“數(shù)字法”揭秘基因工程命題熱點(diǎn)

郭亮

基因工程是生物工程的重要領(lǐng)域，是當(dāng)前生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿。多年來(lái)，有關(guān)基因工程的內(nèi)容是生物高考考查頻率較高的知識(shí)點(diǎn)。

命題分析

一點(diǎn)通

從近三年高考生物試卷可看出，高考真題涉及基因工程的內(nèi)容，有如下特點(diǎn)：

①考查頻率較高，幾乎年年考查。

②考點(diǎn)相對(duì)集中，主要考查基因工程中的各種工具和程序，尤其是各種工具酶的切割位點(diǎn)的確定，獲取目的基因的方法，基因表達(dá)載體的構(gòu)建及導(dǎo)入，目的基因的篩選方法等。

③命題有時(shí)從新的情境提出問(wèn)題，讓考生去解決新情境中的新問(wèn)題。

④有的命題與細(xì)胞工程、胚胎工程、克隆技術(shù)等內(nèi)容結(jié)合，考查考生綜合運(yùn)用生物工程技術(shù)手段解決實(shí)際問(wèn)題的能力；或與遺傳變異等知識(shí)結(jié)合，考查考生綜合運(yùn)用能力。

失分點(diǎn)

這樣的高考試題，對(duì)成績(jī)中上的考生來(lái)說(shuō)，失分點(diǎn)主要在綜合性題型；而對(duì)成績(jī)中等偏下的考生來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)題型也是失分的重要方面。

那么，考生如何在高三備考的最后階段快速準(zhǔn)確地掌握該考點(diǎn)的知識(shí)及解題技巧，從而提高高考成績(jī)？經(jīng)實(shí)踐，筆者用“數(shù)字法”幫助大家解決這個(gè)問(wèn)題。

解鎖“數(shù)字法”密鑰

一、用“數(shù)字法”總結(jié)提煉知識(shí)密碼

（一）基礎(chǔ)密碼“1234”——開(kāi)啟基因工程知識(shí)復(fù)習(xí)之鑰

1.密碼解讀

“1”，即一個(gè)原理：基因重組

基因工程是指按照人們的愿望，進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，通過(guò)體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，賦予生物以新的遺傳特性，創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產(chǎn)品。故依據(jù)的原理為基因重組。

2.密碼點(diǎn)津

本密碼概括的是基因工程板塊的基礎(chǔ)知識(shí)，故稱為“基礎(chǔ)1234”。掌握這些知識(shí)，可以應(yīng)對(duì)高考常出現(xiàn)的基礎(chǔ)考查。高考試題中選擇題和非選擇題都常以圖表的形式考查考生的基礎(chǔ)知識(shí)以及理解和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，所以復(fù)習(xí)過(guò)程中要掌握好基礎(chǔ)密碼，利用相應(yīng)的表格、流程圖、示意圖進(jìn)行研讀，以便突破重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（二）程序密碼“2233”——把握基因工程操作程序要點(diǎn)之訣

1.密碼解讀

“2”，即獲取目的基因的兩種方法

2.密碼點(diǎn)津

本密碼解讀的是基因工程操作程序的更深層次的知識(shí)，可以稱為“程序2233”，是對(duì)基因工程基礎(chǔ)知識(shí)的補(bǔ)充和深化。高考試題中有時(shí)會(huì)針對(duì)個(gè)別知識(shí)專題進(jìn)行考查，有時(shí)會(huì)在綜合題型中進(jìn)行主要考查。建議復(fù)習(xí)時(shí)運(yùn)用表格法（如上）列出明細(xì)，比較異同，便于掌握。尤其是按照密碼“2233”掌握不同程序的幾個(gè)要點(diǎn)，然后結(jié)合相關(guān)圖表綜合運(yùn)用。

（三）概念密碼“411”——辨析基因工程易混概念之碼

1.密碼解讀

2.密碼點(diǎn)津

一般情況下，這些易混概念是解答基因工程試題的關(guān)鍵點(diǎn)。概念不清，做題就容易出錯(cuò)。高考考試中，單獨(dú)考查概念的頻率不高，往往結(jié)合圖表，在綜合考查基因工程知識(shí)的時(shí)候，順帶考查。復(fù)習(xí)時(shí)，牢記密碼“411”，通過(guò)上述表格對(duì)比，搞清它們之間的聯(lián)系和區(qū)別非常關(guān)鍵。

二、用密碼知識(shí)化解基因工程高頻考點(diǎn)難題

熱點(diǎn)1：有關(guān)基因工程程序的考查

1.考題精析

例1 （2016·海南卷）基因工程又稱為DNA重組技術(shù)，回答相關(guān)問(wèn)題：

（1）在基因工程中，獲取目的基因主要有兩大途徑，即_______和從_______中分離。

（2）利用某植物的成熟葉片為材料，同時(shí)構(gòu)建cDNA 文庫(kù)和基因組文庫(kù)，兩個(gè)文庫(kù)相比，cDNA文庫(kù)中含有的基因數(shù)目比基因組文庫(kù)中的少，其原因是 _______。

（3）在基因表達(dá)載體中，啟動(dòng)子是_______聚合酶識(shí)別并結(jié)合的部位。若采用原核生物作為基因表達(dá)載體的受體細(xì)胞，最常用的原核生物是_______。

（4）將目的基因通過(guò)基因槍法導(dǎo)入植物細(xì)胞時(shí)，常用的攜帶目的基因的金屬顆粒有_______和_______顆粒。

【解析】（1）獲取目的基因主要有兩大途徑，即人工合成和從生物材料中分離，前者通過(guò)反轉(zhuǎn)錄法或人工化學(xué)合成法，后者通過(guò)基因文庫(kù)提取實(shí)現(xiàn)。

（2）cDNA文庫(kù)中只含有葉細(xì)胞已轉(zhuǎn)錄（或已表達(dá)）的基因，而基因組文庫(kù)中含有該植物的全部基因，故cDNA文庫(kù)中含有的基因數(shù)目比基因組文庫(kù)中的少。

（3）基因表達(dá)載體中，啟動(dòng)子是RNA聚合酶識(shí)別并結(jié)合的部位。因細(xì)菌繁殖快，故常采用的細(xì)菌是大腸桿菌。

（4）基因槍法是單子葉植物的常用的基因轉(zhuǎn)化方法，常用的攜帶目的基因的金屬顆粒有金粉和鎢粉顆粒，成本較高。

【答案】（1）人工合成 生物材料

（2）cDNA文庫(kù)中只含有葉細(xì)胞已轉(zhuǎn)錄（或已表達(dá)）的基因，而基因組文庫(kù)中含有該植物的全部基因

（3）RNA 大腸桿菌（或答細(xì)菌）

（4）金粉 鎢粉

【點(diǎn)評(píng)】本題主要考查基因工程的基礎(chǔ)知識(shí)。根據(jù)相關(guān)密碼，掌握要點(diǎn)知識(shí)，即可回答。但需要注意的是所考查的知識(shí)，如基因槍法等，考點(diǎn)較偏，如果考生對(duì)書(shū)本不熟，基礎(chǔ)不牢固，就會(huì)容易丟分。

2.考點(diǎn)預(yù)測(cè)

【預(yù)測(cè)1】圖1是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的示意圖。以下相關(guān)敘述，正確的是（ ）

A.①的構(gòu)建需要限制性核酸內(nèi)切酶和DNA聚合酶參與

B.②侵染植物細(xì)胞后，重組Ti質(zhì)粒整合到植物細(xì)胞的染色體上

C.③含Ti質(zhì)粒的農(nóng)桿菌導(dǎo)入植物細(xì)胞的過(guò)程叫轉(zhuǎn)化

D.④過(guò)程培育出的植株不一定表現(xiàn)出抗蟲(chóng)性狀

【答案】D

【點(diǎn)評(píng)】本題利用教材流程圖，綜合考查基因工程各程序知識(shí)，是高考的常見(jiàn)題型，如2014年重慶卷、2014年廣東卷等。本來(lái)此類題難度不大，但濃縮在選擇題中考查，難度就增加了。

【預(yù)測(cè)2】為了獲得更多的青蒿素，研究人員嘗試?yán)媒湍高M(jìn)行轉(zhuǎn)基因的方法進(jìn)行生產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，酵母細(xì)胞也能夠產(chǎn)生青蒿酸合成的中間產(chǎn)物FPP（如圖2所示，實(shí)線框內(nèi)為青蒿細(xì)胞中青蒿酸的合成途徑）。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

（1）在FPP合成酶基因的表達(dá)過(guò)程中，完成過(guò)程中①需要______________酶催化。

（2）根據(jù)圖示的代謝過(guò)程，若科學(xué)家用基因工程技術(shù)培育能產(chǎn)生青蒿酸的酵母細(xì)胞，需要向酵母細(xì)胞中導(dǎo)入_____________、_____________等。在基因工程的操作過(guò)程中，為了目的基因在受體細(xì)胞中能穩(wěn)定存在、復(fù)制和表達(dá)，使其發(fā)揮作用，需要構(gòu)建_____________。

（3）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改造后的酵母菌細(xì)胞的基因能正常表達(dá)，但酵母菌合成的青蒿酸仍很少，根據(jù)圖解分析，其原因可能是____________。

（4）利用酵母細(xì)胞生產(chǎn)青蒿酸的明顯優(yōu)勢(shì)有________________________________________（答對(duì)一個(gè)要點(diǎn)即可）。

【答案】

（1）RNA聚合

（2）ADS酶基因 CYP71AV1酶基因 基因表達(dá)載體

（3）酵母細(xì)胞中FPP部分用于合成固醇（或FRG9酶容易表達(dá)）

（4）細(xì)胞繁殖快（或生理代謝旺盛，或易培養(yǎng)，或成本低，或能克服地域性種植的限制）

【點(diǎn)評(píng)】根據(jù)熱點(diǎn)材料考查基因工程的基本操作程序要點(diǎn)，是高考常有的命題方式。解答這類問(wèn)題，要會(huì)結(jié)合密碼知識(shí)，根據(jù)圖表和材料進(jìn)行分析。

熱點(diǎn)2：有關(guān)構(gòu)建重組質(zhì)粒的考查

1.考題精析

例2 （2016·全國(guó)新課標(biāo)卷Ⅲ）圖3（a）中的三個(gè)DNA片段上依次表示出了EcoRⅠ、BamHⅠ和Sau3AⅠ三種限制性內(nèi)切酶的識(shí)別序列與切割位點(diǎn)，（b）為某種表達(dá)載體示意圖（載體上的EcoRⅠ、Sau3AⅠ的切點(diǎn)是唯一的）。

根據(jù)基因工程的有關(guān)知識(shí)，回答下列問(wèn)題：

（1）經(jīng)BamHⅠ酶切割得到的目的基因可以與上述表達(dá)載體被____________酶切后的產(chǎn)物連接，理由是________________________。

（2）若某人利用圖3（b）所示的表達(dá)載體獲得了甲、乙、丙三種含有目的基因的重組子，如圖4所示。這三種重組子中，不能在宿主細(xì)胞中表達(dá)目的基因產(chǎn)物的有____________，不能表達(dá)的原因是________________________。

（3）DNA連接酶是將兩個(gè)DNA片段連接起來(lái)的酶，常見(jiàn)的有____________和____________，其中既能連接黏性末端又能連接平末端的是________________________。

【解析】（1）Sau3AⅠ酶切割的目的基因和BamHⅠ酶切割載體產(chǎn)生的片段具有相同的的黏性末端，故可連接。

（2）在基因表達(dá)載體中，啟動(dòng)子應(yīng)位于目的基因的首端，終止子應(yīng)位于目的基因的尾端，這樣目的基因才能表達(dá)。圖中甲、丙均不符合，所以不能表達(dá)目的基因的產(chǎn)物。

（3）常見(jiàn)的DNA連接酶有E·coliDNA連接酶和T4DNA連接酶；既能連接黏性末端又能連接平末端的是T4DNA連接酶。

【答案】（1）Sau3AⅠ 兩種酶切割后產(chǎn)生的片段具有相同的黏性末端

（2）甲、丙 甲中的目的基因插入在啟動(dòng)子的上游，丙中的目的基因插入在終止子的下游，二者的目的基因均不能被轉(zhuǎn)錄

（3）E·coliDNA連接酶 T4DNA連接酶 T4DNA連接酶

【點(diǎn)評(píng)】構(gòu)建重組質(zhì)粒的相關(guān)知識(shí)是基因工程高考試題中最常見(jiàn)的考查點(diǎn)之一?？疾橐c(diǎn)是重組質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)，以及重組質(zhì)粒的構(gòu)建過(guò)程。解答這類題，要掌握以下知識(shí)：

重組質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)包括啟動(dòng)子、終止子、目的基因、標(biāo)記基因、復(fù)制原點(diǎn)等，缺一不可。

構(gòu)建重組質(zhì)粒則要遵循幾個(gè)原則：（1）保證得到的目的基因不被破壞。（2）作為運(yùn)載體的質(zhì)粒保證至少一個(gè)標(biāo)記基因不被破壞。此外，應(yīng)注意啟動(dòng)子、終止子、復(fù)制原點(diǎn)等不被破壞。（3）目的基因與質(zhì)粒之間能得到一種或兩種彼此相同的黏性末端（平切口不考慮）。 同時(shí)要注意不同酶切方法的運(yùn)用：（1）一般情況下，單種酶在切割目的基因和運(yùn)載體時(shí)常常要用同一種限制性內(nèi)切酶，從而產(chǎn)生相同的黏性末端。（2）兩種或兩種以上的限制酶去切割含目的基因的DNA片段和運(yùn)載體。較常見(jiàn)的是用同一組兩種限制酶去切割含目的基因的DNA 片段和運(yùn)載體，兩者都會(huì)產(chǎn)生具有兩種不同的黏性末端的DNA片段（兩個(gè)末端分別用A與B表示）。當(dāng)構(gòu)成重組質(zhì)粒時(shí)，由相同酶切開(kāi)的目的基因的A 端與質(zhì)粒的A 端通過(guò)堿基互補(bǔ)連接，目的基因的B端與質(zhì)粒的B端通過(guò)堿基互補(bǔ)連接。用多種酶切的優(yōu)點(diǎn)：（1）可防止目的基因與質(zhì)粒的自身環(huán)化。多酶切后目的基因與運(yùn)載體的兩側(cè)的黏性末端不相同，因此不能發(fā)生自身首尾相連成環(huán)狀DNA分子。（2）可實(shí)現(xiàn)目的基因與質(zhì)粒的定向連接。

2.考點(diǎn)預(yù)測(cè)

【預(yù)測(cè)3】圖5是培育表達(dá)人乳鐵蛋白的乳腺生物反應(yīng)器的技術(shù)路線。請(qǐng)回答：

（1）質(zhì)粒載體作為基因工程的工具，應(yīng)具備的基本條件有____________（答出兩點(diǎn)即可），而作為基因表達(dá)載體，除滿足上述基本條件外，還需具有啟動(dòng)子和終止子。

（2）如圖5所示，若對(duì)1中的質(zhì)粒進(jìn)行改造，插入的SmaⅠ酶切位點(diǎn)越多，質(zhì)粒的熱穩(wěn)定性將會(huì)____________。

（3）如圖5所示，用2中的人乳鐵蛋白目的基因和1中的質(zhì)粒構(gòu)建重組質(zhì)粒時(shí)，選用的限制酶是____________（從“EcoRⅠ”“BamHⅠ/ HindⅢ”“SmaⅠ/ HindⅢ”中選擇）。不能選擇其他限制酶的理由分別是________________________________________________。

【答案】

（1）能自我復(fù)制、具有標(biāo)記基因

（2）提高

（3）BamHⅠ/ HindⅢ 若選EcoRⅠ會(huì)破壞質(zhì)粒的復(fù)制原點(diǎn)；若選SmaⅠ/ HindⅢ，則構(gòu)建的重組質(zhì)粒沒(méi)有標(biāo)記基因或復(fù)制原點(diǎn)

【點(diǎn)評(píng)】本題考查重組質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)和構(gòu)建，是近年來(lái)最常見(jiàn)的基因工程題型。

熱點(diǎn)3：有關(guān)基因工程知識(shí)應(yīng)用的考查

1.考題精析

例3 （2016·天津卷）人血清白蛋白（HSA）具有重要的醫(yī)用價(jià)值，只能從血漿中制備。圖6是利用基因工程技術(shù)獲取重組HSA（rHSA）的兩條途徑。

（1）為獲取HSA基因，首先需采集人的血液，提取________合成總cDNA，然后以cDNA為模板，采用PCR技術(shù)擴(kuò)增HSA基因。下圖中箭頭表示一條引物結(jié)合模板的位置及擴(kuò)增方向，請(qǐng)用箭頭在方框內(nèi)標(biāo)出另一條引物的位置及擴(kuò)增方向。

（2）啟動(dòng)子通常具有物種及組織特異性，構(gòu)建在水稻胚乳細(xì)胞內(nèi)特異表達(dá)rHSA的載體，需要選擇的啟動(dòng)子是____________（填字母，單選）。

A.人血細(xì)胞啟動(dòng)子 B.水稻胚乳細(xì)胞啟動(dòng)子

C.大腸桿菌啟動(dòng)子 D.農(nóng)桿菌啟動(dòng)子

（3）利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化水稻受體細(xì)胞的過(guò)程中，需添加酚類物質(zhì)，其目的是________________________________________________。

（4）人體合成的初始HSA多肽，需要經(jīng)過(guò)膜系統(tǒng)加工形成正確的空間結(jié)構(gòu)才能有活性。與途徑Ⅱ相比，選擇途徑Ⅰ獲取rHSA的優(yōu)勢(shì)是____________________________________。

（5）為證明rHSA具有醫(yī)用價(jià)值，須確認(rèn)rHSA與____________的生物學(xué)功能一致。

【解析】（1）合成總cDNA需要提取細(xì)胞中所有的mRNA，然后通過(guò)反轉(zhuǎn)錄過(guò)程。采用PCR技術(shù)擴(kuò)增HSA基因時(shí)，兩條引物分別與模板鏈的5ˊ端結(jié)合，擴(kuò)增方向相反。

（2）根據(jù)啟動(dòng)子通常具有物種及組織特異性，在水稻胚乳細(xì)胞內(nèi)特異性表達(dá)rHSA，需要選擇水稻胚乳細(xì)胞啟動(dòng)子。

（3）農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化水稻受體細(xì)胞的過(guò)程中，酚類物質(zhì)可吸引農(nóng)桿菌移向水稻體細(xì)胞，有利于目的基因的轉(zhuǎn)移。

（4）水稻是真核生物，具有膜系統(tǒng)，能對(duì)初始rHSA多肽進(jìn)行高效加工，而大腸桿菌是原核生物，細(xì)胞中不具有膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器。

（5）為證明rHSA具有醫(yī)用價(jià)值，須確認(rèn)rHSA與天然的HSA生物學(xué)功能一致。

【答案】（1）總RNA（或mRNA）

（2）B

（3）吸引農(nóng)桿菌移向水稻受體細(xì)胞，有利于目的基因成功轉(zhuǎn)化

（4）水稻是真核生物，具有膜系統(tǒng)，能對(duì)初始rHSA多肽進(jìn)行高效加工

（5）HSA

【點(diǎn)評(píng)】一般來(lái)說(shuō)，基因工程的應(yīng)用考查體現(xiàn)了本專題知識(shí)和其他章節(jié)知識(shí)的綜合。如與本專題相關(guān)的必修內(nèi)容：酶的特性、遺傳變異知識(shí)等。再如與本專題相關(guān)的選修內(nèi)容：細(xì)胞工程、胚胎工程等。本題通過(guò)人血清白蛋白的制備來(lái)考查基因工程的應(yīng)用，同時(shí)兼考查啟動(dòng)子、cDNA文庫(kù)等概念，以及原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的膜系統(tǒng)的知識(shí)。解答這類試題，掌握密碼知識(shí)是基礎(chǔ)。

2.考點(diǎn)預(yù)測(cè)

【預(yù)測(cè)4】人類疾病的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型常用于致病機(jī)理的探討及治療藥物的篩選。利用正常大鼠制備遺傳性高血壓轉(zhuǎn)基因模型大鼠的流程如圖7所示（注：基因B為高血壓相關(guān)基因）。

（1）進(jìn)行過(guò)程①之前，需對(duì)人工采集的精子進(jìn)行____________處理。完成過(guò)程②常采用的方法是____________。過(guò)程④中，為了防止污染，通常還要在細(xì)胞培養(yǎng)液中添加一定量的____________。

（2）從人體細(xì)胞中獲取基因B時(shí)用到的工具酶是____________，在構(gòu)建的基因表達(dá)載體中，高血壓相關(guān)基因的首端必須有____________，它是RNA聚合酶的識(shí)別和結(jié)合部位。

（3）圖示中甲為_(kāi)___________（時(shí)期）的去核卵母細(xì)胞，過(guò)程⑤的操作技術(shù)叫作____________。

（4）要在分子水平上檢測(cè)成功導(dǎo)入的B基因在大鼠中是否成功表達(dá)，可采用____________方法，如果高血壓相關(guān)基因已在大鼠體內(nèi)成功表達(dá)，可用其建立高血壓轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型。

【答案】（1）獲能 顯微注射法 抗生素

（2）限制性核酸內(nèi)切酶（限制酶） 啟動(dòng)子

（3）減數(shù)第二次分裂中期（MⅡ中期） 核移植

（4）抗原-抗體雜交

【點(diǎn)評(píng)】本題綜合考查基因工程、細(xì)胞工程和胚胎工程的知識(shí)。其中，對(duì)基因工程的基本概念、操作程序進(jìn)行了重點(diǎn)考查。

★《求學(xué)》提醒：通過(guò)數(shù)字密碼，快速掌握基因工程的知識(shí)，是解答基因工程類高考試題的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。尤其在復(fù)習(xí)的最后階段，通過(guò)數(shù)字密碼，簡(jiǎn)化知識(shí)記憶方式，把書(shū)讀薄，從而提高高考復(fù)習(xí)效率。當(dāng)然，由于篇幅有限，對(duì)有些常出現(xiàn)的考點(diǎn)，如PCR技術(shù)、基因探針檢測(cè)等沒(méi)有詳細(xì)分析，考生復(fù)習(xí)時(shí)也要予以重視。