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1、3.3 基因工程的应用一、教材分析（一）教学目标1，举例说出基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。2，认同基因工程的应用价值。3.关注基因工程的进展。（二）教学重点和难点1.教学重点基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用。2.教学难点乳腺生物反应器。（三）编写思路重组人胰岛素是世界上第一个基因工程药物，它的使用已经造福了亿万糖尿病患者。本节“从社会中来”以此为情境素材引入，充分彰显了基因工程的应用价值。本节内容选取了与学生的生活和健康联系十分紧密的几个方面（农牧业、医药卫生领域和食品工业）来展示基因工程的应用，从而让学生认同基因工程的产品日益丰富，它们融人了人类生活的方方
2、面面。关于基因工程在农牧业方面的应用，教材首先给出了近年来全世界转基因作物的种植面积及其产生的社会效益和经济效益的数据，用“数据说话”，使学生真切感受到基因工程在农牧业中的应用发展。然后，教材介绍了国内外转基因作物的种植情况，以增进学生的了解。接着，教材再从改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面选取了一些基因工程应用的实例来进行阐述。对于这些实例，教材不是简单罗列，而是从为什么要做、怎样做、取得的成果几个方面进行了详细介绍，思路清晰，学生很容易理解和掌握。关于基因工程在医药卫生领域的应用，由于学生在学习发酵工程一章时已经了解了相关内容，因此教材在这里仅列举了多种基因工程药物，对具体的原理
3、和操作细节不再叙述。紧接着，教材在“小资料”中介绍了我国科学家取得的重大研究成果-我国第一个基因工程药物的研制和生产，这可以激发学生的爱国情感。乳腺生物反应器和利用基因工程技术解决移植器官短缺问题的内容，对学生而言是全新的，教材主要对有关原理进行了阐述，引导学生了解这方面技术创新给医药卫生领域带来的变化。在介绍基因工程在食品工业方面的应用时，教材选取了最贴近学生生活经验的例子，如生产凝乳酶、淀粉酶等，不仅介绍了相关基因工程产品是如何生产的，还讲述了与传统生产方法相比，用基因工程方法生产的优越性，从而让学生进一步体会到科学技术是不断发展的。本节“到社会中去”继续让学生关注基因工程的应用，通过调查
4、活动将进一步丰富他们对转基因技术的认识。这个活动也为下一章中探讨转基因技术在应用过程中带来的影响做了铺垫，有了调查取证的基础，学生才能够理性地参与讨论和发表自己的见解。二、教学建议本节教学建议安排1课时。（一）加强对搜集信息和处理信息环节的指导基因工程的应用是基因工程操作的一个必然结果。如果本节只学习成果，那么就显得思维力度不足了。为此，建议加强对学生搜集和处理信息这一环节的指导。可以先让学生在课前以小组为单位分别搜集基因工程在农牧业、医药卫生、食品工业等方面应用的资料，分析这些基因工程产品是怎样获得的，然后在课堂上进行交流分享，这样做既可以调动学生学习的积极性，也增强了他们分析和处理信息的能
5、力。指导学生提高处理信息的能力，还可以体现在对教材内容的重组上。例如，可以解决当前世界上存在的重大问题作为主题（如移植器官短缺、环境污染、能源危机等），让学生将教材中的知识或自己知道的其他基因工程应用方面的知识进行重组。（二）采用小组讨论，师生共同归纳的方法学习难点教材中有几处是学生感兴趣的知识，但文字说明不多，学生学习有一定难度，如“什么叫乳腺生物反应器”“怎样用基因工程技术解决人体移植器官短缺的问题”“什么叫基因工程菌”等。教师可创设问题情境，让学生讨论，提高他们用已有知识认识新事物的能力。学生想不到的地方，可由师生共同归纳。以乳腺生物反应器的教学为例，教师可提出以下问题，让学生讨论：与工
6、厂化生产高价值的蛋白质（如教材中列举的抗凝血酶、血清白蛋白等）相比，用动物乳腺作为反应器生产高价值的蛋白质的优越之处有哪些？用基因工程技术获得乳腺生物反应器的操作过程是怎样的？第一个问题指向乳腺生物反应器的优越性，而且显示了社会需求是乳腺生物反应器这一创新成果产生的动力。在学生充分讨论和发表观点的基础上，师生再共同归纳出乳腺生物反应器的优点：产量高；质量好；成本低；易提取。第二个问题，用基因工程技术获得乳腺生物反应器的操作过程与培育转基因动物的操作过程基本相同，可以让学生结合上一节所学的内容来理解。不同之处可由教师指出：为了从乳汁中获得目标产品，构建基因表达载体时，需要在编码目的蛋白的基因序列
7、前加上在乳腺中特异表达的基因的启动子。在学生学习用基因工程技术解决人体移植器官短缺的问题时，可以让他们结合学过的有关免疫学的知识，讨论如何才能获得不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。关于基因工程菌的学习，则可以让他们结合微生物生长和代谢的特点，说明用基因工程菌生产药物的优越性。（三）引导学生认同基因工程的成果丰硕、应用广泛，提升社会责任素养本节内容体现了基因工程相关理论和技术向工程实践的转化，这些内容也是社会关注的热点。教材中介绍基因工程应用的实例非常丰富，教学时建议充分利用这些实例，重点引导学生认同基因工程给人类带来了福音，而关于基因工程涉及的安全性和伦理问题，建议放在第4章再讨论。同时
8、，还可以结合本地的实例进行介绍。例如，转基因番木瓜作为热带水果，不仅在广东、云南、福建、广西等地有种植，在我国北方地区也引种成功，如在山东、北京等地均有种植。通过列举学生生活中的实例可以让他们感受到科学技术为人类服务的魅力，感悟到自己肩负的社会责任，从而树立学习科学技术报效祖国的志向。三、答案和提示（一）从社会中来提示可以让学生结合学过的知识和自己的生活经历，如使用过用转基因技术生产的产品来进行说明。（二）异想天开提示生命和健康是人最宝贵的东西，如果一个病人换上了经过改造的猪心脏后重获了健，康，我们不仅不能歧视他，还应该从他身上看到现代生物技术在维持人体健康、治疗疾病等方面的应用价值。（三）到
9、社会中去1.提示 截至2019年年底，我国批准发放过转基因耐储藏番茄、转基因抗虫棉、改变花色的转基因矮牵牛、转基因抗病辣椒、转基因抗病番木瓜、转基因抗虫水稻、转植酸酶基因玉米以及转基因耐除草剂大豆的生产应用安全证书；批准了转基因棉花、大豆、玉米、油菜、甜菜和番木瓜的进口安全证书，但我国进口的基本上是转基因棉花的纤维，其他进口转基因作物的用途仅限于用作加工原料；我国没有批准任何一种转基因粮食作物种子进口到我国境内商业化种植。2.提示 根据实际情况回答。（四）练习与应用概念检测1.C。2.A。拓展应用1.（1）限制酶和DNA连接酶 矮牵牛 转基因矮牵牛对草甘腾产生了一定的抗性。（2）对照组为非转基
10、因矮牵牛 理论上增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，矮牵牛体内EPSP合酶的表达水平会升高，它对草甘腾的抗性会增强。提示将不同拷贝数的EPSP合酶基因分别转人矮牵牛细胞中，培育转基因植株，比较它们对草甘腾抗性的差异。2.略。四、背景资料（一）转基因动物的培育和应用目前已报道的培育转基因动物的方法有显微注射法、逆转录病毒感染法、体细胞核移植法等。显微注射法的基本过程是：先将外源基因注射到受精卵中，使外源基因整合到受体细胞的基因组中；然后，将该受精卵转移到受体动物体内发育，获得转基因动物。1982年，科学家用这种方法培育了转生长激素基因的超级小鼠。显微注射法是对单个细胞进行操作，导入的外源基因在
11、卵裂前与受体基因组整合，产生的后代中有1%3%是转基因动物。这种方法的效率虽然不高，但是结果比较稳定。逆转录病毒感染法是用携带了外源基因的重组病毒感染发育早期的胚胎，再将胚胎移植到受体动物的子宫中获得转基因动物。该方法主要用于培育转基因小鼠和家禽。克隆羊多莉的诞生为培育转基因动物提供了新的方法，即体细胞核移植法。该方法是将外源基因导人体外培养的体细胞中，然后将携带了外源基因的体细胞注入去核的卵母细胞中，获得重构胚后，再将其移植到代孕母体中获得转基因动物。由于体细胞核移植技术尚不成熟，因此用体细胞核移植技术培育转基因动物的方法有待进一步研究。转基因动物在基础科学研究、治疗人类疾病、育种等方面都有
12、重要的应用。在基础科学研究领域，转基因动物是研究基因结构与功能、基因表达与调控的常用模型。例如，利用转基因动物可以了解目的基因在胚胎发育不同时期的表达情况，进而可以研究这些基因的功能及其表达调控的机制。在治疗人类疾病方面，除了教材中提到的转基因动物在提供可用于移植的器官、通过乳汁生产药物蛋白等方面具有应用潜力，它还是重要的疾病研究的模型。例如，培育带有肿瘤基因的转基因动物，可以用它来研究肿瘤在体内发生、发展的机制。在育种方面，转基因技术已被用于提高动物的生长速率、改良动物的肉质和乳质、增强动物的抗病能力等。例如，科学家培育了羊毛增产5%以上的转基因羊，乳汁中B-酪蛋白和k-酪蛋白含量分别提高2
13、0%和93%的转基因牛，抗禽流感病毒的鸡等。（二）胰岛素生产的回顾与展望自直接从动物中提取胰岛素开始，到化学合成人胰岛素，再到利用基因工程生产重组人胰岛素及胰岛素类似物，人们一直不曾停下研发胰岛素和优化胰岛素生产的脚步。下面将这个过程中的重要事件按照时间顺序列出。（三）乳腺生物反应器1987年，科学家首次从小鼠的乳汁中获得了一种医用蛋白-tPA（组织型纤溶酶原激活物），展示了用动物乳腺生产高附加值产品的可能性。为什么要用动物乳腺作为反应器生产高价值的蛋白质产品呢？这是因为动物乳房是一种高度分化的腺体，合成蛋白质的能力非常强，尤其是一些经过长期的遗传改良，专门产奶的乳用动物品种，其乳腺的蛋白质合
14、成能力惊人。一头优质奶牛，一年可产奶10 000kg，即便是一头奶山羊，一年也可产奶2 000 kg。乳腺生物反应器归纳起来有四大优点：产量高，易收获目标产品，产品可以随乳汁分泌而排出动物体外；目标产品的质量好，乳腺组织不仅具有按照遗传信息流向合成蛋白质的能力，而且具备全面的修饰和加工蛋白质的能力，如糖基化、羧化、磷酸化以及分子组装等，微生物和植物都不具备这种全面的蛋白质后加工能力；产品生产成本低；从乳汁中提取产品，操作比较简单。正因为利用乳腺生物反应器生产高附加值的产品有上述优点，目前利用它生产医用蛋白已成为一种风险投资产业，受到科学界、商界和医药界的高度重视。目标医药产品有：血浆蛋白，包括
15、血纤蛋白原、抗胰蛋白酶等；第二代医用蛋白，如抗体、乳清蛋白、乳铁蛋白等；“人源化牛奶”，即用人的乳蛋白基因替代牛的乳蛋白基因后，获得的一种与人奶相似的“基因工程奶”。为了使目标产品在乳汁中形成，需要在目标产品蛋白质编码框的前面加上在乳腺组织中特异表达的基因的启动子等调控元件。将构建好的基因表达载体通过显微注射导入受精卵中，由该受精卵发育成的动物个体分泌的乳汁中含有所需要的目标产品。（四）基因工程在环境保护领域的应用基因工程在减少污染、治理污染等方面发挥了重要的作用，为环境保护提供了高效、低耗、安全的新手段。1.减少污染（1）减少化学杀虫剂施用量除了教材中详细介绍的转基因抗虫棉，目前已问世的转基
16、因抗虫作物还有转基因抗虫玉米、大豆、水稻和马铃薯等。日本农业生物资源研究所的研究人员运用基因工程技术将从水稻中获得的溶菌性壳质酶基因导人黄瓜细胞，得到了一种抗病虫害能力很强的黄瓜。溶菌性壳质酶通过溶化造成黄瓜灰色霉病的线状菌，达到抑制这种病菌繁殖的目的。转基因抗虫作物可以有效降低化学杀虫剂的施用量，减少传统农药带来的环境污染，具有明显的经济效益和环境效益，不少品种已经大面积推广种植。（2）减少化肥施用量目前科学家正在尝试利用基因工程技术将固氛相关基因直接重组到作物的基因组中，培育能够固氨的作物。例如，已经在水稻、小麦、玉米等作物中进行了相关的实验研究。墨西哥的一个研究小组将一种调控柠檬酸产生的
17、功能基因导人生长在碱性土壤中的烟草，然后进行少施肥和不施肥的实验。实验结果表明，与普通烟草相比，该转基因烟草在少施肥和不施肥的情况下都生长得更好。该研究小组还在水稻和玉米中进行了同样的转基因实验，研究结果表明，在少施肥或不施肥的情况下，转基因作物的生长情况都优于普通作物。这让我们看到了利用基因工程技术减少化肥施用量的可能。2.治理污染（1）分解有害物质利用基因工程可以改良一些植物品种，使其对重金属有较高的耐受性和富集能力，从而可以将它用于重金属污染的治理。例如，科学家利用基因工程技术培育了抗汞黄杨，其抗录能力比普通黄杨高了近10倍。四氯乙烯是在土壤和地下水中分布广泛的一种有机污染物。科学家培育
18、了可以吸收和代谢四氯乙烯的转基因杨树。在一些曾经发生过战争的地区，残留的炸药中的三硝基甲苯（TNT）污染着当地大片的土地和河流。通过基因工程技术获得的转基因烟草能够吸收土壤中的TNT，把TNT转化成对其他植物无害的物质。（2）处理污水污水的成分比较复杂，包括多种酚类、氧化物、重金属、有机磷、有机酸、木质素等。很多微生物本身就可以通过代谢活动将污水中的有毒物质转化为无毒物质。通过基因工程的手段，可以增强微生物降解污染物的能力，从而获得能够高效发挥生物解毒和降毒功能的基因工程菌。（3）降解农药我国科学家克隆了一系列农药降解酶基因，如有机磷水解酶基因，然后利用基因工程技术，成功获得了一批能够降解农药
19、的基因工程菌。（4）清除石油污染落地油和含油污水对土壤造成了严重的污染，带来了严重的环境问题，也给石油行业造成了经济损失。科学家利用基因工程技术构建出可以同时降解芳烃、萜烃、多环芳烃、脂肪烃4种有机物的“超级细菌”，用以清除石油污染。该基因工程菌可在数小时内降解水上浮油中2/3的经类。汽油、柴油等石油产品在加工的过程中产品中的含硫量会提高，燃烧后产生的二氧化硫等会严重污染空气。目前科学家已经通过基因工程技术，让大肠杆菌表达脱硫相关基因，它有望用于石油污染的治理。（5）处理垃圾垃圾堆积已经成为突出的环境问题之一。垃圾场中最丰富的物质一般是纤维素。目前科学家正致力于研究将纤维素酶基因导入细菌或酵母
20、菌中，使其高效表达纤维素酶，从而将纤维素转化为乙醇或糖类。塑料的降解是垃圾处理中的一项难题。利用基因工程技术可以构建能够降解塑料的基因工程菌。同时，开发可降解的塑料也是解决白色污染问题的一个有效途径。有些微生物能产生与塑料类似的高分子化合物，这些物质是微生物的内源性储藏物质，可以用发酵的方法进行生产，由此形成的“塑料”具有可被生物降解、高熔点、高弹性、不含有毒物质等特点。五、教学评析与案例基因工程的应用北京市东城区第一七一中学赵萌教学目标的确定与本节内容对应的课程标准的“内容要求”是：举例说明基因工程在农牧、食品及医药等行业的广泛应用改善了人类的生活品质。结合教材内容，确定本节的教学目标如下。
21、1.举例说出基因工程在农牧业、医药卫生、食品工业等方面的应用。2.认同基因工程的成果丰硕、应用广泛；理性看待基因工程的应用。3.关注基因工程的进展。教学设计思路教学实施的程序评析本案例从学生的生活实际入手，通过一系列的资料呈现和分析，引导学生正确认识基因工程在生产、生活中的应用。本案例的主要特点如下。1.通过翔实丰富的资料，充分展现基因工程的应用成果本案例从学生身边的转基因产品人手，激发了学生的学习兴趣。然后，从农牧业、医药卫生、食品工业等方面介绍了很多基因工程应用的实例。在教学中，教师并不是简单地呈现实例，而是结合了对一些生产原理、过程等的分析，让学生既加深了对基因工程操作流程的认识，又深刻
22、感受到了基因工程的应用价值。2.通过引导学生分析用基因工程生产产品的优势，来渗透造福人类的态度和价值观本案例结合学生自身的认知，引导他们通过将基因工程技术与传统技术对比，来认识基因工程应用的优势，从而使他们认同基因工程给我们的生产和生活带来了正面影响，能够理性地参与有关话题的讨论，科学地宣传转基因技术相关知识。同时还使学生体会到科学技术是不断发展的，感悟到科学技术为人类服务的魅力和自己肩负的社会责任，从而树立学习科学技术报效祖国的志向。3.通过让学生分析获得基因工程产品的过程或者设计用基因工程技术解决问题的方案，培养工程思维本案例中涉及的生产重组人胰岛素的过程，体现了基因工程技术和发酵工程技术的综合应用；获得乳腺生物反应器的过程，体现了基因工程技术和胚胎工程技术的综合运用。通过分析和梳理，学生将感受到工程是一个统一的整体，需要各个技术环节统筹协调，从而发展工程思维。在本节课的最后，教师还让学生设计不同的解决问题的方案，并进行比较和权衡，以训练他们的工程思维。学科网（北京）股份有限公司