備課素材：昆蟲不育技術的研究和應用-2023-2024學年高二下學期生物人教版選擇性必修3

昆蟲不育技術的研究和應用先看一道試題：對基因進行定點修飾的技術稱為基因編輯。昆蟲學家嘗試利用CRISPR/Cas9對蚊子進行基因編輯從而產生顯性不育基因，使蚊子受精卵不能發(fā)育為成體，以達到控制蚊子數量的目的。(1)研究發(fā)現，雌蚊一生只能交配0～1次，而一只雄蚊可以與不同的雌蚊交配。據此應對

(雌/雄)蚊子進行基因編輯。(2)根據題意，請對下列基因編輯改造蚊子的步驟進行排序：

。①合成Cas9/gRNA復合物，對目標基因進行編輯②蚊子的基因組進行測序，確定與生殖發(fā)育有關的目標基因③實驗室條件篩選出不育的轉基因蚊子④合成與目標基因能堿基互補配對的gRNA⑤將轉基因蚊子釋放到野外發(fā)揮作用(3)與編輯前的基因相比，顯性不育基因可能

。(多選)A.堿基對的數量變多B.堿基對的數量變少C.某一位點堿基不同D.所在染色體位置不同答案∶（1）雄（2）②④①③⑤（3）ABC評析：問題（1）基于的課標概念是"親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上"，同時需要學生能夠靈活運用新情境信息，在明確了雌蚊和雄蚊在生殖上的區(qū)別以后，才能對問題有正確的解答。試題內容在難度上能達到科學思維和科學探究的水平三問題（2）的設計是考查學生本體知識和新知識遷移融合的能力。對應的課標概念是"闡明基因工程的基本操作程序"，通過排序填空的方式，考查學生基于已有素材重現實驗探究過程的能力。題型在難度上可以達到科學探究的水平三。問題（3）考查了課標中的概念"闡明基因中堿基序列的改變有可能導致所編碼的蛋白質及相應細胞功能發(fā)生變化"，并且對不同學生考查的層次不一樣。對于一般的學生，可能不能完全理解情境信息的內容，強調酶切就選擇堿基對減少。對于中等的學生，從等位基因的本體概念出發(fā)，能意識到編輯以后的基因屬于等位基因，就能夠把基因編輯的含義和基因突變的概念聯(lián)系起來，作出正確的判斷。對于更高層次的學生，引導他們去感悟知識遷移的重要性，沿著情境經歷科學家最初發(fā)現這種生命現象后如何來遷移應用。此題提到了利用基因編輯技術使蚊子產生顯性不育基因。多年來，防治昆蟲傳播疾病一直是科學家們的優(yōu)先研究方向。盡管科學家們已經取得了所有的進展，但世界上仍有一半的人生活在蚊蟲肆虐的地方。而轉基因蚊子便是攻克頑疾的突破口，可以有效降低感染瘧疾和其他致命疾病的可能性。通過基因編輯技術——CRISPR/Cas9系統(tǒng)是一條新的途徑。蚊子是傳播寨卡、登革熱和黃熱病等致命疾病的“元兇”。2021年，一項發(fā)表于美國《國家科學院院刊》的新研究利用基因編輯技術使雄蚊不育，以減緩這些疾病的傳播。其實，不育昆蟲技術的研究也經過較長時間的研究。1.不育昆蟲技術（SIT）的研究過程不育昆蟲技術（SIT）是美國農業(yè)部的科學家在20世紀50年代開發(fā)出來的，最初用于對付造成嚴重經濟損失的蠅類害蟲——螺旋蠅。他們發(fā)現，將螺旋蠅暴露于射線輻射下，可以使其變得不育。這些不育的螺旋蠅被釋放到自然環(huán)境中后，與野生蠅類競爭繁殖資源，結果螺旋蠅種群的數量顯著下降了。這一成功的實踐為SIT的進一步發(fā)展奠定了基礎。經過數十年的發(fā)展和改進，SIT已經在世界各地得到了廣泛應用，與其他技術結合已成功防治了多種高發(fā)害蟲，比如：會在動物身上引起“蠅蛆病”的螺旋蠅已在美國、墨西哥、中美洲、波多黎各和利比亞被完全清除；對蘋果產業(yè)造成毀滅性打擊的蘋果蠹蛾，在加拿大的不列顛哥倫比亞省和南非得到了有效控制。除了通過輻射讓昆蟲“不孕不育”從而控制其數量的SIT，還有一種不兼容昆蟲技術（IIT），主要使用沃爾巴克氏體屬的內生菌感染昆蟲，讓昆蟲的繁殖產生異常，從而控制昆蟲數量。在不兼容昆蟲技術中，若雌雄蚊子都感染了同一菌株的沃爾巴克氏體，它們的后代還是會正常發(fā)育，野外的蚊子種群可能會逐漸全部攜帶沃爾巴克氏體的種群，即發(fā)生“種群替換”，滅蚊效果也隨之削弱。進入21世紀，人們開始用SIT控制一些傳播疾病的昆蟲——蚊子。美國陸軍合作生物技術研究所和加州大學圣巴巴拉分校的研究人員利用CRISPR-Cas9基因編輯工具，以雄蚊生育能力相關基因為目標，對埃及伊蚊進行了“絕育”實驗。研究闡述了基因突變是如何抑制蚊子繁殖能力的。2.不育蚊子的培育機理——基因編輯技術通過輻射使雄性蚊子絕育，這些方法會對蚊子的健康造成傷害，有可能降低它們與雌蚊成功交配的幾率。美國陸軍合作生物技術研究所和加州大學圣巴巴拉分校的研究團隊決定開辟新路，他們在蚊子體內突變一種基因，從而導致雄蚊不育，但不會影響到蚊子的其他健康狀況，相關研究成果發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上。研究人員首先運用CRISPR-Cas9基因編輯工具，選擇性破壞一個專門影響雄性生育能力的β2-微管蛋白(B2t)基因，并繁育出一批攜帶突變基因的雄性埃及伊蚊，這些蚊子無法產生精子，但在其他方面卻完全健康。這些雄蚊被引入到雌蚊群體中后，也能有效抑制雌蚊的生育能力。研究者將15只攜帶突變基因的雄性埃及伊蚊與15只雌蚊關在一起，讓其交配，在24小時后將無生育能力的15只雄蚊換為15只野生雄蚊（有生育能力），結果顯示，所有雌蚊的生育能力都受到影響。也就是說，雖然突變雄蚊無法產生精子，與不育雄蚊交配后，健康的雌蚊子再遇到健康的雄蚊子也無法生育了。然而，科學家們還發(fā)現，這種基因編輯的效果如何隨著時間而變化。雌蚊必須要與許多不育雄蚊進行長時間的交配，才會完全失去生育能力。實驗結果顯示，讓雌蚊與變異雄蚊交配4小時，雌蚊的生育能力會降低到正常水平的20%。當交配時間達到8小時，這個比例會穩(wěn)定在10%左右。原理如圖所示：這項研究結果預示著，連續(xù)不斷地釋放不育雄蚊，有可能帶來更有效的控蚊效果。在未來，研究團隊計劃繼續(xù)探索蚊子的交配行為和繁殖能力，以尋找新的有效抑制蚊子數量的方法。3.可能帶來的安全性問題轉基因蚊子這種新技術在生態(tài)環(huán)境中引發(fā)了許多不確定性，其潛在影響遠超出了我們的想象。轉基因蚊子釋放到自然環(huán)境中可能會與野生蚊子交配，導致野生蚊子基因的改變。盡管目前的研究表明轉基因蚊子的基因變異不會對蚊子種群的繁衍能力產生顯著影響，但我們不能忽視這種不確定性的可能性。一旦野生蚊子的基因發(fā)生變異，我們將很難預測這些變異將如何改變蚊子種群的適應能力和生態(tài)角色。轉基因蚊子對非靶生物的影響也是一個重要的問題。雖然轉基因蚊子被設計成只針對傳播疾病的蚊子物種，但我們不能完全排除它對其他昆蟲和動物的潛在影響。例如，如果這些轉基因蚊子不小心傳播到其他地區(qū)，可能會對當地的生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重破壞，影響到其他昆蟲的生存和物種多樣性。例、細菌在長期進化過程中形成一種免疫機制——CRISPR/Cas9系統(tǒng)，以此來清除入侵的外源DNA，如病毒DNA，具體過程如圖。圖中細菌CRISPR序列的間隔區(qū)負責儲存入侵過的外源DNA片段，當相同外源DNA再次入侵時，可更快地清除外源DNA。注：gRNA，又稱引導RNA，通過與外源DNA的靶序列堿基互補配對，進而識別。Cas9，Cas9蛋白，能對DNA進行切割。（1）圖中CRISPR序列指導合成gRNA的過程稱為

。

（2）下列有關CRI