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新教材新高考高中生物选择性必修3学习笔记
第1章 发酵工程
第1节 传统发酵技术的应用
一、发酵与传统发酵技术
1.发酵的概念： 发酵是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程。
【发酵原理】不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力，因此利用它们可以生产出人们所需要的多种产物。
2.发酵的类型：
【提示】必修1是提到的发酵：特指微生物的无氧呼吸。而这里所说的发酵，指的是微生物在有氧或无氧条件下的代谢，
利用微生物的代谢过程将原料转化为人类所需要的产物的过程。
3.传统发酵技术：
直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次发酵保存下来的面团、卤汁等发酵物中的微生物进行发酵、制作食
品的技术。传统发酵以固体发酵及半固体发酵为主。
(1)利用天然存在的微生物。
(2)发酵方式：以固体发酵及半固体发酵为主， 通常是家庭式或作坊式的。
4.传统发酵技术制作的食品： 酒、腐乳、酱、酱油、醋、泡菜和豆豉等。
二、尝试制作传统发酵食品
(一)传统发酵技术常利用的微生物：
菌种名称 生物分类 代谢类型 适宜温度 繁殖方式 发酵对氧的需求
乳酸菌 原核生物 异养厌氧 18℃~20℃ 二分裂 密闭不需氧
酵母菌 真核生物 异养兼性厌氧 28℃ 出芽生殖 前期需氧，后期不需氧
醋酸菌 原核生物 异养需氧 30℃~35℃ 二分裂 一起需氧
▼反应式：
1.乳酸菌：
2.酵母菌：
3.醋酸菌：
(二) 制作泡菜：
1.原理：
(1)菌种：植物体表面天然的乳酸菌。常见的乳酸菌有乳酸链球菌和乳酸杆菌。
(2)乳酸菌的代谢类型：异养厌氧型。生长的适宜温度：18℃~20℃。
(3)发酵原理：在无氧的条件下能将葡萄糖分解成乳酸。
发酵期间，乳酸会不断积累，当它的质量分数为0.4%~0.8%时，泡菜的口味、品质最佳。
2.材料用具：食盐、清水、新鲜蔬菜、蒜瓣、生姜及其他香辛料、泡菜坛或其他密封性良好的罐子等。
3.方法步骤(制作流程)：
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4.实验分析、结果分析与评价：
(1)盐的作用： 调味，抑制微生物生长。(所以盐含量过低会造成细菌污染)
(2)煮沸的目的： 除去水的氧气；消灭水中的其他细菌(杂菌)。
(3)用水密封泡菜坛的目的是什么？这说明泡菜制作需要什么条件？
水封闭坛口起着使坛内与坛外空气隔绝的作用，这是最简易的造成无氧环境的方法。说明乳酸菌进行乳酸发酵需无氧环
境。
(4)为什么泡菜坛只能装八成满？ 蔬菜发酵失水，液体膨胀，为了防止液体溢出。(会使盐水不容易完全淹没菜料，从而
导致坛内菜料变质腐烂)。
(5)为什么含有抗生素的牛奶不能发酵为酸奶？牛奶发酵为酸奶主要依靠乳酸菌的作用，而抗生素能够杀死乳酸菌或抑制
乳酸菌的生长。
5.泡菜制作中的注意事项：
(1)材料的选择及用量：①蔬菜应新鲜，若放置时间过长，蔬菜中的硝酸盐易被还原成硝酸盐；
②清水和盐的质量比为4︰1，盐水要煮沸后冷却。煮沸有两大作用，一中除去水中的氧气，二是杀灭盐水中的其他细菌。
(2)防止杂菌污染：每次取样用具要洗净，要迅速封口。
(3)氧气需求：①泡菜坛要选择火候好、无裂纹、无砂眼、坛沿深、盖子吻合好的，目的是创造无氧环境，有利于乳酸菌
发酵，防止蔬菜腐烂；
②泡菜坛坛盖边沿的水槽内注满水，以保证坛内乳酸菌发酵所需的无氧环境，并注意在发酵过程中经常补水。
(4)以18~20℃为宜，若温度偏高则有害菌活动能力强，若温度偏低则不利于乳酸发酵，导致发酵时间延长。
(三) 制作果酒和果醋：
1.原理：
(1)菌种：
▼果酒制作的菌种——酵母菌：传统(自然发酵)：新鲜水果(如葡萄)的果皮表面附着的不同种类的野生酵母菌。在这些酵
母菌的作用下，水果可以发酵成果酒。工厂化生产：人工培育的优良酵母菌菌种。
㈠代谢特点：异养兼性厌氧
有氧时，大量繁殖：
无氧时，发酵产酒：
㈡发酵条件：
①适宜的温度：酿酒酵母的最适生长温度为28℃左右，酒精发酵时将温度严格控制在18℃~30℃。
②适宜的pH： 5.0～6.0。 在缺氧、呈酸性的发酵液中，酵母菌可以生长繁殖，而绝大多数其他微生物都因无法适应这
一环境而受到抑制。
③时间：10~12天。
▼果醋制作的菌种——醋酸菌：
㈠代谢特点：异氧需要型。
若氧气、糖源充足时，醋酸菌将葡萄汁中的糖分解成醋酸。
若缺少糖源，醋酸菌将乙醇变为乙醛，再将乙醛变为醋酸。
㈡发酵条件：
①适宜温度：多数醋酸菌的最适生长温度为30~35℃ ，醋酸发酵时将温度严格控制在此范围内。
②适宜的pH：5.4～6.3。
③充足的氧气：醋酸发酵中需持续通氧。
醋酸菌对氧气的含量特别敏感，当进行深层发酵时，即使只是短时间中断通入氧气，也会引起醋酸菌死亡。
④时间：7~8天。
2.材料用具：
3.方法步骤(制作流程)：
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将发酵瓶、榨汁机等器具用洗洁精清洗干净，
器具消毒
并用体积分数为70%的酒精消毒，晾干备用。
取新鲜葡萄，用清水冲洗1-2次，再去
冲洗葡萄
除枝梗和腐烂的籽粒，沥干。
用榨汁机榨取葡萄汁，将葡萄汁装入发酵瓶（注
榨汁装瓶 意：要留有大约1/3的空间），盖好瓶盖。
将温度控制在18-30℃进行发酵，在发酵过程中，每隔
酒精发酵 12h左右将瓶盖拧松一点（注意：不是打开瓶盖），此
后再拧紧瓶盖。发酵时间为10-12d。
(1)果酒制作流程： 果酒检测 可通过从发酵瓶口取样来对发酵的情况进行检测。
果酒制作
当葡萄酒制作完成后，打开瓶盖，盖上
打开瓶盖，
一层纱布，进行葡萄醋的发酵。
盖上纱布
发酵温度为30-35℃，时间为7-8d。
果醋检测
(2)果醋制作流程：
4.果酒发酵与果醋发酵的装置
进气管底端要伸入培养液中，保证果醋发酵时氧气充分加入到培养液中；果酒发酵时，进气口要关闭，保证酵母菌的
无氧呼吸。而出气导管要短，不伸到培养液中，果酒发酵时，保证酵母菌产生的CO 及时排出。
2
结构 作用 酒精发酵时状态 醋酸发酵时状态
充气口 通入空气 关闭 打开，并接入气泵
排气口 排出CO 打开 打开
2
出料口 便于取样监测 关闭 关闭
若是利用左图所示的简易装置：在发酵过程中，每隔12h左右将瓶盖拧松一次(注意，不是打开瓶盖)，以放
出CO，此后再将瓶盖拧紧。当发酵产生酒精后，再将瓶盖打开，盖上一层纱布，进行制葡萄醋的发酵。
2
5.评价与结果分析：
(1)果酒的制作是否成功：①嗅味和品尝；②显微镜观察酵母菌；③酸性重铬酸钾检测酒精。
(2)果醋的制作是否成功：①观察菌膜的形成；②嗅味和品尝；③检测和比较醋酸发酵前后的pH；④显微镜观察发酵液
中是否有醋酸菌。
【问题讨论】
1.在制作果酒和果醋的过程中，发酵液分别有哪些变化？原因是什么？
发酵 酒精发酵 醋酸发酵
气味和味道 酒味 酸味（嗅味和品尝）
气泡和泡沫 有气泡和泡沫 无气泡和泡沫
发酵液颜色 混浊 混浊，液面形成白色菌膜
2.在制作果酒的过程中，除了酵母菌，是否还有其他微生物生长？它们会对果酒发酵产生影响？如果有，如何避免这
种影响？
果酒中除了酵母菌，还有乳酸菌、醋酸菌等微生物。乳酸菌可能分解果酒中的糖等，从而使果酒变质。可以通过发酵
的温度、果酒的PH等老控制乳酸菌的含量。醋酸菌可以将糖或乙醇转化为醋酸，由于醋酸菌在有氧的条件下才能进行旺
盛的代谢活动，因此在制作果酒的过程中尽量减少氧气含量，可以抑制醋酸菌的生长繁殖。
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3.在制作果醋的过程中，酵母菌是否还会继续发酵？醋酸菌从何而来？采用什么措施可以加快果醋的制作？
随着醋酸发酵的进行，发酵液的PH、发酵温度等均不利于酵母菌的生长繁殖，因此酵母菌活性很低。打开瓶盖后，空
气中的醋酸菌会进入发酵液中大量繁殖，其他菌因不适应环境条件而不能繁殖。我们制作果醋时，可以先买一瓶醋，将其
打开暴露于空气中，一段时间后在醋的表面会有一层薄膜，用这层薄膜进行接种可以明显缩短制作果醋的时间。
【知识拓展】——腐乳的制作
1.腐乳的制作原理：
(1)菌种：参与腐乳制作的主要微生物：毛霉、曲霉、根霉、酵母菌等。
毛霉：丝状真菌、孢子生殖、异养需氧型、发酵的温度为15～18 ℃。
(2)发酵原理：在豆腐的发酵过程中，毛霉等微生物产生的蛋白酶能将豆腐的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸，脂肪
酶可将脂肪水解为甘油和脂肪酸，味道鲜美，易于消化吸收。
2.腐乳的制作流程：
直接利用空气中
让豆腐长 目的：让毛霉等产生蛋白酶和
的毛霉孢子或者
出毛霉 脂肪酶
直接接种毛霉
加盐腌制 目的：析出豆腐中的水分、抑制不需要的微生物生长
加卤汤 卤汤包括酒 酒：抑制微生物生长，并使腐乳具有独特香味；
装瓶 和香辛料 香辛料：调味，防腐杀菌
*卤汤中酒的含量应控制在12%左右，过高会延长
密封腌制
腐乳成熟的时间，过度不足以抑制微生物生长，可能
导致豆腐腐败
第2节 微生物的培养技术及应用
一、微生物的基本培养技术
(一)培养基的配制
1.培养基的概念：培养基是为人工培养微生物而制备的，适合微生物生长、繁殖或积累代谢产物的营养基质。
2.培养基作用：用以培养、分离、鉴定、保存微生物或积累其代谢物。
3.培养基的类型：
(1)物理状态分类：
①液体培养基：扩大培养、工业生产。
②固体培养基：纯化（分离）、鉴定、活菌计数、保藏菌种等
【提示】配制培养基常用的凝固剂：琼脂。微生物在琼脂固体培养基表面或内部生长，可以形成肉眼可见的菌落。
(2)按组成成分分类：
①合成培养基：合成培养基的各种成分完全是已知的各种化学物质。这种培养基的化学成分清楚，组成成分精确，重
复性强，但价格较贵，而且微生物在这类培养基中生长较慢。如高氏一号合成培养基、察氏(Czapek)培养基等。
②天然培养基：由天然物质制成，如蒸熟的马铃薯和普通牛肉汤，前者用于培养霉菌，后者用于培养细菌。这类培养
基的化学成分很不恒定，也难以确定，但配制方便，营养丰富，所以常被采用。
③半合成培养基：在天然有机物的基础上适当加入已知成分的无机盐类，或在合成培养基的基础上添加某些天然成分，
如培养霉菌用的马铃薯葡萄糖琼脂培养基。这类培养基能更有效地满足微生物对营养物质的需要。
(3)按功能(用途)分类：
①加富培养基：是在培养基中加入血、血清、动植物组织提取液，用以培养要求比较苛刻的某些微生物。
②选择性培养基：是根据某一种或某一类微生物的特殊营养要求或对一些物理、化学抗性而设计的培养基。利用这种
培养基可以将所需要的微生物从混杂的微生物中分离出来。
③鉴别培养基：是在培养基中加入某种试剂或化学药品，使培养后会发生某种变化，从而区别不同类型的微生物。
4.培养基的成分：
各种培养基的配方不同，但一般都含有水、碳源、氮源和无机盐等最基本的物质。
(一)基本成分：水、碳源、氮源、无机盐
概念：凡能为微生物代谢提供碳元素的物质
无机碳源：CO、CO2-、HCO-，为自养生物提供碳源。
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(1)碳源 来源：
有机碳源：牛肉膏、蛋白胨等，为自养生物提供碳源。
作用：①参与合成有机物；②异养微生物的能源物质
概念：凡能为微生物代谢提供氮元素的物质
无机氮源：NH ＋、NO -(为硝化细菌提供氮源和能源)、N (为固氮菌
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(2)氮源 来源： 提供氮源)
有机氮源：牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、尿素、氨基酸等
作用：主要用于合成蛋白质、核酸及含氮的代谢产物。
注意：对异养微生物来说，含C、H、O、N的化合物既是碳源，又是氮源。
(3)水：是生命活动所必需的，生物体内含量最多的化合物。
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(4)无机盐：为微生物提供除碳、氮以外的元素。
(二)培养基还需满足微生物生长对pH、特殊营养物质以及O 的需求。
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•在培养乳酸杆菌时，需要在培养基中添加维生素。
•在培养霉菌时，需要将培养基调至酸性。
•在培养细菌时，需要将培养基调至中性或弱碱性。
•在培养厌氧微生物时，需要提供无氧的条件。
【提醒】①对异养微生物来说，含C、N的化合物既是碳源，也是氮源。即有些化合物作为营养要素成分时并非单一
方面的作用。②并非所有微生物都需添加特殊营养物质。
5.培养基的配制原则：
(1)目的要明确：配制时应根据微生物的种类、培养目的等确定配制的培养基种类。
①微生物的种类不同，配制的培养基应有所不同。②培养的目的不同，培养基也应有所不同。
(2)营养要协调：注意各种营养物质的浓度和比例。 ①浓度要适当。②比例要适中，特别是碳源与氮源的比例。
(3)pH要适宜：培养不同微生物所需pH不同，细菌为6.5～7.5，放线菌为7.5～8.5, 真菌为5.0～6.0。
二、微生物的选择培养和计数
一、选择培养基
1.概念：在微生物学中，将允许特定种类的微生物生长，同时抑制或阻止其他微生物生长的培养基，称为选择培养基。
2.选择培养基的选择作用：
(1)原理：根据不同微生物的特殊营养要求或其对某化学、物理因素的抗性不同而制备培养基。
(2)方法举例：
①在培养基中加入某种化学物质。例如，加入青霉素可以分离出酵母菌和霉菌；加入高浓度的食盐可以得到金黄色葡
萄球菌。
②改变培养基中的营养成分。例如，缺乏氮源时可以分离固氮微生物；石油作为唯一碳源时，可以分离出能消除石油
污染的微生物；用含无机碳源的培养基分离自养型微生物。
③改变微生物的培养条件。例如，将培养基放在高温环境中培养可以得到耐高温的微生物；用普通培养基在无氧条件
下分离厌氧型和兼性厌氧型微生物。
▼实验室筛选微生物原理：人为提供有利于目的菌生长的条件(包括营养、温度和pH等），同时抑制或阻止其他微生
物的生长。
二、微生物的选择培养
1.从微生物群体中分离出目标微生物：
(1)微生物的分离：将特定的微生物个体从同种微生物群体中或者从混杂的微生物群体中分离出来的技术，叫作微生物
的分离。
(2)分离原理：选择培养的原理和稀释的原理。
(3)分离方法： 平板分离法、选择培养分离。
①平板分离法：包括涂布平板法和混合平板法。能将单个微生物分离和固定在固体培养基表面或里面，每个孤立的活
微生物体经过生长、繁殖均可形成单个菌落。
②选择培养分离：科学家针对某种微生物的特性，设计一个特定的环境，使之特别适合这种微生物的生长，而抑制其
他微生物的生长。这种通过选择培养进行微生物纯培养分离的技术，称为选择培养分离。
2.土壤微生物的分离和稀释涂布平板法操作步骤(以从土壤中分离出分解尿素的细菌为例)
(1)铲取土样，将样品装入纸袋。
(2)将10g土样加入盛有90mL无菌水的锥形瓶，充分摇匀。取1mL上清液加入盛有9mL无菌水的试管中，依次等比
稀释。
(3)从稀释倍数为1×107试管中取0.1mL菌液，滴加到培养基表面。
(4)用涂布器将菌液均匀地涂布在培养基表面。涂布时可转动培养皿，使涂布均匀。
待涂布的菌液被培养基吸收后，将平板倒置，放入30～37℃的恒温培养箱中培养1～2d，在涂布有合适浓度菌液的平
板上就可以观察到分离的单菌落。
【提醒】1.稀释涂布平板法的两个基本操作：梯度稀释和涂布平板。
2.稀释涂布平板法除可以分离微生物外，也常用来统计样品中活菌的数目；
【注意】
1.10g土样加入盛有90mL无菌水中后，已稀释10倍，再计算时，不要忽略；
2.由于使用的是选择培养基，所以一般情况下，获得的单菌落即目的菌，但因为有些微生物可以利用目的菌的代谢产
物来生长繁殖，所以还需要进一步验证；
3.过程中所有操作都应在酒精灯火焰旁进行；
4.将涂布器从酒精中取出时，要让多于的酒精在烧杯中滴尽，然后再放在火焰上灼烧；不要将过热的涂布器放在盛有
酒精的烧杯中，以免引燃酒精。
三、微生物的数量测定
(一)间接计数法——稀释涂布平板法
1.过程：
2.原理：当样品的稀释度足够高时，培养基表面生长的一个菌落，来源于样品稀释液中的一个活菌；通过计数平板上
的菌落数，就能推测出样品中大约含有多少活菌。
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*样品的稀释度将直接影响平板上的菌落数目；
3.计数原则*
(1)选择菌落数为30-300 的平板计数**；
(2)同一稀释度下，应至少对3个平板进行重复计数，然后求出平均值。
4.结果分析
(1)统计的菌落数往往比活菌的实际数目少；
原因*：当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落
(2)统计结果一般用菌落数而不是用活菌数来表示；
(3)计算： C代表某一稀释度下平板上生长菌落数的平均值；
V代表涂布平板时吸取的稀释液体积数值(mL)； M代表稀释倍数；
则每g样品中的细菌数=（C÷V）×M。
每克土壤样品的细菌数＝某一稀释度几次重复培养后的菌落平均数×稀释倍数(涂布所用稀释液为1 mL)。
(二)直接计数法——显微镜直接计数
1.原理： 利用特定的细菌计数板或血细胞计数板在显微镜下观察、计数，然后再计算一定体积的样品中微生物的数
量；
*血细胞计数板常用对相对较大的酵母菌细胞、霉菌孢子等；
细菌计数板可对细菌等较小的细胞进行观察和计数；
血球计数板：血球计数板是一块特制的载玻片。其上有特定面积为1 mm2、高为0.1 mm的计数室，一个计数室又被分
成25 个(或16个)中方格，每个中方格再被划分成16个(或25个)小方格，每个计数室都由400 个小方格组成。
2.操作过程：
①将清洁干燥的血球计数板盖上盖玻片，用无菌的毛细滴管吸取摇匀的土壤微生物培养液，在盖玻片的边缘滴一小滴，
让培养液沿着缝隙靠毛细渗透作用自动进入计数室。
②加样后静止5min，然后在显微镜下计数4～5个中格中的细菌数，并求出每个小格所含细菌的平均数，再按计算公
式求出每毫升样品中所含的菌体总数。
3.计算公式：1 mL悬液所含菌体总数＝每小格平均菌体数×400×104×稀释倍数。
4.优点：快速直观。
5.缺点：(1)统计结果一般是活菌数和死菌数的总和，不能区分死菌与活菌
(2)个体小的细菌在显微镜下难以观察。
四、分离土壤中能分解尿素的微生物
(1)实验目的：分离以尿素为唯一氮源的微生物。
(2)培养基配方特点：尿素是唯一的氮源。
(3)基本步骤：制备培养基→土壤悬液→接种培养→观察。
【知识整合】两种纯培养方法对比
平板划线法 稀释涂布平板法
将菌液进行一系列的梯度稀释，然后将不同稀释程度的菌
通过连续划线的操作，将聚
纯化原理 液分别涂布到固体培养基的表面，进行培养，以得到单菌
集的菌种逐步稀释分散
落
接种工具 接种环 涂布器
单菌落的获得 从最后划线的区域挑取 稀释度合适，整个平板上都可找到单菌落
用途 分离纯化菌种，获得单菌落 ①分离纯化菌种，获得单菌落②用于计数
接种效果图
相同点 ①都能分离纯化菌种；②都是在固体培养基上进行的
▼拓展——分解尿素细菌的进一步鉴定
1.原理：细菌合成的脲酶将尿素分解为氨，氨会使培养基的碱性增强，pH升高，因此可以通过检测培养基pH的变化
来判断是否发生了该化学反应，进而判断该菌是否为尿素分解细菌；
2.方法：在以尿素为唯一氮源的培养基中加入酚红指示剂，培养某种细菌后，如果pH升高，指示剂将变红：
*液体培养基可以直接看液体的变色情况；
*固体培养基上可以观察菌落周围是否出现红色环带；
*红色环带直径与菌落直径比值越大，说明分解能力越强。
第3节 发酵工程及其应用
◆发酵工程的概念：是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品(微生物的代谢产
物或微生物菌体本身)，它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。
一、发酵工程的基本环节
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发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。
获得优良菌种的途径：
1.选育菌种：
①从自然界分离(筛选)菌种；
②人工培育菌种：采用人工诱变、基因工程等手段。
扩大培养：是将培养到对数期的菌体分开，分别进行培
2.扩大培养：
养，以促进菌体数量快速增加，在短时间里得到大量的菌
体。多次这样处理后，菌体数量就会是很多了。
在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践
3.培养基配制：
中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。
发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导
4.灭菌：
致产量大大下降。例如，在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂
菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。因此，培养基和发酵设备都必须经
过严格的灭菌。
5.接种： 将扩大培养的菌种投放到发酵罐中。
这是发酵工程的中心环节。在发酵
过程中，要①随时检测培养液中的微
生物数量、产物浓度等，以了解发酵
进程。还要②及时添加必需的营养组
6.发酵罐
分，要③严格控制温度、pH和溶解
内发酵：
氧等发酵条件。
环境条件不仅会影响微生物的生长
繁殖，而且会影响微生物代谢物的形
成。例如，谷氨酸的发酵生产：在中
性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在
酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-
乙酰谷氨酰胺。
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束
之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即
7.分离、提
可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质
纯产物：
采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
8.获得产品
【提醒】1.根据发酵产品的不同采用适当的分离提纯方法：(1)菌体(微生物细胞)：采用过滤、沉淀等方法。
(2)代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。
2.扩大培养与发酵过程中的培养是否相同？
提示：主要在于目的不同：扩大培养是为了让菌种在短时间内快速增殖，以增加接种时菌种数量，缩短调整期，从而
缩短生产周期。而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物。
目的不同，则培养的条件就可能不同。
【知识深化】发酵工程基本环节分析：
1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素?
提示：需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；
菌种不易变异、退化等。
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要?
提示：要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。
3.在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处?
提示：传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分， 而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提
纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。
在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交
换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进
行质量检查，合格后才能成为正式产品。
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4.在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗?为什么？
提示：不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产
生和排放，实现清洁生产，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
二、发酵工程的应用
(一)发酵工程的特点(优点)：
1.生产条件温和
2.原料来源丰富且价格低廉
3.产物专一
4.废弃物对环境的污染小以及容易处理
(二)发酵工程的应用：
发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。
1.在食品工业上的应用
(1)生产传统的发酵产品：如酱油、各种酒类等。发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高。
(2)生产各种各样的食品添加剂。食品添加剂不仅可以增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延
长食品的保存期。如柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，可以通过黑曲霉的发酵制得；由谷氨酸棒状杆菌发酵可以
得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制作味精。
(3)生产酶制剂。常用的酶制剂如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
2.在医药工业上的应用
(1)采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物。
(2)直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。
(3)实例： ①利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素；
②利用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物；
③利用基因工程改造的微生物生产疫苗。将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物
就可以作为疫苗使用。
3.在农牧业上的应用
(1)生产微生物肥料。利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促
进植物生长，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发
生。
(2)生产微生物农药。与传统的化学农药不同，微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。微生物农药作为
生物防治的重要手段。
(3)生产微生物饲料。微生物含有丰富的蛋白质，且生长繁殖速度很快。
实例：①单细胞蛋白：以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体。
单细胞蛋白的应用：食品添加剂、微生物饲料等。
②乳酸菌：在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。
【提醒】通过发酵获得大量的微生物菌体。这种微生物的菌体叫做单细胞蛋白。单细胞蛋白是指微生物菌体。不是指
从微生物细胞中提取出的蛋白质。
4.在其他方面的应用
(1)解决资源短缺与环境污染问题
随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。
(2)将极端微生物应用于生产实践
自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（如高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生
活。
例如嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。
第2章 细胞工程
▼细胞工程的概念：
细胞工程是指应用细胞生物学、分子生物学和发育生物学等多学科的原理和方法，通过细胞器、细胞或组织水平上的
操作，有目的地获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品的一门综合性生物工程。
1.原理方法：细胞生物学、分子生物学和发育生物学；
2.操作水平：细胞器、细胞或组织水平；
3.目的：获得特定的细胞、组织、器官、个体或其产品；
4.分类：植物细胞工程、动物细胞工程。
【提醒】与基因工程比较：①基因工程是从基因水平（分子水平）改变生物的遗传性状。而细胞工程是从细胞整体水
平或细胞器水平上改变细胞的遗传物质，从而改变生物的性状或获得细胞产品。
②二者都可定向改造生物的遗传性状，都可以克服远源杂交不亲和的障碍。
第1节 植物细胞工程
一、植物细胞工程的技术手段和理论基础
1.植物细胞工程的技术手段：植物组织培养、植物体细胞杂交等。
2.理论基础：细胞全能性。
(1)概念：细胞经分裂和分化后，仍然具有产生完整生物体或分化成各种细胞的潜能。
(2)细胞具有全能性的原因：
经分裂和分化的细胞具有该物种的全套遗传物质，具有发育成为完整个体所必需的全部基因。
(3)植物细胞实现全能性的条件：
①离体。 ②提供营养物质、激素(生长素、细胞分裂素)的诱导。
③无菌无毒、温度、PH适宜等条件。
(4)生物体生长发育过程中细胞不表现全能性的原因：
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在特定的时间时间和空间条件下，细胞中的基因会选择性地表达(从而形成生物体的不同组织和器官)。
【提醒】植物的种子发育成成熟的植株，并没有体现出细胞的全能性。
二、植物组织培养
(一)植物组织培养的概念：就是在无菌和人工控制条件下，将离体的植物器官、组织、细胞培养在人工配制的培养基上，
给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株的技术。
(二)培养基成分：
(1)有机营养成分：①碳源：2%~5%的蔗糖，其作用是提供营养和调节渗透压。②含氮物质：维生素和氨基酸。
(2)无机营养成分：矿质元素：多种（14种）。
(3)生长调节物质(植物激素)：主要是生长素（或其类似物）、细胞分裂素。
(4)琼脂：作为凝固剂，起固定和支持作用。
(三)大致过程：
1.外植体：把用于培养的植物体的一部分组织、器官或细胞，叫外植体。
常用的外植体是根尖、茎尖或花粉、子房等。
2.植物组织培养中常使用根尖和茎尖作为外植体的理由：
一是根尖和茎尖细胞分裂、分化能力强，全能性较高。 二是根尖、茎尖可用于培养无病毒植株(脱毒苗)。
3.对外植体和操作人员要进行消毒，一般来说用酒精溶液和次氯酸钠溶液。
而对培养基和器械(如镊子、解剖刀等)要进行灭菌，一般用高压蒸汽灭菌的方法。
4.在组织培养实验中，为什么要强调所用器械的灭菌和实验人员的无菌操作？
提示：防止杂菌污染，培养基一旦被污染，迅速生长的各种杂菌不但会和培养物争夺营养，而且这些杂菌生长的过程
中会生成大量对培养物有害的物质，导致培养物迅速死亡。
5.取材时，切取菊花的幼嫩茎段时要注意切取含有形成层部分。
→这是因为形成层部分细胞分裂旺盛，容易诱导产生愈伤组织。
6.配制培养基——固体培养基：
(1)有机营养成分：
①碳源：2%~5%的蔗糖。(常用的是蔗糖：其作用是提供营养和调节渗透压)。
②含氮物质：维生素和氨基酸.
(2)无机营养成分：多种矿质元素(无机盐)。
(3)生长调节物质(植物激素或其类似物)：主要是生长素(或其类似物)、细胞分裂素。
(4)琼脂：作为凝固剂，起固定和支持作用。
7.接种：
将培养物(即外植体)插入到(诱导)培养基中培养。
8.脱分化(又叫去分化)：
外植体接种在诱导培养基上后，在一定的外部因素(适宜的温度、激素、避光)的作用下，会恢复细胞分裂能力，并通过
细胞分裂，形成愈伤组织。
(1)脱分化的概念：已经分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。
(2)愈伤组织的特点：细胞分裂速度快，结构疏松，颜色浅而透明，细胞高度液泡化，细胞排列无序，由活的薄壁细胞
组成。
(3)脱分化形成愈伤组织的培养条件：适宜的温度、激素诱导、避光等。
【提醒】①细胞分化本是不可逆的，但植物组培中的脱分化现象说明了在一定条件下，分化又是可逆的。
②培养物(外植体)与经脱分化形成的愈伤组织相比较，愈伤组织的全能性更高，分化程度又变得更低。
③在植物的组织培养中，脱分化是一个非常关键的步骤。
9.再分化：
通过脱分化产生的愈伤组织接种到生芽培养基上继续培养，又可以分化，形成各种不同的细胞，进而重新形成芽，再
转接到生根培养基上，继续分化形成根等器官(或形成胚状体)，形成试管苗，这一过程叫再分化。
(1)再分化的概念：愈伤组织接种到分化培养基上产生芽、根等器官(或形成胚状体)，进一步形成试管苗的过程，叫再
分化。
再分化
愈伤组织 根、芽(胚状体)
【知识拓展】影响脱分化和再分化形成根、芽的一个重要因
素： 生长素和细胞分裂素及其它们的比例(配比)。
生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关
键性激素。
●在脱分化形成愈伤组织时，需要高生长素，因为生长素主
要被用于诱导愈伤组织形成、诱导根的分化和促进细胞伸长生长。
●在再分化形成芽时，细胞分裂素/生长素的比例需要较高。
而在再分化形成根时，细胞分裂素/生长素的比例则较低。因为
细胞分裂素有诱导芽的分化作用，而生长素有利于根的分化。
三、植物体细胞杂交
1.植物体细胞杂交的概念：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（通过植物组织培
养技术）培育成新植物体的技术。
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2.植物体细胞杂交的基本过程(流程图)：
①原生质体制备——去除细胞壁：常用方法：酶解法（用纤维素酶、果胶酶处理）
②诱导原生质体融合——人工诱导原生质体融合方法： (1)物理法： 电融合、离心、振动等。
(2)化学法：①聚乙二醇(PEG)融合法。②高Ca2+—高pH融合法等。
③筛选出杂种细胞（AB型）。
④植物组织培养——形成杂种植株。
【提醒】①植物体细胞杂交实质上就是将不同的植物体细胞的原生质体融合的过程。
②原生质体融合完成的标志是：产生新的细胞壁。
3.植物体细胞杂交的原理：
①细胞融合的生物学原理：细胞膜的流动性。
②杂种细胞培养成杂种植物的依据：细胞全能性。
③变异原理：染色体数目变异。
4.与传统有性杂交相比，其优越性表现在：
(1)克服植物远缘杂交不亲和的障碍。(大大扩展了可用于杂交亲本组合的范围)。从而培育出自然界中没有的、具有优
良品质的新品种。
(2)打破物种之间的生殖隔离。植物体细胞杂交技术在打破生殖隔离，实现远缘杂交育种，培育植物新品种等方面发挥
出独特的优势。
四、植物细胞工程的应用
(一)植物繁殖的新途径：
1.快速繁殖：
(1)概念： 用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，称为植物的快速繁殖技术，也叫作微型繁殖技术。
(2)优点(特点)： ①可以高效、快速地实现种苗的大量繁殖。 ②可以保持优良品种的遗传特性。
【拓展】快速繁殖(微型繁殖)的其他特点：取材少，培养材料经济，可以人为控制培养条件，还便于自动化管理。 不
受自然条件的影响，生长周期短，繁殖率高。
2.作物脱毒(培养无病毒植株)：
(1)无病毒植株：指用植物的根尖或茎尖通过进行组织培养得到的植株。
⃗脱分化 ⃗再分化 ⃗ ⃗移栽
(2)过程：根尖或茎尖 愈伤组织 根、芽 脱毒苗（试管苗） 无病毒植株
【有关问题】(1)为什么用根尖或茎尖通过组织培养出的植株就是无病毒植株呢？
提示：因为长期进行无性繁殖的植物，体内往往会积累大量的病毒，并且它们感染和积累的病毒很容易传给后代，从
而影响植物的产量或品质(如观赏价值降低)。
但是这些植物顶端分生区附近(茎尖、根尖)的病毒极少，甚至无含病毒，因此我们可选用茎尖、根尖进行组织培养，从
而获得脱毒苗。
(2)为什么根尖、茎尖没有病毒的积累？
提示：因为病毒在植物体中的扩散主要是通过导管、筛管等输导组织进行的，而在根尖、茎尖没有导管、筛管；其次
根尖、茎尖的细胞代谢旺盛，病毒难于积累。
3.神奇的人工种子——制备人工种子：
(1)人工种子：就是指以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，
经过人工薄膜包装得到的种子。
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(2)意义：人工种子可以解决某些作物品种繁殖能力差、结子困难或发芽率低等问题。
(3)人工种子的优点：
①保持优良品种的遗传特性。
②生产上也不受季节的限制。
③方便贮藏和运输(与试管苗相比)。
【提示】(1)制备人工种子时，是将外植体培养到胚状体，然后外包人工薄膜（相当于种皮）、在胚状体与人工薄膜之
间可填充营养物质、农药、抗生素、固氮菌、生长调节物质等。
(2)运用人工种子繁殖，属于无性繁殖的范畴，运用天然种子繁殖属于于有性生殖。
(二)作物新品种的培育：
1.用于单倍体育种：
2.突变体的利用——用于诱变育种：
体细胞诱变育种：在作物育种中，可对植物的愈伤组织进行化学或物理方法进行诱变处理，促使其发生突变，再通过
诱导分化形成植株。从这些植株中筛选出高抗、高产、优质的突变体，就可以培养成新品种。
(三)细胞产物的工厂化生产：
1.植物细胞代谢产物的划分：
①初生代谢产物：植物代谢过程产生的对于维持植物基本生命活动(生长、生存和繁殖)必需的物质。如糖类、脂质、蛋
白质、核酸等。
②次生代谢产物：植物代谢过程产生的对于维持植物基本生命活动(生长、生存)不是所必需的物质。一般在特定组织或
器官中，并在一定的环境和时间条件下才能产生。
次生代谢物是一类小分子有机化合物(如酚类、萜类和含氮化合物等)，虽不是植物生长所必需，但在植物抗病、抗虫等
方面发挥作用。
2.实例：人参皂甙（dài）的工厂化生产过程：
第1步：选择人参根作为外植体进行培养，产生愈伤组织，经过培养选择找到增殖速度快而且细胞内人参皂甙含量高
的细胞株作为种质，其中一部分作为保存用，以备下一次生产用，一部分进行发酵生产。
第2步：将第一步选择到的细胞株在发酵罐中的适合培养液中进行液体培养，增加细胞数量。
第3步：将发酵罐中培养的细胞进行破碎，从中提取人参皂甙。
【提醒】利用植物组织培养生产植物细胞的次生代谢物是将外植体培养到愈伤组织，不使其再分化，而是将愈伤组织
接种到继代培养基(液体培养基)上，增加其细胞数目，从而获得更多的植物细胞次生代谢产物，如药物、色素、香料、食
品添加剂、杀虫剂等。
3.植物细胞培养：
在离体条件下对单个植物细胞或细胞团进行培养使其增殖的技术。
第2节 动物细胞工程
动物细胞工程常用的技术手段主要有：动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合、生产单克隆抗体等。
动物细胞培养是其他动物细胞工程技术的基础。
一、动物细胞培养
(一)概念：从动物体内取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后，放在适宜的培养基条件下，让这些细胞生长和增
殖的技术。
通俗地说，动物细胞培养就是根据细胞增殖的原理，在一定的培养液中和其他适宜条件下，把少量的动物细胞培养成
大量细胞，从而获得细胞或细胞产物的过程。
原理：细胞增殖(有丝分裂)
目的：获得细胞或细胞产物。
【提醒】动物细胞培养的原理不是细胞全能性。因为动物细胞培养的目的不是为了获得动物个体，而是为了大量的动
物细胞或其代谢产物。
(二)动物细胞培养的条件：
•糖类
•氨基酸
•无机盐
1.充足的营养
•维生素
•促生长因子
•通常需要加入血清等一些天然成分。
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•对培养液和所有培养用具进行灭菌处理；
•在细胞培养液中添加一定的抗生素；
2.无菌、无毒的环境
•定期更换培养液，以便清除代谢物，防止代谢
积累对细胞自身造成危害。
3.适宜的温度、
•动物细胞培养的适宜温度多以(36.5±0.5)℃为宜。
pH和渗透压
•适宜的PH：7.2~7.4。
•渗透压也需要考虑。
•动物细胞培养所需气体主要有O 和CO 。进行细胞培养时
2 2
将它们置于95%和5%CO 的混合气体中。
4.气体环境 2
•O 的作用：细胞代谢所必需的(进行有氧呼吸所需要)；
2
•CO 的主要作用：维持培养液的PH。
2
【有关问题】(1)为什么在动物细胞培养中用液体培养基即培养液)？
提示：因为在液体培养基中，动物细胞与营养物质接触充分，有利于细胞充分利用营养物质，对细胞的分裂和代谢有
利。
(2)为什么对动物细胞进行培养时通常要添加动物血清？即动物细胞培养中的动物血清有什么作用？
提示：提供细胞所需的营养物质，如血清中含有蛋白质、氨基酸、葡萄糖、激素等，特别是必需氨基酸。
提供细胞生长所需的生长因子，如胰岛素、生长激素等及多种生长因子(如表皮生长因子、成纤维细胞生长因子、类胰
岛素生长因子等)；血清还含有多种未知的促细胞生长因子、促贴附因子及其他活性物质，能促进细胞的生长、增殖和贴附。
因此，细胞培养时，要保证细胞能够顺利生长和增殖，一般需添加10%～20%的血清。
(三)动物细胞培养的过程：
1.取材：
(1)动物细胞培养材料大都取自动物的胚胎或幼龄动物的器官或组织。 动物胚胎或幼龄动物
为什么？ 的组织、器官
提示：因为与老龄细胞相比较，这些细胞分化程度低，增殖能力强，
剪碎 胰蛋白酶处理
有丝分裂旺盛，代谢旺盛，易培养。
2.离散细胞： 单个细胞
(2)如何将组织中的细胞分散成许多单个细胞？ 加培养液
用剪刀剪碎组织——机械消化；
细胞悬浮液
用胰蛋白酶处理——化学消化。
(3)为什么要将组织细胞分散成许多单个细胞？ 原代培养
提示：有利于细胞充分利用营养物质，加快细胞分裂〈促进细胞增 10代细胞
殖〉，并将代谢废物及时排出。
(4)进行动物细胞传代培养时用胰蛋白酶分散细胞，说明细胞间的物
50代细胞
质主要是什么成分？用胃蛋白酶行吗？
用胰蛋白酶分散细胞，说明细胞间的物质主要是蛋白质(弹性纤维、
传代培养
胶原蛋白等)。 无限传代
胃蛋白酶作用的适宜pH约为2，当pH大于6时,胃蛋白酶就会失去
活性。胰蛋白酶作用的适宜环境pH为7.2～8.4。多数动物细胞培养的适
宜pH为7.2～7.4，胃蛋白酶在此环境中没有活性，而胰蛋白酶在此环境中活性较高，因此胰蛋白酶适宜用于细胞培养时的
消化。
3.加培养液，装瓶，进行原代培养。
(5)体外培养的动物细胞分为两类：
①一类细胞细胞(少数)悬浮在培养液中生长增殖(悬浮生长)
②大多数细胞需要贴附于某些基质表面生长增殖，这类细胞往往贴附在培养瓶的瓶壁上。(这种现象叫细胞贴壁)
(6)接触抑制：
当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞通常会停止分裂增殖。这种现象叫接触抑制。
(7)原代培养：通常将动物组织消化处理后的初次培养称为原代培养，即培养的细胞直接来源于动物的组织。
(8)传代培养：传代培养是指对已适应在体外培养条件下持续传代培养细胞的继续培养。即分瓶后的细胞培养
(9)如何区分原代培养和传代培养？
主要从培养细胞的来源区分：培养的细胞直接来源于动物组织，称为原代培养；
若培养的细胞是已经适应体外培养条件的传代细胞，则称为传代培养。
也有人把第1代细胞的培养至传10代以内的细胞培养统称为原代培养。传10代以后的培养称为传代培养。
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有限
细
细
胞
胞
株
系 无
细
限
胞
细
系
胞 系
细胞悬浮液 第10代细胞 第50代细胞
原代培养 传代培养
(10)有限细胞系和无限细胞系：
有限细胞系：传过了10代，能传至50代其右的传代细胞。
无限细胞系：传过了50代，能无限传代下去的传代细胞。
(11)目前使用的或冷冻保存的正常细胞通常为传10代以内，为什么？
提示：以保持细胞正常的二倍体核型(遗传物质不改变)。
(12)动物细胞培养要经过脱分化的过程吗？为什么？
提示：动物细胞的培养有各种用途，一般而言，动物细胞培养不需经过脱分化过程。因高度分化的动物细胞发育潜能
变窄，失去了发育成完整个体的能力，所以，动物细胞也就没有类似植物组织或细胞培养时的脱分化过程了。要想使培养
的动物细胞定向分化，通常采用定向诱导动物干细胞，使其分化成所需要的组织或器官。
(四)动物细胞培养的应用：
1.获得细胞或细胞产品。大规模生产有重要价值的蛋白质生物制品，如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等。
2.用于皮肤移植。 解决为大面积烧伤病人移植皮肤问题。
利用动物细胞培养技术中细胞的贴壁生长和接触抑制特点，可以用烧伤病人自己的健康皮肤细胞培养出大量的自身薄
层皮肤细胞供植皮所需。
3.用于检测有毒物质的毒性。 许多致畸、致癌物质加入培养液后，培养细胞会发生染色体结构和数目的变异。根据
变异细胞占全部培养细胞的百分数，可以判断某种物质的毒性。
4.培养正常或病变的细胞用于科研。
二、干细胞培养及其应用
(一)干细胞的概念：具有分裂和分化能力的一类细胞。存在于早期胚胎、骨髓和脐带血等多种组织和器官中。包括胚胎
干细胞和成体干细胞等。
【提醒】干细胞具有两个特征： ⒈通过有丝分裂，完成自我更新； ⒉在特定的生理条件下或实验条件下，可以分化
成其他类型的细胞。
(二)干细胞的种类：
1.胚胎干细胞：(1)概念：由早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类细胞，简称ES或EK细胞。
(2)特点：
①形态上：体积小、细胞核大、核仁明显。
②功能上：具有发育的全能性。
③在体外培养的条件下，可以只增殖，而不分化。可以冷冻保存，也可以进行遗传改造。
2.成体干细胞：
(1)概念及种类：成体干细胞是成体组织或器官中的干细胞。主要包括骨髓中的造血干细胞、神经系统中的神经干细胞
和睾丸中的精原干细胞等。
(2)特点：成体干细胞具有组织特异性，只能分化成特定的细胞或组织，不具有发育成完整个体的能力。
(三)干细胞培养的应用：
1.通过造血干细胞的移植可以治疗白血病、遗传性血液病(如地中海贫血、血液再生障碍性贫血、镰刀状细胞贫血)等疾
病。
2.自体器官移植： 科学家正在研究用胚胎干细胞治疗神经退行性疾病（如帕金森病、阿尔茨海默病等）、糖尿病、心
肌坏死等疾病。
3.神经干细胞可治疗神经组织损伤和神经系统退行性疾病（如帕金森病、阿尔茨海默病等）
4.揭示细胞分化和细胞凋亡的机理。
5.用于对哺乳动物个体发生和发育规 律的研究。
转入某些因子
(某些基因或其他因子) 诱导定向分化 特定的细
成纤维细胞 iPS细胞
逆转(类似于脱分化) 胞或器官
3.诱导多功能干细胞(简称iPS细胞)：
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三、动物细胞融合技术
(一)概念：使两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程，称为动物细胞融合技术，也称细胞杂交。
融合后形成的杂交细胞具有原来两个或多个细胞遗传信息。
(二)细胞融合的原理：细胞膜具有一定的流动性。
(三)人工诱导动物细胞融合的方法：
(1)物理方法：电融合法、(离心、振动)等。
(2)化学方法：PEG(聚乙二醇)融合法。
(3)生物方法：灭活病毒诱导法。
【提醒】动物细胞的融合先是细胞膜的融合，再细胞质融合，而细胞核的融合是在第一次有丝分裂时完成的。
A动物组织
机械消化、胰酶消化
动物细胞A、B细胞融合
离散细胞后，再人工诱导
B动物组织 筛选
杂交细胞(AB型)
原代培养或传代培养
(四)基本过程：
(五)意义：突破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能，也为制造单克隆抗体开辟了新途径。
【知识拓展】
(1)灭活是指用物理或化学手段使病毒或细菌失去感染能力，但是并不破坏这些病原体的抗原结构。
(2)灭活的病毒：指事先用紫外线等使病毒的感染活性丧失，而保留病毒的融合活性。
(3)灭活病毒诱导动物细胞融合的原理：病毒表面含有的糖蛋白和一些酶能够与细胞膜
上的糖蛋白发生作用，使细胞互相凝聚，细胞膜上的蛋白质分子和脂质分子重新排布，细
胞膜打开，细胞发生融合。
【提醒】动物细胞的融合先是细胞膜的融合，再是细胞质融合，而细胞核的融合是在
杂交细胞第一次有丝分裂时完成的。
(四)动物细胞融合技术的应用：
1.成为研究细胞遗传、细胞免疫，肿瘤和生物新品种培育等的重要手段。 灭活病毒促融示意图
2.利用细胞融合技术发展起来的杂交瘤技术，为制造单克隆抗体开辟了新途径。
【知识整合】动物细胞融合与植物体细胞杂交的比较：
比较项目 原理 融合前处理 诱导融合手段 应用
酶解法：去除细胞
植物体细 细胞膜的流动性 克服远源杂交不亲和
壁，诱导原生质体融 电融合法、PEG融合法
胞杂交 细胞全能性 障碍，获得杂种植株
合
动物细胞 用胰蛋白酶离散细胞 电融合法、PEG融合 制备单克隆抗体的技
细胞膜的流动性
融合 后，再诱导细胞融合 法和灭活病毒诱导法。 术之一
四、单克隆抗体及其应用
1.传统获得抗体的方法：把某一种抗原反复注射到动物体内，然后，从动物的血清中分离出所需的抗体。这种方法获
得的抗体称为常规抗体或血清抗体。
2.血清抗体的特点：产量低、纯度低、抗体特异性差、反应不够灵敏。
(一)单克隆抗体的制备过程
1.杂交瘤细胞的制备和筛选：
(1)将特定的抗原注入小鼠体内，并从小鼠脾脏中分离出经过
免疫的B淋巴细胞；
(2)诱导B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合；
(3)用特定的选择培养基上筛选出杂交瘤细胞。
(4)对上述经选择培养的杂交瘤细胞进行克隆化培养和抗体检
测，经多次筛选，获得足够数量的能分泌所需抗体的杂交瘤细胞。
2.杂交瘤细胞的培养：
将抗体检测呈阳性的杂交瘤细胞在体外条件下大规模培养，
或注射到小鼠腹腔内增殖(即体内培养)。
3.单克隆抗体的获取：
从细胞培养液或小鼠腹水中获取大量的单克隆抗体。
【知识小结】
(1)杂交瘤细胞的特点：既能在体外培养条件下能无限增殖，
又能产生单一的抗体。
(2)单抗制备过程为何要经过哪两次筛选？
筛选1：用特定的选择培养基筛选出杂交瘤细胞。(诱导融合后，从AA、BB、AB、A、B等中选出AB型细胞)。
筛选2：(在多孔培养板上，利用抗原和抗体的阳性反应)筛选出能产生相应的特异性抗体的杂交瘤细胞。
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(3)单克隆抗体的特点：特异性强、灵敏度高，可大量制备。
(二)单克隆抗体的应用
1.广泛用作诊断试剂：
①原理：单克隆抗体能准确地识别抗原的细微差异，与特定抗原发生特异性结合，并且可以大量制备。
②实例：利用同位素或荧光标记的单克隆抗体在特定组织中成像的技术，可定位诊断肿瘤、心血管畸形等疾病。
2.运载药物：如ADC。
如把抗癌细胞的单克隆抗体跟放射性同位素、化学药物或细胞毒素等抗癌药物相结合，制成“生物导弹”。
提示：“生物导弹”的瞄准器——单克隆抗体；弹头——放射性同位素、化学药物或细胞毒素等抗癌药物。
3.用于治疗疾病。
【知识拓展】单克隆抗体制备的关键思路及两次筛选
(1)制备单克隆抗体的思路：
①通过细胞工程生产单抗的思路：把一种在体外培养条件下能大量甚至无限增殖的细胞（如小鼠瘤细胞）与某一种能
产生特异性抗体但不能增殖的B细胞融合，可得到杂交瘤细胞，它既能大量增殖，又能产生大量的单一的抗体，然后对杂
交瘤细胞进行克隆化培养。
②运用基因工程产生单抗的思路：㈠将调控细胞无限增殖的相关基因构建基因表达载体，导入到能产生特异性抗体的B
细胞中，使得受体B细胞不仅能产生特异性抗体，又能在体外培养条件无限增殖，然后对其进行克隆化培养。
㈡将控制合成某种抗体的基因构建基因表达载体，导入到能无限增殖的瘤细胞中，使得受体瘤细胞不仅能产生特异性
抗体，又能在体外培养条件无限增殖，然后对其进行克隆化培养。
(2)制备单克隆抗体过程中两次筛选的方法及目的：
项目 第一次筛选 第二次筛选
由于小鼠在生活中还受到其他抗原的刺激，所
诱导融合后得到多种杂交细胞，另外还有未
筛选原因 以经选择性培养获得的杂交瘤细胞中有能产生
融合的细胞
其他抗体的细胞
用特定的选择培养基筛选：未融合的细胞和
用多孔培养皿培养，在每个孔只有一个杂交瘤
同种细胞融合后形成的细胞(“BB”细胞、
筛选方法 细胞的情况下开始克隆化培养和抗体检测，经
“瘤瘤”细胞)都会死亡，只有融合的杂交瘤
多次筛选得到能产生特异性抗体的细胞群
细胞(“B瘤”细胞)才能生长
筛选目的 得到杂交瘤细胞 得到能分泌所需抗体的杂交瘤细胞
五、动物体细胞核移植和克隆动物
(一)概念： 将动物一个细胞的细胞核移入去核的卵母细胞中，使这个重新组合的细胞发育成新胚胎，继而发育成动物
个体的技术。用动物体细胞核移植技术得到的动物称为克隆动物。
(二)原理：动物细胞核的全能性。
(三)类型：
1.胚胎细胞核移植：胚胎细胞分化程度低，表现全能性相对容易。
2.体细胞核移植：体细胞分化程度高，表现全能性十分困难。因此动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植。
【特别提示】高度特化的动物细胞，从整个细胞来说，它的细胞全能性受到限制。但是，它的细胞核仍然具有全能性，
这是因为细胞核内含有保持该物种遗传特性的全套遗传物质。
克隆羊多利的诞生，说明了高度分化的动物体细胞核仍具有全能性。
(四)体细胞核移植的过程：(以克隆高产奶牛为例)
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1.采集的卵母细胞应培养至 MⅡ 中期 ( 减数分裂Ⅱ中期)。 原因是：选择MⅡ中期卵母细胞的原因：卵母细胞体积大，
易操作，含有促使细胞核表达全能性的物质和营养条件。
2.卵母细胞去核的方法：显微操作(去核)法。通常是显微操作去除纺锤体-染色体复合物。
3.将供体细胞整个注入去核卵母细胞中的原因：保证供核不被破坏，操作也更方便，对卵母细胞损伤较小，现在较为
常用。
4.诱导供体细胞和卵母细胞融合的方法：电融合法，形成重构胚。
5.激活重构胚的方法：物理（电刺激）或化学（Ca2+载体、乙醇和蛋白酶合成抑制剂等）方法。
【知识拓展】治疗性克隆与生殖性克隆不同：
(1)治疗性克隆：从体细胞核移植获得的早期胚胎中提取出胚胎干细胞，体外定向诱导分化，定向培育出人造组织器官，
用于器官移植。即指把克隆（即体细胞核移植获得）出来的组织或者器官用于治疗疾病。由于某些新医疗方法需要胚胎干
细胞，故科学家在实验室制造人类胚胎以提取胚胎干细胞。这种用于医疗目的而在实验室使用克隆技术制造胚胎的过程被
称为“治疗性克隆”。
(2)生殖性克隆：是指出于生殖目的使用克隆技术在实验室制造人类胚胎，然后将胚胎置入人类子宫发育成胎儿或婴儿
的过程。
(五)体细胞核移植技术的应用前景及存在的问题：
1.应用前景：
(1)畜牧生产：加速家畜遗传改良进程，促进优良畜群繁育。
(2)医药卫生：转基因克隆动物可以作为生物反应器，生产许多珍贵的医用蛋白。
(3)治疗人类疾病：①转基因克隆动物的细胞、组织或器官可以作为异种移植的供体；②以患者作为供体培育的人核移
植胚胎干细胞，经过诱导分化能形成相应的细胞、组织或器官，将它们移植给患者时可以避免免疫排斥反应。
(4)科研：①研究克隆动物可使人类更深入地了解胚胎发育及衰老过程；②克隆一批遗传背景相同的动物，可以通过它
们之间的对比来分析致病基因；③克隆特定疾病模型的动物，还能为研究该疾病机制和开发相应的药物提供帮助。
(5)保护濒危动物：有望增加濒危物种的存活数量。
2.存在的问题：(1)该技术的成功率非常低，各个技术环节有待进一步改进。
(2)相对于技术研究，核移植的理论研究较为滞后，需要与发育生物学、细胞生物学和分子遗传学等学科更深层次的理
论研究相结合。
(3)绝大多数克隆动物存在健康问题，表现出遗传和生理缺陷，如体型过大、异常肥胖、发育困难、脏器缺陷和免疫失
调等。
第3节 胚胎工程
▼胚胎工程的概念：
1.概念：胚胎工程是指对生殖细胞、受精卵或早期胚胎细胞进行多种显微操作和处理，然后将获得的胚胎移植到雌性
动物体内生产后代。以满足人类的各种需求。
2.胚胎工程的技术手段主要包括：体外受精、胚胎移植、胚胎分割等。
【概念理解】①操作对象：配子(生殖细胞)、早期胚胎、受精卵。
②技术手段：体外受精、早期胚胎培养、胚胎移植、胚胎分割等。
③理论基础：哺乳动物的自然受精和早期胚胎的发育规律。
一、受精
1.概念：受精是精子与卵子结合形成合子(即受精卵)的过程。
2.场所：在自然条件下，哺乳动物的受精在输卵管内完成。
3.阶段：受精前的准备阶段和受精段。
(一)受精前的准备阶段：
1.准备阶段1——精子获能。
(1)概念：刚刚排出的精子不能立即与卵子受精，必须在雌性动物的生殖道发生相应的生理变化后，才能获得受精能力，
这一生理现象称为“精子获能”。
(2)精子获能方式：使精子获能的方法：
①直接利用雌性动物的生殖道，使精子获能；
②将精子培养在人工配制的获能液中，使其获能等。获能液的成分因动物种类不同有所差异，常见的有肝素，钙离子
载体等。
精子获能的概念：精子获得穿越卵子透明带能力的生理过程。
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获能实质：子宫内膜产生的获能因子和输卵管的分泌物解除附于精子表面去能因子对精子的抑制作用。
获能场所：子宫和输卵管。
2.准备阶段2——卵子的准备：
即排出的初级卵母细胞或次级卵母细胞要在输卵管内进一步成熟，到减数第二次分裂中期时，才具备受精能力。
(二)受精：
1.精子穿越卵细胞膜外的结构：
获能后的精子与卵子相遇时，精子释放多种酶，溶解卵细胞膜外的结构。
(1)顶体反应：顶体膨大，精子质膜（外膜）和顶体外膜局部融合，顶体释放的顶体酶可溶解卵丘细胞之间的物质，形
成精子穿越放射冠的通路。
(2)透明带反应：当精子越过放射冠，进入透明带并接触卵细胞膜的瞬间，卵子发出指令(信号)，产生阻止后续的精子
进入透明带的生理反应——形成受精膜。这是阻止多精入卵的第一道屏障。
2.卵细胞膜反应：
卵细胞膜反应：当第一个精子入卵后，会立即引起卵细胞膜的紧
缩、增厚，产生阻止其他精子进入卵内与卵子结合受精的生理反应，
放射冠
这是防止多精子入卵受精的第二道屏障。 精子
3.雄原核、雌原核形成和配子结合：
精子入卵后，尾部脱离，原有核膜破裂并形成新的核膜，最后形
成一个比原来精子的核还大的核，叫雄原核。
与此同时，被激活的卵子完成减数分裂Ⅱ，排出第二极体，形成
雌原核。
雄、雌原核充分发育后，相向移动，彼此靠近，核膜消失，彼此
透明带
染色体会合，完成受精。
【知识归纳拓展】(一)卵子的结构：包括放射冠、透明带和卵母 卵子
细胞等部分。如右图所示。 第一极体
(1)放射冠：包围在卵子透明带外面的卵丘细胞群，呈放射状排列。
(2)透明带：卵的外面具有外被，其成分主要是糖蛋白，是由卵细胞或其它细胞分泌的。在哺乳动物中这种外被叫做透
明带，其作用是保护卵子，阻止异种精子进入。
(3)卵母细胞：包括卵细胞膜、卵黄和细胞核等多部分。
【提醒】①在未受精中的卵子透明带与卵细胞膜的间隙中只有一个极体。
②当在卵细胞膜与透明带的间隙可以观察到两个极体时，说明卵子已经完成了受精，这是判断卵子是否受精的重要标
志
(二)受精过程的“四步曲”：
(三)受精过程的“3”大反应、“2”道屏障和“2”个标志。
(1)“3”大反应：①顶体反应：获能后的精子，在雌性动物生殖道与卵子相遇时，出现精子顶体膨大，精子质膜（外
膜）和顶体外膜局部融合，顶体释放的顶体酶可溶解卵丘细胞之间的物质，形成精子穿越放射冠的通路。
②透明带反应 ：当精子越过放射冠，进入透明带并接触卵黄膜的瞬间，卵子发出指令（信号），产生阻止后续的精子
进入透明带的生理反应——形成受精膜。这是阻止多精入卵的第一道屏障。
③卵细胞膜反应：当第一个精子进入卵黄膜后，会立即引起卵细胞膜的紧缩、增厚，产生阻止其他精子进入卵内与卵
子结合受精的生理反应，也叫做多精子入卵阻滞。这是防止多精子入卵受精的第二道屏障。
(2)“2”道屏障：①阻止多精入卵的第一道屏障——透明带反应。
②阻止多精子入卵受精的第二道屏障——卵细胞膜反应。
(3)“2”个标志：①受精标志是第二极体的形成（当在卵细胞膜与透明带的间隙可以观察到两个极体时，说明卵子已经
进行了受精，这是判断卵子是否受精的重要标志）。
②受精完成标志是雌雄原核融合成合子。
二、胚胎早期发育
哺乳动物的胚胎早期发育的场所是输卵管和子宫。
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1.卵裂期：(在透明带内进行)
卵裂期的特点：分裂方式为有丝分裂，细胞的数量不断增加，但胚胎的总体积并不增
加。
单个细胞体积变小，胚胎的有机物总量减小，有机物种类增多。
2.桑葚胚：当卵裂产生的子细胞逐渐形成致密的细胞团，形似桑葚，这时的胚胎叫桑葚
胚。
此时胚胎细胞数目大约为32个左右，该时期细胞属于全能细胞，细胞还没有分化。
3.囊胚：空心球状胚，出现囊胚腔，细胞开始分化。
(1)囊胚腔：
(2)内细胞团：聚集在胚胎一端的细胞形成，将来发育成胎儿的各种组织。内细胞团细胞具有全能性。
(3)滋养层细胞：沿透明带内壁扩展和排列的细胞，称为滋养层细胞，将来发育成胎膜和胎盘。
(4)孵化：囊胚进一步扩大，会导致透明带破裂，胚胎从其中伸展出来，这一过程叫孵化。
4.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，出现由内胚层包围的空腔叫做原
肠腔。随着发育的进行，一部分细胞还会在内、外胚层之间形成中胚层，这三个胚层将逐渐分化形成各种组织、器官。
原肠胚时期，囊胚腔在逐渐缩小，原肠腔在逐渐扩大，逐渐形成三个胚层（外、内、中胚层）。
三、体外受精
1.卵母细胞的采集与培养：
(1)采集方法：
①超数排卵处理：用促性腺激素处理，使其排出更多的卵子，然后，从输卵管中冲取卵子，直接与获能的精子在体外受
精。
②在屠宰场从刚屠宰母畜的卵巢中采集卵母细胞：
③活体取卵：是借助超声波探测仪、腹腔镜等直接从活体动物的卵巢中吸取卵母细胞。
(2)培养：
采集到的卵母细胞，都要在体外经人工培养成熟后(即培养到减数第二次分裂中期)，才能与获能的精子受精。
【提示】人工培养的环境应与输卵管中的环境相似。
2.精子的采集与获能：
(1)用一定的方法采集到雄性动物精子后，在体外受精前，要对精子进行获能处理。
(2)获能的方法通常有：①培养法：将取自附睾的精子，放入人工配制的获能液中，培养一段时间后，精子就可获能。
②化学诱导法：将精子放在一定浓度的含有肝素或钙离子载体的溶液中，用化学药物诱导精子获能。
3.受精：获能的精子和培养成熟的卵子置于适当的培养液( 获能溶液或专用的受精溶液 )中共同培养一段时间，来促使它
们完成受精。
四、胚胎的早期培养
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。
1.发育培养液成分：无机盐、有机盐、维生素、激素、氨基酸、核苷酸及血清等。
2.当胚胎发育到适宜的阶段时，可将其取出向受体移植或冷冻保存。
【知识拓展】不同动物胚胎移植的时间不同：牛、羊一般要培育到桑椹胚或囊胚阶段才能进行移植；小鼠、家兔等实
验动物可在更早的阶段移植；人的体外受精胚胎可在 8~16 个细胞 阶段移植。
五、胚胎移植
(一)胚胎移植的概念：将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。
胚胎移植实质上是生物胚胎的供体和孕育胚胎的受体共同繁殖后代的过程。
【概念理解】①移植所需的早期胚胎来源：可来自体外受精胚胎、核移植胚胎、人工授精胚胎、转基因胚胎等。
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②供体和受体及其主要职能：提供胚胎的个体叫供体，接受胚胎的个体叫受体。
供体为优良品种，主要职能只为产生具有优良遗传特性的胚胎。
作为受体的雌性动物应为健康正常的有繁殖能力的常见或存量大的品种。主要职能：繁重而漫长的妊娠和育仔的任务
由受体完成。
③胚胎移植是多种胚胎工程技术手段的终端环节，最后一道程序。
(二)胚胎移植的基本步骤：
1.供、受体的选择和处理：
(1)对供、受体的选择：①对供体的选择：遗传性能和生产性能优秀的个体。
②对受体的选择：健康的体质和正常繁殖能力的个体。
(2)对供、受体的处理：
对供体的处理：超数排卵处理。
对供、受体的处理：用相关激素进行同期发情处理。
【超数排卵】简称“超排”，是指给供体母畜注射促性腺激素，使其发情，一次排出比自然情况下多几倍到十几倍的
成熟卵子，经合理的人工授精方法，可以获得数量较多的可移植胚胎。
2.配种或进行人工授精：选择同种优秀的公牛进行配种或人工授精：
人工授精是指将雄性动物的性精液用人工方法注入雌性动物的子宫颈或子宫腔内，以协助受孕的方法。
【提醒】人工授精与体外受精不同：体外受精是指哺乳动物的精子和卵子在体外人工控制的环境中完成受精过程的技
术。
3.胚胎的收集、检查、培养或保存：
(1)胚胎的收集（冲卵）：用特制的冲卵装置，把供体子宫内的胚胎冲洗出来，也叫冲卵。
(2)对胚胎进行质量检测，这时胚胎应发育到桑椹胚或囊胚。
(3)将收集的胚胎直接向受体移植或放入－196℃的液氮中保存。
4.对胚胎进行移植：
①手术法——引出受体子宫和卵巢，将胚胎注入子宫角，缝合创口；
②非手术法——将装有胚胎的移植管送入受体母牛子宫的相应部位；
5.移植后的检查： 受体母牛进行是否妊娠的检查。
6.产下胚胎移植的幼体。
(三)胚胎移植的意义(优势)：
胚胎移植可充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力。大大缩短了供体本身的繁殖周期。
【要点突破】1.胚胎移植培育流程中有两次使用激素：第1次是对供、受体进行同期发情处理；
第2次用于供体的超数排卵。
2.胚胎移植成功与否要有两个条件：
①胚胎移植一般应在同种的雌性供体和受体之间进行。
②进行胚胎移植的供体和受体的生理状态要相同。
3.胚胎移植成功的标志：移植的胚胎在受体内能正常发育并分娩。
(四)胚胎移植的生理学基础： 胚胎移植能否成功，与供体和受体的生理状况有关。
1.哺乳动物发情排卵后，不管是否妊娠，同种动物的供、受体生殖器官的生理变化相同，这为胚胎的移入受体提供了
相同的生理环境。
2.哺乳动物的早期胚胎形成后，在一定时间内不会与母体子宫建立组织联系，而是处于游离状态，这为胚胎的收集提
供了可能。
[说明]胚胎与母体子宫是通过胎膜和胎盘进行联系的。而胎膜和胎盘是由滋养层细胞发育形成的。因此胚胎收集应在
滋养层发育成为胎膜和胎盘之前（一般是囊胚或囊胚之前），胚胎移植也应该在此之前，否则移植的胚胎不能与母体子宫
建立起组织上的联系。
3.受体对移入子宫的外来胚胎基本不发生免疫排斥反应，为胚胎在受体内的存活提供了可能。
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4.供体胚胎可与受体子宫建立正常的生理和组织联系，但移入的供体胚胎的遗传特性，在孕育过程中不受任何影响。
六、胚胎分割
(一)胚胎分割的概念： 胚胎分割是指使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。
胚胎分割的优势：可成倍增加胚胎数量，可以快速繁殖良种畜。
【概念理解】(1)来自同一胚胎的后代具有相同的遗传物质，因此胚胎分割可以看做是动物无性繁殖或克隆的方法之一
这里所说的克隆是就胚胎分割而言，与体细胞核移植中的克隆有所不同。
(2)用于分割的早期胚胎，其发育程度需在原肠胚之前，因为发育到原肠胚，细胞分化程度虽然仍很低，但分化的方向
早已确定，不可用于分割。常用来自于囊胚期的内细胞团或桑葚胚，囊胚细胞虽开始分化，但分化的程度仍很低，可用于
分割。桑椹胚时期细胞未分化，属全能细胞，可用于分割。
(3)胚胎分割的主要意义：主要用于对优良品种进行快速繁殖。
(二)胚胎分割的流程和具体操作：
1.流程：
2.具体操作：
(1)胚胎分割所需要的主要仪器设备：实体显微镜、显微操作仪、分割刀、分割针等
(2)胚胎分割的具体操作：①选择胚胎：选择发育良好、形态正常的桑葚胚或囊胚，移入盛有操作液的培养皿中。
②分割胚胎：用分割针或分割刀对胚胎进行分割。
(三)胚胎移植或保存：用分割针或分割刀片将胚胎切开，吸出其中的半个胚胎，注入预先准备好的空透明带中保存，或
直接将裸半胚移植给受体，或经体外培养后，再移植给受体。
(四)胚胎分割的注意事项：
在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，否则会影响到胚胎的恢复和进一步发育。
此时还可用分割针分割滋养层，取样，做胚胎DNA分析性别鉴定。
(五)胚胎分割技术的缺陷：(1)刚出生动物的体重偏低，毛色和斑纹还存在差异；
(2)采用胚胎分割技术产生同卵多胎的可能性是有限的。
【有关问题】①对囊胚阶段的胚胎进行分割时，为什么要将内细胞团进行均等分割？
提示：内细胞团一般到囊胚阶段才出现，它是发育为胚胎本身的基础细胞，其他细胞为滋养层细胞，只为胚胎和胎儿
的发育提供营养。
若分割时不能将内细胞团均等分割，会出现含内细胞团多的部分正常发育能力强；少的部分发育受阻或发育不良，甚
至不能发育等问题。
②为什么胚胎分割的份数越多，操作的难度会越大，移植的成功率也越低？
提示：早期胚胎的体积很小，只有在显微镜下才能看到；再者，细胞数目是有限的。分割的份数越多，不但难以做到
均等分割，每一份的细胞数会越少，而且作为囊胚期的胚胎内细胞团细胞所受的影响会更大。因此，分割的份数越多，技
术的难度会越大，移植后的恢复和发育的难度会越大，移植成功率自然会降低。
【知识整合】试管动物与克隆动物的比较
项目 克隆动物 试管动物
概念 通过体细胞移植得到的动物 通过体外受精胚胎移植得到的动物
发育来源 核移植得到的重组细胞 受精卵
生殖方式 无性繁殖 有性生殖
遗传物质来源 主要来自于供核个体 双亲
后代性状 主要与供核个体相同 具备双亲的遗传性状
涉及到的生物 动物细胞培养、体细胞核移植、早期胚
体外受精、早期胚胎培养、胚胎移植
技术 胎培养、胚胎移植
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基本过程
加速家畜遗传改良进程，拯救濒危物种
意义 快速繁殖良种家畜
等
第3章 基因工程
第1节 重组DNA技术的基本工具
一、基因工程的概念和原理
1.概念：基因工程是指按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的
生物类型和生物制品。从技术操作层面看，由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫作重组DNA
技术。
【概念理解】(1)
基因工程别名 操作环境 操作对象 操作水平 基本过程 结果
基因拼接技术或
生物体外 DNA(基因) DNA分子水平 剪切→拼接→导入→表达 人类需要的基因产物
DNA重组技术
(2)基因工程技术主要包括两种技术：
⃗优秀基因、剪切、拼接 ⃗表达
①转基因技术：甲生物 乙生物 新类型→新产品。
⃗敲除不利基因
②基因敲除技术：生物 新类型→新生物产品。
2.基因工程的原理：基因重组(异源DNA重组)。
3.基因工程的优缺点：
优点：能克服远缘杂交不亲和的障碍，定向改造生物的遗传性状。
缺点：技术复杂，安全性问题多。
4.基因工程诞生的理论基础：
(1)基因拼接的理论基础：①DNA是生物的主要遗传物质。除极少数病毒外，生物都是以DNA为遗传物质。
②DNA的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸。
③双链DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构。
(2)外源基因在受体内表达的理论基础：①基因是控制生物性状的独立遗传单位。②遗传信息的传递都遵循中心法则阐
述的信息流动方向。③生物界共用一套遗传密码。
二、基因工程的基本工具
(一)限制性核酸内切酶——“分子手术刀”
(1)来源：主要从原核生物中分离。
(2)作用与特性：能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并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。
即一种限制酶一般只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点切割DNA分子。具有很强的特异性。
(3)作用对象：(切断)磷酸二酯键。
(4)两种末端(切口)：
黏性末端：错位切开的两条DNA单链，带有伸出的几个核苷酸，它们碱基正好互补配对，这样的切口。
平末端：平切的切口。
DNA分子经限制酶切割产生的DNA片段末端（切口）通常有两种形式——黏性末端和平末端：
①当限制酶在它的识别序列的中心轴线两侧将DNA分子的两条链分别切开(错位切)时，产生的是黏性末端。
②当限制酶在它识别序列的中心轴线处切开(平切)时，产生的是平末端。
(5)种类：目前已发现有4000多种。
【提醒】注意区别限制性核酸内切酶的特异性和专一性：限制性核酸内切酶的特异性是指一种限制酶一般只能识别一
种特定的核苷酸序列，并在特定的切点切割DNA分子。而其专一性是指只能切割DNA，而不能作用于RNA、蛋白质等其
他底物，酶的专一性是指一种酶只能催化一种或某一类化学反应。
(二)DNA连接酶——“分子缝合针”
(1)作用：将经限制性内切酶切下来的DNA片段连接成重组DNA分子。
(2)作用对象：(形成)磷酸二酯键。
(3)种类：
①E·coliDNA连接酶：只能连接互补的黏性末端。
②TDNA连接酶：既能连接互补的黏性末端，也能连接平末端。
4
【提醒】TDNA连接酶可以连接黏性末端(黏接)，也可以连接平末端(端接)，但黏接的效果比端接的效果要好许多。
4
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(三)基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
(1)作用：①作为载体，将外源基因送入受体细胞。②利用载体在受体细胞内，对外源基因进行大量复制。
(2) 化学本质：DNA。
(3)载体应具备的条件：
①能够在受体细胞中复制并稳定地保存，或者能整合到受体DNA上并随受体DNA进行同步复制。
②载体DNA必须有一个或多个限制酶切点，以便外源DNA片段(目的基因)插入其中。
③具有某些标记基因，便于重组DNA分子的筛选。
如抗生素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。
(4) 常用的载体有：质粒、噬菌体、某些动植物病毒等。
【难点突破】①载体(质粒)的标记基因的作用，用于筛选出含目的基因(重组DNA分子)的受体细胞。
②标记基因通常为抗生素的抗性基因。
③最常用的载体——质粒：一种裸露的、结构简单、独立于细菌染色体之外并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。
结构：细胞核或拟核外能自主复制的小型环状DNA分子。
分布：存在于许多细菌及酵母菌等生物中。
特性：质粒的复制能在宿主细胞内完成。质粒的存在对宿主细胞无影响。
在进行基因工程操作中，真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。
【知识整合】 (1) 限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶
限制性核酸内切酶 DNA连接酶
来 E.coliDNA连接酶来自 大肠杆菌 TDNA连接酶来
大多来自原核生物。 4
源 自T 噬菌体。
4
作 识别DNA特定的核苷酸系列，
把两条DNA末端之间的磷酸二酯键 “缝合”起来。
用 切割特定系列中的特定位点
区
别
实 使特定部位的两个核苷酸之间的
使DNA片段之间形成磷酸二酯键。没有特异性。
质 磷酸二酯键断开。具有特异性。
结 催化具有互补黏性末端或平末端的DNA片段连接起
形成黏性末端或平末端
果 来，形成重组DNA分子
都作用于磷酸二酯键，与氢键无关；都有催化作用，可以重复利用，都有专一性、高
联系
效性，受温度、PH等的影响等
(2)DNA连接酶与DNA聚合酶的比较
DNA连接酶 DNA聚合酶
作用实质 都是催化两个核苷酸之间形成磷酸二酯键
是否需模板 不需要 需要
连接DNA
双链 单链
链
将单个核苷酸加到已存在的核
作用过程 在两个双链DNA片段之间形成磷酸二酯键 酸片段(引物)上，形成磷酸二酯
键
作用结果 将已存在的DNA片段连接成重组DNA分子 合成新的DNA分子
【深度思考】如图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，则图中依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、
DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序如何？
【答案提示】限制性核酸内切酶能将DNA分子切割为DNA片段，符合图中①；DNA聚合酶在DNA复制过程中将脱
氧核苷酸连接成DNA链，符合图中④；DNA连接酶能连接不同的DNA片段，符合图中②；解旋酶能打开DNA双链形成
DNA单链，符合图中③。故正确顺序应为①④②③。
三、实验探究：DNA的粗提取与鉴定
(一)实验原理
1.提取思路：利用DNA与RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面存在的差异，选用适当的物理或化学方法对他
们进行提取。
2.提取原理：
(1)DNA不溶于酒精，但某些蛋白质溶于酒精，利用这一原理，可以初步分离
DNA与蛋白质.
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(2)DNA在不同浓度的NaCl溶液中的溶解度不同.：
DNA在NaCl溶液中的溶解度，是随着NaCl的浓度的变化而改变的。当氯化钠的物质的量浓度为0.14mol/L时，DNA
的溶解度最低。利用这一原理，可以使溶解在氯化钠溶液中的DNA析出。它能溶于2mol/L的NaCl溶液。
3.鉴定原理：在一定温度下（沸水浴）条件下，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色，因此二苯胺试剂可以作为鉴定DNA的
试剂。
(二)材料用具：新鲜洋葱或香蕉、菠菜、菜花、猪肝等；95%的酒精、2mol/L的NaCl溶液、二苯胺试剂和蒸馏水等。
(1)体积分数为95%的酒精：析出DNA。
(2)2mol/L 的NaCl溶液：溶解DNA。
(3)二苯胺试剂：鉴定DNA，要现配现用。
(4)研磨液： 含有NaCl、EDTA、SDS、Tris和HCl等。
【知识拓展】①SDS：使蛋白质变性与DNA分离。
②EDTA：一种DNA酶的抑制剂，可防止细胞破碎后DNA酶降解DNA。
③Tris-HCl：提供缓冲体系，DNA在这个缓冲体系中呈稳定状态。
(三)方法步骤：
1.取材、研磨：取30g洋葱，切碎，然后放入研钵中，倒入10mL 研磨液，
充分研磨。
①研磨的目的：破碎细胞，使核物质容易溶解在研磨液中
②研磨时间不宜太长：防止研磨时产生的热量影响DNA的提取量
③有条件的可以在材料处理的过程中加入纤维素酶、果胶酶。研磨效果好
（有利于充分研磨）
④研磨不宜太用力。
2.过滤或离心取上清液：在漏斗中垫上纱布，将洋葱研磨液过滤到烧杯中，在4℃冰箱中放置几分钟后，再取上清液。
也可直接将研磨液倒入塑料离心管中，1500r/min的转速下离心5min，再取上清液放入烧杯中。
①上清液中除DNA之外，可能含有哪些杂质？ 可能含有核蛋白、多糖等杂质
②低温放置几分钟的作用： 可抑制核酸水解酶的活性，进而抑制DNA降解；抑制DNA分子运动，使DNA易形成沉
淀析出；低温有利于增加DNA的柔韧性，减少其断裂；
3.预冷酒精析出DNA或离心收集沉淀中的DNA
在上清液中加入体积相等的、预冷的酒精溶液(体积分数为95%)，静置2-3min，溶液中出现的白色丝状物就是粗提取
的DNA。用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起丝状物，并用滤纸吸去上面的水分；
或将溶液倒入塑料离心管中，在10000r/min的转速下离心5min，弃上清液，将管底的沉淀物(粗提取的DNA)晾干。
①搅拌时应轻缓、并沿一个方向？ 减少DNA断裂，以便获得较完整的DNA分子
②酒精预冷的作用？(同低温放置的作用)：一是抑制核酸水解酶活性，防止DNA降解；二是低温有利于增加DNA分
子柔韧性，减少断裂。
4.NaCl溶液溶解DNA并鉴定：取两支20mL的试管，各加入2mol/L的NaCl溶液5mL。将丝状物或沉淀物溶于其中
一支试管的NaCI溶液中。向两支试管中各加入4mL的二苯胺试剂。混合均匀后，将试管置于沸水中加热5min。待试管冷
却后，比较两支试管中溶液颜色的变化。
第2节 基因工程的基本操作程序
基因工程的基本操作主要包括四个步骤：目的基因的筛选与获取、基因表
达载体的构建、将目的基因导入受体细胞(转化)、目的基因的检测与鉴定。
一、目的基因的筛选与获取
(一）目的基因：在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或
获得预期表达产物等的基因。主要指能够编码(特定)蛋白质的基因，也可以是
一些具有调控作用的因子。如：培育抗虫棉所用的抗虫基因。
(二)筛选合适的目的基因：
1.筛选方法：从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选。
2.实例：
【相关信息】①Bt抗虫蛋白的抗虫原理： 当Bt抗虫蛋白被分解为多肽后，多肽与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合，
导致细胞膜穿孔，最后造成害虫死亡。
②抗虫棉中的Bt抗虫蛋白会不会对人畜产生危害？ Bt抗虫蛋白只有在某类昆虫肠道的碱性环境中才能表现出毒性，
而人和牲畜的胃液呈酸性，肠道细胞也没有特异性受体，因此，Bt抗虫蛋白不会对人畜产生上述影响。
(三)利用PCR获取和扩增目的基因
1.PCR含义：是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。PCR是聚合酶链式反应的缩写。
2.目的：获取和扩增目的基因。
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3.原理：利用DNA半保留复制。
4.前提条件：要有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列合成引物。
5.过程：PCR扩增目的基因包括多轮循环，每一轮包括：变性、复性和延伸三步。
第一步：变性：加热至90～95℃，DNA解链为单链。
第二步：复性：冷却到55～60℃，引物结合到互补DNA链。
第三步：延伸：加热至70～75℃，热稳定DNA聚合酶从引物起始进行互补链的合成。
以上三步不断循环。
【提示】上述过程可以在PCR扩增仪(PCR仪)中自动完成，完成以后，常采用琼脂糖凝胶电泳一定要鉴定PCR的产
物。
♦引物：一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸。
细胞内DNA复制是RNA引物，而PCR中是DNA引物。
♦热稳定性DNA聚合酶(Taq酶)：耐热，热稳定性较高，其催化作用的最适温度是70～75℃。
6.利用PCR技术扩增目的基因的条件
(1)原料：4种脱氧核苷酸。
(2)热稳定性DNA聚合酶(Taq酶)：催化DNA子链的延伸。
(3)模板：含有目的基因的DNA的两条单链。
(4)引物：无数对DNA引物(过量)。
(5)添加有Mg2+的缓冲液： Mg2+用于激活DNA聚合酶。缓冲液提供扩增反应所需的适宜PH。
(6)温度控制。
【知识整合】(1)细胞内参与DNA复制的各种组成分的作用
条件 组分 作用
模板 DNA的两条单链 提供复制的模板
原料 四种脱氧核苷酸 合成DNA子链的原料
解旋酶 打开DNA双螺旋
酶
DNA聚合酶等 催化合成DNA子链
能量 ATP 为解螺旋和合成子链供能
引物 RNA引物 为DNA聚合酶提供合成的3′端起点
(2)细胞内DNA复制与PCR技术的比较
细胞内DNA复制 PCR技术
解旋 在解旋酶作用下边解旋边复制 80~100℃高温解旋，双链完全解开
酶 DNA解旋酶、 DNA聚合酶 热稳定性DNA聚合酶（Taq聚合酶）
不
同 引物 RNA引物 DNA引物
点
温度 细胞内温和条件 体外高温条件
合成对象 DNA分子 DNA片段或基因
①需要模板、能量、酶；
相
②需要四种脱氧核苷酸作原料；
同
③子链延伸的方向都是从5′端向3′端；
点
④原理：碱基互补配对。
二、基因表达载体的构建
重组载体的构建是基因工程的核心，其目的是把目的基因和载体组合成一个新的DNA分子，以便将目的基因送进受体
细胞。
(一)基因表达载体的功能：
1.使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代。
2.使目的基因能够受体细胞中表达和发挥作用。
(二)基因表达载体的组成：
①启动子：一段特殊的DNA片段，位于目的基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录。
②终止子：一段特殊的DNA片段，位于目的基因的尾端，使转录终止。
启动子和终止子是目的基因表达所必需的。
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③标记基因：一般为抗生素抗性基因或荧光蛋白基因。
标记基因的作用：鉴别受体细胞中是否含有目的基因，筛选含有目的基因的受体细胞。
④复制原点：解旋酶和DNA聚合酶结合位点，是DNA复制所必需的。
【难点突破】区分“启动子”和“起始密码子”、“终止子”和“终止密码子”
点拨：(1)启动子：可与RNA聚合酶特异性结合而使转录开始的一段DNA序列。但启动子本身并不被转录，属于基因
上游对转录起调控作用的5′ 端非编码区。
(2)终止子：在转录过程中，提供转录终止信号的DNA序列。
(3)起始密码子：mRNA中规定编码多肽链第一个氨基酸的密码子。细菌的起始密码为AUG，转译为n-甲酰基甲硫氨
酸；或较罕见的GUG(缬氨酸)。真核生物的起始密码子总是AUG，转译为甲硫氨酸。起始密码子在相应的DNA中为
ATG。
(4)终止密码子：mRNA中作为转译多肽链终止信号的三联体密码子，可终止蛋白质合成。其本身并不决定氨基酸，主
要有3种，包括UAG、UAA、UGA。
【特别提示】启动子和终止子都位于基因的非编码区，不具有转录作用。起始密码子和终止密码子是位于mRNA中，
由基因的编码区转录而来。
(三)构建基因表达载体过程：
1.先用一定的限制酶去切割载体(质粒)，使它出现一个切口，露出末端。
2.然后用同种限制酶或能产生相同末端的限制酶切断含目的基因的DNA，使二者产生相同(或互补)的末端；
3.将切下的目的基因的片段插入载体的切口处，再加入适量的DNA连接酶；
4.二者的(黏性末端)因碱基互补配对而结合，再加上DNA的连接酶的作用，而结合成重组DNA分子——重组质粒。
【知识深化】
(1)对载体质粒和含目的基因的DNA的切割一般用同一种限制酶，为形成相同的黏性末端。
如果是用不同的限制酶，但必须要形成相同的(或互补的)黏性末端。
(2)构建基因表达载体时，对载体质粒和含目的基因的DNA一般采用用双酶切，而不用单酶切。 是因为这样可实现目
的基因与载体发生定向连接，可防止它们之间的反向连接，还可防止目的基因和载体DNA的自身环化。
(3)目的基因不能单独进入受体细胞，必需以表达载体的方式携带进去。
(4)基因表达载体的构建是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。
三、将目的基因导入受体细胞
1.转化：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。
2.常用的受体细胞：
微生物细胞（如大肠杆菌、酵母菌）；
植物细胞；
动物细胞（主要是动物的受精卵）。
3.将目的基因导入植物细胞(转化植物细胞)的方法：
(1)农杆菌转化法：将目的基因导入植物细胞最常用的方法。 (用于双子叶植物)。。适用于双子叶植物和裸子植物，不
适用于单子叶植物。
♦农杆菌的特点：农杆菌是一种在土壤中生活的微生物，能在自然条件下感染双子叶植物和裸子植物，而对大多数单子
叶植物没有感染能力。
当植物体受到损伤时，伤口处的细胞会分泌大量酚类化合物，吸引农杆菌移向这些细胞，这时农杆菌中的Ti质粒上的
T-DNA可转移至受体细胞，并整合到受体细胞的DNA上。
♦农杆菌转化步骤：
(2)花粉管通道法：我国科学家独创。主要有两种做法：一是先将目的基因导入花粉，再通过受精获得导入基因的植株。
二是在植物自花授粉后，将目的基因滴在剪开的柱头上，使其沿着花粉管进入胚囊，完成基因导入。目前，后一种方法已
在水稻、棉花等农作物上获得了成功。
(3)基因枪法：常用于单子叶植物。将目的基因吸附在微小的金粒或钨粒表面，然后将微粒用基因枪高速射入受体细胞
或组织。该法已广泛应用于被子植物的基因导入。
4.将目的基因导入动物细胞(转化动物细胞)的方法——显微注射法。
显微注射法。借助光学显微镜的放大作用，利用一种极细的注射器直接将目的基因注射到细胞中。利用这种方法已生
产出了鼠、兔、羊、猪、牛等转基因动物。
基本操作程序：目的基因表达载体提纯→取卵（受精卵）→显微注射→受精卵→移植到雌性动物的输卵管或子宫内→
发育成具有新性状的动物。
5.将目的基因导入微生物细胞——感受态细胞法
(1)原核细胞适于做受体细胞的原因：繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对少。
(2)导入方法：感受态细胞法(或叫Ca2+处理法)。
(3)转化的步骤：
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①用CaCl 溶液处理大肠杆菌，增大其细胞壁及细胞膜的通透性，使其处于感受态（易吸收周围环境中DNA分子的生
2
理状态）；
②重组表达载体DNA分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合，在一定温度下促进感受态细胞吸收DNA分子，完成转化
过程。
四、目的基因的检测与鉴定
(一)分子水平的检测：
1.检测转基因生物(受体) 的染色体DNA上是否插入了目的基因：
♦常用方法：(1)DNA分子杂交：观察是否出现杂交带。如果出现杂交带说明目的基因已插入到受体细胞DNA上。
(2)PCR技术。根据目的基因的碱基序列设计特异性引物，进行PCR扩增，如果能扩增出目的基因，说明目的基因已
插入到受体细胞DNA上。
2.转录检测——即目的基因是否转录出了相应的mRNA。
♦方法：(1)分子杂交法，用于检测目的基因转录的mRNA。若出现杂交带说明目的转录成功。
(2)PCR技术。提取受体生物的mRNA，进行逆转录获取cDNA，再利用目的基因特异性引物，进行PCR扩增，如果
能扩增出目的基因，说明目的基因转录成功。
3.翻译检测——检测目的基因是否翻译成蛋白质：
♦方法：抗原—抗体杂交。若出现杂交带，说明目的基因已翻译成功。
(二)个体生物学水平上的鉴定：检测转基因生物是否表现出目的基因所控制的性状。如抗虫或抗病的鉴定等。
(1)抗虫或抗病的接种实验。
(2)有的基因工程产品需要与天然产品的功能进行活性比较。
例如，对于导入某种鱼的抗冻蛋白基因的转基因番茄，需要先通过栽培获得果实后，再与天然产品比较，确定其是否
具有了抗冻性状。
【知识整合】目的基因的检测与鉴定：
检测过程 检测对象 方法原理 现象结论
目的基因是否整合到受 DNA分子杂交法或 出现杂交带，说明已整合；或
目的基因
体生物的染色体DNA上 PCR技术 经鉴定PCR能扩增出目的基因
mRNA或目 分子杂交法 出现杂交带，说明已转录或经
目的基因是否转录
的基因 或PCR技术 鉴定PCR能扩增出相应的产物
目的基因是否翻译 蛋白质 抗原-抗体杂交 出现杂交带，说明已翻译
包括做抗虫、抗病的接种实验，以确定是否有抗性以及抗性的程度；对
个体水平检测 基因工程产品与天然产品的功能进行活性比较，以确定功能活性是否相
同
【关于构建基因表达载体的两个问题】
(1)构建基因表达载体时对载体和含目的基因的DNA为什么要有同一种限制酶切割？是否可能用不同的限制酶切割？
提示：①对于载体（质粒）和含目的基因的DNA一般用同样的限制性内切酶切割，可形成相同（或互补）的黏性末端，
便于二者拼接。
②若使用的限制酶不同，但形成的黏性末端必须相同（互补）。
(2)在构建基因表达载体时，用双酶（即两种限制酶）切割，而一般不用单酶切割，这样做有什么优点？如下图，用
EcoRⅠ和HindⅢ双酶切。
提示：在构建基因表达载体时，一般是双酶切，而不用单酶切，因为这样可实现目的基因与运载体发生定向连接，可
防止它们之间的任意连接，可防止目的基因和载体DNA的自身环化。
【方法突破】限制酶种类的选择——限制酶选择的注意事项：
(1)根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类：
①应选择切点位于目的基因两端的限制酶，如图甲可选择PstⅠ。
②不能选择切点位于目的基因内部的限制酶，如图甲不能选择SmaⅠ。
③为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接，也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒，如图甲也可选择用Pst
Ⅰ和EcoR Ⅰ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切点)。
(2)根据质粒的特点确定限制酶的种类：
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①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶相一致，以确保具有相同的黏性末端。
②质粒作为载体必须具备标记基因等，所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构，如图乙中限制酶Sma Ⅰ会破坏标
记基因；如果所选酶的切点不是一个，则切割重组后可能丢失某些片段，若丢失的片段含复制起点区，则切割重组后的片
段进入受体细胞后不能自主复制。
五、实验探究：DNA片段的扩增和电泳鉴定
(一)实验原理：
1.利用PCR在体外进行DNA片段扩增的原理：
(1)PCR利用了DNA的热变性原理，通过调节温度来控制DNA双链的解聚与结合，PCR仪实质上就是一台能够自动调
控温度的仪器。
(2)PCR扩增DNA片段还利用了DNA半保留复制的原理。一次PCR一般要经历30次循环
2.DNA片段电泳鉴定的原理：
(1)使DNA带上电荷：DNA分子具有可解离的基团，在一定的pH下，这些基团可以带上正电荷或负电荷。
(2)迁移动力与方向：在电场的作用下，这些带电分子会向着与它所带电荷相反的电极移动，这个过程就是电泳。
(3)迁移速度：PCR的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定。在凝胶中DNA分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子
的大小和构象等有关(呈负相关的关系)。
(4)检测：凝胶中的DNA分子通过染色，可以在波长为300nm的紫外灯下被检测出来。
【拓展】影响DNA片段迁移速率的影响
(1)凝胶浓度：制成的琼脂糖凝胶是一种带孔的筛网状多聚物。凝胶浓度越小，筛孔越大，DNA分子迁移速率就越高；
凝胶浓度越大，筛孔越小，DNA分子迁移速率就越低。
(2)DNA分子的大小：当凝胶浓度相同时，较大的DNA分子因体积大，所占据的空间大，在穿过凝胶孔隙时会遇到较
大的阻力，穿过孔隙相对困难，迁移速率低。反之，迁移速率就高。因此，电泳一段时间后，较大的DNA分子迁移距离
小，离加样孔近；而较小的DNA分子迁移距离大， 离加样孔远。相同大小的DNA分子则会聚集在凝胶同一特定的位置
上。根据这一特性，可以把不同大小的DNA分子分离开来。
(3)DNA的构象与迁移速率：(相同大小的DNA片段) 双螺旋环状DNA＞双螺旋链状DNA＞单链DNA。
(二)材料用具
1.仪器：PCR 仪、微量离心管、微量移液器、一次性吸液枪头、电泳装置(包括电泳仪电泳槽等)。
(1)PCR仪(自动控温，实现DNA的扩增)
(2)微量离心管(实际上是进行PCR反应的场所)
(3)微量移液器(用于向微量离心管转移PCR配方中的液体)
(4)一次性吸液枪头(微量移液器吸取一种试剂更换一次枪头)
(5)电泳装置(包括电泳仪、电泳槽等)
2.材料试剂：4种脱氧核苷酸的等量混合液、2种引物、DNA 聚合酶、模板 DNA 、扩增缓冲液、无菌水、电泳缓冲液
(TAE或TBE) 、凝胶载样缓冲液(内含指示剂：溴酚蓝) 、琼脂糖和核酸染料(常用核酸染料为EB(溴化乙锭)等。
【拓展】(1)EB可插入DNA双链碱基之间，形成EB-DNA复合物。该复合物在紫外线激发下，发射出红橙色荧光。
EB-DNA复合物荧光强度与DNA含量成正相关，根据荧光强度可粗略地估计样品中DNA含量。（EB有剧毒）
(3)凝胶载样缓冲液的指示剂：①溴酚蓝和二甲苯氰FF是两种在电场中以预知速率向正极泳动的染料。溴酚蓝呈现蓝紫
色，与长300bp的双链线状DNA的迁移速度相同；二甲苯青FF呈现蓝色，与长4kb的双链线状DNA的迁移速度相同。
这两种指示剂能够分别显示300bpDNA和4kbDNA的电泳进程，指示终止电泳的时间。在电泳时，当溴酚蓝染料移动到距
凝胶前沿1~2cm处，要停止电泳。
②指示剂的作用：㈠指示终止电泳的时间。在电泳时，当溴酚蓝染料移动到距凝胶前沿1~2cm处，要停止电泳。㈡使
样本呈现颜色。完成加样的加样孔呈现 蓝色，未加样的加样孔为无色，从而使加样操作更加便利。
(3)样品密度较小，容易流入附近加样孔，会造成交叉污染，影响结果的分析。缓冲液中含有的甘油或蔗糖成分能够增
加样品密度，保证每个样品更 容易沉入各自的加样孔，防止飘散进入其他加样孔。
(三)方法步骤：
1.DNA片段的扩增：移液→离心→扩增。
注：预变性的作用：使DNA充分变性，以利于引物更好地与模板链结合
2.DNA片段的电泳鉴定：配制琼脂糖溶液→制备凝胶→加样→电泳→观察记录。
(四)结果分析与评价：
(1) 1.你是否成功扩增出DNA片段？判断的依据是什么？可以在紫外灯下直接观察到DNA条带的分布及粗细程度来
评价扩增的结果。进行电泳鉴定的结果应该是一条条带。
(2)你进行电泳鉴定的结果是几条条带？如果不止一条条带，请分析产生这个结果的可能原因。
▼未出现扩增条带可能的原因有： (1)漏加了PCR的反应成分，各反应成分的用量不当； (2)PCR程序设置不当等；
(3)TaqDNA聚合酶失活； (4)引物出现质量问题，如容易聚合成二聚体； (5)变性时温度低，变性时间短；
(6)Mg2+浓度过低。
▼出现非特异性扩增带可能的原因有： (1)引物特异性不强(如，它们与非目的序列有同源性)； (2)复性时的温度过低
(退火温度过低)； (3)DNA聚合酶的浓度过高； (4)模板DNA出现污染；(5)Mg2+浓度过高。
【拓展】DNA标记 （DNA-Marker）， 凝胶电泳时用到的标准参照物是DNA标记 （DNA-Marker），它含有若干
组碱基对数目已知且具有一定梯度变化的DNA片段。DNA-Marker和 样本DNA同时进行凝胶电泳，通过对比两者的迁
移速率，可以大致估计样本DNA的大小。
第3节 基因工程的应用
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自20世纪70年代兴起后，得到飞速发展，展示出广阔前景。
一、基因工程在农牧业方面的应用
1.转基因抗虫植物：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物，是目前防
治作物虫害的一种发展趋势。已问世的转基因抗虫植物有转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稲和马铃薯等。
2.转基因抗病植物：许多栽培作物由于自身缺少抗病基因，因此用常规育种的方法很难培育出抗病的新品种。科学家
将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物，目前已经获得抗烟草花叶病毒的转基因烟
草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等多种作物。
3.转基因抗除草剂植物：杂草常常危害农业生产，而大多数除草剂不仅能杀死田间杂草，还会损伤作物，导致作物减
产。将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的作物品种。这样在喷洒除草剂时，田间杂草会被杀
死而作物不会受到损伤。目前已经获得转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
4.改良植物的品质：随着生活水平的提高，人们越来越关注植物的营养价值、观赏价值等，利用转基因技术可以改良
这些品质。例如，将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导人植物中，可以提高这种氨基酸的含量，科学家培育的某种转
基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。我国科学家成功地将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自
然界没有的颜色变异，大大提高了它的观赏价值。
(一)转基因植物的应用：
1.主要用于提高农作物的抗逆能力(如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等)。
2.改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。
(二)转基因动物的应用：
1.用于提高动物的生长速度。将外源生长激素基因导入动物的受精卵中，培育转生长激素动物。
2.改善畜产品的品质：转肠乳糖酶基因奶牛。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
对微生物或动植物细胞进行基因改造，使它们能够生产药物，是目前基因工程取得实际应用成果非常多的领域。
1.用转基因动物生产药物。
(1)利用基因工程技术使哺乳动物本身变成“批量生产药物的工厂”。
利用乳腺生物反应器或乳房生物反应器生产抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等。
▼用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程：
①获取目的基因（例如血清白蛋白基因）
②构建基因表达载体(提示：要在血清白蛋白基因前加上乳腺组织中特异性表达的启动子，即乳腺蛋白基因的启动子）
③显微注射导入哺乳动物受精卵中→形成胚胎→将胚胎送入母体动物→发育成转基因动物(只有在产下的雌性个体中，
转入的基因才能表达)。
▼乳腺生物反应器的优、缺点：
①优点：①产量高；②质量好； ③成本低；④易提取。
②缺点：乳腺生物反应器受生物性别的限制，动物的泌乳期有一定的时间限制。
(2)利用基因工程方法制造“工程菌”，可高效率地生产出各种高质量、低成本的药品。
利用转基因的工程菌生产药品：细胞因子、抗体、疫苗、激素等。
▼传统制药方法：①直接从生物体组织、细胞或血液中提取。由于原料来源有限，所以价格昂贵。
②化学合成方法：易对环境造成污染。
【乳腺（房）生物反应器的深入理解】
(1)用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程与转基因动物操作过程相同。而不同之处在于：为了将目标产
品在奶中形成，需要使用乳腺组织中特异表达的启动子，要在编码目的蛋白质的基因序列前加上乳腺蛋白基因的启动子
（即乳腺组织中特异表达的启动子）构建成表达载体。
(2)操作大致过程：
(3)乳腺生物反应器的优点：①产量高；②质量好；③成本低；④易提取。
(4)应用：利用乳腺生物反应器或乳房生物反应器生产抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等。
【教材拓展】为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？
①乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。
②从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提纯，表达的蛋白质已经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。
③从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时，转基因动物又可不断繁殖。
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2.用转基因动物作器官移植的供体。
常用方法：将器官供体基因组导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，再结合克
隆技术，培育出没有免疫排斥反应转基因克隆猪器官。
三、基因工程在食品工业方面的应用
基因工程菌是指用基因工程的方法，使外源基因得到高效率表达的菌类。 利用基因工程菌除了可以生产药物，还能生
产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
如，阿斯巴甜是一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可以通过基因工程实现大规
模生产。科学家将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。
四、基因工程与环境保护
1.用于环境监测。利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死
亡，甚至还可以吸收和转化污染物。
2.用于被污染环境的净化。如改造分解石油的细菌，提高分解石油能力：通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，
用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物；生产转基因微生物，吞食转化环境中的汞、镉等
重金属，降解DDT等毒害物质和处理工业废水。
第4节 蛋白质工程的原理和应用
▼蛋白质工程的概念
指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种
新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。
蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。
目的：改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。
实现途径：改造基因或合成基因。
基础(依据)：结构生物学(蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系。
一、蛋白质工程崛起的缘由
(一)基因工程的实质和不足：
1.实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。
2.不足：基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些天然蛋白质是生物长期在进化过程中形成的，它们的
结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
(二)蛋白质工程崛起的缘由：
1.基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定
完全符合人类生产和生活的需要。
2.蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。
而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。
分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段。
【问题】对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？
提示：应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改
造了基因即对蛋白质进行了改造。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的，因为
蛋白质不能复制。而基因(DNA)能进行复制，随细胞分裂而遗传下去。
②对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。
二、蛋白质工程的基本原理
天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：基因表达(转录和翻译) →具有特定氨基酸序列的多肽链→折叠、卷曲
盘旋形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能。
1.蛋白质工程的基本思路：
2.蛋白质工程实例：速效胰岛素的生产
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【提醒】蛋白质工程最终还是要回到基因工程上来，因为蛋白质的合成由基因控制，所以说蛋白质工程是在基因工程
的基础上延伸出来的第二代基因工程；基因工程的目的基因一般为自然界中存在的基因，而蛋白质工程中的基因不是自然
界存在的或者是经过改造的基因。
【知识整合】蛋白质工程与基因工程的区别：
蛋白质工程 基因工程
预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结 获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因
过程 构→推测应有的氨基酸序列→找到相 导入受体细胞→筛选含有目的基因的受体细胞→
区 对应的脱氧核苷酸序列 目的基因的检测与鉴定
别 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生
实质 定向改造或生产人类所需的蛋白质
物类型或生物产品
结果 可生产自然界没有的蛋白质 只能生产自然界已有的蛋白质
(1)蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出的第二代基因工程；
联系
(2)基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造。
三、蛋白质工程的应用
1.蛋白质工程可以改变蛋白质的性状和功能
(1)提高蛋白质的热稳定性
(2)改变蛋白质的活性，延长作用时间
(3)提高蛋白质的效能
(4)合成嵌合抗体
【提示】蛋白质工程难度很大，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复
杂。
第4章 生物技术的安全性与伦理性问题
第1节 转基因技术的安全性
一、转基因成果令人叹为观止
1.转基因微生物：
(1)对微生物的基因改造是基因工程中研究最早、最广泛和取得实际应用成果最多的领域，这是因为微生物具有生理结
构和遗传物质简单、生长繁殖快、对环境因素敏感、容易进行遗传物质操作等优点。
(2)实例：①减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期；
②构建高产、优质的基因工程菌生产氨基酸是目前工业化生产氨基酸的重要途径；
③基因工程菌生产药物几乎涉及各种类型疾病的治疗。
2.转基因动物：
(1)将生长激素基因、促生长激素释放激素基因等转入动物体内，培育了生长迅速、营养品质优良的转基因家禽、家畜。
(2)将某些抗病毒的基因转入动物体内，培育了抵抗相应病毒的动物新品种。
(3)建立某些人类疾病的转基因动物模型，模拟疾病的发生和发展过程，为研究该疾病的致病机制和开发治疗药物提供
依据，如转基因小鼠1型糖尿病模型、转基因小鼠原发性高血压模型等。
3.转基因植物：
(1)研究成果：科学家已经培育出了大批具有抗虫、抗病、抗除草剂和耐储藏等新性状的作物。以转基因耐储藏番茄为
例，科学家利用转基因技术显著抑制番茄中乙烯形成酶的活性和乙烯的生成量，从而育成了转基因耐储藏番茄。
(2)转基因植物的推广
2017年，全世界种植转基因作物的国家已达24个，种植面积排名前十位的国家如下，这些国家转基因作物的种植面积
都超过了1×106hm2。
①种植的转基因作物中大豆和玉米最多，其次是棉花和油菜。
②我国批准发放了转基因棉花、番木瓜、水稻和玉米等作物的生产应用安全证书，但截至2017年，只有转基因棉花和
番木瓜获准商业化种植。
③我国还批准发放了转基因棉花、大豆、玉米、油菜、甜菜、番木瓜的进口安全证书，但我国进口的基本上是转基因
棉花的纤维，还有这几种作物在国外的直接加工产品。
二、对转基因生物的安全性的争论
(一)争论原因：
1.人们所生活的国家或社会、政治制度、意识形态、宗教信仰、经济发展水平、历史背景、传统文化和伦理道德观念
等的差异，决定了人们具有不同的价值观取向。
2.科学发展水平的限制。
(1)对基因的结构，基因间的相互作用及基因的调控机制都了解的相当有限；
(2)转移的基因虽然是功能已知的基因，但不少是异种生物的基因；
(3)外源基因插入宿主基因组的部分往往是随机的。在转基因生物中，有时候会出现一些人们意想不到的后果。
(二)争论的焦点：
(1)食物安全：转基因食品是否安全？
(2)生物安全：各类活的转基因生物释放到环境中，对生物多样性是否构成潜在的风险和威胁？
(3)环境安全：转基因生物对生态系统的稳定性和人类生活的环境造成破坏？
(三)辩论：
对于“转基因食品的安全性”的辩论可从以下几个方面进行：
1.转基因食品的“实质性等同”，即转基因农作物中只要某些重要成分没有发生改变，是否就可以认为与天然品种
“没有差别”。
2.滞后效应。转基因农作物是否可能合成出对人体有直接毒性或潜在毒性的蛋白质，甚至食用者在过了若干年或一两
代之后，问题才显现出来。
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3.是否出现新的过敏原。
4.营养成分是否改变。
5.把动物蛋白基因转入农作物，是否侵犯了教信仰者或素食者的权益。
1.绝不能对转基因食品 2.不必担心转基因食品的安全性，这些问题在
观点
的安全性问题掉以轻心 技术上可以解决
反对实质性等同 支持实质性等同
多环节、严谨的安全性评估，可以保证转基因
担心滞后效应
食品的安全
担心出现新的过敏原 科学家负责的态度，可以防止新过敏原的产生
论据
至今尚未发现一例因使用转基因食品而影响人
担心营养成分改变
体健康的实例
担心把动物蛋白基因转
根据举例排除法，没有足够的证据证明转基因
入农作物，侵犯了宗教
食品有问题，就应该判断它没有问题
信仰或素食主义的权益
三、理性看待转基因技术
1.首先认识到转基因技术的应用前景是非常广阔的，以基因工程为代表的一大批生物技术成果，进入人类的生产和生
活，特别是在医药和农业生产上发挥了极大的作用。
2.要正视转基因技术带来的安全性问题，切实认识到个别有害转基因生物的有害性，要趋利避害，而不能因噎废食。
3.完善相应的法令法规，利用法制手段确保转基因生物的安全性。
4.增强科学家的法制意识，提高科学家的研究道德水平。
第2节 关注生殖性克隆人
一、生殖性克隆人面临的伦理问题
(一)克隆人的过程：
(二)生殖性克隆与治疗性克隆：
1.生殖性克隆：以生产完整的克隆人为目的，将实验室培养的早期胚胎移植入人类的子宫中，发育为完整胎儿的过程
叫生殖性克隆。
2.治疗性克隆：治疗性克隆是指通过克隆技术产生特定的细胞、组织和器官，用它们来修复或替代受损的细胞、组织
和器官，从而达到治疗疾病的目的。
【提醒】生殖性克隆：是指以繁殖个体为目的，即用于产生人类个体。属于无性繁殖。
治疗性克隆：是指利用核移植技术获得克隆人胚胎，然后从胚胎中提供干细胞进行医学研究，利用克隆技术产生特定
细胞和组织(皮肤、神经或肌肉等)用于治疗性移植。
(三)生殖性克隆人面临的伦理争议：
争论焦点——两种观点的比较
观点 赞成 反对
1.是一项科学研究，应该支 1.克隆人严重违反了人类伦理道德。
持。 2.冲击了现有的婚姻、家庭和两性关系等传统伦理道德观念。
2.道德观念可以改变。 3.克隆人是制造心理上和社会地位上都不健全的人。
论据
3.技术问题可通过胚胎分级、 4.技术不成熟。①重构胚胎成活率低。②移植入母体子宫后胚
基因诊断、染色体检查来解 胎着床率低、流产率高、胎儿畸形率高。③出生后死亡率
决。 高，正常个体极少。
二、我国禁止生殖性克隆人
1.我国政府的态度：——四不原则：
不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人的实验，但是不反对治疗性克隆。
2.我国政府一再重申四不原则的原因：
①克隆人克隆人只是某些人出于某种目的制造出的“产品”，没有“父母”，这可能导致他们在心理上受到伤害；
②由于技术问题,可能孕育出有严重生理缺陷的克隆人；
③克隆人的家庭地位难以认定，这可能使以血缘为纽带的父子、兄弟和姐妹等人伦关系消亡；
④生殖性克隆人冲击了现有的一些有关婚姻、家庭和两性关系的伦理道德观念；
⑤生殖性克隆人是对人类尊严的侵犯；
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⑥生殖性克隆人破坏了人类基因多样性的天然属性，不利于人类的生存和进化。
3.我国重视治疗性克隆涉及的伦理问题：
我国政府不反对治疗性克隆，但主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。颁布了《人类辅助生殖技术管理办法》
《人类辅助生殖技术规范》和《人类辅助生殖技术和人类精子库伦理原则》；针对干细胞研究，我国制定了《人胚胎干细
胞研究伦理指导原则》和《干细胞临床研究管理办法(试行)》，以保证干细胞的研究在有关规定下进行，并尊重国际公认
的生命伦理准则，促进我国干细胞研究健康发展。
三、警惕用新技术研究生殖性克隆人
1.干细胞研究取得一系列重大进展
(1)外国科学家用4种转录因子诱导人的成纤维细胞转变成为iPS细胞。
(2)我国科学家用4种小分子化合物诱导小鼠成纤维细胞转变成为iPS细胞，在一定程度上避免了用特定的转录因子诱
导iPS细胞可能带来的致癌风险。
(3)科学家已经成功用iPS细胞克隆出了活体小鼠。
2.人类基因组编写计划
(1)国外部分科学家和企业家希望合成人类整个基因组。
(2)支持者认为这将培育出用于移植的人体器官，还会加速疫苗的研发，反对者认为这可能造出“无父母”人类或者拥
有相同基因组的“克隆人”。
【知识深化】生殖性克隆与治疗性克隆：
生殖性克隆：①定义：是指以繁殖个体为目的，使用克隆技术在实验室制造人类胚胎，然后将胚胎移植到受体子宫发
育成胎儿或婴儿，即用于产生人类个体，属于无性繁殖。。
②流程：
治疗性克隆：①定义：是指利用核移植技术获得克隆人胚胎，然后从胚胎中提供干细胞进行医学研究，或干细胞诱导
产生特定细胞和组织（皮肤、神经或肌肉等）用于治疗性移植。
②流程：
四、设计试管婴儿引发的伦理问题：
1.试管婴儿和设计试管婴儿的区别：
①试管婴儿：是指通过体外受精和胚胎移植技术而产生的婴儿。在该技术过程中，精子和卵子从人体中取出来，在人
工提供的生活条件下（通常是在试管中）进行受精，并让体外受精的受精卵在试管中发育，再把发育到一定阶段的胚胎移
植到“代理母亲”的子宫内，继续发育直至诞生。主要目的是解决不育问题。
②设计试管婴儿：是在试管婴儿培育的基础上，在早期胚胎移入母体子宫之前，对胚胎进行遗传学诊断，如诊断血型、
诊断性别、诊断HLA的类型等等，有选择性地把胚胎植入母体子宫，以达到生出所需类型婴儿的一种技术手段。主要用
于治疗疾病等特殊目的。
一般我们所说的试管婴儿，不必经过 基因检测 （遗传学诊断） 这一步骤。
2.争论焦点——两种观点的比较：
观点 不符合伦理道德 符合伦理道德
1．把试管婴儿当成人体零配件工厂，是对生命 1．是出于父母强烈的爱子之心
的不尊重。 2．是救人最好、最快捷的方法
论据 2．抛弃或杀死多余的胚胎无异于“谋杀” 3．提供骨骼中造血干细胞不会对试管婴儿
3．有人会滥用试管婴儿技术，如设计性别 造成损伤
4．脐带血更是“身外之物”
【提示】设计试管婴儿所引发的主要问题是将此技术用于设计试管婴儿性别与不适合的胚胎处理问题。
【知识整合】试管婴儿和设计试管婴儿的比较：
(1)不同点：①所用技术手段：设计试管婴儿胚胎移植前需进行遗传学诊断或基因诊断，试管婴儿不需进行遗传学诊断
或基因诊断。
②应用：试管婴儿主要是解决不孕夫妇的生育问题，设计试管婴儿主要用于白血病、贫血症的治疗。
(2)相同点：都是体外受精，并进行体外早期胚胎培养，都要经过胚胎移植，都是有性生殖。
第3节 禁止生物武器
一、生物武器的种类和传播途径
1.什么是生物武器：生物战剂及施放它的武器、器材总称生物武器。
生物战剂是指在战争中使人、畜致病，毁伤农作物的病原微生物及其毒素。
2.生物武器的种类：
(1)致病菌类：波特淋菌、鼠疫菌、霍乱弧菌、炭疽杆菌等。
(2)病毒类：天花病毒、动物痘病毒等。
(3)生化毒剂：如肉毒杆菌毒素。
(4)经过基因重组的致病菌：新型鼠痘病毒、转基因流感病毒。
◆把这些病原体直接或者通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散布到敌方，可以对军队和平民造成大规模杀伤后果！
3.生物武器的传播途径：
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(1)通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散步。
(2)经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人、畜体内。
三、生物武器危害的特点
1.致病力强：少量的致病菌就可以使人死亡；死亡率高。
2.较隐蔽：不易被发现，易传播，发病有潜伏期。
3.攻击范围广（传染性强）：污染面积大，危害时间长，传染途径多，人类容易感染。
4.治疗困难：很多疾病没有治疗的特效药。
5.难以发现：很多生化毒剂无色、无味，不容易发现，若在夜间或多雾时偷偷使用就更难及时发现。
概括说：一是极具破坏性，二是难以检测。
四、对生物武器的威胁，不能掉以轻心
1.细菌武器、生化毒剂的威胁：某些国家以科学研究为名，进行细菌武器、生化毒剂的研究和储存，如生产和储存传
染性极强、致死率极高的炭疽杆菌，保存着天花病毒毒株等。
2.新型致病菌的威胁：转基因技术的出现后，使得制造各种新型的致病菌成为可能，如新型的鼠痘病毒、重组的蜡状
杆菌、转入生物毒素分子基因的流感病毒、改造流感病毒基因使具有某种易感基因的民族感染该病毒。
3.《禁止生物武器公约》：彻底销毁生物武器是全世界爱好和平的人民的共同期望。1972年4月，苏联、美国、英国
分别在其首都签署了《禁止生物武器公约》，该公约与1975年3月生效，1984年11月，我国也加入了这一共约。
4.我国对生物武器的态度：在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器，并反对生物武器及其技术和设备的扩散。
支持《禁止生物武器公约》的宗旨和目标，全面、严格履行公约义务，支持不断加强公约的约束力，并主张全面禁止
和彻底销毁生物武器等各类大规模杀伤性武器。
【禁止生物武器】1972年，苏联、美国、英国签署《禁止生物武器公约》。1984年11月15日，我国加入这一公约，
1998年中美两国元首由重申观点， 任何情况下不储存、不生产、不使用生物 武器，并反对生物武器及其技术和设备的扩散 。
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