科学前沿 组装细胞优质课一等奖

学习目标：1.基因重组的类型及其对生物性状的影响

2．基因突变、基因重组和染色体变异的比较

3．基因工程的概念、工具、操作步骤和应用

[教材梳理] 一、基因重组

1．概念

生物体内在进行有性生殖的过程中，控制不同性状的基因重新组合。

2．基因重组的类型

类型

发生时期

发生原因

自由组合型

减数第一次分裂后期

非同源染色体上非等位基因随非同源染色体自由组合而组合

交叉互换型

减数第一次分裂四分体时期

同源染色体上的等位基因随四分体非姐妹染色单体的交换而交换

3.结果：自由组合可能产生与亲代基因型不同的个体；交叉互换造成染色单体上基因重组，可能产生新的表现型。

4．基因重组的意义(DNA重组技术) 基因重组与基因突变、染色体变异一样，既是生物进化的源泉，也是形成生物多样性的重要原因之一。

二、基因工程

1．含义：把在一个生物体内分离得到或人工合成的目的基因导入另一个生物的细胞，定向地使后者获得新的遗传性状或表达所需产物的技术。

2．工具：限制性核酸内切酶、DNA连接酶、载体三种。

3．操作的一般步骤

4．基因工程的应用

(1)基因工程在特殊蛋白质的生产中已显示出巨大的应用价值，如治疗糖尿病的胰岛素，防治乙肝的疫苗等已广泛应用。

(2)使人类按照自己的愿望定向地改造生物。

(3)基因工程已广泛应用于医、农、林、牧、渔等领域，极大地促进了生产，但也可能会引发一些安全性问题。

[牛刀小试] 一、基因重组

1．阅读教材P89～90内容，观察图4－23、4－24，结合减数分裂与基因自由组合定律，探究下列问题：

(1)基因重组产生了新基因和新性状吗？

提示：没有。基因重组只是将原有的基因进行了重新组合；基因控制性状，由于基因重组没有产生新基因，因此不会产生新性状，只是产生了新的性状组合。

(2)下列是孟德尔杂交实验的两种现象，请分析产生的原因是否属于基因重组，并说明理由。

①现象一：杂合紫花豌豆自交后代中出现白花豌豆。

提示：不是。杂合紫花豌豆自交后代中出现白花豌豆，是控制同一性状的等位基因分离的结

果，而基因重组指的是控制不同性状的基因重新组合。

②现象二：杂合黄色圆粒豌豆自交后代中出现黄皱、绿圆、绿皱豌豆。

提示：是。杂合黄色圆粒豌豆自交后代出现黄皱、绿圆、绿皱豌豆，是由于两对非同源染色体上控制豌豆两种性状的非等位基因随非同源染色体的自由组合而重新组合的结果。

(3)源于同一父母的兄弟姐妹间其长相各有特点，其主要原因是什么？同卵双胞胎间的差异是如何造成的？

提示：同胞兄弟姐妹间差异的主要原因是“基因重组”。同卵双胞胎间的差异主要源于后天环境及营养等。

(4)基因突变，基因重组与染色体变异，哪一类变异发生频率最低，哪一类变异最常发生？哪类变异引发的性状改变最剧烈？

提示：基因突变发生的频率最低，基因重组最常发生，染色体变异引发的性状改变最剧烈。

2．判断正误

(1)在减数第一次分裂前期和减数第一次分裂后期都可以发生基因重组。(√)

(2)生物有性生殖过程中，不同基因型的雌雄配子随机结合现象属于基因重组。(×) 3．连线

二、基因工程

1．阅读教材P90～91内容，仔细观察分析图4－25,4－26，探究下列问题。

(1)基因工程中工具酶的作用

①DNA解旋酶、限制性内切酶和DNA连接酶都作用于DNA，试分析这三种酶的作用部位相同吗？

提示：不相同。DNA解旋酶作用于碱基之间的氢键，而限制性内切酶和DNA连接酶作用于磷酸与脱氧核糖之间的化学键，即磷酸二酯键。

②目的基因和运载体为什么需用同一种限制性内切酶进行切割？

提示：因为被同一种限制性内切酶切割后，目的基因和载体具有相同的黏性末端。

(2)试讨论为什么不能将目的基因直接导入受体细胞？

提示：外源基因直接进入受体细胞，会被受体细胞内的酶分解掉。

(3)目的基因能够在受体细胞中表达的基础是什么？

提示：所有生物共用一套遗传密码。

(4)若想让植物细胞生产出动物蛋白，可采用何种育种技术？采用杂交育种或诱变育种技术可以吗？

提示：要想让植物细胞生产出动物蛋白，可采用DNA重组技术。由于植物与动物间远源杂交不亲合，故不可采用杂交育种技术；由于诱变育种只能产生原基因的等位基因，故不能采用诱变育种技术。

2．判断正误

(1)基因工程能够实现不同物种之间基因的重新组合。(√)

(2)基因工程的运载体本质都是DNA分子。(√)

[重难突破] 一、

基因突变、基因重组、染色体变异的比较

比较项目

基因突变

基因重组

染色体变异

变异的本质

基因的分子结构发生改变

原有基因的重新组合

染色体结构或数目发生改变

发生时间

有丝分裂间期和减数分裂间期

减数第一次分裂前期和后期

细胞分裂间期或分裂期

适用范围

生物

种类

所有生物均可发生

自然状态下，真核生物

真核生物细胞增殖过程均可发生

生殖

类型

无性生殖、有性生殖

有性生殖

无性生殖、有性生殖

产生结果

产生新的基因

产生新基因型，没产生新基因

没产生新基因，基因数目或顺序发生变化

鉴定方法

光镜下均无法检出，可根据是否有新性状或新性状组合确定

光镜下可检出

应用

诱变育种

杂交育种

单倍体、多倍体育种

联系

①

三者均属于可遗传变异，都为生物的进化提供了原材料

②

基因突变产生新的基因，是生物变异的根本来源

③

基因突变是基因重组的基础

④

基因重组是形成生物多样性的重要原因之一

[特别提醒]

关注几个“唯一”

(1)唯一产生新基因的变异为基因突变；

(2)唯一仅发生于有性生殖过程中的变异为基因重组；

(3)唯一可发生于所有生物(病毒、原核生物、真核生物)的变异也为基因突变；

(4)唯一可在光学显微镜下检出的变异为染色体变异。

二、基因工程

1．基因工程的操作工具

操作工具名称

化学本质

作用

限制性内切

酶(限制酶) 蛋白质

识别特定的核苷酸序列，在特定的切点切割DNA分子，获取目的基因

DNA连接酶

蛋白质

连接脱氧核糖和磷酸形成的骨架缺口

运载体 DNA 与目的基因结合并导入受体细胞

[特别提醒]

目的基因的转运工具——运载体必须具备的条件：a.能在宿主内稳定保存并大量复制；b.有多个限制酶切位点，以便与外源基因连接；c.有标记基因，便于筛选。

2．基因工程操作的基本步骤

3．基因工程操作中的两个注意点

(1)切割目的基因和载体时，一般用同一种限制酶，使目的基因和载体产生相同的黏性末端，达到目的基因与载体结合的目的。

(2)目的基因导入受体细胞并非标志着基因工程的成功，只有目的基因在受体细胞中表达才说明基因工程的成功。

4．有性生殖和基因工程中基因重组的区别

(1)有性生殖：基因重组――→自然发生有性生殖同一物种的不同基因重新组合。

(2)基因工程：基因重组――→人为发生无性生殖不同物种间的不同基因的重组。

[考向聚焦] [例1]

下列生物技术或生理过程没有发生基因重组的是(

)

[解析]

A项，R型活球菌与S型死菌的DNA混合后才具有了S型球菌的特性，属于S型球菌的DNA分子与R型球菌的重组；B项，基因工程的原理也是基因重组；C项，减数第一次分裂前期的交叉互换和减数第一次分裂后期非同源染色体的自由组合属于基因重组；D项，普通青霉菌具有了高产的性状属于基因突变。

[答案]

D “三看法”判断可遗传变异的类型

(1)DNA分子内的变异：

一看基因种类：即看染色体上的基因种类是否发生改变，若发生改变为基因突变。

二看基因位置：若基因种类和基因数目未变，但染色体上的基因位置改变，应为染色体结构变异中的“倒位”。

三看基因数目：若基因的种类和位置均未改变，但基因的数目改变则为染色体结构变异中的“重复”。

(2)DNA分子间的变异：

一看染色体数目：若染色体的数目发生改变，可根据染色体的数目变化情况确定是染色体数目的“整倍变异”还是“非整倍变异”。

二看基因位置：若染色体的数目和基因数目均未改变，但基因所处的染色体片段位于非同源染色体上，则应为染色体变异中的“易位”。

三看基因数目：若染色体上的基因数目不变，则为减数分裂中同源染色体上的非姐妹染色单体交叉互换的结果，属于基因重组。

[例2]

酵母菌的维生素、蛋白质含量高，可用于生产食品和药品等。科学家将大麦细胞中的LTP1基因植入啤酒酵母菌中，获得的啤酒酵母菌可产生LTP1蛋白，并酿出泡沫丰富的啤酒。基本的操作过程如图所示：

(1)该技术定向改变了酵母菌的性状，这在可遗传变异的来源中属于________。

(2)本操作中为了将LTP1基因导入酵母菌细胞内，所用的运载体是________。

(3)要使运载体与LTP1基因连接，首先应使用______进行切割。

(4)切割完成后，利用________将运载体与LTP1基因连接。

[解析]

图中a表示目的基因的获取，b是来自大肠杆菌的质粒，c是重组质粒，目的基因插入抗四环素基因内部。(1)基因工程可使原本不属于同一物种的基因组合在一起，从而使转基因生物产生特定的性状，其原理属于基因重组。(2)从图示可以看出本实验中的运载体是质粒。(3)重组质粒形成前，需用同种限制酶切割目的基因和质粒，得到相同的黏性末端。(4)切割完成后，再用DNA连接酶连接。

[答案] (1)基因重组

(2)质粒

(3)同种限制酶(限制性核酸内切酶)

(4)DNA连接酶

————————————————[课堂归纳]—————————————————

[网络构建]

填充：①自由组合型

②限制性内切酶 ③DNA连接酶

④载体

⑤分离目的基因、选择基因工程载体

⑥体外重组DNA

⑦导入目的基因 ⑧筛选、培养受体细胞

[关键语句] 1．基因重组是指生物体在进行有性生殖的过程中控制不同性状的基因重新组合的过程。

2．基因重组既包括减数分裂过程中非同源染色体上非等位基因间的自由组合(自由组合型)，

又包括同源染色体非姐妹染色单体交叉互换所致的染色单体上基因的组成和排列次序的改变(交叉互换型)。

3．基因工程是指将从一个生物体内分离得到或人工合成的目的基因导入另一个生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达所需产物的技术。

4．基因工程的工具：能在特定位置上切割DNA分子的限制性内切酶、能将DNA片段连接起来的DNA连接酶和能携带目的基因进入受体细胞并得到表达的载体。

5．基因工程的一般过程包括：分离目的基因、选择基因工程载体→体外重组DNA→导入目的基因→筛选、培养受体细胞→目的基因表达。