人教版 (新课标)选修3《现代生物科技专题》专题1 基因工程综合与测试学案

这是一份人教版 (新课标)选修3《现代生物科技专题》专题1 基因工程综合与测试学案，共9页。学案主要包含了交汇分析等内容，欢迎下载使用。


尝试填写图中序号代表的含义:
A.DNA分子水平 B.基因重组 C.DNA连接酶 D.基因文库 E.基因表达载体 F.标记基因 G.受体细胞
H.分子水平 I.蛋白质功能 J.脱氧核苷酸
【典例1】(2019·全国卷Ⅰ)基因工程中可以通过PCR技术扩增目的基因。回答下列问题。
(1)基因工程中所用的目的基因可以人工合成,也可以从基因文库中获得。基因文库包括______________和____________。
(2)生物体细胞内的DNA复制开始时,解开DNA双链的酶是______________。在体外利用PCR技术扩增目的基因时,使反应体系中的模板DNA解链为单链的条件是____________。上述两个解链过程的共同点是破坏了DNA双链分子中的______________。
(3)目前在PCR反应中使用Taq酶而不使用大肠杆菌DNA聚合酶的主要原因是__________________________。
【解析】本题考查基因工程的相关知识。
(1)基因文库包括基因组文库和部分基因文库(cDNA文库),前者包括一种生物的全部基因,后者只包括一种生物的部分基因。
(2)体内进行DNA复制时,需要解旋酶和DNA聚合酶,解旋酶可以打开双链之间的氢键,DNA聚合酶可以催化磷酸二酯键的形成。在体外进行PCR扩增时,利用高温变性即加热至90～95 ℃,破坏双链之间的氢键,使DNA成为单链。解旋酶和高温处理都破坏了DNA双链中碱基对之间的氢键。
(3)由于在PCR过程中,需要不断地改变温度,该过程中涉及较高温度处理,大肠杆菌DNA聚合酶在高温处理下会变性失活,因此PCR过程中需要用耐高温的Taq酶催化。
答案:(1)基因组文库 cDNA文库
(2)解旋酶 加热至90～95 ℃ 氢键 (3)Taq酶热稳定性高,而大肠杆菌DNA聚合酶在高温下会失活
【交汇分析】(1)考查基因文库,该考点联系必修2“基因库”交汇命题。
(2)考查解旋酶和DNA分子结构,该考点联系必修2“DNA分子结构”交汇命题。
(3)考查Taq酶的热稳定性,该考点联系必修1“影响酶活性的条件”交汇命题。
【典例2】(2017·江苏高考节选)金属硫蛋白(MT)是一类广泛存在的金属结合蛋白,某研究小组计划通过多聚酶链式反应(PCR)扩增获得目的基因,构建转基因工程菌,用于重金属废水的净化处理。PCR扩增过程示意图如下,请回答下列问题:
(1)设计一对与MT基因两端序列互补配对的引物(引物1和引物2),为方便构建重组质粒,在引物中需要增加适当的____________________位点。设计引物时需要避免引物之间形成__________________ ,而造成引物自连。
(2)PCR扩增时,退火温度的设定是成败的关键。退火温度过高会破坏______________的碱基配对。退火温度的设定与引物长度、碱基组成有关,长度相同但__ ____________的引物需要设定更高的退火温度。
【解析】(1)目的基因与质粒形成重组质粒时需要用限制性核酸内切酶切出相同的黏性末端,因此在设计一对与MT基因两端序列互补配对的引物(引物1和引物2)时,要在引物中增加适当的限制性核酸内切酶位点。设计引物时,两种引物之间不能有互补性,否则引物之间会配对形成双链DNA。(2)PCR扩增时,退火步骤中引物与模板结合,因此退火温度过高会破坏引物与模板的碱基配对。由于A和T之间有2个氢键,而C和G之间有3个氢键,因此C和G的含量越高,DNA分子越稳定,所以引物中含C与G的碱基对较多时,需要采用较高的退火温度。
答案:(1)限制性核酸内切酶 碱基互补配对
(2)引物与模板 GC含量高
【交汇分析】(1)考查PCR技术的原理。该考点联系必修2“DNA的复制”交汇命题。
(2)考查PCR技术扩增目的基因的过程。该考点联系必修2“DNA分子的结构”交汇命题。
【典例3】(2021·湖北适应性测试)某实验室需构建含增强型绿色荧光蛋白(eGFP)基因的表达载体用于科学研究。相关资料如下:
(1)双链DNA的每一条链有两个末端,分别是5’端和3’端,从左到右的5’-3’DNA链是编码链,从左到右的3’-5’ DNA链是模板链。
(2)增强型绿色荧光蛋白(eGFP)在自然光下显示绿色,已知该基因的DNA编码序列如下:
5’ATGGTGAGC……AAGTAA 3’。
(3)质粒载体中含有EcRⅠ、HindⅢ、BamHⅠ、XbaⅠ、和NtⅠ等酶的酶切位点(这些酶各自的识别序列不同),如下图所示。
回答下列问题:
(1)增强型绿色荧光蛋白基因转录的mRNA碱基序列为______________。
(2)通过PCR方法获得eGFP目的片段,首先需要设计__________(填“一对”或“一个”)引物,在体外选择性扩增eGFP目的片段,PCR反应一般由95 ℃热变性、55～60 ℃引物和模板配对、72 ℃延伸三个步骤,经过多次循环完成。延伸阶段选用72 ℃是综合考虑了两个因素,这两个因素是__________和__________。
(3)eGFP的PCR产物两端分别含有BamHⅠ和NtⅠ的酶切位点,构建重组表达载体时,用这两种酶酶切PCR产物和质粒载体。与单一酶酶切相比,该实验采用的双酶切方法的优点是________________(答一点即可)。
(4)将所构建的表达载体转入大肠杆菌,涂布含有卡那霉素的平板,若表达载体构建成功,可观察到多个______________单菌落。
【解析】本题主要考查基因工程、PCR技术、微生物培养等知识的运用能力。
(1)已知DNA编码序列为5’ATGGTGAGC……AAGTAA 3’,则其模板链应为3’TACCACTCG……TTCATT 5’,基因转录时,以DNA的模板链为模板,依据碱基互补原则合成一条mRNA链,故增强型绿色荧光蛋白基因转录的mRNA碱基序列为5’AUGGUGAGC……AAGUAA 3’。(2)DNA有两条链,故利用PCR扩增目的基因时,应依据与目的基因碱基序列互补,设计一对引物;72 ℃延伸温度应考虑酶的活性以及利于模板与引物结合两个因素。(3)与单一酶酶切相比,该实验采用的双酶切方法的优点是目的基因和载体均可产生两个不同末端,可有效防止目的基因自身环化(或防止目的基因与载体错误连接)。(4)卡那霉素抗性基因为标记基因,用于重组DNA的筛选与鉴定,若表达载体构建成功,表达载体含eGFP(绿色荧光蛋白)基因,故在含卡那霉素的培养基中存活下来并形成的菌落应该在自然光照下显示绿色。
答案: (1)5’AUGGUGAGC……AAGUAA 3 ’
(2)一对 酶的活性 模板与引物结合
(3)防止目的基因自身环化(或防止目的基因与载体错误连接)
(4)绿色荧光
【交汇分析】(1)考查PCR技术的操作过程。该考点联系必修2“DNA分子的结构”交汇命题。
(2)考查基因工程的工具酶及特点。该过程联系必修1“酶的特性”交汇命题。
【典例4】如图为培育转基因抗虫棉的两种思路,请据图回答问题:
(1)与思路2相比,思路1的优点是筛选出的目的植株________________。
(2)构建重组质粒时,需要使用的限制酶是__________,还需要使用的工具酶是____________。
(3)图中过程①获取的完整的重组质粒,除了图中标出的特殊DNA片段外,还应该有__________等部分;过程②常用的方法是______________;过程③常用的试剂为____________;培育获得棉株2 或棉株4采用的生物学技术是__________。
(4)为检测棉株3、棉株4的抗虫特性,常使用的方法是____________。
【解析】(1)思路1是采用单倍体育种方法,结合基因工程,培育出目的植株,与思路2相比,该方法的优点是筛选出的目的植株是纯合子,能稳定遗传。(2)据图分析,如果用Sma Ⅰ酶切割目的基因,会破坏目的基因,因此用图中的质粒和目的基因构建重组DNA分子时,不能使用Sma Ⅰ酶切割,因此只能选用EcRⅠ和BamHⅠ切割目的基因和运载体,还需要使用的工具酶是DNA连接酶。(3)过程①是构建基因表达载体,即重组质粒。基因表达载体中除了具有目的基因、启动子和终止子之外,还需具有标记基因(和复制原点)。过程②是将目的基因导入受体细胞中,受体细胞是植物细胞,常用的方法是农杆菌转化法;棉株2是单倍体幼苗中外植体中细胞经过植物组织培养技术获得的,是单倍体。过程③常用的试剂为秋水仙素,使植株2细胞中染色体数目加倍,获取纯合子植株3。(4)为检测棉株3、棉株4的抗虫特性,常使用的方法是接种害虫,观察棉株是否有抗虫能力。
答案:(1)能稳定遗传(是纯合子)
(2)EcR Ⅰ和BamH Ⅰ DNA连接酶
(3)标记基因(和复制原点) 农杆菌转化法 秋水仙素 植物组织培养
(4)接种害虫,观察棉株是否有抗虫能力
【交汇分析】
(1)思路1是采用单倍体育种方法,结合基因工程,培育出目的植株。该考点联系必修2“单倍体育种”交汇命题。
(2)思路2是利用植物细胞的全能性,结合基因工程,培育出目的植株。该考点联系必修1“植物细胞的全能性”交汇命题。
交汇点1:高中生物学中的“载体”,联系必修1“物质跨膜运输的载体”,必修1、2“遗传信息的载体”,必修3“细胞间信息传递的载体”交汇考查
(1)物质跨膜运输的载体:细胞膜上的一种蛋白质。
(2)血液中O2运输的载体:红细胞内一种含Fe2+的血红蛋白。
(3)基因工程中目的基因的载体:种类有质粒、λ噬菌体的衍生物和动植物病毒等。
(4)细胞中遗传信息的载体:细胞生物遗传信息的载体是DNA。
(5)细胞间信息传递的载体:细胞释放的信号分子,如:激素、神经递质等。
交汇点2:基因表达载体中的启动子、终止子,联系必修2中“mRNA中的起始密码子、终止密码子”交汇考查
(1)启动子、终止子是质粒上的具有特殊结构的DNA片段。
(2)起始密码子、终止密码子是mRNA上的三个相邻碱基。
交汇点3:基因工程工具酶——限制性核酸内切酶,联系必修1“有关酶的本质和特性”交汇考查
限制性核酸内切酶相关知识:
(1)本质:蛋白质。
(2)特性:具有特异性。
①一种限制酶只能识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列。
②切割双链DNA分子每条链中特定序列中的特定位点,使该位点的磷酸二酯键断开。
(3)作用:断开连接两个核苷酸的磷酸二酯键。
交汇点4:基因工程中目的基因的获取、检测和外源基因在受体中的表达,联系必修2“中心法则”交汇考查
(1)目的基因的表达过程,不包含DNA的复制,只包含转录和翻译两个过程。
中心法则:
(2)基因文库中的cDNA的获取是特定mRNA在逆转录酶的作用下,按照碱基互补配对原则,逆转录合成cDNA。
(3)利用分子杂交技术,根据DNA→RNA转录过程中遵循的碱基互补配对原则,进行分子检测。
交汇点5:基因工程中目的基因、基因表达载体的化学组成及结构,联系必修2中“DNA分子的组成、结构”交汇考查
(1)DNA分子的基本组成单位:脱氧核糖核苷酸。
(2)DNA分子结构:DNA是由脱氧核苷酸连接而成的长链,相邻脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接;在绝大多数生物的细胞中,DNA由两条脱氧核苷酸链构成,两条链通过碱基对之间的氢键相连;少数生物细胞中存在环状双链DNA分子。
1.干旱会影响农作物产量,科学家们对此进行了研究。如图为用探针检验某一抗旱植物基因型的原理,相关基因用R和r表示。
(1)基因R与r的本质区别是________________的不同。在利用PCR技术扩增R或r基因过程中,利用________可寻找抗旱基因的位置并进行扩增。PCR技术操作步骤中包括两次升温和一次降温,其中降温的目的是______________________
________________________。
(2)若被检植株发生B现象,不发生A、C现象,则被检植物的基因型为_________
__________。
(3)将目的基因导入植物细胞采用最多的方法是农杆菌转化法,其依据主要是:当植物受到损伤时,伤口处的细胞会分泌大量的酚类化合物,吸引农杆菌移向这些细胞,这时农杆菌中的Ti质粒上的______________________________________。
(4)经检测,抗旱基因已经导入烟草细胞,但未检测出抗旱基因转录出的mRNA,从构建基因表达载体的角度推测,最可能的原因是_________________________。
(5)为防止转基因植物将外源基因扩散到其他植物,对生态环境造成潜在危害。科学家设法将目的基因整合到受体细胞的叶绿体基因组中,以避免目的基因通过________________向其他植物扩散。基因组分为基因区和基因间隔区,通常将基因间隔区序列作为插入位点,其目的是_______________________________。
【解析】(1)基因R与r的本质区别是脱氧核苷酸的排列顺序(或碱基对排列顺序)的不同;需要用引物寻找抗旱基因的位置;PCR的操作过程:①高温变性:DNA解旋过程;②低温复性:使引物结合到互补模板链DNA上;③中温延伸:合成子链。
(2)被检植物发生B现象,不发生A、C现象,即R、r探针形成杂交环,所以被检植物的基因型为Rr。
(3)将目的基因导入植物细胞采用最多的方法是农杆菌转化法,其依据主要是:当植物受到损伤时,伤口处的细胞会分泌大量的酚类化合物,吸引农杆菌移向这些细胞,这时农杆菌中的Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞,并且整合到受体细胞染色体的DNA上。
(4)经检测,抗旱基因已经导入到烟草细胞,但未检测出抗旱基因转录出的mRNA,从构建基因表达载体的角度推测,最可能的原因是基因表达载体上的目的基因首端未加入启动子。
(5)研究表明,转基因植物可以通过花粉将外源基因扩散到其他植物,从而对生态环境造成潜在的危害,因此,科学家设法将目的基因整合到受体细胞的叶绿体基因组中,以防止目的基因通过花粉向其他植物扩散;将基因间隔区序列作为插入位点就可以避免外源基因对叶绿体内源基因表达造成影响。
答案:(1)脱氧核苷酸排列顺序(或碱基对排列顺序) 引物 使引物和模板链结合 (2)Rr (3)T-DNA可转移至受体细胞,并且整合到受体细胞染色体的DNA 上 (4)基因表达载体上的目的基因首端未加入启动子 (5)花粉 避免了外源基因插入后对叶绿体内源基因表达造成影响
2.干扰素是治疗癌症的药物,成分是一种糖蛋白,它必须从血液中提取,每升人血中只能提取0.05 μg,所以价格昂贵。现在美国加利福尼亚的基因公司用如图所示的方式生产干扰素,试分析回答下列问题:
(1)从人的淋巴细胞中取出________,将它同质粒相结合,然后移植到酵母菌体内,让酵母菌________。
(2)有人尝试将干扰素基因与大肠杆菌的质粒重组,转入大肠杆菌体内后,形成工程菌,此种操作能制备出干扰素吗?________,请说明理由:________________。
(3)中国青年科学家陈炬成功地把人的干扰素基因移植到烟草的DNA分子上,使烟草获得了抗病毒的能力,试分析:
①人的基因之所以能移接到植物体内,其物质基础是______________________。
②烟草有了抗病能力,这表明烟草体内产生了________。这个事实说明,人和植物共用一套________,蛋白质合成方式________(填“基本相同”或“大不相同”)。
【解析】(1)从人的淋巴细胞中获取干扰素基因(目的基因),将它同质粒相结合,然后移植到酵母菌体内,让酵母菌合成人的干扰素。
(2)大肠杆菌是原核生物,细胞内无内质网、高尔基体等细胞器,无法合成糖蛋白,所以形成的工程菌无法制备出具有生物活性的人的干扰素。
(3)①人的基因之所以能够移接到植物体内,其原因是它们具有共同的物质基础和结构基础,即DNA分子的化学组成和结构相同。
②烟草有了抗病能力,这表明烟草体内产生了干扰素,这个事实说明,不同生物共用一套密码子,蛋白质合成方式基本相同。
答案:(1)干扰素基因 合成干扰素
(2)不能 大肠杆菌是原核生物,无内质网、高尔基体等细胞器,无法合成糖蛋白
(3)①DNA分子的化学组成和结构基本相同
②干扰素 遗传密码 基本相同