高中生物 基因工程的基本操作步驟（第1課時(shí)） 課件

1、廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于深度學(xué)習(xí)的高中生物學(xué)情境教學(xué)實(shí)踐研究”（立項(xiàng)編號(hào)2021YQJK598）研究成果第3章 基因工程 第2節(jié) 基因工程的基本操作程序（第一課時(shí)）生物學(xué)選擇性必修3年 級(jí)：高二年級(jí) 學(xué) 科：生物學(xué)（人教版）主講人：郭琪琦 學(xué) 校：深圳市第二實(shí)驗(yàn)學(xué)校從社會(huì)中來(lái)1997年，我國(guó)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(guó)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(wàn)噸，增收節(jié)支社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益450億元。轉(zhuǎn)基因抗蟲棉非轉(zhuǎn)基因抗蟲棉你知道轉(zhuǎn)基因抗蟲棉抗蟲的機(jī)制是什么嗎？培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉一般需要哪些步驟？基因工程基本操作的四個(gè)步驟任務(wù)一：閱讀教材，將基因工程的四個(gè)基

2、本操作步驟及目的填寫在表格中。步驟目的目的基因的篩選與獲取篩選與獲取符合人們需要的基因，賦予生物新的遺傳特性?；虮磉_(dá)載體的構(gòu)建使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并且遺傳給下一代，同時(shí)使目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用。將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞使目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞，并且維持穩(wěn)定和表達(dá)，實(shí)現(xiàn)一種生物的基因在另一種生物中的轉(zhuǎn)化。目的基因的檢測(cè)與鑒定確定目的基因是否能夠在受體細(xì)胞中穩(wěn)定維持和表達(dá)遺傳特性。第一步：目的基因的篩選與獲取任務(wù)二：閱讀教材，回答以下問(wèn)題：（1）什么是目的基因？為什么培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉用到的目的基因是Bt基因？（2）Bt基因的殺蟲機(jī)理是怎樣的？對(duì)人畜有害嗎？（3）科學(xué)家是如何篩選得到合

3、適的目的基因的？【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)胞性狀或獲得預(yù)期表達(dá)產(chǎn)物等的基因。根據(jù)不同的需要，目的基因不同，主要是指編碼蛋白質(zhì)的基因。如：與生物抗逆性、優(yōu)良品質(zhì)、生產(chǎn)藥物、毒物降解和工業(yè)用酶等相關(guān)的基因。第一步：目的基因的篩選與獲取蘇云金桿菌通過(guò)產(chǎn)生蘇云金桿菌伴胞晶體蛋白（Bt 抗蟲蛋白），破壞鱗翅目昆蟲的消化系統(tǒng)來(lái)殺死棉鈴蟲?？茖W(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將該細(xì)胞的“殺蟲基因”轉(zhuǎn)到棉花里，讓棉花也能產(chǎn)生Bt 抗蟲蛋白抵抗蟲害。轉(zhuǎn)基因抗蟲棉非轉(zhuǎn)基因抗蟲棉Bt 抗蟲蛋白基因（Bt 基因）目的基因第一步：目的基因的篩選與獲取任務(wù)二：閱讀教材，回答以下問(wèn)題：（2）Bt基因的殺蟲機(jī)理是怎樣的

4、？對(duì)人畜有害嗎？教材P77“相關(guān)信息”當(dāng)Bt抗蟲蛋白被分解為多肽后，多肽與害蟲腸上皮細(xì)胞的特異性受體結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔，最后造成害蟲死亡。Bt抗蟲蛋白只有在某類昆蟲腸道的堿性環(huán)境中才能表現(xiàn)出毒性，而人和牲畜的胃液呈酸性，腸道細(xì)胞也沒(méi)有特異性受體。因此，Bt抗蟲蛋白不會(huì)對(duì)人畜產(chǎn)生上述影響。第一步：目的基因的篩選與獲取任務(wù)二：閱讀教材，回答以下問(wèn)題：（3）科學(xué)家是如何篩選得到合適的目的基因的？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Bt抗蟲蛋白有了較為深入的了解。從相關(guān)的已知結(jié)構(gòu)和功能清晰的基因中進(jìn)行篩選隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，以及序列數(shù)據(jù)庫(kù)（如GenBank）、序列比對(duì)工具（如

5、BLAST)等的應(yīng)用，越來(lái)越多的基因的結(jié)構(gòu)和功能為人們所知。第一步：目的基因的篩選與獲取參考文獻(xiàn)：郭三堆.CrylA殺蟲基因的人工合成J.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),1993(02):85-86.在我國(guó)首批具有較高抗蟲活性的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的培育過(guò)程中，科學(xué)家采用的是人工合成的方法。人工合成法第一步：目的基因的篩選與獲取PCR：聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的縮寫，美國(guó)科學(xué)家穆里斯等人發(fā)明1993年獲諾貝爾獎(jiǎng)原理：DNA半保留復(fù)制它是一項(xiàng)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)。PCR細(xì)胞內(nèi)的DNA復(fù)制在DNA復(fù)制中的作用PCR（體外DNA復(fù)制）打開DNA雙鏈提供DNA復(fù)制的模板合

6、成DNA子鏈的原料催化合成DNA子鏈?zhǔn)笵NA聚合酶能夠從引物的3端開始連接脫氧核苷酸解旋酶DNA母鏈4種脫氧核苷酸DNA聚合酶引物高溫含目的基因的DNA母鏈4種脫氧核苷酸（dNTP）耐高溫的DNA聚合酶人工合成的引物含Mg2+的緩沖溶液dNTP如何既作為原料又提供能量？脫氧核苷三磷酸（dNTP），包括：dATP、dTTP、dGTP、dCTP）用作DNA復(fù)制的原料為DNA復(fù)制提供能量第一步：目的基因的篩選與獲取PCR第一步：目的基因的篩選與獲取PCRPCR的每個(gè)循環(huán)可以分為三個(gè)步驟：變性（溫度超過(guò)_）：雙鏈DNA受熱變性，斷開氫鍵，形成_；復(fù)性（溫度下降到_左右）：_種引物通過(guò)_與兩條單鏈DNA

7、結(jié)合，形成局部_；延伸（溫度上升到_左右）：以_為模板，4種脫氧核苷酸在_酶的作用下，根據(jù)_原則合成新的DNA鏈，該DNA鏈的延伸方向是_。PCR過(guò)程中，每個(gè)循環(huán)得到的產(chǎn)物都將作為下一個(gè)循環(huán)的模板，因此經(jīng)過(guò)n次循環(huán)，1個(gè)DNA分子將被擴(kuò)增為_個(gè)，成_形式擴(kuò)增。PCR過(guò)程完成以后，常采用瓊脂糖凝膠電泳來(lái)鑒定PCR的產(chǎn)物。90DNA單鏈502堿基互補(bǔ)配對(duì)DNA雙鏈72DNA單鏈耐高溫的DNA聚合堿基互補(bǔ)配對(duì)5端3端2n指數(shù)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。逆轉(zhuǎn)錄酶核酸酶HDNA聚合酶單鏈RNA雜交雙鏈單鏈DNA雙鏈DNARNA鏈DNA鏈基因組文

8、庫(kù)cDNA文庫(kù)構(gòu)建基因文庫(kù)第一步：目的基因的篩選與獲取第二步：基因表達(dá)載體的構(gòu)建獲取了足夠量的Bt 基因后，下一步就是要讓基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在，并且遺傳給下一代；同時(shí)，使Bt 基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用。構(gòu)建基因表達(dá)載體（核心工作）基因表達(dá)載體由哪些部分組成任務(wù)三：畫出基因表達(dá)載體的結(jié)構(gòu)模式圖，標(biāo)注各組成部分的名稱和功能。第二步：基因表達(dá)載體的構(gòu)建限制酶切割位點(diǎn)復(fù)制原點(diǎn)目的基因標(biāo)記基因啟動(dòng)子終止子基因表達(dá)載體的組成部分：復(fù)制原點(diǎn)標(biāo)記基因目的基因啟動(dòng)子終止子RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位，驅(qū)動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄終止基因轉(zhuǎn)錄控制特定性狀或表達(dá)特定產(chǎn)物檢測(cè)目的基因是否導(dǎo)入受體細(xì)胞DNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)DNA

9、復(fù)制第二步：基因表達(dá)載體的構(gòu)建基因表達(dá)載體的構(gòu)建流程：用一定的限制酶切割載體，使其出現(xiàn)一個(gè)切口，露出黏性末端。用同種限制酶或能產(chǎn)生相同末端的限制酶切割含有目的基因的DNA片段。將切下的目的基因片段拼接到載體的切口處，再加入適量DNA連接酶，形成了一個(gè)重組DNA分子。工具酶：限制酶、DNA連接酶，作用的化學(xué)鍵都是磷酸二酯鍵。第三步：將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 花粉管通道法花粉外源DNA花粉管子房胚珠思考：1. 應(yīng)在植物發(fā)育的什么時(shí)期使用花粉管通道法？ 2. 如何獲得含有目的基因的植物后代？受粉后花粉管未愈合之前收獲種子，需要多代自交純化第四步：目的基因的檢測(cè)與鑒定Bt 基因Bt 抗蟲蛋白抗蟲棉Bt

10、基因的mRNADNA分子水平RNA分子水平蛋白質(zhì)分子水平個(gè)體生物學(xué)水平PCR、核酸雜交檢測(cè)等技術(shù)抗原-抗體雜交技術(shù)抗蟲接種實(shí)驗(yàn)如何利用PCR檢測(cè)棉花的染色體DNA上是否插入了Bt 基因？提取棉花的總DNA作為模板根據(jù)Bt 基因兩側(cè)序列設(shè)計(jì)引物進(jìn)行PCR用瓊脂糖凝膠電泳鑒定PCR產(chǎn)物電泳結(jié)果若出現(xiàn)Bt 基因相應(yīng)條帶，則說(shuō)明Bt 基因插入成功如何采用核酸雜交檢測(cè)法檢測(cè)是否存在目的基因或相應(yīng)的mRNA？方法：DNA分子雜交、DNA-RNA分子雜交工具：基因探針，是一段帶有檢測(cè)標(biāo)記（同位素、熒光分子或化學(xué)發(fā)光催化劑），且順序已知的，與目的基因互補(bǔ)的核酸序列(DNA或RNA)。 英國(guó)分子生物學(xué)家薩瑟恩（

11、Edwin Southern，1938）Southern印跡原理示意圖過(guò)程：以DNA分子雜交為例如何采用核酸雜交檢測(cè)法檢測(cè)是否存在目的基因或相應(yīng)的mRNA？基因探針：?jiǎn)捂淒NA或RNA片段，帶有某種標(biāo)記，能與目標(biāo)DNA的一條鏈或RNA發(fā)生堿基互補(bǔ)配對(duì)。 基因表達(dá)載體的構(gòu)建基因表達(dá)載體的組成目的基因、標(biāo)記基因、啟動(dòng)子、終止子、復(fù)制原點(diǎn)構(gòu)建流程用限制酶分別切割載體和含有目的基因的DNA片段DNA連接酶連接形成重組DNA分子將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞目的基因的檢測(cè)與鑒定目的基因的篩選與獲取方法花粉管通道法包括分子水平：檢測(cè)DNA、mRNA、蛋白質(zhì)個(gè)體水平：是否出現(xiàn)相應(yīng)的性狀獲取方法人工合成、PCR（常用）、構(gòu)建基因文庫(kù)小結(jié)：基因工程基本操作的四個(gè)步驟到社會(huì)中去 轉(zhuǎn)基因抗蟲棉在世界范圍內(nèi)被廣泛種植，有效控制了棉鈴蟲的種群數(shù)量，顯著減少了農(nóng)藥的用量。面對(duì)棉鈴蟲的危害，有了抗蟲棉是否就可以一勞永逸、高枕無(wú)憂呢？根據(jù)棉鈴蟲對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)藥產(chǎn)生抗性的發(fā)展歷史，科研人員推測(cè)棉鈴蟲存在對(duì)Bt抗蟲蛋白產(chǎn)生抗性的可能。