3.2+基因工程的基本操作程序+++课件+2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第2节基因工程的基本操作程序目录CONTENTS01第一步：目的基因的筛选与获取02第二步：基因表达载体的构建03第三步：将目的基因导入受体细胞04第四步：目的基因的检测与鉴定05探究·实践DNA片段的扩增及电泳鉴定学习目标专题内容01学习目标

1.通过对基因工程流程的学习，建构起基因操作与性状表达的内在联系，形成结构与功能相统一的观念。2.通过分析PCR扩增原理、基因表达载体构建逻辑，概括基因工程的核心思路，提升逻辑推理能力。3.通过完成PCR扩增及电泳鉴定实验，掌握PCR操作与电泳鉴定的基本技能。4.通过了解转基因抗虫棉的培育与应用，认同基因工程的价值，树立科学评估生物技术风险的意识。课堂导入专题内容01课堂导入

20世纪90年代，我国棉花产业曾因棉铃虫肆虐遭受重创，常规农药难以有效防控，且易造成环境污染。1997年，我国自主培育的转基因抗虫棉成功推广，棉铃虫危害得到有效遏制。为何这种棉花能抗虫？它的培育需要经过哪些关键步骤？科学家又是如何精准获取并转移抗虫相关基因的？第一步：目的基因的筛选与获取专题内容01情境展示

转基因抗虫棉可自主产生抗虫蛋白抵御棉铃虫侵害，减少农药使用量。培育该棉花需先筛选并获取苏云金杆菌中的Bt基因，再通过特定技术大量扩增该基因，最终完成转基因操作。思考讨论

问题1从基因功能与应用的角度分析，筛选培育转基因抗虫棉的目的基因时，需优先考量哪些核心要素？提示：结合教材中Bt基因的筛选逻辑，从基因的功能明确性、产物作用特性、研究基础等角度推导。参考答案：需优先考量以下核心要素：第一，基因功能明确，能编码具有预期效应的产物，如Bt基因可编码破坏特定害虫消化系统的Bt抗虫蛋白；第二，基因产物的作用具有特异性，不会对非目标生物产生不利影响；第三，具备一定的研究基础，如已知基因序列信息、产物作用机制，可降低后续操作的技术难度。问题2

观察PCR反应过程示意图，分析三轮循环后，产物中出现仅包含目的基因序列的DNA片段的原因是什么？图3-5PCR反应过程示意图提示：结合图中每一轮循环的模板变化、引物结合位置的特异性进行推导。参考答案：第一轮循环以原始DNA为模板，合成的DNA片段包含目的基因序列及引物外侧的序列；第二轮循环以第一轮的产物为模板，引物结合位置仍为目的基因两端的互补序列，合成的DNA片段长度进一步向目的基因靠拢；第三轮循环时，以第二轮中合成的包含部分目的基因序列的DNA为模板，引物结合后进行延伸，最终得到仅包含目的基因序列的DNA片段，且该类片段的数量会随循环次数增加快速上升。问题3问题4

结合PCR技术的反应条件，分析该技术能否直接扩增mRNA，并说明理由。提示：对比PCR反应的模板要求与mRNA的分子结构，结合教材中PCR的核心原理进行判断。参考答案：不能直接扩增mRNA。PCR技术的原理是DNA的半保留复制，反应过程需要以DNA单链作为模板，而mRNA为核糖核酸，其分子组成与结构均与DNA不同，无法直接作为PCR的模板。若要基于mRNA获取目的基因，需先通过逆转录过程合成对应的cDNA，再以cDNA为模板进行PCR扩增。知识小结

（一）目的基因的筛选1.目的基因的定义：用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物的基因，主要指编码蛋白质的基因。2.筛选思路：优先从结构与功能清晰的已知基因中筛选，可借助基因序列数据库、序列比对工具完成；筛选需满足功能匹配、研究基础充分等条件。（二）PCR技术扩增目的基因

第二步：基因表达载体的构建专题内容01情境展示

思考讨论

问题2

问题3

问题4知识小结

（一）基因表达载体构建的地位与作用1.地位：培育转基因抗虫棉的核心工作。2.作用：保证目的基因在受体细胞中稳定存在并遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。（二）基因表达载体的组成及各组分功能

（三）基因表达载体的构建流程

图3-6基因表达载体构建模式图（四）基因表达载体构建模式图第三步：将目的基因导入受体细胞专题内容01情境展示

思考讨论

问题2

农杆菌原本只对多数双子叶植物有侵染能力，现在却能成功转化水稻、玉米等单子叶植物，这一突破体现了生物技术发展的什么特点？提示：结合教材中农杆菌转化法的拓展应用，思考生物技术对生物固有特性的利用与改造。参考答案：体现了生物技术可以通过对生物特性的深入研究，突破生物固有生理限制，拓展技术的应用范围，实现对不同类群生物的基因操作。问题3

问题4

结合农杆菌转化法的操作流程，推测转化完成后需要进行筛选、鉴定的原因是什么？提示：从农杆菌侵染的随机性和目的基因表达的不确定性角度分析。参考答案：农杆菌对植物细胞的侵染并非100%成功，部分细胞未整合目的基因；即使目的基因进入细胞，也可能无法稳定表达。因此需要通过筛选、鉴定，从大量细胞或个体中筛选出成功导入并能稳定表达目的基因的受体细胞或植株。知识小结

（一）目的基因导入受体细胞的核心意义构建好的基因表达载体需通过特定方式进入受体细胞，才能实现目的基因的稳定存在和表达，这是转基因技术的关键步骤之一。

（二）植物细胞常用的目的基因导入方法（三）转化的概念

转化是指目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。第四步：目的基因的检测与鉴定专题内容01情境展示

转基因抗虫棉是基因工程应用的典型成果，培育完成后需通过一系列检测确定其是否具备抗虫特性。类似的，利用基因工程培育抗病害动物、生产药用蛋白等过程中，也都需要对目的基因的导入和表达情况进行检测，以此判断转基因操作是否成功。思考讨论

问题1为什么目的基因导入受体细胞后，必须进行检测与鉴定才能确定转基因操作成功？提示：结合目的基因在受体细胞中的可能状态分析，思考导入过程是否存在不确定性。参考答案：目的基因导入受体细胞后，可能无法稳定整合到受体细胞的基因组中，或无法正常完成转录、翻译过程，只有通过检测与鉴定，才能确认目的基因是否稳定维持并表达其遗传特性，以此判断转基因操作是否达到预期目标。问题2

问题3

个体生物学水平鉴定与分子水平检测相比，有怎样的独特作用？提示：对比两种检测水平的对象和结果，思考个体水平鉴定的实际应用价值。参考答案：分子水平检测仅能验证目的基因是否存在及完成转录、翻译，个体生物学水平鉴定可以直接检测目的基因表达产物是否使受体生物获得预期的性状及性状的表现程度，是对转基因成果的最终功能性验证。

问题4知识小结

（一）目的基因检测与鉴定的必要性目的基因进入受体细胞后，无法直接确定其是否稳定维持和表达遗传特性，检测与鉴定是判断转基因操作是否成功的核心步骤。（二）检测与鉴定的两个水平

（三）基因工程的基本操作程序（四）不同受体细胞的目的基因导入特点

探究·实践DNA片段的扩增及电泳鉴定专题内容01

实验准备

实验步骤演示1.琼脂糖凝胶配制：根据待分离DNA片段大小，用电泳缓冲液配制质量分数为0.8%～1.2%的琼脂糖溶液，加热至琼脂糖完全熔化，稍冷却后加入适量核酸染料。2.凝胶制备：将温热的琼脂糖溶液迅速倒入模具，插入梳子形成加样孔，待凝胶完全凝固后小心拔出梳子，将凝胶放入电泳槽。3.加样操作：向电泳槽中加入电泳缓冲液，使液面没过凝胶1mm；将PCR产物与凝胶载样缓冲液混合，用微量移液器将混合液缓慢注入加样孔，留一个加样孔加入DNA分子大小标准参照物。图5向凝胶加样孔内加样的操作4.电泳与观察：接通电源，按1～5V/cm（电泳槽两极间距）设定电压，待指示剂前沿接近凝胶边缘时停止电泳；取出凝胶置于紫外灯下观察结果。图6观察电泳鉴定结果二、琼脂糖凝胶电泳鉴定实验现象记录与讨论

实验现象1.PCR反应后：微量离心管内无明显肉眼可见变化。2.电泳后紫外灯观察：凝胶上出现数量不等的亮带，标准参照物呈现出已知大小的条带梯度。问题链

1.判断DNA片段是否成功扩增的依据是什么？2.电泳鉴定中出现多条带的可能原因有哪些？3.为什么PCR实验中使用的微量离心管、枪头和蒸馏水需要高压灭菌？4.凝胶中DNA分子的迁移速率受哪些因素影响？参考答案

1.若在紫外灯下观察到与预期大小相符的DNA条带，说明DNA片段成功扩增。2.出现多条带的可能原因包括：引物设计不合理导致非特异性扩增、PCR循环次数过多产生引物二聚体、模板DNA存在杂质等。3.高压灭菌可避免外源DNA污染，防止外源DNA干扰实验结果，保证PCR扩增的特异性。4.凝胶中DNA分子的迁移速率与凝胶浓度、DNA分子的大小和构象等有关，凝胶浓度越高、DNA分子越大，迁移速率越慢。实验结果分析

知识总结

1.PCR技术原理与操作：PCR利用DNA热变性原理，通过调控温度实现DNA的变性、退火与延伸循环，可在体外快速扩增特定DNA片段；操作中需严格避免污染，确保各反应组分添加准确。2.琼脂糖凝胶电泳鉴定原理：DNA分子因带电性质在电场中向正极移动，迁移速率受凝胶浓度、分子大小和构象影响；通过与标准参照物对比，可判断扩增产物的大小与纯度。3.实验关键注意事项：实验器材的无菌处理、试剂的低温储存与规范取用，是保证PCR实验成功的关键；电泳过程中电压、凝胶浓度的合理设置，是获得清晰鉴定结果的重要条件。课堂练习专题内容01【题文】巢式PCR是一种通过两轮PCR反应提高扩增特异性和灵敏度的技术，其基本原理如图1所示。在畜牧业中，对家畜早期胚胎进行性别鉴定具有重要意义。为此，科研人员利用多重巢式PCR，同时扩增Y染色体上的雄性决定基因（SRY）与常染色体上的酪蛋白基因（CSN1S1），以实现胚胎性别的早期鉴定，并将鉴定后的胚胎进行移植。图2表示1~5号不同胚胎DNA样品经巢式PCR扩增后的电泳结果。下列分析错误的是（

）A．从囊胚中获取用于性别鉴定的DNA时，通常从滋养层取样B．图1中两次PCR反应分别进行可防止内引物在第一次PCR反应中发挥作用C．若要培养高产奶牛，应当选择图2中的3号和5号D．该技术可以提高优良母畜的繁殖效率，加速育种进程【答案】C课堂练习【题文】科学家利用转基因生菜作为生物反应器生产人胰岛素时，依据植物偏好密码子（编码同种氨基酸的多个密码子中，生物优先高频使用的特定密码子）的原理对人胰岛素基因进行改造，提高胰岛素基因在植物细胞中的表达效率。对改造后的胰岛素基因进行一系列操作以构建基因表达载体（部分过程如图所示），再通过农杆菌转化法转入生菜细胞中表达人胰岛素。下列说法正确的是（

）A．改造后的人胰岛素基因表达产物与天然胰岛素的氨基酸序列不完全相同B．构建质粒3的过程中可使用HindⅢ和XbaⅠ两种酶切割质粒1和质粒2C．使用含有卡那霉素或潮霉素的培养基筛选导入目的基因的生菜细胞D．农杆菌T-DNA上添加复制原点才能使目的基因在生菜细胞中复制【答案】B课堂练习课堂练习【题文】我国科学家利用天山雪莲的SikCDPK1基因(S基因)培育抗旱烟草时，为减少外源基因对植物正常生长的潜在影响，将组成型启动子(35S)替换为干旱诱导型启动子(RD29A)。下列分析错误的是A．与35S启动子相比，RD29A启动子通常在干旱条件下才驱动S基因表达B．可用农杆菌转化法将RD29A—SikCDPK1表达载体导入烟草细胞C．若S基因成功导入，则能在烟草植株各