1、知识整合思维脉图 主题归纳能力培优 主题一 基因工程的操作程序 典题示范 某种质粒上有 Sal、Hind、BamH三种限制酶切割位点,它们的 识别序列和黏性末端各不相同,该质粒同时含有抗四环素基因和抗氨 苄青霉素基因。科学家利用此质粒培育转基因抗盐作物,提高粮食种植 面积取得重大进展。其培育过程如图所示,请回答下列问题。 (1)在构建重组质粒时,应选用_两种酶对质粒和含抗盐基 因的 DNA 进行切割,以保证重组质粒序列的唯一性。 (2)基因工程中的检测筛选是一个重要的步骤。为筛选出导入了重组质 粒的农杆菌,下图表示运用影印培养法(使一系列培养皿的相同位置上 能出现相同菌落的一种接种培养方法)检
2、测重组质粒是否导入了土壤 农杆菌。 培养基除了含有土壤农杆菌生长繁殖必需的成分和琼脂外,培养基A和 培养基 B 分别还要含有_、_。从检测筛选 的结果分析,含有目的基因的是_(填数字)菌落中的细 菌。 (3)为了确定抗盐作物是否培育成功,要用_等方法在分子 水平进行检测,还要从个体水平用_(方法)鉴定 作物的耐盐性。 (4)将转入抗盐基因的烟草细胞培育成完整植株需要用组织培养技术, 组织培养技术依据的原理是_。 (5)将抗盐基因导入作物细胞内,使作物具有了抗盐性状,这种变异类 型属于_。 【解析】 (1)质粒和含有目的基因的外源 DNA 分子上都含有 Sal、 Hind 、 BamH三种限制酶
3、切割位点,其中 BamH的切割位点位于目的基因 上,用该酶切割会破坏目的基因;若只用 Sal一种限制酶切割可能会 导致目的基因与运载体反向连接;因此在构建重组质粒时,应选用 Sal和 Hind 两种限制酶对质粒和抗盐基因的 DNA 进行切割,以保证 重组质粒序列的唯一性。 (2)用Sal和Hind 两种限制酶对质粒进行切割时,会破坏四环素抗 性基因,但不会破坏氨苄青霉素抗性基因,因此导入重组质粒的农杆菌 能在含有氨苄青毒素的培养基上能生存,但不能在含有四环素培养基 上生存,所以培养基 A 和培养基 B 分别还含有氨苄青霉素、四环素,含 目的基因的是 4 和 6 菌落中的细菌。 (3)利用PCR
4、可在分子水平上进行检测,除了从分子水平上进行检测,还 可以从个体水平上进行鉴定,即用一定浓度的盐水浇灌作物来鉴定作 物的耐盐性。 (4)将转入抗盐基因的烟草细胞培育成完整的植株需要用植物组织培 养技术,组织培养技术依据的原理是细胞的全能性。 (5)将抗盐基因导入作物细胞内,使作物具有了抗盐性状,这属于基因 工程技术,变异类型是基因重组。 答案:(1)Sal、Hind (2)氨苄青霉素 四环素 4 和 6 (3)PCR 一定浓度的盐水浇灌作物(将作物移栽到盐碱地中种植) (4)细胞的 全能性 (5)基因重组 【答题关键】 基因工程的原理和操作程序: 1.基因工程原理:基因重组。 2.操作程序:
5、类题精练 1.(2020烟台高二检测)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,下列有关 PCR 扩增过程相关叙述 不正确的是 ( ) A.为方便构建重组质粒,在引物中需要增加适当的限制性内切核酸酶 位点 B.设计引物时需要避免引物之间形成碱基互补配对,而造成引物自连 C.PCR 扩增时,复性时温度的设定与引物长度、碱基组成无关 D.如果PCR反应得不到任何扩增产物,则需要降低退火温度或重新设计 引物 【解析】选 C。构建重组质粒,首先要用限制性内切核酸酶切割含目的 基因的DNA片段和质粒,所以位于目的基因两端的引物中需要增加适当 的限制性内切核酸酶位点,
6、A 正确;设计的引物之间不能有碱基互补配 对,否则会导致引物自连,而不能与模板相连,B 正确;PCR 扩增时,复性 时温度的设定与引物长度、碱基组成有关,因为不同长度和碱基组成的 引物中氢键数量不同,C 错误;PCR 反应得不到任何扩增产物,可能是退 火温度过高,导致引物与模板不能相连;或引物间相互配对,引物自连, 不能与模板相连,可通过降低退火温度或重新设计引物进行改进,D 正 确。 2.B 基因存在于水稻基因组中,仅在体细胞和精子中正常表达,在卵细 胞中不转录。为研究 B 基因表达对卵细胞的影响,设计了如下实验来获 取能够在卵细胞中表达 B 基因的转基因植株。下列关于该实验的叙述, 不正确
7、的是 ( ) 注:启动子 指可在水稻卵细胞中启动转录的启动子; Luc 基因表达的荧光素酶能催化荧光素产生荧光。 A.B 基因在水稻卵细胞中不转录,可能是 B 基因的启动子在卵细胞中无 法启动转录 B.可从水稻体细胞和精子中提取 mRNA 构建 cDNA 文库,从中获得 B 基因 中编码蛋白的序列 C.过程在培养基中应加入卡那霉素以检测 T-DNA 是否整合到水稻细 胞染色体 DNA 上 D.在鉴定和筛选转基因植株时,可以检测加入荧光素的该植株卵细胞 中是否发出荧光 【解析】选 C。启动子是与 RNA 聚合酶结合并能启动 mRNA 合成的序列, 所以 B 基因在水稻卵细胞中不能转录,可能是 B
8、 基因的启动子在卵细胞 中无法启动转录,A 正确;目的基因获取途径之一就是从 cDNA 文库中获 得,B 正确;检测 T-DNA 是否整合到水稻细胞染色体 DNA 上,应该用 PCR 等,C 错误;由于基因表达载体上有 Luc 基因,其表达的荧光素酶能催化 荧光素产生荧光,所以在鉴定和筛选转基因植株时,可以检测加入荧光 素的该植株卵细胞中是否发出荧光,D 正确。 主题二 基因工程与蛋白质工程 典题示范 干扰素是动物体内合成的一种蛋白质,可以用于治疗病毒感染和癌 症,但体外保存相当困难,如果将其分子中的一个半胱氨酸变成丝氨酸, 就可以在-70 条件下保存半年,给广大患者带来了福音。 (1)蛋白质
9、的合成是受基因控制的,因此获得能够控制合成“可以保存 的干扰素”的基因是生产的关键,依据蛋白质工程原理,设计实验流程, 让动物生产“可以保存的干扰素”: (2)基因工程和蛋白质工程相比较,基因工程在原则上只能生产 _的蛋白质,不一定符合_的需要。而蛋白质工程 是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 _或_,对现有蛋白质进行_,或 制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活需要。 (3)蛋白质工程实施的难度很大,原因是蛋白质具有十分复杂的 _结构。 (4)对天然蛋白质进行改造,应该直接对蛋白质分子进行操作,还是通 过对基因的操作来实现?_。原因 是_ _。 【解析】(1)蛋白质
10、工程的基本途径是:从预期的蛋白质功能出发设 计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核 苷酸序列(基因)。 (2)基因工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质,但不一定能满足人 们生产和生活的需要;蛋白质工程的定义是:以蛋白质分子的结构规律 及其与生物功能的关系作为基础,通过化学、物理和分子生物学的手段 进行基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋 白质,以满足人类对生产和生活的需求。 (3)蛋白质是大分子化合物,具有十分复杂的空间结构。 (4)对天然蛋白质的改造,应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质的 改造,原因有以下几个方面:任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,
11、 改造了基因也就是对蛋白质进行了改造;改造过的蛋白质可以通过 改造过的基因遗传下去。如果对蛋白质直接改造,即使改造成功,被改 造过的蛋白质分子也无法遗传;对基因进行改造比对蛋白质直接进 行改造要容易操作,难度要小得多。 答案:(1)预期的蛋白质功能 预期的蛋白质结构 应有的氨基酸序列 相对应的脱氧核苷酸序列(基因) (2)自然界已存在 人类生产和生活 基因修饰 基因合成 改 造 (3)空间(或高级) (4)应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造 首先,任何一种 天然蛋白质都是由基因编码的,改造了基因也就是改造了蛋白质,并且 改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传给下一代。如果对蛋白质 直接
12、改造,即使改造成功,被改造过的蛋白质分子还是无法遗传;其次, 对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作,难度要小得多 【答题关键】蛋白质工程和基因工程的比较 项目 蛋白质工程 基因工程 过程 预期蛋白质功能设计预期 的蛋白质结构推测应有的 氨基酸序列找到相对应的 脱氧核苷酸序列获得所需 要的蛋白质 获取目的基因构建基因表达载体 将目的基因导入受体细胞目的 基因的检测与鉴定 实质 定向改造或生产人类所需的 蛋白质 定向改造生物的遗传特性,以获得 人类所需的生物类型或生物产品 结果 可生产自然界没有的蛋白质 只能生产自然界已有的蛋白质 联系 蛋白质工程是在基因工程基础上,延伸出来的第二代基因
13、工 程; 基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改 造 类题精练 1.科研人员利用相关技术改变了胰岛素 B 链的第 9 位氨基酸,从而避免 了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述中,不正确的是 ( ) A.胰岛素的本质是蛋白质,不宜口服 B.可通过测定 DNA 的序列确定突变是否成功 C.对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程 D.该过程的操作对象是胰岛素分子 【解析】选 D。胰岛素的本质是蛋白质,只能注射,不宜口服,A 正确;可 通过测定 DNA 的序列确定突变是否成功,B 正确;通过改变氨基酸对胰 岛素结构的改造属于蛋白质工程,C 正确;蛋白质工程属于基因工程,蛋 白质工程
14、的操作对象是基因,D 错误。 2.某种植物甲的A基因编码的蛋白质富含赖氨酸,科研人员欲通过转基 因技术培育富含赖氨酸的玉米,提高玉米的营养价值。请回答下列问 题: (1)从植物甲提取相关的_后,通过逆转录技术合成 cDNA 片段,利用_技术扩增目的基因。 (2)直接导入的cDNA无法在玉米细胞内正常表达,原因是基因表达载体 缺少_(答出一点即可)。 (3)将重组的目的基因导入玉米的薄壁组织,这些细胞可在含 _(填植物激素)的培养基上诱导培养,形成愈伤组织。挑 取部分愈伤组织,用_技术,检测目的基因是否导入玉米细 胞并转录。 (4)改造玉米的 B 基因也可能产生富含赖氨酸的蛋白质,具体的思路是
15、先设计预期的蛋白质结构,其次推测出多肽链中的_,再 在 B 基因上改造对应的_。 【解析】(1)从植物甲中获取目的基因的方法为:从植物甲 提取 A 基因的 mRNA 后,通过逆转录技术合成 cDNA 片段,利用 PCR 技术 扩增目的基因。 (2)直接导入的cDNA由于缺少相关的启动子(或终止子),故无法在玉米 细胞内正常表达,所以构建的基因表达载体必须包含相关的启动子(或 终止子)。 (3)将重组的目的基因导入玉米的薄壁组织,将这些细胞在含有生长素 和细胞分裂素的培养基上进行诱导培养,形成愈伤组织。为了检测愈伤 组织细胞中的目的基因是否成功导入并转录,需要用分子杂交技术来 实现。 (4)如果对玉米的 B 基因进行改造也可能产生富含赖氨酸的蛋白质,具 体的思路是先设计预期的蛋白质结构,其次推测出多肽链中的氨基酸 序列,然后推测出相关的脱氧核苷酸序列,进而根据该序列对 B 基因中 相应的脱氧核苷酸序列进行改造。 答案:(1)mRNA PCR (2)启动子(或终止子) (3)生长素和细胞分裂素 分子杂交 (4)氨基酸序列 脱氧核苷酸序列
