《从杂交育种到基因工程》教案

第6章从杂交育种到基因工程一、一周知识概述二、重难点讲解（一）杂交育种1、概念杂交育种是将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起，再经过选择和培育，获得新品种(稳定遗传)的方法。2、原理利用自由组合定律实现基因重组。3、应用可用于农作物品质的改良、产量的提高、培育新品种；也用于家禽、家畜的育种。4、不足杂交育种只能利用已有基因的重组，按需选择，并不能产生新的基因；杂种后代出现分离现象，育种进程缓慢，过程复杂。（二）诱变育种1、概念人工利用物理因素(如X射线、γ射线、紫外线、激光等)或化学因素(如亚硝酸、硫酸二乙酯等)来处理生物，使生物发生基因突变。2、优点能提高突变率，产生新基因；在较短时间内获得更多的优良变异类型。3、应用（1）农作物新品种的培育。新品种具有抗病力强、产量高、品质好等优点。如“黑农五号”大豆，产量提高了16%，含油量比原来提高了2.5%。（2）用于微生物育种。例如青霉素的选育。1943年从自然界分离出来的青霉菌只能产生青霉素20单位/mL。后来人们对青霉菌多次进行X射线、紫外线照射以及综合处理，培育成了青霉素高产菌株，目前青霉素的产量已达到50000～60000单位/mL。4、局限性诱变育种的方向难以掌握，诱变体难以集中多个理想性状。原因是基因突变是随机不定向的。5、克服方法要想克服这些局限性，可以扩大诱变后代的群体，增加选择的机会。（三）基因工程的基本内容1、基因工程的概念概念：基因工程又称为基因拼接技术或DNA重组技术。在体外，将外源基因经“剪切”和“拼接”重组后，导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物或创建新的生物类型。作用：定向改造生物的遗传性状。2、基因操作的工具基因的剪刀——限制性内切酶：能识别一种特定的核苷酸序列，并能在特定的切点上切割DNA分子。基因的针线——DNA连接酶：连接被限制酶切开形成的粘性末端，合成重组的DNA分子。基因的运载工具——运载体：常使用的有质粒、噬菌体和动植物病毒。具备条件：能在宿主细胞中复制并稳定存在；具多个限制酶切点；具某些标记基因，便于筛选。3、基因操作的基本步骤（1）提取目的基因：取得符合人们的要求的DNA片段，这种DNA片段称为“目的基因”。获得途径常有两条：一是直接分离法，又叫“鸟枪法”。用DNA限制性内切酶从供体细胞的DNA中将目的基因分离出。优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性。另一途径是人工合成法：一是反转录法，以目的基因转录成的mRNA为模板，反转录成单链DNA再合成双链DNA；二是逆推法，以已知氨基酸序列，推出mRNA序列，再推出目的基因序列，然后人工合成。（2）目的基因与运载体结合：这个过程即为体外重组DNA的过程。首先选择目的基因所适合的运载工具，如质粒、病毒等，然后用同一种限制酶分别切割运载体和目的基因，使其产生相同的黏性末端，再加入适量的DNA连接酶，在生物体外将目的基因的DNA与运载体的DNA结合起来，形成重组DNA（或重组质粒）（3）将目的基因导入受体细胞：将重组的DNA杂合分子，借鉴细菌或病毒侵染细菌的途径，转移到选定的生物体细胞中，使重组的DNA在受体细胞中复制、转录、翻译得以表达。把目的基因装在运载体上并通过运载体将目的基因运到受体细胞的这一过程，在一般情况下，转化成功率仅为百分之一。为此遗传工程师们创造了低温条件下用氯化钙处理受体细胞和增加重组DNA浓度的办法来提高转化率。采用氯化钙化处理后，能增大受体细胞的细胞壁透性，从而使杂种DNA分子更容易进入。另外也可用基因枪法、激光微束穿孔法、显微注射法等方法直接将目的基因转入受体细胞（如受精卵细胞）。（4）目的基因的检测和表达：目的基因的导入过程是肉眼看不到的，因此，要知道导入是否成功，并把目的基因能表达的受体细胞挑选出来，运载体事先应有特定的标志，若在受体中能找出已转化细胞或个体，即检测到外源DNA所携带的特定遗传信息是否得到了表达，则可据此判断受体细胞是否获得了目的基因。（四）基因工程在医药卫生上的应用1、生产基因工程药品有些药品的常规生产方法是直接从生物体组织、细胞或血液中提取。由于受原料来源的限制，产量低，价格昂贵。用基因工程方法制造的“工程菌”，可以高效地生产各种高质量、低成本的药品。如：胰岛素、干扰素和乙肝疫菌等。2、用于基因诊断该方法是用放射性同位素（如32P）、荧光分子等标记的DNA分子做探针。再将样品中的DNA分离出来，用化学法或热处理法使样品DNA解旋；再将事先制好的DNA探针引入化验样品中，根据DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。目前用基因诊断方法已经能够检测出肠道病毒、单疱疹病毒等许多病毒。此外在遗传性疾病诊断方面的发展尤为迅速，如：白血病、苯丙酮尿症、镰刀型贫血症等十几种疾病的产前诊断。3、用于基因治疗对于具有基因缺陷的细胞，可以将健康的外源基因导入该细胞中，并使该基因在细胞中得以表达，达到治疗疾病的目的。当然，该种表达还仅仅只能在人体外完成，而要将基因转移到人体内的细胞，还有许多技术上的难题需要解决。基因疗法不仅可以用来治疗一些遗传病，如白化病、苯丙酮尿症等，随着研究的深入，还可用于治疗恶性肿瘤、艾滋病、心血管疾病等。（五）转基因植物据估计，目前世界上每年因病虫害和杂草需损失大约1/3的农作物，造成的经济损失高达数千亿美元。重组DNA技术的发展，可将动物、植物、微生物的基因相互转移，打破了物种之间难以杂交的天然屏障。迄今为止，已经把具有价值的目的基因，如抗病毒、抗虫、抗除草剂、改变花色和花形、延长保鲜期等基因分别转入到烟草、马铃薯、棉、番茄、大豆、苜蓿、矮牵牛等植物中，取得了可喜的成就。植物基因工程对未来农业将会产生不可估量的影响。在抗病毒方面：病毒是农作物的大敌，会导致农作物严重减产。自1986年美国把烟草花叶病毒的外壳蛋白质基因转移到番茄体内，培育出抗烟草花叶病毒的番茄植株以后，抗黄瓜花叶病毒、抗马铃薯X病毒、抗苜蓿花叶病毒的转基因植株也陆续培育成功。我国科学家利用转基因方法，已经培育出抗病毒烟草和抗病毒番茄，并且已开始进行田间实验。在抗虫害方面：迄今研究得最多并取得成效的有两类基因，即苏云金杆菌的杀虫蛋白基因以及从豇豆等作物中分离的蛋白酶抑制剂基因。当害虫在这些转基因植株上取食后会使其致命。（六）转基因动物生产转基因动物的研究自20世纪90年代以来日趋活跃，转基因动物技术的实用意义是：①生产出性状优良的家畜家禽，如长得快的，繁殖力高的，能抗病的等；②利用动物体作为反应器，生产珍贵的蛋白质，如一些只能从人体内提取的蛋白质；③利用动物作研究模型，比如，知道高血压症是由某种原因造成，可以生产一些高血压小鼠，让医生在小鼠身上试用各种疗法；④生产玩赏动物，如同猫一样大的小马，如同鼠一样大的兔子，以及各种不同毛色和花纹的观赏动物。在转基因动物方面，我国也取得了许多可喜的成果，目前已获得了转基因鱼、兔、鸡等多种转基因动物。1998年2月中国科学家又获得了在所分泌的乳汁中含有蛋白凝血因子X的转基因山羊。（七）基因工程是把双刃剑基因工程具有重要的应用价值，但也存在着潜在的威胁。如基因工程可以制造超级细菌、超级杂草；战争狂人、恐怖主义者可制造出难以制服的病原体、生物毒剂等生物武器，进行讹诈和战争；转基因动植物的出现引发物种入侵，有可能破坏原有的生态平衡，对原有物种产生威胁；转基因食品的安全性问题；人类基因组计划的研究引发的新的伦理、社会、哲学等方面的问题。所有这些可能危害人类社会的问题都值得给予思考和关注。