2019年高考天津卷基因工程試題評(píng)析及啟示

趙 鑫

(天津市耀華嘉誠國際中學(xué) 天津 300040)

1 試題

B基因存在于水稻基因組中，其僅在體細(xì)胞(2n)和精子中正常表達(dá)，但在卵細(xì)胞中不轉(zhuǎn)錄。為研究B基因表達(dá)對(duì)卵細(xì)胞的影響，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。

據(jù)圖回答：

(1) B基因在水稻卵細(xì)胞中不轉(zhuǎn)錄，推測(cè)其可能的原因是卵細(xì)胞中(單選)。

A. 含B基因的染色體缺失

B. DNA聚合酶失活

C. B基因發(fā)生基因突變

D. B基因的啟動(dòng)子無法啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄

(2) 從水稻體細(xì)胞或中提取總RNA，構(gòu)建文庫，進(jìn)而獲得B基因編碼蛋白的序列。將該序列與Luc基因(表達(dá)的熒光素酶能催化熒光素產(chǎn)生熒光)連接成融合基因(表達(dá)的蛋白質(zhì)能保留兩種蛋白質(zhì)各自的功能)，然后構(gòu)建重組表達(dá)載體。

(3) 在過程①、 ②轉(zhuǎn)化篩選時(shí)，過程中T-DNA整合到受體細(xì)胞染色體DNA上，過程在培養(yǎng)基中應(yīng)加入卡那霉素。

(4) 獲得轉(zhuǎn)基因植株過程中，以下鑒定篩選方式正確的是(多選)。

A. 將隨機(jī)斷裂的B基因片段制備成探針進(jìn)行DNA分子雜交

B. 以Luc基因?yàn)槟０逶O(shè)計(jì)探針進(jìn)行DNA分子雜交

C. 以B基因編碼蛋白的序列為模板設(shè)計(jì)探針與從卵細(xì)胞提取的mRNA雜交

D. 檢測(cè)加入熒光素的卵細(xì)胞中是否發(fā)出熒光

(5) 從轉(zhuǎn)基因植株未成熟種子中分離出胚，觀察到細(xì)胞內(nèi)僅含一個(gè)染色體組，判定該胚是由未受精的卵細(xì)胞發(fā)育形成的，而一般情況下水稻卵細(xì)胞在未受精時(shí)不進(jìn)行發(fā)育，由此表明。

參考答案： (1) D (2) 精子；cDNA (3) ②；① (4) BCD (5) B基因表達(dá)能使卵細(xì)胞不經(jīng)受精直接發(fā)育成胚。

2 試題分析

本題在知識(shí)層面，重點(diǎn)考查了人教版選修3基因工程中的“啟動(dòng)子的選擇”“cDNA文庫的構(gòu)建”和“農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法”等重要知識(shí)點(diǎn)。在能力層面，重點(diǎn)考查了“基因工程中的篩選方法”“通過實(shí)驗(yàn)分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論”和“通過文字和過程圖獲取信息”等能力。

2.1 對(duì)題干文字的分析 B基因存在于水稻的基因組中，即水稻所有的細(xì)胞都含有B基因，包括卵細(xì)胞。但僅在體細(xì)胞和精子中表達(dá)，在卵細(xì)胞中不轉(zhuǎn)錄。這說明B基因是選擇性表達(dá)的基因，而基因表達(dá)的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵是啟動(dòng)子。因此，B基因在卵細(xì)胞中不轉(zhuǎn)錄，可能原因就是B基因在卵細(xì)胞中的啟動(dòng)子無法啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖牵骸把芯緽基因表達(dá)對(duì)卵細(xì)胞的影響”，這是理解和分析本題的主要線索。

2.2 對(duì)過程圖的分析 構(gòu)建“融合基因”： 將B基因與Luc基因連接。

構(gòu)建“重組Ti質(zhì)?！保?將融合基因插入到Ti質(zhì)粒的T-DNA中的特定的啟動(dòng)子和終止子之間。T-DNA中的這個(gè)特定的“啟動(dòng)子”可使B基因在卵細(xì)胞中啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，從而使B基因正常表達(dá)。需要注意的是： Ti質(zhì)粒上有兩個(gè)抗性基因，都可作為標(biāo)記基因，但位置不同。潮霉素抗性基因位于T-DNA內(nèi)，會(huì)隨T-DNA一起整合到水稻的基因組中?？敲顾乜剐曰蛭挥赥-DNA外，將來僅存在于導(dǎo)入(重組)Ti質(zhì)粒的農(nóng)桿菌中，不會(huì)整合到水稻的基因組中。

①過程為： 導(dǎo)入并篩選農(nóng)桿菌。篩選方法是將農(nóng)桿菌放在含有卡那霉素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，篩選出的農(nóng)桿菌有兩種： 含重組Ti質(zhì)粒的農(nóng)桿菌和含原(空載)Ti質(zhì)粒的農(nóng)桿菌。②過程為： 侵染并篩選出已轉(zhuǎn)化的水稻愈傷組織。因水稻為單子葉植物，所以在培養(yǎng)基中需加入酚類物質(zhì)，目的是有利于農(nóng)桿菌侵染水稻的愈傷組織，從而有利于農(nóng)桿菌的重組Ti質(zhì)粒中的T-DNA整合到水稻基因組中。又因?yàn)門-DNA內(nèi)有潮霉素抗性基因，因此應(yīng)在培養(yǎng)基中加入潮霉素，從而篩選出已轉(zhuǎn)化的水稻愈傷組織。

轉(zhuǎn)基因水稻的檢測(cè)、鑒定和篩選。在進(jìn)行分子水平的檢測(cè)時(shí)，可根據(jù)B基因或Luc基因編碼蛋白質(zhì)的典型序列為模板，制備探針。但在檢測(cè)融合基因是否整合到水稻的基因組DNA上時(shí)，不能用以B基因?yàn)槟０逯苽涞奶结?，因?yàn)樗镜乃屑?xì)胞中都有B基因。

題目已說明“Luc基因表達(dá)的熒光素酶能催化熒光素產(chǎn)生熒光，而融合基因表達(dá)的蛋白質(zhì)能保留兩種蛋白質(zhì)各自的功能?！币蛉诤匣蚴枪灿靡粋€(gè)啟動(dòng)子的，若能成功轉(zhuǎn)錄，則應(yīng)轉(zhuǎn)錄出同一條mRNA，所翻譯出的蛋白質(zhì)具有各自的功能。因此，在進(jìn)行翻譯水平的檢測(cè)時(shí)，在加入熒光素后，若轉(zhuǎn)基因水稻卵細(xì)胞能發(fā)出熒光，則可同時(shí)說明B基因在卵細(xì)胞中已成功表達(dá)出了相應(yīng)的蛋白質(zhì)。由此也說明了這里所用的“Luc基因”，從作用上看相當(dāng)于標(biāo)記基因。

3 答題分析

(1) 題干已說明B基因在水稻卵細(xì)胞中不轉(zhuǎn)錄，推測(cè)其原因是： 在卵細(xì)胞中B基因的啟動(dòng)子不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。A、 C選項(xiàng)表述為突變問題，因突變具有低頻性和隨機(jī)性，因此不會(huì)使所有的B基因在卵細(xì)胞中都無法轉(zhuǎn)錄。B選項(xiàng)的DNA聚合酶的功能為催化DNA復(fù)制，與轉(zhuǎn)錄無關(guān)。

(2) 在獲取B基因時(shí)，先通過提取總RNA，經(jīng)反轉(zhuǎn)錄構(gòu)建cDNA文庫，再獲得B基因編碼蛋白質(zhì)的序列。因此應(yīng)從能表達(dá)B基因的細(xì)胞中提取總RNA，才能確?？俁NA中有B基因轉(zhuǎn)錄出的相應(yīng)mRNA。這類細(xì)胞在題干中已有明確表述，即體細(xì)胞和精子。但第一個(gè)空有部分考生錯(cuò)答“卵細(xì)胞”或“生殖細(xì)胞”，主要原因是審題失誤。第二個(gè)空應(yīng)答“cDNA”或“部分DNA”或“互補(bǔ)DNA”或“表達(dá)DNA”或“反轉(zhuǎn)錄DNA”，但答“基因”“基因組”“DNA”“RNA”或“cRNA”不給分。還有部分考生書寫不規(guī)范，將“cDNA”寫成“CDNA”或“c-DNA”。

(3) 部分考生將兩個(gè)序號(hào)填反或全填①或全填②。說明未掌握Ti質(zhì)粒中的T-DNA的作用原理，也未能理解Ti質(zhì)粒上的兩個(gè)抗性基因，因所在的位置不同，篩選時(shí)的作用也不同。

(4) 因?yàn)槭嵌噙x的考查形式，部分考生怕誤選，不敢選，錯(cuò)誤率較高。A選項(xiàng)根據(jù)人教版選修3教材表述可知： DNA分子雜交法一般用于檢測(cè)目的基因是否插入到轉(zhuǎn)基因生物的基因組中。而水稻基因組中本來就有B基因，但在卵細(xì)胞中不轉(zhuǎn)錄。因此，用B基因片段制備探針去檢測(cè)轉(zhuǎn)基因水稻基因組中是否有B基因是沒有必要的。

(5) 題干已說明轉(zhuǎn)基因植株未成熟種子中的胚是由含一個(gè)染色體組的未受精的卵細(xì)胞發(fā)育形成的，再去回應(yīng)題干中的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模骸把芯緽基因表達(dá)對(duì)卵細(xì)胞的影響”，由此可推測(cè)出“B基因表達(dá)可使卵細(xì)胞不經(jīng)受精作用而直接發(fā)育成胚?！闭_回答這個(gè)小題應(yīng)把握好三個(gè)關(guān)鍵詞，即“表達(dá)”“卵細(xì)胞”和“發(fā)育”。但部分考生漏答“表達(dá)”，只說B基因，或只泛泛地回答“影響”，并未具體說明是影響“發(fā)育”。其實(shí)，題干對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋硎鲆呀o出了“答題的線索和模板”，考生應(yīng)根據(jù)對(duì)題目的分析和推理，將其具體化地表述出來即可。

4 對(duì)教學(xué)的啟示

4.1 研磨歷年真題，洞察命題規(guī)律 在2019年《考試說明》(天津卷)中，對(duì)基因工程操作步驟的知識(shí)要求為Ⅱ，即理解所列知識(shí)和其他相關(guān)知識(shí)之間的聯(lián)系和區(qū)別，并能夠在較復(fù)雜的情境中綜合運(yùn)用其進(jìn)行分析、判斷、推理和評(píng)價(jià)。高考(天津卷)在2016年、2017年和2019年的試題中均涉及到了農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的考查，而且也都考查了篩選問題?？疾橐?guī)律呈現(xiàn)出了難度逐年加大、內(nèi)容逐漸加深、更加全面和細(xì)致的特點(diǎn)。如果教師在研磨歷年高考真題時(shí)，能夠洞察并把握這種命題變化趨勢(shì)，在新課教學(xué)和一輪復(fù)習(xí)中有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)整，相信對(duì)于大多數(shù)學(xué)生來說，對(duì)此類問題的考查會(huì)更游刃有余。

4.2 研讀課標(biāo)教材，落實(shí)概念教學(xué) 新課標(biāo)聚焦于“大概念”和“核心概念”。在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中，明確提出了“闡明基因工程的基本操作程序，主要包括： 目的基因的獲取、基因表達(dá)載體的構(gòu)建、目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞和目的基因及其表達(dá)產(chǎn)物的檢測(cè)鑒定等步驟”。在“目的基因的獲取”這一步驟中，出現(xiàn)了“基因文庫”的概念。在人教版選修3教材中，不僅對(duì)這個(gè)概念進(jìn)行了操作性的解釋，而且還運(yùn)用了類比法和表格比較法對(duì)兩種基因文庫進(jìn)行比較分析。建議教師在新課教學(xué)時(shí)，應(yīng)以“結(jié)構(gòu)決定功能”的生物學(xué)思想為指導(dǎo)，從真核基因和原核基因的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄(功能)兩個(gè)方面的區(qū)別出發(fā)，幫助學(xué)生深入理解基因文庫的概念，明確兩種基因文庫的特點(diǎn)和區(qū)別。在一輪復(fù)習(xí)時(shí)，還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將“基因文庫”與必修2的“基因組”“基因庫”這些相近易混概念從內(nèi)涵、水平、分類和應(yīng)用等多個(gè)視角進(jìn)行比較復(fù)習(xí)[1]。同時(shí)，通過加強(qiáng)糾錯(cuò)練習(xí)，不斷規(guī)范學(xué)生的書寫，避免出現(xiàn)諸如“CDNA”“c-DNA”和“cRNA”等錯(cuò)誤寫法。

4.3 新課落實(shí)基礎(chǔ)，復(fù)習(xí)化整為零 基因工程歷來就是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是高考(天津卷)的高頻考點(diǎn)。一方面是其知識(shí)體系較為龐雜，內(nèi)容又較為抽象，學(xué)生的理解難度較大；另一方面是基因工程還涉及到了必修2的基因和基因表達(dá)、基因重組、遺傳規(guī)律和育種等相關(guān)內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系廣泛，綜合度高。因此建議教師在新課教學(xué)時(shí)，應(yīng)著重落實(shí)基礎(chǔ)，重視學(xué)生對(duì)教材的研讀。在一輪復(fù)習(xí)時(shí)，可根據(jù)歷年高考?？贾R(shí)點(diǎn)，將基因工程分解成若干個(gè)小專題，化整為零，逐一突破，幫助學(xué)生理解基因工程操作中的每一個(gè)步驟背后的原理，知其然更要知其所以然。為了使學(xué)生能夠更好地理解過程圖，教師還可以創(chuàng)新教學(xué)方式、布置作圖作業(yè)，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化。