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基因工程的应用【实用文档】doc
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1．3 基因工程的应用
基因工程自２0世纪７0年代兴起后，在短短的30年间，得到了飞速的发展，目前已成为生物科学的核心技术.基因工程在实际应用领域—农牧业、工业、环境、能源和医药卫生等方面，也展示出美好的前景.
植物基因工程硕果累累
植物基因工程在农业中的应用发展迅速.从1996~２0０１年，在短短的5年中，全世界转基因作物的种植面积　就增长了3０倍。以转基因植物研究、开发和应用为标志的农业技术革命,已经在一些国家展开。２０0１年,就世界范围来看,转基因植物种植面积首次突破5x106hm２。其中，转基因大豆、棉花、油菜、玉米已进入大规模商业化应用阶段，这四种转基因作物种植面积占相关作物种植面积的比例已达到：大豆63％,玉米1９％,棉花1３%，油菜５%。我国转基因作物的种植面积也迅速增长，目前已位居世界第四（图1－ 16).　　　

　 植物基因工程技术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),以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。
抗虫转基因植物
全世界每年因虫害造成农作物的损失约占总产量的1３%,达数千亿美元。对农业害虫的防治,大多是依靠化学农药.大量使用化学农药不仅造成了严重的环境污染,损害了人类健康，而且大大增加了生产成本.因此，从某些生物中分离出具有杀虫活性的基因,将其导入作物中,使其具有抗虫性，已成为防治作物虫害的发展趋势.目前，已问世的转基因抗虫植物主要有水稻（图1—1７）、棉、玉米、马铃薯、番茄、大豆、蚕豆、烟草、苹果、核桃、杨、菊花和白花三叶草等。用于杀虫的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等.例如,我国转基因抗虫棉就是转入Ｂt毒蛋白基因培育出来的,它对棉铃虫具有较强的抗性。

近几年来，我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉的研究和应用,取得了突飞猛进的发展,从1998年占据市场份额的10%,已经提高到200０年的6４。4%，居主导地位。仅２002年我国抗虫棉的栽培面积已达9５x １0４ｈm2,增加收益约2０亿元人民币。

生物技术资料卡
可用于转基因植物的抗虫基因
Bt毒蛋白基因是从苏云金芽孢杆菌中分离出来的抗虫基因。当害虫食用含有转基因的植物时，　Ｂt基因编码的蛋白质会进入害虫的肠道,在消化酶的作用下.蛋白质能够降解成相对分子质量比较小的、有毒的多肽。多肽结合在肠上皮细胞的特异性受体上,会导致细胞膜穿孔,细胞肿胀裂解,最后造成害虫死亡。由于Bt毒蛋白对哺乳动物无毒害作用,因而广泛用于抗虫转基因植物.
蛋白酶抑制剂基因广泛存在于植物中，它产生的抑制剂可与害虫消化道中的蛋白酶结合形成复合物,从而阻断或降低蛋白酶的活性，使昆虫不能正常消化食物中的蛋白质.这种复合物还能剌激昆虫分泌过量的消化酶，引起害虫的厌食反应。
淀粉酶抑制剂基因产生的淀粉酶抑制剂可以抑制昆虫消化道中的淀粉酶活性,使害虫不能消化所摄取的淀粉,从而阻断害虫的能量来源。
植物凝集素基因控制植物合成一种糖蛋白，这种糖蛋白可与昆虫肠道黏膜上的某种物质结合,从而影响害虫对营养物质的吸收和利用。
抗病转基因植物
植物像人一样也会生病。引起植物生病的微生物称为病原微生物,主要有病毒、真菌和细菌等。例如,许多栽培作物由于自身缺少抗病毒的基因，因此，用常规育种的方法很难培育出抗病毒的新品种，而基因工程技术，为培育抗病毒植物品种开辟了新的途径。目前,人们已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（图1-１８）、甜椒（图1—19）、番茄等多种作物。

抗病转基因植物所采用的基因，使用最多的是病毒外壳蛋白（coat ｐroｔein，　CP）基因和病毒的复制酶基因；抗真菌转基因植物中可使用的基因有几丁质酶基因和抗毒素合成基因。
抗逆转基因植物
环境条件对农作物的生产会造成很大影响。例如,盐碱、干旱、低温、涝害等不利的环境条件，是造成低产、减产的常见因素。目前，全球的盐碱和干旱地区分别占陆地面积的1/3，还有许多地区属于高寒地区。这些不利的环境条件也会对农业生产造成影响。由于盐碱和干旱对农作物的危害与细胞内渗透压调节有关,目前科学家们正在利用一些可以调节细胞渗透压的基因，来提高农作物的抗盐碱和抗干旱的能力,这在烟草等植物中已获得了比较明显的成果。科学家们还研究开发出了一批耐寒作物，使它们在寒冷的环境条件下,良好地生长。例如，将鱼的抗冻蛋白基因导入烟草和番茄（图1 -20)，使烟草和番茄的耐寒能力均有提高。此外,将抗除草剂基因导入大豆、玉米等作物（图１ —　２1）,喷洒除草剂时，杀死田间杂草而不损伤作物.

利用转基因改良植物的品质
随着人们生活水平的提高,人们对食品的要求不仅仅是吃饱,而且要富于营养。但是，我们吃的许多食品含有的营养成分并不平衡，例如，豆类食品中，含有蛋氨酸比较少，大米、玉米、小麦则含赖氨酸比较少。这些人体必需的氨基酸缺少后对人的健康不利。科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因,导入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。例如,我国科学家将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米，获得的转基因玉米中赖氨酸的含量比对照提高30% （图1－22）。

番茄含有丰富的维生素，但不耐储存.我国科学家将控制番茄果实成熟的基因导入番茄，获得转基因延熟番茄，储存时间可延长１~２个月，有的可达80多天。目前，我国农业部已批准这种耐储存番茄进行商品化生产。我国科学家还成功地将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异, 大大提高了花卉的观赏价值(图１-23)。

异想天开
发光树能做路灯吗？
自然界有许多生物可以发光，它们发出的光有磷光和荧光两种.大家最熟悉的是萤火虫,在夏天的夜晚，它们那“腾空类星陨,拂树若花生”的美丽荧光,曾引起人们的许多遐想.科学家研究发现,萤火虫发光是发光器中的荧光素，在荧光酶的催化下发出的间歇光。
荧光素和荧光酶都是由发光基因“指挥"合成的。如果将发光基因导入植物,培育出发光植物是一件十分有趣的事情。目前，科学家已培育出发光的烟草、棉花等.科学家们正计划培育一种发光的夹竹桃，将其种植到高速公路的两旁，白天做行道树,夜晚做路灯照明。到那时，每当夜幕降临，公路两旁的夹竹桃荧光闪闪，树树相连,公路将变成美丽的荧光世界。也许不久的将来，你可以用各种各样的发光植物来装点你的庭院和家居，那是多么漂亮、有趣!

动物基因工程前景广阔
　　 动物基因工程是20世纪8０年代开始发展起来的,它从诞生那天起,就在动物品种改良、建立生物反应器、器官移植等很多方面显示了广阔的应用前景。
　　　 用于提高动物生长速度
动物基因工程技术可以提高动物的生长速率.由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快,因此,科学家们将这类基因导入动物体内,以提高动物的生长速率。例如,将外源生长激素基因导入绵羊体内，转基因绵羊的生长速率比一般的绵羊提高3０%,体型增大50％；将外源生长激素基因导入鲤鱼，9个月后有的转基因鲤鱼比对照重1。５kg　（图1－24)。

用于改善畜产品的品质
动物基因工程技术的另一个重要作用是改善畜产品的品质.例如，有些人食用牛奶后,对牛奶中的乳糖不能完全消化；也有些人食用牛奶后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状。为了解决这一问题,科学家将肠乳糖酶基因导人奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大减低,而其他营养成分不受影响。
用转基因动物生产药物
最令人兴奋的是利用基因工程技术，还可以使哺乳动物本身变成“批量生产药物的工厂"。科学家将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，然后，将受精卵送入母体内，使其生长发育成转基因动物。转基因动物进人泌乳期后,可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品,而称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。目前，科学家已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和ｃｘ抗胰蛋白酶（图1一25)等重要医药产品。

用转基因动物作器官移植的供体
动物基因工程技术有可能使建立移植器官工厂的设想成为现实。目前,人体移植器官短缺是一个世界性难题.为此，人们不得不把目光移向寻求可替代的移植器官.由于猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似，而且猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒要远远少于灵长类动物，是否可以用猪的器官来解决人类器官的来源问题呢？科学家将目光集中在小型猪身上。实现这一目标的最大难题是免疫排斥。目前，科学家正试图利用基因工程方法对猪的器官进行改造,采用的方法是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的转基因克猪器官。
基因工程药物异军突起
基因工程制药是制药行业突起的一支新军，不仅具有独特的优势，发展速度也很快。
自20世纪20年代初，第一种基因工程药物―重组人胰岛素投放市场以来，利用转基因的工程菌①生产的药物已有60多种。这些药物包括细胞因子、抗体、疫苗、激素等。这些药物可以用来预防和治疗人类肿瘤、心蓝病、遗传病、各种传染病、糖尿病、类风湿等疾病.目前，美国、日本、德国等是世界上主要开发生产基因工程药物的国家.2０世纪９0年代以来，我国自己生产的白细胞素－2、干扰素、乙肝疫苗等近２0种基因工程药物投放市场场，年产值达３0亿元人民币（图1－20）。

假如某位心脏病人换上了经过改造的猪的心脏，在生活中他会遭到歧视吗？
① 基因工程的方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系一般称为“工程菌”

图１－２６　我国生产的部分基因工程药物

生物技术资料卡
用ＤNＡ重组技术生产的人类蛋白药物种类(部分）
蛋白名称
用途
α一抗胰蛋白酶
治疗肺气肿
促肾上腺皮质激素
治疗风湿
B细胞生长因子
治疗免疫系统功能失调
降钙素
治疗软骨病
红细胞生成素
治疗贫血
生长激素
促进生长
生长激素释放因子
促进生长
胰岛素
治疗糖尿病
干扰素
抗病毒，抗肿瘤
白细胞介素
治疗癌症
血清白蛋白
血浆补充物
肿瘤坏死因子
抗肿瘤
我国生产的基因工程药物还有哪些?请查阅资料或上网查询。
干扰素是动物或人体细胞受到病毒侵染后产生的一种糖白。由于干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染,如水痘、肝炎、狂犬病等病毒引起的感染，甲此，它是一种抗病毒的特药。此外，干扰素对治疗乳腺癌、骨髓癌、淋巴癌等癌症和些白血病也有一定疗效。传统的干扰素生产方法是从人血液的白细胞内提取的，每3０0L血液只能提取出1mg干扰素。１９80~19８2年,科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从１ｋｇ细菌培养物中可以得到20～40ｍg干扰素.主要用于治疗乙型肝炎的重组人干扰素a－1b是我国第一个国内批准生产的基因工程药物（19９３年）。我国基因工程药物开发虽然起步较晚，基础较差，但是,仅仅用了约10年的时间，就使基因工程药物从无到有,不断发展壮大，完成了世界上主要基因工程药物的产业化。
干扰素的生产车间

以侯云德院士（右）为首的研究人员，成功地研制出了我国第一个基因工程药物――干扰素。 　 　 　 　　

基因治疗曙光初照
　　人体的遗传性疾病是很难用一般药物进行治疗的，基因工程的兴起迎来了基因治疗的曙光。
基因治疗是把正常基因导人病人体内,使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的,这是治疗遗传病的最有效的手段。19９O年9月,美国对一名患有严重复合型免疫缺陷症的4岁女童,实施了基因治疗.复合型免疫缺陷症是一种遗传疾病。女童由于腺苷酸脱氨酶基因缺失，造成体内缺乏腺苷酸脱氨酶；而腺苷酸脱氨酶是人体免疫系统发挥正常功能作用所必需的，因此,女童不能抵抗病原微生物的威胁.１9９０年9月，这名女童接受了基因治疗，研究人员将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的淋巴细胞中，使淋巴细胞能够产生腺苷酸脱氨酶,然后，再将这种淋巴细胞转人患者体内.半年后，在血液中检测出了被改造的淋巴细胞，女童体内产生的腺苷酸脱氨酶也越来越多，女童产生抗体的能力显著改善。
针对这一实例，你能提出什么问题吗？
从1９90年成功转移腺苷酸脱氨酶基因到现在,大部分基因治疗的临床试验，都是先从病人体内获得某种细胞，例如T淋巴细胞，进行培养,然后,在体外完成基因转移,再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输人患者体内（图1－27，1-28）。上述方法虽然操作复杂,但效果较为可靠,称为体外基因治疗。同时,科学蒙们又千方百计设计出更加简便的基因治疗方法。例如,１99４年美国科学家利用经过修饰的腺病毒作载体,成功地将治疗遗传性囊性纤维化病的正常基因转人患者肺组织中。这种直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法叫做体内基因治疗.值得提出的是，无论哪一种基因治疗，目前都处于初期的临床试验阶段.可以说,在没有完全解释人类基因组的运转机制,充分了解基因调控机制和疾病的分子机理之前,进行基因治疗是十分困难的。另外，还存在着技术方面、伦理道德方面，以及安全性方面的诸多困难.如果这些问题能逐一解决的话,基因治疗将推动2I世纪的医学革命。

图1－2７　我国研究人员正在制备用于治疗的基因工程细胞
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用于基因治疗的基因种类
用于基因治疗的基因有三类。第一类是从健康人体上分离得到的功能正常的基因,用以取代病变基因，或依靠其表达产物，来弥补病变基因带来的生理缺陷，如对血友病和地中海贫血病的治疗。第二类是反义基因，即通过产生的mRNA分子，与病变基因产生的mRNＡ进行互补,来阻止非正常蛋白质合成。第三类是编码可以杀死癌变细胞的蛋白酶基因,又叫做自杀基因。
拓展视野
神奇的基因芯片
你听说过“基因芯片"（gene chiｐ）一词吗？基因芯片又叫做DNA芯片,寡核苷酸芯片,或ＤNA微阵列。其概念来自计算机芯片,是伴随“人类基因组计划"的研究进展而快速发展起来的一门高新技术。那么,基因芯片究竞是什么？它的作用又是怎样的呢?通俗地说,基因芯片是通过微加土技术,将数以万计、乃至百万计的特定序列的ＤNＡ片段（基因探针），有规律地排列固定于2ｃｍ２的硅片、玻片等支持物上， 构成的一个二维DNA探针阵列,与计算机的电子芯片十分相似，所以被称为基因芯片.基因芯片主要用于基因检测工作。科学家让芯片上成千上万的探针分子，与被检测的带有标记的基因样品，按碱基配对原理进行杂交。 然后,通过荧光检测系统对芯片进行扫描，再利用计算机系统，对每一探针上的荧光信号进行比较和检测，从而迅速得出所需要的信息。
基因芯片的用途广泛,可以用于基因测序,寻找有用的目的基因，或对基因的序列进行分析。例如,科学家用基因芯片分析了黑猩猩与人某段基因序列的差异，结果发现二者核酸序列同源性在８3.5％~98．2％之间,揭示了二者在进化上的高度相似性。
科学家是根据从正常人的基因组中分离出的DNA与DNＡ芯片杂交，可以得出标准图谱，以及从病人的基因组中分离出DNA与DNＡ芯片杂交，可以得出病变图谱,再通过比较上述两种图谱，来对人类的许多疾病（如感染性疾病、遗传性疾病、恶性肿瘤等)进行诊断的.基因芯片在临床诊断方面表现出的独特优势是:它不仅能在早期诊断中发挥作用；与传统检测方法相比，它可以在一张芯片上，同时对多个病人进行多种疾病的检测；利用基因芯片，还可以从分子水平上了解疾病.基因芯片的这些特点，能够使医务人员在短时间内掌握大量的疾病诊断信息，找到正确的治疗措施。除此之外,基因芯片在新药的筛选、临床用药的指导等方面,也有重要作用。
　 　总之，基因芯片诊断技术以其快速、高效、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术,并成为学术界和企业界所瞩目的研究和开发的热点。

思考与探究
1．根据所学内容，试概括写出基因工程解决了哪些生活，生产中难以解决的问题。
２.右面是两幅同学画的基因工程卡通图。你能像这位同学一样，展开你想像的翅膀，用图画、文字或用音乐创造等，来畅想基因工程的未来吗？
年第卷第期生物学通报
基因工程在环境保护中的应用
陈怀侠’赵永志
郑城县第一中学山东邦城炎传城县环境保护局山东郑城
世纪年代伯格利用内切酶把分属
个不同作用的重组到一起, 宣告了基因工程的诞
生。基因工程是在分子水平上， 用人工方法提取或合
成不同生物的遗传物质, 在体外切割、拼接和重组、
然后通过载体把重组的分子引人受体细胞，　使
外源在受体细胞中进行复制和表达。按人们的
需要生产不同产物或定向创造生物的新性状, 并使之
稳定地遗传给后代。基因工程具有广泛的应用价值， 能
为工农业生产、医药卫生、环境保护开辟新途径。下面
就基因工程在环保中的应用加以阐述。
墓因工程对环境的积极意义
转基因作物的出现， 减少了农药对环境的污染
转基因作物是利用重组技术将目的基因转人作
物中, 培育而成的。主要是用来选育具有特殊优良性状
的植物新品种，　如抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗
干旱和抗高温等。年科学家把细菌中的抗卡那霉
素基因转移到烟草、向日葵和胡萝卜等作物中, 一举获
得成功。此后短短的几年中， 科学家又培育出了数十种
具有抗病毒、抗虫、抗除草剂的作物新品种。如抗虫的烟
草、番茄、马铃薯、玉米、大豆、油菜和棉花等作物， 抗黄
瓜花叶病毒、首蓓花叶病毒的作物,　以及抗除草剂的植
物等。年， 中国农业科学院的科学家成功地将苏云
金芽袍杆菌中的抗虫基因转入棉花， 培育成了抗棉铃虫
的转基因抗虫棉。基因工程育种, 不仅减少农药、化肥对
环境的污染, 改善人类的生存环境, 而且可打破地域、季
节的限制, 扩大农作物种植的范围和面积.
, 基因工程菌的利用, 降低了环境污染基因工程
菌一般具有生长迅速, 絮凝性能较好和对难降解污染
物及有毒有害污染物具有较高的专一降解能力.现已
发现抗汞、抗福、抗铅等具有抗重金属基因的多种菌
株。在活性污泥处理中引人基因工程菌, 其净化功能
可持续数月以上。南开大学科研人员在用生物技术处
理染料废水的研究中， 分离出了具有生物絮凝作用和
生物降解作用的两类菌株,　利用杂交技术确定了降解
菌基因片段的位置经与质粒载体连接后获得
重组子，　重组质粒转化絮凝菌, 获得既能絮凝和吸附染
料及中间体嗅氨酸, 又能降解使之脱色的双功能特效
菌。该双功能基因工程菌对葱醒染料中间体嗅氨酸的
絮凝率为以上, 对嗅氨酸的脱色率为以上.
在工业生产领域, 利用基因工程进行发酵， 避免
了用合成法消耗大量原辅材料，经许多反应才能合成
少量目的产品,　从而大大减少原料资源的过度浪费和
工业废弃物的排放.提高了单位生产率， 减少了排污总
量， 削弱了工业废物的处理、‘回收、再生、治理等环节，
相对降低了环境污染、保护了生态环境。
基因工程在环境保护中的应用
， 基因工程在环境污染监测中的应用目前聚合
酶链反应简称技术和核酸探针技术是常用于水
环境中微生物的检测技术。技术是一种在体外模
拟自然复制过程的核酸扩增技术, 常用于监测海
洋环境中存在的微生物, 如近年来, 陈碧娟、李秋芬等
正在开展用技术快速、定量检测海洋环境，卜的几
种特殊细菌的研究， 并取得了一些进展。核酸探针是特
定的具有高度特异性的已知核酸片段，　它能与其互补核
酸序列杂交。标记的核酸探针可以用于待测核酸样品
中特定基因序列,　如监测饮用水中病毒的含量。具体的
方法是使用一个特定的片段制成探针, 一
与被检测
的病毒杂交，　从而把病毒检测出来。此方法的特
点是快速、灵敏.用传统方法进行检测,　次需要耗费几
天或几个星期的时间，　精确度也不高。用探针只需
要花费的时间,　并且能够大幅度地提高检测精度,　据
报道， 能从水中检测出个病毒来。随着分离
技术和非放射性标记核酸技术水平的提高， 核酸探针和
技术可能取代常规的水质分析，　发展成为一种快速
可靠水体微生物的检测技术,　并将在细菌、病毒及其他
毒物检测中得以迅速的应用发展。
基因工程在环境治理中的应用基因
一一
甲决技术在
环境治理领域的应用主要是构建能降解特殊化合物的
微生物， 即采用基因技术提高某些微生物体内具了’特＿____＿＿异
性降解转化作用的酶类的水平。这些酶是山胞质‘，　质粒
编码的.质粒的发现及利用生物技术构建特殊功能
超级菌的成功, 为环境污染的治理开辟了广阔的前以
在石油污染方面随着石油工业的退屯发展，
石油这种含有多种烃类的混和物，　不断对陆地和海洋
造成污染, 而烃类是难分解的物质， 某种特定的细菌只
能降解有限的几种石油成分，　对其他成分却不能分解，
年美籍印度人查克拉搏特等科学家依据瑕单胞
杆菌对石油中有毒成分具有很强分解力这一特性， 把
种能吃浮油的假单胞杆菌的基因拼接起来， 合并成
一种假单胞菌种,　组成了所谓的“超级菌"， 它能分解各
种石油烃、消除浮油的效率高、速度快， 只需儿小时就
能除掉自然菌种需几年才能消除的原油污染.经不断
改进， 这种超级细菌已成功地用于实际环境治理中.
在水体和土壤污染方面科学家依据凡朗
生物
的改良菌具有分解樟脑、水杨酸脂、蔡的功能
把分解甲苯基因导人活性污泥中分离出来的具有絮
凝能力的菌中， 就能得到具有分解甲苯和起到絮凝作
用的改良菌, 从而使废水中的碳氢化合物得以分解，　使
污泥得以沉淀。目前， 人们正在进一步解析聚磷基因和
硝化基因, 利用基因工程， 将这个基因重组后导人
大肠杆菌中, 构建重组工程组， 这一菌多能的目的， 从
而使废水中过高的、得到有效地去除， 降低水体的
富营养化，　减少赤潮发生。目前, 科学家已经用基因工
程方法培养出了“吞噬"汞和降解土壤中的细菌，
以及能够净化锡污染的植物.
将来随着对有毒化合物代谢途径的进一步了解和
分子生物学技术的发展, 分离到降解酶和降解菌。就有
可能通过操作， 有目的地设计、合成降解基因, 提高
其降解效率，　从而彻底消除有毒化合物对环境的污染。
基因工程在环境中应用前景
随着工业发展、人口高度密集环境中有毒有机污
染物的数量、品种越来越多， 原有的治污手段满足不
了现实的需要.利用基因工程的手段将人们希望的遗
传基因转入易培养的微生物体内,　得以表达识别, 使其
起到净化环境的特殊功能， 最大限度地消除环境污染,
尚需做大量的研究工作。
研究利用基因工程、使禾本科作物本身具有固
氮能力，　这样就可以大大降低化肥的生产和使用，　从根
本上消除化肥的污染.
利用光合细菌许多种类在代谢过程中都能释放
氢气的特点, 利用基因工程开发生物制氢新能源, 供车
辆和机械发动机用, 这样不仅节约了能源， 还减少了
煤、石油等燃料不完全燃烧时对大气环境造成的污染.
学通报陌年第卷第期
根据一些藻类等水生物植物具有从水环境中大
量积累重金属离子的能力， 利用基因工程消除水体中
重金属的污染。
研究生产甲烷的基因, 提高甲烷发酵的效率，
解决甲烷发酵反应速度慢、时间长、需用大反应容器
进行储存的难题。
采用基因工程的方法建立无害化生产工艺过程，
实现废水循环利用, 同时将部分无毒有机污染物转化
为副产品, 如单细胞蛋白、生物农药等， 充分实现废物
资源化。
通过基因重组构建新的杀虫剂,　以取代生产过
程中耗能多， 又易造成环境污染的农药， 并试图通过
基因工程的方法回收和利用工业废物。
继续构建系列基因工程菌,　筛选出絮凝—降解
性能好、遗传特性好和成本低的系列双功能基因工程菌
株,并将该技术应用于染料生产废水的处理或其他领域。
基因工程技术的掘起, 为技术进步增添了新的活
力， 为解决资源短缺、生态破坏等全球性环境问题带
来了新的曙光， 为世纪的环境保护展现出绚丽多彩
的应用前景。因此， 随着人们对基因的深人研究和对遗
传密码的破译、基因工程定会在各个领域发挥越来越
显著的作用。
主要参考文献
朱正威， 赵占良生物选修—生物科学与社会北京人民教
育出版社， 衅一
牛炳旭细菌与石油污染的治理生物学通报, 以碎, 一
刘德绍， 郑强关于环境生物技术在水污染治理中的研究与应用
重庆环境科学， ， 一

第2节 基因工程及其应用
孝义三中 高一生物组 张文
一、 教材内容分析
基因工程是现代四大生物工程之一。《基因工程及其应用》是人教版高中生物必修2第6章第2节内容。本节内容主要包括三个方面,分两课时讲授。第1课时简要介绍“基因工程的原理”，第2课时介绍　“基因工程的应用”及“转基因生物和转基因食品安全性”。 本节内容是对前面所学育种内容的补充，是即贴近生活又远离生活的微观内容.由于在选修3中还有基因工程的介绍，因此本节的要求相对简单一些。
二、 学情分析
对于基因操作的工具和基本步骤,内容抽象和复杂,学生接触少，会出现掌握不好，甚至理解错误的情况。虽然经过必修1的学习，学生的生物基础知识较扎实,思维的目的性、连续性和逻辑性已初步建立。但基因工程一节对学生来说难点较多，如果处理不好，会变成简单的死记硬背。因此在教学过程中,尽量通过生活化打比喻的方式和模型建构活动及采用多媒体动画形象化教学，并在教师引导下适时加强学生解决问题和运用图解等生物学语言归纳结论等方面的能力.切记不可讲的太多.
三、　教学目标
1、简述基因工程的基本概念；
2、简述基因工程的基本工具;
3、简述基因工程的基本操作步骤；
4、通过基因工程的简介，鼓励学生积极探索新知和科学创新,树立一分为二的辩证唯物主义思想;
四、教学重点、难点分析
教学重点: 基因工程的基本原理(概念、工具、操作步骤)
教学难点:　基因工程的基本原理
五、　教学思路
本节课主要解决如下几个问题：１）什么是基因工程？2）基因工程的主要原理是什么?3）基因工程的操作过程如何?4）基因工程有哪些方面的应用？如何看待转基因食品?由于本节内容和前面的育种内容联系比较紧密,因此可以让学生回顾前面几种育种方法的成果，再通过情景展现传统育种方法所不能达到的地方，进而引出基因工程,通过列举生活中的转基因成果让学生知道基因工程就在我们身边。而后通过与学生们所熟知的器官移植做对比，让学生理解基因工程的本质和操作过程。通过对转基因食品的讨论让学生树立辩证唯物主义观念。
六.教学策略及教学媒体
根据激趣原则，通过展示色彩绚丽的转基因生物图片入手，引出基因工程的概念,采取“引导-互动-探究"模式，即采用师生互动探究式教学，借助老师生活化打比喻和多媒体动画并安排学生制作模型活动从而使抽象的课程内容具体化，直观化和形象化。
七、 教学设计流程图   第1课时  　 “基因工程的原理”

引入新课：展示常规育种的成果和色彩绚丽的转基因生物、导入

设疑,讨论，简单介绍“抗虫棉”的产生

引出“基因工程”的概念

师生活动：探讨培育“抗虫棉"的具体过程并归纳出培育“抗虫棉"的关键步骤（生活化设喻）
,并引出并用类比方法介绍基因工程的基本工具：剪刀、针线、运载体

师生活动:通过动画课件展示基因工程操作的基本步骤，师生归纳基因工程操作的“四步曲”，并引导学生分析如何获得“抗虫棉”的过程，加强基因工程操作过程的理解应用

总结再现本节课的知识并布置学生课外收集基因工程的应用相关资料

课堂练习和作业布置（课外探究）

八、教学过程 

教学过程预设
教学步骤环节
教师的组织和引导
（教学内容的呈现)
学生活动
（学习活动的设计）
设计意图
一、情境导入

二、新课讲授
（一）基因工程的概念

（二)基因工程操作的基本工具
1.基因剪刀(分子手术刀）-—限制性核酸内切酶（简称：限制酶)

 2。“基因针线"——DＮA连接酶

3。“基因运输工具”　—— 运载体

(三)基因工程操作的基本步骤

(四）结课
回顾:常规育种有哪些成果?
情景:虫害会严重影响棉花的产量,但自然界的棉花都不具备抗虫的特性，请你设计一种育种方法解决这一问题。
多媒体逐一出示色彩绚丽的转基因生物图片
设问:在生活中大家亲眼见过这些生物吗?
其实前面大家看到的生物可以通过基因工程实现，基因工程给科学插上想象的翅膀，引出课题-—《第2节 基因工程及其应用》
问题：什么叫基因工程?
（从原理、操作水平、产生结果方面理解概念）(打比方)
取出优秀基因
“剪切”
“拼接”　
表达　
甲生物
新类型
新的生物产品　

乙生物

就像器官移植一样，只不过一个是从个体到个体,另一个是从细胞到细胞.
要实现这一目标,应该解决哪些问题？
展示问题:(１）如何获得目的基因?
（2)如何将目的基因导入受体细胞？
（3）目的基因是否表达?
基因工程操作的基本工具:
1．在生物学上作为获取目的基因的“剪刀”是什么？
【教师讲解】限制酶主要来自细菌等微生物体。因为微生物容易受到外源ＤNA的干扰，而限制酶可以切除这些外源DＮA，使其失活,是对自身生存的一种保护。EｃoRⅠ只是已知多种限制酶中的一种。ＥcoRⅠ是一种从细菌中发现的能在特定位置上切割DNＡ分子的酶，其特定的识别序列是ＧAAＴTＣ，特定的切点是在Ｇ和A之间。
探究１：限制酶的功能特点中指出两个“特定”,　这两个“特定”指什么?

探究2:限制酶切割DＮＡ分子后产生什么结果？ 
探究3：用同种限制酶切割的ＤNA末端需要用什么酶连接缝合呢?
2．“基因针线”-—DＮA连接酶
思考:DＮＡ连接酶连接的是两个脱氧核苷酸分子的什么部位? 
连接的部位:磷酸二酯键（梯子的扶手)，不是氢键(梯子的踏板）。
结果:两个相同的黏性未端的连接
过渡:通过讨论，我们知道基因剪刀—限制酶切割目的基因，并通过基因针线-—DNA连接酶将来源不同的两个基因连接起来，但是目的基因(如人的胰岛素基因）怎样才能导入受体细胞(如大肠杆菌细胞)？
3。“基因运输工具” ——　运载体
提问：常用的运载体有哪些?

展示质粒的结构模式图,介绍
探究4：充当运载体应该具有什么特点？
作用：将外源基因送入受体细胞.
具备的条件:能在宿主细胞内复制并稳定地保存;具有多个限制酶切点；具有某些标记基因。　种类:质粒、噬菌体和动植物病毒。
问题：那么基因工程具体是如何进行操作的呢？
播放基因工程操作的基本步骤的动画
归纳基因工程操作的基本步骤（四步曲):
（1）提取目的基因ﻫ   目的基因的提取途径：两条，一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因；另一种是人工合成基因。ﻫ  （2)目的基因与运载体结合（以质粒为运载体）。ﻫ      目的基因与运载体结合的结果可能有三种情况：目的基因与目的基因结合，质粒与质粒结合，目的基因与质粒结合. ﻫ  （3）将目的基因导入受体细胞。ﻫ    导入方法：借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。ﻫ   　导入过程：运载体为质粒,受体细胞为细菌。ﻫ  (4）目的基因的检测和表达ﻫ      检测：通过检测标记基因的有无，来判断目的基因是否导入.
表达:通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达.
探究５：请大家根据基因工程操作的基本步骤（四步曲），设计如何获得“抗虫棉”？ 
设问:请一位同学总结今天的课堂内容。
设疑:基因工程在实际应用领域中有何发展前景?请大家在课外查阅或上网收集基因工程的应用相关资料.

反馈练习
布置作业
个别提问 回答.
讨论，疑问？
学生欣赏，惊讶

学生思考总结“抗虫棉”是怎样产的?”

阅读教材，寻找答案，回答

相互讨论、交流用基因工程关键步骤和需要的工具

阅读课文，回答并举例说明。

思考回答

学生观察，理解

学生动手实践,展示成果

学生回答

学生思考，回答

 培养学生的分析能力

利用课外资料吸引学生的注意力,引起学生的兴趣,同时培养学生的观察能力和总结能力。

 通过展示问题‘引导学生讨论、交流从而培养学生分析问题的能力和归纳总结能力。

打比方使内容通俗化、形象化，利于学生理解

通过展示问题‘引导学生讨论、交流从而培养学生分析问题的能力和归纳总结能力.

通过学生自己动手,激起学生的兴趣,同时更加直观的了解知识,加深对知识的理解。
利用插图，结合阅读课本，归纳载体必须具备条件的认识，培养学生归纳总结能力,从而加深学生的记忆。
激发学生的兴趣，活跃课堂气氛，体现基础知识的准确运用，在运用中加深对基础知识的深层次理解,同时加强学生的合作精神

九、板书设计
第6章   第2节    基因工程及其应用—基因工程的原理（第１课时）
(一）基因工程的概念（原理、操作水平、产生结果)
（二）基因工程的操作工具
   1.基因剪刀-限制酶
   2.基因针线—DNＡ连接酶
   3。 基因运载工具—运载体
(三) 基因工程操作步骤（四步曲）
十、教学评价：
１） 巧妙布置预习作业,化“复杂”为“简约”。由于基因工程内容上的“高”与“新”,处理不好,会提高学习难度，令学生视高科技为畏途，致使教学流于形式。所以在课前以学生较为熟悉的转基因抗虫棉的培育过程案例为预习作业,使学生首先从整体上了解基因工程的四个步骤，起到了突破难点及培养自学能力的目的.
2)巧妙运用插图及多媒体技术，化“抽象”为“形象".对于基因工程，学生接触得少，只运用文字来教学会感到很抽象。如在讲授如何构建基因文库时，教师会提供一幅非常形象的插图，结合图文提出相应问题，诱导学生思考，从而把学习的注意力从简单的死记硬背引导到分析、批判、创新等有利于学生终身发展的能力上来。
3）巧妙利用概念图串联知识，化“部分”为“整体"。概念不可能单独存在,每个概念都必须根据与之有关的其他概念间的关系才能确定其准确的含义。通过分步探讨，学生已经对基因工程每一步操作的原理、方法和过程做到了理解，但并未从整体上把握到基因工程的全过程,教师可以指导学生构建概念图，将零散的知识进行归纳，把已掌握的知识显性化、可视化，实现新课程有效教与学的策略。

　基因工程及其应用专题练习
1、在基因工程中,切割载体和含有目的基因的DNA片段时,需使用
A．同种限制酶B.两种限制酶C.同种连接酶Ｄ。两种连接酶
2、(2004 北京海淀）下列关于基因工程的叙述,正确的是
A．基因工程经常以抗菌素的抗性基因为目的基因
B．细菌质粒是基因工程最常用的运载体
C.通常选用不同的限制性内切酶分别处理含目的基因DNA和运载体DNA
D．为育成抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体
3、人们将苏云金杆菌中的抗虫基因导入棉花细胞中，成功培育出抗虫棉。这个过程中利用的主要原理是
A．基因突变，DNA→ＲＮA→蛋白质Ｂ.基因重组，DNA→ＲNA→蛋白质
C.基因工程，DNＡ→RNA→蛋白质D．染色体变异,DＮＡ→RNＡ→蛋白质

4、（2001　　广东综)植物基因工程往往需要接受外来DＮ