資源簡(jiǎn)介

《基因工程的基本操作程序》教學(xué)設(shè)計(jì)
課題 第3章 基因工程 第2節(jié) 基因工程的基本操作程序 單元 第3章 學(xué)科 生物 年級(jí) 高二
學(xué)習(xí)目標(biāo) 與 核心素養(yǎng) 闡述基因工程的原理和基本操作。 1.文化基礎(chǔ)：明確基因工程的操作步驟及PCR擴(kuò)增技術(shù)的應(yīng)用。 2.自主發(fā)展：嘗試進(jìn)行PCR擴(kuò)增獲取產(chǎn)品。 3.社會(huì)參與：利用基因工程技術(shù)和方法獲得人類生產(chǎn)或生活所需產(chǎn)品。
重點(diǎn) 基因工程的原理和基本操作及PCR擴(kuò)增的應(yīng)用
難點(diǎn) PCR獲得和擴(kuò)增目的基因。
教學(xué)過程
教學(xué)環(huán)節(jié) 教師活動(dòng) 學(xué)生活動(dòng) 設(shè)計(jì)意圖
導(dǎo)入新課 從社會(huì)中來 展示圖片 自上個(gè)世紀(jì)90年代以來，由于棉鈴蟲在我國大部分棉區(qū)持續(xù)性大發(fā)生或爆發(fā)，給棉花生產(chǎn)帶來了巨大的威脅，棉農(nóng)談“蟲”色變，僅1992年一年即造成直接經(jīng)濟(jì)損失60多億元，間接損失超過100億元，對(duì)整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了很大影響。同時(shí)由于棉鈴蟲的大爆發(fā)，防蟲治蟲使棉花的生產(chǎn)成本增加，植棉的比較效益降低。 1997年，我國政府首次批準(zhǔn)商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉。到2015年，我國已育成轉(zhuǎn)基因抗蟲棉新品種100多個(gè)，減少農(nóng)藥用量40萬噸，增收節(jié)支社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益450億元。 課前查閱資料，展示欣賞棉鈴蟲圖片，了解轉(zhuǎn)基因棉花研究歷史和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 聯(lián)系生活實(shí)例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
講授新課 閱讀P76—77，回答下列問題 1.轉(zhuǎn)基因抗蟲棉抗蟲的機(jī)制是什么嗎？培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉一般需要哪些步驟？ 2.基因工程的基本操作程序主要包括哪幾個(gè)步驟？ 3.基因工程操作的每一步涉及的技術(shù)和方法有哪些？ 一、目的基因的篩選與獲取 1．目的基因 （1）概念：用于改變受體細(xì)胞性狀或獲得預(yù)期表達(dá)產(chǎn)物等的基因。 （2）實(shí)例：培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉用到的目的基因是Bt抗蟲蛋白基因。 2．篩選合適的目的基因 （1）較為有效的方法：從相關(guān)的已知結(jié)構(gòu)和功能清晰的基因中進(jìn)行篩選。 （2）實(shí)例：在培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉之前，科學(xué)家不僅掌握了Bt基因的序列信息，也對(duì)Bt基因的表達(dá)產(chǎn)物——Bt抗蟲蛋白有了較為深入地了解。 (3)認(rèn)識(shí)基因結(jié)構(gòu)和功能的技術(shù)方法：DNA測(cè)序技術(shù)、遺傳序列數(shù)據(jù)庫、序列比對(duì)工具。 3．利用PCR獲取和擴(kuò)增目的基因 (1)PCR的含義：PCR是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的縮寫，它是一項(xiàng)根據(jù)DNA半保留復(fù)制的原理，在體外提供參與DNA復(fù)制的各種組分與反應(yīng)條件，對(duì)目的基因的核苷酸序列進(jìn)行大量復(fù)制的技術(shù)。 (2)條件：DNA模板、分別與兩條模板鏈結(jié)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(fù)性：溫度下降到50 ℃左右時(shí)，兩種引物通過堿基互補(bǔ)配對(duì)與兩條單鏈DNA結(jié)合。 ③延伸：溫度上升到72 ℃左右時(shí)，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(fù)循環(huán)多次。 結(jié)果：每次循環(huán)后目的基因的量增加一倍，即成指數(shù)形式擴(kuò)增（約為2n）。 （2）PCR技術(shù)與生物體內(nèi)DNA復(fù)制的比較 比較項(xiàng)目PCR技術(shù)DNA復(fù)制區(qū)別解旋方式DNA在高溫作用下變性解旋解旋酶催化場(chǎng)所細(xì)胞外（在PCR擴(kuò)增儀內(nèi)）細(xì)胞內(nèi)（主要在細(xì)胞核內(nèi)）酶耐高溫的DNA聚合酶（Taq聚合酶）DNA解旋酶、普通的DNA聚合酶等溫度條件需控制溫度，在較高溫度下進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)溫和條件合成的對(duì)象DNA片段或基因DNA分子聯(lián)系①模板：均需要脫氧核苷酸鏈作為模板進(jìn)行物質(zhì)合成 ②原料：均為四種脫氧核苷酸 ③酶：均需要DNA聚合酶進(jìn)行催化 ④引物：均需要引物，使DNA聚合酶從引物的3′端開始連接脫氧核苷酸
二．基因表達(dá)載體的構(gòu)建 首先用一定的限制酶切割載體，使它出現(xiàn)一個(gè)切口，然后用同種限制酶或能產(chǎn)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。 思考與討論 將生物的所有DNA直接導(dǎo)入受體細(xì)胞不是更簡(jiǎn)便嗎？如果這么做，效果會(huì)怎樣？ 提示：有人采用總DNA注射法進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，即將一個(gè)生物的總DNA提取出來，通進(jìn)注射或花粉管通道法導(dǎo)人受體植物，沒有進(jìn)行基因表達(dá)載體的構(gòu)建。這種方法針對(duì)性差，完全靠運(yùn)氣，也無法確定哪些基因?qū)肆耸荏w植物。 三、將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 1．轉(zhuǎn)化：目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并在受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達(dá)的過程。 2．目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法 目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的方法 受體細(xì)胞方法說明特點(diǎn)植物細(xì)胞農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將目的基因插入農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒的T DNA上→轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌→用農(nóng)桿菌侵染植物細(xì)胞→將目的基因整合到植物細(xì)胞染色體的DNA上→目的基因表達(dá)經(jīng)濟(jì)、有效，適用于雙子葉植物和裸子植物，尤其適用于雙子葉植物花粉管通道法在植物受粉后，花粉形成的花粉管還未愈合前，剪去柱頭→滴加DNA（含目的基因），使目的基因借助花粉管通道進(jìn)入受體細(xì)胞→目的基因表達(dá)簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，我國科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)的一種方法動(dòng)物細(xì)胞顯微注射 技術(shù)將含有目的基因的表達(dá)載體提純→取卵（受精卵）→顯微注射→注射了目的基因的受精卵，經(jīng)胚胎早期培養(yǎng)后，移植到雌性動(dòng)物的輸卵管或子宮內(nèi)→獲得具有新性狀的動(dòng)物將目的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞最為有效的方法微生物細(xì)胞Ca2＋處理法（感受態(tài)細(xì)胞法）用Ca2＋處理微生物細(xì)胞→感受態(tài)細(xì)胞→將基因表達(dá)載體與感受態(tài)細(xì)胞混合→在一定溫度下促進(jìn)感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、有效
到社會(huì)中去 轉(zhuǎn)基因抗蟲棉在世界范圍內(nèi)被廣泛種植，有效控制了棉鈴蟲的種群數(shù)量，顯著減少了農(nóng)藥的用量。面對(duì)棉鈴蟲的危害，有了抗蟲棉是否就可以一勞永逸、高枕無憂呢？根據(jù)棉鈴蟲對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)藥產(chǎn)生抗性的發(fā)展歷史，科研人員推測(cè)棉鈴蟲存在對(duì)Bt抗蟲蛋白產(chǎn)生抗性的可能。請(qǐng)你查閱資料，了解以下問題。 1.在實(shí)際種植過程中,棉鈴蟲是否對(duì)轉(zhuǎn)Bt基因的抗蟲棉產(chǎn)生了嚴(yán)重的抗性？證據(jù)是什么？ 2.科研工作者在沒有發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲出現(xiàn)抗性之前，就應(yīng)該想辦法應(yīng)對(duì)。他們想出的延竣棉鈴蟲對(duì)Bt抗蟲蛋白產(chǎn)生抗性的措施有哪些？這些措施的原理是什么？有效嗎？ 提示:1.這是一個(gè)開放性的問題，需要學(xué)生在找資料來回答。隨著田向監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的更新及新的科研論文發(fā)表，每年學(xué)生獲得的證據(jù)是不樣的。例如，科研人員對(duì)長江流城種植的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉進(jìn)行了監(jiān)測(cè)2011年的數(shù)據(jù)顯示，大部分轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種的抗蟲性屬于中抗及高抗水平; 2013年的數(shù)據(jù)表明，如果棉田周圍存在大量天然庇護(hù)所，靶標(biāo)害蟲格鈴蟲、紅鈴蟲等井未對(duì)轉(zhuǎn)Bt基因的抗蟲棉產(chǎn)生明顯抗性。在我國、澳大利亞、印度連國的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，通過毒素的連續(xù)抗性篩選，已經(jīng)培育出多個(gè)高抗水平的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種。教師要注意引導(dǎo)學(xué)生搜集科學(xué)、可靠的證據(jù)，如科研論文、權(quán)威的官方報(bào)道等。 2.科研人員想出的延緩棉鈴蟲對(duì)Bt抗蟲蛋白產(chǎn)生抗性的措施有很多，主要可以分為以下幾個(gè)方面。（1）基因策略；（2）田間策略；（3）國家宏觀調(diào)控策略。 總結(jié)和練習(xí) 1．下列關(guān)于目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的描述，不正確的是（　A　） A．培育“黃金大米”可用花粉管通道法導(dǎo)入目的基因 B．顯微注射技術(shù)是轉(zhuǎn)基因動(dòng)物中采用最多的方法 C．目的基因?qū)氪竽c桿菌最常用的方法是Ca2＋處理法 D．農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法是將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞最常用的方法 　提示：水稻的花很小，不適合用花粉管通道法導(dǎo)入目的基因，A錯(cuò)誤；將目的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞常用顯微注射法，B正確；將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞最常用的方法是用Ca2＋處理大腸桿菌，使其處于一種能吸收周圍環(huán)境中DNA分子的狀態(tài)，C正確；將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞最常用的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，此外還有基因槍法和花粉管通道法，D正確。 2．農(nóng)桿菌侵染植物細(xì)胞后，能將Ti質(zhì)粒上的T DNA插入植物基因組中。圖示為利用農(nóng)桿菌培育轉(zhuǎn)基因植物的基本流程，請(qǐng)據(jù)圖回答： （1）剪除Ti質(zhì)粒的某些片段、替換復(fù)制原點(diǎn)O與添加抗生素的抗性基因T的過程①中，需用多種限制酶處理，原因是_______________，需用________“縫合”雙鏈DNA片段的平末端。 （2）目的基因是指________。由過程②形成的基因表達(dá)載體中， 目的基因的上游具有________，它是________識(shí)別和結(jié)合的部位。 （3）過程③常用________處理使農(nóng)桿菌成為感受態(tài)細(xì)胞。抗生素抗性基因T的作用是________________________________。 （4）可通過________技術(shù)檢測(cè)試管苗的染色體DNA上是否插入了目的基因。 [解析]　（1）Ti質(zhì)粒具多種限制酶切割位點(diǎn)，不同的限制酶識(shí)別并切割不同的堿基序列。連接平末端應(yīng)選用T4 DNA連接酶。 （2）目的基因主要是指編碼蛋白質(zhì)的基因。目的基因的首端具有啟動(dòng)子，以便于RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合。 （3）過程③常采用Ca2＋（CaCl2溶液）處理農(nóng)桿菌，以增大農(nóng)桿菌細(xì)胞壁的通透性。抗生素抗性基因T用于檢測(cè)受體細(xì)胞中是否含有基因表達(dá)載體。 （4）檢測(cè)農(nóng)桿菌和愈傷組織細(xì)胞中是否有目的基因常采用PCR技術(shù)。 [答案]　（1）不同的限制酶識(shí)別并切割不同的堿基序列 T4 DNA連接酶 （2）編碼蛋白質(zhì)的基因　啟動(dòng)子　RNA聚合酶 （3）Ca2＋（CaCl2溶液）　用于鑒定和篩選導(dǎo)入了基因表達(dá)載體的農(nóng)桿菌 （4）PCR 【學(xué)習(xí)活動(dòng)一】 學(xué)生閱讀課本P76—77，帶著問題，閱讀課文，回答問題。 1.轉(zhuǎn)基因抗蟲棉抗蟲的機(jī)制是什么嗎？培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉一般需要哪些步驟？ 2.基因工程的基本操作程序主要包括哪幾個(gè)步驟？ 3.基因工程操作的每一步涉及的技術(shù)和方法有哪些？ 閱讀教材，提取相關(guān)信息，完成表格。 【學(xué)習(xí)活動(dòng)三】學(xué)生閱讀P80，分析基因表達(dá)載體的構(gòu)建。 小組討論，完成相關(guān)探究，解決實(shí)驗(yàn)相關(guān)問題。 【學(xué)習(xí)活動(dòng)三】學(xué)生閱讀P49—50，了解單克隆抗體制備及應(yīng)用過程。 閱讀教材，提取相關(guān)信息，完成表格。 小組討論，聯(lián)系社會(huì)熱點(diǎn)問題，完成相關(guān)探究，解決相關(guān)問題。 根據(jù)所學(xué)，完成相關(guān)練習(xí) 創(chuàng)設(shè)問題情景，導(dǎo)入新課。 通過閱讀，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力，加深學(xué)生對(duì)概念的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究的興趣。 通過完成表格，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力，鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)能力，提高學(xué)生分析問題，解決問題的能力。 通過閱讀，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力，理解并闡述基因表達(dá)載體的構(gòu)建。 提出一個(gè)問題比解決一個(gè)問題更重要，此環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生思考真正發(fā)生，讓更多的學(xué)生參與到課堂中。 通過閱讀，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力，理解并闡述目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。 分析對(duì)比表格中相關(guān)信息，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力，鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)能力，提高學(xué)生分析問題，解決問題的能力。 通過社會(huì)熱點(diǎn)問題探究，培養(yǎng)學(xué)生溝通、交流能力，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，同時(shí)聯(lián)系實(shí)際，解決實(shí)際問題，發(fā)展學(xué)生分析、推理思維能力。 回顧舊知，鞏固和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。
課堂小結(jié) 1.基因工程的基本操作程序有：（1）目的基因的篩選與獲取；（2）基因表達(dá)載體的構(gòu)建；（3）將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞；（4）目的基因的檢測(cè)與鑒定。 2．PCR反應(yīng)液中需要提供DNA模板、分別與兩條模板鏈結(jié)合的2種引物、4種脫氧核苷酸和耐高溫的DNA聚合酶。 3．PCR反應(yīng)中每次循環(huán)一般可分為變性、復(fù)性、延伸三步。 4．基因表達(dá)載體的構(gòu)建是基因工程的核心，基因表達(dá)載體是載體的一種，除了目的基因外，它還必須有啟動(dòng)子、終止子以及標(biāo)記基因等。 5．將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞的方法有農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法和花粉管通道法。 6．將目的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞常用顯微注射技術(shù)，導(dǎo)入微生物細(xì)胞常用感受態(tài)細(xì)胞法（Ca2＋處理法）。
板書 基因工程的基本操作程序 1.目的基因的篩選和獲得 篩選合適目的基因、PCR、 2.基因表達(dá)載體的構(gòu)建 目的基因、標(biāo)記基因、啟動(dòng)子、終止子 3.將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 4.目的基因的檢測(cè)和鑒定

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