以轉(zhuǎn)基因作物為情境的試題分析

邵江樵

轉(zhuǎn)基因作物是利用基因工程技術(shù)將其它生物的遺傳物質(zhì)導入作物中，

使之具有更好的品質(zhì).通常轉(zhuǎn)基因作物可增加作物的產(chǎn)量、改善品質(zhì)、提高抗旱、抗寒及其它特性，如抗除草劑、抗蟲、抗病、抗寒、抗旱等，常見的轉(zhuǎn)基因作物有大豆、玉米、棉花和油菜等.把外源基因?qū)胱魑锏某Ｓ梅椒ㄊ寝r(nóng)桿菌介導法（如圖1和圖2），農(nóng)桿菌的Ti質(zhì)?？梢宰鳛檩d體，Ti質(zhì)粒上有兩個區(qū)域，一個是T-DNA區(qū)，適合目的基因的導入，能夠轉(zhuǎn)移并整合進植物受體的區(qū)段，可將目的基因通過T-DNA載體轉(zhuǎn)移到受體植物的基因組中;另一個是Vir區(qū)，植物組織損傷部位分泌出酚類物質(zhì)，可以誘導Vir基因的啟動表達，Vir基因的產(chǎn)物——蛋白質(zhì)可以切割T-DNA、形成成熟T復合體、形成通道復合體.

圖1

圖2

目的基因在植物基因組中整合的位點是隨機的，而且不一定只發(fā)生單個目的基因的整合，也有可能多個位點都發(fā)生整合.插入時的隨機性是指插入哪一條染色體是隨機的，插到某條染色體的位置是隨機的，插入的數(shù)量是隨機的.比如整合了2個抗蟲基因，就有三種類型：①兩個抗蟲基因位于兩條非同源染色體上，②兩個抗蟲基因位于一對同源染色體上，③兩個抗蟲基因位于同一條染色體上.類型①符合孟德爾的自由組合定律，類型②和③符合孟德爾的分離定律.

以轉(zhuǎn)基因作物為情境的試題設(shè)問主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因植物的培育和遺傳兩大方向.

一、轉(zhuǎn)基因植物的培育——目的基因的導入與檢測

例1 轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻——“華恢1號”由華中農(nóng)業(yè)大學培育成功，對二化螟和稻縱卷葉螟等鱗翅目害蟲表現(xiàn)出很強的田間抗性.種植這種轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻可以基本解決鱗翅目害蟲問題，大幅度降低水稻生產(chǎn)中農(nóng)藥施用量，顯著提高產(chǎn)量.外源基因是Bt融合型殺蟲蛋白基因cry1Ac/cry1Ab，標記基因為潮霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶（hph）基因，能夠?qū)Τ泵顾禺a(chǎn)生抗性.回答下列問題：

（1）為構(gòu)建表達載體，需要的兩種工具酶是.假如運載體被切割后，所得分子的1個末端序列為

，則能與該運載體連接的抗蟲基因分子末端序列是.

（2）用含有Cy1Ab/Cry1Ac抗蟲基因的農(nóng)桿菌侵染水稻帶有傷口的葉片時，通過調(diào)控（寫出一點即可），可以提高轉(zhuǎn)化效率.為檢測

Cry1Ac/Cry1Ab抗蟲基因是否轉(zhuǎn)入成功，從分子水平可以通過檢測，從個體水平可以檢測.

（3）得到轉(zhuǎn)基因水稻細胞后，常采用技術(shù)獲得轉(zhuǎn)基因水稻植株，該技術(shù)所依據(jù)的原理是.

（4）“華恢1號”選育過程中，hph基因可通過自交重組的方法從基因組中剔除，使基因組的hph基因序列中缺少啟動子，該基因（填“具有”或“不具有”）轉(zhuǎn)錄和翻譯功能.因此，“華恢1號”（填“存在”或“不存在”）潮霉素耐藥性問題.

（5）研究表明，插入序列遵循孟德爾遺傳規(guī)律，且能通過花粉傳遞.這表明外源的Cry1Ac/Cry1Ab基因已穩(wěn)定地整合到.但也有反對者認為，種植上述轉(zhuǎn)基因植物，它所攜帶的目的基因可能通過花粉傳遞給近緣物種，造成“基因污染”.如果把目的基因?qū)胫?，就可以避免“基因污染”，原因?

（6）轉(zhuǎn)基因水稻之所以抗蟲，是因為其中的Bt蛋白可與鱗翅目害蟲腸道上皮細胞的特異性受體結(jié)合，引起害蟲腸麻痹，造成害蟲死亡.但這種蛋白不會對人體造成傷害，可能的理由是.

解析 本題以抗蟲水稻為情境主要考查基因工程技術(shù)和轉(zhuǎn)基因生物的安全性問題，考查學生對知識的理解和綜合運用的能力.

基因工程技術(shù)的基本步驟：

（1）獲得目的基因：方法有從基因文庫中獲取、利用PCR技術(shù)擴增和化學方法合成.

（2）形成重組DNA分子（基因表達載體的構(gòu)建）：形成重組DNA分子是基因工程的核心，目的基因和載體的質(zhì)量與濃度、黏性末端的情況、DNA連接酶活性等都會影響重組DNA形成的效率.為了使目的基因和載體能順利連接，需要選擇相同的限制性核酸內(nèi)切酶，讓目的基因和載體具有相同的黏性末端.構(gòu)建好的基因表達載體需要包括目的基因、標記基因、啟動子、終止子和復制原點等，標記基因有利于檢測目的基因的導入，啟動子和終止子調(diào)控目的基因的表達，如啟動子的作用是驅(qū)使目的基因轉(zhuǎn)錄出mRNA.

（3）將重組DNA分子導入受體細胞：將目的基因?qū)胫参锛毎淖畛Ｓ玫姆椒ㄊ寝r(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，原理見圖2.重組DNA分子導入受體細胞時，重組DNA的質(zhì)量和濃度（農(nóng)桿菌的濃度）、受體細胞的生長狀態(tài)與密度（植物組織的創(chuàng)傷）、適宜的培養(yǎng)時間和條件等會影響轉(zhuǎn)化的效率.

（4）篩選含有目的基因的受體細胞：常見的措施是利用標記基因在培養(yǎng)基中添加相應的抗生素進行篩選;利用目的基因的探針進行DNA分子雜交鑒定.

（5）目的基因表達：可以從分子水平和個體生物學水平進行檢測.檢測目的基因是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA——分子雜交技術(shù);檢測目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)

——抗原-抗體雜交技術(shù).個體生物學水平上的鑒定：植株抗蟲或抗病的接種實驗.

為了防止基因污染，可以將目的基因插入到葉綠體DNA中，因為花粉中幾乎不含有細胞質(zhì)，因此將基因?qū)氲郊毎|(zhì)的葉綠體DNA中，不會使得轉(zhuǎn)基因植物的外源基因隨花粉傳遞給近緣物種的植物.

參考答案：

（1）限制酶和DNA連接酶 ;

（2）適宜的農(nóng)桿菌濃度，適宜的培育時間以及培養(yǎng)條件（溫度、pH等） ?DNA分子雜交 ?水稻對二化螟和稻縱卷葉螟等鱗翅目害蟲是否表現(xiàn)出抗性（鱗翅目害蟲食用水稻后是否死亡）;

（3）植物組織培養(yǎng) 植物細胞的全能性;

（4）不具有 不存在;

（5）染色體DNA上 葉綠體DNA 細胞質(zhì)遺傳表現(xiàn)為母系遺傳，受精卵中細胞質(zhì)的遺傳物質(zhì)幾乎來自母本;

（6）鱗翅目害蟲的腸道上含有Bt蛋白的結(jié)合位點，而人類腸道上皮細胞沒有該蛋白的結(jié)合位點，因此不會對人體造成傷害.

二、轉(zhuǎn)基因植物的遺傳——目的基因的數(shù)量、位置關(guān)系及所遵循的遺傳定律

例2 某XY型性別決定的植物，現(xiàn)利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將抗蟲基因和抗除草劑基因轉(zhuǎn)入該植物，獲得一株轉(zhuǎn)基因雌株（S），目的基因整合到受體細胞常染色體上，并出現(xiàn)如圖3所示情況，分別用S1、S2、S3表示.

圖3

注：A代表抗蟲基因，B代表抗除草劑基因

請設(shè)計一代雜交實驗方案探究其基因整合位置，并預測實驗結(jié)果：

（1）試驗方案.

（2）預測實驗結(jié)果：

①若則為S1這種類型;

②若則為S2這種類型;

③若則為S3這種類型.

解析 試題以轉(zhuǎn)基因植物為情境考查目的基因在染色體上的位置關(guān)系，需要考生在理解基因分離定律和自由組合定律實質(zhì)的基礎(chǔ)上進行綜合運用，設(shè)計雜交實驗方案，根據(jù)子代情況推斷親代的基因型其基因整合的位置.

由于目的基因在植物基因組中整合的位點是隨機的，而且不一定只發(fā)生單個目的基因的整合，也有可能多個位點都發(fā)生整合.根據(jù)題意，設(shè)計實驗方案：讓該轉(zhuǎn)基因雌株與野生雄株雜交，觀察統(tǒng)計后代表現(xiàn)型及比例.因為野生雄株只產(chǎn)生一種配子（不含A、B基因）;S1的基因A和B位于一對同源染色體上，因此按分離定律，S1產(chǎn)生含A、含B的2種配子，比例為1∶1;S2的基因A和B位于兩對同源染色體上，按自由組合定律，S2產(chǎn)生含AA、含AB、含BB的3種配子，比例為1∶2∶1;S3的基因A和B位于兩對同源染色體上，按自由組合定律，S3產(chǎn)生含AB、含A、含B、不含A和B的4種配子，比例為1∶1∶1∶1.故預測實驗結(jié)果：若后代抗蟲不抗除草劑：不抗蟲抗除草劑=1∶1，則為S1這種類型;若后代抗蟲不抗除草劑∶抗蟲抗除草劑∶不抗蟲抗除草劑=1∶2∶1，則為S2這種類型;若后代抗蟲抗除草劑∶抗蟲不抗除草劑∶不抗蟲抗除草劑∶不抗蟲不抗除草劑=1∶1∶1∶1，則為S3這種類型.

參考答案：（1）讓該轉(zhuǎn)基因雌株與野生雄株雜交，觀察統(tǒng)計后代表現(xiàn)型及比例.

（2）

①后代抗蟲不抗除草劑：不抗蟲抗除草劑=1∶1;

②后代抗蟲不抗除草劑∶抗蟲抗除草劑∶不抗蟲抗除草劑=1∶2∶1;

③后代抗蟲抗除草劑∶抗蟲不抗除草劑∶不抗蟲抗除草劑∶不抗蟲不抗除草劑=1∶1∶1∶1.

三、真題回放

1.（2017年4月浙江選考卷第28題）若利用根瘤農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)基因技術(shù)將抗蟲基因和抗除草劑基因轉(zhuǎn)入大豆，獲得若干轉(zhuǎn)基因植物（T0代），從中選擇抗蟲抗除草劑的單株S1、S2和S3分別進行自交獲得T1代，T1代性狀表現(xiàn)如圖4所示.已知目的基因能1次或多次插入并整合到受體細胞染色體上.下列敘述正確的是（? ）.

圖4

A.抗蟲對不抗蟲表現(xiàn)為完全顯性，抗除草劑對不抗除草劑表現(xiàn)為不完全顯性

B.根瘤農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒攜帶的抗蟲和抗除草劑基因分別插入到了S2的2條非同源染色體上，并正常表達

C.若給S1后代T1植株噴施適量的除草劑，讓存活植株自交，得到的自交一代群體中不抗蟲抗除草劑的基因型頻率為12

D.若取S2后代T1純合抗蟲不抗除草劑與純合不抗蟲抗除草劑單株雜交，得到的子二代中抗蟲抗除草劑的純合子占 19

解析 假設(shè)A代表抗蟲基因，B代表抗除草劑基因.

由于抗蟲抗除草劑的單株S1自交獲得的T1代中抗蟲不抗除草劑∶抗蟲抗除草劑∶不抗蟲抗除草劑=1∶2∶1，其中抗蟲∶不抗蟲=3∶1，抗除草劑∶不除草劑=3∶1，說明抗蟲（抗除草劑）對不抗蟲（不除草劑）是完全顯性，且S1只產(chǎn)生了含A、含B的2種配子，比例為1∶1，因此S1 中抗蟲基因A、抗除草劑基因B的數(shù)量和插入位置如圖5所示.

由于抗蟲抗除草劑的單株S2自交獲得的T1代中抗蟲不抗除草劑∶抗蟲抗除草劑∶不抗蟲抗除草劑=1∶14∶1，這個比例是9∶3∶3∶1的變式，其中抗蟲∶不抗蟲=15∶1，抗除草劑∶不除草劑=15∶1，說明S2的基因型中有2個A和2個B，且2個抗蟲基因A（抗除草劑基因B）插入在非同源染色體上，因此S2中抗蟲基因A、抗除草劑基因B的數(shù)量和插入位置如圖6所示.

圖5?????? 圖6????? 圖7

由于抗蟲抗除草劑的單株S3自交獲得T1代中抗蟲抗除草劑∶抗蟲不抗除草劑∶不抗蟲抗除草劑∶不抗蟲不抗除草劑=9∶3∶3∶1，說明S3產(chǎn)生含AB、含A、含B、不含A和B的4種配子，比例為1∶1∶1∶1，因此S3中抗蟲基因A、抗除草劑基因B的數(shù)量和插入位置如圖7所示.

綜合以上分析，抗除草劑對不除草劑是完全顯性，A選項錯;Ti質(zhì)粒攜帶的抗蟲和抗除草劑基因分別插入到了S2的2對同源染色體上，并正常表達，B選項錯誤;若給S1后代T1植株噴施適量的除草劑，則存活植株中有23是抗蟲抗除草劑、13不抗蟲抗除草劑，它們自交，得到的自交一代群體為23（14AA+24AB+14BB）+13BB=16AA+26AB+36BB，其中不抗蟲抗除草劑的基因型（BB）頻率為12，C選項正確;若取S2后代T1純合抗蟲不抗除草劑（A1A1A2A2）與純合不抗蟲抗除草劑（B1B1B2B2）單株雜交，子一代為A1A2B1B2，產(chǎn)生的4種配子為A1A2∶A1B2∶A2B1∶B1B2=1∶1∶1∶1;得到的子二代中抗蟲抗除草劑的純合子（A1A1B2B2+ A2A2B1B1）占18，D選項錯誤.

參考答案：C.

2.（2021年6月卷浙江選考第28題）利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將抗除草劑基因轉(zhuǎn)入純合不抗除草劑水稻（2n）（甲），獲得轉(zhuǎn)基因植株若干.從轉(zhuǎn)基因后代中選育出純合矮桿抗除草劑水稻（乙）和純合高稈抗除草劑水稻（丙）.用甲、乙、丙進行雜交，F(xiàn)2結(jié)果如表1所示.轉(zhuǎn)基因過程中，可發(fā)生基因突變，外源基因可插入到不同的染色體上.高稈（矮桿）基因和抗除草劑基因獨立遺傳，高稈和矮稈由等位基因A（a）控制，有抗除草劑基因用B+表示、無抗除草劑基因用 B-表示.

表1

雜交組合

F2的表現(xiàn)型及數(shù)量（株）

矮稈抗除草劑矮桿不抗除草劑高桿抗除草劑高稈不抗除草劑

甲×乙51316700

甲×丙10937313104

乙×丙1781253736

回答下列問題：

（1）矮稈對高稈為性狀，甲×乙得到的 F1產(chǎn)生種配子.

（2）為了分析抗除草劑基因在水稻乙、丙葉片中的表達情況，分別提取乙、丙葉片中的RNA并分離出，逆轉(zhuǎn)錄后進行PCR擴增.為了除去提取RNA中出現(xiàn)的 DNA 污染，可采用的方法.

（3）乙×丙的 F1中，形成抗除草劑與不抗除草劑表現(xiàn)型比例的原因是.

（4）甲與丙雜交得到F1，F(xiàn)1再與甲雜交，利用獲得的材料進行后續(xù)育種.寫出 F1與甲雜交的遺傳圖解.

解析 由乙（純合矮桿）×丙（純合高稈）→F1→F2的高桿∶矮桿=3∶1，可知高稈對矮桿完全顯性.

再由乙（純合抗除草劑）×丙（純合抗除草劑）→F1→F2的抗除草劑∶不抗除草劑=15∶1，可見F1中有兩個抗除草劑基因（B+1B-B+2B-），位于非同源染色體上，符合自由組合定律.

綜合以上兩種性狀，推知甲、乙、丙的基因型分別為aaB-B-、aaB+1B+1、AAB+2B+2，其中乙和丙的染色體DNA上各有2個抗除草劑基因（B+），且位于一對同源染色體上，一條染色體上一個（見圖8）.

圖8

遺傳定律是個體形成配子的規(guī)律.配子的種類與比例取決于基因與染色體的關(guān)系，是染色體的行為決定了基因的傳遞規(guī)律.

參考答案：（1）隱性 2

（2）mRNA 用DNA酶處理提取的RNA

（3）乙和丙的抗除草劑基因位于非同源染色體上，乙和丙上抗除草劑基因的遺傳遵循自由組合定律

（4）見圖9圖9

3.（2021年天津市普通高中學業(yè)水平等級考試第11題～12題）閱讀下列材料，回答問題.

為提高轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的抗蟲持久性，可采取如下措施：

①基因策略：包括提高殺蟲的表達量、向棉花中轉(zhuǎn)入多種殺蟲基因等.例如，早期種植的抗蟲棉只轉(zhuǎn)入一種Bt毒蛋白基因，抗蟲機制比較單一;現(xiàn)在經(jīng)常將兩種或兩種以上Bt基因同時轉(zhuǎn)入棉花.

②田間策略：主要是為棉鈴蟲提供庇護所.例如我國新疆棉區(qū)，在轉(zhuǎn)基因棉田周圍種植一定面積的非轉(zhuǎn)基因棉花，為棉鈴蟲提供專門的庇護所;長江、黃河流域棉區(qū)多采用將轉(zhuǎn)基因棉與高粱和玉米等其他棉鈴蟲寄生作物混作的方式，為棉鈴蟲提供天然的庇護所.

③國家宏觀調(diào)控政策：如實施分區(qū)種植管理等.

（1）關(guān)于上述基因策略，下列敘述錯誤的是（? ）.

A.提高Bt基因的表達量，可降低抗蟲棉種植區(qū)棉鈴蟲種群密度

B.轉(zhuǎn)入棉花植株的兩種Bt基因的遺傳不一定遵循基因的自由組合定律

C.若兩種Bt基因插入同一個T-DNA并轉(zhuǎn)

入棉花植株，則兩種基因互為等位基因

D.轉(zhuǎn)入多種Bt基因能提高抗蟲持久性，是因為棉鈴蟲基因突變頻率低且不定向

（2）關(guān)于上述田間策略，下列敘述錯誤的是

（? ）.

A.轉(zhuǎn)基因棉田周圍種植非抗蟲棉，可降低棉鈴蟲抗性基因的突變率

B.混作提高抗蟲棉的抗蟲持久性，體現(xiàn)了物種多樣性的重要價值

C.為棉鈴蟲提高庇護所，可使敏感棉鈴蟲在種群中維持一定比例

D.為棉鈴蟲提高庇護所，可使棉鈴蟲種群抗性基因頻率增速放緩

參考答案：（1）C;（2）A

解析 本題以轉(zhuǎn)基因棉的培育和種植為情境，綜合考查了基因突變、基因座位、遺傳定律、基因頻率、種群密度，生物多樣性的價值等概念和原理，充分體現(xiàn)基礎(chǔ)性、綜合性和應用性的考查要求特點.若兩種Bt基因插入同一個T-DNA并轉(zhuǎn)入棉花植株，則這兩種Bt基因?qū)⑦B鎖在一起位于一條染色體上，具有不同的基因座位，因此（1）題C選項錯誤.轉(zhuǎn)基因棉花的種植對棉鈴蟲的抗性基因起選擇作用，不會改變抗性基因的突變率，（2）題的A選項錯誤.

（收稿日期：2021-09-12）