1、第第 3 3 节节 基因工程的应用基因工程的应用 必备知识素养奠基 一、基因工程在农牧业方面的应用 1.1.发展发展: : (1)农牧业:1996-2017 年,全世界转基因作物的种植面积增加了一百多 倍,美国美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家。2017 年,我国转基 因作物种植面积居世界第八八位。 (2)动物:第一种用于食用的转基因动物转基因大西洋鲑转基因大西洋鲑在美国获 得批准上市。 2 2. .实例实例: : 连一连:基于基因工程在改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等 方面的应用,将下列转基因生物和选用的目的基因连线 二、基因工程在医药卫生领域的应用 1.1.生产药物生产药物:
2、 : (1)常见的药物:细胞因子、抗体抗体、疫苗和激素等。我国生 产的重组人干扰素人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺 激因子等基因工程药物均已投放市场。 (2)批量生产药物:乳腺乳腺( (房房) )生物生物反应器。 目的基因:药用蛋白药用蛋白基因。 启动子:乳腺中特异性表达的基因乳腺中特异性表达的基因的启动子。 受体细胞:受精卵受精卵。 2.2.移植器官移植器官: :在器官供体的基因组中导入某种调节因子,以抑制抗原决抗原决 定基因定基因的表达,或设法除去抗原决定抗原决定基因,培育出不会引起免疫排斥反 应的转基因克隆猪器官。 培养乳腺生物反应器转基因动物时为什么要选用乳腺中特异
3、性表达的 基因的启动子? 提示:乳腺生物反应器通过分泌的乳汁提取相应的基因表达的产品,乳 腺中特异性表达的启动子可让目的基因在乳腺细胞中表达。 三、基因工程在食品工业方面的应用 1.1.氨基酸氨基酸: :利用转基因生物合成阿斯巴甜的原料天冬氨酸天冬氨酸和苯丙苯丙 氨酸氨酸。 2.2.酶酶: :利用转基因生物生产奶酪的凝乳凝乳酶;利用转基因生物加工转化糖 浆的淀粉淀粉酶;利用转基因生物加工烘烤食品、制造生物能源的脂脂酶等。 3.3.维生素。维生素。 关键能力素养形成 知识点 基因工程的应用 1.1.三种转基因生物的培育过程三种转基因生物的培育过程: : (1)转基因植物生产过程图解(以抗虫棉生产
4、过程为例): (2)转基因动物生产过程图解(以转基因牛生产过程为例): (3)转基因微生物生产过程图解(以可生产干扰素的酵母菌的培育过 程为例): 2.2.乳腺生物反应器乳腺生物反应器: : (1)操作过程: 获取目的基因(如人血清白蛋白基因、人生长激素基因等) 构建基因表达载体(目的基因与乳腺中特异表达的基因 的启动子等调控组件重组) 导入哺乳动物受精卵(显微注射技术) 进行早期胚胎培养后送入母体 发育成转基因动物 利用分泌的乳汁生 产所需的药品 (2)乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别: 比较内容 乳腺生物反应器 工程菌 含义 指让外源基因在哺乳动物的 乳腺中特异性表达,利用动 物的乳腺
5、组织生产药物蛋白 指用基因工程的方法,使 外源基因得到高效表达的 菌类细胞株系 受体基因结 构与人类基 因结构差异 动物基因结构与人类的基因 结构基本相同 细菌和酵母菌的基因结构 与人类有较大差异 基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白 质相同 细菌合成的药物蛋白可能 没有活性 受体细胞 动物受精卵 微生物细胞 目的基因 导入方式 显微注射法 感受态细胞法 生产条件 不需严格灭菌;温度等外界 条件对其影响不大 需严格灭菌,严格控制工 程菌所需的温度、pH、营 养物质浓度等外界条件 药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其 培养液中提取 生产设备 畜牧业生产、提取 设备 工业生产,设备精良 【特
6、别提醒】目的基因的来源 来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因,并不都是来自细菌、病 毒等微生物,如抗冻蛋白基因来自鱼类。 科学家已在牛和羊等动物的乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、 血清白蛋白、生长激素等重要药品。大致过程如图所示。下列有关说 法错误的是 ( ) A.通过形成的重组质粒具有人的药用蛋白基因、乳腺中特异表达的 基因的启动子、终止子和标记基因等 B.通常采用农杆菌转化法 C.在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达,因此 可以从乳汁中提取药物 D.该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取 【解题导引】解答本题思维流程如下: 【解析】选 B。要让药用蛋白基因在乳腺
7、细胞内表达并分泌含药物的乳 汁,重组质粒上还必须具有乳腺中特异表达的基因的启动子等调控组 件,A 项正确;转基因动物通常利用的受体细胞是受精卵,采用显微注射 技术,B 项错误;只有母牛到达泌乳期,乳腺细胞才会表达相应的药用蛋 白基因,乳汁中含有药物,C 正确;从乳汁里提取药物,优点突出,使动物 本身成为“批量生产药物的工厂”,D 项正确。 【素养探究母题追问】 (1)(1)科学思维科学思维演绎与推理演绎与推理 培育转基因牛,为什么不选用体细胞而选用受精卵作为受体细胞? 提示:动物已分化的体细胞全能性受到限制,而受精卵分化程度低,全 能性容易表达。 (2)(2)科学思维科学思维批批判性思维判性思
8、维 某同学认为过程获得的精子和卵母细胞可以直接受精获得受精卵, 你认为他的说法对吗?说明你的理由。 提示:不正确,精子需要获能,卵母细胞需要发育到 M才能具有受精的 能力。 【素养迁移】 下列有关动物基因工程的说法,错误的是 ( ) A.将外源生长激素基因导入动物体内可提高动物生长速率 B.将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组中,使获得的转基因牛分泌的乳汁 中乳糖的含量大大减低 C.利用基因工程技术,得到的乳腺生物反应器可以解决很多重要的药 品的生产问题 D.用转基因动物作为器官移植的供体时,由于导入的是调节因子,而不 是目的基因,因此无法抑制抗原的合成 【解析】选 D。用转基因动物作为器官移植的供体
9、时,可将器官供体基 因组导入某种调节因子,以抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原 决定基因,再结合克隆技术,培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器 官。 【补偿训练】 在实验室里用四环素培育转基因的雄性蚊子,这些蚊子与雌性蚊 子交配的后代也需要四环素才能生存,但在环境中不可能找到,于是会 慢慢死去。该技术有望减少登革热等疾病的发生。下列关于该技术的 说法正确的是 ( ) A.转基因技术能定向改变蚊子的基因,属于基因突变 B.该转基因蚊子属于新的物种 C.需要四环素才能生存这一特性是基因和环境共同作用的结果 D.该技术的其中一个环节是构建基因表达载体,需要用到限制酶和 DNA 聚合酶 【解析】选
10、 C。转基因技术能定向改变蚊子的基因,属于基因重组,A 项 错误;该转基因蚊子具有新的基因,但仍能与雌性蚊子交配产生后代, 没有出现生殖隔离,所以不属于新的物种,B 项错误;由于产生的后代需 要四环素才能生存,说明这一特性是基因和环境共同作用的结果,C 项 正确;该技术的其中一个环节是构建基因表达载体,需要用到限制酶和 DNA 连接酶,D 项错误。 【课堂回眸】 课堂检测素养达标 【概念诊断】 1.基因工程 20 世纪 70 年代兴起后,得到飞速的发展,在农牧业、医药 卫生和食品工业等方面展示了广阔的前景,下列有关描述正确的是 _。 转基因抗虫棉能抗病毒、细菌、真菌 利用乳腺生物反应器能够获得
11、一些重要的医药产品,如人的血清白 蛋白、生长激素等 科学家利用基因工程技术除去抗原决定基因培育出不会引起免疫排 斥反应的转基因克隆器官 应用工程菌生产乙肝疫苗,在制造该工程菌时,应向酵母菌中导入乙 肝病毒的表面抗原基因 “转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物 【解析】选。转基因抗虫棉具有抗虫的特性,但不具有抗病毒、 细菌和真菌的特性,错误;利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的 医药产品,如人的血清白蛋白、生长激素等,正确;科学家利用基因工 程技术除去抗原决定基因或者导入抑制因子抑制抗原决定基因的表达, 培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官,正确;应用工程菌 生产乙肝疫苗,在制造
12、该工程菌时,应向酵母菌中导入乙肝病毒的表面 抗原基因,使工程菌能够合成乙肝病毒的表面抗原,正确;“转基因植 物”是指利用基因工程获得的植物体,植物体出现新基因不一定是转基 因植物,如基因突变产生新基因的植物不是转基因植物,错误。 2.动物基因工程前景广阔,最令人兴奋的是利用基因工程技术使哺乳 动物成为乳腺生物反应器,以生产所需要的药品,如转基因动物生产人 的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时 ( ) A.仅仅利用了基因工程技术 B.不需要乳腺中特异表达的基因的启动子 C.利用农杆菌转化法将人的生长激素基因导入受精卵中 D.需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂” 【解析】选
13、 D。科学家培养转基因动物时除涉及基因工程外,还涉及其 他现代生物技术;生产生长激素时需要将人的生长激素基因与乳腺蛋 白基因的启动子等调控组件重组在一起,通过显微注射技术导入哺乳 动物的受精卵中,然后将受精卵送入母体内使其生长发育成转基因动 物。因为药物是伴随乳汁产生的,所以要进入泌乳期才能批量生产。 3.下列有关目的基因的操作能够改善畜产品品质的是 ( ) A.将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内 B.将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组 C.将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达 D.将 Bt 毒蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达 【解析】选 B。将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内是提
14、高鲤鱼的生长 速率;导入肠乳糖酶基因的奶牛的牛奶中乳糖含量少,改善了牛奶的品 质;将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达是乳腺生物反 应器的应用;Bt 毒蛋白基因是抗虫基因,能够提高植物的抗性。 4.2020 年 5 月 22 日国际医学权威期刊柳叶刀上发表了新冠病毒疫 苗 1 期临床试验的成果。该试验是由陈薇院士等人领衔的团队开展的 研究,试验中使用的疫苗是一种腺病毒载体重组新冠病毒疫苗(基因重 组疫苗),该疫苗接种108名健康的成年志愿者后,在志愿者体内均产生 了特定的免疫应答。下列叙述正确的是 ( ) A.该疫苗的制备不需要用到 DNA 连接酶 B.志愿者接受重组新冠病毒疫苗的接种
15、后,体内产生被动免疫 C.主要通过检测志愿者体内新冠病毒的含量来评价试验的有效性 D.相对于普通人来说,对腺病毒已具有免疫力的个体使用该疫苗的效 果要差 【解析】选 D。重组基因疫苗需要将腺病毒的基因和新冠病毒的基因进 行连接,所以需要 DNA 连接酶,A 错误;疫苗刺激机体产生特异性免疫属 于主动免疫,B 错误;接种疫苗后,主要通过检测志愿者体内新冠病毒的 抗体来评价试验的有效性,C 错误;由于重组病毒含有腺病毒的抗原,所 以对腺病毒已具有免疫力的个体使用该疫苗的效果比普通人要差,D 正 确。 5.(2020浙江 7 月选考)下列关于基因工程的叙述,正确的是 ( ) A.若受体大肠杆菌含有构
16、建重组质粒时用到的限制性核酸内切酶,则 一定有利于该重组质粒进入受体并保持结构稳定 B.抗除草剂基因转入某抗盐植物获得2个稳定遗传转基因品系,抗性鉴 定为抗除草剂抗盐和抗除草剂不抗盐。表明一定是抗盐性的改变与抗 除草剂基因的转入无关 C.抗除草剂基因转入某植物获得转基因植株,其DNA检测均含目的基因, 抗性鉴定为抗除草剂和不抗除草剂。表明一定是前者表达了抗性蛋白 而后者只表达抗性基因 RNA D.已知不同分子量 DNA 可分开成不同条带,相同分子量的为一条带。用 某种限制性核酸内切酶完全酶切环状质粒后,出现 3 条带。表明该质粒 上一定至少有 3 个被该酶切开的位置 【解析】选 D。本题主要考
17、查基因工程的内容。若受体大肠杆菌含有构 建重组质粒时用到的限制性核酸内切酶,则该酶会对进入受体的重组 质粒进行切割,不利于其保持结构稳定,A 项错误;抗除草剂基因转入抗 盐植物,获得了抗除草剂抗盐品系和抗除草剂不抗盐品系,不抗盐品系 的产生可能是转入的抗除草剂基因插入抗盐基因内,影响其表达造成 的,B 项错误;转基因植物中均含抗除草剂基因,但存在抗除草剂和不抗 除草剂两种植株,前者表达了抗性蛋白,后者抗除草剂基因可能未转录 出 mRNA,或转录出的 mRNA 未能翻译成蛋白质,C 项错误;某种限制性核 酸内切酶完全酶切环状质粒后,出现 3 条带,即 3 种不同分子量 DNA,因 此环状质粒上至
18、少有 3 个酶切位点,D 项正确。 【思维跃迁】 6.科学家将鱼抗冻蛋白基因转入番茄,使番茄的耐寒能力大大提高,可 以在相对寒冷的环境中生长。质粒上有Pst、Sma、Hind、Alu 四种限制性内切核酸酶切割位点,下图是转基因抗冻番茄培育过程的 示意图(amp r为抗氨苄青霉素基因),其中是转基因抗冻番茄培育 过程中的相关步骤,甲、乙表示相关结构或细胞。请据图作答: (1)在构建重组DNA时,可用一种或多种限制性内切核酸酶进行切割,为 了避免目的基因和载体在酶切后产生的末端发生任意连接,在此实验 中应该选用限制性内切核酸酶_分别对鱼抗冻蛋白基因 和质粒进行切割,切割后产生的 DNA 片段分别为
19、_、 _种。 (2)基因工程中核心步骤是_(填序号),该步骤的目的是 _ _。为了使目的基因正常表 达,其首端必须有启动子,它是_识别和结合的部位。若 限制酶切出了平末端,要选择_(填“E.coli DNA 连接酶” 或“T4DNA 连接酶”)进行连接。 (3)图中将鱼抗冻蛋白基因导入番茄细胞的方法称为_。 它是利用载体 Ti 质粒中含有_,可以将目的基因整 合到宿主细胞的染色体上。 【解析】(1)据图分析,鱼的抗冻蛋白基因(目的基因)上具有三种限制 酶切割位点,Pst酶的切割位点位于目的基因的两侧,Sma酶的切割 位点位于目的基因的左侧,而 Alu酶的切割位点位于目的基因的中 央,因此不宜选
20、用 Alu酶;质粒上有 Pst、Sma、Hind、Alu 四种限制酶切割位点,因此应该选择 Pst、Sma 分别切割目的基因 和质粒,切割后目的基因所在的 DNA 产生 4 种 DNA 片段,质粒产生 2 种 DNA 片段。 (2)图中分别表示:基因表达载体的构建、目的基因导入受体细 胞、脱分化、再分化。基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建,即 图中的步骤,目的是使目的基因稳定存在并能遗传下去,使目的基因 能表达及发挥作用;基因表达载体中的启动子是 RNA 聚合酶识别和结 合的位点;T4 DNA 连接酶可以连接平末端。 (3)将目的基因导入番茄细胞等植物细胞常用农杆菌转化法,利用载体 Ti
21、质粒中含有 T-DNA,可以将目的基因整合到宿主细胞的染色体上。 答案:(1)Pst、Sma 4 2 (2) 使目的基因稳定存在并能遗传下去,使目的基因能表达及发挥 作用 RNA 聚合酶 T4 DNA 连接酶 (3)农杆菌转化法 T-DNA 【拓展探究】 7.冠状病毒是一类具有包膜的RNA病毒,某些冠状病毒如新型冠状病毒 (SARS-CoV-2)会感染人类并引起呼吸综合征。应对传染性强的病毒感 染,需要灵敏的检测试剂盒及免疫效果持久的疫苗。最新的疫苗开发技 术是核酸疫苗(包括 DNA 疫苗和 RNA 疫苗),其制作流程如图所示。 (1)新型冠状病毒流行期间,建议市民外出一定要戴口罩,其目的是
22、_。(多选) A.控制传染源 B.切断传播途径 C.防止病原体扩散 D.发挥非特异性免疫作用 (2)如图新型冠状病毒标出的四种结构中,最先激活免疫系统的是 _ _。(用图中的字母做答) (3)在 DNA 疫苗制备过程中,通常需要使用限制酶切割 DNA 分子。在如 图所示的限制酶识别序列中,限制酶作用的化学键是 _。 (4)写出图中能表示制备 DNA 疫苗过程的编号_。 (5)DNA 或 RNA 疫苗接种到人体后,其表达产物均会刺激机体产生免疫 反应。据图和所学知识,描述两者在人体内表达过程的差异 _。 【解析】(1)传染病的流行必须具备三个基本环节:传染源、传播途径 和易感人群。在这三个环节中
23、,缺少其中的任何一个环节,新的传染都 不会发生。在新型冠状病毒流行期间,建议市民外出一定要戴口罩的目 的是切断传播途径和防止病原体扩散,即 B、C 正确。(2)如图新型冠状 病毒标出的四种结构 a、b、c、d 分别表示表面蛋白质、脂质包膜、衣 壳、RNA,其中最先激活免疫系统的是 a。(3)限制酶能够识别双链 DNA 分子的某种特定核苷酸序列,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裂。据此可知:在如图所示的限制酶识别序列中, 限制酶作用的化学键是e磷酸二酯键。(4)图中能表示制备 DNA 疫苗 过程的编号是提取病毒的 RNA逆转录构建基因表达 载体将构建的基因表达载体导入受体
24、细胞(大肠杆菌)利 用工程菌生产 DNA 疫苗。 (5)DNA 疫苗接种到人体后,经历转录和翻译表 达出病毒的抗原结构,而 RNA 疫苗接种到人体后,直接翻译出病毒的抗 原结构。 答案:(1)B、C (2)a (3)e磷酸二酯键 (4) (5)DNA 疫苗接种到人体后,经历转录和翻译表达出病毒的抗原结构,而 RNA 疫苗接种到人体后,直接翻译出病毒的抗原结构 十四十四 基因工程的应用基因工程的应用 ( (2020 分钟分钟7070 分分) ) 一、选择题(共 6 小题,每小题 5 分,共 30 分) 1.能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是 ( ) A.单倍体育种 B.杂交育种 C.基因工程育
25、种 D.多倍体育种 【解析】选 C。要让动物蛋白在植物体内表达,必须将控制动物蛋白合 成的相关基因导入植物细胞中并让其表达,因此需要通过基因工程技 术才能实现。 2.上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因 牛。他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法,使转基因动 物乳汁中的药用蛋白含量提高了 30 多倍。下列有关叙述正确的是 ( ) A.“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物 B.“提高基因的表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人 白蛋白基因 C.只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白,是因为人白蛋白基因只在 牛乳腺细胞中是纯合的 D.转基因牛的肌肉细胞中也
26、有人白蛋白基因,但不发生转录、翻译,故 不能合成人白蛋白 【解析】选 D。转基因动物是指细胞中被转入了外源基因的动物,并非 出现新基因,故 A 错误;“提高基因的表达水平”是指增强白蛋白基因 的表达,白蛋白基因数目没有增多,故 B 错误;“转基因动物”一般用到 的受体细胞是受精卵,发育个体的几乎所有细胞中都有相同的外源基 因,故C错误;转基因牛的白蛋白基因也是选择性表达的,在肌肉细胞中 不能表达,故 D 正确。 3.下列有关植物基因工程的成果的叙述正确的是 ( ) A.转基因抗虫棉改善了作物的品质 B.将毒素蛋白基因直接导入水稻的受精卵,可以得到抗虫水稻 C.转入调节细胞渗透压的基因,有利于植
27、物抗盐碱、抗干旱 D.植物细胞中没有质粒,所以不能利用质粒作为植物基因工程的载体 【解析】选 C。转基因抗虫棉使作物获得了抗虫特性,但没有改善作物 的品质,A 错误;将目的基因导入受体细胞前需要先构建基因表达载 体,B 错误;转入调节细胞渗透压的基因,有利于植物抗盐碱、抗干旱,C 正确;可以利用质粒作为植物基因工程的载体,D 错误。 4.转基因食品已大量进入我们的日常生活,如转基因西红柿、转基因草 莓等,涉及的问题甚至关系到国家之间的贸易竞争。下列关于转基因大 豆的叙述不正确的是 ( ) A.培育过程中可能用到抗病、抗虫等抗性基因 B.目的基因的受体细胞可以是大豆受精卵,也可以是体细胞 C.转
28、基因大豆的种植过程中减少了农药等的使用量,生产成本更低 D.固氮菌的固氮基因也是必需的目的基因之一 【解析】选 D。植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力(如 抗除草剂、抗虫、抗病等),因此在转基因大豆的培育过程中,有可能用 到了抗虫、抗病等抗性基因提高大豆的抗病虫能力,选项 A 正确;由于 大豆细胞具有全能性,因此无论是受精卵还是体细胞都可以作为受体 细胞,使目的基因导入后随之遗传,选项B正确;转基因大豆由于抗逆能 力提高,自身具有抗虫特性,因此可以减少杀虫农药的使用量,降低生 产成本,选项C正确;转基因大豆相比普通大豆而言,其品质得到明显改 良,可能转入了抗虫、抗病等基因提高了抗逆性
29、。转入固氮基因对于改 善大豆的品质没有明显作用,因此无须将固氮基因作为目的基因,选项 D 错误。 5.科学家在河南华溪蟹中找到了金属硫蛋白基因,并以质粒为载体,采 用转基因方法培育出了硫吸收能力极强的转基因烟草。下列有关该烟 草培育的说法正确的是 ( ) A.金属硫蛋白基因需插入质粒上,才能转移到受体细胞中 B.需用特定的限制酶切割烟草的核酸 C.同种限制酶既可以切割含目的基因的 DNA 片段,又可以切割质粒,因 此不具有专一性 D.转基因烟草与原烟草相比基因组成发生了变化,导致两者出现生殖 隔离 【解析】 选 A。 金属硫蛋白基因需插入质粒上,才能转移到受体细胞中,A 正确;在基因工程中,需
30、用特定的限制酶切割目的基因和运载体,而不 是切割烟草的核酸,B 错误;限制酶具有专一性,能识别特定的脱氧核苷 酸序列,C 错误;转基因烟草与原烟草之间一般不会出现生殖隔离,D 错 误。 6.目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉,以下说法 正确的是 ( ) A.苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因与质粒结合后直接进入棉花的叶肉细 胞表达 B.抗虫基因导入棉花叶肉细胞后,即可通过传粉、受精,使抗虫性状遗 传下去 C.标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因 D.转基因抗虫棉即使经过多代种植,棉铃虫也不会产生抗性,这样可以 有效消灭棉铃虫 【解析】选 C。苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因与质粒结合
31、后,需要将重 组质粒先导入农杆菌,运用农杆菌转化法将目的基因导入棉花的叶肉 细胞中再表达,选项A错误;抗虫基因导入棉花叶肉细胞后,只有将叶肉 细胞通过植物组织培养才可将该基因传给后代,由于生殖细胞中无抗 虫基因,凭借传粉、受精的有性生殖方法无法将其抗虫性状遗传给后代, 选项 B 错误;标记基因的作用是鉴别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,选项 C 正确;转基因抗虫棉经过多 代种植后,棉铃虫可能会产生抗性,使抗虫效果有所下降,选项 D 错误。 二、非选择题(共 2 小题,共 40 分) 7.(20 分)新冠病毒是 RNA 病毒,对其进行检测的方法有两种:核酸检测 和
32、抗原抗体杂交检测。如图表示新冠病毒核酸检测的部分流程。 (1)以病毒的 RNA 为模板通过_过程合成 cDNA, 再对 cDNA 进行 PCR 扩增,整个过程为 RT-PCR。 (2)进行 RT-PCR 需要加入的酶是_和 _。 (3)一次病毒核酸检测历时需16小时,为了快速检测可采用抗原抗体 杂交,这一技术的关键是要生产出能与新冠病毒结合的特异性抗体。首 先向小鼠体内注射_,从小鼠的_(器 官)中获取已免疫的 B 淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,经过多次 _获得能产生特定抗体的杂交瘤细胞,培养后分离提纯, 从而获得大量抗体。该抗体的优点有:_ _,请举出两例这种抗体在现实中的两大具体 应用:_。
33、【解析】(1)以 RNA 为模板合成 DNA 的过程为逆转录或反转录,故题图 中以病毒的 RNA 为模板合成 cDNA 的过程为逆转录,再对 cDNA 进行 PCR 扩增,这项技术称为 RT-PCR。 (2)RT-PCR 是扩增 DNA 的过程,因为加入的模板是 RNA,故需要加入的酶 是逆转录酶和Taq酶。 (3)若采用抗原抗体杂交技术进行病毒检测,需要制备能与新冠病毒 结合的特异性抗体,单克隆抗体具有特异性强、灵敏度高且能够大量制 备的优势,故设计的思路是设法获得能产生该特异性抗体的杂交瘤细 胞,步骤如下:向小鼠体内注射新冠病毒的抗原蛋白(或灭活的新冠 病毒),目的是要获得能产生特异性抗体
34、的效应B细胞;从免疫小鼠的 脾脏中提取B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,经多次筛选获得能产生特异 性抗体的杂交瘤细胞;将杂交瘤细胞在体外条件下做大规模培养或 注射到小鼠腹腔内增殖,从培养液或小鼠腹水中可以提取大量的单克 隆抗体。该抗体具有特异性强、灵敏度高、并可大量制备等优点。单 克隆抗体可以作为诊断试剂、用于治疗疾病和运载药物等实际应用。 答案:(1)逆转录(反转录) (2)逆转录酶 Taq酶(热稳定性强的 DNA 聚合酶) (3)新冠病毒的抗原蛋白(或灭活的新冠病毒) 脾脏(免疫器官) 筛 选 特异性强、灵敏度高、并可大量制备 作为诊断试剂、用于治疗 疾病和运载药物 8.(20 分)在某些深海鱼
35、中发现的抗冻蛋白基因 afp 对提高农作物的抗 寒能力有较好的应用价值。如图所示是获得转基因莴苣的技术流程,请 据图回答下列问题: (1)获取目的基因的主要途径包括从自然界已有的物种中分离和 _ _。 (2)过程需要的酶有_、_。 (3)如果受体细胞 C1是土壤农杆菌,则将目的基因导入它的_ 上,使目的基因进入受体细胞 C2,并将其插入受体细胞 C2中_ 上,使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达,形成转基因莴苣,经 过程获得的转基因莴苣中的目的基因是否表达,在分子水平上可用 _法进行检测,如果出现杂交带,说明目的基因已经表达蛋白 质产品,转基因莴苣培育成功。 (4)基因工程的应用除了以上之外
36、还有很多,如用转基因动物作器官移 植的供体,其主要优点是避免_反应。 【解题关键】解答本题需关注以下两点: (1)图示信息:过程表示基因表达载体的构建;“受体细胞 C1”表示土 壤农杆菌细胞;“受体细胞 C2”表示植物细胞。 (2)关键信息:将目的基因导入植物受体细胞最常用的方法是土壤农杆 菌转化法。 【解析】(1)目的基因的获取可采取直接分离的方法,也可以采用人工 方法合成,人工合成目的基因的常用方法有反转录法和化学合成法。 (2)提取目的基因需限制酶,将目的基因与载体结合需DNA连接酶,故 过程需要的酶有限制酶和 DNA 连接酶。 (3)将目的基因导入植物受体细胞最常用的方法是农杆菌转化法
37、,将目 的基因导入它的 Ti 质粒的 T-DNA 上,使目的基因进入受体细胞 C2,并将 其插入受体细胞C2中染色体DNA上,使目的基因的遗传特性得以稳定维 持和表达,形成转基因莴苣。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)基因工程的应用还有很多,如用转基因动物作器官移植的供体,其 主要优点是避免免疫排斥反应。 答案:(1)(用反转录等方法进行)人工合成 (2)限制酶 DNA 连接酶 (3)Ti 质粒的 T-DNA 染色体 DNA 抗原抗体杂交 (4)免疫排斥 (10 分钟30 分) 1.(6 分)科学家将正常的腺苷脱氨酶(ADA)
38、基因转入缺乏该基因的患者 血液的 T 细胞中,重组 T 细胞大量增殖后回输到体内,用于治疗严重的 复合免疫缺陷症(SCID),过程如下图所示。下列说法错误的是 ( ) A.图中的病毒可作为携带 ADA 基因进入 T 细胞的载体 B.T 细胞 1 是受体细胞,回输前可能需要对 T 细胞 2 严格筛选 C.需要在无菌、无毒的环境下培养 T 细胞 1 和 T 细胞 2 D.此治疗方法较为可靠,患者的 T 细胞均能合成 ADA 【解析】选 D。由图示过程可以看出,以病毒为载体,携带人的正常 ADA 基因进入 T 细胞 1,A 正确;从图示过程可以判断 T 细胞 1 是受体细胞,T 细胞2为重组细胞,因
39、基因表达受很多条件影响,回输前必需对T细胞2 进行筛选,筛选出 ADA 基因能正常表达的 T 细胞 2,B 正确;由动物细胞 培养的条件可知,在动物细胞体外培养时,首先要保证被培养的细胞处 于无菌、无毒的环境,C 正确;患者体内的 T 细胞,有的是来自自身细胞 的分化,有的是来自回输的,只有回输的 T 细胞才能合成 ADA,D 错误。 2.(6 分)( (不定项不定项) )乙烯生物合成酶基因可以控制乙烯的合成,科学家将 该基因的反义基因导入番茄细胞内,培育转基因延熟番茄,延长其储藏 期。反义基因的作用机制如图所示,下列说法正确的是 ( ) A.有意义 mRNA 和反义 mRNA 是通过相应基因
40、转录而来的 B.乙烯生物合成酶基因的模板链的序列与反义基因的是互补的 C.乙烯是乙烯生物合成酶基因的表达产物,可促进果实成熟 D.因为不存在核糖体,所以无乙烯生物合成酶生成 【解析】选 A、B。由图示可以看出,有意义 mRNA 和反义 mRNA 是通过相 应基因转录而来的,A 正确;由图示原理,反义 mRNA 能够与乙烯生物合 成酶基因转录出来的有意义 mRNA 进行杂交形成双链,并且有意义 mRNA 和反义mRNA是通过相应基因转录而来的,所以,可以推测乙烯生物合成 酶基因的模板链的序列与反义基因的模板链是互补的,B 正确;乙烯生 物合成酶基因的表达产物是酶,可以控制乙烯的合成,乙烯不是其表
41、达 产物,C 错误;翻译过程是以 mRNA 为模板合成蛋白质的过程,图示两种 mRNA 杂交在一起进而阻断了乙烯生物合成酶基因的有意义 mRNA 的翻 译过程,D 错误。 【实验探究】 3.(18 分)(2020 山东等级考)水稻胚乳中含直链淀粉和支链淀粉,直链 淀粉所占比例越小糯性越强。 科研人员将能表达出基因编辑系统的 DNA 序列转入水稻,实现了对直链淀粉合成酶基因(Wx基因)启动子序列的 定点编辑,从而获得了 3 个突变品系。 (1)将能表达出基因编辑系统的 DNA 序列插入 Ti 质粒构建重组载体时, 所需的酶是_,重组载体进入水稻细胞并在细胞内维持稳定 和表达的过程称为_。 (2)
42、根据启动子的作用推测,Wx基因启动子序列的改变影响了 _,从而改变了Wx基因的转录水平。与野生型水稻相比,3 个突变品系中Wx基因控制合成的直链淀粉合成酶的氨基酸序列 _(填“发生”或“不发生”)改变,原因是 _。 (3)为检测启动子变化对Wx基因表达的影响,科研人员需要检测Wx基 因转录产生的 mRNA(Wx mRNA)的量。检测时分别提取各品系胚乳中的总 RNA,经_过程获得总 cDNA。 通过 PCR 技术可在总 cDNA 中专一 性的扩增出Wx基因的 cDNA,原因是 _。 (4)各品系Wx mRNA 量的检测结果如图所示,据图推测糯性最强的品系 为_,原因是 _。 【解析】本题主要考
43、查基因工程的知识。 (1)将目的基因和质粒构建成重组载体时,需要使用的酶是限制性核酸 内切酶和DNA连接酶,将重组载体导入受体细胞内并维持稳定表达的过 程称为转化。(2)启动子是 RNA 聚合酶识别并结合的位点,Wx启动子序 列的改变会影响RNA聚合酶与启动子识别和结合,从而影响基因的转录 过程。根据题意可知,该基因工程中编辑的是启动子序列,而启动子序 列不参与编码直链淀粉的氨基酸,因此 3 种突变品系中Wx基因控制合 成的直链淀粉的氨基酸序列不发生改变。(3)以细胞中的 RNA 为原料合 成cDNA的过程需经逆转录过程,PCR技术能扩增DNA分子中特定片段的 目的基因,原因是引物是根据Wx基
44、因的一段已知序列设计合成的,而 PCR 技术扩增的是处于两种引物之间的 DNA 序列。(4)根据图示可知, 品系 3 的Wx mRNA 最少,控制合成的直链淀粉合成酶最少,直链淀粉合 成量最少,糯性最强。 答案:(1)限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶 转化 (2)RNA 聚合酶与启动子识别和结合 不发生 编码直链淀粉合成酶 的碱基序列中不含启动子 (3)逆转录 引物是根据Wx基因的一段已知序列设计合成的 (4)品系 3 品系 3 的Wx mRNA 最少,控制合成的直链淀粉合成酶最少, 直链淀粉合成量最少,糯性最强 【补偿训练】 我国科学家屠呦呦因青蒿素的研究荣获2015年诺贝尔生理学或医 学
45、奖。青蒿素是目前世界上最有效的治疗疟疾药物,为青蒿植株的次级 代谢产物,其化学本质是一种萜类化合物,其生物合成途径如图1所示。 正常青蒿植株的青蒿素产量很低,难以满足临床需求,科学家为了提高 青蒿素产量,将棉花中的FPP合成酶基因导入了青蒿植株并让其成功表 达,获得了高产青蒿植株,过程如图 2 所示。 (1)研究人员从棉花基因文库中获取 FPP 合成酶基因后,可以采用 _技术对该目的基因进行大量扩增,该技术除了需要提供 模板和游离的脱氧核苷酸外,还需要提供_、 _等条件。 (2)图 2 中的为_,形成过程中需要 _等;棉花FPP合成酶基因能够和质粒连接成的主要 原因是_ _。(3)若不能在含有
46、抗生素 Kan 的培养基 上生存,则原因是_。 (4)由题意可知,除了通过提高FPP的含量来提高青蒿素的产量外,还可 以通过哪些途径来提高青蒿素的产量?(试举一 例)_。 【解析】(1)PCR 技术可在体外快速扩增目的基因,PCR 的条件:模板(目 的基因)、原料(四种脱氧核苷酸)、引物、热稳定 DNA 聚合酶。(2)图 2 中的为构建的基因表达载体(重组质粒),形成过程中需要限制酶切 割目的基因和载体,再用 DNA 连接酶连接。由于切割棉花 FPP 合成酶基 因和质粒后,具有相同的黏性末端,两者能够连接成基因表达载体。 (3)重组质粒中含有标记基因,若不能在含抗生素 Kan 的培养基上生 长,说明重组质粒未导入农杆菌。(4)据图分析可知,FPP 在 ADS 基因表 达的情况下,生成青蒿素,或者抑制 SQS 基因的表达,降低 FPP 生成其他 萜类化合物的量,因此要提高青蒿素的产量,可以通过抑制 SQS 基因的 表达(或增强 ADS 基因的表达)这些途径。 答案:(1)PCR 引物 热稳定 DNA 聚合酶 (2)基因表达载体(重组质粒) 限制酶和DNA连接酶 切割后具有相同 的黏性末端 (3)重组质粒没有导入农杆菌 (4)抑制 SQS 基因的表达(或增强 ADS 基因的表达)
