現代生物科技

吳久宏

一、近三年高考回眸

二、考綱解讀

（一）2017年考試大綱對本部分內容的考試范圍和要求

（二）2017年考試大綱對選修3模塊內容的調整

對能力要求的一些表述進行調整：將“關注對科學、技術和社會發展有重大影響和意義的生物學新進展以及生物科學發展史上的重要事件”調整為“關注對科學、技術和社會發展有重大影響的、與生命科學相關的突出成就及熱點問題”。

特別提醒：選修3中“基因工程的原理及技術”調整成“基因工程的原理及技術（含PCR技術）”。

三、構建知識網絡圖

四、高頻考點精析

（一）基因工程及其安全性

1.提取目的基因的常用方法

2.目的基因導入受體細胞的常用方法

3.目的基因的檢測與鑒定方法

【例1】（2016·全國Ⅰ卷·40）某一質粒載體如圖所示，外源DNA插入到Ampr或Tetr中會導致相應的基因失活（Ampr表示氨芐青霉素抗性基因，Tetr表示四環素抗性基因）。有人將此質粒載體用BamHⅠ酶切后，與用BamHⅠ酶切獲得的目的基因混合，加入DNA連接酶進行連接反應，用得到的混合物直接轉化大腸桿菌。結果大腸桿菌有的未被轉化，有的被轉化。被轉化的大腸桿菌有三種，分別是含有環狀目的基因、含有質粒載體、含有插入了目的基因的重組質粒的大腸桿菌?；卮鹣铝袉栴}：

（1）質粒載體作為基因工程的工具，應具備的基本條件有______________ （答出兩點即可），而作為基因表達載體，除滿足上述基本條件外，還需具有啟動子和終止子。

（2）如果用含有氨芐青霉素的培養基進行篩選，在上述四種大腸桿菌細胞中，未被轉化的和僅含環狀目的基因的細胞是不能區分的，其原因是 ______________ ；并且 ______________ 和______________ 的細胞也是不能區分的，其原因是 ______________ 。在上述篩選的基礎上，若要篩選含有插入了目的基因的重組質粒的大腸桿菌單菌落，還需使用含有______________ 的固體培養基。

（3）基因工程中，某些噬菌體經改造后可以作為載體，其DNA復制所需的原料來自 ______________ 。

【解析】（2）在含有氨芐青霉素的培養基上，只有具有Ampr的大腸桿菌才能夠生長。而Ampr位于質粒上，故未被轉化的和僅含環狀目的基因的大腸桿菌細胞中均無Ampr，僅含有質粒載體的和含有插入了目的基因的重組質粒的大腸桿菌中均具有Ampr。目的基因的插入破壞了質粒載體的Tetr，故含有插入了目的基因的重組質粒的大腸桿菌不能在含有四環素的平板上生長，從而能與僅含有質粒載體的大腸桿菌區分開來。 （3）噬菌體是病毒，無細胞結構，無法自主合成DNA，需借助受體細胞完成DNA的復制。

【答案】（1）能自我復制、具有標記基因（答出兩點即可） （2）二者均不含有氨芐青霉素抗性基因，在該培養基上均不生長 含有質粒載體 含有插入了目的基因的重組質粒 二者均含有氨芐青霉素抗性基因，在該培養基上均能生長 四環素 （3）受體細胞

【易錯提醒】（1）基因工程中有3種工具，但工具酶只有2種。其中，限制酶指一類酶，而不是一種酶。限制酶的化學本質為蛋白質，其作用的發揮需要適宜的理化條件，高溫、強酸或強堿均易使之變性失活。

（2）在切割含目的基因的DNA分子時，需用限制酶切割兩次此DNA分子，產生4個末端。

（3）限制性核酸內切酶和DNA連接酶的作用部位都是脫氧核苷酸之間形成的磷酸二酯鍵（不是氫鍵），只是一個切開，一個連接。限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物中不存在該酶的識別序列或識別序列已經被修飾。

（4）限制酶切割位點所處的位置必須是在所需的標記基因之外，這樣才能保證標記基因的完整性，有利于對目的基因的檢測。

（5）為使目的基因與載體形成相同的DNA片段末端以方便連接，通常使用同一種限制酶將二者切割，但如果不同的限制酶切割DNA分子所產生的末端存在互補關系時，兩末端也可連接。

4.利用PCR技術擴增目的基因

（1）原理：利用DNA雙鏈復制的原理，在體外將基因的核苷酸序列不斷地加以復制，使其數量呈指數形式增加。

（2）條件：

（3）解題規律總結

【例2】RT-PCR是將RNA逆轉錄（RT）和cDNA的聚合酶鏈式擴增反應相結合的技術，具體過程如下圖所示。請分析回答：

（1）過程Ⅰ需要加入緩沖液、原料、______________ 、______________ 和引物A等。

（2）過程Ⅱ首先要將反應體系的溫度升高到95 ℃，其目的是______________ ，該反應體系中所用的Taq酶至少應能耐受 ______________ ℃。

（3）過程Ⅱ擬對單鏈cDNA進行n次循環的擴增，理論上至少需要 ______________ 個引物B。

（4）利用RT-PCR技術獲取的目的基因 ______________（填“能”或“不能”）在物種之間交流；該技術還可用于對某些微量RNA病毒的檢測，可提高檢測的靈敏度，原因是______________ 。

（5）RT-PCR過程中主要借助對______________的控制，影響酶的活性，從而使得化學反應有序高效地進行。

【解析】（1）過程Ⅰ表示逆轉錄，除了需要緩沖液、原料和引物A之外，還需要RNA作為模板，逆轉錄酶進行催化。（2）過程Ⅱ先將反應體系的溫度升高到95 ℃，使逆轉錄酶變性失活，mRNA-cDNA雜合雙鏈解開，再在Taq酶的作用下合成雙鏈DNA，由于該反應體系中溫度升高到95 ℃，所以所用的Taq酶至少應能耐受95 ℃。（3）DNA復制時，子鏈的延伸需要引物，單鏈cDNA進行1次擴增得到雙鏈DNA，需要0個引物A和1個引物B。若單鏈cDNA進行n次循環的擴增，雙鏈DNA進行了（n-1）次擴增，則理論上至少需要（2n-1-1）個引物A和2n-1個引物B。（4）利用RT-PCR技術獲取的目的基因能通過基因工程在物種之間交流；該技術增加了待測RNA逆轉錄產生的DNA的數量（或濃度），便于對某些微量RNA病毒進行檢測，并可提高檢測的靈敏度。（5）RT-PCR過程中主要借助對溫度的控制，影響酶的活性，即高溫變性→低溫復性→中溫延伸，從而使得化學反應有序高效地進行。

【答案】（1）RNA提取物 逆轉錄酶 （2）讓逆轉錄酶變性失活、使mRNA-cDNA雜合雙鏈解開（答對一點即可） 95 （3）2n-1

（4）能 增加了待測RNA逆轉錄產生的DNA的數量（或濃度），便于檢測 （5）溫度

（二）細胞工程

1.植物組織培養與植物體細胞雜交的區別與聯系

2.動物細胞融合與單克隆抗體的制備

（1）制備單克隆抗體時，選用一種抗原處理的B淋巴細胞與骨髓瘤細胞進行細胞融合，產生雜交瘤細胞，雜交瘤細胞兼有兩個親本細胞的特性——在體外培養條件下能不斷增殖，同時能產生出某種特異性的抗體。

（2）進行動物細胞的誘導融合時，形成的雜種細胞有三種，即AA型、BB型、AB型。只有AB型才是我們所需要的雜種細胞，所以需要用選擇培養基進行篩選。

（3）單克隆抗體制備過程中的兩次篩選：

第一次篩選：用特定的選擇培養基篩選，獲得雜交瘤細胞，即AB型細胞（A為漿細胞，B為骨髓瘤細胞），篩選掉A、B、AA、BB型細胞。

第二次篩選：用多孔板法和抗原—抗體雜交法篩選，獲得能產生特定抗體的雜交瘤細胞。

【例3】（2016·江蘇卷·9） 下列有關細胞工程的敘述，正確的是（ ）

A.PEG是促細胞融合劑，可直接誘導植物細胞融合

B.用原生質體制備人工種子，要防止細胞破裂

C.骨髓瘤細胞經免疫處理，可直接獲得單克隆抗體

D.核移植克隆的動物，其線粒體DNA來自供卵母體

【解析】PEG是促細胞融合劑，但植物細胞不能直接融合，需先去壁形成原生質體才能融合，A項錯誤；制備人工種子應用完整的植物細胞，而不應用原生質體，B項錯誤；骨髓瘤細胞不能產生抗體，C項錯誤；核移植克隆的動物，其線粒體DNA來自供卵母體，D項正確。

【答案】D

（三）胚胎工程與生物技術的安全性和倫理問題

1.受精過程中的“三大反應”與防止多精入卵的“兩道屏障”

（1）頂體反應：精子膜和頂體外膜發生一系列改變，并釋放頂體酶的過程即為頂體反應。頂體反應的主要作用是形成精子穿越放射冠的通道，是精子和卵子結合必不可少的條件。

（2）透明帶反應：精子觸及卵細胞膜的瞬間，會產生阻止后來的精子進入透明帶的生理反應，稱為透明帶反應，這是防止多精入卵的第一道屏障。

（3）卵黃膜封閉作用：精子入卵后，卵黃膜會立即發生一種生理反應，拒絕其他精子再進入卵內，稱為卵黃膜封閉作用，這是防止多精入卵的第二道屏障。

2.胚胎分割

（1）材料：發育良好，形態正常的桑椹胚或囊胚。

（2）實質：胚胎分割可增加動物后代，其實質是動物的無性生殖或克隆。

（3）分割要求：對囊胚分割時，注意將內細胞團均等分割，否則會影響分割后胚胎的恢復和進一步發育。

3.胚胎干細胞

（1）來源：早期胚胎或原始性腺。

（2）特點：[①形態：體積小、細胞核大、核仁明顯。][②功能：具有發育的全能性。][③體外培養：可增殖而不分化。] [④可以冷凍保存，也可以進行遺傳改造。]

【例4】（2016·全國Ⅱ卷·40）下圖表示通過核移植等技術獲得某種克隆哺乳動物（二倍體）的流程。

回答下列問題：

（1）圖中A表示正常細胞核，染色體數為2n，則其性染色體的組成可為 ______________ 。過程①表示去除細胞核，該過程一般要在卵母細胞培養至適當時期再進行，去核時常采用______________ 的方法。②代表的過程是______________ 。

（2）經過多次傳代后，供體細胞中 ______________ 的穩定性會降低。因此，選材時必須關注傳代次數。

（3）若獲得的克隆動物與供體動物性狀不完全相同，從遺傳物質的角度分析其原因是 ______________ 。

（4）與克隆羊“多莉（利）”培養成功一樣，其他克隆動物的成功獲得也證明了______________。

【解析】（1）提供體細胞的供體可能為雌性，也可能為雄性，因此圖中A（正常細胞核）的性染色體組成為XX或XY。常采用顯微操作去核法來去除卵母細胞的細胞核。②過程表示將早期胚胎移入受體，該過程稱為胚胎移植。（2）取供體動物的體細胞培養，一般選用傳代10代以內的細胞，因為10代以內的細胞一般能保持正常的二倍體核型，保證了供體細胞正常的遺傳基礎。若超過10代繼續培養，則其遺傳物質（或核型）的穩定性會降低。（3）克隆動物的細胞核基因來自供體，因此大部分性狀與供體相同，但細胞質基因來源于受體（或提供卵母細胞的個體），即卵母細胞的細胞質中的遺傳物質會對克隆動物的性狀產生影響，所以克隆動物的性狀與供體不完全相同。（4）克隆動物的培育采用的是核移植技術，核移植技術的原理是已經分化的動物體細胞核具有全能性。

【答案】（1）XX或XY 顯微操作 胚胎移植 （2）遺傳物質 （3）卵母細胞的細胞質中的遺傳物質會對克隆動物的性狀產生影響 （4）已經分化的動物體細胞核具有全能性

（四）生態工程的基本原理

1.物質循環再生原理：物質在生態系統中循環往復、分層分級利用。

2.物種多樣性原理：物種繁多而復雜的生態系統具有較高的抵抗力穩定性。

3.協調與平衡原理：處理好生物與環境的協調與平衡，需要考慮環境承載力。

4.整體性原理：進行生態工程建設時，不僅要考慮自然生態系統的規律，更重要的是，還要考慮經濟和社會等系統的影響力。

5.系統學和工程學原理：包括系統的結構決定功能原理和系統整體性原理。

【歸納總結】幾種典型生態工程的原理歸納：

（1）單一人工林比天然混交林穩定性低，易爆發蟲害——物種多樣性原理。

（2）草原確定合理載畜量，不能過度放牧——協調與平衡原理。

（3）引種考慮適應環境——協調與平衡原理。

（4）林業生態工程建設，既要考慮種樹問題又要考慮生活問題——整體性原理。

五、找準角度、突破難點

（一）與DNA有關的酶的比較歸納

（二）“工程?！敝R大盤點

1.不同“工程?！钡膮^別

2.不同“工程?！钡墓餐c：都需將發育后的早期胚胎移入受體子宮內發育成后代。

（三）克隆動物、試管動物與轉基因動物遺傳特性的比較

（四）胚胎工程中八個有關“兩”的問題

1.受精過程中防止多精入卵的兩道屏障——第一道屏障為精子穿越透明帶后的“透明帶反應”，第二道屏障為精子入卵后的“卵細胞膜反應”。

2.體外受精時精子獲能的兩種常用方法——培養法和化學誘導法。

3.胚胎工程中兩次使用促性腺激素——對供體使用促性腺激素，以促其“多排卵”；對供、受體使用促性腺激素以作“同期發情處理”。

4.胚胎移植時把握兩個發育期——桑椹胚期和囊胚期。

5.胚胎移植過程中的兩次檢查——對胚胎進行質量檢查（此時應發育到桑椹胚或囊胚階段）；對受體母牛進行是否妊娠的檢查。

6.胚胎早期培養時，培養液中的三個“兩”——兩鹽（無機鹽、有機鹽）；兩素（激素、維生素）；兩酸（氨基酸、核苷酸）。

7.胚胎分割中需關注的兩個部位——滋養層（可用于取樣用作DNA分析以鑒定性別）、內細胞團（需將其均等分割，否則會影響分割后胚胎的恢復和進一步發育）。

8.引發倫理爭論的兩大技術——生殖性克隆技術、設計試管嬰兒技術。

六、強化訓練

1.（2014·江蘇卷·23）下列關于基因工程技術的敘述，錯誤的是（ ）

A.切割質粒的限制性核酸內切酶均特異性地識別6個核苷酸序列

B.PCR反應中溫度的周期性改變是為了DNA聚合酶催化不同的反應

C.載體質粒通常采用抗生素合成基因作為篩選標記基因

D.抗蟲基因即使成功地插入到植物細胞染色體上也未必能正常表達

2.下列關于胚胎工程的敘述，錯誤的 是（ ）

A.胚胎移植的供體和受體必須是同種生物

B.對收集的胚胎、移植后是否妊娠都要進行檢查

C.胚胎干細胞在體外培養能增殖但不能被誘導分化

D.為了提高已有胚胎的利用率，可采用胚胎分割技術

3.下列關于生態工程的相關敘述，錯誤的是（ ）

A.生態工程是實現循環經濟的最重要手段之一

B.農村綜合發展型生態工程實現了物質和能量的循環利用

C.“平堤行洪、退田還湖、移民建鎮”是濕地恢復工程的重要方針

D.城市環境生態工程建設的主要原理：協調與平衡原理、整體性原理

4.現代生物技術應用廣泛，下列有關敘述錯誤的是（ ）

A.由于生殖隔離，轉基因農作物不會將目的基因傳給雜草

B.反對設計試管嬰兒的原因之一是有人濫用此技術選擇性設計嬰兒

C.若轉基因植物的外源基因來源于自然界，則也可能存在安全性問題

D.當今社會的普遍觀點是禁止克隆人的實驗，但不反對治療性克隆

5.下圖為植物體細胞雜交技術流程圖，其中甲和乙分別表示兩種二倍體植物細胞，所含有的染色體組分別是AA和BB。據圖分析不正確的是（ ）

A.圖中①過程發生的化學變化是纖維素和果膠的水解

B.經過②和③過程形成的c細胞只有AABB這一種類型

C.過程②一般使用聚乙二醇作為誘導劑

D.過程④和⑤分別是脫分化和再分化

6.下圖為人體抗胃癌單克隆抗體的制備過程。下列有關敘述錯誤的是（ ）

A.甲是能與人體抗胃癌抗體特異性結合的抗原

B.細胞融合獲得乙的原理和植物原生質體融合的原理基本相同

C.用特定選擇培養基對乙進行篩選，融合細胞均能生長，未融合細胞均不能生長

D.丙需進行克隆化培養和抗體檢測，多次篩選后可獲得能分泌所需抗體的丁

7.內皮素（ET）是一種含21個氨基酸的多肽，它有強烈的血管收縮和促進平滑肌細胞增殖等作用。研究發現內皮素功能異常與高血壓、糖尿病、癌癥等有著密切聯系。內皮素主要通過與靶細胞膜上的內皮素受體結合而發揮生物學效應。ETA是內皮素的主要受體，科研人員試圖通過構建基因表達載體，實現ETA基因在細胞中的高效表達，為后期ETA的體外研究以及拮抗劑的篩選、活性評價等奠定基礎，其過程如下圖所示（圖中SNAP基因是一種熒光蛋白基因，限制酶ApaⅠ的識別序列為C↓CCGGG，限制酶XhoⅠ的識別序列為C↓TCGAG）。請分析回答：

（1）完成過程①需要的酶是 ______________；與過程②相比，過程①特有的堿基配對方式是______________。

（2）過程③中，限制酶XhoⅠ切割DNA，使 ______________ 鍵斷開，形成目的基因的黏性末端是______________ 。用兩種限制酶切割，獲得不同的黏性末端，其主要目的是 ______________。

（3）過程⑥中，要用______________ 預先處理大腸桿菌，使其處于容易吸收外界DNA的感受態。

（4）利用SNAP基因與ETA基因結合構成融合基因，目的是 ______________ 。

（5）人皮膚黑色素細胞上有內皮素的特異受體，內皮素與黑色素細胞膜上的受體結合后，會刺激黑色素細胞的分化、增殖并激活酪氨酸酶的活性，從而使黑色素急劇增加。美容時可以利用注射ETA達到美白祛斑效果，這是因為ETA能與內皮素結合，減少了內皮素與 ______________的結合，抑制了內皮素對黑色素細胞的增殖和黑色素的形成。

（參考答案見第86頁）