資源簡介

人教版（2019）選擇性必修三 生物技術與工程 第3章 基因工程
2.1基因工程的基本操作程序 教學設計
一、教學目標的確定
1、概括基因工程的原理和基本操作程序。
2、闡明PCR的原理，說出PCR反應所需的條件和PCR反應的過程。
3、列舉將目的基因導入植物細胞、動物細胞和微生物細胞的方法。
4、針對人類生產或生活中的某一需求，選取適當的基因工程的技術和方法，嘗試設計獲得某一轉基因產品的方案。
二、教學重難點
1、教學重點
基因工程基本操作程序的四個步驟。
2、教學難點
利用PCR獲取和擴增目的基因的基本原理。
三、教學設計思路
同樣以轉基因棉花作為切入點進入本節課的學習，引導學生思考兩個問題：轉基因抗蟲棉抗蟲的機制是什么？培育轉基因抗蟲棉一般需要哪些步驟？通過回憶轉基因技術需要的三種工具說出這些工具對應于轉基因基本操作程序的步驟。通過知識點與知識點之間的聯系加深印象以及幫助理解。
四、教學步驟
1、新課導入
課件展示轉基因抗蟲棉葉片的圖片和普通棉花葉片的圖片。
提問：觀察這兩張圖片，你能推測出轉基因抗蟲棉的抗蟲機制是什么嗎？
學生：向普通棉花細胞中轉入抗蟲基因，培育成的新植株可以表達具有抗蟲特性的蛋白質，這種蛋白質被蟲子所食會導致蟲子死亡。
教師講述：蘇云金桿菌（Bacillus thuringiensis）通過產生蘇云金桿菌伴孢晶體蛋白（Bt抗蟲蛋白），破壞鱗翅目昆蟲的消化系統來殺死棉鈴蟲。科學家通過實驗，將該細菌的“殺蟲基因”轉到棉花里，讓棉花也能產生Bt抗蟲蛋白抵抗蟲害。這個“殺蟲基因”就是培育轉基因抗蟲棉用到的目的基因——Bt抗蟲蛋白基因，簡稱Bt基因。
提問：基因工程的基本操作程序需要哪四步？
學生：目的基因的篩選與獲取、基因表達載體的構建、將目的基因導入受體細胞、目的基因的檢測與鑒定。
2、新課講授
（一）目的基因的篩選與獲取
目的基因
（1）概念：用于改變受體細胞性狀或獲得預期表達產物等的基因。
（2）實例：培養轉基因抗蟲棉用到的目的基因是Bt抗蟲蛋白基因。
篩選合適的目的基因
（1）較為有效的方法：從相關的已知結構和功能清晰的基因中進行篩選。
（2）實例：在培育轉基因抗蟲棉之前，科學家不僅掌握了Bt基因的序列信息，也對Bt基因的表達產物——Bt抗蟲蛋白有了較為深入的了解。
（3）認識基因結構和功能的技術方法：DNA測序技術、遺傳序列數據庫、序列比對工具。
利用PCR獲取和擴增目的基因
課件展示PCR技術基本操作流程并講述。
（1）PCR的含義：PCR是聚合酶鏈式反應的縮寫，它是一項根據DNA半保留復制的原理，在體外提供參與DNA復制的各種組分與反應條件，對目的基因的核苷酸序列進行大量復制的技術。
（2）條件：DNA模板、分別與兩條模板鏈結合的2種引物、四種脫氧核苷酸、耐高溫的DNA聚合酶。
（3）過程：
①變性：溫度上升到90 ℃以上，目的基因DNA受熱變性后解為單鏈。
②復性：溫度下降到50 ℃左右時，兩種引物通過堿基互補配對與兩條單鏈DNA結合。
③延伸：溫度上升到72 ℃左右時，溶液中四種脫氧核苷酸在耐高溫的DNA聚合酶的作用下加到引物的3′端合成子鏈。
④重復循環多次。
（4）結果：每次循環后目的基因的量增加一倍，即成指數形式擴增（約為2n）。
（二）基因表達載體的構建
構建基因表達載體的目的
（1）使目的基因在受體細胞中穩定存在，并且可以遺傳給下一代。
（2）使目的基因能夠表達和發揮作用。
基因表達載體的組成
基因表達載體的構建
首先用一定的限制酶切割載體，使它出現一個切口，然后用同種限制酶或能產生相同末端的限制酶切割目的基因的DNA片段，再利用DNA連接酶將目的基因片段拼接到載體的切口處。
（三）將目的基因導入受體細胞
轉化：目的基因進入受體細胞內，并在受體細胞內維持穩定和表達的過程。
目的基因導入受體細胞的方法
（1）目的基因導入植物細胞
①花粉管通道法
Ⅰ.用微量注射器將含目的基因的DNA溶液直接注入子房中。
Ⅱ.在植物受粉后的一定時間內，剪去柱頭，將DNA溶液滴加在花柱切面上，使目的基因借花粉管通道進入胚囊。
②農桿菌轉化法
Ⅰ.農桿菌的特點：農桿菌自然條件下侵染雙子葉植物和裸子植物；農桿菌的Ti質粒上的T DNA能夠整合到所侵染細胞的染色體DNA上。
Ⅱ.轉化方法：將目的基因插入農桿菌Ti質粒的T DNA中，讓農桿菌侵染植物細胞。
（2）目的基因導入動物細胞
①常用方法：顯微注射法。
②常用受體細胞：受精卵。
（3）目的基因導入微生物細胞
①方法：用Ca2＋處理細胞，使細胞處于一種能吸收周圍環境中DNA分子的生理狀態，然后將重組表達載體導入其中。
②常用受體細胞：原核細胞（使用最廣泛的是大腸桿菌）。
思考與討論：
提問：將生物的所有DNA直接導入受體細胞不是更簡便嗎？如果這么做，效果會怎樣？
教師提示：有人采用總DNA注射法進行遺傳轉化，即將一個生物的總DNA提取出來，通進注射或花粉管通道法導入受體植物，沒有進行基因表達載體的構建。這種方法針對性差，完全靠運氣，也無法確定哪些基因導入了受體植物。
（四）目的基因的檢測與鑒定
分子水平檢測
（1）通過PCR等技術檢測受體細胞染色體DNA上是否插入了目的基因或檢測目的基因是否轉錄出mRNA。
（2）從轉基因生物中提取蛋白質用相應的抗體進行抗原——抗體雜交，檢測目的基因是否翻譯成了蛋白質。
個體水平鑒定
包括抗蟲、抗病的接種實驗，以確定是否有抗性及抗性程度。基因工程產品需要與天然產品活性進行比較等。
課堂小結
目前，基因工程已經步入產業化發展階段，具有巨大的生產力和發展潛力，我們在充滿信息和期待的同時，還要嚴格規范操作流程，科學、客觀地評估風險，只有這樣，才能讓基因工程永葆生機。
六、板書設計
課件展示轉基因抗蟲棉和普通棉花的葉片圖片，闡述轉基因抗蟲棉的抗蟲機制
創設情境
新課導入
培育轉基因抗蟲棉一般需要哪些步驟？
拋出問題，引導學生思考
目的基因的篩選與獲取
基本方法：PCR技術
基因表達載體的構建
目的基因、標記基因、啟動子、終止子
植物、動物、微生物
將目的基因導入受體細胞
分子水平、個體水平
目的基因的檢測與鑒定

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