第3節基因工程的應用

課標內容(1)舉例說出基因工程在農牧業、醫藥衛生和食品工業等方面的應用。

(2)乳腺生物反應器的制備過程。

-----?自主梳理?-----

知識點1基因工程在農牧業方面的應用

從某些生物中分離出具有抗蟲功能

轉基因抗

一的基因，將它導入作物中培育出具

蟲植物

有抗蟲性的作物

將來源于某些病毒、真菌等的抗病

轉基因抗

一基因導入植物中,培育出了轉基因

病植物

抗病植物

將降解或抵抗某種除草劑的基因導

轉基因抗

一入作物，可以培育出抗除草劑的作

除草劑植物

物品種

將某種必需氨基酸含量多的蛋白質

編碼基因導入植物中,可以提高這

改良植物

一種氨基酸的含量。將與植物花青素

的品質

代謝相關的基因導入矮牽牛中,使

I它呈現出自然界沒有的顏色變異

提高動物一將外源生長激素基因導入動物體內,

的生長速率I以提高動物的生長速率

I

將腸乳糖醐基因導入奶牛基因組,

改善畜產

1使獲得的轉基因牛分泌的乳汁中，

品的品質

乳糖的含量大大降低

知識點2基因工程在醫藥衛生領域的應用

①對微生物或動植物的細胞進行基因改造,使它們能夠生產藥物

②利用乳腺生物反應器生產藥物：將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達

的基因的啟動壬等調控元件重組在一起，通過顯微注射的方法導入哺

乳動物的受精卵中，培育出的轉基因動物通過分泌乳汁生產所需要的

技術方法

藥物

③培育移植器官：在器官供體的基因組中導入某種調節因子,抑制抗

原決定基因的表達，或設法除去抗原決定基因,然后再結合克隆技術,

培育出不會引起免疫排斥反應的轉基因克隆器官

實例重組人干擾素、促紅細胞生成素、抗凝血酶、血清白蛋白等

知識點3基因工程在食品工業方面的應用

利用基因工程菌生產食品工業用酶、氨基酸和維生素等。例如將

技術方法編碼牛凝乳酶的基因導入大腸桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中，

再通過工業發酵生產凝乳酶

實例凝乳酶、淀粉酶、脂肽酶、天冬氨酸和苯丙氨酸

國自查自糾,

（1）農業害蟲不會對轉基因抗蟲作物產生抗性。（X）

提示：害蟲仍會對抗蟲作物產生抗性。

⑵培育轉基因抗病植物的目的基因主要來源于病毒、真菌。（J）

（3）基因工程中，要培育轉基因植物和動物，選用的受體細胞都是受精卵。（X）

提示：培育轉基因動物時，所選用的受體細胞一般是受精卵；培育轉基因植物時，

所選用的受體細胞可以是受精卵，也可以是體細胞。

（4）利用工程菌可生產人的胰島素等某些激素。（V）

（5）乳腺生物反應器就是把藥用蛋白基因導入動物的乳腺細胞中。（X）

提示：應是把藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件重組在

一起，通過顯微注射的方法導入哺乳動物的受精卵中。

-----?合作探究?-----

一、基因工程在農牧業方面的應用

【情境探疑】

下面是基因工程技術在農牧業方面的應用成果，分析回答下列問題：

轉基因抗蟲棉（使棉鈴蟲死亡,

左）與非轉基因抗蟲棉（右）

轉基因抗除草劑玉米抗病毒的轉基因甜椒

（1）對于基因工程生產的抗蟲棉是否取得最后的成功，最簡單的檢測方法是什么？

提示：讓害蟲去吃轉基因棉花的植株，觀察害蟲的生存狀況。

（2）從環境保護角度出發，分析轉基因抗蟲棉與普通棉相比在害蟲防治方面的優越

性有哪些？

提示：減少了化學農藥的使用量，降低了環境污染。

⑶抗蟲棉能抗病毒、細菌、真菌嗎？為什么？

提示：不能；抗蟲基因的作用具有專一性。

【典例應用】

例1下列有關轉基因植物的說法，錯誤的是（）

A.科學家可以利用一些調節細胞滲透壓的基因，來提高農作物的抗鹽堿和抗旱的

能力

B.因為轉基因抗蟲棉可以抵抗一切危害棉花植株的害蟲，所以轉基因抗蟲棉已經

推廣應用

C.科學家往往將必需氨基酸含量多的蛋白質編碼基因導入植物中，以提高農作物

的營養價值

D.利用基因工程技術可以改良農作物的品質

答案B

解析因為鹽堿和干旱對農作物的危害與細胞滲透壓的調節有關，所以科學家可

以利用一些調節細胞滲透壓的基因來提高農作物的抗鹽堿和抗旱的能力，A正確；

轉基因抗蟲棉只是對棉鈴蟲有較強的抗性，并不能抵抗所有害蟲，B錯誤；將必

需氨基酸含量多的蛋白質編碼基因導入植物中，可以提高農作物的營養價值，C

正確；利用基因工程技術可以改良農作物的品質，D正確。

例2（2023?哈爾濱三中高二檢測）八氫番茄紅素合酶（其基因用“sy表示）和胡蘿卜

素脫飽和酶（其基因用“〃表示）參與隹胡蘿卜素合成。p加為磷酸甘露醇異構酶基

因，它編碼的蛋白質可使細胞在特殊培養基上生長。科學家將處y和"〃基因轉

入水稻，使水稻胚乳中富含供胡蘿卜素，由此生產出的大米稱為“黃金大米”。

下列有關敘述錯誤的是（）

A.psy和c%/基因是該項研究中的目的基因

B.以2加基因作為標記基因便于篩選出導入目的基因的受體細胞

C.檢測出水稻中含八氫番茄紅素合酶和胡蘿卜素脫飽和酶，即表明轉基因水稻培

育成功

D.可設法將重組載體導入水稻細胞

答案C

解析科學家將psy和“〃基因轉入水稻，使水稻胚乳中富含供胡蘿卜素，顯然

psy和“〃是該項研究中的目的基因，A正確；由題干信息可知，?編碼的蛋白

質可使細胞在特殊培養基上生長，因此構建基因表達載體時可用。加基因作為標

記基因，B正確；檢測出水稻胚乳細胞中含有隹胡蘿卜素，才能說明“黃金大米”

培育成功，僅含有八氫番茄紅素合酶和胡蘿卜素脫飽和酶不能說明轉基因水稻培

育成功，C錯誤；在培育“黃金大米”的轉基因操作中可將水稻細胞作為受體細

胞，然后通過植物組織培養獲得轉基因植株，因此，可設法將重組載體導入水稻

細胞，D正確。

二、乳腺生物反應器與工程菌生產藥物的比較

【情境探疑】

L利用基因工程生產人胰島素有兩種方法：

方法一：將胰島素基因轉入細菌細胞，進行微生物培養，提取胰島素；

方法二：將胰島素基因轉入高等哺乳動物的受精卵，培養成轉基因動物并從其乳

汁中提取胰島素。

閱讀上述材料，回答問題：

(1)方法一中，為使胰島素基因能順利進入細菌細胞，應用上處理細菌細胞，目

的是使細胞處于一種能吸收周圍環境中DNA分子的生理狀態。

(2)方法二中，將目的基因導入受體細胞常用的方法是顯微注射法。要確保人胰島

素基因只在牛的乳腺細胞中表達，應該采取的措施是將人胰島素基因與乳腺史特

異表達的基因的啟動子等調控元件重組在一起。

(3)大腸桿菌和酵母菌均可作為生產胰島素的工程菌，該類工程菌的優點是單細胞、

繁殖快(至少答出兩點)。

(4)上述兩種方法中，哪種方法得到的胰島素需要進一步加工和修飾以使其獲得生

物活性？試解釋其原因。方法一；方法一中的受體細胞是細菌，其細胞內無內質

網和高爾基體，無法對胰島素進行加工和修飾。

2.繼哺乳動物乳腺生物反應器研發成功后，膀胱生物反應器的研究也取得了成功。

科學家培育出一種轉基因小鼠，其膀胱上皮細胞可以合成人的生長激素并分泌到

尿液中。在研制膀胱生物反應器時，應使藥用蛋白基因在什么細胞中特異表達？

它與乳腺生物反應器有什么相同和不同點？

提示：應使藥用蛋白基因在膀胱上皮細胞中特異表達。相同點是收集藥用蛋白較

容易，且不會對動物造成傷害。不同點是乳腺生物反應器必須是處于生殖期的雌

性動物才可生產藥用蛋白，而膀胱生物反應器則是任何生長期的雌雄動物均可生

產。

里歸納提升

乳腺（房）生物反應器的兩點歸納

I一獲取目的基因―p:如血清白蛋白豆因；

［構建基因表達載體卜二二二」好需不

'------------------------'f白基因前力口］

,Y、1I

［顯微注射導入哺乳動物受精加司喑f篝

［形成‘胚胎）

______________I______________?、

［將胚胎送入母體動物）,只有在處于生殖期1

____Z____:的雌性個體中，轉，

［發育成轉基因動物■入的基因才能表達J

（1）乳腺（房）生物反應器的操作過程中，構建基因表達載體時，目的基因要與乳腺

中特異表達的基因的啟動子等調控元件重組在一起，否則目的基因在乳腺上皮細

胞中不能轉錄。構建好的基因表達載體導入受精卵，而不是乳腺上皮細胞，這樣

由受精卵發育成的個體細胞均含有目的基因（如藥用蛋白基因），但其只在乳腺上

皮細胞中表達。

（2）用乳腺（房）生物反應器生產的優點是產量高、質量好、成本低、易提取，但從

乳汁中提取蛋白質，該轉基因個體必須是雌性的，若利用膀胱生物反應器從尿液

中提取目的基因的產物則不受性別限制。

【典例應用】

例3（2023?合肥一中高二期末）動物乳腺生物反應器是一項利用轉基因動物的乳腺

代替傳統的生物發酵，進行大規模生產可供治療人類疾病或用于保健的活性蛋白

質的現代生物技術。科學家已在牛和羊等動物的乳腺生物反應器中表達出了抗凝

血酶、血清白蛋白、生長激素等重要藥品。大致過程如下圖所示。以下敘述錯誤

的是（）

|性成熟的雄牛U性成熟的雌牛11人的藥用|

_①~（DI蛋.基因II質，粒I

|捻?1|卵母左胞|‘③I'

1|體夕卜夏精I重組?質粒|

I受單卵I④______

|早期3胎閨妊娠—轉基因車］

A.通過③形成的重組質粒具有人的藥用蛋白基因、啟動子、終止子和標記基因即

可

B.④通常采用顯微注射法

C.在轉基因母牛的乳腺細胞中人的藥用蛋白基因才會得以表達，因此可以從乳汁

中提取藥物

D.該技術生產藥物的優點是產量高、質量好、易提取

答案A

解析若用轉基因動物生產藥物，通常將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因

的啟動子等調控元件重組在一起,通過顯微注射的方法導入哺乳動物的受精卵中，

最終培育的轉基因動物進入泌乳期后，可以通過分泌乳汁來生產所需要的藥物，

因而稱為乳腺生物反應器，A錯誤，B、C正確；相對于傳統方法，利用乳腺生

物反應器生產藥物的優點是產量高、質量好、成本低、易提取，D正確。

例4（多選）上海醫學遺傳研究所成功培育出第一頭攜帶人白蛋白基因的轉基因牛。

他們還研究出一種可大大提高基因表達水平的新方法，使轉基因動物乳汁中的藥

用蛋白含量提高了30多倍。以下與此有關的敘述，正確的是（）

A.“轉基因動物”是指體細胞中出現了新基因的動物

B.”提高基因表達水平”是指設法使牛的乳腺細胞中含有更多的人白蛋白基因

C.只在轉基因牛乳汁中才能獲取人白蛋白，是因為人白蛋白基因只在牛乳腺細胞

中特異性表達

D.轉基因牛的肌肉細胞中也有人白蛋白基因，但不發生轉錄、翻譯，故不能合成

人白蛋白

答案CD

解析“轉基因動物”是指體細胞中出現了外源基因的動物，A錯誤；“提高基

因表達水平”是指設法提高牛的乳腺細胞合成人白蛋白的能力，B錯誤；轉基因

牛的各個細胞中都含有人白蛋白基因，但只在轉基因牛的乳汁中才能獲取人白蛋

白，是因為人白蛋白基因只在牛乳腺細胞中選擇性表達，C、D正確。

?課堂小結?

思維導圖晨讀必背

1.科學家將藥用蛋白基因與乳腺中特異

表達的基因的啟動子等調控元件重組在

一起，通過顯微注射的方法導入哺乳動

改良動植物品種

提高作物和畜產品產量物的受精卵中，由這個受精卵發育成的

僮

因H利用轉基因微生物和動、植物生轉基因動物在進入泌乳期后，可以通過

工____/產藥物

程醫藥（

的分泌乳汁來生產所需要的藥物。

衛星卜讓哺乳動物批量生產藥物

應

抑2.在器官供體的基因組中導入某種調節

實現建立移植器官工廠的設想

食品工1生產食品工業用酶、氨基酸和因子，以抑制抗原決定基因的表達，或

業方面:維生素等

設法除去抗原決定基因，然后結合克隆

技術，可培育出不會引起免疫排斥反應

的轉基因克隆器官。

隨堂檢測

1.基因工程應用廣泛，成果豐碩。下列成果屬于基因工程應用的是（）

A.腺病毒載體重組新型冠狀病毒疫苗的制備

B.白菜與甘藍體細胞雜交得到白菜一甘藍

C.人工誘變獲得高產青霉素的青霉菌株

D.用單個細胞培養出可供移植的皮膚

答案A

解析腺病毒載體重組新型冠狀病毒疫苗的制備，屬于基因工程的應用，A符合

題意；白菜與甘藍體細胞雜交得到白菜一甘藍，屬于細胞工程的應用，B不符合

題意；人工誘變獲得高產青霉素的青霉菌株，屬于誘變育種，不屬于基因工程的

應用，C不符合題意；用單個細胞培養出可供移植的皮膚，屬于細胞工程的應用，

D不符合題意。

2.下列有關乳腺生物反應器的敘述錯誤的是（）

A.乳腺生物反應器基因與人類基因都是雙螺旋結構

B.乳腺生物反應器不用篩選動物性別

C.可從具有目的基因的轉基因雌性動物乳汁中提取藥物

D.乳腺生物反應器是轉基因技術在醫藥衛生領域的應用

答案B

解析乳腺生物反應器要從乳汁中提取藥物，因此要選擇雌性動物，B錯誤。

3.（2023?吉林長春檢測）下列關于用轉基因動物作器官移植供體研究的敘述，錯誤

的是（）

A.人體移植器官短缺和免疫排斥是目前制約人體器官移植的兩大難題

B.豬的內臟構造、大小和血管分布與人的極為相似

C.靈長類動物體內隱藏的、可導致人類疾病的病毒少于豬

D.無論以哪種動物作為供體，都需要在其基因組中導入某種調節因子，以抑制抗

原決定基因的表達，或設法除去抗原決定基因

答案C

解析目前，人體移植器官短缺和免疫排斥是制約人體器官移植的兩大難題，A

正確；豬的內臟構造、大小和血管分布與人的極為相似，且豬體內隱藏的、可導

致人類疾病的病毒遠少于靈長類動物，B正確、C錯誤；無論以哪種動物作為供

體，都需要在其基因組中導入某種調節因子，以抑制抗原決定基因的表達，或設

法除去抗原決定基因，再結合克隆技術，培育出不會引起免疫排斥反應的轉基因

克隆器官，D正確。

4.（多選）人們試圖利用基因工程的方法，用乙種生物生產甲種生物的一種蛋白質。

生產流程：甲種生物的蛋白質一mRNA。目的基因一里與質粒DNA重組

一配導入乙種生物的細胞中e獲得甲種生物的蛋白質。下列說法中正確的是

（）

A.①過程需要的酶是逆轉錄酶，所需原料含有的堿基是A、U、G、C

B.②要用限制性內切核酸酶切割質粒DNA和目的基因，再用DNA連接酶將目的

基因與質粒連接在一起

C.如果受體細胞是動物細胞，③過程可以用顯微注射法

D.④過程中用的原料不含堿基A、U、G、C

答案BC

解析①過程是逆轉錄，利用逆轉錄酶合成DNA片段，所以需要的原料所含的

堿基是A、T、G、C,A錯誤；②過程是目的基因與質粒DNA的重組，需要用

限制性內切核酸酶切割質粒DNA和目的基因，再用DNA連接酶將目的基因與質

粒連接在一起，B正確；如果受體細胞是動物細胞，目的基因導入動物細胞的常

用方法是顯微注射法，C正確；④過程是基因的表達，該過程中會有RNA的合

成，原料中含有堿基A、U、G、C,D錯誤。

課時精練

（時間：30分鐘）

【基礎對點】

知識點1基因工程在農牧業方面的應用

1.1987年，美國科學家將螢火蟲的熒光素基因轉入煙草植物細胞并獲得高水平的

表達。長成的煙草植株通體光亮，堪稱自然界的奇跡。這一研究成果表明（）

①螢火蟲與煙草的DNA結構基本相同②螢火蟲與煙草共用一套遺傳密碼

③煙草體內合成了熒光素④螢火蟲和煙草合成蛋白質的方式基本相同

A.①③B.②③

C.①④D.①②③④

答案D

解析螢火蟲與煙草的遺傳物質都是雙鏈DNA,這是完成基因重組的基礎，①正

確；自然界的幾乎所有生物都共用一套遺傳密碼，即無論在高等生物還是低等生

物中，相同的密碼子決定的氨基酸種類都相同，②正確；螢火蟲的熒光素基因導

入煙草細胞使得該植株通體光亮，可見熒光素基因在該植株中成功表達，③正確；

熒光素基因成功表達，說明螢火蟲和煙草合成蛋白質的方式基本相同，④正確。

故選D。

2.科學家利用基因工程培育出了耐鹽的轉基因棉花新品系，下列相關敘述錯誤的

是（）

A.可通過農桿菌轉化法將重組質粒導入受體細胞

B.含耐鹽基因的棉花細胞可經植物組織培養獲得完整植株

C.可用較高濃度的鹽水澆灌來鑒定棉花植株的耐鹽性

D.如果目的基因的核昔酸序列是全部未知的，可用PCR技術得到大量目的基因

答案D

解析棉花是雙子葉植物，可通過農桿菌轉化法將重組質粒導入棉花受體細胞，

A正確；植物組織培養技術可以保持親本的優良性狀，含耐鹽基因的棉花細胞經

植物組織培養可獲得耐鹽的植株，B正確；棉花植株是否耐鹽，主要看植株能否

在高濃度的鹽溶液中生活，因此，可以用較高濃度的鹽水澆灌來鑒定棉花植株的

耐鹽性，C正確；利用PCR技術獲得大量目的基因時，需要提供DNA的模板和

引物，設計引物需要一段已知目的基因的核甘酸序列，D錯誤。

3.科學家在河南華溪蟹中找到了金屬硫蛋白基因，并以質粒為載體，采用轉基因

方法培育出了硫吸收能力極強的轉基因煙草。下列有關該煙草培育的說法正確的

是（）

A.金屬硫蛋白基因需插入到質粒上，才能轉移到受體細胞中

B.需用特定的限制酶切割煙草的核酸

C.同種限制酶既可以切割含目的基因的DNA片段又可以切割質粒，因此不具有

專一性

D.轉基因煙草與原煙草相比基因組成發生了變化，導致兩者出現生殖隔離

答案A

解析在基因工程中，需用特定的限制酶切割目的基因和載體，而不是切割煙草

的核酸，B錯誤；限制酶具有專一性，能識別特定的脫氧核甘酸序列，C錯誤；

轉基因煙草與原煙草之間一般不會出現生殖隔離，D錯誤。

知識點2基因工程在醫藥衛生領域及食品工業方面的應用

4.（2023?遼寧六校期末改編）2022年首位接受豬心臟移植的患者最終還是去世了，

雖然只存活了兩個多月，但該手術仍被視為醫學重大進展。將經過基因改造的豬

心臟移植入體內，該手術為全球首例，并且手術后的48小時內并未發生異常，這

為解決人體移植器官短缺的問題帶來了曙光。下列說法錯誤的是（）

A.與豬相比，靈長類動物體內隱藏的、可導致人類疾病的病毒很少

B.基因改造的豬心臟可能導入了某種調節因子，以抑制抗原決定基因的表達

C.基因改造過程中可能用到了限制酶、DNA連接酶

D.器官短缺和免疫排斥是目前制約人體器官移植的兩大難題

答案A

解析與靈長類動物相比，豬體內隱藏的、可導致人類疾病的病毒很少，A錯誤；

科學家設法導入了某種調節因子以抑制抗原決定基因的表達，培育出不引起免疫

排斥反應的轉基因克隆豬器官，B正確；基因改造過程涉及基因工程技術，因此

可能會用到限制酶和DNA連接酶，C正確；器官短缺和免疫排斥是目前制約人

體器官移植的兩大難題，D正確。

5.某實驗小組將人生長激素基因導入大腸桿菌以制備工程菌，下列相關敘述錯誤

的是（）

A.人生長激素基因可以下丘腦細胞的mRNA為模板通過逆轉錄獲得

B.將人的生長激素基因導入大腸桿菌，需要處理得到能吸收周圍環境中DNA分

子的細胞

C.利用基因工程菌制備的生長激素需要與天然產品的功能進行活性比較

D.與人細胞分泌的天然生長激素相比，基因工程菌無法對生長激素進行進一步加

工和修飾

答案A

解析人生長激素基因在垂體細胞中表達，在下丘腦細胞中不表達，因此下丘腦

細胞中沒有生長激素基因轉錄出的mRNA,A錯誤；將人的生長激素基因導入大

腸桿菌，常用Ca2+處理大腸桿菌細胞，使其處于一種能吸收周圍環境中DNA分

子的生理狀態，B正確；利用基因工程菌制備的生長激素需要與天然產品的功能

進行活性比較，以確定轉基因產品的功能活性是否與天然產品相同，C正確；大

腸桿菌為原核生物，無內質網和高爾基體，因此無法對生長激素進行進一步加工

和修飾，D正確。

6.動物生物反應器研究和開發的重點是動物乳腺生物反應器和動物血液生物反應

器，即把人體相關基因整合到動物胚胎里，使得到的轉基因動物長大后分泌的乳

汁中或血液中含有人類所需要的藥用蛋白質。下列相關說法錯誤的是（）

A.在制備乳腺生物反應器時需將目的基因導入乳腺細胞中

B.將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等重組在一起構建成表達載

體

C.可通過PCR技術鑒別藥用蛋白基因是否導入受體細胞

D.轉基因動物產生的生殖細胞中可能含有藥用蛋白基因

答案A

解析在制備乳腺生物反應器時需將目的基因導入受精卵中，A錯誤；將藥用蛋

白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等重組在一起構建成表達載體，B正確;

可通過PCR等技術檢測目的基因是否成功插入受體細胞染色體DNA上,C正確；

轉基因動物的體細胞是由同一個受精卵（含有目的基因）經有絲分裂形成的，故產

生的生殖細胞中可能含目的基因，D正確。

【綜合提升】

7.（多選）下圖是利用基因工程培育抗蟲植物的示意圖。下列相關敘述正確的是

導入

構建重組轉入農植物

\Ti質粒.'桿菌,

嘴串公重組含重組

植物

媼然需質粒質粒的植株

TiTi細胞

因的DNA農桿菌

①②③④⑤

A.①一②利用兩種不同限制酶處理，能避免目的基因和質粒的自身環化

B.②一③可用氯化鈣處理農桿菌，這樣有助于促進重組Ti質粒轉入農桿菌細胞中

C.③一④用農桿菌侵染植物細胞，重組Ti質粒整合到植物細胞的染色體DNA上

D.④一⑤用植物組織培養技術培養，具有抗蟲性狀的植株產生了可遺傳的變異

答案ABD

解析題圖是利用基因工程培育抗蟲植物的示意圖，其中①為Ti質粒，作為載體;

②為重組Ti質粒；③為含有重組T