聚焦大概念構建必修與選修知識體系
——以“中心法則與基因工程”為例

江蘇

《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》（以下簡稱《課程標準》）的基本理念之一是“內(nèi)容聚焦大概念”，即本課程的設計和實施追求“少而精”的原則，必修和選擇性必修課程的模塊內(nèi)容聚焦大概念。在遺傳學中，DNA的結構、復制、轉錄與翻譯等與中心法則相關內(nèi)容是基因工程的理論基礎，而基因工程是這些遺傳知識的具體應用。教師在二輪復習時，可以整合必修和選修教材中的相關知識點，以提高復習效率。

1.必修與選修內(nèi)容的整合在高考試題中的體現(xiàn)

在2019 年全國卷Ⅰ第38 題考查了選修3 PCR 技術的相關內(nèi)容，但其中涉及與必修2 中DNA 的復制內(nèi)容的比較與分析；2019 年北京卷第4 題在育種考查中將轉基因技術與染色體變異知識結合在一起，第31 題光合作用、基因工程及基因對性狀的控制等有關知識聯(lián)系起來；2019 年海南卷第31 題與天津卷第9 題將基因工程、蛋白質工程與必修2 中心法則相聯(lián)系；2019 年全國卷Ⅱ第38 題細胞工程內(nèi)容的考查聯(lián)系到必修內(nèi)容中生殖方式、細胞呼吸、植物的營養(yǎng)成分等內(nèi)容；2019 年全國卷Ⅲ第38 題對細胞工程的考查，涉及葉綠素、光合作用及生殖方式等必修內(nèi)容。由此看出，在高考命題中必修課程的知識與選修課程知識的融合是一種趨勢，也符合《課程標準》的理念。

2.中心法則與基因工程的整合在教學中的應用

根據(jù)必修中的內(nèi)容可知，生物體的遺傳信息要傳遞給后代，并且在后代中得到表達，這個過程包括真核細胞與原核細胞中DNA 的復制、轉錄與翻譯，以及病毒在宿主細胞中的DNA 復制、轉錄、逆轉錄、RNA 的復制等，這些內(nèi)容可以通過中心法則聯(lián)系在一起，學生在掌握這些知識的基礎上，將其代入基因工程中進行實踐，這樣可以形成必修與選修的知識系統(tǒng)，下面筆者來談談具體的方法。

2.1 中心法則與基因工程中有關酶的比較

中心法則與基因工程中涉及的酶有多種，這些酶在各類試題中經(jīng)常出現(xiàn)。如DNA 復制時需要DNA 聚合酶形成磷酸二酯鍵，基因工程中目的基因與載體之間的連接需要DNA 連接酶形成兩個片段之間的磷酸二酯鍵。某些RNA病毒具有逆轉錄酶，在合成目的基因時也可以用逆轉錄的方法形成cDNA。限制酶與DNA 水解酶都具有破壞磷酸二酯鍵的作用，但前者形成2 個DNA 片段，后者產(chǎn)生單個脫氧核苷酸，筆者將中心法則與基因工程中有關酶的知識點進行整合，如表1。

表1

【例1】如圖1 表示一段DNA 改造的過程，①～③表示相關的酶。下列敘述錯誤的是 （ )

圖1

A.酶①和酶②的作用底物不同

B.酶①②③作用的化學鍵相同

C.酶①是限制酶，酶②與酶③是DNA 連接酶

D.與酶②相比，酶③作用時不需要模板和引物

【答案】C

【分析】此題將與DNA 改造相關的3 種酶通過一個情境聯(lián)系起來，酶①是限制酶，酶②需要模板與引物填補脫氧核苷酸，經(jīng)酶②完成的過程是DNA聚合酶作用的結果，酶③是DNA 連接酶。這里的3 種酶都作用于磷酸二酯鍵，但有區(qū)別，學生必需要將必修課程中學習的DNA 聚合酶的作用與選修課程中的限制酶及DNA 連接酶的作用理解透徹，才能正確解答該題。

2.2 DNA 的復制與PCR 技術的比較

DNA 的復制與PCR 技術都能使DNA 成倍增加，兩者的原理、原料是相同的，但也有不同點，教師在進行PCR 技術內(nèi)容的復習時可以結合DNA 的復制的相關內(nèi)容進行比較，這樣使學生既能很快掌握PCR 技術的相關知識，又能了解它們的區(qū)別，對解答相關試題很有幫助。

2.2.1 DNA 體內(nèi)復制過程與PCR 技術擴增DNA 的比較

DNA 的復制與PCR 技術擴增DNA 的原理是相同的，兩者的異同如表2 所示。教師在復習PCR 技術相關知識時，應注意的是脫氧核苷三磷酸（dNTP）中含有2 個高能磷酸鍵，這個知識可以結合ATP 分子結構來理解，它與ATP分子的差異是五碳糖發(fā)生了變化，dNTP 上的堿基有4 種，其中高能磷酸鍵水解釋放的能量為形成磷酸二酯鍵提供能量，水解后產(chǎn)生的脫氧核苷酸可以為DNA的復制提供原料。其實生物體內(nèi)DNA 的復制需要的原料也是4 種dNTP，但必修教材中沒有詳細說明，只在選修3 才介紹了這部分內(nèi)容，再與必修1 中ATP 有關知識聯(lián)系起來，學生就知道dNTP 不僅可以提供原料，還能提供能量。

表2

2.2.2 DNA 的復制與PCR 技術中的引物設計

DNA 的復制中需要引物，DNA 聚合酶延伸子鏈具有方向性，只能從子鏈的5′端向3′端延伸。引物是與被分離的目的基因兩條鏈各自3′端序列相互補的DNA片段，引物的5′端與模板鏈的3′端互補配對，然后在DNA 聚合酶的作用下向3′端延伸。

【例2】人金屬硫蛋白（MT）是一類廣泛存在于生物體內(nèi)的金屬結合蛋白，某研究小組計劃通過多聚酶鏈式反應（PCR）技術擴增目的基因，構建轉基因工程菌，用于重金屬廢水的凈化處理。下列敘述錯誤的是 （ ）

A.可以在引物的5′端添加限制酶切點

B.引物內(nèi)部堿基G— C 比例越高退火的溫度就越高

C.1 個DNA 經(jīng)過PCR 技術的4 次循環(huán)共需要32 個引物

D.可從合成MT 的細胞中提取mRNA 反轉錄得到目的基因

【答案】C

【分析】此題引物數(shù)量計算的思維方式與“1 個用32P標記的DNA 放在沒有標記的環(huán)境中復制n 次，不含32P 的DNA 鏈有多少個”類似，可以看作是DNA 的復制原理的變式應用。子鏈的形成需要引物，模板鏈不需要引物，因此經(jīng)過n 次復制需要的引物是2n×2-2 個，則4 次復制需要30 個引物。由mRNA 合成DNA 需要通過逆轉錄來完成，這都說明基因工程的內(nèi)容與必修知識關聯(lián)度很高。

根據(jù)DNA 復制的原理，在引物設計時要注意以下幾點：（1）引物長度不能過短，這樣特異性差，且引物過長會導致其合成難度大；（2）引物內(nèi)部G— C 比例越高，氫鍵數(shù)目越多，設置退火的溫度就越高；（3）為方便構建重組質粒，在引物中需要增加適當?shù)南拗泼盖形稽c，最好是雙酶切，這樣保證定向插入連接，酶切點應加在引物的5′端；（4）如果兩個引物局部發(fā)生堿基互補配對會失效，同一引物內(nèi)部如果有互補序列，則自身折疊后會出現(xiàn)局部堿基配對而失效；（5）引物在子鏈的5′端，方向與DNA 聚合酶的作用方向有關。學生掌握這些知識，就能正確解答此類試題。

2.3 基因的結構與基因表達載體的構建

基因的結構包括啟動子、編碼區(qū)、終止子，因此基因表達載體中有啟動子、目的基因、終止子，為了便于篩選，其中還應有標記基因。由于DNA 分子兩條鏈具有方向性，而DNA 聚合酶只能從子鏈的5′→3′端，因此目的基因與質粒連接時正接與反接模板鏈的堿基序列是不同的，在選擇限制酶時要考慮兩種酶切的黏性末端不同，使用兩種不同的限制酶處理目的基因與載體時，要注意有時不同的限制酶切也會形成相同的黏性末端，在具體情境中要注意具體分析。

2.4 中心法則與目的基因的檢測及蛋白質工程

基因表達載體進入細胞之后，再進行轉錄形成mRNA，并且翻譯成蛋白質，最終形成具有相應性狀的轉基因個體，目的基因檢測的分子水平具有相應的層次。蛋白質工程是基因工程的一個分支，由于直接改造的蛋白質是不能遺傳給后代的，只有按照中心法則的逆推過程，推導出基因的脫氧核苷酸序列，通過改造基因才能實現(xiàn)，結果會出現(xiàn)自然界中沒有的蛋白質。從這里可以看出，中心法則是目的基因檢測及蛋白質工程的基礎，三者之間的關系如圖2 所示。

圖2

【例3】B 基因存在于水稻基因組中，其僅在體細胞（2n）和精子中正常表達，但在卵細胞中不轉錄。為研究B 基因表達對卵細胞的影響，設計了如下實驗。據(jù)圖3 回答下列問題：

圖3

（1）B 基因在水稻卵細胞中不轉錄，推測其可能的原因是卵細胞中B 基因的_____無法啟動轉錄。從轉基因植株未成熟種子中分離出胚，觀察到細胞內(nèi)含_____個染色體組，判定該胚是由未受精的卵細胞發(fā)育形成的，而一般情況下水稻卵細胞在未受精時不進行發(fā)育，由此表明_____。

（2）從水稻體細胞_____ 中提取總RNA，構建_____文庫，進而獲得B 基因編碼蛋白的序列。將該序列在____酶作用下連接在Luc 基因（表達的熒光素酶能催化熒光素產(chǎn)生熒光）的_______（填“5′”或“3′”）末端成為融合基因（表達的蛋白質能保留兩種蛋白質各自的功能）。

（3）在過程①②轉化篩選時，過程②在培養(yǎng)基中應加入的抗生素種類為_____，因為過程②中_____整合到受體細胞染色體DNA 上。

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

A.將隨機斷裂的B 基因片段制備成探針進行DNA 分子雜交

B.以B 基因編碼蛋白的序列為模板設計探針與從卵細胞提取的mRNA 雜交

C.以Luc 基因為模板設計探針進行DNA 分子雜交

D.檢測加入熒光素的卵細胞中是否發(fā)出熒光

【分析】本題需要將染色體變異、中心法則、基因的結構與基因工程等內(nèi)容結合起來思考。由圖3 中的標注可推測B 基因在水稻卵細胞中不轉錄，可能的原因是卵細胞中B 基因的啟動子無法啟動轉錄，這實質上是基因的選擇性表達。形成融合基因時，B 基因編碼蛋白的序列在前，靠近啟動子部位，應是連接在Luc 基因的5′末端。圖3 中過程②表示篩選含有目的基因的植物細胞，由于整合到受體細胞染色體DNA 上的是T-DNA，而T-DNA 上只有潮霉素抗性基因。

【答案】（1）啟動子 1 B 基因表達能使卵細胞不經(jīng)受精直接發(fā)育成胚 （2）精子 cDNA DNA連接 5′ （3）潮霉素 T-DNA （4）BCD

總之，加強必修課程與選修課程知識的綜合，聚焦大概念構建合理的知識體系，開展知識點串講，專題系統(tǒng)化復習和綜合訓練，使學生理解結構決定功能，加深對科學、技術和社會關系的認識，形成適應生物學科特點的學習方法和思維方式，從而提高學習效率，提升學科核心素養(yǎng)。