学年高中生物第5章遗传信息的改变第2节基因重组学案北师大版必修2.docx

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学年高中生物第5章遗传信息的改变第2节基因重组学案北师大版必修2

第2节　基因重组

　1．理解高等生物基因重组的含义和原理。

（重点）　2．了解基因工程的基本概念及其与基因重组的关系。

（难点）

一、生物的基因重组

1．细菌的基因重组

（1）细菌的生殖方式有二分裂生殖和接合生殖。

（2）细菌通过接合生殖实现了基因重组。

2．高等生物的基因重组

（1）概念：

生物体进行有性生殖的过程中，控制不同性状的基因的重新组合。

（2）类型

①自由组合型：

在减数分裂形成配子时，随着非同源染色体的自由组合，非等位基因也自由组合。

②交叉互换型：

在减数分裂形成四分体时，位于同源染色体上的等位基因随着非姐妹染色单体的交叉互换而发生交换。

3．意义

（1）为生物变异提供极其丰富的来源。

（2）对生物进化具有重要意义。

二、基因的人工重组——基因工程

1．概念：

将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录和翻译（表达），这样的操作叫重组DNA技术，也叫作基因工程。

2．应用

（1）医药卫生领域：

生产基因工程药品、基因诊断和基因治疗。

（2）农牧业生产上：

培育高产、优质或具有特殊用途的动植物新品种。

（3）基因工程的方法还可以用于环境保护等方面。

3．实例：

利用基因工程生产人胰岛素

从细菌中提取质粒

⇓

用相同的内切酶切割质粒DNA和含有人的胰岛素基因的DNA

⇓

用连接酶将人的胰岛素基因连到切开的质粒DNA分子上，形成杂种质粒

⇓

将杂种质粒导入细菌细胞

⇓

细菌生产出人的胰岛素

4．安全性争论

反对者认为，基因工程产物是非“天然”的，因此它具有更大的不可预测的危险。

如果应用不当，一旦产生不良后果，其危害会不断扩展和传递。

而支持者认为，基因工程所用的这些基因如番茄、南瓜、鱼等生物的基因并不是这些生物所特有的，它们在大量的植物和动物体内都可以找到，所以说基因工程并不是像有些人认为的那么可怕。

判一判

（1）基因工程能够定向改变生物的性状。

（√）

（2）基因工程是在细胞水平上的操作。

（×）

（3）基因工程可以培育新物种。

（×）

（4）基因工程的产物是非“天然”的，具有不可预知的危险，应当禁止基因工程。

（×）

想一想

在真核生物中，基因突变和基因重组对生物多样性的形成哪一个影响较大？

试分析原因。

提示：

基因重组。

基因重组发生在有性生殖过程中，真核生物中有性生殖比较普遍，而基因突变频率较低。

　基因重组

1．基因重组的两种类型可通过图示法加以理解记忆

2．基因突变和基因重组的比较

项目

基因突变

基因重组

发生

时间

常发生在有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期的DNA复制过程中

形成有性生殖细胞的减数分裂过程中

变异

实质

基因结构发生改变，产生新的基因

控制不同性状的基因重新组合，产生新的基因型，没有产生新的基因

产生

过程

物理、化学、生物因素可引起基因结构发生改变，也可自发产生

减数分裂产生配子时，控制不同性状的基因重新组合

种类

（1）自然突变；

（2）人工诱变

（1）基因自由组合；

（2）基因交叉互换

适用

范围

所有生物都可以发生

适用于真核生物有性生殖细胞核遗传

应用

人工诱变育种

杂交育种

发生可

能性

可能性小

非常普遍

1．下列关于基因重组的说法，不正确的是（　　）

A．生物体进行有性生殖的过程中，控制不同性状的基因的重新组合属于基因重组

B．减数分裂四分体时期，由于同源染色体的姐妹染色单体之间的片段交换，可导致基因重组

C．减数分裂过程中，非同源染色体上的非等位基因自由组合可导致基因重组

D．一般情况下，花药内可发生基因重组，而根尖则不能

解析：

选B。

控制不同性状的基因重新组合为基因重组，它包括自由组合型和交叉互换型，A项正确；减数分裂四分体时期，同源染色体的非姐妹染色单体之间交叉互换可导致基因重组，姐妹染色单体上含有相同基因不会导致基因重组，B项错误；非同源染色体上的非等位基因自由组合可导致基因重组，C项正确；减数分裂过程中存在基因重组，而根尖细胞只能进行有丝分裂，所以不会发生基因重组，D项正确。

正确理解基因重组的原理

（1）基因重组使控制不同性状的基因重新组合，因此会产生不同于亲本的新类型。

（2）基因重组发生的时间是在减数第一次分裂的后期和四分体时期，而不是在受精作用过程中。

（3）基因重组为生物变异提供了极其丰富的来源，是形成生物多样性的重要原因之一。

（4）基因重组在人工操作下也可实现，如基因工程、肺炎双球菌转化中都发生了基因重组。

2．如图是基因型为Aa的个体不同分裂时期的图像，请根据图像判定每个细胞发生的变异类型（　　）

A．①基因突变　②基因突变　③基因突变

B．①基因突变或基因重组　②基因突变　③基因重组

C．①基因突变　②基因突变　③基因突变或基因重组

D．①基因突变或基因重组　②基因突变或基因重组　③基因重组

解析：

选C。

图中①②分别属于有丝分裂的中期和后期；A与a所在的DNA分子都是经过复制而得到的，由于交叉互换只发生在减数分裂过程中，所以图中①②的变异只能属于基因突变；③属于减数第二次分裂的后期，由于减数分裂过程中可以发生交叉互换，所以不能确定A与a的不同是基因突变还是基因重组的结果。

姐妹染色单体含有等位基因的原因分析

基因突变或交叉互换都会导致姐妹染色单体中含有等位基因（如图）。

在确定变异类型时，可根据题意来确定，方法如下：

（1）若为体细胞有丝分裂（如根尖分生区细胞、受精卵等），则只能是基因突变造成的；

（2）若为减数分裂，则原因是基因突变（间期）或交叉互换（减数第一次分裂）；

（3）若题目中问造成B、b不同的根本原因，应考虑可遗传变异中的最根本来源——基因突变；

（4）若题目中有“××分裂××时期”提示，如减Ⅰ前期造成的则考虑交叉互换，间期造成的则考虑基因突变。

　基因的人工重组——基因工程

1．基因工程概念的剖析

基因工程的别名

重组DNA技术

操作环境

生物体外

操作对象

基因

操作水平

DNA分子水平

原理

基因重组

基本过程

提取→拼接→导入→检测与鉴定

结果

产生人类需要的基因产物

2．基因工程与高等生物基因重组的比较

比较项目

基因工程

高等生物基因重组

不

同

点

概念

将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录和翻译的操作过程

在生物体进行有性生殖过程中，控制不同性状的基因的重新组合

重组方式

不同物种间的不同基因

同一物种的不同基因

繁殖方式

无性生殖

有性生殖

变异大小

大

小

意义

使人类有可能按自己的意愿直接定向地改造生物，培育出新品种

是生物变异的来源之一，对生物进化有重要意义

相同点

都实现了不同基因间的重新组合，都能使生物产生变异

3．基因工程操作的基本步骤

　↓

　↓

将目的基因导入受体细胞：

借助细菌和病毒侵染细胞、

显微注射法等

　↓

（1）切割运载体和目的基因时需用同一种内切酶，才能获得相同的黏性末端。

（2）四个步骤中只有第三步将目的基因导入受体细胞不涉及碱基互补配对。

（3）目的基因必须与运载体结合后才能导入受体细胞，才能稳定地保存，并进行复制。

（4）受体细胞常用微生物的原因：

繁殖快、代谢快、目的产物多。

（5）培育转基因动物，受体细胞一般选用受精卵。

1．下列有关基因工程技术的叙述，正确的是（　　）

A．重组DNA技术所用的工具酶是内切酶、连接酶和运载体

B．所有的内切酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列

C．选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细菌繁殖快

D．只要目的基因进入了受体细胞就能成功地实现表达

解析：

选C。

A项，基因操作的工具酶有内切酶、连接酶，而运载体是基因的运输工具。

B项，一种内切酶只能识别特定的核苷酸序列，不同的内切酶识别的核苷酸序列一般不同。

C项，目的基因导入受体细胞是为了获得目的基因的产物，因此能够快速繁殖是选择受体细胞的重要条件之一。

D项，目的基因进入受体细胞后，受体细胞表现出特定的性状，才能说明目的基因成功实现表达。

基因工程中两种酶的作用

（1）内切酶：

识别特定的核苷酸序列，在特定位点进行切割。

（2）DNA连接酶：

连接DNA片段。

2．在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作错误的是（　　）

A．用内切酶切割烟草花叶病毒的核酸

B．用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和运载体

C．将重组DNA分子导入烟草原生质体

D．用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞

解析：

选A。

构建抗除草剂的烟草要用内切酶切割杂草中含抗除草剂基因的DNA与运载体。

核心知识小结

[要点回眸]

[规范答题]

1．细菌通过接合生殖实现基因重组。

2．高等生物的基因重组包括非同源染色体上非等位基因的自由组合和同源染色体间非姐妹染色单体上等位基因的交叉互换。

3．基因工程就是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，实现基因的重组。

[随堂检测]

1．一对夫妇所生子女中，也有很大差异，这种差异主要来自（　　）

A．基因突变　　　　　　　B．基因重组

C．环境影响D．基因分离

解析：

选B。

父母双方在减数分裂中通过基因重组产生多种多样的配子，随精子和卵细胞随机结合，增加了后代的多样性。

2．下列情况引起的变异属于基因重组的是（　　）

①非同源染色体上非等位基因的自由组合　②基因型为DD的豌豆，种植在土壤贫瘠的地方而出现矮茎性状，下一代种植在水肥充足的地方，全表现为高茎　③同源染色体上的非姐妹染色单体之间发生局部交换　④DNA分子中发生碱基对的改变、增添和缺失

A．①②B．③④

C．①③D．②④

解析：

选C。

基因重组有两种情况：

一是在减数第一次分裂的四分体时期同源染色体上的非姐妹染色单体之间发生的交叉互换，二是减数第一次分裂后期非同源染色体上的非等位基因的自由组合。

3．下面有关基因重组的说法中，不正确的是（　　）

A．非同源染色体的自由组合可导致基因重组

B．基因重组产生原来没有的新性状

C．基因重组是生物变异的主要来源

D．基因重组能产生原来没有的新基因型

解析：

选B。

基因重组发生在减数分裂过程中，即减数第一次分裂后期同源染色体分开，非同源染色体自由组合，A项正确；通过基因重组可以产生新的基因型，D项正确；基因重组是生物变异的主要来源，C项正确；产生原来没有的新性状是基因突变的结果，B项错误。

4．下列甲、乙分裂过程中产生配子时发生的变异属于（　　）

A．均为基因重组，可遗传的变异

B．甲为基因重组、乙为基因突变，均为可遗传的变异

C．均为基因突变，可遗传的变异

D．甲为基因突变、乙为基因重组，均为可遗传的变异

解析：

选D。

图甲中的“a”基因是从“无”到“有”，属于基因突变；图乙中的A、a、B、b基因是已经存在的，只是进行了重新组合；基因突变和基因重组均属于可遗传的变异，故选D。

5．由于乙肝病毒感染的宿主范围很窄，仅限于人和灵长类动物，因此无法用细胞培养的方法生产疫苗，但可用基因工程的方法进行生产，现已知乙肝病毒的核心蛋白和表面抗原蛋白的氨基酸序列，生产示意图如下。

下列相关说法不正确的是（　　）

乙肝病毒

有关基因

细菌

大量生产疫苗

A．生产乙肝疫苗的过程也达到了定向改造细菌的目的

B．在①②过程中需要内切酶和DNA连接酶

C．用于生产疫苗的目的基因为编码核心蛋白的基因和表面抗原蛋白基因

D．这种转基因的细菌一定是安全的，不用担心其扩散到自然界

解析：

选D。

上述过程应用了基因工程技术，能定向改造生物的遗传性状；在操作时要应用内切酶来获得目的基因，并用DNA连接酶使之与运载体结合；该过程的目的基因为表面抗原蛋白基因和编码核心蛋白的基因；转基因生物的安全性还存在争议，无法判断其安全性，应避免其扩散进入自然界。

6．根据所学知识，回答下列问题：

（1）水稻杂交育种是通过品种间杂交，创造新变异类型而选育新品种的方法。

其特点是将两个纯合亲本的________________________________________________________________________

通过杂交集中在一起，再经过选择和培育获得新品种。

（2）若这两个杂交亲本各具有期望的优点，则杂交后，F1自交能产生多种非亲本类型，其原因是F1在________________________________________________________________________

形成配子过程中，位于__________________基因通过自由组合，或者位于__________________基因通过非姐妹染色单体交换进行重新组合。

（3）从F2代起，一般还要进行多代自交和选择。

自交的目的是____________________________；选择的作用是________________________。

解析：

（1）杂交育种的原理是通过基因重组把两个或多个优良基因（优良性状）集合在一个个体身上，从而达到育种目的。

（2）F1自交能产生多种非亲本类型，其原因是F1在减数分裂形成配子过程中，位于非同源染色体上的非等位基因通过自由组合，或者位于同源染色体上的等位基因通过非姐妹染色单体交换进行重新组合。

（3）进行多代自交的目的是获得基因型纯合的个体，还要经过选择才能得到所需的类型。

答案：

（1）优良性状（或优良基因）

（2）减数分裂　非同源染色体上的非等位　同源染色体上的等位

（3）获得基因型纯合的个体　保留所需的类型

[课时作业]

一、选择题

1．基因重组发生在（　　）

①细胞有丝分裂后期　②四分体时期　③减数第一次分裂后期　④受精作用过程中　⑤细胞分裂间期

A．①③　　　　　　　B．②③④

C．②③D．②③④⑤

解析：

选C。

基因重组是在减数分裂形成配子时进行的，包括四分体时期的同源染色体上非姐妹染色单体间的交叉互换，以及减Ⅰ后期非同源染色体上非等位基因的自由组合。

2．与无性生殖相比，有性生殖产生的后代具有较强的适应性，下列有关说法不正确的是（　　）

A．后代继承了双亲的遗传物质

B．减数分裂过程中，DNA复制更容易发生差错

C．减数分裂过程中，由于基因重组产生了不同类型的配子

D．更容易产生新的基因型

解析：

选B。

与无性生殖相比，有性生殖产生的后代具有较大的差异性和生活力，原因在于有性生殖产生的后代具有双亲的遗传物质，而无性生殖产生的后代只有一个亲本的遗传物质；有性生殖还多一种可遗传的变异——基因重组，更容易产生新的基因型。

在无性生殖的有丝分裂和有性生殖的减数分裂过程中，DNA复制出现差错的概率，也就是基因突变率几乎是相同的。

3．用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。

下列叙述不正确的是（　　）

A．常用相同的内切酶处理目的基因和质粒

B．连接酶和RNA聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶

C．可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒

D．导入大肠杆菌的目的基因不一定能成功表达

解析：

选B。

解答本题应从以下几个方面入手分析：

（1）用相同的内切酶处理质粒和目的基因，能使它们露出相同的黏性末端，便于质粒与目的基因结合；

（2）基因工程利用的工具酶是连接酶和内切酶；（3）重组质粒中可能含有生成抗生素的基因，因此可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒。

4．下列有关基因重组的叙述，正确的是（　　）

A．基因型为Aa的个体自交，因基因重组而导致子代性状分离

B．基因A因改变、增添或缺失部分碱基而形成它的等位基因a，属于基因重组

C．同源染色体上非姐妹染色单体间的交叉互换可能导致基因重组

D．造成同卵双生姐妹间性状上差异的主要原因是基因重组

解析：

选C。

基因型为Aa的个体自交，因等位基因分离导致子代性状分离。

基因A因改变、增添或缺失部分碱基而形成它的等位基因a，属于基因突变。

四分体时期的同源染色体上非姐妹染色单体间的交叉互换可能导致基因重组。

同卵双生姐妹的遗传物质相同，造成其性状上差异的主要原因是环境影响。

5．有性生殖生物的后代性状差异，主要来自于基因重组，下列过程中哪些可以发生基因重组（　　）

A．①②B．①③

C．②③D．③

解析：

选A。

基因重组发生在通过减数分裂形成配子的过程中，主要包括两种类型：

一种是在四分体时期，位于同源染色体上非姐妹染色单体的交叉互换；一种是在减Ⅰ后期，位于非同源染色体上非等位基因的自由组合。

所以应为①②，而不是配子的随机组合③。

6．突变和基因重组产生了生物进化的原始材料，现代生物技术也是利用这一点来改变生物遗传性状，以达到人们所期望的目的。

下列有关叙述错误的是（　　）

A．转基因技术造成的变异，实质上相当于人为的基因重组，但却导致了自然界没有的定向变异的产生

B．基因工程可产生出人类所需要的产物

C．人工诱变没有改变突变的本质，但却因突变率的提高而实现了定向变异

D．经过现代生物技术的改造和人工选择的作用，许多生物变得更适合人的需要

解析：

选C。

人工诱变的原理是基因突变，是不定向的。

7．以下说法正确的是（　　）

A．所有的限制酶只能识别同一种特定的核苷酸序列

B．质粒是基因工程中唯一的运载体

C．运载体必须具备限制酶切点，以便与外源基因连接

D．DNA连接酶与DNA聚合酶作用相同

解析：

选C。

酶具有专一性，一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，A错误；常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等，B错误；运载体必须具备的条件之一是具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接，C正确；DNA连接酶的作用是连接两个DNA片段，DNA聚合酶的作用是连接单个的脱氧核苷酸，D错误。

8．草甘膦是一种可以杀灭多种植物（包括农作物）的除草剂。

草甘膦杀死植物的原理在于能够破坏植物叶绿体或质体中的EPSPS合成酶。

通过转基因的方法，让农作物产生更多的EPSPS合成酶，就能抵抗草甘膦，从而让农作物不被草甘膦杀死。

下列有关抗草甘膦转基因大豆的培育分析正确的是（　　）

A．可通过喷洒草甘膦来检验转基因大豆是否培育成功

B．只能以大豆受精卵细胞作为基因工程的受体细胞

C．在转基因操作过程中一定要用同一种限制性核酸内切酶

D．只要EPSPS合成酶基因进入大豆细胞，大豆就会表现出抗草甘膦性状

解析：

选A。

从个体水平上鉴定转基因大豆是否培育成功时，可通过喷洒草甘膦后观察转基因大豆的存活情况来检测，A正确；也可以用大豆的体细胞作为基因工程的受体细胞，再采用植物组织培养技术将受体细胞培育成转基因植株，B错误；在转基因操作过程中往往用同一种限制性核酸内切酶，但也可以用不同的限制酶切割，C错误；只有EPSPS合成酶基因进入大豆细胞并在大豆细胞中成功表达，大豆才会表现出抗草甘膦性状，D错误。

二、非选择题

9．血红蛋白异常会产生贫血症状，结合减数分裂过程的曲线图和细胞分裂图。

回答下列问题：

（1）血红蛋白发生异常变化的根本原因是________________________________________________________________________

________________________，此种变异一般发生于图甲中__________阶段，此种变异一般最大的特点是能产生__________。

（2）基因重组可以发生于图乙中__________时期，除此之外还有可能发生于________________________________________________________________________。

解析：

（1）蛋白质的合成是由基因控制的，所以蛋白质变化的根本原因是相应基因发生了变化，属于基因突变，它一般发生于细胞分裂间期的DNA复制时，基因突变的结果是能够产生新的基因。

（2）基因重组有两种类型，均发生于减数分裂过程中，即减数第一次分裂后期的非同源染色体的自由组合和减数第一次分裂四分体时期的同源染色体的非姐妹染色单体交叉互换。

答案：

（1）控制血红蛋白合成的基因发生了突变　2～3

新基因　

（2）C　减数第一次分裂后期

10．酵母菌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。

其基本的操作过程如图所示（忽略各结构的大小比例），请回答下列问题：

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

（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。

切割完成后，利用________将运载体与LTP1基因连接。

（4）运用转基因酵母菌酿造的啤酒安全吗？

解析：

（1）基因工程能克服远缘杂交不亲和的障碍，使原本不在一起的基因组合到一起，使生物具有特定性状，其原理为基因重组。

（2）运载体是取自大肠杆菌的质粒（见图）。

（3）基因工程中的“剪刀”为限制酶。

两个序列相同、能互补配对的黏性末端可用DNA连接酶“缝合”。

（4）可以从正、反两个角度考虑，转基因食品可能影响人体消化系统和免疫系统，也可能不影响人体健康，目前还未找到不安全的证据（合理即可）。

答案：

（1）基因重组　

（2）质粒　（3）限制酶　DNA连接酶　（4）反对观点：

不安全，转基因食品可能会损伤人体的消化系统，破坏人体免疫系统。

赞成观点：

安全，转基因食品与非转基因食品成分相同，毒性分析发现不会对人体健康产生影响，目前还未找到不安全的证据（回答上述两种观点之一即可）。