10.8 教學設計.doc

一塊田棉花抗蟲，一塊田棉花不抗蟲，抗蟲基因最早是從蘇云金芽胞桿菌中分離出來的抗蟲基因，而抗蟲棉花的出現(xiàn)，實現(xiàn)了一種生物的性狀在另一種生物中的表達。性狀的表達與我們學過的什么過程有關(guān)呢？學生：與基因控制蛋白質(zhì)的合成有關(guān)；教師：PPT展示：這是一個DNA上的能控制抗蟲蛋白合成的基因，這一條是棉花的DNA，請大家分析，要實現(xiàn)抗蟲蛋白基因在棉花細胞中表達，提前要做哪些關(guān)鍵工作？學生：要將抗蟲蛋白基因切割下來；將抗蟲基因整合到棉花細胞DNA上；教師：這些操作需要使用哪些工具呢？科學家們在實施基因工程之前，苦苦探索，終于找到了實施基因工程的三種金剛鉆兒，一是準確切割DNA的工具分子手術(shù)刀：限制酶；二是DNA片段的連接工具分子縫合針：DNA連接酶；三是基因轉(zhuǎn)移工具分子運輸車：基因進入受體細胞的載體，下面我們就以抗蟲棉的培育為例學習這方面的內(nèi)容。我們先來看準確切割DNA的工具限制酶；請大家以小組為單位分析、討論學案上提供的資料，學生：不會破壞細菌本身的DNA，細菌本身的DNA不具有它含有的限制酶的識別切割序列，（或者將甲基轉(zhuǎn)移到所識別序列的堿基上，使限制酶不能將其切開）學生：限制酶必須具有特異性才能保證準確地將抗蟲基因從它所在的DNA分子中切割出來。教師：非常好！那限制酶的特異性體現(xiàn)在哪些方面才能準確切割呢？學生：識別特定的雙鏈DNA的核苷酸序列；教師：非常準確，我們可以看到，限制酶Sma，EcoR識別序列就有所區(qū)別，而且限制酶的識別序列一般是由48個核苷酸組成，EcoR識別序列從5GAATTC3結(jié)束，Sma的識別序列從5CCCGGG3,在他們的識別序列處還有一個中心軸線，識別序列沿中心軸線反向重復對稱；除了識別序列的特異性以外，還有切割位點的特異性，Sma在中心軸線處切割，EcoR在GA兩個核苷酸處切割，我們可以看到切割后得到的末端也有所區(qū)別，Sma切割后得到的是平末端，EcoR切割后得到的末端會伸出一條DNA單鏈，這樣的末端被稱為黏性末端。教師：我們已經(jīng)利用限制酶切割獲得抗蟲基因，單純的DNA片段是很難導入受體細胞的，需要分子運輸車即載體協(xié)助，那具備什么特點才能作為目的基因的運輸車呢？如何將抗蟲基因?qū)朊藁毎?？科學家利用病毒或是細菌中質(zhì)?？梢赞D(zhuǎn)移到其他生物體內(nèi)的特性，若將抗蟲基因和質(zhì)粒重組，就可以將抗蟲基因?qū)朊藁毎?，這就是我們要提到分子運輸車載體；但真正被用作載體的質(zhì)粒，都是在天然質(zhì)粒的基礎上進行人工改造的，那作為載體必須具備什么特點才能作為目的基因的運輸車呢？請大家根據(jù)我們學案上的提示，以小組為單位討論這個問題：學生可能的回答：將載體和抗蟲基因混合加入DNA連接酶；教師：常用的載體質(zhì)粒是環(huán)狀DNA分子，既然是環(huán)，如何能將抗蟲基因片段插入呢？學生：需要用限制酶將質(zhì)粒剪一個缺口，然后插入抗蟲基因；教師：既然需要限制酶剪切，那根據(jù)限制酶的特點，需要載體的核苷酸序列具備什么特點呢？這是我們學案上的第二個問題。學生：需要有限制酶的識別序列教師：才能用特定的限制酶將質(zhì)粒切開，插入抗蟲基因，也就是說質(zhì)粒上要有限制酶的酶切位點，能夠共抗蟲基因插入；教師：將抗蟲基因和載體連接導入棉花細胞，導入率并不是百分之百，可以利用載體的什么特點篩選導入了抗蟲基因的棉花細胞呢？學生：載體上抗藥基因；教師：質(zhì)粒上有一些特殊基因，如抗藥基因，可以讓導入了重組質(zhì)粒的棉花細胞也具有了抗藥特性，除此之外我們還能對天然質(zhì)粒進行人工改造，可以給它加上一些熒光蛋白基因，該基因表達后，在激發(fā)光下，利用熒光顯微鏡就能將導入了抗蟲基因的棉花細胞篩選出來。這些抗藥基因，熒光蛋白基因都是可以標記導入了抗蟲基因的棉花細胞，故將這些基因稱為標記基因。教師：我們將抗蟲基因和載體形成重組DNA導入棉花細胞，細胞通過增殖，分化才能形成棉花植株，那么載體如何保證目的基因在細胞增殖時不會丟失？學生：載體必須能復制；教師：載體復制，就會使抗蟲基因形成很多拷貝，但在細胞分裂時，細胞質(zhì)中的物質(zhì)是隨機分配的，抗蟲基因還有可能在細胞中丟失，如何才能準確保證不丟失呢？學生：可以整合到棉花細胞的染色體DNA上，隨棉花細胞增殖，抗蟲基因也會增殖教師：所以載體能將一部分DNA整合到受體細胞的染色體DNA上，抗蟲基因就不會因為細胞增殖而丟失。教師：我們請一個小組給大家總結(jié)載體具備什么特點才能充當分子運輸車;學生：具有限制酶的酶切位點（一個或兩個）；能夠自我復制或整合到染色體DNA上；含有標記基因；我們可以看到作為分子運輸車，載體必須具備多種特點，而在基因工程中使用的載體有質(zhì)粒、噬菌體的衍生物、動植物病毒等，目前常利用的載體是質(zhì)粒，下面我們通過插圖一起來認識質(zhì)粒，質(zhì)粒存在于許多細菌及酵母菌等生物的細胞中，是擬核或細胞核外能自主復制的很小的環(huán)狀DNA分子，這個模式圖表示的就是大腸桿菌細胞內(nèi)的質(zhì)粒，請一位同學在圖上找出能體現(xiàn)載體特點的部分，并指明體現(xiàn)了載體的什么特點？學生：目的基因的插入位點質(zhì)粒有限制酶的酶切位點；復制原點質(zhì)粒能復制（而且?guī)е迦氲哪康幕蛞黄饛椭疲┌逼S青霉素抗性基因有標記基因（可用含青霉素培養(yǎng)基篩選細胞）從前面的分析中，我們得知，抗蟲基因需插入到載體中，才能由載體運入受體細胞，利用限制酶處理載體，只是在載體上制造了一個缺口，還需要利用分子縫合針DNA連接酶連接載體和抗蟲基因，那DNA連接酶是如何催化抗蟲基因和載體相連的呢？ 請大家看PPT上的展示：猜想：DNA連接酶催化連接的是什么化學鍵呢？學生：催化連接的是核苷酸之間的磷酸二酯鍵教師：那如果是連接平末端，可以直接將雙鏈DNA片段的缺口即核苷酸之間的磷酸二酯鍵催化連接，那黏性末端之間的連接是否也是DNA連接酶催化的呢？學生：氫鍵是自動形成；教師：非常好！氫鍵是分子間作用力，它在黏性末端靠近時可自動形成；根據(jù)來源可將DNA連接酶分為兩類：一類是從大腸桿菌中分離得到的稱為EcoliDNA連接酶，另一類從T4噬菌體中分離出來，稱為T4DNA連接酶，但這兩種酶的作用有所差別：EcoliDNA連接酶只能將雙鏈DNA片段互補的黏性末端連接，而T4DNA連接酶既能連接互補的黏性末端，又可以縫合平末端，但縫合平末端，但連接平末端的效率低。這就是DNA重組技術(shù)的三大工具，限制酶、載體、DNA連接酶，現(xiàn)在大家看，這有兩把剪刀，一把代表Ecor，一把代表Sma,有一個環(huán)狀DNA分子代表載體質(zhì)粒，一個含抗蟲基因的DNA片段，粘膠模擬DNA連接酶，該如何選擇限制酶？如何切割，如何利用DNA連接酶連接呢？請大家先討論選擇哪種限制酶，并說出你的理由；我們請一個小組和我們分享他們選擇哪種限制酶切割，為什么？學生：選擇Ecor來切割，因為抗蟲基因所在的DNA片段兩端有它的識別序列；教師：那為什么不選擇Sma呢？學生：抗蟲基因內(nèi)部有Sma的序列，選擇它切割會破壞抗蟲基因；教師：除此之外還有沒有其他小組可以補充不選Sma的原因？（仔細觀察質(zhì)粒的序列）學生：在質(zhì)粒上也沒有Sma的識別序列；教師：因此我們在選擇限制酶切割時要注意什么問題呢？學生：要選擇目的基因，載體上都存在識別序列的限制酶，要不能破壞目的基因；教師：非常好！也就是選擇同種限制酶切割載體和目的基因所在的DNA，不能破壞目的基因；教師：請大家實際進行操作；可能出現(xiàn)的問題：1、利用限制酶時，可能會把整個抗蟲基因破壞掉；請學生上前展示切割結(jié)果，并請其他組分析為什么會出現(xiàn)這種結(jié)果；（如果沒有錯的，就在PPT上展示錯誤的和沒剪的，讓學生自己分析）教師：再請大家利用粘膠模擬DNA連接酶連接利用限制酶處理過的抗蟲基因和質(zhì)粒；可能出現(xiàn)的問題：2、DNA連接酶連接的氫鍵；請學生上前展示連接結(jié)果，并請其他組分析是否出現(xiàn)錯誤；教師：我們在實際利用DNA連接酶催化連接時，是將很多質(zhì)粒片段和抗蟲基因片段混合在一塊，以提高連接效率，請大家想象除了有我們想要的抗蟲基因和質(zhì)粒相連的重組