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第 3 章 基因工程
第 1 节 重组 DNA 技术的基本工具
1.P 从社会中来：番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵袭。当番木瓜被这种病毒感染后，产量会大大下降。
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科学家通过精心设计，用“分子工具”培育出了转基因番木瓜，它可以抵御番木瓜环斑病毒。
DNA双螺旋的直径只有2nm，对如此微小的分子进行操作,是一项非常精细的工作，更需要专门的“分子
工具”。那么，科学家究竟用到了哪些“分子工具”?这些“分子工具”各具有什么特征呢?
2.P 旁栏思考题：你能根据所掌握的知识，推测限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么吗?
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3.P 旁栏思考题：DNA连接酶与DNA聚合酶是一回事吗?为什么?
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4.P 思考·讨论：重组DNA分子
73请你根据图3-3中的相关信息找到两条片段上EcoR I的识别序列和切割位点。然后，用剪刀进行“切割”。
待切割位点全部切开后，将从下面那条DNA链上切下的片段重组到上面那条DNA链的切口处，并用透明
胶条将切口粘连起来。讨论
（1）剪刀和透明胶条分别代表哪种“分子工具”？
（2）你制作的黏性末端的碱基能不能互补配对?如果不能，可能是什么原因造成的?
（3）你插入的DNA片段能称得上一个基因吗?
5.P 到社会中去：随着生物技术的飞速发展，生产和销售“分子工具的公司大量涌现。感兴趣的话，你可
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以登录这些公司的网站，查询和了解相关产品的特点、价格和使用说明等。有些这样的公司已成功上市，
你还可以通过分析公司的股票价格走势，大致了解公司的经营状况以及投资者目前对该行业的认可程度。
6.P 练习与应用
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一、概念检测
1.DNA连接酶是重组DNA技术常用的一种工具酶。下列相关叙述正确的是( )
A.能连接DNA分子双链碱基对之间的氢键
B.能将单个脱氧核苷酸加到DNA片段的末端，形成磷酸二酯健
C.能连接用同种限制酶切开的两条DNA片段，重新形成磷酸二酯键
D.只能连接双链DNA片段互补的帖性末端，不能连接双链DNA片段的平末端
2.在重组DNA技术中，将外源基因送入受体细胞的载体可以是( )
A.大肠杆菌的质粒 B.切割DNA分子的酶 C.DNA片段的黏性末端 D.用来识别特定基因的DNA探
针
二、拓展应用
1.想一想。为什么限制酶不切制细菌本身的DNA分子?2.有2个不同来源的DNA片段A和B. A片段用限制酶SpeI进行切制，B片段分别用限制酶HindIII. XbaI。
EcoRV和XhoI进行切制。各限制酶的识别序列和切制位点如下。
(1)哪种限制酶切制B片段产生的DNA能与限制酶SpeI切制A片段产生的DNA片连接?为什么?
(2)不同的限制酶切制可能产生相同的末端，这在基因工程操作中有什么意义?
7.P 探究与实践：DNA的粗提取及鉴定结果分析与评价
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（1）你提取出白色丝状物或沉淀物了吗?用二苯胺试剂鉴定的结果如何?
（2）你能分析出粗提取的DNA中可能含有哪些杂质吗?
（3）与其他同学提取的DNA进行比较，看看实验结果有何不同，分析产生差异的原因。
8.P 进一步探究：本实验只是对DNA进行了粗提取，请查阅资料，了解实验室提取纯度较高的DNA的一
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一种方法，并与本实验中所使用的方法进行比较，总结两种方法的异同。
第 2 节 基因工程的基本操作程序1.P 从社会中来：1997年，我国政府首次批准商业化
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种植转基因抗虫棉。到 2015年，我国已有成转基因抗
虫棉新品种100多个，减少农药用量 40万吨，增收节
支社会经济效益450亿元。你知道转基因抗虫棉抗虫的
机制是什么吗?培育转基因抗虫棉一般需要哪些步骤?
2.P 旁栏思考题：用PCR技术可以扩增mRNA吗?
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3.P 旁栏思考题：将生物的所有DNA直接导入受体细胞不是更简便吗?如果这么做，效果会怎样?
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4.P 到社会中去：转基因抗虫棉在世界范围内被广泛种植，有效控制了棉铃虫的种群数量，显著减少了农
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药的用量。面对棉铃虫的危害，有了抗虫棉是否就可以一劳永逸、高枕无忧呢?根据棉铃虫对传统农药产
生抗性的发展历史，科研人员推测棉铃虫存在对Bt抗虫蛋白产生抗性的可能。请你查阅资料，了解以下问
题。
（1）在实际种植过程中，棉铃虫是否对转Bt基因的抗虫棉产生了严重的抗性?证据是什么?
（2）科研工作者在没有发现棉铃虫出现抗性之前，就应该想办法应对。他们想出的延缓棉铃虫对 Bt抗虫
蛋白产生抗性的措施有哪些?这些措施的原理是什么?有效吗?
2.P 练习与应用
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一、概念检测1.研究人员将一种海鱼的抗冻蛋白基因afp整合到土壤农杆菌的Ti质粒上，然后用它侵染番茄细胞，获得
了抗冻的番茄品种。判断下列相关表述是否正确。
(1)afp基因是培育抗冻番茄用到的目的基因。( )
(2)构建含有afp基因的Ti质粒需要限制酶、DNA连接酶和核酸酶。( )
(3)只要检测出番茄细胞中含有afp基因，就代表抗冻番茄培育成功。( )
2.利用PCR既可以快速扩增特定基因，也可以检测基因的表达。下列有关PCR的叙述错误的是( )
A. PCR用的DNA聚合酶是一种耐高温酶
B.变性过程中双链DNA的解开不需要解旋酶
C.复性过程中引物与模板链的结合遵循碱基互补配对原则
D.延伸过程中需要DNA聚合酶、ATP和4种核糖核苷酸
二、拓展应用
1.研究人员在研究转基因烟草中外源卡那霉素抗性基因的遗传稳定性时，发现 44株转基因烟草中有4株该
基因的遗传不符合孟德尔遗传规律，在它们的自交后代中出现了较多的没有卡那霉素抗性的植株。请查找
相关资料，尝试对这个问题作出解释。
2.八氢番茄红素合酶(其基因用psy表示)和胡萝卜素脱饱和酶(其基因用crtl表示)参与β-胡萝卜素的合成。
pmi为磷酸甘露醇异构酶基因，它编码的蛋白质可使细胞在特殊培养基上生长。科学家将 psy和crtl基因转
入水稻，使水稻胚乳中富含β-胡萝卜素，由此生产出的大米称为“黄金大米”。请根据以上信息回答下列
问题。
(1)科学家在培育“黄金大米”时，将crtl和psy基因导人含pmi基因的质粒中，构建了质粒pSYN12424。
该项研究的目的基因是_________________________标记基因是_______，质粒 pSYN12424 的作用是
___________________。
(2)在构建质粒载体时，目 的基因序列中能否含有用到的限制酶的识别序列?为什么?(3)请查找相关资料，了解科学家为什么要培育“黄金大米”以及当前关于“是否要推广*黄金大米””的
各种争论。你还可以提出自己的看法，并与同学交流讨论。
3.P 探究·实践：DNA片段的扩增及电泳鉴定结果分析与评价
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（1）你是否成功扩增出DNA片段?判|断的依据是什么?
（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。
第 3 节 基因工程的应用
1.P 从社会中来：胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提
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取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素，需要上千头牛，生产的成本非常高。1978年，科学家
将编码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中，使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工程药物--重组人胰 岛素已经研制成功并得到广泛应用。除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用呢?
2.P 异想天开：假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上了健康人的生活。在生活中，他会遭
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到歧视吗?对此你怎么看?
3.P 到社会中去：转基因技术自诞生以来，发展迅速，研发对象已涵盖至少35科、200多种的植物，涉及
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大豆、玉米和棉花等重要作物，以及牧草、花卉和林木等。请调查:
（1）目前我国批准发放了哪些转基因作物的生产应用安全证书和进口安全证书?
（2）你或你的亲朋好友在日常生活中使用的生物产品，哪些在生产过程中用到了转基因技术?
4.P 练习与应用
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一、概念检测
1.将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导入大肠杆菌的细胞内，再通过发酵工程就能大量
生产人生长激素。下列叙述，正确的是( )
A.转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶 B.发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢
物
C.大肠杆菌获得的能产生人生长澈素的变异可以遗传 D.大肠杆菌质粒标记基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量
相等
2.下列不属于基因工程应用的是( )
A.培育青霉菌并从中提取青霉素 B.利用乳腺生物反应器生产药物
C.制造一种能分解石油的“超级细菌" D.制造一种能产生干扰索的基因工程菌
二、拓展应用1.除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导
致植物死亡。草甘膦没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一.就是培
育抗草甘膦的作物。
(1)下面是探究“转人外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘腾”的流程，请补充完整。
①用_______________等处理目的基因和Ti质粒，构建重组Ti质粒;
②将重组Ti质粒转人农杆菌中;
③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染_______________细胞，再通过培育得到转基因植株;
④用草甘膦同时喷洒转基因植株和对照组植株。结果:对照组植株死亡，转基因植株存活，但也受到了影响。
结论:____________________________________________________________
(2)请思考并回答下列问题。
①在该实验中，对照组是怎样设计的?
②如果增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，转基因矮牵牛对草甘膦的抗性是否会增加?请你给出进-一
步探究的思路。
2.下图是某同学画的两幅基因工程卡通图。一幅是一头能进行光合作用的奶牛，一幅是一株能同时结出多
种蔬荥和水果的植物。你能像这位同学-样，展开想象的翅膀，用图画、文字或用音乐创作等，来畅想基因
工程的未来吗?
第 4 节 蛋白质工程的原理和应用
1.P 从社会中来：你见过用细菌画画吗?右图是用发出不同颜色荧光的细茵“画”的美妙图案。这些细茵
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能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。
最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细
胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢?
2.P 旁栏思考题：你知道人类蛋白质组计划吗?它与蛋白质工程有什么关系?我国科学家承担了什么任务?
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3.P 思考·讨论：
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（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列?请把相应的碱基序列写出来。
（2）确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因?
4.P 异想天开：能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主
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细胞生产
5.P 到社会中去：酶制剂在食品工业、医药工业等方面都有广泛的应用。现在，酶制剂的生产已经形成一
96个市场可观的新兴产业。蛋白质工程的应用又为酶制剂产业的发展提供了强大助力。请查阅资料，了解我
国酶制剂产业发展的现状和趋势，分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。
6.P 练习与应用
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一、概念检测
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。
(1)基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。( )
(2)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有( )
(3)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。( )
2.蛋白质工程是在深人了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是( )
A.分析蛋白质的三维结构 B.研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息 D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺
可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是( )
A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D.蛋白质
二、拓展应用
T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高 T4溶菌酶的耐热性，科
学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使
T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第 97位的半胱氨酸之间形成了一个二
硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴?在该实例中引起T4溶菌酶空间结构
发生改变的根本原因是什么?如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作?6.P 复习与提高
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1.某动物体内含有研究者感兴趣的日的基因，研究者欲将该基因导人大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有
氨苄青霉素抗性基因(AmpR).LacZ基因及-些酶切位点，其结构和简单的操作步骤如下图所示。
请根据以上信息回答下列问题。
(1)在第②步中，应怎样选择限制酶?
(2)在第③步中，为了使质粒DNA与目的基因能连接，还需要在混合物中加
入哪种物质?
（3）选用含有AmpR和LacZ基因的质粒进行实验有哪些优势?
(4)含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色?为什么?
2.科学家将Oct3/4、Sox2、c-Myc 和KIf4基因通过逆转录病毒转人小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞
的培养基上培养这些细胞。2-3周后，这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是
iPS细胞。请回答下列问题。
(1)在这个实验过程中，逆转录病毒的作用是什么?(2)如何证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用?
(3)研究者想了解Oct3/4、Sox2、 c-Myc和KIf4基因在诱导iPS细胞时，每个基因作用的相对大小，该如
何进行实验?请你给出实验设计的思路。
(4)若将病人的皮肤成纤维细胞诱导成iPS细胞，再使它转化为需要的细胞，用这些细胞给该病人治病，这
是否会引起免疫排斥反应?为什么?考虑到iPS细胞具有分裂活性，治疗时可能存在什么风险?
3.水稻根部-般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产
成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。
方案一把根瘤菌的固氮相关基因导人水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氮肥的施用
量。
方案二直接将固氮相关基因导 人水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”,让水稻直接固氮，这样就可以
免施氮肥了。
(1)请评估这两种方案哪种更容易实现。
(2)如果两个方案都实现的话，你认为哪种更值得推广"?请说出你的理由。
