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课标内容要求 | 核心素养对接 |
阐明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的筛选与获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞和目的基因的检测与鉴定。 | 1.科学思维：结合生产实例，举例说出基因工程的基本操作程序。 2．科学探究：针对人类生产和生活的某一需求，尝试提出初步的基因工程构想，完成初步设计。 |
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一、目的基因的筛选与获取
1．目的基因
(1)概念：用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因。
(2)实例：培养转基因抗虫棉用到的目的基因是Bt抗虫蛋白基因。
2．筛选合适的目的基因
(1)较为有效的方法：从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选。
(2)实例：在培育转基因抗虫棉之前，科学家不仅掌握了Bt基因的序列信息，也对Bt基因的表达产物——Bt抗虫蛋白有了较为深入的了解。
金属导电膜(3)认识基因结构和功能的技术方法：DNA测序技术、遗传序列数据库、序列比对工具。
3．利用PCR获取和扩增目的基因
(1)PCR的含义：PCR是聚合酶链式反应的缩写，它是一项根据DNA半保留复制的原理，在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。
(2)条件：DNA模板、分别与两条模板链结合的2种引物、四种脱氧核苷酸、耐高温的DNA聚合酶集成电路设计流程。
(3)过程：
①变性：温度上升到90 ℃以上，目的基因DNA受热变性后解为单链。
②复性：温度下降到50 ℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。
③延伸：温度上升到72 ℃左右时，溶液中四种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下加到引物的3′端合成子链。
④重复循环多次。
(4)结果：每次循环后目的基因的量增加一倍，即成指数形式扩增(约为2n)。
二、基因表达载体的构建
1．构建基因表达载体的目的
(1)使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代。
(2)使目的基因能够表达和发挥作用。
2．基因表达载体的组成[填图]
3．基因表达载体的构建
首先用一定的限制酶切割载体，使它出现一个切口，然后用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割目的基因的DNA片段，再利用DNA连接酶将目的基因片段拼接到载体的切口处。
版权评估三、将目的基因导入受体细胞
1．转化：目的基因进入受体细胞内，并在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
2．目的基因导入受体细胞的方法
(1)目的基因导入植物细胞
①花粉管通道法
Ⅰ.用微量注射器将含目的基因的DNA溶液直接注入子房中。
Ⅱ.在植物受粉后的一定时间内，剪去柱头，将DNA溶液滴加在花柱切面上，使目的基因借花粉管通道进入胚囊。
②农杆菌转化法
Ⅰ.农杆菌的特点：农杆菌自然条件下侵染双子叶植物和裸子植物；农杆菌的Ti质粒上的TDNA能够整合到所侵染细胞的染体DNA上。
Ⅱ.转化方法：将目的基因插入农杆菌Ti质粒的TDNA中，让农杆菌侵染植物细胞。
(2)目的基因导入动物细胞
①常用方法：显微注射法。
②常用受体细胞：受精卵。
(3)目的基因导入微生物细胞
①方法：用Ca2＋处理细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，然后将重组表达载体导入其中。
②常用受体细胞：原核细胞(使用最广泛的是大肠杆菌)。
四、目的基因的检测与鉴定
1．分子水平检测
(1)通过PCR等技术检测受体细胞染体DNA上是否插入了目的基因或检测目的基因是否转录出mRNA。
(2)从转基因生物中提取蛋白质用相应的抗体进行抗原——抗体杂交，检测目的基因是否翻译成了蛋白质。
2．个体水平鉴定
包括抗虫、抗病的接种实验，以确定是否有抗性及抗性程度。基因工程产品需要与天然产品活性进行比较等。
判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．从已知结构和功能清晰的基因中筛选目的基因是获取目的基因的一种有效方法。(√)
载体构建2．Taq酶是用PCR仪对DNA分子扩增过程中常用的一种耐高温的DNA连接酶。(×)
提示：Taq酶是耐高温DNA聚合酶。
3．基因表达载体中启动子是DNA聚合酶识别和结合的部位。(×)
提示：启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。
4．将重组表达载体导入动物受精卵常用显微注射法。(√)
5．转基因抗虫棉植株抗虫效果的鉴定必须通过分子检测才能达到目的。
(×)
提示：抗虫效果的鉴定要在个体生物学水平上做抗虫接种实验来鉴定。
6．可通过PCR等技术检测棉花的染体上是否插入了Bt基因。(√)
获取目的基因和构建基因表达载体
1．利用PCR获取和扩增目的基因
(1)PCR反应的过程
(2)PCR技术与生物体内DNA复制的比较
比较项目 | PCR技术 | DNA复制 |
区别 | 解旋方式 | DNA在高温作用下变性解旋 | 解旋酶催化 |
场所 | 细胞外(在PCR扩增仪内) | 细胞内(主要在细胞核内) |
区别 | 酶 | 耐高温的的DNA聚合酶(Taq聚合酶) | DNA解旋酶、普通的DNA聚合酶等 |
温度条件 | 需控制温度，在较高温度下进行 | 细胞内温和条件 |
合成的对象 | DNA片段或基因 | DNA分子 |
联系 | www.auau66.Com①模板：均需要脱氧核苷酸链作为模板进行物质合成 ②原料：均为四种脱氧核苷酸 ③酶：均需要DNA聚合酶进行催化 ④引物：均需要引物，使DNA聚合酶从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸 |
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2.基因表达载体的构建过程
(1)用同一种限制酶或产生相同末端的限制酶切割含目的基因DNA和质粒，使其产生相同末端。
(2)将切下的目的基因片段与切开的质粒混合，再加入适量DNA连接酶，使目的基因插入质粒的切口处，形成一个重组DNA分子(重组质粒)。构建过程如下图所示：
合作探究：(1)PCR过程中为什么需要引物？
提示：引物是一小段单链DNA或RNA，作为DNA复制的起始序列，它能与DNA母链的一段碱基序列互补配对。存在于自然界中生物的DNA复制和人工合成中的多聚酶链式反应(PCR)之所以需要引物，是因为在DNA合成时DNA聚合酶只能从5′端到3′端合成子链。
(2)PCR扩增目的基因时，复性温度的设定是成败的关键。复性温度过高会破坏引物与模板的碱基配对，复性温度过低又会造成引物不能与DNA模板链的特定部位结合。复性温度的设定与引物长度、碱基组成有关，假设引物的长度相同，在GC含量高时，对复性温度的设定有什么要求？说明理由。
提示：在引物的GC含量高时，设定的复性温度要高一些。因为DNA分子中G—C之间有三个氢键，A—T之间有两个氢键。
(3)在利用PCR获取和扩增目的基因时，从第几轮循环才会产生完整的目的基因？
提示：第3轮
1．下列关于PCR反应体系中所加物质作用的描述，错误的是( )
A．耐高温的DNA聚合酶用于催化DNA子链的合成
B．引物使Taq酶能从引物的5′端延伸DNA链
C．目标DNA母链用作合成DNA复制的模板
D．四种脱氧核苷酸为PCR提供能量和原料
B[通过PCR技术扩增目的基因时，需要用耐高温DNA聚合酶催化单个脱氧核苷酸聚合形成DNA子链，A正确；在复制时，引物与DNA母链通过碱基互补配对结合后，DNA聚合酶从
引物的3′端开始延伸DNA链，因此DNA合成方向总是从子链的5′端向3′端延伸，B错误；PCR技术的原理是DNA双链复制，DNA复制时两条链均作为复制的模板，C正确；DNA合成的原料是四种脱氧核苷酸，同时两个核苷酸连接时可释放能量，D正确。]
2．在基因表达载体的构建中，下列说法不正确的是( )
①一个基因表达载体的组成只包括目的基因、启动子、终止子
②有了启动子才能驱动基因转录出mRNA
③终止子的作用是使转录在所需要的地方停止
④所有基因表达载体的构建是完全相同的
⑤必须在细胞内进行
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