2019_2020学年高中生物专题1基因工程1.2基因工程的基本操作程序教学案含解析新人教版选修.pdf
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1、基因工程的基本操作程序基因工程的基本操作程序 一、基因工程的基本操作程序 目的基因的获取基因表达载体的构建将目的基因导入受体细胞目的基因的检测与 鉴定。 二、目的基因的获取 1从基因文库中获取 (1)基因文库的含义:将含有某种生物不同基因的许多 DNA 片段,导入受体菌的群体中储 存,各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因。 (2)基因文库的种类: 基因组文库:包含一种生物的所有基因。 部分基因文库:包含一种生物的一部分基因。 2利用 PCR 技术扩增 (1)原理:DNA 双链复制。 (2)过程: 3人工合成 (1)条件:基因比较小,核苷酸序列又已知。 (2)方法:通过 DNA 合成仪用化学方
2、法直接人工合成。 三、基因表达载体的构建 1构建基因表达载体的目的 1.基因表达载体的构建是基因工程的核心,一个基因表达载体的组成,除了目的 基因外,还必须有启动子、终止子以及标记基因等。 基因表达载体的构建是基因工程的核心,一个基因表达载体的组成,除了目的 基因外,还必须有启动子、终止子以及标记基因等。 2 将目的基因导入植物细胞的方法有农杆菌转化法、 基因枪法和花粉管通道法。 将目的基因导入植物细胞的方法有农杆菌转化法、 基因枪法和花粉管通道法。 3将目的基因导入动物细胞常用显微注射技术,导入微生物细胞常用感受态细 胞法 将目的基因导入动物细胞常用显微注射技术,导入微生物细胞常用感受态细
3、胞法(Ca2处理法处理法)。 4检测目的基因是否导入受体细胞常用检测目的基因是否导入受体细胞常用 DNA 分子杂交技术;检测是否转录, 常用分子杂交技术;检测是否翻译,常用抗原一抗体杂交技术。 分子杂交技术;检测是否转录, 常用分子杂交技术;检测是否翻译,常用抗原一抗体杂交技术。 (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 四、将目的基因导入受体细胞 1导入植物细胞 (1)农杆菌转化法: 原理:农杆菌 Ti 质粒上的 TDNA 可整合到受体细胞的染色体 DNA 上。 适用范围:主要适用于双子叶植物和裸子植物。 (
4、2)基因枪法:常用于单子叶植物。 (3)花粉管通道法:目的基因借助花粉管通道进入受体细胞。 2导入动物细胞 (1)常用方法:显微注射技术。 (2)受体细胞:受精卵。 3导入微生物细胞 (1)方法:感受态细胞法,即用 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(这种细胞称为感受态细胞)。 (2)常用原核生物作为受体细胞的原因:繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等。 五、目的基因的检测与鉴定 1分子水平的检测连线 2个体水平的鉴定 (1)抗虫或抗病的接种实验。 (2)对基因工程产品与天然产品的功能进行活性比较。 1基因工程主要操作步骤的顺序是( ) 基因表达载体的构
5、建 将目的基因导入受体细胞 目的基因的检测与鉴定 目的基因的获取 A B C D 解析:选 C 基因工程的主要操作步骤顺序是:目的基因的获取基因表达载体的构建 将目的基因导入受体细胞目的基因的检测和鉴定。 2基因工程的核心是( ) A目的基因的获取 B基因表达载体的构建 C将目的基因导入受体细胞 D目的基因的检测与鉴定 解析:选 B 基因表达载体的构建是基因工程的核心步骤。 3如图为基因表达载体的模式图,下列有关基因工程中载体的说法错误的是( ) A基因表达载体的构建是在生物体外完成的 B任何基因表达载体的构建都是一样的,没有差别 C图中启动子位于基因的首端,是 RNA 聚合酶识别和结合的部位
6、 D抗生素抗性基因的作用是作为标记基因,用于鉴别受体细胞中是否导入了目的基因 解析:选 B 由于受体细胞有植物、动物和微生物之分,以及目的基因导入受体细胞的方 式不同,所以基因表达载体的构建也会有所差别,不可能千篇一律。 4下列关于目的基因导入受体细胞的描述,错误的是( ) A基因枪法导入植物体细胞的方法比较经济和有效 B显微注射技术是转基因动物中采用最多的方法 C大肠杆菌最常用的转化方法,是使细胞的生理状态发生改变 D农杆菌转化法是将目的基因导入植物细胞最常用的方法 解析:选 A 不同受体细胞导入目的基因的方法不同,每种方法都有利弊。目的基因导入 植物细胞常用的方法是农杆菌转化法,该方法比较
7、经济和有效;目的基因导入动物细胞常用 的方法是显微注射法;目的基因导入大肠杆菌细胞最常用的转化方法就是用钙离子处理细胞, 使细胞的生理状态发生改变,完成转化。 5目的基因导入受体细胞后,是否可以稳定维持和表达其遗传特性,只有通过鉴定与检 测才能知道。下列属于目的基因检测和鉴定的是( ) 检测受体细胞中是否有目的基因 检测受体细胞中是否有致病基因 检测目的基 因是否转录出了 mRNA 检测目的基因是否翻译成蛋白质 A B C D 解析:选 C 目的基因的分子检测包括三个方面:检测转基因生物的 DNA 上是否插入了 目的基因,方法是采用 DNA 分子杂交技术;检测目的基因是否转录出了相应的 mRN
8、A,方法 也是使用基因探针与之杂交;检测目的基因是否翻译成了相应的蛋白质,常用的方法是抗 原抗体杂交。 Error!核心要点一目的基因的获取与基因表达载体的构建 1获取目的基因方法的比较 基因文库的构建 方法 基因组文库 部分基因文库 (如 cDNA 文库) PCR 技术扩增人工合成 过程 优 点 操作简单专一性强 可在短时间内 大量扩增目的 基因 专一性强, 可产 生自然界中不 存在的新基因 缺点 工作量大、盲 目性大、专一 性差 操作过程较麻 烦, 技术要求过 高 需要严格控制 温度、 技术要求 高 适用范围小 2PCR 反应的过程 3PCR 技术与生物体内 DNA 复制的比较 比较项目P
9、CR 技术DNA 复制 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) 酶耐热的 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 区别 合成的对象DNA 片段或基因DNA 分子 联系 模板:均需要脱氧核苷酸链作为模 板进行物质合成 原料:均为四种脱氧核苷酸 酶:均需要 DNA 聚合酶进行催化 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 4基因表达载体的构建过程 (1)用同一种限制酶切割目的基因和质粒,使其产生相同末端。 (2)将
10、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: 题组冲关 1(全国卷)几丁质是许多真菌细胞壁的重要成分,几丁质酶可催化几丁质水解。通过 基因工程将几丁质酶基因转入植物体内,可增强其抗真菌病的能力。回答下列问题: (1)在进行基因工程操作时,若要从植物体中提取几丁质酶的 mRNA,常选用嫩叶而不选用 老叶作为实验材料,原因是_。提取 RNA 时,提取液中需添加 RNA 酶抑制剂, 其目的是_。 (2)以 mRNA 为材料可以获得 cDNA,其原理是_。 (3)若要使目的基因在受体细胞中表达
11、,需要通过质粒载体而不能直接将目的基因导入受 体细胞,原因是_(答出两点即可)。 (4)当几丁质酶基因和质粒载体连接时,DNA 连接酶催化形成的化学键是_。 (5)若获得的转基因植株(几丁质酶基因已经整合到植物的基因组中)抗真菌病的能力没有 提高,根据中心法则分析,其可能的原因是_。 解析 : (1)与老叶相比,嫩叶组织细胞易破碎,容易提取到几丁质酶的 mRNA。提取 RNA 时, 提取液中需添加 RNA 酶抑制剂,其目的是防止 RNA 降解。(2)以 mRNA 为材料获得 cDNA 的原理 是在逆转录酶的作用下,以 mRNA 为模板按照碱基互补配对的原则可以合成 cDNA。(3)若要使 目的
12、基因在受体细胞中表达,需要通过质粒载体而不能直接将目的基因导入受体细胞,原因 是目的基因无复制原点且目的基因无表达所需的启动子。(4)DNA 连接酶催化形成的化学键是 磷酸二酯键。(5)若获得的转基因植株不具备所期望的性状表现,根据中心法则分析,其可能 的原因是目的基因的转录或翻译异常。 答案:(1)嫩叶组织细胞易破碎 防止 RNA 降解 (2)在逆转录酶的作用下,以 mRNA 为模板按照碱基互补配对的原则可以合成 cDNA (3)目的基因无复制原点;目的基因无表达所需启动子 (4)磷酸二酯键 (5)目的基因的转录或翻译异常 2(海南高考)下图是将某细菌的基因 A 导入大肠杆菌内,制备“工程菌
13、”的示意图。 据图回答: (1)获得 A 有两条途径:一是以 A 的 mRNA 为模板,在_酶的催化下,合成互补的 单链 DNA,然后在_的作用下合成双链 DNA,从而获得所需基因;二是根据目标蛋白质 的_序列, 推测出相应的mRNA序列, 然后按照碱基互补配对原则, 推测其DNA的_ 序列,再通过化学方法合成所需基因。 (2)利用PCR技术扩增DNA时, 需要在反应体系中添加的有机物质有_、 _、 4 种脱氧核糖核苷三磷酸和耐热性的 DNA 聚合酶,扩增过程可以在 PCR 扩增仪中完成。 (3)由 A 和载体 B 拼接形成的 C 通常称为_。(4)在基因工程中,常用 Ca2处 理 D,其目的
14、是_。 解析:(1)利用逆转录法合成目的基因的过程是:以 mRNA 为模板,在逆转录酶的催化作 用下合成单链 DNA,然后在 DNA 聚合酶作用下,合成双链 DNA 分子;根据蛋白质工程合成目的 基因的过程是:根据目标蛋白质的氨基酸序列,推测出相应的 mRNA 序列,然后按照碱基互补 配对原则,推测 DNA 中脱氧核苷酸的排列顺序,通过化学方法合成。(2)PCR 过程中需要酶、 底物、模板、引物和能量等条件。(3)目的基因和载体结合,形成基因表达载体。(4)在利用 大肠杆菌作受体细胞时, 需要先用 Ca2处理, 使之成为感受态细胞, 有利于吸收重组 DNA 分子。 答案:(1)逆转录 DNA
15、聚合酶 氨基酸 脱氧核苷酸 (2)引物 模板(A 基因) (3)基 因表达载体 (4)使其成为感受态细胞,有利于吸收重组 DNA 分子 Error!核心要点二将目的基因导入受体细胞及目的基因的检测与鉴定 1将目的基因导入受体细胞的方法比较 生物 类型 植物动物微生物 受体 细胞 体细胞受精卵原核细胞 常用 方法 农杆菌转化法、 基因枪法、花粉 管通道法 显微注射技术感受态细胞法 转化 过程 以农杆菌转化法为例: 将目的基因插入 Ti 质粒的 TDNA 上 转入农杆菌 导入植物细胞 整合到受体细胞的 DNA 上 提取含目的基 因的表达载体 显微注射 受精卵发育 具有新性 状的个体 Ca2处理细胞
16、 感受态细胞 基因表达载体与 感受态细胞混合 感受态细胞 吸收 DNA 分子 2目的基因的检测与鉴定归纳 3不同分子检测的原理、场所、探针的异同 (1)进行转录水平的检测原理与复制水平的检测原理是相似的,只是被检测的物质不再是 转基因生物的基因组 DNA,而是转基因生物的细胞内的 mRNA;进行翻译水平的检测,则是利 用抗原与抗体特异性结合的原理。 (2)不论是复制水平、转录水平还是翻译水平的检测,都是在体外进行的。 (3)在 DNA 分子、mRNA 分子上检测目的基因是否插入、目的基因是否转录时,用的探针都 是放射性同位素等标记的含有目的基因的 DNA 片段。 名师点拨 关注基因工程操作过程
17、的四个易误点 (1)限制酶剪切目的基因与质粒的次数不同:获取一个目的基因需限制酶剪切 2 次,共产 生 4 个黏性末端或平末端, 切割质粒一般只需要限制酶剪切 1 次, 产生 2 个黏性末端或平末端, 因为质粒是环状 DNA 分子,而目的基因在 DNA 分子链上。 (2)切割目的基因和载体并非只能用同一种限制酶:如果用两种不同限制酶切割后形成的 黏性末端相同时,在 DNA 连接酶的作用下,目的基因与载体也可以连接起来。 (3)目的基因的插入点不是随意的:基因表达需要启动子与终止子的调控,所以目的基因 应插入到启动子与终止子之间的部位。 (4)基因工程操作过程中只有第三步“将目的基因导入受体细胞
18、”没有碱基互补配对现象 ; 第一步利用逆转录法获得 DNA,第二步中的黏性末端连接,第四步利用分子水平杂交的方法检 测,均存在碱基互补配对现象。 题组冲关 3(重庆高考)如图为利用基因工程培育抗虫植物的示意图。以下相关叙述,正确的是 ( ) A的构建需要限制性核酸内切酶和 DNA 聚合酶参与 B侵染植物细胞后,重组 Ti 质粒整合到的染色体上 C的染色体上若含抗虫基因,则就表现出抗虫性状 D只要表现出抗虫性状就表明植株发生了可遗传变异 解析:选 D 构建重组质粒需要限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶,不需要 DNA 聚合酶。含 重组 Ti 质粒的农杆菌侵染植物细胞后,重组 Ti 质粒的 TDN
19、A 整合到受体细胞的染色体上, 而不是重组 Ti 质粒整合到受体细胞的染色体上。导入受体细胞的目的基因表达后,转基因植 株方能表现出相应性状,若目的基因在受体细胞中不表达,转基因植株不能表现出相应性状。 表现出抗虫性状则表明该植株细胞发生了基因重组,基因重组是可遗传变异。 4(天津高考)人血清白蛋白(HSA)具有重要的医用价值,只能从人血浆中制备。下图是 以基因工程技术获取重组 HSA(rHSA)的两条途径。 (1)为获取 HSA 基因, 首先需采集人的血液, 提取_合成总 cDNA, 然后以 cDNA 为模板, 使用 PCR 技术扩增 HSA 基因。下图中箭头表示一条引物结合模板的位置及扩增
20、方向,请用箭 头在方框内标出另一条引物的位置及扩增方向。 (2)启动子通常具有物种及组织特异性,构建在水稻胚乳细胞内特异表达 rHSA 的载体, 需要选择的启动子是_(填写字母,单选)。 A人血细胞启动子 B水稻胚乳细胞启动子 C大肠杆菌启动子 D农杆菌启动子 (3)利 用 农 杆 菌 转 化 水 稻 受 体 细 胞 的 过 程 中 , 需 添 加 酚 类 物 质 , 其 目 的 是 _。 (4)人体合成的初始 HSA 多肽, 需要经过膜系统加工形成正确空间结构才有活性。 与途径 相比,选择途径获取 rHSA 的优势是_。 (5)为证明 rHSA 具有医用价值,须确认 rHSA 与_的生物学功
21、能一致。 解析:(1)要想合成总 cDNA,需要采集人的血液获得总 RNA。由于 DNA 的复制只能从脱氧 核苷酸单链的 5端向 3端延伸,因而引物均应结合在 DNA 单链的 3端,而 DNA 的两条链 反向平行,由此可以确定引物在另一条脱氧核苷酸单链的位置和方向。(2)若要从水稻胚乳细 胞内获得目的产物,需要控制该目的基因只在水稻胚乳细胞内表达。由题干中的信息“启动 子通常具有物种及组织特异性”可知,此处需要选择水稻胚乳细胞启动子。(3)酚类物质能吸 引农杆菌,因此在水稻受体细胞中添加 该类物质, 能吸引农杆菌移向水稻受体细胞, 有利于目的基因的成功转化。 (4)途径和 的主要区别是途径的受
22、体细胞是真核细胞,途径的受体细胞是原核细胞。由于人体合成 的初始 HSA 多肽需要经膜系统加工形成正确的空间结构才有生物活性,所以选择途径获取 rHSA 更具有优势。(5)rHSA 是基因工程的产物,其是否具有医用价值,还需要在个体水平上 进一步确认其与 HSA 的生物学功能是否一致。 答案:(1)总 RNA(或 mRNA) 如图所示 (2)B (3)吸引农杆菌移向水稻受体细胞,有利于目的基因成功转化 (4)水稻是真核生 物,具有膜系统,能对初始 rHSA 多肽进行高效加工 (5)HSA 随堂基础巩固 1下列获取目的基因的方法中需要模板链的是( ) 从基因文库中获取目的基因 利用 PCR 技术
23、扩增目的基因 反转录法 通过 DNA 合成仪利用化学方法人工合成 A B C D 解析:选 D PCR 利用的是 DNA 双链复制原理,即将双链 DNA 之间的氢键打开,变成单链 DNA ,作为聚合反应的模板。反转录法则是以目的基因转录成的 mRNA 为模板,在逆转录酶的 作用下,先反转录形成互补的单链 DNA,再合成双链 DNA。、均不需要模板。 2下列关于基因表达载体及其构建的相关叙述,错误的是( ) A基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子、标记基因等部分 B目的基因主要是指编码所需蛋白质的结构基因 C构建基因表达载体需用限制酶和 DNA 连接酶 D构建基因表达载体必须在细胞内进行 解
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