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高一生物集体备课6-2基因工程及其应用

[日期:2011-07-12]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:501[字体: ]

一、教学目标
1.简述基因工程的基本原理。
2.举例说出基因工程在农业、医药等领域的应用。
3.关注转基因生物和转基因食品的安全性。
二、教学重点和难点
1.教学重点
(1)基因工程的基本原理。
(2)基因工程的安全性问题。
2.教学难点
(1)基因工程的基本原理。
(2)转基因生物与转基因食品的安全性。
三、教学策略
本节教学可用2课时。第一课时从对杂交育种及诱变育种的特点总结入手,结合“问题探讨”,引入基因工程的概念。在第一课时,教师应将重点放在引导学生了解基因工程的基本原理和大致过程上。教学中,教师可以结合学生熟悉的具体事例来讲述,还可以安排学生制作模型的活动来模拟基因工程的操作过程,使学生切身体会基因工程“剪、拼、接、转”的主要过程。有条件的学校也可以制作电脑动画来表现这一动态过程。通过第一课时的学习,学生应该了解基因工程所用到的“工具”和基因工程的大致过程。教科书根据学生的认识规律,先分别介绍几种“工具”,再简要介绍基因工程的连续过程。教师在教学中应注意教学内容的组织和衔接。
值得强调的是,本节的侧重点是基因工程的原理,因此在教学深度的把握上应定位在学生了解基因工程的过程和方法,而不必引入过多的专业术语和详细的操作技术,语言力求形象生动,避免不适当的扩展,增加深度和难度。有兴趣的学生可以在生物选修3《现代生物科技专题》中进一步学习。
第二课时可在列举基因工程各种应用的基础上,重点引导学生讨论基因工程应用的利与弊。教师应布置学生搜集有关资料,采用思考、分析、想像、推断和辩论相结合的方法,围绕基因工程的利与弊,分析讨论是否需要关注转基因食品和转基因生物。对于这个问题,教师不必刻意将学生的争论引向一致的结论,争辩的过程本身就是对学生思维的训练,能够给予学生不少启发。教师要注意引导学生摆事实、讲道理,做出合乎逻辑的推断,鼓励学生积极参与。教师可设计合适的情境,组织学生进行角色扮演、制作公益广告、撰写咨询报告等多种活动,让学生站在不同角度思考问题并做出判断,使学生体会到参与社会问题的讨论和决策的方法。
第二课时结束前,教师可以组织学生对本章进行小结,进一步突出从杂交育种到基因工程这条技术发展的主线。同时,教师也应强调科学技术是一把双刃剑,既可以为人类造福,又可能造成一些负面影响。身为现代公民,应该关注科学技术的发展和影响。
四、答案和提示
(一)问题探讨
提示:此节“问题探讨”以基因工程菌的实例,引导学生思考基因工程的原理。为启发学生思考,教师可引导学生回忆前面学过的遗传学知识,如不同生物的DNA在结构上的统一性、几乎所有的生物都共用一套遗传密码等。
(二)练习
基础题
1.基因工程的操作通常包括以下4步:(1)获得目的基因(外源基因);(2)目的基因与运载体结合,形成重组DNA分子;(3)将重组DNA分子导入受体细胞;(4)目的基因的检测与表达。
2.
   
3.常用的运载体有质粒、噬菌体、农杆菌、动植物病毒等。
拓展题
1.提示:这是因为在基因水平上,人和细菌的遗传机制是一致的。细菌和人的遗传物质都是DNA,都使用同一套遗传密码子,都遵循中心法则。因此,通过基因重组,细菌能够合成人体的某些蛋白质。
2.提示:例如,可以向客户说明农场具备相应的安全检测设施和措施,已经领取了农业转基因生物安全证书,产品中所含有的成分都是自然界天然存在的物质,产品经过试用表明对人体无害等。
3.提示:例如,“转基因土豆──肝炎患者的希望!!”等。
五、参考资料
1.限制性内切酶及其特点
在生物体内有一类酶,它们能将外来的DNA切断,即能够限制异源DNA的侵入并使之失去活力,但对自身的DNA却无损害。科学家还注意到,这种酶是从DNA分子内部切断DNA的,因此,这种酶称做限制性内切酶。美国生物学家内森斯和史密斯因发现了限制性内切酶而获得1978年度的诺贝尔生理学或医学奖。
限制性内切酶通常能识别4~6个碱基长度的特定DNA序列,并能以特定的模式剪切DNA链。一般来说,被识别的DNA序列是回文序列。这种序列的特点是,当从左右两端分别阅读这段双链DNA的碱基序列时,双链上的碱基序列是相同的。按照切割的方式,限制性内切酶可以分为错位切和平切两种,它们分别产生黏性末端和平末端。
目前大约已有500种限制性内切酶,这些酶的命名方式与EcoRⅠ一样遵循统一的规则。第一个字母是分离出此酶的细菌属名的第一个字母,后两个字母为种名的前两个字母,小写,株系数字通常都省略,罗马数字用来表示从同一个细菌中分离出的不同的限制性内切酶。如HpaⅠ和HpaⅡ就是从同一种细菌中分离出来的第一种和第二种内切酶。
几种常用的限制性内切酶及其酶切位点如下表(表13)。
表13  几种常用限制性内切酶及其酶切位点
限制性内切酶识别位点限制性内切酶识别位点
EcoRⅠ
XbaⅠ
XhoⅠ
NdeⅠG↓AATTC
T↓CTAGA
C↓TCGAG
CA↓TATGApaⅠ
BglⅡ
ClaⅠ
SmaⅠGGGCC↓C
A↓GATCT
AT↓CGAT
CCC↓GGG

2.质粒
质粒习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中染色体(或拟核)以外的DNA分子,它们在细菌中以独立于染色体或拟核之外的方式存在。即使细菌细胞不含质粒,也可以正常地生活。质粒的存在通常不会对寄主细胞产生不利影响,有时还会为寄主细胞提供新的遗传特性。例如,有些质粒携带帮助自身从一个细胞转入另一个细胞的信息;有些质粒含有对某种抗生素具有抗性的基因;还有一些携带的是参与或控制一些不同寻常的代谢途径的基因,即降解质粒。质粒的大小不定,小的不到1 kb,大的超过500 kb。每个质粒都包括与DNA复制起始有关的一段序列,使质粒DNA能够在宿主细胞中复制。
每个细胞中的质粒数主要决定于质粒本身的复制特性。按照复制性质,可以把质粒分为两类:一类是严紧型质粒,当细胞染色体复制一次时,质粒也复制一次,每个细胞内有1~2个质粒;另一类是松弛型质粒,当染色体复制停止后仍然能继续复制,每个细胞内一般有20个左右的质粒。
在基因工程中,常用人工构建的质粒作为载体。人工构建的质粒可以集多种有用的特征于一体,如含多种单一酶切位点、抗生素耐药性等。常用的人工质粒运载体有pBR322、pSC101等。
作为载体的质粒通常需要具有以下特点:第一,能够在细菌细胞内自主复制,并以多拷贝形式存在,以便于实验操作;第二,要有一个或多个选择标记,用于转化细菌的筛选。在基因工程操作中,用肉眼无法看到载有目的基因的载体是否真正进入细胞,这时,标记基因就为鉴别和筛选提供了标记。所谓的选择标记指的就是抗生素抗性基因,如抗四环素或抗氨苄青霉素基因。只要在培养基中加入四环素或氨苄青霉素就能够筛选已转化的细胞。当质粒存在于细菌细胞时,细菌便获得了抗生素抗性,用来区别未转化的细胞;第三,质粒的相对分子质量要小,以便于操作;最后,需要有适于外源DNA片段插入的限制性内切酶识别位点。
3.农杆菌
用来作为植物遗传工程载体的主要是根瘤农杆菌和发根农杆菌。根瘤农杆菌和发根农杆菌同属于根瘤菌科,革兰氏阴性菌。它们可以将自己的一部分DNA转移给植物,进而转化植物细胞,同时农杆菌能从植物细胞中获得营养物质。这两种农杆菌之所以能够转化植物基因,主要是因为它们携带有诱瘤质粒,简称Ti质粒。该质粒上有一段DNA,称为T-DNA,它能转移并整合进植物基因组中,并导致植物冠瘿瘤的形成。近年来应用Ti质粒介导植物基因转移已获得一些转化突变体。实验结果表明,外源基因不但能在转化的组织和再生植株中表达,而且能在有性世代中稳定地遗传。
4.我国转基因生物的利用现状
1981年,科学家第一次成功地将外源基因导入动物胚胎,创立了培育转基因动物的技术。1982年,科学家获得转基因小鼠。1983年,又获得转基因烟草、马铃薯。目前,国际上获得的转基因植物已达100种以上。以下列举了我国转基因生物的利用情况。
基因工程药物  基因工程药物主要来自三个方面:一是微生物基因工程,即把目的基因导入大肠杆菌等工程菌中,通过微生物表达目的基因的产物;二是细胞基因工程,即用哺乳动物细胞株表达目的产物;三是转基因动物,即将目的基因直接导入鼠、兔、羊、猪体内,使目的基因在哺乳动物体内表达,从而获得目的产物。下表(表14)列举了部分利用基因工程技术研制的药品。
表14  利用基因工程技术研制的部分药品
产品名称菌株或细胞应用
人胰岛素大肠杆菌治疗糖尿病
人生长激素(GH)大肠杆菌治疗生长缺陷症
表皮生长因子(EGF)大肠杆菌治疗烫伤、胃溃疡等
肿瘤坏死因子大肠杆菌杀死某些肿瘤细胞
白细胞介素-2(IL-2)大肠杆菌治疗某些癌症
尿激酶原大肠杆菌治疗心脏病
α-干扰素酵母菌治疗癌症或病毒感染
乙型肝炎疫苗酵母菌预防病毒性肝炎
组织溶纤酶原激活剂(tPA)哺乳动物细胞治疗心脏病

环境保护中的应用  人类活动造成的各种污染(包括工业废水、废气、各种废弃物、有毒化学物质、电磁和放射性物质等)对生态环境的破坏,已成为威胁人民生活的严重问题。生物技术在环境治理上发挥着不可替代的作用。美国培育的基因工程“超级菌”,几小时就可降解自然菌种需1年才能降解的水上浮油;日本将嗜油酸单胞杆菌的耐汞基因转入腐臭单胞杆菌,使该菌株既能有效处理环境中汞污染,又能将汞回收利用。目前,已成功培植出一种能高效地吸收重金属的转基因烟草,它对土壤中重金属具有很强的抵抗能力和吸附能力,如果把转基因的烟草种于被污染的土壤,就能利用它来吸收和排除土壤中的重金属。
动物乳腺生物反应器  动物乳腺生物反应器是20世纪90年代出现的利用转基因动物的乳房作为生物发酵工厂,大规模生产某些急需的生物活性物质或药用蛋白的高新技术。
目前利用动物乳腺生物反应器生产医用蛋白质已经受到高度的重视。荷兰用转基因牛生产乳铁蛋白;英国成功研制转基因羊,从其乳汁中提取抗胰蛋白酶;我国研制出五头转基因羊,乳汁中含有治疗血友病的凝血因子。
5.我国《农业转基因生物安全条例》有关规定(摘要)
为了加强我国农业转基因生物的安全管理,保障人体健康和生物安全,保护生态环境,促进农业生物技术的发展,2001年5月23日,国务院公布了《农业转基因生物安全管理条例》(以下简称条例)。《条例》共8章56条,以下是有关规定的摘要。
(1)本条例所称农业转基因生物,是指利用基因工程技术改变基因组构成,用于农业生产或者农产品加工的动植物、微生物及其产品,主要包括:
转基因动植物(含种子、种畜禽、水产苗种)和微生物;
转基因动植物、微生物产品;
转基因农产品的直接加工品;
含有转基因动植物、微生物或者其产品成分的种子、种畜禽、水产苗种、农药、兽药、肥料和添加剂等产品。
本条例所称农业转基因生物安全,是指防范农业转基因生物对人类、动植物、微生物和生态环境构成的危害或者潜在风险。
(2)生产转基因植物种子、种畜禽、水产苗种,应当取得国务院农业行政主管部门颁发的种子、种畜禽、水产苗种生产许可证。
生产单位和个人申请转基因植物种子、种畜禽、水产苗种生产许可证,除应当符合有关法律、行政法规规定的条件外,还应当符合下列条件:
取得农业转基因生物安全证书并通过品种审定;
在指定的区域种植或者养殖;
有相应的安全管理、防范措施;
国务院农业行政主管部门规定的其他条件。
(3)生产转基因植物种子、种畜禽、水产苗种的单位和个人,应当建立生产档案,载明生产地点、基因及其来源、转基因的方法以及种子、种畜禽、水产苗种流向等内容。
(4)经营转基因植物种子、种畜禽、水产苗种的单位和个人,应当建立经营档案,载明种子、种畜禽、水产苗种的来源、贮存、运输和销售去向等内容。
(5)在中华人民共和国境内销售列入农业转基因生物目录的农业转基因生物,应当有明显的标识。列入农业转基因生物目录的农业转基因生物,由生产、分装单位和个人负责标识;未标识的,不得销售。经营单位和个人在进货时,应当对货物和标识进行核对。经营单位和个人拆开原包装进行销售的,应当重新标识。
(6)国家对农业转基因生物安全实行分级管理评价制度,建立农业转基因生物安全评价制度,对农业转基因生物实行标识制度。
(7)国务院农业行政主管部门应当加强农业转基因生物研究与试验安全评价管理工作,并设立农业转基因生物安全委员会,负责农业转基因生物的安全评价工作。农业转基因生物安全委员会由从事农业转基因生物研究、生产、加工、检验检疫以及卫生、环境保护等方面的专家组成。
(8)国务院农业行政主管部门根据农业转基因的安全评价工作的需要可以委托具备检测条件和能力的技术检测机构对农业转基因生物进行检测。
(9)从事农业转基因生物研究与试验的单位,应当具备与安全等级相适应的安全设施和措施,确保农业转基因生物研究与试验的安全,并成立农业转基因生物安全小组,负责本单位农业转基因生物研究与试验的安全工作。
《条例》指出,从事农业转基因生物研究与试验单位,应当具备相应的安全设施和措施,确保农业转基因生物研究与试验的安全,在生产性试验结束后,可以申请领取农业转基因生物安全证书。中外合作、合资或者外方独资单位,应当经国务院农业行政主管部门批准。单位和个人从事农业转基因生物生产、加工的,应当由国务院农业行政主管部门或者省、自治区、直辖市人民政府农业行政主管部门批准。农民养殖、种植转基因动植物的,由种子、种畜禽、水产苗种销售单位代办审批手续。经营转基因生物的单位和个人,应当取得许可证,并建立经营档案。列入农业转基因生物目录的农业转基因生物,由生产、分装单位和个人负责标识,未标识的,不得销售。农业转基因生物标识应当标明产品中含有转基因成分的主要原料名称;有特殊销售范围要求的,还应当标明销售范围,并在指定范围内销售。《条例》还规定,发现农业转基因生物对人类、动植物和生态环境存在危险时,国务院农业行政主管部门有权宣布禁止生产、加工、经营和进口,收回农业转基因生物安全证书,销毁有关存在危险的农业转基因生物。
6.其他国家转基因生物安全的有关法规
欧盟欧盟规定如果某个公司打算将一种转基因生物投放市场,该公司必须首先向该转基因生物将要首次上市所在地的成员国有法定资格的国家管理机构提出申请。对于试验性释放,所在地成员国的国家管理机构也必须事先进行检查和审批。申请书必须附带全面的风险评估报告。如果某个成员国的国家管理机构同意某种转基因生物投放市场,该成员国必须通过欧盟委员会通知其他成员国。如果其他成员国没有反对意见,最早进行评价的国家管理机构才能正式批准那种转基因生物投放市场。然后,该转基因生物就可根据批准书中所规定的条件投放到整个欧盟市场。欧盟现行转基因产品标签法规承认消费者在选购产品时具有知情权。欧盟于1997年通过的“新型食品和新型食品成分管理规定”,要求对由转基因生物制作的、或含有转基因生物成分的食品实施标签制度。
2000年欧盟通过规定要求,对含有转基因DNA或蛋白质的食品添加剂和调味品也必须实施标签制度,还要求,凡是转基因DNA或蛋白质含量超过1%的常规食品都必须实施标签制度。欧盟98/95/EC指令规定,转基因种子必须实施标签制度。
欧盟委员会2001年7月25日提出了两个有关转基因生物的法规草案,即“转基因生物、转基因产品来源追溯和标签管理规定”和“转基因食品与饲料管理规定”。这两个规定要求建立一个统一的转基因生物来源追溯体系,对转基因饲料实施标签制度,加强对转基因食品标签的管理措施,建立一个关于转基因生物用于食品与饲料、转基因生物环境释放的精简的审批程序。
绿色和平组织观点《卡塔赫纳生物安全议定书》最重要的条款是任何国家出口转基因生物到另一个国家,必须得到进口国家的提前知情同意。进口国家可以为了避免或尽量降低遗传修饰活体对生物多样性和人类健康的危害,设置进口遗传修饰活体的限制条件,或者在缺少科学的评估而不能确定遗传修饰活体潜在的负面影响时拒绝进口。进口国家可以要求对进口的转基因生物进行风险评估,并要求由出口方承担责任及费用。进口的转基因生物应该有明确的标识,说明产品的身份、特征及用途。
另一重要的条款是危害责任及赔偿。根据《议定书》的第27条,缔约国将“拟定适用于因改性活生物体(转基因生物体)的越境转移而造成损害的赔偿责任和补救方法的国际规则和程序的进程……,并争取在四年时间内完成这一进程。”一旦国际上针对转基因生物可能带来的损害作出赔偿规定,将会驱使生产者对产品作出严格的风险评估才向市场推出。这也体现了预防原则的精神,要求在推出新产品时应该由生产者承担证明产品是安全的责任,一旦产品带来危害,亦应该由生产者承担责任及赔偿。
亚洲地区转基因生物风险评估和风险管理研讨会  2002年在印度新德里召开了“亚洲地区履行生物多样性公约风险评估和风险管理研讨会”。此次研讨会主要目的是:查明“国际生物安全议定书”中有关转基因生物(GMOs)风险评估和风险管理的问题;促进在国家和地区水平上对现有转基因生物风险评估和风险管理程序的理解;了解亚洲地区相关国家在转基因生物风险评估和风险管理方面开展的工作;探讨在亚洲地区开展转基因生物风险评估和风险管理能力建设和生物安全信息交换合作的有关决议。
美国  由于存在转基因玉米混入非转基因玉米的问题,已经使美国的玉米出口萎缩,损失很大,同样也没有人能够担保可以将非转基因小麦从转基因小麦中完全分离出来,这将使非转基因小麦在国际市场上的销售受到很大的影响。
美国研究人员去年5月发现,一种转基因玉米产生的花粉可能导致蝴蝶幼虫等农田益虫死亡,这进而增加了人们的担忧。英国一位科学家说,转基因作物对人体健康可能具有潜在危害,英国的研究显示,转基因作物中的突变基因可能会进入到生物的有机体。
加拿大  加拿大标准总局近日提出了标签标准草案,草案对转基因食品或非转基因食品的标识提出了要求,但加拿大政府没有规定对所有转基因食品都进行强制性标签,而是要求加拿大标准总局在与食品生产厂家协商后,由食品生产商建立自愿的标准。
英国  据英国时报报道,伦敦最近的一项民意调查表明,大部分英国人认为生产商必须在转基因食品上贴标签,反对让孩子食用转基因食品。当被问到是否愿意消费转基因食品时,51%的人表示,如果可以选择,他们将避免食用转基因食品,在回答是否应对转基因食品加标签时,76%的英国人赞成欧盟的立场,即坚持认为消费者有知情权。
附:大肠杆菌转基因实验
实验原理
大肠杆菌DH5α是基因工程常用的受体细菌,在LB培养基上生长为白色菌落,在含有氨苄青霉素的培养基上不能生长。pBR322质粒含有抗氨苄青霉素的基因,转入了pBR322质粒的大肠杆菌能在含有氨苄青霉素的培养基上正常生长。
目的要求
1.了解细菌转基因的基本过程,进一步理解细菌转基因的原理。
2.观察大肠杆菌转基因的结果。
材料用具
大肠杆菌DH5α,质粒pBR322或pUC18等,LB液体和固体培养基,LBA固体培养基。
烧杯,试管,Eppendorf管,酒精灯,火柴,1.5 mL离心管,接种环,棉花,棉线,记号笔,标签,塑料盒,离心机,恒温摇床,恒温培养箱,吸液器,高压蒸汽灭菌锅。
冰块,氨苄青霉素(质量浓度为100 mg/mL),物质的量浓度为0.1 mol/L的CaCl2溶液,去离子水。
方法步骤
一、培养基的配制
1.LB培养基
牛肉膏    5.0 g
蛋白胨    10.0 g
NaCl      5.0 g
琼脂      20.0 g
将上述物质溶解后,用自来水定容至1 000 mL。配制后,在高压蒸汽灭菌锅内,用压力100 kPa,121.3 ℃,15~30 min的条件灭菌后倒平板。
2.LBA培养基
将配制好的LB培养基高压灭菌后,冷却至60 ℃左右,加入氨苄青霉素,使氨苄青霉素最终浓度为50 mg/mL,摇匀后倒平板。
二、感受态细胞的制备
1.将大肠杆菌DH5α接种于5 mL LB培养基中,37 ℃恒温,在摇床上以200 r/min的转速培养8 h。
2.取2 mL菌液转接于50 mL LB培养基中,37 ℃恒温,在摇床上以300 r/min的转速培养约2 h。
3.将培养液转移到50 mL预冷的无菌离心管中,在冰上放置10 min。在4 ℃以4 000 r/min离心10 min。
4.除去上清液,用10 mL 冰浴的CaCl2溶液洗涤沉淀,在冰上放置10 min。在4 ℃以4 000 r/min离心10 min。
5.除去上清液,将沉淀悬浮在2 mL冰浴的CaCl2溶液中,0.5 h后即可使用,或者在4 ℃保存,48 h内使用。
三、转化
1.取200 μL感受态细胞,加入1~10 μL质粒(质粒含量不超过0.1μg),混匀,在冰上放置30 min后,在42 ℃水浴中保温1 min,迅速在冰浴中冷却3~5 min。
2.每管加入100 μL液体LB培养基,将转化后的细菌在37 ℃、低于200 r/min的转速培养45 min。
3.将转化后的菌液涂布在含有氨苄青霉素的培养基上,并将未转化的大肠杆菌作为对照实验。
四、培养
将涂布好的平板倒置,于37 ℃培养12~16 h。
结果与讨论
观察大肠杆菌在培养基上的生长情况,将观察到的结果和得出的结论记录在实验报告中。谈谈自己对细菌转基因实验的体会。
自我检测的答案和提示
一、概念检测
连线题
1─B,2─C,3─E,4─D,5─F,6─A。
判断题
1.×。
2.√。
3.√。
4.√。
画概念图

二、知识迁移
提示:此题是一道开放性题目,答案从略。
三、技能应用
提示:这是一幅具有讽刺意味的卡通图。画面中两位研究人员在培养室中面对人工栽培的人形大头菜,说道:“看来我们把太多的人基因转移到大头菜里了。”暗示他们已能够运用基因工程技术随心所欲地把人的基因转入蔬菜中生产出“人形”大头菜。本题属于开放型题目,手法夸张,教师应启发学生充分发挥想像力,运用本章所学知识对此作出评价,并且认识到理智地运用科学技术成果的必要性。
四、思维拓展
提示:很多生物的基因组目前并不清楚,因此,寻找目的基因仍是十分艰巨的工作。此外,基因的提取、分离和转移需要昂贵的仪器设备。而杂交育种和诱变育种作为常规育种方法,操作简便易行,是基因工程技术所不能取代的。


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