现代生物科技

吴久宏

一、近三年高考回眸

二、考纲解读

（一）2017年考试大纲对本部分内容的考试范围和要求

（二）2017年考试大纲对选修3模块内容的调整

对能力要求的一些表述进行调整：将“关注对科学、技术和社会发展有重大影响和意义的生物学新进展以及生物科学发展史上的重要事件”调整为“关注对科学、技术和社会发展有重大影响的、与生命科学相关的突出成就及热点问题”。

特别提醒：选修3中“基因工程的原理及技术”调整成“基因工程的原理及技术（含PCR技术）”。

三、构建知识网络图

四、高频考点精析

（一）基因工程及其安全性

1.提取目的基因的常用方法

2.目的基因导入受体细胞的常用方法

3.目的基因的检测与鉴定方法

【例1】（2016·全国Ⅰ卷·40）某一质粒载体如图所示，外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活（Ampr表示氨苄青霉素抗性基因，Tetr表示四环素抗性基因）。有人将此质粒载体用BamHⅠ酶切后，与用BamHⅠ酶切获得的目的基因混合，加入DNA连接酶进行连接反应，用得到的混合物直接转化大肠杆菌。结果大肠杆菌有的未被转化，有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种，分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题：

（1）质粒载体作为基因工程的工具，应具备的基本条件有______________ （答出两点即可），而作为基因表达载体，除满足上述基本条件外，还需具有启动子和终止子。

（2）如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选，在上述四种大肠杆菌细胞中，未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的，其原因是 ______________ ；并且 ______________ 和______________ 的细胞也是不能区分的，其原因是 ______________ 。在上述筛选的基础上，若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落，还需使用含有______________ 的固体培养基。

（3）基因工程中，某些噬菌体经改造后可以作为载体，其DNA复制所需的原料来自 ______________ 。

【解析】（2）在含有氨苄青霉素的培养基上，只有具有Ampr的大肠杆菌才能够生长。而Ampr位于质粒上，故未被转化的和仅含环状目的基因的大肠杆菌细胞中均无Ampr，仅含有质粒载体的和含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌中均具有Ampr。目的基因的插入破坏了质粒载体的Tetr，故含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌不能在含有四环素的平板上生长，从而能与仅含有质粒载体的大肠杆菌区分开来。 （3）噬菌体是病毒，无细胞结构，无法自主合成DNA，需借助受体细胞完成DNA的复制。

【答案】（1）能自我复制、具有标记基因（答出两点即可） （2）二者均不含有氨苄青霉素抗性基因，在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了目的基因的重组质粒 二者均含有氨苄青霉素抗性基因，在该培养基上均能生长 四环素 （3）受體细胞

【易错提醒】（1）基因工程中有3种工具，但工具酶只有2种。其中，限制酶指一类酶，而不是一种酶。限制酶的化学本质为蛋白质，其作用的发挥需要适宜的理化条件，高温、强酸或强碱均易使之变性失活。

（2）在切割含目的基因的DNA分子时，需用限制酶切割两次此DNA分子，产生4个末端。

（3）限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用部位都是脱氧核苷酸之间形成的磷酸二酯键（不是氢键），只是一个切开，一个连接。限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。

（4）限制酶切割位点所处的位置必须是在所需的标记基因之外，这样才能保证标记基因的完整性，有利于对目的基因的检测。

（5）为使目的基因与载体形成相同的DNA片段末端以方便连接，通常使用同一种限制酶将二者切割，但如果不同的限制酶切割DNA分子所产生的末端存在互补关系时，两末端也可连接。

4.利用PCR技术扩增目的基因

（1）原理：利用DNA双链复制的原理，在体外将基因的核苷酸序列不断地加以复制，使其数量呈指数形式增加。

（2）条件：

（3）解题规律总结

【例2】RT-PCR是将RNA逆转录（RT）和cDNA的聚合酶链式扩增反应相结合的技术，具体过程如下图所示。请分析回答：

（1）过程Ⅰ需要加入缓冲液、原料、______________ 、______________ 和引物A等。

（2）过程Ⅱ首先要将反应体系的温度升高到95 ℃，其目的是______________ ，该反应体系中所用的Taq酶至少应能耐受 ______________ ℃。

（3）过程Ⅱ拟对单链cDNA进行n次循环的扩增，理论上至少需要 ______________ 个引物B。

（4）利用RT-PCR技术获取的目的基因 ______________（填“能”或“不能”）在物种之间交流；该技术还可用于对某些微量RNA病毒的检测，可提高检测的灵敏度，原因是______________ 。

（5）RT-PCR过程中主要借助对______________的控制，影响酶的活性，从而使得化学反应有序高效地进行。

【解析】（1）过程Ⅰ表示逆转录，除了需要缓冲液、原料和引物A之外，还需要RNA作为模板，逆转录酶进行催化。（2）过程Ⅱ先将反应体系的温度升高到95 ℃，使逆转录酶变性失活，mRNA-cDNA杂合双链解开，再在Taq酶的作用下合成双链DNA，由于该反应体系中温度升高到95 ℃，所以所用的Taq酶至少应能耐受95 ℃。（3）DNA复制时，子链的延伸需要引物，单链cDNA进行1次扩增得到双链DNA，需要0个引物A和1个引物B。若单链cDNA进行n次循环的扩增，双链DNA进行了（n-1）次扩增，则理论上至少需要（2n-1-1）个引物A和2n-1个引物B。（4）利用RT-PCR技术获取的目的基因能通过基因工程在物种之间交流；该技术增加了待测RNA逆转录产生的DNA的数量（或浓度），便于对某些微量RNA病毒进行检测，并可提高检测的灵敏度。（5）RT-PCR过程中主要借助对温度的控制，影响酶的活性，即高温变性→低温复性→中温延伸，从而使得化学反应有序高效地进行。

【答案】（1）RNA提取物 逆转录酶 （2）让逆转录酶变性失活、使mRNA-cDNA杂合双链解开（答对一点即可） 95 （3）2n-1

（4）能 增加了待测RNA逆转录产生的DNA的数量（或浓度），便于检测 （5）温度

（二）细胞工程

1.植物组织培养与植物体细胞杂交的区别与联系

2.动物细胞融合与单克隆抗体的制备

（1）制备单克隆抗体时，选用一种抗原处理的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行细胞融合，产生杂交瘤细胞，杂交瘤细胞兼有两个亲本细胞的特性——在体外培养条件下能不断增殖，同时能产生出某种特异性的抗体。

（2）进行动物细胞的诱导融合时，形成的杂种细胞有三种，即AA型、BB型、AB型。只有AB型才是我们所需要的杂种细胞，所以需要用选择培养基进行筛选。

（3）单克隆抗体制备过程中的两次筛选：

第一次筛选：用特定的选择培养基筛选，获得杂交瘤细胞，即AB型细胞（A为浆细胞，B为骨髓瘤细胞），筛选掉A、B、AA、BB型细胞。

第二次筛选：用多孔板法和抗原—抗体杂交法筛选，获得能产生特定抗体的杂交瘤细胞。

【例3】（2016·江苏卷·9） 下列有关细胞工程的叙述，正确的是（ ）

A.PEG是促细胞融合剂，可直接诱导植物细胞融合

B.用原生质体制备人工种子，要防止细胞破裂

C.骨髓瘤细胞经免疫处理，可直接获得单克隆抗体

D.核移植克隆的动物，其线粒体DNA来自供卵母体

【解析】PEG是促细胞融合剂，但植物细胞不能直接融合，需先去壁形成原生质体才能融合，A项错误；制备人工种子应用完整的植物细胞，而不应用原生质体，B项错误；骨髓瘤细胞不能产生抗体，C项错误；核移植克隆的动物，其线粒体DNA来自供卵母体，D项正确。

【答案】D

（三）胚胎工程与生物技术的安全性和伦理问题

1.受精过程中的“三大反应”与防止多精入卵的“两道屏障”

（1）顶体反应：精子膜和顶体外膜发生一系列改变，并释放顶体酶的过程即为顶体反应。顶体反应的主要作用是形成精子穿越放射冠的通道，是精子和卵子结合必不可少的条件。

（2）透明带反应：精子触及卵细胞膜的瞬间，会产生阻止后来的精子进入透明带的生理反应，称为透明带反应，这是防止多精入卵的第一道屏障。

（3）卵黄膜封闭作用：精子入卵后，卵黄膜会立即发生一种生理反应，拒绝其他精子再进入卵内，称为卵黄膜封闭作用，这是防止多精入卵的第二道屏障。

2.胚胎分割

（1）材料：发育良好，形态正常的桑椹胚或囊胚。

（2）实质：胚胎分割可增加动物后代，其实质是动物的无性生殖或克隆。

（3）分割要求：对囊胚分割时，注意将内细胞团均等分割，否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。

3.胚胎干细胞

（1）来源：早期胚胎或原始性腺。

（2）特点：[①形态：体积小、细胞核大、核仁明显。][②功能：具有发育的全能性。][③体外培养：可增殖而不分化。] [④可以冷冻保存，也可以进行遗传改造。]

【例4】（2016·全国Ⅱ卷·40）下图表示通过核移植等技术获得某种克隆哺乳动物（二倍体）的流程。

回答下列问题：

（1）图中A表示正常细胞核，染色体数为2n，则其性染色体的组成可为 ______________ 。过程①表示去除细胞核，该过程一般要在卵母细胞培养至适当时期再进行，去核时常采用______________ 的方法。②代表的过程是______________ 。

（2）经过多次传代后，供体细胞中 ______________ 的稳定性会降低。因此，选材时必须关注传代次数。

（3）若获得的克隆动物与供体动物性状不完全相同，从遗传物质的角度分析其原因是 ______________ 。

（4）与克隆羊“多莉（利）”培养成功一样，其他克隆动物的成功获得也证明了______________。

【解析】（1）提供体细胞的供体可能为雌性，也可能为雄性，因此图中A（正常细胞核）的性染色体组成为XX或XY。常采用显微操作去核法来去除卵母细胞的细胞核。②过程表示将早期胚胎移入受体，该过程称为胚胎移植。（2）取供体动物的体细胞培养，一般选用传代10代以内的细胞，因为10代以内的细胞一般能保持正常的二倍体核型，保证了供体细胞正常的遗传基础。若超过10代继续培养，则其遗传物质（或核型）的稳定性会降低。（3）克隆动物的细胞核基因来自供体，因此大部分性状与供体相同，但细胞质基因来源于受体（或提供卵母细胞的个体），即卵母细胞的细胞质中的遗传物质会对克隆动物的性状产生影响，所以克隆动物的性状与供体不完全相同。（4）克隆動物的培育采用的是核移植技术，核移植技术的原理是已经分化的动物体细胞核具有全能性。

【答案】（1）XX或XY 显微操作 胚胎移植 （2）遗传物质 （3）卵母细胞的细胞质中的遗传物质会对克隆动物的性状产生影响 （4）已经分化的动物体细胞核具有全能性

（四）生态工程的基本原理

1.物质循环再生原理：物质在生态系统中循环往复、分层分级利用。

2.物种多样性原理：物种繁多而复杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性。

3.协调与平衡原理：处理好生物与环境的协调与平衡，需要考虑环境承载力。

4.整体性原理：进行生态工程建设时，不仅要考虑自然生态系统的规律，更重要的是，还要考虑经济和社会等系统的影响力。

5.系统学和工程学原理：包括系统的结构决定功能原理和系统整体性原理。

【归纳总结】几种典型生态工程的原理归纳：

（1）单一人工林比天然混交林稳定性低，易爆发虫害——物种多样性原理。

（2）草原确定合理载畜量，不能过度放牧——协调与平衡原理。

（3）引种考虑适应环境——协调与平衡原理。

（4）林业生态工程建设，既要考虑种树问题又要考虑生活问题——整体性原理。

五、找准角度、突破难点

（一）与DNA有关的酶的比较归纳

（二）“工程牛”知识大盘点

1.不同“工程牛”的区别

2.不同“工程牛”的共同点：都需将发育后的早期胚胎移入受体子宫内发育成后代。

（三）克隆动物、试管动物与转基因动物遗传特性的比较

（四）胚胎工程中八个有关“两”的问题

1.受精过程中防止多精入卵的两道屏障——第一道屏障为精子穿越透明带后的“透明带反应”，第二道屏障为精子入卵后的“卵细胞膜反应”。

2.体外受精时精子获能的两种常用方法——培养法和化学诱导法。

3.胚胎工程中两次使用促性腺激素——对供体使用促性腺激素，以促其“多排卵”；对供、受体使用促性腺激素以作“同期发情处理”。

4.胚胎移植时把握两个发育期——桑椹胚期和囊胚期。

5.胚胎移植过程中的两次检查——对胚胎进行质量检查（此时应发育到桑椹胚或囊胚阶段）；对受体母牛进行是否妊娠的检查。

6.胚胎早期培养时，培养液中的三个“两”——两盐（无机盐、有机盐）；两素（激素、维生素）；两酸（氨基酸、核苷酸）。

7.胚胎分割中需关注的两个部位——滋养层（可用于取样用作DNA分析以鉴定性别）、内细胞团（需将其均等分割，否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步发育）。

8.引发伦理争论的两大技术——生殖性克隆技术、设计试管婴儿技术。

六、强化训练

1.（2014·江苏卷·23）下列关于基因工程技术的叙述，错误的是（ ）

A.切割质粒的限制性核酸内切酶均特异性地识别6个核苷酸序列

B.PCR反应中温度的周期性改变是为了DNA聚合酶催化不同的反应

C.载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选标记基因

D.抗虫基因即使成功地插入到植物细胞染色体上也未必能正常表达

2.下列关于胚胎工程的叙述，错误的 是（ ）

A.胚胎移植的供体和受体必须是同种生物

B.对收集的胚胎、移植后是否妊娠都要进行检查

C.胚胎干细胞在体外培养能增殖但不能被诱导分化

D.为了提高已有胚胎的利用率，可采用胚胎分割技术

3.下列关于生态工程的相关叙述，错误的是（ ）

A.生态工程是实现循环经济的最重要手段之一

B.农村综合发展型生态工程实现了物质和能量的循环利用

C.“平堤行洪、退田还湖、移民建镇”是湿地恢复工程的重要方针

D.城市环境生态工程建设的主要原理：协调与平衡原理、整体性原理

4.现代生物技术应用广泛，下列有关叙述错误的是（ ）

A.由于生殖隔离，转基因农作物不会将目的基因传给杂草

B.反对设计试管婴儿的原因之一是有人滥用此技术选择性设计婴儿

C.若转基因植物的外源基因来源于自然界，则也可能存在安全性问题

D.当今社会的普遍观点是禁止克隆人的实验，但不反对治疗性克隆

5.下图为植物体细胞杂交技术流程图，其中甲和乙分别表示两种二倍体植物细胞，所含有的染色体组分别是AA和BB。据图分析不正确的是（ ）

A.图中①过程发生的化学变化是纤维素和果胶的水解

B.经过②和③过程形成的c细胞只有AABB这一种类型

C.过程②一般使用聚乙二醇作为诱导剂

D.过程④和⑤分别是脱分化和再分化

6.下图为人体抗胃癌单克隆抗体的制备过程。下列有关叙述错误的是（ ）

A.甲是能与人体抗胃癌抗体特异性结合的抗原

B.细胞融合获得乙的原理和植物原生质体融合的原理基本相同

C.用特定选择培养基对乙进行筛选，融合细胞均能生长，未融合细胞均不能生长

D.丙需进行克隆化培养和抗体检测，多次筛选后可获得能分泌所需抗体的丁

7.内皮素（ET）是一种含21个氨基酸的多肽，它有强烈的血管收缩和促进平滑肌细胞增殖等作用。研究发现内皮素功能异常与高血压、糖尿病、癌症等有着密切联系。内皮素主要通过与靶细胞膜上的内皮素受体结合而发揮生物学效应。ETA是内皮素的主要受体，科研人员试图通过构建基因表达载体，实现ETA基因在细胞中的高效表达，为后期ETA的体外研究以及拮抗剂的筛选、活性评价等奠定基础，其过程如下图所示（图中SNAP基因是一种荧光蛋白基因，限制酶ApaⅠ的识别序列为C↓CCGGG，限制酶XhoⅠ的识别序列为C↓TCGAG）。请分析回答：

（1）完成过程①需要的酶是 ______________；与过程②相比，过程①特有的碱基配对方式是______________。

（2）过程③中，限制酶XhoⅠ切割DNA，使 ______________ 键断开，形成目的基因的黏性末端是______________ 。用两种限制酶切割，获得不同的黏性末端，其主要目的是 ______________。

（3）过程⑥中，要用______________ 预先处理大肠杆菌，使其处于容易吸收外界DNA的感受态。

（4）利用SNAP基因与ETA基因结合构成融合基因，目的是 ______________ 。

（5）人皮肤黑色素细胞上有内皮素的特异受体，内皮素与黑色素细胞膜上的受体结合后，会刺激黑色素细胞的分化、增殖并激活酪氨酸酶的活性，从而使黑色素急剧增加。美容时可以利用注射ETA达到美白祛斑效果，这是因为ETA能与内皮素结合，减少了内皮素与 ______________的结合，抑制了内皮素对黑色素细胞的增殖和黑色素的形成。

（参考答案见第86页）