人教版-选修三知识清单

人教版高中生物选修三《现代生物科技专题》知识清单一、基因工程（一）基因工程的概念与理论基础基因工程，又称DNA重组技术，是指按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。其理论基础包括：DNA是主要的遗传物质、DNA的双螺旋结构和半保留复制机制、遗传密码的通用性等。（二）基因工程的基本工具1.限制性核酸内切酶（限制酶）：主要从原核生物中分离纯化得到，能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。形成黏性末端或平末端。2.DNA连接酶：将切下来的DNA片段拼接成新的DNA分子，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键。常用的有E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶。3.载体：将目的基因导入受体细胞的“分子运输车”。常用的载体有质粒（独立于细菌拟核DNA之外的小型环状DNA分子，具有自我复制能力）、噬菌体和动植物病毒等。作为载体需具备的条件：能在受体细胞中复制并稳定保存；具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入；具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。（三）基因工程的基本操作程序1.目的基因的获取：方法包括从基因文库中获取、利用PCR技术扩增目的基因、人工合成（适用于核苷酸序列已知且相对较短的基因）。2.基因表达载体的构建：基因工程的核心步骤。目的是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，同时使目的基因能够表达和发挥作用。一个基因表达载体的组成通常包括：目的基因、启动子（RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录）、终止子（使转录在适当位置停止）、标记基因（用于鉴定受体细胞是否含有目的基因）等。3.将目的基因导入受体细胞：*植物细胞：农杆菌转化法（最常用，利用农杆菌Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞并整合到其染色体DNA上的特性）、基因枪法、花粉管通道法。*动物细胞：显微注射技术（最常用，将基因表达载体提纯后注入受精卵）。*微生物细胞：感受态细胞法（如Ca²⁺处理大肠杆菌，使其成为感受态细胞，易于吸收周围环境中的DNA分子）。4.目的基因的检测与鉴定：*分子水平的检测：检测目的基因是否导入——DNA分子杂交技术（用放射性同位素标记的含目的基因的DNA片段作探针）；检测目的基因是否转录出mRNA——分子杂交技术（探针与mRNA杂交）；检测目的基因是否翻译成蛋白质——抗原-抗体杂交技术。*个体水平的鉴定：如抗虫或抗病的接种实验，观察生物是否表现出相应的性状。（四）基因工程的应用1.植物基因工程：抗虫转基因植物（如抗虫棉）、抗病转基因植物（抗病毒、抗真菌）、抗逆转基因植物（抗除草剂、抗盐碱、抗干旱等）、改良品质的转基因植物（如黄金大米）。2.动物基因工程：提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物（如乳腺生物反应器）、用转基因动物作器官移植的供体。3.基因工程药物：如利用工程菌生产人胰岛素、干扰素、白细胞介素、乙肝疫苗等。4.基因治疗：把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，分为体外基因治疗和体内基因治疗。二、细胞工程（一）植物细胞工程1.植物组织培养技术：*原理：植物细胞的全能性（具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能）。*过程：离体的植物器官、组织或细胞（外植体）→（脱分化）愈伤组织（排列疏松、无规则、高度液泡化的薄壁细胞）→（再分化）根或芽等器官→完整植株。*条件：无菌条件、适宜的营养（如水、无机盐、蔗糖、维生素等）、植物激素（生长素和细胞分裂素的比例调控脱分化和再分化的方向）、适宜的温度、pH等。*应用：微型繁殖（快速繁殖优良品种，保持遗传特性一致）、作物脱毒（如利用茎尖组织培养获得无病毒植株）、人工种子、单倍体育种（花药离体培养获得单倍体，再用秋水仙素处理使染色体加倍，可明显缩短育种年限）、突变体的利用、细胞产物的工厂化生产（如生产人参皂甙干粉）。2.植物体细胞杂交技术：*概念：将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。*原理：细胞膜的流动性（原生质体融合的基础）和植物细胞的全能性（杂种细胞培育成杂种植株的基础）。*过程：去除细胞壁（用纤维素酶和果胶酶处理，获得原生质体）→诱导原生质体融合（物理方法如离心、振动、电激；化学方法如聚乙二醇PEG）→杂种细胞的筛选和培养→杂种植株的再生与鉴定。*意义：克服了远缘杂交不亲和的障碍，打破了生殖隔离，扩大了杂交亲本的范围。（二）动物细胞工程1.动物细胞培养：*概念：从动物机体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和增殖。*过程：取动物组织块→剪碎→用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理分散成单个细胞→制成细胞悬液→原代培养（动物组织消化后的初次培养）→传代培养（贴满瓶壁的细胞用胰蛋白酶处理后分瓶继续培养，一般传至10-50代左右细胞增殖会逐渐缓慢，以至于完全停止，部分细胞发生遗传物质改变，具有癌变特点）。*条件：无菌、无毒的环境（培养液需灭菌，添加抗生素，定期更换培养液）；营养（葡萄糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等，还需加入血清、血浆等天然成分）；适宜的温度和pH；气体环境（95%空气加5%CO₂，CO₂维持培养液的pH）。*应用：生物制品的生产（如疫苗、干扰素）、检测有毒物质、医学研究（如病理、药理研究）、为动物细胞核移植提供供体细胞。2.动物细胞核移植技术（克隆技术）：*概念：将动物的一个细胞的细胞核，移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎，这个新的胚胎最终发育为动物个体。*种类：胚胎细胞核移植（难度相对较低）和体细胞核移植（难度较高，如克隆羊“多莉”）。*过程（以体细胞核移植为例）：供体细胞的采集和培养→去核卵母细胞的准备→细胞核移植（显微操作）→重组细胞的激活（使其完成细胞分裂和发育进程）→重组胚胎的培养和移植→代孕动物的妊娠和分娩→克隆动物。*应用：加速家畜遗传改良进程、保护濒危物种、生产医用蛋白、作为异种移植的供体、用于组织器官的移植等。也存在成功率低、克隆动物健康问题等挑战。3.动物细胞融合（细胞杂交）：*概念：两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程，融合后形成的具有原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞，称为杂交细胞。*原理：细胞膜的流动性。*诱导因素：聚乙二醇（PEG）、灭活的病毒、电激等。*应用：最重要的应用是制备单克隆抗体。4.单克隆抗体：*传统方法：从已免疫的动物血清中分离，抗体产量低、纯度低、特异性差。*单克隆抗体的制备：*过程：将已免疫的B淋巴细胞（能产生特异性抗体，但不能无限增殖）与骨髓瘤细胞（能无限增殖，但不能产生抗体）融合→通过特定的选择培养基筛选出杂交瘤细胞（既能无限增殖又能产生特异性抗体）→进行克隆化培养和抗体检测，筛选出能产生所需特异性抗体的杂交瘤细胞→体外培养或注射到小鼠腹腔内增殖→从培养液或小鼠腹水中提取单克隆抗体。*特点：特异性强、灵敏度高、可大量制备。*应用：作为诊断试剂（如早孕试纸）、用于治疗疾病和运载药物（如“生物导弹”——将药物与单克隆抗体结合，利用抗体的特异性导向作用，将药物带到病变部位）。三、胚胎工程（一）体内受精和早期胚胎发育1.精子的发生：场所是睾丸的曲细精管，时期是从初情期开始直到生殖机能衰退。过程包括精原细胞的增殖、精母细胞的减数分裂和精子的变形（细胞核变为精子头的主要部分，高尔基体发育为顶体，中心体演变为精子的尾，线粒体聚集在尾的基部形成线粒体鞘，细胞内的其他物质浓缩为原生质滴）。2.卵子的发生：场所是卵巢，时期是胎儿期（性别分化后开始，卵原细胞增殖并演变为初级卵母细胞，被卵泡细胞包围形成卵泡）和初情期后（初级卵母细胞完成减数第一次分裂，形成次级卵母细胞和第一极体，进入输卵管，在受精过程中完成减数第二次分裂，形成卵细胞和第二极体）。3.受精：精子与卵子结合形成合子的过程。场所是输卵管。*准备阶段：精子获能（精子必须在雌性动物的生殖道内发生相应的生理变化后，才能获得受精能力）；卵子的准备（卵母细胞在输卵管内达到减数第二次分裂中期时，才具备受精能力）。*受精阶段：包括精子穿越放射冠和透明带（顶体反应、透明带反应——防止多精入卵的第一道屏障）、进入卵细胞膜（卵细胞膜反应——防止多精入卵的第二道屏障）、原核形成和配子结合（精子入卵后，尾部脱离，核膜破裂形成雄原核；卵子完成减数第二次分裂，形成雌原核；雌雄原核融合，形成合子）。4.早期胚胎发育：*桑椹胚：受精卵不断进行有丝分裂，细胞数目增多，胚胎的总体积并不增加，或略有缩小。这一阶段的细胞属于全能细胞。*囊胚：细胞开始出现分化。内细胞团将来发育成胎儿的各种组织，滋养层细胞将来发育成胎膜和胎盘。囊胚进一步扩大，会导致透明带破裂，胚胎从其中伸展出来，称为孵化。*原肠胚：囊胚孵化后，内细胞团表层的细胞形成外胚层，下方的细胞形成内胚层。内胚层包围的囊腔叫原肠腔。滋养层则发育为胎儿的胎膜和胎盘。（二）体外受精和早期胚胎培养1.体外受精：主要包括卵母细胞的采集和培养、精子的采集和获能、受精等步骤。*卵母细胞的采集和培养：对实验动物（如小鼠、兔），用促性腺激素处理，使其超数排卵，从输卵管中冲取卵子；对大型动物（如牛），从已屠宰母畜的卵巢中采集卵母细胞，或直接从活体动物的卵巢中吸取卵母细胞，采集的卵母细胞都需要在体外人工培养成熟（至减数第二次分裂中期）。*精子的采集和获能：精子采集方法有假阴道法、手握法和电刺激法等。精子获能处理：在体外培养的条件下，对啮齿动物、家兔和猪等动物的精子，一般采用培养法；对牛、羊等家畜的精子，常采用化学诱导法（将精子放在一定浓度的肝素或钙离子载体A____溶液中）。*受精：获能的精子和培养成熟的卵子，一般情况下都可以在获能溶液或专用的受精溶液中完成受精过程。2.早期胚胎培养：精子与卵子在体外受精后，应将受精卵移入发育培养液中继续培养，以检查受精状况和受精卵的发育能力。发育培养液的成分通常含有无机盐、有机盐、维生素、激素、氨基酸、核苷酸等营养成分，以及血清等物质。当胚胎发育到适宜的阶段（如桑椹胚或囊胚）时，可将其取出向受体移植或冷冻保存。（三）胚胎工程的应用及前景1.胚胎移植：*概念：将雌性动物的早期胚胎，或者通过体外受精及其他方式得到的胚胎，移植到同种的、生理状态相同的其他雌性动物的体内，使之继续发育为新个体的技术。其中提供胚胎的个体称为供体，接受胚胎的个体称为受体。*意义：充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力（供体主要职能变为产生具有优良遗传特性的胚胎，缩短繁殖周期）。*生理学基础：同种动物的供、受体生殖器官的生理变化是相同的（为胚胎移入提供相同的生理环境）；早期胚胎在一定时间内处于游离状态（为胚胎的收集提供可能）；受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应（为胚胎在受体内的存活提供可能）；供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织联系，但供体胚胎的遗传特性在孕育过程中不受影响。*基本程序：对供、受体的选择和处理（同期发情处理、对供体超数排卵处理）→配种或人工授精→胚胎的收集（冲卵）、检查、培养或保存→胚胎的移植（手术法或非手术法）→移植后的检查。2.胚胎分割：*概念：采用机械方法将早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份等，经移植获得同卵双胎或多胎的技术。*特点：来自同一胚胎的后代具有相同的遗传物质，属于无性繁殖或克隆。*主要仪器设备：实体显微镜和显微操作仪。*操作对象：发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚。对囊胚阶段的胚胎进行分割时，要注意将内细胞团均等分割，否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。3.胚胎干细胞（ES或EK细胞）：*来源：早期胚胎（如囊胚的内细胞团）或原始性腺。*特点：具有胚胎细胞的特性，在形态上表现为体积小、细胞核大、核仁明显；在功能上，具有发育的全能性，可分化为成年动物体内任何一种组织细胞。在体外培养的条件下，可以增殖而不发生分化，可进行冷冻保存，也可进行遗传改造。*应用前景：用于治疗人类的某些顽症（如帕金森综合征、少年糖尿病等）、培育人造组织器官、研究体外细胞分化的机理等。四、生物技术的安全性和伦理问题（一）转基因生物的安全性1.食物安全：可能存在的担忧包括滞后效应、新的过敏原、营养成分改变等。也有观点认为目前没有足够证据证明转基因食物不安全，且其具有潜在优势。2.生物安全：担心转基因生物可能会成为“入侵的外来物种”，威胁生态系统中其他生物的生存，如基因扩散到其他物种（基因污染）。3.环境安全：可能影响生态系统的稳定性，如破坏生物多样性，改变生态系统的能量流动和物质循环。对于转基因技术，应趋利避害，而不能因噎废食。各国都在加强对转基因生物的安全性管理。（二）关注生物技术的伦理问题1.克隆人：分为生殖性克隆（以产生新个体为目的）和治疗性克隆（利用克隆技术产生特定细胞、组织或器官用于治疗疾病）。生殖性克隆引发了严重的伦理争议，中国政府的态度是禁止生殖性克隆人，不反对治