备课素材：昆虫不育技术的研究和应用-2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3.docx

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1、昆虫不育技术的研究和应用先看一道试题：对基因进行定点修饰的技术称为基因编辑。昆虫学家尝试利用 CRISPR/Cas9 对蚊子进行基因编辑从而产生显性不育基因，使蚊子受精卵不能发育为成体，以达到控制蚊子数量的目的。(1)研究发现，雌蚊一生只能交配 01 次，而一只雄蚊可以与不同的雌蚊交配。据此应对(雌 / 雄)蚊子进行基因编辑。(2)根据题意，请对下列基因编辑改造蚊子的步骤进行排序：。合成 Cas9/gRNA 复合物，对目标基因进行编辑蚊子的基因组进行测序，确定与生殖发育有关的目标基因实验室条件筛选出不育的转基因蚊子合成与目标基因能碱基互补配对的 gRNA将转基因蚊子释放到野外发挥作用(3)与编

2、辑前的基因相比，显性不育基因可能。(多选)A.碱基对的数量变多B.碱基对的数量变少C.某一位点碱基不同D.所在染色体位置不同答案（1）雄（2）（3）ABC评析：问题（1）基于的课标概念是亲代传递给子代的遗传信息主要编码在 DNA分子上，同时需要学生能够灵活运用新情境信息，在明确了雌蚊和雄蚊在生殖上的区别以后，才能对问题有正确的解答。试题内容在难度上能达到科学思维和科学探究的水平三问题（2）的设计是考查学生本体知识和新知识迁移融合的能力。对应的课标概念是阐明基因工程的基本操作程序，通过排序填空的方式，考查学生基于已有素材重现实验探究过程的能力。题型在难度上可以达到科学探究的水平三。问题（3）考查

3、了课标中的概念阐明基因中碱基序列的改变有可能导致所编码的蛋白质及相应细胞功能发生变化，并且对不同学生考查的层次不一样。对于一般的学生，可能不能完全理解情境信息的内容，强调酶切就选择碱基对减少。对于中等的学生，从等位基因的本体概念出发，能意识到编辑以后的基因属于等位基因，就能够把基因编辑的含义和基因突变的概念联系起来，作出正确的判断。对于更高层次的学生，引导他们去感悟知识迁移的重要性，沿着情境经历科学家最初发现这种生命现象后如何来迁移应用。此题提到了利用基因编辑技术使蚊子产生显性不育基因。多年来，防治昆虫传播疾病一直是科学家们的优先研究方向。尽管科学家们已经取得了所有的进展，但世界上仍有一半的人

4、生活在蚊虫肆虐的地方。而转基因蚊子便是攻克顽疾的突破口，可以有效降低感染疟疾和其他致命疾病的可能性。通过基因编辑技术CRISPR/Cas9系统是一条新的途径。蚊子是传播寨卡、登革热和黄热病等致命疾病的“元凶”。2021年，一项发表于美国国家科学院院刊的新研究利用基因编辑技术使雄蚊不育，以减缓这些疾病的传播。其实，不育昆虫技术的研究也经过较长时间的研究。1.不育昆虫技术（SIT）的研究过程不育昆虫技术（SIT）是美国农业部的科学家在20世纪50年代开发出来的，最初用于对付造成严重经济损失的蝇类害虫螺旋蝇。他们发现，将螺旋蝇暴露于射线辐射下，可以使其变得不育。这些不育的螺旋蝇被释放到自然环境中后，

5、与野生蝇类竞争繁殖资源，结果螺旋蝇种群的数量显著下降了。这一成功的实践为SIT的进一步发展奠定了基础。经过数十年的发展和改进，SIT已经在世界各地得到了广泛应用，与其他技术结合已成功防治了多种高发害虫，比如：会在动物身上引起“蝇蛆病”的螺旋蝇已在美国、墨西哥、中美洲、波多黎各和利比亚被完全清除；对苹果产业造成毁灭性打击的苹果蠹蛾，在加拿大的不列颠哥伦比亚省和南非得到了有效控制。除了通过辐射让昆虫“不孕不育”从而控制其数量的SIT，还有一种不兼容昆虫技术（IIT），主要使用沃尔巴克氏体属的内生菌感染昆虫，让昆虫的繁殖产生异常，从而控制昆虫数量。在不兼容昆虫技术中，若雌雄蚊子都感染了同一菌株的沃尔

6、巴克氏体，它们的后代还是会正常发育，野外的蚊子种群可能会逐渐全部携带沃尔巴克氏体的种群，即发生“种群替换”，灭蚊效果也随之削弱。进入21世纪，人们开始用SIT控制一些传播疾病的昆虫蚊子。美国陆军合作生物技术研究所和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员利用CRISPR-Cas9基因编辑工具，以雄蚊生育能力相关基因为目标，对埃及伊蚊进行了“绝育”实验。研究阐述了基因突变是如何抑制蚊子繁殖能力的。2.不育蚊子的培育机理基因编辑技术通过辐射使雄性蚊子绝育，这些方法会对蚊子的健康造成伤害，有可能降低它们与雌蚊成功交配的几率。美国陆军合作生物技术研究所和加州大学圣巴巴拉分校的研究团队决定开辟新路，他们在蚊子体内

7、突变一种基因，从而导致雄蚊不育，但不会影响到蚊子的其他健康状况，相关研究成果发表在美国国家科学院院刊上。研究人员首先运用CRISPR-Cas9基因编辑工具，选择性破坏一个专门影响雄性生育能力的2-微管蛋白( B2t ) 基因，并繁育出一批携带突变基因的雄性埃及伊蚊，这些蚊子无法产生精子，但在其他方面却完全健康。这些雄蚊被引入到雌蚊群体中后，也能有效抑制雌蚊的生育能力。研究者将15只携带突变基因的雄性埃及伊蚊与15只雌蚊关在一起，让其交配，在24小时后将无生育能力的15只雄蚊换为15只野生雄蚊（有生育能力），结果显示，所有雌蚊的生育能力都受到影响。也就是说，虽然突变雄蚊无法产生精子，与不育雄蚊交

8、配后，健康的雌蚊子再遇到健康的雄蚊子也无法生育了。然而，科学家们还发现，这种基因编辑的效果如何随着时间而变化。雌蚊必须要与许多不育雄蚊进行长时间的交配，才会完全失去生育能力。实验结果显示，让雌蚊与变异雄蚊交配4小时，雌蚊的生育能力会降低到正常水平的20%。当交配时间达到8小时，这个比例会稳定在10%左右。原理如图所示：这项研究结果预示着，连续不断地释放不育雄蚊，有可能带来更有效的控蚊效果。在未来，研究团队计划继续探索蚊子的交配行为和繁殖能力，以寻找新的有效抑制蚊子数量的方法。3.可能带来的安全性问题转基因蚊子这种新技术在生态环境中引发了许多不确定性，其潜在影响远超出了我们的想象。转基因蚊子释放

9、到自然环境中可能会与野生蚊子交配，导致野生蚊子基因的改变。尽管目前的研究表明转基因蚊子的基因变异不会对蚊子种群的繁衍能力产生显著影响，但我们不能忽视这种不确定性的可能性。一旦野生蚊子的基因发生变异，我们将很难预测这些变异将如何改变蚊子种群的适应能力和生态角色。转基因蚊子对非靶生物的影响也是一个重要的问题。虽然转基因蚊子被设计成只针对传播疾病的蚊子物种，但我们不能完全排除它对其他昆虫和动物的潜在影响。例如，如果这些转基因蚊子不小心传播到其他地区，可能会对当地的生态系统造成严重破坏，影响到其他昆虫的生存和物种多样性。例、细菌在长期进化过程中形成一种免疫机制CRISPR/Cas9系统，以此来清除入侵

10、的外源DNA，如病毒DNA，具体过程如图。图中细菌CRISPR序列的间隔区负责储存入侵过的外源DNA片段，当相同外源DNA再次入侵时，可更快地清除外源DNA。注：gRNA，又称引导RNA，通过与外源DNA的靶序列碱基互补配对，进而识别。Cas9，Cas9蛋白，能对DNA进行切割。（1）图中CRISPR序列指导合成gRNA的过程称为 。（2）下列有关CRISPR/Cas9机制的描述正确是 。ACRISPR位点使细菌具备类似二次免疫的特点BgRNA能引导Cas9蛋白到外源DNA的目标位点CCas9/gRNA复合物具有类似限制酶的功能D间隔区储存的序列越多样，细菌免疫能力可能越强答案：（1）转录 （2）ABCD 学科网（北京）股份有限公司