高中生物高考復習：選修三現(xiàn)代生物科技專題（教師用書）

現(xiàn)代生物科技專題

XIANDAISHENGWUKEJIZHUANTI

第1講基因工程

1.概述基因工程是在遺傳學、微生物學、生物化學和分子生物學等

學科基礎上發(fā)展而來的

2.闡明DNA重組技術的實現(xiàn)需要利用限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連

課接酶和載體三種基本工具

標

要.闡明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的獲取、基因表

求3

達載體的構建、目的基因導入受體細胞和目的基因及其表達產(chǎn)物的

檢測鑒定等步驟

4.舉例說明基因工程在農(nóng)牧、食品及醫(yī)藥等行業(yè)的廣泛應用改善了

人類的生活品質

5.概述人們根據(jù)基因工程原理，進行蛋白質設計和改造，可以獲得性狀

和功能更符合人類需求的蛋白質

6.舉例說明依據(jù)人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造、生產(chǎn)目標蛋

白的過程

7.實驗：DNA的提取和鑒定

1.基因的結構與功能（生命觀念）

2.基因工程的操作流程圖及蛋白質工程的流程圖筆（科學思維）

3.基因工程的應用和蛋白質工程（科學探究）

4.正確看待轉基因生物與環(huán)境安全問題（社會責任）

考點一基因工程的基本工具及基本程序

［知識,能力?素養(yǎng)】

教風

1.基因工程的概念

(1)概念：按照人們的愿望，進行嚴格的設計，并通過體外DNA重組和轉基

因等技術，賦予生物以新的遺傳特性，從而創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類

型和生物產(chǎn)品。

(2)優(yōu)點。

①與雜交育種相比：克服了遠緣雜交不親和的障礙。

②與誘變育種相比：定向改造生物的遺傳性狀。

2.基因工程的基本工具

⑴限制性核酸內(nèi)切酶倘稱限制酶)。

①來源：主要來自原核生物。

②特點：具有專一性,表現(xiàn)在兩個方面：

識別一雙鏈DNA分子的某種特定核昔酸序列。

切割——特定核昔酸序列中的特定位點。

③作用：斷裂特定的兩個核昔酸之間的磷酸二

④結果：產(chǎn)生黏性末端或平木端。

(2)DNA連接酶。

種類EcoliJDNA連接酶T4DNA連接酶

來源大腸桿菌T4噬菌體

特點縫合黏性末端縫合黏性末端和平末端

作用縫合雙鏈DNA片段，恢復兩個核甘酸之間的磷酸二酯鍵

(3)載體。

①種類：質粒、(噬菌體的衍生物、動植物病毒等。

0自我復制

②質粒的特點《有一個至多個限制酶的切割位點

I有特殊的一記基因

③運載體的作用：攜帶外源DNA片段進入受體細胞。

3.基因工程的基本程序

(1)目的基因的獲取。

①從基因文庫中獲取。

‘利用mRNA反轉錄合成

②人工合成

通過DNA合成儀用化學方法人工合成

③利用PCR技術擴增。

(2)基因表達載體的構建——基因工程的核心。

①目的：使目的基因在受體細胞中穩(wěn)定存在，并且可以遺傳給下一代，同時

使目的基因能夠表達和發(fā)揮作用。

②基因表達載體的組成。

一目的基因

—復制原點

—后動子：RNA聚合會識別和結公的部位.

基因

驅動基因轉錄

表達一

載體一終止子：R、A聚合醐脫離部位,終止轉錄

一標記基因：為鑒別受體細胞中是否含有

U的基因

(3)將目的基因導入受體細胞。

①轉化含義：目的基因進入受體細胞內(nèi),并且在受體細胞內(nèi)遺傳和表達的過

程。

②轉化方法。

生物類型植物動物微生物

受體細胞體細胞受精卵大腸桿菌或酵母菌等

農(nóng)桿菌轉化法、基因

常用方法顯微注射法感受態(tài)細胞法

槍法、花粉管通道法

(4)目的基因的檢測與鑒定。

方法檢測或鑒定目的水平

DNA分子雜交技術檢測目的基因的有無

分子雜交技術目的基因是否轉錄分子水平

抗原一抗體雜交目的基因是否翻譯

抗蟲或抗病接種實驗是否具有抗蟲抗病特性個體水平

4.PCR技術

(1)原理：DNA雙鏈復制。

⑵條件。

模板：DNA母鏈

酶:而7酶

引物：分別與單鏈相應序列相結合

原料：分另^dCTP、dATP、dGTP、dTTP。

「變性：90?95。(2條件下受熱變性后解鏈為單鏈

復性：55?60。(2條件下，幺物與單鏈相應互補

(3)過程〈序列結合

、延伸：70~75°C條件下在一〃酶作用下合成子鏈

(4)結果：上述三步反應完成后，一個DNA分子就變成了兩個DNA分子，隨

著重復次數(shù)的增多，DNA分子就以2〃的形式增加。PCR的反應過程都是在PCR

擴增儀中完成的。

1.基因工程技術使用限制酶需注意的四個問題

⑴獲取目的基因和切割載體時，經(jīng)常使用同一種限制酶(也可使用能切出相同

末端的不同限制酶)，目的是產(chǎn)生相同的黏性末端或平末端。

(2)獲取一個目的基因需限制酶切割兩次，共產(chǎn)生4個黏性末端或平末端。

(3)限制酶切割位點的選擇，必須保證標記基因的完整性，以便于檢測。

(4)為避免目的基因和質粒的自身環(huán)化和隨意連接，也可使用不同的限制酶切

割目的基因和質粒。

2.載體上標記基因的作用

載體上的標記基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要轉入的受體細

胞沒有抵抗相關抗生素的能力。當含有抗生素抗性基因的載體進入受體細胞后，

抗性基因在受體細胞內(nèi)表達，使受體細胞能夠抵抗相應抗生素，所以在受體細胞

的培養(yǎng)體系中加入該種抗生素就可以只保留轉入載體的受體細胞，原理如圖所示。

進入受在含有氨節(jié)青霉素

體細胞

Ampr的培養(yǎng)基上培養(yǎng)一

含有抗氮不只有含有載體,

擊毒索基因

大腸桿菌中存■的并旦載體上的

的質粒

有載體進入，有其因表達的大

的沒有載體進入腸桿菌才能存

活并增殖

3.基因工程操作的四個易錯點

(1)目的基因的插入位點不是隨意的，基因表達需要啟動子與終止子的調(diào)控，

所以目的基因應插入啟動子與終止子之間的部位。

(2)基因工程操作過程中只有第三步(將目的基因導入受體細胞)沒有堿基互補

配對現(xiàn)象。

(3)農(nóng)桿菌轉化法原理：農(nóng)桿菌易感染雙子葉或裸子植物的細胞，并將其Ti

質粒上的T-DNA轉移并整合到受體細胞染色體DNA上。

(4)啟動子#起始密碼子，終止子W終止密碼子。

啟動子和終止子位于DNA片段上，分別控制轉錄過程的啟動和終止；起始

密碼子和終止密碼子位于mRNA上，分別控制翻譯過程的啟動和終止。

-提升1

/4:命觀念——結構與功能現(xiàn)“

1.非洲爪蟾核糖體蛋白基因可以與質粒重組，并且在大腸桿菌細胞中表達,

其遺傳學基礎是什么？

提示：非洲爪蟾核糖體蛋白基因與質粒均具有相同的組成單位和雙螺旋結構,

且不同生物的密碼子相同。

〃科學思維—模型勺建模

2.用箭頭及簡要的文字簡述基因組文庫和部分基因文庫構建過程。

限制酶

提示：基因組文庫的構建過程：某種生物全部DNA------＞許多DNA片段

分別與載體

受體菌群體。

連接導入

反轉錄

部分基因文庫的構建過程為：某種生物發(fā)育的某個時期的mRNA——二

與載體

cDNA連接事又受體菌群體。

［考法?考技-考能】

考法1》考查基因工程的工具

1.青蒿素是最有效的抗瘧疾藥物，但野生黃花蒿青蒿素產(chǎn)量低，為緩解青蒿

素供應不足的狀況，科學家將tms基因和tmr基因導入黃花蒿的愈傷組織從而獲

得了黃花蒿的冠瘦組織，改造過程用到的部分結構如圖。

|,皿：編碼產(chǎn)物控制合成生長索

|皿：端碼產(chǎn)物控制合成編*分留司

|產(chǎn)■控制微活T?DNA轉*］

|T：終止子"|

(1)科學家將目的基因導入黃花蒿愈傷組織細胞的常用方法是

(2)圖中結構P、T是基因成功轉錄的保證，其中結構P的作用是

為了鑒別受體細胞中是否含有目的基因，并將含有目的基因的細胞篩選出來，圖

中還缺少的結構是。

(3)在獲得轉基因的冠瘦組織過程中，是核心步

驟，在具體操作中常常使用兩種能產(chǎn)生不同黏性末端的限制醮對目的基因和運載

體的兩端分別進行切割，這樣做的好處是。

(4)T-DNA的作用是可以使,并插入植物細胞中染色體

的DNA上，要檢測目的基因是否插入冠瘦組織細胞的染色體DNA上，可采用

________技術。

(5)與愈傷組織相比，冠瘦組織的生長速度更快，原因可能是

［解析］(1)目的基因導入植物細胞的方法有農(nóng)桿菌轉化法、基因槍法、花粉

管通道法，而導入植物細胞最常用農(nóng)桿菌轉化法，因此，科學家將目的基因導入

黃花蒿愈傷組織細胞的常用方法是農(nóng)桿菌轉化法。

(2)圖中結構P、T與基因的轉錄有關，即基因成功轉錄的保證，T為終止子，

則P為啟動子，它的作用是RNA聚合酶識別和結合的部位。為了鑒別受體細胞

中是否含有目的基因，并將含有目的基因的細胞篩選出來，圖中還缺少的結構是

標記基因。

(3)在獲得轉基因的冠瘦組織過程中，基因表達載體的構建是核心步驟，在具

體操作中常常使用兩種能產(chǎn)生不同黏性末端的限制酶對目的基因和運載體的兩端

分別進行切割，這樣做的好處是可以避免目的基因和運載體的自身連接成環(huán)和反

向連接。

(4)T-DNA的作用是可以使目的基因進入植物細胞，并插入植物細胞中染色

體的DNA上，要檢測目的基因是否插入冠瘦組織細胞的染色體DNA上，可采用

DNA分子雜交技術。

(5)冠瘦組織的生長與細胞的分裂和伸長等有關，由此推知冠瘦組織的生長速

度更快，原因可能是tms^基因編碼產(chǎn)物控制合成了生長素和細胞分裂素，

促進其生長。

［答案］(1)農(nóng)桿菌轉化法(2)RNA聚合的識別和結合的部位標記基因

(3)基因表達載體的構建(或構建基因表達載體)可以避免目的基因和運載體的自

身連接成環(huán)和反向連接(4)目的基因進入植物細胞DNA分子雜交(5)〃心和

。律基因編碼產(chǎn)物控制合成了生長素和細胞分裂素，促進了冠瘦組織的生長

考法2＞基因工程的操作程序

2.真核生物基因中通常含內(nèi)含子，而原核生物基因中沒有，原核生物沒有真

核生物所具有的切除內(nèi)含子對應的RNA序列的機制。研究發(fā)現(xiàn)綠色木霉合成并

分泌的環(huán)氧化水解酶可降解黃曲霉素B1。現(xiàn)有含綠色木霉的菌液，為獲得環(huán)氧化

水解酶，研究小組進行以下兩種嘗試：

(1)方法一

①從含有綠色木霉的菌液中提取細胞的mRNA,在醒的催化下，合

成cDNAo

②以cDNA為模板，通過技術大量擴增，獲得目的基因。

③構建目的基因表達載體，導入大腸桿菌的體內(nèi)。

④目的基因在大腸桿菌體內(nèi)正常轉錄，但是翻譯產(chǎn)生的環(huán)氧化水解酶沒有生

物活性，需做進一步的處理加工，原因在于。

(2)方法二

①提取綠色木霉的全部DNA,選用適當?shù)拿柑幚砗?，會獲得一些小

的DNA片段。

②選擇一些合適的載體與獲取的DNA片段構建基因表達載體。與從cDNA

文庫中獲取目的基因構建表達載體所用載體相比，該載體組成不需要添加

__________________成分。

③載體和這些DNA片段連接起來，導入受體菌的群體中儲存。

④從這些受體菌的群體中篩選出含有目的基因的受體菌，分離出目的基因，

將該目的基因和載體結合，通過_______法導入大腸桿菌體內(nèi)。

⑤該目的基因在大腸桿菌的體內(nèi)正常轉錄，但其不能進行翻譯，原因在于

［解析］(1)以mRNA合成cDNA的過程為逆轉錄。以已知的cDNA為模板擴

增目的基因可采用PCR技術。綠色木霉為真核生物，合成并分泌的環(huán)氧化水解酶

為分泌蛋白，而大腸桿菌為原核生物，細胞內(nèi)無內(nèi)質網(wǎng)和高次基體，因此在其體

內(nèi)翻譯產(chǎn)生的環(huán)氧化水解酶沒有生物活性。

(2)由提取綠色木霉的全部DNA獲取一些小的DNA片段需要用限制酶進行處

理。從cDNA文庫中獲取目的基因中無啟動子和終止子。將該目的基因導入大腸

桿菌的方法為轉化法。從基因組文庫里分離出的該目的基因在大腸桿菌的體內(nèi)正

常轉錄，但其不能進行翻譯，原因在于目的基因中存在內(nèi)含子。

［答案］(1)①逆轉錄②PCR④環(huán)氧化水解酶是分泌蛋白，需要內(nèi)質網(wǎng)和

高爾基體加工(2)①限制②啟動子、終止子④轉化⑤目的基因中存在內(nèi)含

子

3.甘蔗黃葉綜合征是一種由甘蔗黃葉病毒所引起的禾本科植物病毒，科學家

通過甘蔗黃葉病毒外殼蛋白基因(簡稱CP蛋白基因)轉化植物來獲得抗病轉基因

新品種。

(1)首先從甘蔗黃葉綜合癥的病葉中提取RNA,此過程中為了防止RNA被分

解，需加入抑制劑，以提取的RNA為模板通過獲得cDNA。

(2)對獲取的cDNA進行PCR擴增，在此反應體系中，除了模板DNA、dNTP

外，還需加入,獲得大量的cDNA需要在4c的低溫下保存?zhèn)溆茫?/p>

是0

(3)將cDNA和質粒用同一種限制酶切割，產(chǎn)生相同的平末端，再用

將二者進行連接(填“Eco〃DNA連接酶”或“T4DNA連接酶")<>在培養(yǎng)基上接

種培養(yǎng)大腸桿菌作為受體細胞，同時加入一定量的CaCb低溫冷卻液，目的是制

備細胞，其具有的特殊功能是o

(4)為檢測大腸桿菌是否產(chǎn)生CP蛋白，需要將病毒顆粒注射入兔子體內(nèi)，并

從血清中分離獲得作為檢測劑。

［解析］(l)RNA酶可將RNA水解，因此為了防止RNA被分解，需加入RNA

酶抑制劑；以RNA為模板獲得cDNA的過程稱為逆轉錄。

(2)采用PCR技術擴增目的基因時的條件有模板DNA、dNTP、引物、72的酶

(熱穩(wěn)定DNA聚合酶)；獲得大量的cDNA需要在4℃的低溫下保存?zhèn)溆茫蚴?/p>

高溫條件下，易使DNA分子中的氫鍵斷裂，雙螺旋結構打開而發(fā)生變性。

(3)DNA連接酶包括Eco/ZDNA連接酶、T,DNA連接酶，這二者都能連接黏

性末端，此外T4DNA連接酶迂可以連接平末端。用CaCb處理微生物細胞可使其

成為感受態(tài)細胞，其具有的特殊功能是能吸收周圍環(huán)境中的DNA分子。

(4)為檢測大腸桿菌是否產(chǎn)生CP蛋白，需要將病毒顆粒注射入兔子體內(nèi)，并

從血清中分離獲得CP蛋白抗體(黃葉病毒外殼蛋白抗體)作為檢測劑。

［答案］(l)RNA酶逆轉錄(2)引物、Thq醉(熱穩(wěn)定DNA聚合前)高溫條

件下，易使DNA分子中的氫鍵斷裂，雙螺旋結構打開而發(fā)生變性(3)T4DNA連

接酶感受態(tài)能吸收周圍環(huán)境中的DNA分子(4)CP蛋白抗體(黃葉病毒外殼

蛋白抗體)

考點二基因工程的應用和蛋白質工程

［知識?能力,素養(yǎng)】

數(shù)［材

1.植物基因工程

(1)培育抗蟲轉基因植物：用于殺蟲的基因主要是Bt毒登日基因、蛋白酶抑

制劑基因、淀粉基抑制劑基因、植物凝集素基因等。

(2)抗病轉基因植物：使用最多的是病毒外殼蛋白基因和病毒的復制酶基因。

(3)抗逆轉基因植物：抗逆基因有抗量基因、抗除草劑基因等。

(4)利用轉基因改良植物的品質：如提高玉米中某種氨基酸含量、延長番茄使

存時間、培育新花色的矮牽牛等。

2.動物基因工程

(1)提高動物生長速度：將外源生長激素基因轉入動物體內(nèi),可以提高產(chǎn)量。

(2)用于改善畜產(chǎn)品的品質：將蠅糖醛基因導入奶牛基因組，可以使轉基因

牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大減低。

(3)用轉基因動物生產(chǎn)藥物：將藥用蛋白基因與乳腺蛋白的啟動子等調(diào)控組件

重組在一起，培育乳腺生物反應器。

(4)用轉基因動物作器官移植的典。

3.基因工程藥品

(1)受體細胞：多為原核細胞。原因是其繁殖快、多為單細胞，遺傳物質相對

較少。

(2)方式：利用基因工程培育“工程菌”來生產(chǎn)藥品。

(3)成果：利用“工程菌”可生產(chǎn)細胞因子、抗體、疫苗、激素等。

4.基因治療

(1)概念：把JE?；驅氩∪梭w內(nèi),使該基因的表達產(chǎn)物發(fā)揮功能，達到治

療疾病的目的。

(2)類型：體外基因治療和體內(nèi)基因治療。

(3)實質：正?；虻谋磉_掩蓋病變基因的表達，達到治療疾病的目的。

(4)成果：將腺甘酸脫氨的基因轉入患者的磔細胞中，治療復合型免疫缺陷

癥。

5.蛋白質工程

⑴概念。

以蛋白質分子的結構規(guī)律及其生物功能的關系作為基礎,通過基因修飾或基

因合成,對現(xiàn)有蛋白質進行改造，或制造一種新蛋白質，以滿足人類的生產(chǎn)和生

活的需求。

(2)流程圖。

寫出流程圖中字母代表的含義:

A.姬,B.W$,C.分子設計,D.多肽鏈,E.預期功能。

⑶蛋白質工程與基因工程的比較。

①區(qū)別。

比較

蛋白質工程基因工程

項目

預期蛋白質功能f設計預期的蛋

獲取目的基因一基因表達載體的

白質結構f推測應有的氨基酸序

過程構建一將目的基因導入受體細胞

列f找到相對應的脫氧核苛酸序

一目的基因的檢測與鑒定

列

定向改造生物的遺傳特性,以獲

定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋自

實質得人類所需的生物類型和生物產(chǎn)

品

結果可生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質只能生產(chǎn)自然界已有的蛋白質

②聯(lián)系。

a.蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程。

b.基因工程中所利用的某些酶需要通過蛋白質工程進行修飾、改造。

i0

“科學恐維一演絆'，推理/”

1.利用轉基因技術獲得的己整合藥用蛋白基因的轉基因G鼠分泌的乳汁中檢

測不到藥用蛋白，根據(jù)中心法則分析，其可能的原因是什么？

提示：藥用蛋白基因沒有轉錄或翻譯。

〃科學思維—模型“建模"

2.研究發(fā)現(xiàn)，如果將白喉桿菌類毒素20位和24位的氨基酸改變?yōu)榘腚装彼?

免疫效果更好，請寫出此種技術的基本流程。

提示：從預期蛋白質功能出發(fā)設計預期的蛋白質結構一推測應有的氨基酸

序列一找到相對應的脫氧核甘酸序列O

“科學探究一窠險設計加

3.請簡要寫出從個體水平鑒定抗蟲棉是否培育成功的設計思路。

提示：取一定量長勢良好的轉基因棉花植株接種適量的棉鈴蟲作為實臉組，

取等量長勢一致的普通棉花植株接種等量棉鈴蟲作為對照組。在相同且適宜的條

件下培養(yǎng)一段時間，觀察并統(tǒng)計兩組棉花葉片的受損程度。

［考法?考技-考能】

考法1＞基因工程的應用

1.植物甲含有A基因，其編碼的蛋白質中富含賴氨酸?？茖W家通過基因工

程培育出的轉基因玉米也能合成甲的富含賴氨酸的蛋白質，使玉米中賴氨酸的含

量比原來提高30%o請回答：

(1)在獲取目的基因時?，常從甲的細胞中提取富含賴氨酸的蛋白質的mRNA,

并利用mRNA人工合成cDNAo上述人工合成cDNA的過程稱作：與甲

細胞中的A基因相比，cDNA中不具有調(diào)控基因表達的

等組件。

(2)在利用農(nóng)桿菌轉化法轉基因時，需將目的基因插入到質粒的T-DNA中，

原因是。將攜帶了目的基因的農(nóng)桿菌和玉米薄壁組

織細胞共同培養(yǎng)時，需用酚類化合物對玉米細胞進行處理，這種處理的作用是

(3)在獲得轉基因玉米后，可采用核酸分子雜交技術對玉米細胞中是否存在A

基因的轉錄產(chǎn)物進行檢測，檢測時需用制作基因探針。

(4)實驗發(fā)現(xiàn)，某攜帶了A基因的玉米植株(乙)自交，其子代中富含賴氨酸的

個體占15/16,而用乙的體細胞離體培養(yǎng)所產(chǎn)生的植株100%富含賴氨酸。將玉米

體細胞離體的培養(yǎng)成完整植株的過程稱為。若乙中的A基因都能

表達，且不考慮突變和染色體交叉互換，乙自交子代富含賴氨酸的個體占15/16,

原因是o

［解析］⑴根據(jù)題意分析，人工合成cDNA的過程是以RNA為模板合成DNA

的過程，為逆轉錄過程；與A基因相比，人工合成的cDNA中不含啟動子、終止

子和內(nèi)含子。

(2)農(nóng)桿菌細胞中的Ti質粒上的T-DNA(可轉移DNA)能進入玉米細胞并整合

到玉米染色體DNA上，因此在利用農(nóng)桿菌轉化法轉基因時，需將目的基因插入

到質粒的T-DNA中。將攜帶了目的基因的農(nóng)桿菌和玉米薄壁組織細胞共同培養(yǎng)

時，需用酚類化合物對玉米細胞進行處理，以吸引農(nóng)桿菌對玉米細胞進行侵染。

(3)檢測A基因(目的基因)可以用DNA分子雜交法，該過程需要用含A基因

的DNA片段(或A基因)制作基因探針。

（4）將玉米體細胞離體的培養(yǎng)成完整植株的過程為植物組織培養(yǎng)。根據(jù)題意分

析，將某攜帶了A基因的玉米植株（乙）自交，其子代中富含賴氮酸的個體占15/16,

即只有1/16（1/4x1/4）的個體不富含賴氨酸，相當于兩對雜合子的自交實臉，說明

乙的體細胞中有2條非同源染色體上含有A基因，所產(chǎn)生的配子中只有3/4的配

子含A基因。

［答案］（1）逆轉錄啟動子、終止子、內(nèi)含子（2）T-DNA能進入并整合到玉

米染色體DNA上吸引農(nóng)桿菌對玉米細胞進行侵染（3）含A基因的DNA片

段（或A基因）（4）組織培養(yǎng)乙的體細胞中有2條非同源染色體上含有A基因，

所產(chǎn)生的配子中只有3/4的配子含A基因

2.（2021.廣東綜合測試）棉花田中噴灑含草甘瞬的除草劑，在除去雜草的同時

也會損傷棉花植株。為解決這一問題，科研人員將抗草甘瞬基因導入棉花細胞，

獲得轉基因棉花。其中，構建的雙抗草甘瞬基因表達載體部分示意圖如下?；卮?/p>

下列問題。

LBRBSC1s抗草甘麟基中、RBSCK抗草竹麟基中、RB

注：箭頭代表轉錄方向。

（1）構建上述基因表達載體所需要的工具酶有O根

據(jù)基因表達載體的結構組成分析，RBSC是,其功能是

（2）為檢測抗草甘瞬基因是否導入棉花細胞，可采用進行檢

測。除此以外，還可以使用PCR技術。PCR反應體系中，應加入待測棉花細胞

的、抗草甘璘基因的、、dNTP等物質，若擴增出現(xiàn)

陽性反應，則說明導入成功。

（3）篩選獲得成功轉化的棉花細胞，將其轉入含有營養(yǎng)物質、

的培養(yǎng)基中誘導培養(yǎng)和篩選，從而獲得抗草甘瞬基因的轉基因棉花植株。

（4）研究成果顯示，成功轉化雙抗草甘瞬基因表達載體的棉花抗性較轉化單抗

草甘麟基因表達載體的高，合理解釋是。

［答案J（1）限制酶和DNA連接酶啟動子RNA聚合酶識別并結合的位點,

驅動轉錄的進行（2）DNA分子雜交基因組DNA特異性引物（3）植物激素

（一定濃度的）草甘瞬（4）雙抗草甘瞬基因表達載體中抗草甘麟基因數(shù)目多，可獲

得基因表達產(chǎn)物多，因此抗性強

考法2＞蛋白質工程及應用

3.香港大學的研究人員將某印度芥菜的HMGS基因編碼的蛋白質的第359

位氨基酸“絲氨酸”替換成“丙氨酸”后形成s359a蛋白，通過一定的方法獲得

新“MGS基因，然后將其導入番茄細胞，獲得類胡蘿卜素增加111%的轉基因番

茄，該番茄具有強抗氧化性。請回答下列問題：

(1)請按照蛋白質工程的原理寫出獲得新HMGS基因的基本途徑：

(2)如圖的4種質粒中，E表示EcoRI的切割位點，將這些質粒用EcoRI充

分切割后，產(chǎn)生的線性雙鏈DNA片段的種類分別為個，接著將新HMGS

基因分別與這4組酶切產(chǎn)物、DNA連接酶在適宜環(huán)境下混合，編號為1、2、3、

4組，結果發(fā)現(xiàn)除第組外，其余3組都有含新HMGS基因的基因表達載

體(重組質粒)出現(xiàn)?；虮磉_載體的組成除目的基因和標記基因外，還包括

及復制原點。

(3)若質粒3是農(nóng)桿菌的Ti質粒,則圖示E所處的位置在Ti質粒上的,

將含新HMGS基因的重組Ti質粒的農(nóng)桿菌導入番茄細胞，成功獲得含新HMGS

基因的轉基因番茄，將其果實色素提取后，用法分離，可發(fā)現(xiàn)濾紙條上

(填顏色)的條帶比第4組的寬。

［解析］(1)蛋白質工程的原理為從預期的蛋白質功能出發(fā)一設計預期的蛋白

質結構一推測應有的氨基酸序列一找到相對應的脫氧核甘酸序列(基因)，由此可

寫出獲得新HMGS基因的基本途徑：從s359a蛋白的功能出發(fā)一設計s359a蛋白

的結構一將HMGS蛋白的第359位絲氨酸替換成丙氨酸一找到并改造HMGS基

因的脫氧核昔酸序列。

(2)圖中質粒1、2、3、4上的限制酶EcoRI切割位點分別為3、2、1、0,

用EcoRI充分切割后，產(chǎn)生的線性雙鏈DNA片段的種類分別為3、2、1、0。第

4組無EcoRI切割位點，因此無法構建基因表達載體?；虮磉_載體的組成包括

目的基因、標記基因、啟動子、終止子以及復制原點。

(3)Ti質粒上的T-DNA可將目的基因轉移到受體細胞且整合到受體細胞染色

體的DNA上。色素的提取方法為紙層析法。新"MGS基因導入番茄細胞，獲得

的類胡蘿卜素增加，因此濾紙條上橙黃色和黃色的條帶比第4組的寬。

［答案］⑴從s359a蛋白的功能出發(fā)f設計s359a蛋白的結構f將HMGS蛋

白的第359位絲氨酸替換成丙氨酸一找到并改造基因的脫氧核甘酸序列

［或從預期的蛋白質功能出發(fā)一設計預期的蛋白質結構f推測應有的氨基酸序列

f找到相對應的脫氧核甘酸序列(基因)］(2)3、2、1、04啟動子和終止子

(3)T-DNA紙層析橙黃色和黃色

考點三DNA的粗提取與鑒定

［知識,能力?素養(yǎng)】

教|材

1.基本原理

(l)DNA的粗提?。豪肈NA與RNA、蛋白質和脂質等在物理和化學性質

方面的差異，提取DNA,去除其他成分。

(2)DNA與蛋白質在物理、化學性質方面的差異

比較項目DNA蛋白質

溶2moi/LNaCl溶液中溶解析出

解0.14mol/LNaCl溶液中析出

性酒精溶液中析出溶解

耐蛋白酶無影響水解

受以

高溫不能耐受60?80c的高溫

性上變性

(3)DNA的鑒定：DNA+二苯胺——?藍色。

2.實驗流程

材料的選?。哼x用切姐_含量相對較高的生物組織

破碎細胞(以雞血為例)：雞血細胞加蒸儲水f

用玻璃棒攪拌f用紗布過濾一收集濾液

去除雜質：利用DNA在不同濃度的NaCl溶液中溶解度不

同，通過控制NaCl溶液的濃度去除雜質

DNA的析出：將處理后的溶液過濾，加入與濾液體積相等的、

冷卻的體積分數(shù)為95%的酒精溶液

DNA的鑒定：在溶有DNA的溶液中加入二苯胺試劑，混合均

勻后，將試管在沸水中加熱5min,溶液變成藍色

重惟

明確實驗中三種重復操作的目的和作用

1.加2次蒸福水

(1)加到雞血細胞液中，使血細胞吸水漲破。

(2)加到含DNA的2mol/L的NaCl溶液中，使NaCl溶液的物質的量濃度下

降到0.14mol/L,使DNA析出。

2.用紗布過濾3次

⑴過濾血細胞破裂液，得到含細胞核物質的濾液。

⑵濾取0.14mol/L的NaCl溶液中析出的DNA(黏稠物)。

(3)過濾溶有DNA的2mol/L的NaCl溶液。

3.用4次NaCl溶液

⑴用2mol/L的NaCl溶液，過濾除去不溶的雜質。

⑵用0.14mol/L的NaCl溶液，析出DNA。

(3)用2moi/L的NaCl溶液,溶解DNA。

(4)用2mol/L的NaCl溶液，溶解絲狀物用于DNA的鑒定。

素［養(yǎng)-提升1

〃科學探究—方案實施

下圖為某興趣小組開展“DNA的粗提取與鑒定”實驗過程中的一些操作示

意圖。

ABCDE

正確的操作順序是什么？說明理由。

提示：CfB-EfDfA。DNA粗提取時，先用蒸饋水處理雞血細胞，使其

吸水漲破，釋放DNA,然后過濾，去除雜質，獲得濾液，接著加入2mol/L的

NaCl,再加入蒸館水，使其析出，將析出的DNA溶解于2mol/L的NaCl,最后

加入95%的冷酒精，析出純凈的DNA,即正確的操作順序是CfB-E-D-A。

［考法?考技-考能】

考法〉考查DNA的粗提取與鑒定的原理及操作流程

下圖是某中學生物興趣小組進行的DNA粗提取實驗，其中SDS(一種表面活

性劑)除了能瓦解細胞膜和核膜，還能與脂質和蛋白質結合。當SDS遇到鉀離子

時，鉀離子可以置換SDS中的鈉離子，產(chǎn)生不溶于水的PDS沉淀。請回答下列

問題：

(1)實驗中，向剪碎的豬肝中加入食鹽的主要作用是O將豬肝勻漿放

入65C水浴鍋中水浴10min以除去部分雜質的主要實驗原理是

(2)方法一的步驟①中加入洗滌劑的作用是o方法三的

步驟③中，離心后應取O

(3)方法一、二獲得的絮狀物均帶黃色，從DNA在細胞中的存在形式分析,

雜質分子最可能是，可用試劑鑒定。

(4)要比較三種方法獲得的絮狀物中DNA含量，請寫出實驗思路:

［解析］(l)DNA粗提取的原理主要有DNA分子在0.14mol/LNaCl溶液中溶

解度最低而蛋白質等雜質在此濃度中溶解度比較大；蛋白質在高于60OC溶液中

容易變性、沉淀，而DNA能耐受較高的溫度；DNA不溶于酒精，而蛋白質等物

質可溶。

(2)根據(jù)題意，SDS與鉀離子發(fā)生轉換反應，產(chǎn)生PDS沉淀，因此可以通過

沉淀、需心,去除實驗中加入的SDS,在禺心后取含有DNA的上清液。

(3)DNA在真核細胞中主要存在于細胞核內(nèi)，與蛋白質結合形成染色體，因

此，與DNA分子結合較牢的雜質最主要的是蛋白質。蛋白質可用雙縮麻試劑進

行鑒定。

(4)由于DNA遇二苯胺在水浴加熱條件下發(fā)生反應，出現(xiàn)藍色，并且藍色深

淺與DNA含量呈正相關，因此實驗中可以通過將等量的三種絮狀物溶解，加二

苯胺試劑并水浴加熱，比較藍色深淺，實現(xiàn)對三種絮狀物中DNA含量的比較。

［答案］(1)溶解DNA蛋白質在65℃高溫下會變性，而DNA能耐受這一溫

度(2)瓦解細胞膜和核膜上清液(3)蛋白質雙縮服(4)分別取等量的三種

絮狀物，并用等量的2moi/LNaCl溶液溶解：再向各試管中加入等量的二苯胺試

劑并水浴加熱；比較三支試管中藍色的深淺

真題體驗I感悟高考淬煉考能

1.(2020?山東等級考)水稻胚乳中含直鏈淀粉和支鏈淀粉，直鏈淀粉所占比例

越小糯性越強。科研人員將能表達出基因編輯系統(tǒng)的DNA序列轉入水稻，實現(xiàn)

了對直鏈淀粉合成酶基因(血基因)啟動子序列的定點編輯，從而獲得了3個突變

品系。

⑴將能表達出基因編輯系統(tǒng)的DNA序列插入Ti質粒構建重組載體時，所需

的酶是,重組載體進入水稻細胞并在細胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達的過程

稱為O

(2)根據(jù)啟動子的作用推測，柢基因啟動子序列的改變影響了

_______________________________________，從而改變了Wr基因的轉錄水平。與

野生型水稻相比，3個突變品系中泌:基因控制合成的直鏈淀粉合成酶的氨基酸

序列(填“發(fā)生”或“不發(fā)生”)改變，原因是o

(3)為檢測啟動子變化對Wr基因表達的影響，科研人員需要檢測淞基因轉

錄產(chǎn)生的mRNA(WtmRNA)的量。檢測時分別提取各品系胚乳中的總RNA,經(jīng)

過程獲得總cDNAo通過PCR技術可在總cDNA中專一性地擴增

出Wr基因的cDNA,原因是o

(4)各品系WtmRNA量的檢測結果如下圖所示，據(jù)圖推測糯性最強的品系為

,原因是0

5

0

5

0

野生型品系1亂系2品系3

I解析］(1)限制性核酸內(nèi)切酶能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定核甘酸序

列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個核甘酸之間的磷酸二酯鍵斷開；DNA連接

酶能將DNA片段拼接起來。將能表達出基因編輯系統(tǒng)的DNA序列插入Ti質粒

構建重組載體時，需要限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶的參與。轉化是指目的

基因進入受體細胞內(nèi)，并且在受體細胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達的過程。(2)啟動子是

RNA聚合酶識別和結合的部位，能驅動基因轉錄出mRNA。膿基因啟動子序列

的改變影響了RNA聚合酶與啟動子的識別和結合，從而改變了血基因的轉錄水

平，使直鏈淀粉合成酶基因的表達量改變。根據(jù)題干信息可知，基因編輯系統(tǒng)是

對啟動子序列進行定點編輯，白于編碼直鏈淀粉合成酶的堿基序列中不含啟動子,

所以與野生型水稻相比，3個突變品系中版基因控制合成的直鏈淀粉合成酶的

氨基酸序列沒有發(fā)生變化。(3)用提取的各品系胚乳中的總RNA合成總cDNA的

過程為逆轉錄，需要逆轉錄酶的參與。由于引物能與％基因的cDNA特異性結

合，故通過PCR技術可在總cDNA中專一性地擴增出血基因的cDNA0(4)mRNA

是蛋白質合成的直接模板，根據(jù)題圖分析可知，4個品系中品系3的MmRNA

量最低，控制合成的直鏈淀粉合成酶最少，直鏈淀粉合成量最少，糯性最強。

［答案］(1)限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶轉化(2)RNA聚合酶與啟動

子的識別和結合不發(fā)生編碼直鏈淀粉合成酶的堿基序列中不含啟動子(3)

逆轉錄(或反轉錄)引物是根據(jù)依基因的一段己知序列設計合成的(或引物能與

Wt基因的cDNA特異性結合)(4)品系3品系3的WtmRNA最少，控制合成

的直鏈淀粉合成酶最少，直鏈淀粉合成量最少，糯性最強

2.(2019?全國卷［)基因工程中可以通過PCR技術擴增目的基因?；卮鹣铝?/p>

問題。

(1)基因工程中所用的目的基因可以人工合成，也可以從基因文庫中獲得。基

因文庫包括和O

(2)生物體細胞內(nèi)的DNA復制開始時，解開DNA雙鏈的酶是。在體

外利用PCR技術擴增目的基因時，使反應體系中的模板DNA解鏈為單鏈的條件

是。上述兩個解鏈過程的共同點是破壞了DNA雙鏈分子中的

________O

(3)目前在PCR反應中使用Taq前而不使用大腸桿菌DNA聚合酶的主要原因

是______________________________________________________________

_________________________________________________________________O

［解析］(1)基因文庫包括基因組文庫和cDNA文庫。(2)生物體細胞內(nèi)DNA

復制開始時是利用解旋酶進行解旋的，而在體外利用PCR技術擴增目的基因時，

則是通過加熱至90?95C進行解旋的，二者都破壞了堿基對之間的氫鍵。(3)在

PCR過程中，要加熱至90?95℃,所以使用熱穩(wěn)定性高的全夕酶，而不使用在

高溫下會失活的大腸桿菌DNA聚合酶。

［答案1(1)基因組文庫cDNA文庫(2)解旋酶加熱至90?95℃氫鍵

(3)7aq酶熱穩(wěn)定性高，而大腸桿菌DNA聚合酶在高溫下會失活

3.(2018?全國卷I)回答下列問題：

(1)博耶(H.Boyer)和科恩(S.Cohen)將非洲爪蟾核糖體蛋白基因與質粒重組后

導入大腸桿菌細胞中進行了表達。該研究除證明了質?？梢宰鳛檩d體外，還證明

T______________________________________________________________

____________________________________________________(答出兩點即可)。

(2)體外重組的質粒可通過Ca2‘參與的方法導入大腸桿菌細胞；而體

外重組的噬菌體DNA通常需與組裝成完整噬菌體后，才能通過侵染的

方法將重組的噬菌體DNA導入宿主細胞。在細菌、心肌細胞、葉肉細胞中，可

作為重組噬菌體宿主細胞的是o

（3）真核生物基因（目的基因）在大腸桿菌細胞內(nèi)表達時，表達出的蛋白質可能

會被降解。為防止蛋白質被降解，在實驗中應選用的大腸桿菌作為

受體細胞，在蛋白質純化的過程中應添加的抑制劑。

［解析］（1）兩位科學家將非洲爪蟾核糖體蛋白基因與質粒重組后導入大腸桿

菌細胞中并進行了表達，因此，該研究可以證明：質?？梢宰鳛檩d體，真核細胞

的基因在原核細胞中也可以表達（不同生物共用一套密碼子）、體外重組的質粒可

以進入受體細胞等。（2）目的基因進入受體細胞內(nèi)，并且在受體細胞內(nèi)維持穩(wěn)定和

表達的過程稱為轉化，將質粒導入大腸桿菌時，常用的轉化方法是首先用Ca?+處

理大腸桿菌細胞，使其成為感受態(tài)。噬菌體DNA沒有侵染能力，體外重組的噬

菌體DNA通常需與外殼蛋白組裝成完整噬菌體才能完成侵染過程。噬菌體多寄

生在細菌中，但不能寄生在心肌細胞和葉肉細胞中。（3）若要使蛋白質不被降解，

則大腸桿菌體內(nèi)不能存在蛋白酶，因此，實驗中應選用蛋白晦缺陷型的大腸桿菌

作為受體細胞。同理，在蛋白質純化過程中，也不能使蛋白質降解，因此，應添

加蛋白酶抑制劑。

［答案］（1）體外重組的質?？梢赃M入受體細胞；真核生物基因可在原核細胞

中表達（2）轉化外殼蛋白（或噬菌體蛋白）細菌（3）蛋白酶缺陷型蛋白酶

4.（2018?全國卷II）某種熒光蛋白（GFP）在紫外光或藍光激發(fā)下會發(fā)出綠色熒

光，這一特性可用于檢測細胞中目的基因的表達。某科研團隊將某種病毒的外殼

蛋白（L1）基因連接在GFP基因的5'末端，獲得了L1-GFP融合基因（簡稱為甲），

并將其插入質粒P0,構建了真核表達載體P1,其部分結構和酶切位點的示意圖

如下，圖中E1?E4四種限制酶產(chǎn)生的黏性末端各不相同。

啟動子~L1基因GFP基因~終止子

ElE2E3E4

回答下列問題：

（1）據(jù)圖推斷，該團隊在將甲插入質粒P0時，使用了兩種限制酶，這兩種酶

是o使用這兩種酶進行酶切是為了保證，也是為了保證

（2）將Pl轉入體外培養(yǎng)的牛皮膚細胞后，若在該細胞中觀察到了綠色熒光，

則說明L1基因在牛的皮膚細胞中完成了和過程。

（3）為了獲得含有甲的牛，該團隊需要做的工作包括：將能夠產(chǎn)生綠色熒光細

胞的移入牛的中、體外培養(yǎng)、胚胎移植等。

（4）為了檢測甲是否存在于克隆牛的不同組織細胞中，某同學用PCR方法進

行鑒定，在鑒定時應分別以該牛不同組織細胞中的（填“mRNA”“總

RNA”或“核DNA”）作為PCR模板。

［解析］⑴據(jù)圖示信息分析：將LLGFP融合基因（甲）插入質粒時使用酶E1

和E4進行酶切，既能保證L1-GFP融合基因的完整，又能保證L1-GFP融合基因

與載體的正確連接。（2）目的基因在受體細胞中的表達包括轉錄和翻譯兩個過程。

（3）將體外培養(yǎng)的含有目的基因的動物體細胞核移入該動物的去核卵母細胞中，經(jīng)

過體外培養(yǎng)、胚胎移植等技術可獲得轉基因動物。（4）檢測目的基因是否存在于克

隆牛的不同組織細胞中，采用PCR技術鑒定時，應以該牛不同組織細胞中的核

DNA作為PCR模板。

［答案J（1）E1和E4甲的完整甲與載體正確連接（2）轉錄翻譯（3）細

胞核去核卵母細胞（4）核DNA

5.（2017?全國卷1【）幾丁質是許多真菌細胞壁的重要成分，兒丁質酶可催化兒

丁質水解。通過基因工程將幾丁質酶基因轉入植物體內(nèi)，可增強其抗真菌病的能

力?；卮鹣铝袉栴}：

（1）在進行基因工程操作時，若要從植物體中提取幾丁質酶的mRNA,常選用

嫩葉而不選用老葉作為實驗材料，原因是0提取RNA時，

提取液中需添加RNA酶抑制劑，其目的是o

（2）以mRNA為材料可以獲得cDNA,其原理是

（3）若要使目的基因在受體細胞中表達，需要通過質粒載體而不能直接將目的

基因導入受體細胞，原因是____________________________________________

________________________________________________（答出兩點即可）。

（4）當幾丁質酶基因和質粒載體連接時，DNA連接酶催化形成的化學鍵是

⑸若獲得的轉基因植株（幾丁質酶基因已經(jīng)整合到植物的基因組中）抗真菌病

的能力沒有提高，根據(jù)中心法則分析，其可能的原因是

［解析］（1）與老葉相比，嫩葉組織細胞易破碎，容易提取到幾丁質酶的

mRNAo提取RNA時，提取液中添加RNA酶抑制劑可防止RNA被RNA酶催化

降解。（2）以mRNA為模板，按照堿基互補配對原則，在逆轉錄酶的作用下，通

過逆轉錄（反轉錄）可以獲得cDNAo（3）因該目的基因是通過逆轉錄形成的，無表

達所需的啟動子，也無在受體細胞內(nèi)進行復制所需的復制原點等，所以在受體細

胞內(nèi)不能穩(wěn)定存在和表達，也不能遺傳。（4）構建基因表達載體時，DNA連接酶

能催化目的基因和質粒載體這兩個DNA片段之間形成磷酸二酯鍵。（5）轉基因植

株的基因組中含有幾丁質酶基因，但該植株抗真菌的能力并沒有提高，可能是由

于轉錄或翻譯異常，即幾丁質酶基因未能正常表達。

［答案］（1）嫩葉組織細胞易破碎防止RNA降解（2）在逆轉錄酶的作用下，

以mRNA為模板按照堿基互補配時的原則可以合成cDNA（3）目的基因無復制

原點；目的基因無表達所需的啟動子（4）磷酸二酯鍵（5）目的基因的轉錄或翻譯

異常

第2講細胞工程

1.闡明植物組織培養(yǎng)是在一定條件下，將離體植物器官、組織和細胞在

適宜的培養(yǎng)條件下誘導形成愈傷組織，并重新分化，最終形成完整植株

的過程

2.概述植物體細胞雜交是將不同植物體細胞在一定條件下融合成雜合

細胞，繼而培育成新植物體的技術

3.舉例說明植物細胞工程利用快速繁殖、脫毒、次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)、育

種等方式有效提高了生產(chǎn)效率

4.闡明動物細胞培養(yǎng)是從動物體獲得相關組織，分散成單個細胞后，在

適宜的培養(yǎng)條件下讓細胞生長和增殖的過程。動物細胞培養(yǎng)是動物細胞

工程的基礎C

5.闡明動物細胞核移植一般是將體細胞核移入一個去核的卵母細胞中