2015年諾貝爾獎(jiǎng)青蒿素相關(guān)生物試題例析

張卓鵬

近幾年生物高考，特別重視對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的考查，以能力立意為主導(dǎo)，考查考生對(duì)所學(xué)相關(guān)課程基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能、基本思想、基本活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)的整體掌握程度和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力.以諾貝爾獎(jiǎng)為背景的試題在近幾年高考中已屢次出現(xiàn)，成為命題的熱點(diǎn)，以突出對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力、科學(xué)過(guò)程與方法以及創(chuàng)新精神的考查.我國(guó)女科學(xué)家屠呦呦榮獲2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，這是國(guó)人的驕傲，下面采編幾道抗瘧藥青蒿素相關(guān)高中生物試題及分析，以饗讀者.

一、考查細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能

例1 中國(guó)女科學(xué)家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，她研制的抗瘧藥青蒿素挽救了數(shù)百萬(wàn)人的生命.青蒿素是從植物黃花蒿的組織細(xì)胞中所提取的一種代謝產(chǎn)物，其作用方式目前尚不明確，推測(cè)可能是作用于瘧原蟲(chóng)的食物泡膜，從而阻斷了營(yíng)養(yǎng)攝取的最早階段，使瘧原蟲(chóng)較快出現(xiàn)氨基酸饑餓，迅速形成自噬泡，并不斷排出蟲(chóng)體外，使瘧原蟲(chóng)損失大量胞漿而死亡.從上述的論述中，不能得出的是（ ）.

A.瘧原蟲(chóng)對(duì)外界食物的獲取方式主要是胞吞，體現(xiàn)了細(xì)胞膜的流動(dòng)性特點(diǎn)

B.細(xì)胞質(zhì)是細(xì)胞代謝的主要場(chǎng)所，如果大量流失，甚至?xí){到細(xì)胞生存

C.瘧原蟲(chóng)寄生在寄主體內(nèi)，從生態(tài)系統(tǒng)的成分上來(lái)看，可以視為分解者

D.利用植物組織培養(yǎng)的方式，可以實(shí)現(xiàn)青蒿素的大規(guī)模生產(chǎn)

解析 細(xì)胞質(zhì)是細(xì)胞代謝的主要場(chǎng)所，如果大量流失，必然會(huì)威脅到細(xì)胞生存.青蒿素可能作用于瘧原蟲(chóng)的食物泡膜，從而阻斷了營(yíng)養(yǎng)攝取的最早階段，使瘧原蟲(chóng)較快出現(xiàn)氨基酸饑餓，迅速形成自噬泡，并不斷排出蟲(chóng)體外，使瘧原蟲(chóng)損失大量胞漿而死亡.瘧原蟲(chóng)寄生在寄主體內(nèi)，從生態(tài)系統(tǒng)的成分上來(lái)看，寄生物均可視為消費(fèi)者.而分解者營(yíng)腐生生活，從動(dòng)植物遺體、排泄物中獲得現(xiàn)成的有機(jī)物.

答案：C

二、考查基因表達(dá)及基因工程

例2 中國(guó)女科學(xué)家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，她研制的抗瘧藥青蒿素挽救了數(shù)百萬(wàn)人的生命.但是青蒿中青蒿素的含量很低，且受地域性種植影響較大.研究人員已經(jīng)弄清了青蒿細(xì)胞中青蒿素的合成途徑（如圖1實(shí)線框內(nèi)所示），并且發(fā)現(xiàn)酵母細(xì)胞也能夠產(chǎn)生青蒿素合成的中間產(chǎn)物FPP（如圖1虛線框內(nèi)所示）.請(qǐng)回答問(wèn)題：

（1）在FPP合成酶基因表達(dá)過(guò)程中，完成過(guò)程①需要酶催化_____，完成過(guò)程②需要的物質(zhì)有____、____、____等，結(jié)構(gòu)有____.

（2）根據(jù)圖示代謝過(guò)程，科學(xué)家在設(shè)計(jì)培育能生產(chǎn)青蒿素的酵母細(xì)胞過(guò)程中，需要向酵母細(xì)胞中導(dǎo)入____ 、____等基因.

（3）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，酵母細(xì)胞導(dǎo)入相關(guān)基因后，這些基因能正常表達(dá)，但酵母合成的青蒿素仍很少，根據(jù)圖解分析原因可能是___，為提高酵母菌合成的青蒿素的產(chǎn)量，請(qǐng)?zhí)岢鲆粋€(gè)合理的思路：____.

（4）利用酵母細(xì)胞生產(chǎn)青蒿素與從植物體內(nèi)直接提取相比較，明顯的優(yōu)勢(shì)有___、____、____等.

解析 基因表達(dá)包括轉(zhuǎn)錄和翻譯兩步，轉(zhuǎn)錄需要RNA聚合酶，RNA聚合酶同時(shí)具有DNA解旋功能；翻譯在核糖體上進(jìn)行，除需要模板mRNA外，還需要原料氨基酸，以及搬運(yùn)氨基酸的工具tRNA，另外生命活動(dòng)離不開(kāi)能量供應(yīng)，需要消耗 ATP.基因工程操作步驟第一步為獲取目的基因，從圖1中可以發(fā)現(xiàn)酵母細(xì)胞中缺乏合成青蒿素必需的兩種關(guān)鍵酶：ADS酶和 CYP71AV1酶，而青蒿細(xì)胞具有這兩種酶，故有必要首先獲取ADS酶基因和CYP71AV1酶基因，作為目的基因?qū)虢湍讣?xì)胞中.FPP是合成青蒿素和固醇的共同底物，為提高酵母菌合成的青蒿素的產(chǎn)量，需通過(guò)基因改造降低FRG9酶活性等方法來(lái)降低固醇的合成途徑.基因工程為新興的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，明顯的優(yōu)勢(shì)有產(chǎn)量高，成本低 ，適合各地生產(chǎn)，生產(chǎn)的周期短等.

答案：（1）RNA聚合 氨基酸 ATP tRNA 核糖體；

（2）ADS酶基因 CYP71AV1酶基因；

（3）FPP合成固醇 通過(guò)基因改造降低FRG9酶活性；

（4）青蒿素產(chǎn)量高 成本低 適合各地生產(chǎn)

三、考查遺傳定律及育種

例3 中國(guó)女科學(xué)家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，她研制的抗瘧藥青蒿素挽救了數(shù)百萬(wàn)人的生命.利用雌雄同株的野生型青蒿（二倍體，體細(xì)胞染色體數(shù)為18），通過(guò)傳統(tǒng)育種和現(xiàn)代生物技術(shù)可培育高青蒿素含量的植株.請(qǐng)回答以下相關(guān)問(wèn)題：

（1）假設(shè)野生型青蒿白青稈（A）對(duì)紫紅稈（a）為顯性，稀裂葉（B）對(duì)分裂葉（b）為顯性，兩對(duì)性狀獨(dú)立遺傳，則野生型青蒿最多有___種基因型；若F1代中白青稈、稀裂葉植株所占比例為38，則其雜交親本的基因型組合為_(kāi)__，該F1代中紫紅稈、分裂葉植株所占比例為_(kāi)__.

（2）四倍體青蒿中青蒿素含量通常高于野生型青蒿，低溫處理野生型青蒿正在有絲分裂的細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致染色體不分離，從而獲得四倍體細(xì)胞并發(fā)育成植株.推測(cè)低溫處理導(dǎo)致細(xì)胞染色體不分離的原因是___.四倍體青蒿與野生型青蒿雜交后代體細(xì)胞的染色體數(shù)為_(kāi)__.

解析 野生型青蒿白青稈（A）對(duì)紫紅稈（a）為顯性，稀裂葉（B）對(duì)分裂葉（b）為顯性，兩對(duì)性狀獨(dú)立遺傳，符合基因的自由組合定律，則野生型青蒿最多有9種基因型；若F1代中白青稈、稀裂葉植株（A_B_）為38，根據(jù)乘法原理，應(yīng)該是12×34，或者是34×12，則其雜交親本的基因型組合為AaBb×aaBb，或者為AaBb×Aabb，這兩種情況下該F1代中紫紅稈、分裂葉植株（aabb）所占比例均為18.

野生型青蒿為二倍體，四倍體青蒿與野生型青蒿雜交后代為三倍體，體細(xì)胞的染色體數(shù)為27.

答案：（1）9 AaBb×aaBb或者AaBb×Aabb 1/8

（2）低溫抑制紡錘體形成 27

例4 青蒿的花色白色（只含白色色素）和黃色（含黃色色素）是一對(duì)相對(duì)性狀，由兩對(duì)等位基因（A和a、B和b）共同控制，顯性基因A控制以白色色素為前體物合成黃色色素的代謝過(guò)程，但當(dāng)隱性基因bb存在時(shí)可抑制其表達(dá)（如圖2所示）.

據(jù)此回答：

（1）開(kāi)黃花的青蒿植株的基因型可能是.

（2）現(xiàn)有AAbb、aaBB二個(gè)純種白花青蒿品種，為了培育出能穩(wěn)定遺傳的黃花品種，某同學(xué)設(shè)計(jì)了如下程序：

Ⅰ.用AAbb和aaBB兩個(gè)品種進(jìn)行雜交，得到F1種子；

Ⅱ.F1種子種下得F1植株，F(xiàn)1隨機(jī)交配得F2種子；

Ⅲ.F2種子種下得F2植株，F(xiàn)2自交，然后選擇開(kāi)黃花植株的種子混合留種；

Ⅳ.重復(fù)步驟Ⅲ若干代，直到后代不出現(xiàn)性狀分離為止.

①F1植株能產(chǎn)生比例相等的四種配子，原因是___.

②F2的性狀分離比為_(kāi)__.

③若F1與基因型為aabb的白花品種雜交，后代的分離比為_(kāi)__.

④F2自交，在開(kāi)黃花的植株上所結(jié)的種子中黃花純合子占____.

⑤有同學(xué)認(rèn)為這不是一個(gè)最佳方案，你能在原方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，以縮短培育年限嗎？請(qǐng)簡(jiǎn)要概述你的方案.

解析 （1）由題意可知，只有A、B基因同時(shí)存在時(shí)，才表現(xiàn)為黃花，因此開(kāi)黃花的青蒿植株的基因型可能是AABB、AaBB、AABb、AaBb.

（2）①由題意可知，F(xiàn)1是由AAbb和aaBB雜交產(chǎn)生的，因此F1的基因型為AaBb，A、a和B、b位于不同對(duì)的同源染色體上，因此在遺傳過(guò)程中遵循基因自由組合定律，因此F1植株能產(chǎn)生比例相等的四種配子.

②F1的基因型為AaBb，自交后代的基因組成可以寫(xiě)出A_B_

∶A_bb∶aaB_∶aabb=9∶3∶3∶1，其中A_B_為黃花，其余的為白花，因此F2的性狀分離比為黃花∶白花=9∶7.

③F1與基因型為aabb的白花品種雜交，后代的基因組成及比例為AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶1，其中AaBb為黃花，其余為白花，因此F1與基因型為aabb的白花品種雜交，后代的分離比為黃花∶白花=1∶3.

④F2中黃花植株的基因型為AABB∶AABb∶AaBB∶AaBb=1∶2∶2∶4，F(xiàn)2自交，在開(kāi)黃花的植株上所結(jié)的種子中黃花純合子的比例是（19）×1+（29）×（14）+（29）×（14）+（49）×（116）=14.

⑤單倍體育種能大大縮短育種年限，具體做法是：采用F1植株的花粉進(jìn)行離體培養(yǎng)獲得單倍體幼苗，然后用秋水仙素處理單倍體幼苗，成熟后開(kāi)黃花的植株即為純種.

答案：（1）AABB、AaBB、AABb、AaBb

（2）①A、a和B、b基因位于2對(duì)同源染色體上，在子一代形成配子時(shí)，遵循基因自由組合定律.

②黃花∶白花=9∶7.

③黃花∶白花=1∶3.

④1/4.

⑤采用F1植株的花粉進(jìn)行離體培養(yǎng)獲得單倍體幼苗，然后用秋水仙素處理單倍體幼苗，成熟后開(kāi)黃花的植株即為純種.

四、考查生物多樣性?xún)r(jià)值

例5 中國(guó)女科學(xué)家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，她研制的抗瘧藥青蒿素挽救了數(shù)百萬(wàn)人的生命.在野生植物中提取青蒿素治療瘧疾，這體現(xiàn)了野生生物的（ ）.

A. 直接使用價(jià)值

B. 間接使用價(jià)值

C. 潛在使用價(jià)值

D. A與B的總和

解析 生物多樣性?xún)r(jià)值包括直接使用價(jià)值、間接使用價(jià)值和潛在使用價(jià)值三個(gè)方面，其中間接使用價(jià)值是指生態(tài)功能，價(jià)值最大；直接使用價(jià)值與潛在使用價(jià)值的區(qū)別關(guān)鍵是看具體作用有沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，是否已知，如具體作用尚不清楚，則為潛在使用價(jià)值.現(xiàn)已明確該野生植物中能提取青蒿素治療瘧疾，這便體現(xiàn)了該野生生物的直接使用價(jià)值.答案：A

五、考查生物實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及對(duì)結(jié)果的評(píng)價(jià)和解釋

例6 中國(guó)女科學(xué)家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，她研制的抗瘧藥青蒿素挽救了數(shù)百萬(wàn)人的生命.我國(guó)山西的青蒿資源非常豐富，本研究為開(kāi)發(fā)利用青蒿資源提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

實(shí)驗(yàn)一 研究目的：比較同一植株不同生長(zhǎng)期葉片中青蒿素含量的差異.

材料準(zhǔn)備：5～9月期間，分別采集成苗期、生長(zhǎng)盛期、花期和果期的青蒿葉，干燥后粉碎備用.

（1）根據(jù)研究目的，下列屬于實(shí)驗(yàn)時(shí)需控制的因素是.（多選）____

A.采摘時(shí)葉片中含水量

B.采集葉片時(shí)的氣溫

C.葉片的著生位置

D.葉片干燥的程度

（2）將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖如圖3所示.

該坐標(biāo)圖的橫坐標(biāo)名稱(chēng)是___，縱坐標(biāo)名稱(chēng)是____。

（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)一的研究結(jié)果，選擇____期的青蒿作為繼續(xù)研究的實(shí)驗(yàn)材料.

實(shí)驗(yàn)二

材料準(zhǔn)備：采集青蒿不同組織如根、莖、老葉（葉齡21d）、新葉（葉齡7d），共采集3次，每次在同一地方隨機(jī)采樣.所有樣品均采用烘干和自然干燥2種方式干燥，粉碎后備用.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：青蒿素含量（mg/g）

第1次采集：

根：1.02（曬干），0.74（烘干）；

莖：0.09（曬干），0.04（烘干）；

老葉：3.91（曬干），2.66（烘干）；

新葉：4.57（曬干），3.49（烘干）.

第2次采集：

根：1.05（曬干），0.72（烘干）；

莖：0.11（曬干），0.09（烘干）；

老葉：4.02（曬干），2.71（烘干）；

新葉：4.65（曬干），3.69（烘干）.

第3次采集：

根：1.14（曬干），0.79（烘干）；

莖：0.10（曬干），0.02（烘干）；

老葉：4.05（曬干），2.95（烘干）；

新葉：4.58（曬干），3.59（烘干）.

（4）本實(shí)驗(yàn)的研究目的是：.

（5）根據(jù)研究目的，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，用于記錄上述數(shù)據(jù).（不用抄錄數(shù)據(jù)）

解析 中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)大多為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，涉及的變量有自變量、無(wú)關(guān)變量和因變量，實(shí)驗(yàn)的目的通常為探究自變量對(duì)因變量的影響.實(shí)驗(yàn)中應(yīng)設(shè)置一組自變量作分組對(duì)照，應(yīng)控制無(wú)關(guān)變量力求適宜且相同，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量因變量來(lái)尋找與自變量之間的因果關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)一研究目的為比較同一植株不同生長(zhǎng)期葉片中青蒿素含量的差異，采摘時(shí)葉片中含水量和采集葉片時(shí)的氣溫因生長(zhǎng)期季節(jié)等而不同，也不便于人工控制，而葉片的著生位置和采摘后葉片干燥的程度可人工控制，應(yīng)作為無(wú)關(guān)變量必需要相同.

實(shí)驗(yàn)二研究目的為不同組織中青蒿素含量的比較以及不同干燥方法對(duì)青蒿素含量的影響，之所以重復(fù)三次，是為避免實(shí)驗(yàn)的偶然性，通過(guò)求取平均值來(lái)減小誤差.

答案：（1）CD

（2）生長(zhǎng)期 青蒿素含量（mg/g）

（3）生長(zhǎng)盛期

（4）不同組織中青蒿素含量的比較以及不同干燥方法對(duì)青蒿素含量的影響

（5）青蒿素含量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表（mg/g）

六、考查基因頻率和人類(lèi)遺傳病的調(diào)查

例7 （2016年江蘇高考題）鐮刀型細(xì)胞貧血癥（SCD）是一種單基因遺傳疾病，圖4為20世紀(jì)中葉非洲地區(qū)HbS基因與瘧疾的分布圖，基因型為HbSHbS的患者幾乎都死于兒童期.請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

（1）SCD患者血紅蛋白的2條β肽鏈上第6位氨基酸由谷氨酸變?yōu)槔i氨酸，而2條α肽鏈正常.HbS基因攜帶者（HbAHbS）一對(duì)等位基因都能表達(dá)，那么其體內(nèi)一個(gè)血紅蛋白分子中最多有___條異常肽鏈，最少有___條異常肽鏈.

（2）由圖可知，非洲中部HbS基因和瘧疾的部分基本吻合.與基因型為HbAHbA的個(gè)體相比，HbAHbS個(gè)體對(duì)瘧疾病原體抵抗力較強(qiáng)，因此瘧疾疫區(qū)比非疫區(qū)的_____基因頻率高.在疫區(qū)使用青蒿素治療瘧疾患者后，人群中基因型為_(kāi)___的個(gè)體比例上升.

（3）在瘧疾疫區(qū)，基因型為HbAHbS個(gè)體比HbAHbA和HbSHbS個(gè)體死亡率都低，體現(xiàn)了遺傳學(xué)上的現(xiàn)象._____

（4）為了調(diào)查SCD發(fā)病率及其遺傳方式，調(diào)查方法可分別選擇為（填序號(hào)）_____.

①在人群中隨機(jī)抽樣調(diào)查

②在患者家系中調(diào)查

③在瘧疾疫區(qū)人群中隨機(jī)抽樣調(diào)查

④對(duì)同卵和異卵雙胞胎進(jìn)行分析對(duì)比

（5）若一對(duì)夫婦中男性來(lái)自HbS基因頻率為1%～5%的地區(qū)，其父母都是攜帶者；女性來(lái)自HbS基因頻率為10%～20%的地區(qū)，她的妹妹是患者.請(qǐng)預(yù)測(cè)這對(duì)夫婦生下患病男孩的概率為.____

解析 此題是對(duì)基因的表達(dá)以及人類(lèi)遺傳病的考查，解答本題的關(guān)鍵在于理解基因控制蛋白質(zhì)的合成，不論該蛋白質(zhì)由多少條肽鏈組成，即正常血紅蛋白由HbA控制合成，異常血紅蛋白由HbS控制合成.由于HbS基因攜帶者（HbAHbS）一對(duì)等位基因都能表達(dá)，那么其體內(nèi)一個(gè)血紅蛋白分子可能是正常血紅蛋白分子，也可能是異常血紅蛋白分子，故一個(gè)血紅蛋白分子中最多有2條異常肽鏈，最少有0條異常肽鏈.另外須理解種群的基因頻率不是固定不變的，會(huì)因自然選擇、基因突變、基因重組而改變；調(diào)查人類(lèi)遺傳病發(fā)病率應(yīng)在人群中隨機(jī)抽樣調(diào)查，且群體要足夠大；調(diào)查人類(lèi)遺傳病遺傳方式則應(yīng)選擇患者家系.在計(jì)算后代表現(xiàn)型概率時(shí)，應(yīng)注意親代中無(wú)HbSHbS的患者，因?yàn)榛蛐蜑镠bSHbS的患者幾乎都死于兒童期.一對(duì)夫婦中男性父母都是攜帶者，則該男性基因型為1/3 HbAHbA 、2/3 HbAHbS，女性的妹妹是患者，則其父母也均為攜帶者，該女性基因型為1/3 HbAHbA 、2/3 HbAHbS，這對(duì)夫婦生下患病男孩的概率為為（2/3）×（2/3）×（1/4）×（1/2）﹦1/18.

答案：（1）2 0 （2）HbSHbAHbA （3）雜種（合）優(yōu)勢(shì) （4）①② （5）1/18