高中生物知识框架·选择性必修第三册（人教版 2019 版）

第1章 发酵工程　从厨房走到工厂。三节按规模递进：家里做果酒泡菜靠的是天然菌种，实验室要把菌分离纯化出来，工业上再把这套过程放大到发酵罐里。中间那一节是全章的技术底座。

第1节 传统发酵技术的应用　果酒的制作：利用酵母菌的无氧呼吸把葡萄糖分解成酒精和二氧化碳。温度控制在 18～30 ℃，需密封。　果醋的制作：利用醋酸菌把酒精氧化成醋酸。醋酸菌是好氧菌，需持续通入无菌空气，温度 30～35 ℃。　两者的条件对比：菌种不同、温度不同、需氧情况不同。三处一起变，是这一节最常考的对照。　泡菜的制作：利用乳酸菌的无氧呼吸产生乳酸。乳酸菌是厌氧菌，泡菜坛要装水密封。　亚硝酸盐：泡菜腌制过程中含量先升后降。含量测定用盐酸萘乙二胺法，呈紫红色，与标准显色液比色。　传统发酵的特点：多是利用天然存在的多种微生物混合发酵，条件不易精确控制，产品质量不够稳定。

探究 制作传统发酵食品　材料处理顺序：先冲洗后除去枝梗。先除梗再洗，果肉破损处会被冲洗带入杂菌。　冲洗的分寸：不能反复冲洗，否则会洗去葡萄皮上天然存在的酵母菌 —— 那正是发酵的菌种来源。　装液量：发酵瓶装约 2/3 满，留出空间容纳产生的二氧化碳与发酵液的涨溢。　灭菌与消毒：发酵装置要清洗干净并消毒。榨汁机与发酵瓶用体积分数 70% 的酒精擦拭。　结果检验：酒精用重铬酸钾在酸性条件下检验，呈灰绿色；醋酸可用 pH 试纸测定酸度变化。　泡菜的注意点：盐水煮沸冷却后使用，坛口用水封闭，取食时用洁净的工具，避免带入杂菌。

第2节 微生物的培养技术及应用　培养基的成分：水、无机盐、碳源、氮源，还常需要特殊营养物质。按物理性质分液体培养基与固体培养基（加琼脂）。　无菌技术：消毒指杀死物体表面或内部的部分微生物，灭菌指杀死所有微生物包括芽孢和孢子。两者程度不同。　常用的灭菌方法：灼烧灭菌（接种工具）、干热灭菌（玻璃器皿）、高压蒸汽灭菌（培养基）。消毒常用酒精擦拭与煮沸。　纯培养：在无菌条件下将某一种微生物从含有多种微生物的样品中分离出来，单独培养。　两种接种方法：平板划线法（通过连续划线稀释，只能分离不能计数）与稀释涂布平板法（可分离也可计数）。　选择培养基：在培养基中加入或去除某种成分，使目标微生物得以生长而其他受抑制。分解尿素的细菌用以尿素为唯一氮源的培养基筛选。

探究 酵母菌的纯培养　实验流程：配制培养基→灭菌→倒平板→接种（平板划线）→培养→挑取单菌落→纯化。　倒平板的要点：培养基冷却到约 50 ℃ 时在酒精灯火焰旁倒平板，凝固后倒置存放。　为什么倒置：防止皿盖上的冷凝水滴落到培养基表面，使菌落扩散、造成污染。　单菌落：一般由一个细胞繁殖形成，因此挑取单菌落是获得纯种的关键一步。　对照的设置：留一个未接种的平板一同培养。它若长菌，说明培养基或操作被污染，本次结果不可信。　菌种保藏：临时保藏用固体斜面在 4 ℃ 冰箱中，长期保藏用甘油管在 −20 ℃ 冷冻。

探究 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数　选择培养基的设计：以尿素为唯一氮源。只有能合成脲酶、把尿素分解成氨的细菌才能利用它并生长。　鉴定方法：在培养基中加入酚红指示剂。细菌分解尿素产生氨使 pH 升高，菌落周围出现红色圈。　梯度稀释：把土壤悬液按 10 倍梯度依次稀释，以便得到菌落数适中的平板。　计数的取值范围：一般选菌落数在 30～300 之间的平板计数。过少偶然性大，过多易重叠。　计算公式：每克样品中的菌数＝（C÷V）×M，C 为菌落数，V 为涂布的体积，M 为稀释倍数。　重复：每个稀释度至少涂布三个平板，取平均值。单个平板的结果不能作为结论。

第3节 发酵工程及其应用　发酵工程：采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的技术。　基本流程：菌种的选育→扩大培养→培养基的配制与灭菌→接种→发酵罐内发酵→产品的分离提纯。　发酵过程的控制：严格控制温度、pH、溶氧等条件，并及时添加必要的营养组分。这是产量与质量的关键。　菌种的来源：从自然界筛选，或通过诱变育种、基因工程等方法改造已有菌种以提高产量。　在食品工业的应用：传统发酵食品的工业化生产，以及利用微生物生产食品添加剂与单细胞蛋白。　在医药与其他领域：生产抗生素、维生素、氨基酸，以及利用基因工程菌生产胰岛素、干扰素等药物。

第2章 细胞工程　在细胞这一级动手。三节按对象分：植物细胞靠全能性能长回一整株，动物细胞只能培养和融合，胚胎工程则在受精卵与早期胚胎上做文章。三套技术，同一条原理。

第1节 植物细胞工程　细胞全能性：已分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能。它是植物组织培养的理论基础。　植物组织培养的流程：外植体→脱分化→愈伤组织→再分化→丛芽与生根→植株。全程需无菌操作。　脱分化与再分化：脱分化是使已分化的细胞恢复分裂能力形成愈伤组织；再分化是使愈伤组织重新分化出根和芽。　激素配比：生长素与细胞分裂素的比例决定分化方向：比值高时利于生根，比值低时利于生芽。　植物体细胞杂交：去壁（纤维素酶和果胶酶）→诱导原生质体融合（聚乙二醇等）→再生细胞壁→组织培养成杂种植株。　应用：微型繁殖、作物脱毒（取茎尖分生区）、单倍体育种（花药离体培养）、人工种子、细胞产物的工厂化生产。

探究 菊花的组织培养　外植体的选取：取生长旺盛的幼嫩茎段或叶片。分生能力强的部位脱分化容易，成功率高。　消毒：外植体先用体积分数 70% 的酒精短时间处理，再用质量分数 0.1% 的氯化汞（或次氯酸钠）消毒，最后用无菌水冲洗数次。　培养基：MS 培养基加适量的生长素和细胞分裂素。配好后要高压蒸汽灭菌。　接种：在超净工作台或酒精灯火焰旁进行，全程无菌操作。接种后封口并注明日期。　培养条件：温度 18～22 ℃，每日光照 12 小时左右。光照对再分化阶段尤其重要。　移栽：生根后先炼苗，再移栽到消毒的蛭石或珍珠岩中。直接移入土壤成活率低。

第2节 动物细胞工程　动物细胞培养：取动物组织块→用胰蛋白酶（或胶原蛋白酶）处理分散成单个细胞→原代培养→传代培养。　培养条件：无菌无毒的环境、营养（还需血清等天然成分）、适宜的温度和 pH、气体环境（95% 空气＋5% CO₂）。　CO₂ 的作用：维持培养液的 pH。这一条是气体环境题的固定考点。　动物细胞融合：诱导手段除聚乙二醇、电激外，还可用灭活的病毒 —— 这是动物细胞融合特有的一项。　单克隆抗体的制备：注射抗原免疫小鼠→取 B 淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合→选择培养基筛选杂交瘤→克隆化培养与抗体检测→再筛选→培养并提取。　体细胞核移植：把动物的一个体细胞核移入去核的卵母细胞中，使其发育成新个体。克隆羊多莉由此而来。

第3节 胚胎工程　受精与卵裂：精子获能与卵母细胞的成熟是体外受精的前提。受精卵经卵裂形成桑葚胚、囊胚、原肠胚。　囊胚的结构：分内细胞团与滋养层。内细胞团将来发育成胎儿的各种组织，滋养层将来发育成胎膜和胎盘。　胚胎移植：把早期胚胎移植到同种、生理状态相同的其他雌性体内，使之继续发育。被称为「产业化的桥梁」。　生理学基础：同种动物生理状态相同时，供体与受体的生殖器官变化一致；受体对移入的外来胚胎基本不发生免疫排斥。　胚胎分割：将早期胚胎切割成两份或多份，再移植到受体内，可获得同卵多胎。分割时要注意内细胞团的均等分割。　胚胎干细胞：来自早期胚胎或原始性腺，在体外能增殖而不分化，具有发育的全能性，是再生医学的重要方向。

第3章 基因工程　把尺度缩到基因这一级。四节按「工具—程序—应用—再往前一步」排：先认三样工具，再走完四步操作，然后看它做出了什么，最后是从「搬基因」走到「设计蛋白质」的蛋白质工程。

第1节 重组 DNA 技术的基本工具　限制酶：「分子手术刀」。主要从原核生物中分离，能识别双链 DNA 的特定核苷酸序列，并在特定位点上切割。　识别序列与切点：识别序列一般为 6 个碱基（也有 4 个或 8 个的），切割后形成黏性末端或平末端。　黏性末端：错位切割形成的、带有互补碱基的单链末端。相同限制酶切出的黏性末端才能互补配对。　DNA 连接酶：「分子缝合针」。把两个 DNA 片段之间的磷酸二酯键连接起来。E·coli DNA 连接酶只能连黏性末端，T₄ DNA 连接酶两种末端都能连。　载体：「分子运输车」。常用质粒、λ 噬菌体的衍生物和动植物病毒。质粒是最常用的一种。　载体必备的四项：能在受体细胞中复制并稳定保存；有一至多个限制酶切割位点；有标记基因以便筛选；对受体细胞无害。

探究 DNA 的粗提取与鉴定　材料选择：选 DNA 含量高、易于破碎、干扰物质少的材料，如鸡血细胞（有核）、菜花、猪脾脏。　为什么不用哺乳动物成熟红细胞：成熟的哺乳动物红细胞没有细胞核和细胞器，不含 DNA。鸡等鸟类的红细胞有核。　溶解度差异法：DNA 在 2 mol/L 的 NaCl 溶液中溶解度大，在 0.14 mol/L 时最低。通过改变盐浓度使 DNA 溶解或析出。　去除蛋白质：可用加入洗涤剂（瓦解细胞膜）、木瓜蛋白酶（分解蛋白质）或加热到 60～80 ℃（使蛋白质变性）等方法。　用冷酒精提纯：DNA 不溶于体积分数 95% 的冷酒精，而蛋白质等杂质可溶。加冷酒精可使 DNA 呈丝状析出。　鉴定：在沸水浴条件下，DNA 与二苯胺试剂反应呈蓝色。加热是必要条件。

第2节 基因工程的基本操作程序　第一步：获取目的基因：从基因文库中获取、利用 PCR 扩增、人工合成。PCR 是最常用的一种。　PCR：聚合酶链式反应。需模板 DNA、引物、四种脱氧核苷酸、耐高温的 DNA 聚合酶（Taq 酶）与缓冲液。　PCR 的三步循环：变性（约 95 ℃ 解旋）、复性（约 55 ℃ 引物结合）、延伸（约 72 ℃ 合成）。循环 n 次得 2ⁿ 个 DNA。　第二步：构建基因表达载体：整个工程的核心。表达载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因四部分。　启动子与终止子：启动子是 RNA 聚合酶识别和结合的部位，决定转录的开始；终止子决定转录的结束。两者都不编码蛋白质。　第三、四步：把目的基因导入受体细胞（植物常用农杆菌转化法，动物常用显微注射法，微生物常用 Ca²⁺ 处理法），再检测与鉴定。

探究 DNA 片段的扩增及电泳鉴定　PCR 扩增：在 PCR 仪中按变性、复性、延伸三步循环。引物决定扩增哪一段，其序列必须与模板两端互补。　两种引物：需要两种引物，分别与两条模板链的 3′ 端结合。只加一种引物只能得到线性增长的产物。　琼脂糖凝胶电泳：DNA 带负电，在电场中向正极移动。片段越小，受到的阻力越小，迁移得越快。　结果判读：与已知大小的 DNA 分子量标准（Marker）比对，确定条带对应的片段大小。　染色与观察：用核酸染料染色后在紫外灯或凝胶成像仪下观察条带。　常见问题：无条带多为引物、模板或酶的问题；出现多条杂带多为退火温度过低、引物特异性不足。

第3节 基因工程的应用　在农业上的应用：培育抗虫、抗病、抗逆的转基因作物，以及改良品质（如富含胡萝卜素的「金色大米」）。　抗虫基因的来源：常用苏云金芽孢杆菌的 Bt 毒蛋白基因。它对特定害虫有毒，对人畜安全。　在医药上的应用：生产基因工程药物（胰岛素、干扰素、生长激素）与基因工程疫苗，以及基因诊断与基因治疗。　乳腺生物反应器：把药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子重组后导入动物，使其在乳汁中大量产生药用蛋白。　基因治疗：把正常的外源基因导入患者的靶细胞，以纠正基因缺陷。分体内基因治疗与体外基因治疗两条路。　在环保上的应用：培育能降解石油、农药、重金属的工程菌，用于污染治理。

第4节 蛋白质工程的原理和应用　蛋白质工程：以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质加以改造或制造新的蛋白质。　基本思路：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推出应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）。　与基因工程的关系：蛋白质工程可以看作第二代基因工程。它的实施仍要通过基因工程的手段，即改造或合成基因。　改造的是基因：直接改造的对象是基因，不是蛋白质分子本身。这一条是本节最容易记反的一处。　典型实例：改造干扰素使其耐热易保存；改造胰岛素使其起效更快；改造酶使其在更宽的温度与 pH 范围内工作。　难点：蛋白质的空间结构与功能的关系尚未完全弄清，从功能倒推结构这一步仍很困难。

第4章 生物技术的安全性与伦理问题　全套教材的收尾。前三章回答「能做什么」，这一章问「该不该做」。三节各对着一项技术：转基因产品的安全性、生殖性克隆人、生物武器 —— 一节比一节更接近底线。

第1节 转基因产品的安全性　争论的三个方面：食物安全、生物安全、环境安全。三者的关切对象不同，不能混作一谈。　食物安全的争论：反方担心出现滞后效应、产生新的过敏原、营养成分改变；正方认为经严格检验的产品与传统食品同样安全。　生物安全的争论：反方担心转基因生物扩散、基因漂移到野生近缘种；正方认为可通过不育技术与隔离措施控制。　环境安全的争论：反方担心破坏原有生态平衡、使害虫产生抗性；正方认为减少农药使用反而有利于环境。　我国的态度：对转基因技术研究采取积极支持、科学管理、严格监管、依法依规、公众参与的态度。　标识制度：我国对列入目录的农业转基因生物实行强制标识，保障消费者的知情权与选择权。

第2节 关注生殖性克隆人　生殖性克隆：以产生新个体为目的的克隆。克隆人属于这一类，为世界各国普遍禁止。　治疗性克隆：以获得胚胎干细胞、用于组织器官修复为目的的克隆，不以产生个体为目标。多数国家在严格监管下允许。　反对生殖性克隆人的理由：严重违反人类伦理道德、冲击现有的家庭与社会关系；克隆技术尚不成熟，成功率低、畸形率高。　我国的态度：禁止生殖性克隆人，不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人的实验；同时支持规范的治疗性克隆研究。　两者的技术相同：都用体细胞核移植。区别在于目的与是否把胚胎移入子宫发育成个体，不在技术本身。　设计试管婴儿的伦理：以治病为目的的胚胎植入前遗传学诊断可以接受，以选择性别或外貌为目的的则不被允许。

第3节 禁止生物武器　生物武器：以细菌、病毒、毒素等生物制剂杀伤人畜、毁坏农作物的武器，包括致病菌、病毒、生化毒剂与基因武器等。　特点：传染性强、传播途径多、危害时间长、难以防治，且施放后难以控制其扩散范围。　基因武器：用基因工程方法制造的、针对特定人群或作物的生物制剂。它是生物武器中最受关注的一类。　《禁止生物武器公约》：1972 年签署、1975 年生效，禁止发展、生产和储存生物武器。我国是公约的缔约国。　两用性问题：同一项技术既可用于造福人类，也可能被滥用。这是生物安全治理最根本的难点。　科学家的责任：研究者应遵守法律与伦理规范，主动评估研究的潜在风险，不参与任何生物武器的研制。