DNA重组技术的基本工具：

1、基因工程的概念：

基因工程的别名	基因拼接技术或DNA重组技术
操作环境	生物体外
操作对象	基因
操作水平	DNA分子水平
基本过程	剪切→拼接→导入→表达
结果	人类需要的基因产物

2、基本工具：
（1）“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）
①来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。
②功能：能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，因此具有专一性。
③结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式：黏性末端和平末端。
即 当限制性内切酶作用于特定的DNA时，把这段序列沿着特定的切点切开的这个过程分两种情况：
a、沿着中轴线切口（即沿着DNA双链中对应的磷酸二酯键）切开，得到的就是两个平末端；
b、在中轴线的两端切口切开，得到的就是两个黏性末端。例如：EcoRⅠ限制性内切酶就可以识别G/AATTC的DNA序列，然后在G和A间切开，得到的就是两个黏性末端（之间可以根据碱基互补配对原则重组）限制酶的切口不都是一长一短的，一长一短的叫黏性末端，一样长的叫平末端。“粘性末端”在高中教材中也作“黏性末端”。如图：


（2）“分子缝合针”——DNA连接酶

种类	E·coli-DNA连接酶	T4-DNA连接酶
来源	大肠杆菌	T4噬菌体
功能特性	只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来	缝合两种末端，但连接平末端之间的效率较低
相同点	都缝合磷酸二酯键，如图：

 
（3）“分子运输车”——载体
①载体具备的条件：能在受体细胞中复制并稳定保存；具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入；具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。
②最常用的载体是质粒，它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。
③其它载体：噬菌体的衍生物、动植物病毒

知识点拨：

1、限制酶识别的序列的特点：呈现碱基互补对称，无论是奇数个碱基还是偶数个碱基，都可以找到一条中心轴线，如图，中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。如以中心线为轴，两侧碱基互补对称；以为轴，两侧碱基互补对称。

2、获取目的基因和切割载体时使用同种限制酶，目的是产生相同的黏性末端。
3、获取一个目的基因需限制酶剪切两次，共产生 4个黏性末端或平末端。
4、限制酶切割位点的选择必须保证标记基因的完整性，以便于检测。

基因工程的基本操作程序：

1、目的基因的获取
（1）目的基因是指： 编码蛋白质的结构基因。
（2）获取方法：①从基因文库中获取；②人工合成（反转录法和化学合成法）；③PCR技术扩增目的基因。
2、基因表达载体的构建
（1）目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传至下一代，使目的基因能够表达和发挥作用。
（2）组成：目的基因+启动子+终止子+标记基因。如图：

①启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。
②终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的尾端。
③标记基因的作用：是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。常用的标记基因是抗生素基因。
（3）基因表达载体的构建过程：

3、将目的基因导入受体细胞
（1）转化的概念：是目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。
（2）常用的转化方法：

生物种类	植物细胞	动物细胞	微生物细胞
常用方法	农杆菌转化法	显微注射技术	Ca2+处理法
受体细胞	体细胞	受精卵	原核细胞
转化过程	将目的基因插入到Ti质粒的T-DNA上→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA→表达	将含有目的基因的表达载体提纯→取卵（受精卵）→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物	Ca2+处理细胞→感受态细胞→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子

（3）重组细胞导入受体细胞后，筛选含有基因表达载体受体细胞的依据是标记基因是否表达。
4、目的基因的检测和表达
（1）首先要检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是采用DNA分子杂交技术。
（2）其次还要检测目的基因是否转录出mRNA，方法是用标记的目的基因作探针与mRNA杂交。
（3）最后检测目的基因是否翻译成蛋白质，方法是从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原--抗体杂交。
（4）有时还需进行个体生物学水平的鉴定。如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。

知识点拨：

1、构建基因文库的目的为了在不知目的基因序列的情况下，便于获得所需的目的基因。
2、PCR技术：是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。PCR扩增是获取目的基冈的一种非常有用的方法，也是进行分子鉴定和检测的一种很灵敏的方法。目的：通过指数式扩增获取大量的目的基因。
3、基因文库中不是直接保管相应基因，基因文库中的基因保存在受体菌中。
4、在基因工程的四个操作步骤中，只有第三步将目的基因导入受体细胞不需碱基互补配对，其余三个步骤都涉及碱基互补配对。
5、原核生物繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少，有利于目的基因的复制与表达，因此常用大肠杆菌等原核生物作为受俸细胞。
6、植物细胞的全能性较高，可经植物组织培养过程成为完整植物体，因此受体细胞可以是受精卵也可以是体细胞；动物基因工程中的受体细胞一般是受精卵。
7、转化的实质是目的基因整合到受体细胞染色体基因组中，从而使受体生物获得了新的遗传特性的现象，从其变化的实质看，这种变异属于可遗传变异中的基因重组。
知识拓展：

1、基因文库的构建：
（1）概念
①基因组文库：含有一种生物的全部基因。将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因，称为基因组文库。
②cDNA文库：只包含了一种生物的部分基因。
（2）构建过程

基因组文库的构建	cDNA文库的构建

2、人工合成目的基因
（1）反转录法：

（2）人工合成目的基因

3、PCR技术扩增目的基因
①原理：DNA双链复制
②过程：
第一步：加热至90～95℃DNA解链；
第二步：冷却到55～60℃，引物结合到互补DNA链；
第三步：加热至70～75℃，热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成。

植物组织培养技术：

1、植物组织培养过程：
（1）原理：植物细胞具有全能性。
（2）过程：

2、用途：
(1)微型繁殖
微型繁殖就是用于快速繁殖优良品神的植物组织培养技术，也叫快速繁殖技术。繁殖过程中的分裂方式是有丝分裂，亲、子代细胞内DNA不变，所以能够保证亲、子代遗传特性不变。
(2)作物脱毒
作物脱毒是利用茎尖、根尖等无毒组织，进行微型繁殖，所获幼苗是无毒的。
(3)人工种子：通过组织培养技术，可把植物组织的细胞培养成在形态及生理上与天然种子胚相似的胚状体，也叫作体细胞胚。这种体细胞胚有于叶、根、茎分生组织的结构。科学家把体细胞胚包埋在胶囊内形成球状结构，使其具备种子机能。所以，人工种子是一种人工制造的代替天然种子的颗粒体，可以直接播种于田间。
①制作方法：人工种子是利用植物组织培养获得胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等，然后包上人丁种皮就形成了人工种子，如图：

②优点：可使在自然条件下不结实或种子昂贵的植物得以繁殖；保持亲本的优良性状，因该过程为无性繁殖；节约粮食，减少种子的使用；可以控制添加一些物质，如除草剂、农药、促进生长的激素、有益菌等。 周期短，易储存和运输，不受气候和地域的限制。
(4)细胞产物的工厂化生产：从人工培养的愈伤组织细胞中提取某种成分，如紫草素、香料等。

 知识点拨：

1、植物组织培养的注意事项：
（1）接种时应注意的事项：①接种室要消毒；②无菌操作；③接种时要防止交叉污染；④接种完立刻盖好瓶口。
（2）外植体接种前，需要将接种室、接种箱灭菌和对外植体消毒的操作：
①接种前一天，将接种室的四个角落用甲醛溶液和高锰酸钾熏蒸。
②接种前1小时，在接种室内用喷雾器喷洒来苏水；桌椅也用来苏水擦拭；接种箱内用甲醛溶液和高锰酸钾熏蒸。
③将灭菌室和接种箱内用紫外灯灭菌。
④接种前，操作者用肥皂清洗双手，擦干，再用酒精棉球擦拭双手。
⑤用次氯酸钠溶液将外植体消毒。
2、在离体的植物器官、组织或细胞脱分化形成愈伤组织的过程中，需要的条件：①消毒灭菌；②一定浓度的植物激素；③适宜的温度；④充足的养料。
3、影响植物组织培养的因素：①培养基配制；②外植体选取；③激素的运用；④消毒；⑤温度、pH、光照。
4、植物组织培养中植物激素使用：物组织培养中关键性激素是生长素和细胞分裂素；同时使用生长素和细胞分裂素时，两者用量的比例影响植物细胞的发育方向；先使用细胞分裂素，后使用生长素，细胞既分裂5、植物组织培养过程中分化成的幼苗需要移栽，移栽时，应先将培养瓶的封口膜打开一段时间，让试管苗在培养间生长几日；移栽时需用流水清洗根部的培养基；最后幼苗需移植到消过毒的新环境下生活一段时间，等幼苗长壮后再移栽到土壤中。

知识拓展：

1、植物细胞的全能性
(1)概念：具有某种生物全部遗传信息的任何一个细胞，都具有发育成完整生物体的潜能。
(2)原理：细胞内含有本物种的全部遗传信息。
(3)全能性表达条件：具有完整的细胞结构，处于离体状态，提供一定的营养、激素和其他适宜外界条件。
2、作物新品种培育
（1）单倍体育种：
①过程：植株（AaBb）通过减数分裂得到花粉（AB、Ab、aB、ab四种类型）；对花粉进行花药离体培养（技术是植物组织培养）；得到单倍体植株；对其幼苗时期进行秋水仙素处理；得到了正常的纯合二倍体植株（AABB、Aabb、aaBB、aabb四种类型）。
②优点：明显缩短育种年限
（2）突变体利用：在组织培养中会出现突变体，通过从有用的突变体中选育出新品种（如筛选抗病、抗盐、含高蛋白的突变体）
3、细胞产物的生产：通过能够产生对人们有利的产物的细胞进行组织培养，从而让它们能够产生大量的细胞产物。地位：是培育转基因植物、植物体细胞杂交培育植物新品种的最后一道工序。
4、植物组织培养的优点：
①不受生长季节限制地繁殖植物。
②不携带病毒。
③培养周期短。
④可用组培中的愈伤组织制取特殊的生化制品。
⑤可短时间大量繁殖，用于拯救濒危植物。
⑥可诱导之分化成需要的器官，如根和芽。
⑦解决有些植物产种子少或无的难题。如将香蕉进行组培得到人工种以方便移种。
5、培养基的制作：制备MS固体培养基→外植体消毒→接种→培养→移栽→栽培。肉汤培养基以有机营养为主，MS培养基则需提供大量无机营养。制备MS固体培养基操作过程：配制母液时，无机物中大量元素浓缩10倍，微量元素浓缩100倍；激素类、维生索类以及用量较小的有机物一般可按1mg/mL的质量浓度单独配制成母液；将分装好的培养基连同其他器械一起进行高压蒸汽灭菌。
6、消毒和灭菌：外植体可以用酒精消毒；操作前手需用酒精消毒；培养基需用高压蒸汽灭菌。

 

植物细胞工程的实际应用：

植物细胞工程的实际应用：植物微型繁殖、作物脱毒、人工种子、单倍体育种、突变体的利用、细胞产物（蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等）的工厂化生产等。
1、微型繁殖
（1）概念：是指用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，也叫快速繁殖技术。
（2）实质：植物组织培养
（3）原理：植物细胞的全能性
（4）完成植物的微型繁殖技术的生理过程：细胞分裂和细胞分化。
（5）优点：保持亲本的优良性状；可以快速大量培育出新个体，有利于工厂化培育；选材少、培养周期短，繁殖率高，便于自动化管理。
（6）成功应用举例：优良的观赏植物、经济林木、无性繁殖作物等。
2、培育无病毒的植株
（1）原理：生产上许多无性繁殖作物均受到病毒的侵染，从而导致品种的严重退化、减产和降低品质。利用植物分生组织（刚刚产生，病毒很少，甚至无毒）进行培养可以使新长成的植株脱去病毒。
（2）常选用部位：茎尖组织。
（3）操作过程：切取一定大小的茎尖进行组织培养，再生的植株就有可能不带病毒，从而获得脱毒苗。
（4）成功应用举例：马铃薯、草莓、甘蔗、菠萝、香蕉等。
利用微型繁殖和作物脱毒都是离体快繁技术，离体快繁技术的优点：繁殖速度快；幼苗遗传背景均一，重复性好；不受季节和地区限制。
3、制备人工种子
（1）概念：人工种子是指以植物组织培养得到的胚状体、不定芽、顶芽和腋芽等为材料，经过人工薄膜包装得到的种子。
（2）人工种子的结构：由胚状体、作为保护外壳的人工种皮和提供发育所需营养的人工胚乳三部分构成。
（3）与天然种子相比较，其优越性有：可使在自然条件下不结实或种子昂贵的植物得以繁殖；固定杂种优势；是一种快捷高效的繁殖方式；可人为控制植物的生长发育和抗逆性等。
（4）成功应用举例：芹菜、花椰菜、桉树和水稻的胚状体制备的人工种子。
（5）结构：

4、单倍体育种
单倍体育种：
①过程：植株（AaBb）通过减数分裂得到花粉（AB、Ab、aB、ab四种类型）；对花粉进行花药离体培养（技术是植物组织培养）；得到单倍体植株；对其幼苗时期进行秋水仙素处理；得到了正常的纯合二倍体植株（AABB、Aabb、aaBB、aabb四种类型）。
②优点：明显缩短育种年限
5、突变体利用：在组织培养中会出现突变体，通过从有用的突变体中选育出新品种（如筛选抗病、抗盐、含高蛋白的突变体）。
6、细胞产物的工厂化生产：
（1）种类：蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。
（2）技术：植物组织培养。
（3）工厂化生产人身皂苷的基本流程：
第一步，选择人参根作为外植体进行培养，产生愈伤组织，经过培养选择找到增殖速度快而且细胞内人身皂苷含量高的细胞株，其中一部分作为种子保存，以备下一次生产用，一部分进行发酵生产。
第二步，将第一步选择到得细胞株在发酵罐中的适合培养液中进行发酵生产。
第三步，将发酵罐中培养的细胞进行破碎，从中提取人身皂苷。