人教版 (新課標(biāo))選修3《現(xiàn)代生物科技專題》專題1 基因工程綜合與測(cè)試學(xué)案

這是一份人教版 (新課標(biāo))選修3《現(xiàn)代生物科技專題》專題1 基因工程綜合與測(cè)試學(xué)案，共9頁。學(xué)案主要包含了交匯分析等內(nèi)容，歡迎下載使用。

嘗試填寫圖中序號(hào)代表的含義:
A.DNA分子水平 B.基因重組 C.DNA連接酶 D.基因文庫 E.基因表達(dá)載體 F.標(biāo)記基因 G.受體細(xì)胞
H.分子水平 I.蛋白質(zhì)功能 J.脫氧核苷酸
【典例1】(2019·全國卷Ⅰ)基因工程中可以通過PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因?；卮鹣铝袉栴}。
(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?；蛭膸彀╛_____________和____________。
(2)生物體細(xì)胞內(nèi)的DNA復(fù)制開始時(shí),解開DNA雙鏈的酶是______________。在體外利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因時(shí),使反應(yīng)體系中的模板DNA解鏈為單鏈的條件是____________。上述兩個(gè)解鏈過程的共同點(diǎn)是破壞了DNA雙鏈分子中的______________。
(3)目前在PCR反應(yīng)中使用Taq酶而不使用大腸桿菌DNA聚合酶的主要原因是__________________________。
【解析】本題考查基因工程的相關(guān)知識(shí)。
(1)基因文庫包括基因組文庫和部分基因文庫(cDNA文庫),前者包括一種生物的全部基因,后者只包括一種生物的部分基因。
(2)體內(nèi)進(jìn)行DNA復(fù)制時(shí),需要解旋酶和DNA聚合酶,解旋酶可以打開雙鏈之間的氫鍵,DNA聚合酶可以催化磷酸二酯鍵的形成。在體外進(jìn)行PCR擴(kuò)增時(shí),利用高溫變性即加熱至90～95 ℃,破壞雙鏈之間的氫鍵,使DNA成為單鏈。解旋酶和高溫處理都破壞了DNA雙鏈中堿基對(duì)之間的氫鍵。
(3)由于在PCR過程中,需要不斷地改變溫度,該過程中涉及較高溫度處理,大腸桿菌DNA聚合酶在高溫處理下會(huì)變性失活,因此PCR過程中需要用耐高溫的Taq酶催化。
答案:(1)基因組文庫 cDNA文庫
(2)解旋酶 加熱至90～95 ℃ 氫鍵 (3)Taq酶熱穩(wěn)定性高,而大腸桿菌DNA聚合酶在高溫下會(huì)失活
【交匯分析】(1)考查基因文庫,該考點(diǎn)聯(lián)系必修2“基因庫”交匯命題。
(2)考查解旋酶和DNA分子結(jié)構(gòu),該考點(diǎn)聯(lián)系必修2“DNA分子結(jié)構(gòu)”交匯命題。
(3)考查Taq酶的熱穩(wěn)定性,該考點(diǎn)聯(lián)系必修1“影響酶活性的條件”交匯命題。
【典例2】(2017·江蘇高考節(jié)選)金屬硫蛋白(MT)是一類廣泛存在的金屬結(jié)合蛋白,某研究小組計(jì)劃通過多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增獲得目的基因,構(gòu)建轉(zhuǎn)基因工程菌,用于重金屬廢水的凈化處理。PCR擴(kuò)增過程示意圖如下,請(qǐng)回答下列問題:
(1)設(shè)計(jì)一對(duì)與MT基因兩端序列互補(bǔ)配對(duì)的引物(引物1和引物2),為方便構(gòu)建重組質(zhì)粒,在引物中需要增加適當(dāng)?shù)腳___________________位點(diǎn)。設(shè)計(jì)引物時(shí)需要避免引物之間形成__________________ ,而造成引物自連。
(2)PCR擴(kuò)增時(shí),退火溫度的設(shè)定是成敗的關(guān)鍵。退火溫度過高會(huì)破壞______________的堿基配對(duì)。退火溫度的設(shè)定與引物長(zhǎng)度、堿基組成有關(guān),長(zhǎng)度相同但__ ____________的引物需要設(shè)定更高的退火溫度。
【解析】(1)目的基因與質(zhì)粒形成重組質(zhì)粒時(shí)需要用限制性核酸內(nèi)切酶切出相同的黏性末端,因此在設(shè)計(jì)一對(duì)與MT基因兩端序列互補(bǔ)配對(duì)的引物(引物1和引物2)時(shí),要在引物中增加適當(dāng)?shù)南拗菩院怂醿?nèi)切酶位點(diǎn)。設(shè)計(jì)引物時(shí),兩種引物之間不能有互補(bǔ)性,否則引物之間會(huì)配對(duì)形成雙鏈DNA。(2)PCR擴(kuò)增時(shí),退火步驟中引物與模板結(jié)合,因此退火溫度過高會(huì)破壞引物與模板的堿基配對(duì)。由于A和T之間有2個(gè)氫鍵,而C和G之間有3個(gè)氫鍵,因此C和G的含量越高,DNA分子越穩(wěn)定,所以引物中含C與G的堿基對(duì)較多時(shí),需要采用較高的退火溫度。
答案:(1)限制性核酸內(nèi)切酶 堿基互補(bǔ)配對(duì)
(2)引物與模板 GC含量高
【交匯分析】(1)考查PCR技術(shù)的原理。該考點(diǎn)聯(lián)系必修2“DNA的復(fù)制”交匯命題。
(2)考查PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因的過程。該考點(diǎn)聯(lián)系必修2“DNA分子的結(jié)構(gòu)”交匯命題。
【典例3】(2021·湖北適應(yīng)性測(cè)試)某實(shí)驗(yàn)室需構(gòu)建含增強(qiáng)型綠色熒光蛋白(eGFP)基因的表達(dá)載體用于科學(xué)研究。相關(guān)資料如下:
(1)雙鏈DNA的每一條鏈有兩個(gè)末端,分別是5’端和3’端,從左到右的5’-3’DNA鏈?zhǔn)蔷幋a鏈,從左到右的3’-5’ DNA鏈?zhǔn)悄０彐湣?br>(2)增強(qiáng)型綠色熒光蛋白(eGFP)在自然光下顯示綠色,已知該基因的DNA編碼序列如下:
5’ATGGTGAGC……AAGTAA 3’。
(3)質(zhì)粒載體中含有EcRⅠ、HindⅢ、BamHⅠ、XbaⅠ、和NtⅠ等酶的酶切位點(diǎn)(這些酶各自的識(shí)別序列不同),如下圖所示。
回答下列問題:
(1)增強(qiáng)型綠色熒光蛋白基因轉(zhuǎn)錄的mRNA堿基序列為______________。
(2)通過PCR方法獲得eGFP目的片段,首先需要設(shè)計(jì)__________(填“一對(duì)”或“一個(gè)”)引物,在體外選擇性擴(kuò)增eGFP目的片段,PCR反應(yīng)一般由95 ℃熱變性、55～60 ℃引物和模板配對(duì)、72 ℃延伸三個(gè)步驟,經(jīng)過多次循環(huán)完成。延伸階段選用72 ℃是綜合考慮了兩個(gè)因素,這兩個(gè)因素是__________和__________。
(3)eGFP的PCR產(chǎn)物兩端分別含有BamHⅠ和NtⅠ的酶切位點(diǎn),構(gòu)建重組表達(dá)載體時(shí),用這兩種酶酶切PCR產(chǎn)物和質(zhì)粒載體。與單一酶酶切相比,該實(shí)驗(yàn)采用的雙酶切方法的優(yōu)點(diǎn)是________________(答一點(diǎn)即可)。
(4)將所構(gòu)建的表達(dá)載體轉(zhuǎn)入大腸桿菌,涂布含有卡那霉素的平板,若表達(dá)載體構(gòu)建成功,可觀察到多個(gè)______________單菌落。
【解析】本題主要考查基因工程、PCR技術(shù)、微生物培養(yǎng)等知識(shí)的運(yùn)用能力。
(1)已知DNA編碼序列為5’ATGGTGAGC……AAGTAA 3’,則其模板鏈應(yīng)為3’TACCACTCG……TTCATT 5’,基因轉(zhuǎn)錄時(shí),以DNA的模板鏈為模板,依據(jù)堿基互補(bǔ)原則合成一條mRNA鏈,故增強(qiáng)型綠色熒光蛋白基因轉(zhuǎn)錄的mRNA堿基序列為5’AUGGUGAGC……AAGUAA 3’。(2)DNA有兩條鏈,故利用PCR擴(kuò)增目的基因時(shí),應(yīng)依據(jù)與目的基因堿基序列互補(bǔ),設(shè)計(jì)一對(duì)引物;72 ℃延伸溫度應(yīng)考慮酶的活性以及利于模板與引物結(jié)合兩個(gè)因素。(3)與單一酶酶切相比,該實(shí)驗(yàn)采用的雙酶切方法的優(yōu)點(diǎn)是目的基因和載體均可產(chǎn)生兩個(gè)不同末端,可有效防止目的基因自身環(huán)化(或防止目的基因與載體錯(cuò)誤連接)。(4)卡那霉素抗性基因?yàn)闃?biāo)記基因,用于重組DNA的篩選與鑒定,若表達(dá)載體構(gòu)建成功,表達(dá)載體含eGFP(綠色熒光蛋白)基因,故在含卡那霉素的培養(yǎng)基中存活下來并形成的菌落應(yīng)該在自然光照下顯示綠色。
答案: (1)5’AUGGUGAGC……AAGUAA 3 ’
(2)一對(duì) 酶的活性 模板與引物結(jié)合
(3)防止目的基因自身環(huán)化(或防止目的基因與載體錯(cuò)誤連接)
(4)綠色熒光
【交匯分析】(1)考查PCR技術(shù)的操作過程。該考點(diǎn)聯(lián)系必修2“DNA分子的結(jié)構(gòu)”交匯命題。
(2)考查基因工程的工具酶及特點(diǎn)。該過程聯(lián)系必修1“酶的特性”交匯命題。
【典例4】如圖為培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的兩種思路,請(qǐng)據(jù)圖回答問題:
(1)與思路2相比,思路1的優(yōu)點(diǎn)是篩選出的目的植株________________。
(2)構(gòu)建重組質(zhì)粒時(shí),需要使用的限制酶是__________,還需要使用的工具酶是____________。
(3)圖中過程①獲取的完整的重組質(zhì)粒,除了圖中標(biāo)出的特殊DNA片段外,還應(yīng)該有__________等部分;過程②常用的方法是______________;過程③常用的試劑為____________;培育獲得棉株2 或棉株4采用的生物學(xué)技術(shù)是__________。
(4)為檢測(cè)棉株3、棉株4的抗蟲特性,常使用的方法是____________。
【解析】(1)思路1是采用單倍體育種方法,結(jié)合基因工程,培育出目的植株,與思路2相比,該方法的優(yōu)點(diǎn)是篩選出的目的植株是純合子,能穩(wěn)定遺傳。(2)據(jù)圖分析,如果用Sma Ⅰ酶切割目的基因,會(huì)破壞目的基因,因此用圖中的質(zhì)粒和目的基因構(gòu)建重組DNA分子時(shí),不能使用Sma Ⅰ酶切割,因此只能選用EcRⅠ和BamHⅠ切割目的基因和運(yùn)載體,還需要使用的工具酶是DNA連接酶。(3)過程①是構(gòu)建基因表達(dá)載體,即重組質(zhì)粒?；虮磉_(dá)載體中除了具有目的基因、啟動(dòng)子和終止子之外,還需具有標(biāo)記基因(和復(fù)制原點(diǎn))。過程②是將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞中,受體細(xì)胞是植物細(xì)胞,常用的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法;棉株2是單倍體幼苗中外植體中細(xì)胞經(jīng)過植物組織培養(yǎng)技術(shù)獲得的,是單倍體。過程③常用的試劑為秋水仙素,使植株2細(xì)胞中染色體數(shù)目加倍,獲取純合子植株3。(4)為檢測(cè)棉株3、棉株4的抗蟲特性,常使用的方法是接種害蟲,觀察棉株是否有抗蟲能力。
答案:(1)能穩(wěn)定遺傳(是純合子)
(2)EcR Ⅰ和BamH Ⅰ DNA連接酶
(3)標(biāo)記基因(和復(fù)制原點(diǎn)) 農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法 秋水仙素 植物組織培養(yǎng)
(4)接種害蟲,觀察棉株是否有抗蟲能力
【交匯分析】
(1)思路1是采用單倍體育種方法,結(jié)合基因工程,培育出目的植株。該考點(diǎn)聯(lián)系必修2“單倍體育種”交匯命題。
(2)思路2是利用植物細(xì)胞的全能性,結(jié)合基因工程,培育出目的植株。該考點(diǎn)聯(lián)系必修1“植物細(xì)胞的全能性”交匯命題。
交匯點(diǎn)1:高中生物學(xué)中的“載體”,聯(lián)系必修1“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)妮d體”,必修1、2“遺傳信息的載體”,必修3“細(xì)胞間信息傳遞的載體”交匯考查
(1)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)妮d體:細(xì)胞膜上的一種蛋白質(zhì)。
(2)血液中O2運(yùn)輸?shù)妮d體:紅細(xì)胞內(nèi)一種含F(xiàn)e2+的血紅蛋白。
(3)基因工程中目的基因的載體:種類有質(zhì)粒、λ噬菌體的衍生物和動(dòng)植物病毒等。
(4)細(xì)胞中遺傳信息的載體:細(xì)胞生物遺傳信息的載體是DNA。
(5)細(xì)胞間信息傳遞的載體:細(xì)胞釋放的信號(hào)分子,如:激素、神經(jīng)遞質(zhì)等。
交匯點(diǎn)2:基因表達(dá)載體中的啟動(dòng)子、終止子,聯(lián)系必修2中“mRNA中的起始密碼子、終止密碼子”交匯考查
(1)啟動(dòng)子、終止子是質(zhì)粒上的具有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段。
(2)起始密碼子、終止密碼子是mRNA上的三個(gè)相鄰堿基。
交匯點(diǎn)3:基因工程工具酶——限制性核酸內(nèi)切酶,聯(lián)系必修1“有關(guān)酶的本質(zhì)和特性”交匯考查
限制性核酸內(nèi)切酶相關(guān)知識(shí):
(1)本質(zhì):蛋白質(zhì)。
(2)特性:具有特異性。
①一種限制酶只能識(shí)別雙鏈DNA分子中特定的核苷酸序列。
②切割雙鏈DNA分子每條鏈中特定序列中的特定位點(diǎn),使該位點(diǎn)的磷酸二酯鍵斷開。
(3)作用:斷開連接兩個(gè)核苷酸的磷酸二酯鍵。
交匯點(diǎn)4:基因工程中目的基因的獲取、檢測(cè)和外源基因在受體中的表達(dá),聯(lián)系必修2“中心法則”交匯考查
(1)目的基因的表達(dá)過程,不包含DNA的復(fù)制,只包含轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)過程。
中心法則:
(2)基因文庫中的cDNA的獲取是特定mRNA在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下,按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則,逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA。
(3)利用分子雜交技術(shù),根據(jù)DNA→RNA轉(zhuǎn)錄過程中遵循的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則,進(jìn)行分子檢測(cè)。
交匯點(diǎn)5:基因工程中目的基因、基因表達(dá)載體的化學(xué)組成及結(jié)構(gòu),聯(lián)系必修2中“DNA分子的組成、結(jié)構(gòu)”交匯考查
(1)DNA分子的基本組成單位:脫氧核糖核苷酸。
(2)DNA分子結(jié)構(gòu):DNA是由脫氧核苷酸連接而成的長(zhǎng)鏈,相鄰脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連接;在絕大多數(shù)生物的細(xì)胞中,DNA由兩條脫氧核苷酸鏈構(gòu)成,兩條鏈通過堿基對(duì)之間的氫鍵相連;少數(shù)生物細(xì)胞中存在環(huán)狀雙鏈DNA分子。
1.干旱會(huì)影響農(nóng)作物產(chǎn)量,科學(xué)家們對(duì)此進(jìn)行了研究。如圖為用探針檢驗(yàn)?zāi)骋豢购抵参锘蛐偷脑?相關(guān)基因用R和r表示。
(1)基因R與r的本質(zhì)區(qū)別是________________的不同。在利用PCR技術(shù)擴(kuò)增R或r基因過程中,利用________可尋找抗旱基因的位置并進(jìn)行擴(kuò)增。PCR技術(shù)操作步驟中包括兩次升溫和一次降溫,其中降溫的目的是______________________
________________________。
(2)若被檢植株發(fā)生B現(xiàn)象,不發(fā)生A、C現(xiàn)象,則被檢植物的基因型為_________
__________。
(3)將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞采用最多的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法,其依據(jù)主要是:當(dāng)植物受到損傷時(shí),傷口處的細(xì)胞會(huì)分泌大量的酚類化合物,吸引農(nóng)桿菌移向這些細(xì)胞,這時(shí)農(nóng)桿菌中的Ti質(zhì)粒上的______________________________________。
(4)經(jīng)檢測(cè),抗旱基因已經(jīng)導(dǎo)入煙草細(xì)胞,但未檢測(cè)出抗旱基因轉(zhuǎn)錄出的mRNA,從構(gòu)建基因表達(dá)載體的角度推測(cè),最可能的原因是_________________________。
(5)為防止轉(zhuǎn)基因植物將外源基因擴(kuò)散到其他植物,對(duì)生態(tài)環(huán)境造成潛在危害?？茖W(xué)家設(shè)法將目的基因整合到受體細(xì)胞的葉綠體基因組中,以避免目的基因通過________________向其他植物擴(kuò)散?；蚪M分為基因區(qū)和基因間隔區(qū),通常將基因間隔區(qū)序列作為插入位點(diǎn),其目的是_______________________________。
【解析】(1)基因R與r的本質(zhì)區(qū)別是脫氧核苷酸的排列順序(或堿基對(duì)排列順序)的不同;需要用引物尋找抗旱基因的位置;PCR的操作過程:①高溫變性:DNA解旋過程;②低溫復(fù)性:使引物結(jié)合到互補(bǔ)模板鏈DNA上;③中溫延伸:合成子鏈。
(2)被檢植物發(fā)生B現(xiàn)象,不發(fā)生A、C現(xiàn)象,即R、r探針形成雜交環(huán),所以被檢植物的基因型為Rr。
(3)將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞采用最多的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法,其依據(jù)主要是:當(dāng)植物受到損傷時(shí),傷口處的細(xì)胞會(huì)分泌大量的酚類化合物,吸引農(nóng)桿菌移向這些細(xì)胞,這時(shí)農(nóng)桿菌中的Ti質(zhì)粒上的T-DNA可轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞,并且整合到受體細(xì)胞染色體的DNA上。
(4)經(jīng)檢測(cè),抗旱基因已經(jīng)導(dǎo)入到煙草細(xì)胞,但未檢測(cè)出抗旱基因轉(zhuǎn)錄出的mRNA,從構(gòu)建基因表達(dá)載體的角度推測(cè),最可能的原因是基因表達(dá)載體上的目的基因首端未加入啟動(dòng)子。
(5)研究表明,轉(zhuǎn)基因植物可以通過花粉將外源基因擴(kuò)散到其他植物,從而對(duì)生態(tài)環(huán)境造成潛在的危害,因此,科學(xué)家設(shè)法將目的基因整合到受體細(xì)胞的葉綠體基因組中,以防止目的基因通過花粉向其他植物擴(kuò)散;將基因間隔區(qū)序列作為插入位點(diǎn)就可以避免外源基因?qū)θ~綠體內(nèi)源基因表達(dá)造成影響。
答案:(1)脫氧核苷酸排列順序(或堿基對(duì)排列順序) 引物 使引物和模板鏈結(jié)合 (2)Rr (3)T-DNA可轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞,并且整合到受體細(xì)胞染色體的DNA 上 (4)基因表達(dá)載體上的目的基因首端未加入啟動(dòng)子 (5)花粉 避免了外源基因插入后對(duì)葉綠體內(nèi)源基因表達(dá)造成影響
2.干擾素是治療癌癥的藥物,成分是一種糖蛋白,它必須從血液中提取,每升人血中只能提取0.05 μg,所以價(jià)格昂貴?，F(xiàn)在美國加利福尼亞的基因公司用如圖所示的方式生產(chǎn)干擾素,試分析回答下列問題:
(1)從人的淋巴細(xì)胞中取出________,將它同質(zhì)粒相結(jié)合,然后移植到酵母菌體內(nèi),讓酵母菌________。
(2)有人嘗試將干擾素基因與大腸桿菌的質(zhì)粒重組,轉(zhuǎn)入大腸桿菌體內(nèi)后,形成工程菌,此種操作能制備出干擾素嗎?________,請(qǐng)說明理由:________________。
(3)中國青年科學(xué)家陳炬成功地把人的干擾素基因移植到煙草的DNA分子上,使煙草獲得了抗病毒的能力,試分析:
①人的基因之所以能移接到植物體內(nèi),其物質(zhì)基礎(chǔ)是______________________。
②煙草有了抗病能力,這表明煙草體內(nèi)產(chǎn)生了________。這個(gè)事實(shí)說明,人和植物共用一套________,蛋白質(zhì)合成方式________(填“基本相同”或“大不相同”)。
【解析】(1)從人的淋巴細(xì)胞中獲取干擾素基因(目的基因),將它同質(zhì)粒相結(jié)合,然后移植到酵母菌體內(nèi),讓酵母菌合成人的干擾素。
(2)大腸桿菌是原核生物,細(xì)胞內(nèi)無內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等細(xì)胞器,無法合成糖蛋白,所以形成的工程菌無法制備出具有生物活性的人的干擾素。
(3)①人的基因之所以能夠移接到植物體內(nèi),其原因是它們具有共同的物質(zhì)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),即DNA分子的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)相同。
②煙草有了抗病能力,這表明煙草體內(nèi)產(chǎn)生了干擾素,這個(gè)事實(shí)說明,不同生物共用一套密碼子,蛋白質(zhì)合成方式基本相同。
答案:(1)干擾素基因 合成干擾素
(2)不能 大腸桿菌是原核生物,無內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等細(xì)胞器,無法合成糖蛋白
(3)①DNA分子的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)基本相同
②干擾素 遺傳密碼 基本相同