資源簡介

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專題八　細胞工程和基因工程
專題突破
第1講　細胞工程
【思維導圖】
【考點梳理】
考點1　植物細胞工程
1.理論基礎——植物細胞具有全能性
細胞的全能性:細胞經分裂和分化后,仍然具有產生完整生物體或分化成其他各種細胞的潛能。
2.植物組織培養技術
(1)概念
植物組織培養:將離體的植物器官、組織或細胞等,培養在人工配制的培養基上,給予適宜的培養條件,誘導其形成完整植株的技術。
(2)過程
外植體 愈傷組織 根、芽等 → 試管苗 完整植株
主要包括脫分化和再分化。
脫分化:已經分化的細胞失去其特有的結構和功能,轉變成未分化的細胞,進而形成不定形的薄壁組織團塊(愈傷組織)。
再分化:愈傷組織能重新分化成根、芽等器官的過程。
生長素和細胞分裂素是啟動細胞分裂、脫分化和再分化的關鍵性激素,二者的濃度、比例等都會影響植物細胞的發育方向。
3.植物體細胞雜交技術
(1)概念:將不同來源的植物體細胞,在一定條件下融合成雜種細胞,并把雜種細胞培育成新植物體的技術。
(2)過程
意義:克服了遠緣雜交不親和的障礙,獲得雜種植株。
4.植物細胞工程的應用
(1)植物繁殖的新途徑
快速繁殖:快速繁殖優良品種的植物組織培養技術,也叫微型繁殖。高效、快速、保持優良品種的遺傳特性。
作物脫毒:莖尖等病毒極少,甚至無病毒。莖尖組織培養獲得脫毒苗。
考點2　動物細胞工程
1.動物細胞培養——動物細胞工程的基礎
(1)條件
充足營養:需加血清。
無菌、無毒環境。
適宜溫度、pH和滲透壓。
適宜的氣體環境:主要有O2和CO2。O2是細胞代謝所必需的,CO2的主要作用是維持培養液的pH。
(2)過程
取動物組織剪碎→用胰蛋白酶或膠原蛋白酶處理→制成細胞懸液→轉入培養瓶中進行原代培養→用胰蛋白酶或膠原蛋白酶處理→分瓶進行傳代培養→收集。
細胞貼壁:細胞貼附在瓶壁上生長增殖的現象。
接觸抑制:當貼壁細胞分裂生長到表面相互接觸時,細胞就會停止分裂增殖的現象。
(3)干細胞培養
干細胞包括胚胎干細胞(簡稱ES細胞)和成體干細胞。
胚胎干細胞:來源于早期胚胎。具有分化為成年動物體內的任何一種類型的細胞并進一步形成機體的所有組織和器官甚至個體的潛能。
成體干細胞:只能分化成特定的細胞或組織,不具有發育成完整個體的能力。
誘導多能干細胞(簡稱iPS細胞):通過體外誘導成纖維細胞,獲得類似胚胎干細胞的一種細胞。iPS細胞可分化成各種細胞、組織等,可解決器官移植中器官來源和免疫排斥兩大難題。
2.動物細胞融合技術與單克隆抗體
(1)動物細胞融合技術的概念:使兩個或多個動物細胞結合形成一個細胞的技術。
融合后形成的雜交細胞具有原來兩個或多個細胞遺傳信息。
意義:主要用來制備單克隆抗體。
(2)誘導融合方法:PEG融合法、電融合法和滅活病毒誘導法等。
(3)單克隆抗體的制備——雜交瘤技術
雜交瘤細胞的特點:既能大量繁殖,又能產生抗體。
單克隆抗體的優點:特異性強、靈敏度高,并能大量制備。
(4)單克隆抗體的應用
①作為診斷試劑——單克隆抗體最廣泛的用途
準確識別各種抗原物質的細微差異,與特定抗原發生特異性結合作為診斷試劑。如早早孕試劑盒,用同位素或熒光標記的單克隆抗體可定位診斷腫瘤、心腦血管疾病等。
②用于治療疾病和運載藥物
抗體-藥物偶聯物(ADC):通常由抗體、接頭和藥物三部分組成。如將細胞毒素與能特異性識別腫瘤抗原的單克隆抗體結合,實現了對腫瘤細胞選擇性殺傷。單克隆抗體:起靶向運載藥物的作用。
單克隆抗體藥物用于治療疾病。
3.核移植技術和克隆動物
(1)動物細胞核移植技術:將動物一個細胞的細胞核移入去核的卵母細胞中,使這個重新組合的細胞發育成新胚胎,繼而發育成動物個體的技術。
(2)克隆動物:用核移植的方法得到的動物。
(3)原理:動物細胞核的全能性。
(4)種類:胚胎細胞核移植(比較容易)和體細胞核移植(比較難)。
(5)過程
(6)應用
畜牧業:加速家畜遺傳改良進程,促進良畜群繁育等。
醫藥衛生:轉基因克隆動物作為生物反應器生產醫用蛋白等。
其他領域:了解胚胎發育及衰老過程、保護瀕危物種等。
考點3　胚胎工程
1.理論基礎
(1)受精
①包括準備階段(精子獲能、卵子準備)和受精階段。
精子必須在雌性動物生殖道內發生相應生理變化后,才能獲得受精的能力。
剛排出的卵子需要在輸卵管內進一步成熟,到減數第二次分裂(MⅡ)中期才具備與精子受精的能力。
②受精階段:精子穿越卵細胞膜外的結構(透明帶)→精子接觸卵細胞膜→精子進入卵細胞→雌、雄原核形成→雌、雄原核融合(實質階段)→受精卵。
精子接觸卵細胞膜瞬間,透明帶迅速發生生理反應,會阻止后來的精子繼續穿過透明帶。
精子進入卵細胞后,卵細胞膜立即發生生理反應,防止其他精子進入卵內。
完成受精的標志:卵細胞膜和透明帶之間出現2個極體。
(2)胚胎早期發育
受精卵→2細胞→4細胞→8細胞→桑椹胚→囊胚
受精卵早期分裂在透明帶內進行,細胞數量增加,但胚胎總體積不增加,這稱為卵裂。
囊胚出現了內細胞團、滋養層和囊胚腔。內細胞團將來發育成胎兒各種組織;滋養層將來發育成胎膜和胎盤。
孵化:囊胚進一步擴大,導致透明帶破裂,胚胎從其中伸展出來。
2.胚胎工程技術及其應用
(1)體外受精
主要包括卵母細胞的采集和培養、精子的采集和獲能、受精等步驟。
(2)胚胎移植
①概念:將通過體外受精及其他方式得到的胚胎,移植到同種的、生理狀態相同的其他雌性動物的體內,使之發育為新個體的技術。供體:提供胚胎的個體。受體:接受胚胎的個體。
②過程
供體和受體的生理環境條件要保持一致。
③實質:早期胚胎在相同生理環境條件下空間位置的轉移。
(3)胚胎分割
①概念:指采用機械方法將早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份等,經移植獲得同卵雙胎或多胎的技術。
選擇發育良好的,形態正常的桑椹胚或囊胚進行分割。分割囊胚要將內細胞團均等分割。
②特點:后代具有相同的遺傳物質。
典型示范一
細胞融合技術有著廣泛應用。下圖為細胞融合的簡略過程,據圖回答相關問題:

(1)若a、b分別是基因型為yyRr和YYrr兩個玉米品種的花粉,且這兩對基因分別位于兩對同源染色體上。科學家分別將它們的花粉除去細胞壁,然后誘導其融合,再把這些融合細胞進行培養,培育出了玉米新品種。
①這兩個品種的花粉可用化學誘導劑　　　　　誘導融合,這些融合細胞經過脫分化形成　　　　　。
②若想培育出基因型為yyRR的玉米植株,也可直接用yyRr植株的花粉培養,再經過　　　　　處理并篩選獲得,這種育種方法叫作　　　　　　　　。
【答案】　(1)①聚乙二醇(PEG)　愈傷組織　
②秋水仙素　單倍體育種
【詳解】　(1)①原生質體可以用聚乙二醇誘導融合,這些融合細胞經過脫分化形成愈傷組織。②直接用yyRr植株的花粉(yR、yr)經過秋水仙素處理得到yyRR、yyrr,篩選獲得yyRR,這種育種方法叫作單倍體育種。
細胞融合技術有著廣泛應用。下圖為細胞融合的簡略過程,據圖回答相關問題:

(2)若a、b表示番茄和馬鈴薯兩種植物的體細胞,請據圖回答:在“番茄—馬鈴薯”的培育過程中,運用了植物細胞工程中的 　　　　技術,植物體細胞融合完成的標志為　　　　　。a、b細胞融合之前,要用到的酶是　　　　　。
【答案】　(2)植物體細胞雜交　雜種細胞再生出新的細胞壁　纖維素酶和果膠酶
【詳解】　(2)在“番茄—馬鈴薯”的培育過程中,運用了植物細胞工程中的植物體細胞雜交技術;植物體細胞融合完成的標志為雜種細胞再生出新的細胞壁;a、b細胞融合之前,要用到的酶是纖維素酶和果膠酶,用于去除細胞壁。
【重點歸納】　植物組織培養技術:將離體的植物器官、組織或細胞等,培養在人工配制的培養基上,給予適宜的營養條件,誘導其形成完整植株的技術。植物體細胞雜交過程: 先用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁,獲得原生質體,借助物理或化學方法誘導原生質體融合,得到的雜種細胞再經過誘導形成愈傷組織,并進一步發育成完整植株。
變式訓練一
某研究所在“神舟四號”飛船進入太空后為一對“新人”——黃花煙草(二倍體)的原生質體和革新一號煙草(二倍體)的原生質體舉辦了特殊的“婚禮”。將兩個“新人”放入融合器中,當充滿液體的融合器加上直流電場,兩個原本相互游離的細胞一下子貼到一起,開始了“竊竊私語”。緊接著,在瞬間高壓脈沖的作用下,兩股細胞質展開了“心靈溝通”。漸漸地,細胞核也扭擺著“親熱”起來,20 min后,一個新生命就這樣誕生了。地面實驗結果顯示:這種“太空煙草”比普通煙草個子矮、株稈粗、煙葉多,是我國太空育種試驗的一項重大成果。據此回答下列問題:
(1)由于細胞的密度不同,因此在地面上進行細胞融合非常困難。從理論上講,在太空中細胞更容易融合,可能的原因是 　　　　　　　　　　 。在顯微鏡下觀察,兩個“新人”的細胞膜融合在一起,使細胞呈圓球狀,這是因為膜具有　　　　　。
【答案】　(1)太空中重力作用很弱　一定的流動性
【詳解】　(1)由于細胞的密度不同,在地面上受重力影響,因此在地面上進行細胞融合非常困難。從理論上講,在太空中細胞更容易融合,可能的原因是與地面相比,太空中重力作用很弱,細胞融合率大大提高。兩個細胞的細胞膜能融合一起,是因為兩者細胞膜的組分和結構相似,均具有一定的流動性。
(2)兩種煙草原生質體融合時(只考慮兩個細胞融合),可能出現
　　　　　種融合結果,其中　　　　　　類型是我們需要的,融合完成的標志是　　　　　　　。此細胞經組織培養后得到的植株屬　　　　　倍體。
【答案】　(2)3　黃花煙草與革新一號煙草原生質體融合　融合細胞再生細胞壁　四(異源四倍體)
【詳解】　(2)植物原生質體融合過程常利用化學試劑聚乙二醇(或PEG),若只考慮兩個細胞融合,則融合后有3種不同類型的原生質體,即黃花煙草—革新一號煙草原生質體融合、黃花煙草—黃花煙草原生質體融合、革新一號煙草—革新一號煙草原生質體融合,其中雜種原生質體黃花煙草—革新一號煙草原生質體融合是我們所需的。融合細胞再生細胞壁是原生質體融合完成的標志,該雜種細胞經植物組織培養之后得到的植株同時含有黃花煙草和革新一號煙草的染色體,即異源四倍體。
(3)這種“太空煙草”的培育過程是植物細胞工程的　　　　技術,該技術與傳統的有性雜交相比,其突出的優點是:　 　 。
【答案】　(3)植物體細胞雜交　在打破生殖隔離,實現遠緣雜交育種,培育植物新品種等方面有優勢
【詳解】　 (3)“太空煙草”的培育是利用相關技術將黃花煙草和革新一號煙草這兩個物種的優良性狀集中到一個個體,采用的是植物細胞工程的植物體細胞雜交技術。與傳統的有性雜交相比,能進行有性生殖的生物之間不存在生殖隔離,而黃花煙草和革新一號煙草屬于兩個物種,可見植物體細胞雜交能在打破生殖隔離,實現遠緣雜交育種,培育植物新品種等方面有優勢。
(4)“太空煙草”不一定能穩定遺傳,原因是: 　 。
【答案】　(4)如果“太空煙草”為純合子,無性繁殖和有性繁殖都能穩定遺傳;如果為雜合子,無性繁殖能穩定遺傳,有性繁殖會出現性狀分離;培養過程中也可能會發生基因突變,則“太空煙草”不能穩定遺傳
【詳解】　(4)通過無性繁殖技術能使性狀穩定遺傳,而能通過有性生殖穩定遺傳的品種一般都是純合子。“太空煙草”不一定能穩定遺傳,如果“太空煙草”為純合子,無性繁殖和有性繁殖都能穩定遺傳;如果為雜合子,無性繁殖能穩定遺傳,有性繁殖會出現性狀分離;培養過程中也可能會發生基因突變,則“太空煙草”不能穩定遺傳。
典型示范二
下圖為細胞融合的簡略過程,請據圖回答:

(1)植物細胞工程常用的基礎技術是　　　　　;動物細胞工程各技術手段的基礎是　　　　　。
【答案】　(1)植物組織培養　動物細胞培養
【詳解】　(1)植物細胞工程常用的技術手段有植物組織培養、植物體細胞雜交,其中植物組織培養是基礎技術,動物細胞工程包含的技術手段有動物細胞培養、動物細胞融合等,其中動物細胞培養是動物細胞工程的基礎。
下圖為細胞融合的簡略過程,請據圖回答:


(2)若圖中甲、乙是植物細胞,在細胞融合之前應用 　　　處理,除去　　　　　;甲細胞、乙細胞到丙細胞的過程中,常用的化學試劑是　　　　　;融合成功的標志是　 　　　　　。
【答案】　(2)纖維素酶和果膠酶　細胞壁　聚乙二醇(或PEG)　再生出新的細胞壁
【詳解】　(2)植物體細胞雜交前,先采用酶解法去除細胞壁,因此,若圖中甲、乙是植物細胞,在細胞融合之前先采用纖維素酶、果膠酶處理除去細胞壁,獲得原生質體;誘導甲細胞、乙細胞融合常用的化學方法是PEG誘導,此外還可通過物理的方法進行誘導;再生出細胞壁是原生質體融合完成的標志。
下圖為細胞融合的簡略過程,請據圖回答:


(3)與植物細胞相比,動物細胞融合特有的方法是　 。
【答案】　(3)滅活病毒誘導法
【詳解】　(3)誘導植物原生質體融合的方法有:物理方法(電融合法、離心法等);化學方法(聚乙二醇(PEG)融合法、高Ca2+-高pH融合法等)。誘導動物細胞融合的方法有PEG融合法、電融合法和滅活病毒誘導法等。顯然滅活病毒誘導法是動物細胞融合特有的方法。因此,與植物細胞相比,動物細胞融合特有的誘導融合的方法是滅活病毒誘導法。
下圖為細胞融合的簡略過程,請據圖回答:


(4)若利用動物細胞融合技術來生產單克隆抗體,應將　　 和
　　　進行融合,融合后需經多次篩選,以得到能產生特定抗體的雜交瘤細胞,第一次篩選一般利用　　　　　進行,第二次篩選需對細胞進行反復的克隆化培養和抗體檢測,以篩選出能產生特定抗體的雜交瘤細胞。
【答案】　(4)B淋巴細胞　骨髓瘤細胞　選擇培養基
【詳解】　(4)若利用動物細胞融合技術來生產單克隆抗體,應將經免疫的B細胞(效應B細胞)和骨髓瘤細胞融合,融合后需經多次篩選,以得到能產特異抗體的雜交瘤細胞,第一次篩選一般利用選擇培養基(HAT培養基)進行,第二次篩選需對細胞進行反復的克隆化培養和抗體陽性檢測,以篩選出能產特定抗體的雜交瘤細胞,然后在體外條件下大量制備單克隆抗體。
【重點歸納】　植物體細胞雜交實驗的原理是細胞膜的流動性,操作流程為去除細胞壁后誘導原生質體融合,誘導細胞融合的方法有離心、電融合、聚乙二醇融合等,該方法的優點是克服遠緣雜交不親和,從而獲得雜交植株。
單克隆抗體制備流程:先給小鼠注射特定抗原使之發生免疫反應,之后從小鼠脾臟中獲取已經免疫的B淋巴細胞;誘導B細胞和骨髓瘤細胞融合,利用選擇培養基篩選出雜交瘤細胞;進行抗體檢測,篩選出能產生特定抗體的雜交瘤細胞;進行克隆化培養,即用培養基培養和注入小鼠腹腔中培養;最后從培養液或小鼠腹水中獲取單克隆抗體。
變式訓練二
2006年中國首例帶有抗瘋牛病轉基因體細胞的克隆牛順利降生。作為克隆牛,其培育過程如下圖所示:

(1)細胞A是　　　　　,細胞B是　 　　　　　。
【答案】　(1)高度分化的體細胞　卵母細胞
【詳解】　(1)細胞A是甲牛體內已高度分化的體細胞,細胞B是乙牛體內的卵母細胞。去核的卵母細胞可作為受體細胞。
2006年中國首例帶有抗瘋牛病轉基因體細胞的克隆牛順利降生。作為克隆牛,其培育過程如下圖所示:

(2)一個重組細胞D發育成丁牛生出,涉及的細胞增殖方式是　　　　　　　　。
【答案】　(2)有絲分裂
【詳解】　(2)一個重組細胞D發育成丁牛生出,屬于個體發育,其涉及的細胞增殖方式只有有絲分裂。
2006年中國首例帶有抗瘋牛病轉基因體細胞的克隆牛順利降生。作為克隆牛,其培育過程如下圖所示:

(3)丁牛的性別和　　牛的性別相同,原因是　 。
【答案】　(3)甲　牛的性別由細胞內的性染色體決定,丁牛的性染色體與甲牛相同
【詳解】　(3)由于牛的性別由細胞內的性染色體決定,而丁牛的性染色體與甲相同,所以丁牛的性別和甲牛的性別相同。
2006年中國首例帶有抗瘋牛病轉基因體細胞的克隆牛順利降生。作為克隆牛,其培育過程如下圖所示:

(4)培育抗瘋牛病克隆牛所使用的技術手段是 　 。
【答案】　(4)動物細胞培養、核移植和胚胎移植、轉基因技術
【詳解】　(4)據圖可知,培育抗瘋牛病克隆牛所使用的技術手段是動物細胞培養、核移植和胚胎移植、轉基因技術。
2006年中國首例帶有抗瘋牛病轉基因體細胞的克隆牛順利降生。作為克隆牛,其培育過程如下圖所示:

(5)上述方法培育出克隆動物,與植物組織培養技術培育出完整的植株相比,獲得的后代在遺傳物質方面有什么不同
　 。
【答案】　(5)在遺傳物質上(不考慮發育過程中的變異),植物組織培養形成的植株與提供體細胞的植株完全相同,克隆動物體內有卵母細胞細胞質的基因,所以克隆動物的遺傳物質與提供體細胞核的動物不完全相同
【詳解】　(5)上述方法培育出克隆動物,與植物組織培養技術培育出完整的植株相比,獲得的后代在遺傳物質上有區別。植物組織培養形成的植株與提供體細胞的植株完全相同,克隆動物體內有卵母細胞細胞質的基因,所以克隆動物的遺傳物質,與提供體細胞核的動物不完全相同。
典型示范三
“試管嬰兒”技術是指用人工的技術,將不孕夫婦的精子和卵細胞取出在試管中完成受精,并在試管中培養發育到一定時期,再將胚胎移入女性子宮內發育成胎兒。該技術實現了不孕夫婦當爸爸媽媽的愿望。目前,我國每年試管嬰兒數量逾20萬例次。試管嬰兒的培育過程如圖所示。回答下列問題。
(1)“試管嬰兒”技術中體外受精主要包括卵母細胞的采集、精子的獲取和受精等步驟。首先給不孕妻子注射　　　　　,使其超數排卵,并將沖出的卵子培養到　　　　　期,然后與獲能的精子完成體外受精。
【答案】　(1)促性腺激素　減數第二次分裂中
【詳解】　(1)促性腺激素能促進母體超數排卵。卵細胞則要培養到減數分裂第二次分裂中期(或MII中)才能與精子結合。
(2)受精卵早期發育有一段時間是在透明帶內進行,這一時期稱為　　　　　。當早期胚胎發育到桑椹胚期時,移植到妻子的
　　　　中繼續完成胚胎發育。在植入前,通常取　　　　　階段的滋養層進行基因檢測等測試。
【答案】　(2)卵裂　子宮　囊胚
【詳解】　(2)胚胎發育的早期有一段時間是在透明帶內進行的,這一時期稱為卵裂期,其特點是細胞分裂方式為有絲分裂,細胞數量不斷增加,但胚胎的總體積并不增加,甚至略有縮小。
當早期胚胎發育到桑椹胚期時,移植到妻子的子宮中繼續完成胚胎發育。目前,對胚胎的性別進行鑒定的最有效最準確的方法是SRY-PCR法,即從被測的囊胚中取出幾個滋養層細胞,提取DNA進行檢測。
(3)胚胎在植入前還要進行染色體檢查,該項技術對人口優生的益處與對性別比例的潛在影響:①對優生的益處是及時發現染色體異常遺傳病,有效規避該類遺傳病;②對性別比例的潛在影響是 　 。
【答案】(3)非法進行胎兒性別鑒定,容易導致人口性別比例失衡
【詳解】(3)胚胎在植入母體前可以進行染色體檢查,該項操作對人口優生的益處是規避染色體遺傳病;對性別比例的潛在影響是可能用于選擇胎兒性別,非法進行胎兒性別鑒定,容易導致人口性別比例失衡。
(4)要得到“同卵雙胞胎”,采用的技術是　　　　　,同卵雙胞胎性別　　　　　(填“相同”或“不相同”)
【答案】　(4)胚胎分割　相同
【詳解】　(4)來自同一個胚胎的后代具有相同的遺傳物質,因此采用胚胎分割移植技術可獲得“同卵雙胞胎”。用這種方式誕生的雙胞胎,其性別相同。
【重點歸納】　試管動物技術是指通過人工操作使卵子和精子在體外條件下成熟和受精,并通過培養發育為早期胚胎后,再經移植后產生后代的技術。胚胎分割時,一般采用發育良好、形態正常的桑椹胚或囊胚。對囊胚期的胚胎進行分割時,要特別注意將內細胞團均等分割,否則會影響分割后的胚胎恢復和進一步發育。來自同一胚胎分割產生的后代具有相同的遺傳物質,因此,胚胎分割可以看作動物無性繁殖(或克隆)的方法之一。
【答案】　(1)促性腺　同期發情　生理狀態
【詳解】　(1)圖中①過程常用促性腺激素促進布朗瑞士奶牛超數排卵。在胚胎移植過程中為了使供、受體具有相同的生理狀態,需要用激素對供、受體進行同期發情處理。
【答案】　(2)囊胚　滋養層
【詳解】　(2)早期胚胎發育到囊胚期時出現內細胞團和滋養層細胞的分化,內細胞團將來發育為胎兒的各種組織,滋養層的細胞將來發育為胎膜和胎盤,因此在圖中④胚胎移植前可以取囊胚期的滋養層的細胞進行性別鑒定,這樣不影響胚胎的繼續發育。
【答案】　(3)桑椹胚　囊胚　內細胞團　二
【詳解】　(3)進行胚胎分割時,應選擇發育良好、形態正常的桑椹胚或囊胚,選擇囊胚對其進行分割時要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。到目前為止,仍然以二分胚胎的分割和移植效率最高。
真題回顧
1.(2020·天津卷)某植物有A、B兩品種。科研人員在設計品種A組織培養實驗時,參照品種B的最佳激素配比(見下表)進行預實驗。

據表回答:
(1)Ⅰ階段時通常選擇莖尖、幼葉等作為外植體,原因是　 。
品種B
組織培養階段 細胞分裂素濃度
(μmol/L) 生長素濃度
(μmol/L)
Ⅰ誘導形成愈傷組織 m1 n1
Ⅱ誘導形成幼芽 m2 n2
Ⅲ誘導生根 m3 n3
【答案】　(1)細胞分化程度低,容易誘導產生愈傷組織
【詳解】　(1)在誘導愈傷組織形成時,通常采用莖尖、幼葉做外植體,因為這些部位的細胞分裂能力強、分化程度低,全能性容易表達,容易誘導產生愈傷組織。
1.(2020·天津卷)某植物有A、B兩品種。科研人員在設計品種A組織培養實驗時,參照品種B的最佳激素配比(見下表)進行預實驗。

據表回答:
(2)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段中發生基因選擇性表達的是　　　　階段。
品種B
組織培養階段 細胞分裂素濃度
(μmol/L) 生長素濃度
(μmol/L)
Ⅰ誘導形成愈傷組織 m1 n1
Ⅱ誘導形成幼芽 m2 n2
Ⅲ誘導生根 m3 n3
【答案】　(2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
【詳解】　(2)Ⅰ過程愈傷組織形成是離體的植物細胞脫分化的結果,脫分化過程中細胞的結構和功能發生的明顯改變,成為未分化狀態;Ⅱ、Ⅲ過程形成幼芽、根的過程存在細胞的分化,分化和脫分化都存在基因的選擇性表達,故Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段都存在基因的選擇性表達。
1.(2020·天津卷)某植物有A、B兩品種。科研人員在設計品種A組織培養實驗時,參照品種B的最佳激素配比(見下表)進行預實驗。

據表回答:
(3)為確定品種A的Ⅰ階段的最適細胞分裂素濃度,參照品種B的激素配比(m1>2.0),以0.5 μmol/L為梯度,設計5個濃度水平的實驗,細胞分裂素最高濃度應設為　　　　　μmol/L。
品種B
組織培養階段 細胞分裂素濃度
(μmol/L) 生長素濃度
(μmol/L)
Ⅰ誘導形成愈傷組織 m1 n1
Ⅱ誘導形成幼芽 m2 n2
Ⅲ誘導生根 m3 n3
【答案】　(3)m1+1.0
【詳解】　(3)根據題意,表中數據為品種B的最佳激素配比,若要確定品種A的Ⅰ階段最佳細胞分裂素濃度,以0.5 μmol/L為梯度,
可參考m1為中間值,故實驗中細胞分裂素最高濃度可設為m1+1.0 μmol/L。
1.(2020·天津卷)某植物有A、B兩品種。科研人員在設計品種A組織培養實驗時,參照品種B的最佳激素配比(見下表)進行預實驗。

據表回答:
(4)Ⅲ階段時,科研人員分別選用濃度低于或高于n3 μmol/L的生長素處理品種A幼芽都能達到最佳生根效果,原因是處理幼芽時,選用低濃度生長素時的處理方法為 　　　　　　　　,選用高濃度生長素時的處理方法為　 。
品種B
組織培養階段 細胞分裂素濃度
(μmol/L) 生長素濃度
(μmol/L)
Ⅰ誘導形成愈傷組織 m1 n1
Ⅱ誘導形成幼芽 m2 n2
Ⅲ誘導生根 m3 n3
【答案】　(4)浸泡法(長時間處理)　沾蘸法(短時間處理)
【詳解】　(4)實驗中用生長素處理插條的方法可選用浸泡法或沾蘸法,浸泡法時間長、所需濃度低,而沾蘸法處理時間短、所需濃度高;因此Ⅲ過程中分別選用濃度低于或高于n3 μmol/L的生長素處理品種A的幼苗芽,選用低濃度生長素時的處理方法為浸泡法,時間長,而選用高濃度生長素時處理方法為沾蘸法,時間短,都能達到比較適宜的濃度,達到最佳生根效果。
1.(2020·天津卷)某植物有A、B兩品種。科研人員在設計品種A組織培養實驗時,參照品種B的最佳激素配比(見下表)進行預實驗。

據表回答:
(5)在　　　　　階段用秋水仙素對材料進行處理,最易獲得由單個細胞形成的多倍體。
品種B
組織培養階段 細胞分裂素濃度
(μmol/L) 生長素濃度
(μmol/L)
Ⅰ誘導形成愈傷組織 m1 n1
Ⅱ誘導形成幼芽 m2 n2
Ⅲ誘導生根 m3 n3
【答案】　(5)Ⅰ
【詳解】　(5)秋水仙素可抑制紡錘體形成,導致染色體加倍形成多倍體,愈傷組織分裂旺盛,故在Ⅰ階段用秋水仙素處理,最易獲得由單個細胞形成的多倍體。
2.(2020·全國Ⅰ卷)為研制抗病毒A的單克隆抗體,某同學以小鼠甲為實驗材料設計了以下實驗流程。

回答下列問題:
(1)上述實驗前必須給小鼠甲注射病毒A,該處理的目的是　 。
【答案】(1)誘導小鼠甲產生能夠分泌抗病毒A抗體的B淋巴細胞
【詳解】(1)實驗前給小鼠甲注射病毒A,是為了誘導小鼠甲產生能夠分泌抗病毒A抗體的B淋巴細胞。
2.(2020·全國Ⅰ卷)為研制抗病毒A的單克隆抗體,某同學以小鼠甲為實驗材料設計了以下實驗流程。

回答下列問題:
(2)寫出以小鼠甲的脾臟為材料制備單細胞懸液的主要實驗步驟:　 。
【答案】　(2)取小鼠甲脾臟剪碎,用胰蛋白酶處理使其分散成單個細胞,加入培養液制成單細胞懸液
【詳解】　(2)取小鼠的脾臟,剪碎組織,用胰蛋白酶處理獲得單個細胞,加入培養液可以制成單細胞懸液。
2.(2020·全國Ⅰ卷)為研制抗病毒A的單克隆抗體,某同學以小鼠甲為實驗材料設計了以下實驗流程。

回答下列問題:
(3)為了得到能產生抗病毒A的單克隆抗體的雜交瘤細胞,需要進行篩選。圖中篩選1所采用的培養基屬于　　　　　　　　,使用該培養基進行細胞培養的結果是　　　　　　　　　　。圖中篩選2含多次篩選,篩選所依據的基本原理是　 。
【答案】　(3)選擇培養基　只有雜交瘤細胞能夠生存　
抗原與抗體的反應具有特異性
【詳解】　(3)圖中篩選1需要用到選擇培養基,只有雜交瘤細胞可以存活。篩選2是為了獲得能產生特定抗體的雜交瘤細胞,該過程要用到抗原抗體雜交,故篩選所依據的原理是抗原—抗體反應具有特異性。
2.(2020·全國Ⅰ卷)為研制抗病毒A的單克隆抗體,某同學以小鼠甲為實驗材料設計了以下實驗流程。

回答下列問題:
(4)若要使能產生抗病毒A的單克隆抗體的雜交瘤細胞大量增殖,可采用的方法有 　。(答出2點即可)。
【答案】　(4)將雜交瘤細胞注射到小鼠腹腔內增殖;將雜交瘤細胞在體外培養
【詳解】　(4)獲得能產生抗病毒A的單克隆抗體的雜交瘤細胞后,可以在體外培養液中進行培養,或在小鼠的腹腔中進行培養,使雜交瘤細胞大量增殖。
3.(2020·全國Ⅲ卷)W是一種具有特定功能的人體蛋白質。某研究小組擬仿照制備乳腺生物反應器的研究思路,制備一種膀胱生物反應器來獲得W,基本過程如圖所示。


(1)步驟①中需要使用的工具酶有　　　　　　。步驟②和③所代表的操作分別是　　　　　　　　和　　　　　　　　。步驟④稱為　　　　　　　　。
【答案】　(1)限制性核酸內切酶、DNA連接酶　顯微注射　
早期胚胎培養　胚胎移植
【詳解】　(1)由分析可知,步驟①為構建基因表達載體,需使用同種限制酶切割目的基因和運載體,再由DNA連接酶連接黏性末端,形成重組表達載體;步驟②為顯微注射;步驟③為早期胚胎培養;步驟④為胚胎移植。
3.(2020·全國Ⅲ卷)W是一種具有特定功能的人體蛋白質。某研究小組擬仿照制備乳腺生物反應器的研究思路,制備一種膀胱生物反應器來獲得W,基本過程如圖所示。


(2)與乳腺生物反應器相比,用膀胱生物反應器生產W的優勢在于不受轉基因動物的 　 (答出2點即可)的限制。
【答案】　(2)性別、年齡
【詳解】　(2)與乳腺生物反應器相比,用膀胱生物反應器生產W,可從動物一出生就收集產物,不受動物的性別和年齡的限制。
3.(2020·全國Ⅲ卷)W是一種具有特定功能的人體蛋白質。某研究小組擬仿照制備乳腺生物反應器的研究思路,制備一種膀胱生物反應器來獲得W,基本過程如圖所示。


(3)一般來說,在同一動物個體中,乳腺上皮細胞與膀胱上皮細胞的細胞核中染色體DNA所含的遺傳信息　　　　　(填相同或不同),原因是　 　 。
【答案】　(3)相同　
兩種上皮細胞都是體細胞,且來源于同一個受精卵
【詳解】　(3)在同一動物個體中,乳腺上皮細胞與膀胱上皮細胞是由同一個受精卵有絲分裂產生的體細胞,其細胞核中染色體DNA所含的遺傳信息相同。
3.(2020·全國Ⅲ卷)W是一種具有特定功能的人體蛋白質。某研究小組擬仿照制備乳腺生物反應器的研究思路,制備一種膀胱生物反應器來獲得W,基本過程如圖所示。


(4)從上述流程可知,制備生物反應器涉及胚胎工程,胚胎工程中所用到的主要技術有 　 (答出2點即可)。
【答案】　(4)體外受精、胚胎移植
【詳解】　(4)由分析可知,步驟③為早期胚胎培養,步驟④為胚胎移植,均屬于胚胎工程;另外,體外受精也屬于胚胎工程。
4.(2022·全國甲卷)某牧場引進一只產肉性能優異的良種公羊,為了在短時間內獲得具有該公羊優良性狀的大量后代,該牧場利用胚胎工程技術進行了相關操作。回答下列問題:
(1)為了實現體外受精需要采集良種公羊的精液,精液保存的方法是 　　　　　　　　　　。在體外受精前要對精子進行獲能處理,其原因是　 　　　　　　　　　　　;精子體外獲能可采用化學誘導法,誘導精子獲能的藥物是　　　　　　　　(答出1點即可)。利用該公羊的精子進行體外受精需要發育到一定時期的卵母細胞,因為卵母細胞達到　 　　　　　　　　時才具備與精子受精的能力。
【答案】　(1)冷凍保存　剛排出的精子必須在雌性生殖道內發生相應生理變化后才能獲得受精能力　
肝素或鈣離子載體A23187　MⅡ中期
【詳解】　(1)精液可以冷凍保存,使用前再將精液解凍離心分離。剛排出的精子必須在雌性生殖道內發生相應生理變化后才能獲得受精能力,故在體外受精前要對精子進行獲能處理。通常采用的體外獲能方法有培養法和化學誘導法,化學誘導法是將精子放在一定濃度的肝素或鈣離子載體A23187溶液中,用化學藥物誘導精子獲能。卵母細胞需要培養到減數第二次分裂中期(MⅡ中期)才能具備與精子受精的能力。
4.(2022·全國甲卷)某牧場引進一只產肉性能優異的良種公羊,為了在短時間內獲得具有該公羊優良性狀的大量后代,該牧場利用胚胎工程技術進行了相關操作。回答下列問題:
(2)體外受精獲得的受精卵發育成囊胚需要在特定的培養液中進行,該培養液的成分除無機鹽、激素、血清外,還含的營養成分有　　　　　　　　　　(答出3點即可)等。將培養好的良種囊胚保存備用。
【答案】　(2)維生素、氨基酸、核苷酸
【詳解】　(2)進行早期胚胎培養的培養液中,除了無機鹽、激素、血清外,還含有維生素、氨基酸、核苷酸等。
4.(2022·全國甲卷)某牧場引進一只產肉性能優異的良種公羊,為了在短時間內獲得具有該公羊優良性狀的大量后代,該牧場利用胚胎工程技術進行了相關操作。回答下列問題:
(3)請以保存的囊胚和相應數量的非繁殖期受體母羊為材料進行操作,以獲得具有該公羊優良性狀的后代。主要的操作步驟是 　 。
【答案】　(3)對受體母羊進行發情處理,將保存的囊胚進行胚胎移植,對受體母羊進行是否妊娠的檢查,一段時間后受體母羊產下具有該公羊優良性狀的后代
【詳解】　(3)要利用保存的囊胚和相應數量的非繁殖期受體母羊為材料,獲得具有該公羊優良性狀的后代,主要是利用胚胎移植技術,即對受體母羊進行發情處理,將保存的囊胚進行胚胎移植,對受體母羊進行是否妊娠的檢查,一段時間后受體母羊產下具有該公羊優良性狀的后代。(共65張PPT)
專題八　細胞工程和基因工程
專題突破
第2講　基因工程
【思維導圖】
【考點梳理】
考點1　基因工程的基本工具
(1)限制性核酸內切酶(限制酶)——“分子手術刀”
①作用:切開磷酸二酯鍵。
②特點:識別雙鏈DNA的特定核苷酸序列(識別序列,大多數由6個核苷酸組成),并且使每一條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵斷開。
③種類:EcoRⅠ限制酶和SmaⅠ限制酶。
EcoRⅠ限制酶:中軸線兩側切開,產生黏性末端。

SmaⅠ限制酶:中軸線出切開,產生平末端。

同一種限制酶產生的粘性末端能進行堿基互補配對。
(2)DNA連接酶——“分子縫合針”
①作用:恢復磷酸二酯鍵。
②結果:將兩個DNA片段連接起來。

③種類:E.coliDNA連接酶和T4 DNA連接酶。
E.coliDNA連接酶:連接黏性末端。
T4 DNA連接酶:連接黏性末端和平末端,但連接平末端效率較低。
(3)基因進入受體細胞的載體——“分子運輸車”
①種類:質粒(最常用)、噬菌體、動植物病毒等。
質粒:裸露的、結構簡單、獨立于真核細胞細胞核或原核細胞擬核DNA之外,并具有自我復制能力的環狀DNA分子。
用作載體的質粒都是在天然質粒的基礎上進行人工改造的。
②條件:結構小、能自我復制、具多個限制酶切位點、具標記基因(抗性基因)等。
考點2　基因工程的基本操作程序
(1)目的基因的篩選與獲取
①目的基因:用于改變性狀的基因。
②篩選合適目的基因的方法:從相關的已知結構和功能清晰的基因中進行篩選。
③利用PCR獲取和擴增目的基因。
原理:DNA半保留復制。
條件:DNA模板、四種脫氧核苷酸、耐熱的DNA聚合酶、2種引物。
過程

儀器:PCR擴增儀。
鑒定:瓊脂糖凝膠電泳。
(2)基因表達載體的構建
啟動子:緊挨轉錄起點,RNA聚合酶識別和結合的部位。
限制酶切割位點:插入目的基因的位置。
終止子:轉錄終點。
復制原點:DNA復制起點。
標記基因:可用抗性基因標記,便于重組DNA分子的篩選。
用同種限制酶或能產生相同末端的限制酶切割目的基因和載體。
用DNA連接酶將目的基因和載體連接起來。
受體細胞 導入方法 注意事項
植物 花粉管通道法;農桿菌轉化法 農桿菌轉化法適用于雙子葉植物和裸子植物
動物 顯微注射
微生物 Ca2+處理 常用大腸桿菌
(4)目的基因的檢測與鑒定
①分子水平檢測:檢測目的基因是否導入、轉錄、翻譯。
用PCR、分子雜交技術檢測目的基因是否導入和轉錄出mRNA。
用抗原-抗體雜交技術檢測目的基因是否翻譯出蛋白質。
②個體水平的鑒定(抗蟲、抗病、活性鑒定等)。
考點3　基因工程的應用
●基因工程的目的:克服了遠緣雜交不親和的障礙,定向改造生物的遺傳性狀。
(1)農牧業方面的應用
培養具有抗蟲、抗病、抗除草劑等抗逆能力的農作物。
改良植物的品質。
提高動物生長速度。
改善畜產品的品質。
(2)醫藥衛生方面的應用
生產細胞因子、抗體、疫苗、激素等藥物。
(3)食品工業方面的應用
生產食品工業用酶(凝乳酶、淀粉酶等)、氨基酸和維生素等。
考點4　蛋白質工程
(1)概念:以蛋白質分子結構規律及其與生物功能的關系作為基礎,通過基因修飾或基因合成,對現有蛋白質進行改造,或制造一種新的蛋白質,以滿足人類的生產和生活的需求。
(2)崛起的緣由:①基因工程原則上只能產生自然界已存在的蛋白質。②天然蛋白質不一定完全符合人類生產和生活的需要。
(3)基本原理:
天然蛋白質合成的過程是按照中心法則進行的,而蛋白質工程卻與之相反。
典型示范
α1-抗胰蛋白缺乏癥是一種在北美較為常見的單基因遺傳病,患者成年后會出現肺氣腫及其他疾病,嚴重者甚至死亡。對于該致病患者常可采用注射α1-抗胰蛋白酶的方式來緩解癥狀。據此回答:
圖1

圖2
(1)圖1表示獲取α1-抗胰蛋白酶基因的兩種方法,請回答下列問題:
①a過程是在　　　　　酶的作用下完成的,該酶的作用特點是　 。
②c過程需要的原料是　 。
【答案】　(1)①限制　識別特定的核苷酸序列,并在特定的切點上切割DNA分子　②4種游離的脫氧核苷酸
【詳解】　(1)①a過程表示直接獲得目的基因的方法,該方法是在限制酶的作用下完成的,該酶的作用特點是識別特定的核苷酸序列,并在特定的切點上切割DNA分子。②c過程表示逆轉錄,該過程的產物是DNA,需要的原料是4種游離的脫氧核苷酸。
(2)利用轉基因技術將控制該酶合成的基因導入羊的受精卵,最終培育出能在乳腺細胞表達α1-抗胰蛋白酶的轉基因羊,從而更易獲得這種酶,簡要過程如圖2所示。
①獲得目的基因后,常利用PCR技術在體外將其大量擴增,其過程是高溫變性解旋,低溫復性　　　　　　　　,然后中溫延伸,在Taq酶的作用下從引物開始進行互補鏈的合成。
②載體上綠色熒光蛋白(GEP)基因的作用是便于　　　　　。基因表達載體d,除圖中的標示部分外,還必須含有　 。
【答案】　(2)①引物結合到互補DNA鏈上　
②篩選含有目的基因的受體細胞　啟動子、終止子
【詳解】　(2)①獲得目的基因后,常利用PCR技術在體外將其大量擴增,其過程是高溫使模板DNA 變性解旋為單鏈DNA,低溫復性過程為引物結合到互補DNA鏈上,然后在中溫條件子鏈延伸,即在Taq酶的作用下從引物開始進行互補鏈的合成。②載體上綠色熒光蛋白(GEP)基因是作為標記基因用的,用于篩選含有目的基因的受體細胞。基因表達載體d,除圖中的標示部分外,還必須含有啟動子、終止子,以便目的基因在受體細胞中正常表達。
(3)人類遺傳病一般很難用藥物治療,基因治療是指把正常基因導入病人體內進行治療。目前基因治療分為 　　　　　　　　　　　　　　　 兩種方法。
【答案】　(3)體內基因治療、體外基因治療
【詳解】　(3)基因治療是指把正常基因導入病人體內有缺陷的細胞中,使該基因的表達產物發揮功能,從而達到治療疾病的目的。基因治療分為體內基因治療、體外基因治療。
變式訓練
圖甲為人們利用基因工程技術生產人胰島素的操作過程示意圖,實現基因工程操作通常使用到限制酶。圖乙和圖丙分別是表示SmaⅠ和EcoR Ⅰ酶切作用的示意圖,回答下列相關問題:
圖甲

圖乙

圖丙
(1)圖甲中A表示　　　　　　　　,是通過②逆轉錄過程獲得的,③④過程利用　　　　　技術獲得大量的A。
【答案】　(1)cDNA(互補DNA)　PCR
【詳解】　(1)圖甲中的A是由mRNA逆轉錄而成cDNA。擴增目的基因可以采用PCR技術。
(2)圖甲中C→D過程,通常采用　　　　法將含有　　　　的質粒導入大腸桿菌細胞內,在其細胞內表達人胰島素。
【答案】　(2)Ca2+轉化(CaCl2轉化)　人胰島素基因
【詳解】　(2)將目的基因導入細菌,經常采用Ca2+轉化法,題中的目的基因是人胰島素基因。
(3)圖乙中DNA分子經Sma Ⅰ限制酶切割后產生的DNA片段是　　　　　末端,若將切下來的DNA片段重新拼接起來,可選用
　　　　　　　　(填“E.coli DNA連接酶”或“T4 DNA連接酶”)。已知Mun Ⅰ識別序列和切割位點是-C↓AATTG-,該酶切割DNA后所得末端與圖丙所得末端　　　(填“能”或“不能”)用E.coli DNA連接酶連接起來。若能連接,得到的DNA分子不能再次被EcoR Ⅰ或Mun Ⅰ重新切割的原因是　　 。
真題回顧
1.(2022·全國乙卷)新冠疫情出現后,病毒核酸檢測和疫苗接種在疫情防控中發揮了重要作用。回答下列問題:
(1)新冠病毒是一種RNA病毒,檢測新冠病毒RNA(核酸檢測)可以采取RT-PCR法。這種方法的基本原理是先以病毒RNA為模板合成cDNA,這一過程需要的酶是　　　　　,再通過PCR技術擴增相應的DNA片段。根據檢測結果判斷被檢測者是否感染新冠病毒。
【答案】　(1)逆轉錄酶(反轉錄酶)
【詳解】　(1)分析題意可知,新冠病毒的遺傳物質是RNA,而RT-PCR法需要先得到cDNA,由RNA到DNA的過程屬于逆轉錄過程,逆轉錄過程需要的酶是逆轉錄酶(反轉錄酶)。
1.(2022·全國乙卷)新冠疫情出現后,病毒核酸檢測和疫苗接種在疫情防控中發揮了重要作用。回答下列問題:
(2)為了確保新冠病毒核酸檢測的準確性,在設計PCR引物時必須依據新冠病毒RNA中的　　　　　來進行。PCR過程每次循環分為3步,其中溫度最低的一步是　 。
【答案】　(2)特異性核苷酸序列　退火(復性)
【詳解】　(2)PCR過程需要加入引物,設計引物時應有一段已知目的基因的核苷酸序列,在該過程中為了確保新冠病毒核酸檢測的準確性,在設計PCR引物時必須依據新冠病毒RNA中的特異性核苷酸序列來進行;PCR過程每次循環分為3步,分別為變性(90~95 ℃)、復性(55~60 ℃)、延伸(70~75 ℃),故其中溫度最低的一步是復性(或退火)。
1.(2022·全國乙卷)新冠疫情出現后,病毒核酸檢測和疫苗接種在疫情防控中發揮了重要作用。回答下列問題:
(3)某人同時進行了新冠病毒核酸檢測和抗體檢測(檢測體內是否有新冠病毒抗體),若核酸檢測結果為陰性而抗體檢測結果為陽性,說明 (答出1種情況即可);若核酸檢測和抗體檢測結果均為陽性,說明　 。
【答案】　(3)曾感染新冠病毒,已康復　已感染新冠病毒,是患者
【詳解】　(3)某人同時進行了新冠病毒核酸檢測和抗體檢測,若核酸檢測結果為陰性而抗體檢測結果為陽性,說明該個體曾經感染過新冠病毒,機體發生特異性免疫反應,產生抗體,將病毒消滅,則核酸檢測為陰性,但由于抗體有一定的時效性,能在體內存在一段時間,故抗體檢測為陽性;若核酸檢測和抗體檢測結果均為陽性,說明該個體體內仍含有病毒的核酸,機體仍進行特異性免疫過程,能產生抗體,則說明該人已經感染新冠病毒,為患者。
1.(2022·全國乙卷)新冠疫情出現后,病毒核酸檢測和疫苗接種在疫情防控中發揮了重要作用。回答下列問題:
(4)常見的病毒疫苗有滅活疫苗、蛋白疫苗和重組疫苗等。已知某種病毒的特異性蛋白S(具有抗原性)的編碼序列(目的基因)。為了制備蛋白疫苗,可以通過基因工程技術獲得大量蛋白S。基因工程的基本操作流程是　 。
【答案】　(4)獲取S蛋白基因→構建S蛋白基因與運載體的表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定 (檢測受體能否產生S蛋白)
【詳解】　(4)基因工程的基本操作流程是:獲取目的基因→基因表達載體的構建(基因工程的核心)→將目的基因導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定,結合題意,本基因工程的目的是獲得大量的S蛋白,故具體流程為:獲取S蛋白基因→構建S蛋白基因與運載體的表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定 (檢測受體能否產生S蛋白)。
2.(2021·全國乙卷)用DNA重組技術可以賦予生物以新的遺傳特性,創造出更符合人類需要的生物產品。在此過程中需要使用多種工具酶,其中4種限制性核酸內切酶的切割位點如圖所示。
↓　　　　　 ↓　　　　　 ↓　　　 ↓
GAATTC　CCCGGG　CTGCAG　GATATC
CTTAAG　GGGCCC　GACGTC　CTATAG
　　　↑　　　 ↑　　　 ↑　　　　　 ↑
限制酶:EcoRⅠ　SmaⅠ　PstⅠ　　　 EcoRⅤ
回答下列問題:
(1)常用的DNA連接酶有E.coli DNA連接酶和T4 DNA連接酶。上圖中　　　　　酶切割后的DNA片段可以用E.coli DNA連接酶連接。上圖中　　　　　酶切割后的DNA片段可以用T4 DNA連接酶連接。
【答案】　(1)EcoRⅠ、PstⅠ　
EcoRⅠ、PstⅠ、SmaⅠ和EcoRⅤ
【詳解】　(1)限制酶EcoRⅠ和PstⅠ切割形成的是黏性末端,限制酶SmaⅠ和EcoRⅤ切割形成的是平末端,E.coli DNA連接酶來源于大腸桿菌,只能將雙鏈DNA片段互補的黏性末端之間的磷酸二酯鍵連接起來,而T4 DNA連接酶來源于T4噬菌體,可用于連接黏性末端和平末端,但連接效率較低。因此圖中EcoRⅠ和PstⅠ切割后的DNA片段(黏性末端)可以用E.coli DNA連接酶連接,除了這兩種限制酶切割的DNA片段,限制酶SmaⅠ和EcoRⅤ切割后的DNA片段(平末端)也可以用T4 DNA連接酶連接。
(2)DNA連接酶催化目的基因片段與質粒載體片段之間形成的化學鍵是 　　　　　 。
【答案】　(2)磷酸二酯鍵
【詳解】　(2)DNA連接酶將兩個DNA片段連接形成磷酸二酯鍵。
(3)DNA重組技術中所用的質粒載體具有一些特征,如質粒DNA分子上有復制原點,可以保證質粒在受體細胞中能　　　　;質粒DNA分子上有　　　　　,便于外源DNA插入;質粒DNA分子上有標記基因(如某種抗生素抗性基因),利用抗生素可篩選出含質粒載體的宿主細胞,方法是　 　 。
【答案】　(3)自我復制　一至多個限制酶切位點　
用含有該抗生素的培養基培養宿主細胞,能夠存活的即為含有質粒載體的宿主細胞
【詳解】　(3)質粒是小型環狀的DNA分子,常作為基因表達的載體,首先質粒上含有復制原點,能保證質粒在受體細胞中自我復制。質粒DNA分子上有一個至多個限制性核酸內切酶的酶切位點,便于目的基因的導入。質粒上的標記基因是為了鑒定受體細胞中是否含有目的基因,具體做法是用含有該抗生素的培養基培養宿主細胞,能夠存活的即為含有質粒載體的宿主細胞。
(4)表達載體含有啟動子,啟動子是指 　 。
【答案】　(4)位于基因首端的一段特殊DNA序列,是RNA聚合酶識別及結合的部位,能驅動轉錄過程
【詳解】　(4)啟動子是一段特殊結構的DNA片段,位于基因的首端,它是RNA聚合酶識別和結合的部位,有了它才能驅動基因轉錄出mRNA,最終獲得需要的蛋白質。
3.(2021·全國甲卷)PCR技術可用于臨床的病原菌檢測。為檢測病人是否感染了某種病原菌,醫生進行了相關操作:①分析PCR擴增結果;②從病人組織樣本中提取DNA;③利用PCR擴增DNA片段;④采集病人組織樣本。回答下列問題:
(1)若要得到正確的檢測結果,正確的操作順序應該是 　　　　　　　(用數字序號表示)。
【答案】　(1)④②③①
【詳解】　(1)PCR技術可用于臨床的病原菌檢測,若要得到正確的檢測結果,正確的操作順序應該是④采集病人組織樣本→②從病人組織樣本中提取DNA→③利用PCR擴增DNA片段→①分析PCR擴增結果。
3.(2021·全國甲卷)PCR技術可用于臨床的病原菌檢測。為檢測病人是否感染了某種病原菌,醫生進行了相關操作:①分析PCR擴增結果;②從病人組織樣本中提取DNA;③利用PCR擴增DNA片段;④采集病人組織樣本。回答下列問題:
(2)操作③中使用的酶是　　　　　。PCR 反應中的每次循環可分為變性、復性、　　　　　三步,其中復性的結果是　 。
【答案】　(2)Taq酶(熱穩定DNA聚合酶)　延伸　
引物通過堿基互補配對與單鏈DNA結合
【詳解】　(2)在用PCR技術擴增DNA時,DNA的復制過程與細胞內DNA的復制類似,操作③中使用的酶是Taq酶(熱穩定DNA聚合酶),PCR 反應中的每次循環可分為變性、復性、延伸三步,其中復性的結果是引物通過堿基互補配對與單鏈DNA結合。
3.(2021·全國甲卷)PCR技術可用于臨床的病原菌檢測。為檢測病人是否感染了某種病原菌,醫生進行了相關操作:①分析PCR擴增結果;②從病人組織樣本中提取DNA;③利用PCR擴增DNA片段;④采集病人組織樣本。回答下列問題:
(3)為了做出正確的診斷,PCR反應所用的引物應該能與 　　　　特異性結合。
【答案】　(3)病原菌的兩條單鏈DNA
【詳解】　(3)DNA復制需要引物,為了做出正確的診斷,PCR反應所用的引物應該能與病原菌的兩條單鏈DNA特異性結合。
3.(2021·全國甲卷)PCR技術可用于臨床的病原菌檢測。為檢測病人是否感染了某種病原菌,醫生進行了相關操作:①分析PCR擴增結果;②從病人組織樣本中提取DNA;③利用PCR擴增DNA片段;④采集病人組織樣本。回答下列問題:
(4)PCR(多聚酶鏈式反應)技術是指 　　　 ,該技術目前被廣泛地應用于疾病診斷等方面。
【答案】(4)一項在生物體外復制特定DNA片段的核酸合成技術
【詳解】(4)據分析可知,PCR(多聚酶鏈式反應)技術是指一項在生物體外復制特定DNA片段的核酸合成技術。該技術目前被廣泛地應用于疾病診斷等方面。
4.(2021·海南卷)CRISPR/Cas9是一種高效的基因編輯技術,
Cas9基因表達的Cas9蛋白像一把“分子剪刀”,在單鏈向導RNA
(SgRNA)引導下,切割DNA雙鏈以敲除目標基因或插入新的基因。CRISPR/Cas9基因編輯技術的工作原理如圖所示。

回答下列問題:
(1)過程①中,為構建CRISPR/Cas9重組質粒,需對含有特定sgRNA編碼序列的DNA進行酶切處理,然后將其插入到經相同酶切處理過的質粒上,插入時所需要的酶是　　　　　　　　。
【答案】　(1)DNA連接酶
【詳解】　(1)基因工程所需的工具酶有限制酶和DNA連接酶,限制酶負責切割,DNA連接酶負責連接,因此為構建CRISPR/Cas9重組質粒,需對含有特定sgRNA編碼序列的DNA進行酶切處理,然后將其插入到經相同酶切處理過的質粒上,插入時所需要的酶是DNA連接酶。
(2)過程②中,將重組質粒導入大腸桿菌細胞的方法是 　　　　　　　　 。
【答案】　(2)感受態細胞法/Ca2+處理法
【詳解】　(2)大腸桿菌是原核生物,屬于微生物,將目的基因導入微生物細胞的方法是感受態細胞法。
(3)過程③~⑤中,SgRNA與Cas9蛋白形成復合體,該復合體中的SgRNA可識別并與目標DNA序列特異性結合,二者結合所遵循的原則是　　　　　　　　　　　　。隨后,Cas9蛋白可切割
　　　　　　　　序列。
【答案】　(3)堿基互補配對　目標(目的)DNA(基因)
【詳解】　(3)根據題圖可知:在CRISPR/Cas9基因編輯技術中,
SgRNA是根據靶基因設計的引導RNA,準確引導Cas9切割與SgRNA配對的靶基因DNA序列。Cas9能借助SgRNA分子與目標DNA進行特異性結合的原因在于SgRNA分子上的堿基序列與目標DNA分子上的堿基序列可以通過堿基互補配對原則實現SgRNA與目標DNA特定序列的特定識別,進而定位;由此可見,
Cas9在功能上屬于限制酶,可切割目標DNA特定的核苷酸序列。
(4)利用CRISPR/Cas9基因編輯技術敲除一個長度為1200bp的基因,在DNA水平上判斷基因敲除是否成功所采用的方法是　　　　　　　,基因敲除成功的判斷依據是　 　 。
【答案】　(4)DNA分子雜交技術　經編輯過的DNA片段(從受體細胞中提取的基因組DNA)與標記的目標(對應)基因(探針)雜交,若無雜交帶,則敲除成功
【詳解】　(4)可利用DNA分子雜交技術判斷基因敲除是否成功,即利用經編輯過的DNA片段(從受體細胞中提取的基因組DNA)與標記的目標(對應)基因(探針)雜交,若無雜交帶,則敲除成功。
(5)某種蛋白酶可高效降解羽毛中的角蛋白。科研人員將該蛋白酶基因插入到CRISPR/Cas9質粒中獲得重組質粒,隨后將其導入到大腸桿菌細胞,通過基因編輯把該蛋白酶基因插入到基因組DNA中,構建得到能大量分泌該蛋白酶的工程菌。據圖簡述CRISPR/Cas9重組質粒在受體細胞內,將該蛋白酶基因插入到基因組DNA的編輯過程: 　 。
【答案】　(5)表達Cas9蛋白和sgRNA,兩者形成復合體;sgRNA識別并結合目標DNA序列;引導Cas9蛋白切割目標DNA序列
【詳解】　(5)根據圖示可知:CRISPR/Cas9重組質粒在受體細胞內進行轉錄和表達,轉錄的產物是SgRNA,表達的產物是Cas9蛋白,二者形成復合體,該復合體中的SgRNA可識別并與目標DNA序列特異性結合,引導Cas9蛋白切割目標DNA序列。
5.(2021·廣東卷)非細胞合成技術是一種運用合成生物學方法,在細胞外構建多酶催化體系,獲得目標產物的新技術,其核心是各種酶基因的挖掘、表達等。中國科學家設計了4步酶促反應的非細胞合成路線(如圖),可直接用淀粉生產肌醇(重要的醫藥食品原料),以期解決高溫強酸水解方法造成的嚴重污染問題,并可以提高產率。
回答下列問題:
(1)研究人員采用PCR技術從土壤微生物基因組中擴增得到目標酶基因。此外,獲得酶基因的方法還有 　　　　　　　　　　。(答出兩種即可)
【答案】　(1)基因文庫中獲取、人工合成法
【詳解】　(1)分析題意,研究人員從土壤微生物基因組中擴增得到目標酶基因采用了PCR技術,此外獲得酶基因的方法還有從基因文庫中獲取和人工合成法。
(2)高質量的DNA模板是成功擴增出目的基因的前提條件之一。在制備高質量DNA模板時必須除去蛋白,方法有 　 。(答出兩種即可)
【答案】　(2)鹽析法、酶解法或高溫變性
【詳解】　(2)高質量的DNA模板是成功擴增出目的基因的前提條件之一。在制備高質量DNA模板時必須除去蛋白,可根據DNA和蛋白質的溶解性、對酶、高溫和洗滌劑的耐受性去除蛋白質,方法有鹽析、酶解法或高溫變性法等。
(3)研究人員使用大腸桿菌BL21作為受體細胞、pET20b為表達載體分別進行4種酶的表達。表達載體轉化大腸桿菌時,首先應制備　　　　　細胞。為了檢測目的基因是否成功表達出酶蛋白,需要采用的方法有　 。
【答案】　(3)感受態　抗原—抗體雜交技術
【詳解】　(3)研究人員使用大腸桿菌BL21作為受體細胞、pET20b為表達載體分別進行4種酶的表達。表達載體轉化大腸桿菌時,首先應制備感受態細胞, 即利用鈣離子處理大腸桿菌,使其成為感受態細胞,使其易于接受外來的DNA分子。基因工程中,酶基因(目的基因)成功表達的產物酶蛋白的化學本質是蛋白質,常用抗原-抗體雜交技術進行檢測。
(4)依圖所示流程,在一定的溫度、pH等條件下,將4種酶與可溶性淀粉溶液混合組成一個反應體系。若這些酶最適反應條件不同,可能導致的結果是　　　　　　　　。在分子水平上,可以通過改變　　　　　　　　,從而改變蛋白質的結構,實現對酶特性的改造和優化。
【答案】　(4)有的酶失活而使反應中斷　基因的堿基序列
【詳解】　(4)依圖所示流程,在一定的溫度、pH等條件下,將4種酶與可溶性淀粉溶液混合組成一個反應體系。由于酶的作用條件較溫和,若這些酶最適反應條件不同,則可能導致有的酶失活而使反應中斷。在分子水平上,可以通過改變基因的堿基序列,從而改變蛋白質的結構,實現對酶特性的改造和優化。
6.(2022·廣東卷)“綠水逶迤去,青山相向開”大力發展低碳經濟已成為全社會的共識。基于某些梭菌的特殊代謝能力,有研究者以某些工業廢氣(含CO2等一碳溫室氣體,多來自高污染排放企業)為原料,通過厭氧發酵生產丙酮,構建一種生產高附加值化工產品的新技術。

回答下列問題:
(1)研究者針對每個需要擴增的酶基因(如圖)設計一對 ,利用PCR技術,在優化反應條件后擴增得到目標酶基因。
【答案】　(1)引物
【詳解】　(1)利用PCR技術擴增目標酶基因,首先需要根據目標酶基因兩端的堿基序列設計一對引物,引物與模板鏈結合后,Taq酶才能從引物的3'端延伸子鏈。
(2)研究者構建了一種表達載體pMTL80k,用于在梭菌中建立多基因組合表達庫,經篩選后提高丙酮的合成量。該載體包括了啟動子、終止子及抗生素抗性基因等,其中抗生素抗性基因的作用是 　　　 ,終止子的作用是　 。
【答案】　(2)作為標記基因,篩選含有基因表達載體的受體細胞　終止轉錄,使轉錄在需要的地方停下來
【詳解】　(2)基因表達載體中,抗生素抗性基因作為標記基因,可用于篩選含有基因表達載體的受體細胞,終止子可終止轉錄,使轉錄在需要的地方停下來。
(3)培養過程中發現重組梭菌大量表達上述酶蛋白時,出現了生長遲緩的現象,推測其原因可能是 　 ,此外丙酮的積累會傷害細胞,需要進一步優化菌株和工藝才能擴大應用規模。
【答案】　(3)二氧化碳等氣體用于大量合成丙酮,而不是用于重組梭菌的生長
【詳解】　(3)重組梭菌大量表達上述酶蛋白時,在這些酶蛋白的作用下,二氧化碳等氣體大量用于合成丙酮,而不是用于重組梭菌的生長,所以會導致生長遲緩。
(4)這種生產高附加值化工產品的新技術,實現了 ,體現了循環經濟特點。從“碳中和”的角度看,該技術的優勢在于　　　　　　　　　　　　　,具有廣泛的應用前景和良好的社會效益。
【答案】　(4)廢物的資源化　
不僅不排放二氧化碳,而且還可以消耗工業廢氣中的二氧化碳
【詳解】　(4)根據題意可知,這種生產高附加值化工產品的新技術,以高污染企業排放的二氧化碳等一碳溫室氣體為原料,實現了廢物的資源化,體現了循環經濟特點。從“碳中和”的角度看,該技術生產丙酮的過程不僅不排放二氧化碳,而且還可以消耗工業廢氣中的二氧化碳,有利于減緩溫室效應,并實現較高的經濟效益,所以具有廣泛的應用前景和良好的社會效益。

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