10.8 教学设计.doc

一块田棉花抗虫，一块田棉花不抗虫，抗虫基因最早是从苏云金芽胞杆菌中分离出来的抗虫基因，而抗虫棉花的出现，实现了一种生物的性状在另一种生物中的表达。性状的表达与我们学过的什么过程有关呢？学生：与基因控制蛋白质的合成有关；教师：PPT展示：这是一个DNA上的能控制抗虫蛋白合成的基因，这一条是棉花的DNA，请大家分析，要实现抗虫蛋白基因在棉花细胞中表达，提前要做哪些关键工作？学生：要将抗虫蛋白基因切割下来；将抗虫基因整合到棉花细胞DNA上；教师：这些操作需要使用哪些工具呢？科学家们在实施基因工程之前，苦苦探索，终于找到了实施基因工程的三种金刚钻儿，一是准确切割DNA的工具分子手术刀：限制酶；二是DNA片段的连接工具分子缝合针：DNA连接酶；三是基因转移工具分子运输车：基因进入受体细胞的载体，下面我们就以抗虫棉的培育为例学习这方面的内容。我们先来看准确切割DNA的工具限制酶；请大家以小组为单位分析、讨论学案上提供的资料，学生：不会破坏细菌本身的DNA，细菌本身的DNA不具有它含有的限制酶的识别切割序列，（或者将甲基转移到所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开）学生：限制酶必须具有特异性才能保证准确地将抗虫基因从它所在的DNA分子中切割出来。教师：非常好！那限制酶的特异性体现在哪些方面才能准确切割呢？学生：识别特定的双链DNA的核苷酸序列；教师：非常准确，我们可以看到，限制酶Sma，EcoR识别序列就有所区别，而且限制酶的识别序列一般是由48个核苷酸组成，EcoR识别序列从5GAATTC3结束，Sma的识别序列从5CCCGGG3,在他们的识别序列处还有一个中心轴线，识别序列沿中心轴线反向重复对称；除了识别序列的特异性以外，还有切割位点的特异性，Sma在中心轴线处切割，EcoR在GA两个核苷酸处切割，我们可以看到切割后得到的末端也有所区别，Sma切割后得到的是平末端，EcoR切割后得到的末端会伸出一条DNA单链，这样的末端被称为黏性末端。教师：我们已经利用限制酶切割获得抗虫基因，单纯的DNA片段是很难导入受体细胞的，需要分子运输车即载体协助，那具备什么特点才能作为目的基因的运输车呢？如何将抗虫基因导入棉花细胞呢？科学家利用病毒或是细菌中质粒可以转移到其他生物体内的特性，若将抗虫基因和质粒重组，就可以将抗虫基因导入棉花细胞，这就是我们要提到分子运输车载体；但真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行人工改造的，那作为载体必须具备什么特点才能作为目的基因的运输车呢？请大家根据我们学案上的提示，以小组为单位讨论这个问题：学生可能的回答：将载体和抗虫基因混合加入DNA连接酶；教师：常用的载体质粒是环状DNA分子，既然是环，如何能将抗虫基因片段插入呢？学生：需要用限制酶将质粒剪一个缺口，然后插入抗虫基因；教师：既然需要限制酶剪切，那根据限制酶的特点，需要载体的核苷酸序列具备什么特点呢？这是我们学案上的第二个问题。学生：需要有限制酶的识别序列教师：才能用特定的限制酶将质粒切开，插入抗虫基因，也就是说质粒上要有限制酶的酶切位点，能够共抗虫基因插入；教师：将抗虫基因和载体连接导入棉花细胞，导入率并不是百分之百，可以利用载体的什么特点筛选导入了抗虫基因的棉花细胞呢？学生：载体上抗药基因；教师：质粒上有一些特殊基因，如抗药基因，可以让导入了重组质粒的棉花细胞也具有了抗药特性，除此之外我们还能对天然质粒进行人工改造，可以给它加上一些荧光蛋白基因，该基因表达后，在激发光下，利用荧光显微镜就能将导入了抗虫基因的棉花细胞筛选出来。这些抗药基因，荧光蛋白基因都是可以标记导入了抗虫基因的棉花细胞，故将这些基因称为标记基因。教师：我们将抗虫基因和载体形成重组DNA导入棉花细胞，细胞通过增殖，分化才能形成棉花植株，那么载体如何保证目的基因在细胞增殖时不会丢失？学生：载体必须能复制；教师：载体复制，就会使抗虫基因形成很多拷贝，但在细胞分裂时，细胞质中的物质是随机分配的，抗虫基因还有可能在细胞中丢失，如何才能准确保证不丢失呢？学生：可以整合到棉花细胞的染色体DNA上，随棉花细胞增殖，抗虫基因也会增殖教师：所以载体能将一部分DNA整合到受体细胞的染色体DNA上，抗虫基因就不会因为细胞增殖而丢失。教师：我们请一个小组给大家总结载体具备什么特点才能充当分子运输车;学生：具有限制酶的酶切位点（一个或两个）；能够自我复制或整合到染色体DNA上；含有标记基因；我们可以看到作为分子运输车，载体必须具备多种特点，而在基因工程中使用的载体有质粒、噬菌体的衍生物、动植物病毒等，目前常利用的载体是质粒，下面我们通过插图一起来认识质粒，质粒存在于许多细菌及酵母菌等生物的细胞中，是拟核或细胞核外能自主复制的很小的环状DNA分子，这个模式图表示的就是大肠杆菌细胞内的质粒，请一位同学在图上找出能体现载体特点的部分，并指明体现了载体的什么特点？学生：目的基因的插入位点质粒有限制酶的酶切位点；复制原点质粒能复制（而且带着插入的目的基因一起复制）氨苄青霉素抗性基因有标记基因（可用含青霉素培养基筛选细胞）从前面的分析中，我们得知，抗虫基因需插入到载体中，才能由载体运入受体细胞，利用限制酶处理载体，只是在载体上制造了一个缺口，还需要利用分子缝合针DNA连接酶连接载体和抗虫基因，那DNA连接酶是如何催化抗虫基因和载体相连的呢？ 请大家看PPT上的展示：猜想：DNA连接酶催化连接的是什么化学键呢？学生：催化连接的是核苷酸之间的磷酸二酯键教师：那如果是连接平末端，可以直接将双链DNA片段的缺口即核苷酸之间的磷酸二酯键催化连接，那黏性末端之间的连接是否也是DNA连接酶催化的呢？学生：氢键是自动形成；教师：非常好！氢键是分子间作用力，它在黏性末端靠近时可自动形成；根据来源可将DNA连接酶分为两类：一类是从大肠杆菌中分离得到的称为EcoliDNA连接酶，另一类从T4噬菌体中分离出来，称为T4DNA连接酶，但这两种酶的作用有所差别：EcoliDNA连接酶只能将双链DNA片段互补的黏性末端连接，而T4DNA连接酶既能连接互补的黏性末端，又可以缝合平末端，但缝合平末端，但连接平末端的效率低。这就是DNA重组技术的三大工具，限制酶、载体、DNA连接酶，现在大家看，这有两把剪刀，一把代表Ecor，一把代表Sma,有一个环状DNA分子代表载体质粒，一个含抗虫基因的DNA片段，粘胶模拟DNA连接酶，该如何选择限制酶？如何切割，如何利用DNA连接酶连接呢？请大家先讨论选择哪种限制酶，并说出你的理由；我们请一个小组和我们分享他们选择哪种限制酶切割，为什么？学生：选择Ecor来切割，因为抗虫基因所在的DNA片段两端有它的识别序列；教师：那为什么不选择Sma呢？学生：抗虫基因内部有Sma的序列，选择它切割会破坏抗虫基因；教师：除此之外还有没有其他小组可以补充不选Sma的原因？（仔细观察质粒的序列）学生：在质粒上也没有Sma的识别序列；教师：因此我们在选择限制酶切割时要注意什么问题呢？学生：要选择目的基因，载体上都存在识别序列的限制酶，要不能破坏目的基因；教师：非常好！也就是选择同种限制酶切割载体和目的基因所在的DNA，不能破坏目的基因；教师：请大家实际进行操作；可能出现的问题：1、利用限制酶时，可能会把整个抗虫基因破坏掉；请学生上前展示切割结果，并请其他组分析为什么会出现这种结果；（如果没有错的，就在PPT上展示错误的和没剪的，让学生自己分析）教师：再请大家利用粘胶模拟DNA连接酶连接利用限制酶处理过的抗虫基因和质粒；可能出现的问题：2、DNA连接酶连接的氢键；请学生上前展示连接结果，并请其他组分析是否出现错误；教师：我们在实际利用DNA连接酶催化连接时，是将很多质粒片段和抗虫基因片段混合在一块，以提高连接效率，请大家想象除了有我们想要的抗虫基因和质粒相连的重组