魚。6．改善畜產品的品質(1)基因：腸乳糖酶基因。(2)成果：轉基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他營養(yǎng)成分不受影響。判斷正誤(1)轉入外源生長素基因的轉基因動物，生長速率更快()(2)轉基因抗蟲棉的Bt抗蟲蛋白基因能抗病毒、細菌、真菌()(3)“轉基因植物”是指植物體細胞中出現(xiàn)了新基因的植物()答案(1)×(2)×(3)×提示(1)轉入外源生長激素基因(而非生長素基因)的轉基因動物，生長速率更快。(2)抗蟲棉能抵抗棉鈴蟲的侵害，提高棉花的產量和品質，但不能抵抗病毒、細菌、真菌。(3)體細胞中出現(xiàn)了新基因的植物不一定是轉基因植物，基因突變也可能出現(xiàn)新基因，這樣的植物不能稱為轉基因植物。任務一：轉基因植物和動物的培育1．從環(huán)境保護角度出發(fā)，轉基因抗蟲棉與普通棉相比在害蟲防治方面的優(yōu)越性表現(xiàn)在減少了化學農藥的使用量，降低了環(huán)境污染；降低了生產成本(答出兩點即可)。2．將腸乳糖酶基因導入奶牛基因組能降低牛奶中的乳糖含量，機理是腸乳糖酶基因在奶牛乳腺細胞中表達出乳糖酶，可以分解乳汁中的乳糖。3．轉基因植物的制備用到的技術主要有基因工程、植物組織培養(yǎng)。轉基因動物的制備用到的技術主要有基因工程、動物細胞培養(yǎng)、早期胚胎培養(yǎng)、胚胎移植。1．轉基因植物培育過程2．轉基因動物的培育過程(以轉基因牛培育過程為例)1．(2023·湖南，8)鹽堿脅迫下植物應激反應產生的H2O2對細胞有毒害作用。禾本科農作物AT1蛋白通過調節(jié)細胞膜上PIP2s蛋白磷酸化水平，影響H2O2的跨膜轉運，如圖所示。下列敘述錯誤的是()A．細胞膜上PIP2s蛋白高磷酸化水平是其提高H2O2外排能力所必需的B．PIP2s蛋白磷酸化被抑制，促進H2O2外排，從而減輕其對細胞的毒害C．敲除AT1基因或降低其表達可提高禾本科農作物的耐鹽堿能力D．從特殊物種中發(fā)掘逆境脅迫相關基因是改良農作物抗逆性的有效途徑答案B解析由題圖右側的信息可知，AT1蛋白缺陷，可以促進PIP2s蛋白的磷酸化，進而促進H2O2排出膜外，A正確；據(jù)題圖左側的信息可知，AT1蛋白能夠抑制PIP2s蛋白的磷酸化，減少了H2O2從細胞內輸出到細胞外的量，導致抗氧化脅迫能力弱，不能減輕其對細胞的毒害，B錯誤；結合對A選項的分析可推測，敲除AT1基因或降低其表達，可提高禾本科農作物抗氧化脅迫(耐鹽堿)的能力，進而提高其成活率，C正確；從特殊物種中發(fā)掘逆境脅迫相關基因，可通過基因工程技術改良農作物抗逆性，D正確。2．下列有關目的基因的操作能夠改善產品品質的是()A．將草魚的生長激素基因導入鯉魚體內B．將腸乳糖酶的基因導入奶牛的基因組C．將降解或抵抗某種除草劑的基因導入玉米D．將Bt抗蟲蛋白基因整合到煙草或棉花的基因組并實現(xiàn)表達答案B解析將草魚的生長激素基因導入鯉魚體內是提高鯉魚的生長速率，A不符合題意；導入腸乳糖酶基因的奶牛的牛奶中乳糖含量降低，改善了牛奶的品質，B符合題意；將降解或抵抗某種除草劑的基因導入玉米是轉基因抗除草劑植物的應用，C不符合題意；Bt抗蟲蛋白基因是抗蟲基因，能夠提高植物的抗蟲能力，D不符合題意。二、基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領域及食品工業(yè)方面的應用1．基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領域的應用(1)利用微生物或動植物的細胞進行基因改造，生產藥物成果：細胞因子、抗體、疫苗、激素等。(2)利用哺乳動物生產藥物①構建乳腺生物反應器a．目的基因：藥用蛋白基因。b．啟動子：乳腺中特異表達的基因的啟動子。c．受體細胞：受精卵。②成果：利用乳腺生物反應器生產抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素、α-抗胰蛋白酶等。(3)建立移植器官工廠①方法：在器官供體的基因組中導入調控基因表達的DNA序列，以抑制抗原決定基因的表達，或設法除去抗原決定基因，再結合克隆技術，培育出不會引起免疫排斥反應的轉基因克隆豬器官。②優(yōu)點：解決人體移植器官短缺問題；避免免疫排斥反應。2．基因工程在食品工業(yè)方面的應用(1)氨基酸：利用轉基因生物合成阿斯巴甜的原料——天冬氨酸和苯丙氨酸。(2)酶：利用轉基因生物獲得生產奶酪需要的凝乳酶；利用轉基因生物生產加工轉化糖漿需要的淀粉酶；利用轉基因生物生產加工烘烤食品要用到的脂肪酶等。(3)維生素。3．其他方面的應用：利用“超級細菌”來處理環(huán)境污染，利用經過基因改造的微生物來生產能源。判斷正誤(1)用大腸桿菌生產的人的胰島素沒有活性()(2)利用乳腺生物反應器能夠獲得一些重要的醫(yī)藥產品，如人的血清白蛋白，這是因為將人的血清白蛋白基因導入了動物的乳腺細胞中()(3)用基因工程技術生產工業(yè)酶的優(yōu)點：純度高、生產成本低、生產效率高()答案(1)√(2)×(3)√提示(2)利用乳腺生物反應器生產醫(yī)藥產品，如人的血清白蛋白，需將人的血清白蛋白基因導入動物的受精卵中。任務二：基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領域的應用1．與大腸桿菌相比，用酵母菌生產人的胰島素的優(yōu)勢是酵母菌為真核生物，有生物膜系統(tǒng)，可通過內質網(wǎng)和高爾基體對產生的胰島素進行加工和修飾，從而產生有活性的胰島素。2．藥用蛋白基因存在于轉基因動物的幾乎所有細胞(填“乳腺上皮細胞”或“幾乎所有細胞”)中；培育乳腺生物反應器時要選用乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件與藥用蛋白基因重組在一起，目的是讓藥用蛋白基因只在乳腺細胞中表達。3．與工廠化生產藥用蛋白相比，用動物乳腺生物反應器生產藥用蛋白的優(yōu)勢：動物乳腺有完整的蛋白質翻譯后修飾系統(tǒng)，生產的蛋白質活性高，更穩(wěn)定；產物直接經乳汁分泌，易提取(答出兩點即可)。4．從生產的角度考慮，生物反應器選擇的組織或器官要方便產物的獲得，例如乳腺、膀胱、血液等，由此發(fā)展了動物乳腺生物反應器、動物血液生物反應器和動物膀胱生物反應器等。研制膀胱生物反應器時，應將目的基因與膀胱上皮細胞中特異表達的基因的啟動子等調控元件重組。5．與乳腺生物反應器相比，膀胱生物反應器的優(yōu)點是正常尿液中蛋白質含量很少，所以從尿液中更容易提取分離產物；不受年齡、性別限制，受體來源更廣泛(答出兩點即可)。1．轉基因微生物的培育過程(以可生產干擾素的酵母菌的培育過程為例)2．乳腺生物反應器培育過程3．下列關于用轉基因動物作器官移植供體的研究的敘述，不正確的是()A．人體移植器官短缺和免疫排斥是目前制約人體器官移植的兩大難題B．豬的內臟構造、大小和血管分布與人的極為相似C．靈長類動物體內隱藏的、可導致人類疾病的病毒少于豬D．無論以哪種動物作為供體，都需要在其基因組中導入調控基因表達的DNA序列，以抑制抗原決定基因的表達，或設法除去抗原決定基因答案C解析豬的內臟構造、大小和血管分布與人的極為相似，且豬體內隱藏的、可導致人類疾病的病毒遠少于靈長類動物，B正確，C錯誤；無論以哪種動物作為供體，都需要在其基因組中導入調控基因表達的DNA序列，以抑制抗原決定基因的表達，或設法除去抗原決定基因，再結合克隆技術，培育出不會引起免疫排斥反應的轉基因克隆動物器官，D正確。4．(多選)(2023·唐山高二期末)下列關于利用乳腺生物反應器生產藥用蛋白的敘述，錯誤的是()A．需要將編碼藥用蛋白的基因與能在乳腺中特異性表達的基因的啟動子等調控元件重組在一起B(yǎng)．常使用顯微注射技術將基因表達載體導入乳腺細胞C．需要借助于早期胚胎培養(yǎng)和胚胎移植技術培育出轉基因動物D．藥物的生產不受轉基因動物性別和年齡的限制答案BD解析培育轉基因動物，通常采用顯微注射技術將目的基因導入動物受精卵，B錯誤；乳腺生物反應器需要從雌性動物乳汁中提取藥用蛋白，故藥物的生產受到轉基因動物性別和年齡的限制，D錯誤。課時對點練[分值：100分]第1～11題，每題6分，共66分。題組一基因工程在農牧業(yè)方面的應用1．下列說法正確的是()A．基因工程培育的抗蟲植物也能抗病毒B．動物基因工程的應用是培育體型巨大、品質優(yōu)良的珍稀動物C．基因工程可用來培育高產、穩(wěn)產、品質優(yōu)良和抗逆性強的作物D．科學家將必需氨基酸含量多的蛋白質導入植物體中，以提高氨基酸的含量答案C解析用基因工程培育的抗蟲植物能抗蟲，不能抗病毒，A錯誤；基因工程在畜牧業(yè)上的應用主要是提高動物生長速率、改善畜產品品質、用轉基因動物生產藥物，B錯誤；基因工程能將一些相關基因導入作物中，可用來培育高產、穩(wěn)產、品質優(yōu)良和抗逆性強的作物，C正確；科學家將必需氨基酸含量多的蛋白質的相關基因導入植物中，或者改變這些氨基酸合成途徑中某種關鍵酶的活性，以提高氨基酸的含量，D錯誤。2．(2024·南京高二調研)下列有關基因工程在農牧業(yè)方面應用的敘述，錯誤的是()A．將來源于某些病毒、真菌等的抗病基因導入植物，可培育出轉基因抗病植物B．將降解或抵抗某種除草劑的基因導入作物，可培育出轉基因抗除草劑作物C．植物基因工程通常涉及基因工程、植物組織培養(yǎng)等技術D．將基因工程生產的腸乳糖酶作為藥物添加在牛奶中，可解決人的乳糖不耐受問題答案D解析腸乳糖酶的化學本質是蛋白質，會在消化道中被分解而失效，基因工程生產的腸乳糖酶作為藥物添加在牛奶中，不能解決人的乳糖不耐受問題，可以將腸乳糖酶基因導入奶?；蚪M，使獲得的轉基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他營養(yǎng)成分不受影響，從而解決人的乳糖不耐受問題，D錯誤。3．SOD是一種抗氧化酶，它能將Oeq\o\al(－,2)轉化成H2O2，增強植物的抗逆性。如圖為培育農作物新品種的一種方式。下列有關敘述正確的是()A．過程①可以用動物病毒作為載體B．從該農作物新品種的細胞中檢測出了SOD基因，說明該基因工程成功了C．新品種的獲得屬于可遺傳的變異，可能將抗逆性狀遺傳給子代D．基因工程又叫重組DNA技術，所用工具酶有限制酶、DNA連接酶和載體答案C解析病毒的寄生具有專一性，所以過程①不能用動物病毒作為載體，A錯誤；從該農作物新品種的細胞中檢測出具有活性的SOD，才能說明該基因工程成功了，B錯誤；載體不屬于工具酶，D錯誤。4．科研人員將野生大豆GsSAMS基因(S－腺苷甲硫氨酸合成酶基因)導入水稻，獲得轉基因株系，與野生型相比轉基因水稻的鹽堿脅迫耐受性明顯提高。下列有關說法錯誤的是()A．推測GsSAMS基因會阻礙植物滲透調節(jié)過程相關基因的表達B．培育轉基因水稻的核心工作是過程①構建基因表達載體C．導入基因表達載體可采用過程②③農桿菌轉化法侵染水稻愈傷組織D．過程④依據(jù)植物細胞的全能性原理答案A解析GsSAMS基因會提高植物滲透調節(jié)過程相關基因的表達，提高耐鹽堿脅迫的能力，A錯誤。題組二基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生及食品工業(yè)方面的應用5．基因工程應用廣泛，成果豐碩。下列不屬于基因工程應用的是()A．制造能降解石油的“超級細菌”B．利用乳腺生物反應器生產藥物C．從大腸桿菌細胞內獲得干擾素D．培育青霉菌并從中提取青霉素答案D解析科學家通過誘變育種方式培育出高產青霉菌株，培養(yǎng)青霉菌并從中提取青霉素。該過程沒有采用基因工程技術，不屬于基因工程的應用，D符合題意。6．人抗凝血酶Ⅲ由人體肝細胞產生，具有抗凝血、防血栓的作用。研究人員通過培育山羊乳腺生物反應器大量生產人抗凝血酶Ⅲ。下列相關敘述正確的是()A．目的基因的上游需連接山羊乳腺中特異表達的基因的啟動子B．在該轉基因山羊中，人抗凝血酶Ⅲ基因只存在于乳腺細胞，而不存在于其他體細胞中C．用顯微注射技術將基因表達載體導入山羊乳腺細胞來獲得轉基因動物D．若用大腸桿菌作為受體細胞也能獲得活性高的人抗凝血酶Ⅲ答案A解析培育轉基因山羊，一般將目的基因導入山羊的受精卵中，發(fā)育成的個體幾乎所有細胞均含有人抗凝血酶Ⅲ基因，B錯誤；用顯微注射技術將基因表達載體導入山羊的受精卵來獲得轉基因動物，C錯誤；大腸桿菌是原核生物，不具有加工分泌蛋白的內質網(wǎng)和高爾基體，若用大腸桿菌作為受體細胞難以獲得活性高的人抗凝血酶Ⅲ，D錯誤。7．從轉基因牛、羊乳汁中提取藥物工藝簡單，甚至可直接飲用治病。如果將藥用蛋白基因轉入動物如牛、羊的膀胱上皮細胞中，從轉基因牛、羊尿液中提取藥物比從乳汁中提取藥物的更大優(yōu)越性在于()A．技術簡單B．膀胱上皮細胞容易表達藥用蛋白C．膀胱上皮細胞全能性較高D．無論是雌性還是雄性個體，在任何發(fā)育時期都可以產生所需藥物答案D解析利用動物乳腺生物反應器生產藥物要受動物性別和發(fā)育期的限制，若從尿液中獲取藥物，則無論是雌性還是雄性個體，在任何發(fā)育期都可以產生所需藥物，D正確。8．(2024·泰州高二期中)科學家利用基因工程培育出了能產生乙肝病毒蛋白質的西紅柿，被稱之為“乙肝疫苗西紅柿”。具體操作是：將乙肝抗原基因M導入農桿菌，然后利用農桿菌將M導入西紅柿細胞。實驗顯示小白鼠連續(xù)五周吃這樣的西紅柿，體內產生了抗乙肝病毒的抗體，下列敘述錯誤的()A．用PCR技術對M基因進行擴增，需要兩種引物B．含M的重組Ti質粒導入農桿菌之前，需要用Ca2＋處理農桿菌C．含M的重組Ti質粒進入西紅柿細胞中后會插入到西紅柿染色體DNA上D．因為加熱會破壞有效蛋白，“乙肝疫苗西紅柿”需要生吃答案C解析質粒上的T－DNA(而非重組Ti質粒)會插入到西紅柿染色體DNA上，C錯誤。9．(2024·蘇州高二期中)為使玉米獲得抗除草劑性狀，科研人員進行了相關操作(如圖所示)。含有內含子的報告基因不能在原核生物中正確表達，其正確表達產物能催化無色物質K呈現(xiàn)藍色。轉化過程中愈傷組織表面常殘留農桿菌，可能會導致未被轉化的愈傷組織在含除草劑的培養(yǎng)基中生長。下列敘述正確的是()A．T－DNA可將基因G轉移并整合到農桿菌細胞的染色體DNA上B．利用無色物質K和氨芐青霉素進行篩選1，可以獲得農桿菌的藍色菌落C．利用無色物質K和除草劑進行篩選2，更易獲得抗除草劑的轉基因植株D．構建基因表達載體時用兩種限制酶就可防止酶切產物自身環(huán)化答案C解析T－DNA可將基因G轉移并整合到玉米的愈傷組織細胞的染色體DNA上，農桿菌無染色體，A錯誤；農桿菌屬于原核生物，含有內含子的報告基因不能在原核生物中正確表達，故不會出現(xiàn)農桿菌的藍色菌落，B錯誤；構建基因表達載體時，使用兩種限制酶，且這兩種限制酶切割產生的黏性末端不同，才能有效防止酶切產物自身環(huán)化，D錯誤。10．(多選)如圖是科研人員利用乙烯形成酶的反義基因，通過轉基因技術獲得耐儲存的轉基因番茄的過程。下列相關敘述正確的是()A．該轉基因技術所用的目的基因是乙烯形成酶基因B．乙烯形成酶的反義基因與乙烯形成酶基因的區(qū)別是轉錄的模板鏈不同C．由圖可知，過程⑤依據(jù)的原理是堿基互補配對原則D．轉基因番茄中乙烯含量低的原因可能是乙烯形成酶基因的翻譯過程受阻答案BCD解析該轉基因技術所用的目的基因是乙烯形成酶的反義基因，A錯誤；乙烯形成酶的反義基因與乙烯形成酶基因都是由α鏈和β鏈組成的，區(qū)別是轉錄的模板鏈相反，使轉錄出的mRNA能互補配對，形成雙鏈RNA，B正確；過程⑤依據(jù)的原理是堿基互補配對原則，乙烯形成酶基因的反義拷貝轉錄出的反義mRNA與乙烯形成酶基因轉錄出的mRNA結合，可能會使乙烯形成酶基因的翻譯過程受阻，C、D正確。11．(多選)如圖是利用豬唾液腺生產大量高純度人神經生長因子(hNGF)的流程圖，下列相關說法正確的是()A．人hNGF基因需與唾液淀粉酶基因的啟動子等重組后再導入豬成纖維細胞AB．人hNGF基因導入豬成纖維細胞A可以采用顯微注射的方法C．為確保操作成功，需要對代孕豬C注射適量免疫抑制劑D．豬唾液腺作為生物反應器具有不受性別限制的特點答案ABD解析在相同生理狀態(tài)下，受體對植入同種生物的胚胎幾乎不發(fā)生免疫排斥反應，故不需要對代孕豬C注射適量免疫抑制劑，C錯誤。12．(22分)如圖為利用生物技術獲得生物新品種的過程，據(jù)圖回答下列問題：(1)在基因工程中，A表示目的基因，如果直接從蘇云金桿菌中獲得抗蟲基因，①過程使用的酶是________________；B表示構建的基因表達載體，其組成除了目的基因外，還必須有啟動子、終止子、復制原點以及________________等，其中啟動子是________________酶識別和結合的部位。(2)B→C為轉基因綿羊的培育過程，其中②過程常用的方法是________________，使用的綿羊受體細胞為________________，④過程用到的生物技術主要有動物細胞培養(yǎng)和____________。若轉基因綿羊可通過分泌的乳汁來生產人類蛋白質，在基因表達載體中，目的基因的首端必須含有__________________________________________，這種轉基因動物被稱為______________。(3)B→D為轉基因抗蟲棉的培育過程，其中③過程常用的方法是________________，若使用的棉花受體細胞為體細胞，⑤表示的生物技術是____________________。要確定目的基因(抗蟲基因)導入受體細胞后，是否能穩(wěn)定遺傳并表達，需進行檢測和鑒定工作，檢測目的基因是否轉錄出了mRNA的方法是________________。答案(1)限制酶標記基因RNA聚合(2)顯微注射技術受精卵胚胎移植乳腺中特異表達的基因的啟動子乳腺(或乳房)生物反應器(3)農桿菌轉化法植物組織培養(yǎng)PCR等技術13．(12分)(2022·廣東，22)“綠水逶迤去，青山相向開?！贝罅Πl(fā)展低碳經濟已成為全社會的共識?；谀承┧缶奶厥獯x能力，有研究者以某些工業(yè)廢氣(含CO2等一碳溫室氣體，多來自高污染排放企業(yè))為原料，通過厭氧發(fā)酵生產丙酮，構建一種生產高附加值化工產品的新技術?；卮鹣铝袉栴}：(1)研究者針對每個需要擴增的酶基因(如圖)設計一對______，利用PCR技術，在優(yōu)化反應條件后擴增得到目標酶基因。(2)研究者構建了一種表達載體pMTL80k，用于在梭菌