現代生物科技專題突破

劉江洲　舒洲　田奇林

現代生物科技專題主要介紹一些生物重要領域的研究熱點、發展趨勢和應用前景，考生往往因缺乏親身感受和體驗而有“高不可攀”的感覺。現就該模塊考點做一盤點，以幫助大家把握主要考點和考向，提升解題能力。

一、基因工程

【應考必備】

1.基本工具

2.基本步驟

（1）目的基因的獲取：從基因文庫中獲取、PCR技術擴增、用化學方法人工合成。

（2）基因表達載體的構建（目的基因+啟動子+終止子+標記基因等）。

（3）將目的基因導入受體細胞：

導入植物：農桿菌轉化法、基因槍法（導入體細胞）及花粉管通道法（導入受精卵）。

導入動物：顯微注射法導入受精卵或體細胞（基因治療）。

導入微生物細胞：感受態細胞法（用Ca2+處理，增加細胞膜的通透性）。

（4）目的基因的檢測與鑒定：插入檢測（DNA分子雜交）→轉錄檢測（DNA-RNA分子雜交）→翻譯檢測（抗原-抗體雜交）→個體水平檢測（抗性接種實驗）。

【考題精析】（2014·海南）下面是將某細菌的基因A導入大腸桿菌內，制備“工程菌”的示意圖。請據圖回答：

（1）獲得A有兩條途徑：一是以A的mRNA為模板，在_____________的催化下，合成互補的單鏈DNA，然后在_____________作用下合成雙鏈DNA，從而獲得所需基因；二是根據目標蛋白質的 序列，推測出相應的mRNA序列，然后按照堿基互補配對原則，推測其DNA的_____________序列，再通過化學方法合成所需基因。

（2）利用PCR技術擴增DNA時，需要在反應體系中添加的有機物質有_____________、_____________、4種脫氧核苷酸和耐熱性的DNA聚合酶，擴增過程可以在PCR擴增儀中完成。

（3）由A和載體B拼接形成的C通常稱為 。

（4）在基因工程中，常用Ca2+處理D，其目的是

__________________________ 。

精析：（1）利用逆轉錄法合成目的基因的過程是：以mRNA為模板，在逆轉錄酶的催化作用下合成單鏈DNA，然后在DNA聚合酶的作用下，合成雙鏈DNA分子。根據蛋白質工程合成目的基因的過程是：根據目標蛋白質的氨基酸序列，推測相應的mRNA序列，然后按照堿基互補配對原則，推測DNA中脫氧核苷酸的排列順序，再通過化學方法合成。（2）PCR過程中需要酶、底物、模板、引物和能量等條件。（3）目的基因和載體結合，形成基因表達載體。（4）在利用大腸桿菌作受體細胞時，需要先用Ca2+處理，使之成為感受態細胞，有利于其吸收重組DNA分子。

答案：（1）逆轉錄酶 DNA聚合酶 氨基酸 脫氧核苷酸 （2）引物 模板（目的基因或A基因） （3）基因表達載體 （4）使其成為感受態細胞，使大腸桿菌更容易吸收重組DNA分子

引申拓展：作為載體必須具有一個至多個限制酶切點，以便與外源基因連接；載體上每種酶的切點最好只有一個，防止切割重組后可能會丟失某些片段（若丟失的片段含復制起點區，則進入受體細胞后便不能自主復制）；目的基因的兩端最好用不同限制酶切，可以防止自身的黏性末端連接以及目的基因與載體反向連接。

【考題預測】從牛胃液中分離到的凝乳酶以催化能力強而被廣泛應用，研究人員運用基因工程技術，將編碼該酶的基因轉移到了微生物細胞中。

（1） 從牛胃細胞中提取 ，再逆轉錄形成cDNA。以此cDNA為模板PCR擴增目的基因，有時需要在引物的5，端設計 （限制酶，DNA連接酶，RNA 聚合酶）識別序列，以便構建重組DNA分子。

（2）構建重組DNA分子（如圖所示）最好選用________限制酶，理由是 。

（3）工業化生產過程中，最初多采用重組大腸桿菌或芽孢桿菌生產凝乳酶，現多采用重組毛霉生產，毛霉作為受體細胞的優勢是 。

（4） 研究發現，如果將該凝乳酶20位和24位氨基酸改變為半胱氨酸，其催化能力將提高2倍。通過蛋白質工程生產高效凝乳酶，所需步驟有 。

a.蛋白質的結構設計

b.蛋白質的結構和功能分析

c.蛋白質結構的定向改造

d.凝乳酶基因的定向改造

e.將改造后的凝乳酶基因導入受體細胞

f.將定向改造的凝乳酶導入受體細胞

答案：（1）mRNA 限制酶 （2）BamH I和Pst I 提高重組DNA分子的比例（防止自身的黏性末端連接，防止目的基因與載體反向連接） （3）含有內質網和高爾基體，可對蛋白質進行加工和修飾 （4）b、a、d、e（選擇對即可得分，不要求排序）

二、細胞工程

【應考必備】1.兩種細胞工程過程比較

2. 克隆動物培育流程圖

【考題精析】（2014·新課標Ⅰ）某研究者用抗原（A）分別免疫3只同種小鼠（X、Y和Z），每只小鼠免疫5次，每次免疫一周后測定各小鼠血清抗體的效價（能檢測出抗原抗體反應的血清最大稀釋倍數），結果如圖所示。

若要制備雜交瘤細胞，需取免疫后小鼠的B淋巴細胞（染色體數目40條），并將該細胞與體外培養的小鼠骨髓瘤細胞（染色體數目60條）按一定比例加入試管中，再加入聚乙二醇誘導細胞融合，經篩選培養及抗體檢測，得到不斷分泌抗A抗體的雜交瘤細胞。回答下列問題：

（1）制備融合所需的B淋巴細胞時，所用免疫小鼠的血清抗體效價需達到16 000以上，則小鼠最少需要經過 次免疫后才能有符合要求的。達到要求后的X、Y、Z這3只免疫小鼠中，最適合用于制備B淋巴細胞的是 小鼠，理由是_____________。

（2）細胞融合實驗完成后，融合體系中除含有未融合的細胞和雜交瘤細胞外，可能還有_____________，體系中出現多種類型細胞的原因是__________________________ 。

（3）雜交瘤細胞中有 個細胞核，染色體數目最多是 條。

（4）未融合的B淋巴細胞經多次傳代培養后都不能存活，原因是_______________________________________ 。

精析：（1）據圖分析，第4次免疫后小鼠Y的血清抗體效價達到 16 000 以上。達到要求后的 X、Y、Z 這3只小鼠中，小鼠 Y 的 B 淋巴細胞產生抗體效價最高，最適合用于制備單克隆抗體。（2）融合體系中除了未融合的細胞和雜交瘤細胞之外，還有骨髓瘤細胞和 B 淋巴細胞的自身融合產物，由于細胞融合是隨機的，且融合率達不到100%，故體系中會出現多種類型的細胞。（3）雜交瘤細胞形成后，由于核膜具有流動性，故小鼠的免疫B淋巴細胞細胞核與其骨髓瘤細胞細胞核會融合形成一個雜交的細胞核，因此染色體數目最多是100條。（4）未融合的 B 淋巴細胞經多次傳代培養后，仍然是不能無限增殖的細胞，同時 B淋巴細胞不可能渡過原代培養和傳代培養過程中的兩次“危機”而達到細胞系水平。

答案：（1）4 Y Y小鼠的血清抗體效價最高 （2）B淋巴細胞相互融合形成的細胞、骨髓瘤細胞相互融合形成的細胞 細胞融合是隨機的，且融合率達不到100% （3）1 100 （4）不能無限增殖

引申拓展：動物細胞融合形成雜交細胞，雜交細胞進行細胞培養，獲得大量的克隆細胞，但沒有形成生物體，因此動物細胞融合的原理是細胞增殖和細胞膜的流動性，不包含細胞全能性；動物細胞融合常用的誘導因素有聚乙二醇、滅活的病毒（誘導動物細胞融合的特有因素）、電激等。

【考題預測】科學家利用植物體細胞雜交技術成功獲得了番茄-馬鈴薯雜種植株，為了便于雜種細胞的篩選和鑒定，科學家利用紅色熒光和綠色熒光分別標記番茄和馬鈴薯的原生質體膜上的蛋白質，其培育過程如圖所示：

（1）植物體細胞雜交依據的生物學原理有 。

（2）過程①常用的酶是_____________，細胞融合完成的標志是_____________。

（3）植物原生質體融合過程常利用化學試劑 誘導融合，在鑒定雜種原生質體時可用顯微鏡觀察，根據細胞膜表面的熒光的不同可觀察到_____________種不同的原生質體，當觀察到_____________時可判斷該原生質體是由番茄和馬鈴薯融合而成的。

（4）過程③和過程④依次為_____________，過程④中的培養基常添加的植物激素是_____________。

（5）若番茄細胞內有m條染色體，馬鈴薯細胞中含n條染色體，則“番茄-馬鈴薯”細胞在有絲分裂后期含_____________條染色體。若雜種細胞培育成的“番茄-馬鈴薯”植株為四倍體，則此雜種植株的花粉經離體培育得到的植株屬于_____________植株。

答案：（1）細胞膜的流動性、植物細胞的全能性 （2）纖維素酶和果膠酶 形成新的細胞壁 （3）聚乙二醇 3 融合的細胞膜表面既有紅色熒光又有綠色熒光 （4）脫分化和再分化 生長素和細胞分裂素 （5）2（m+n） 單倍體

三、胚胎工程

【應考必備】1.早期胚胎的發育過程

2.胚胎工程的操作流程分析

【考題精析】（2014·江蘇）杜泊羊以其生長速度快、肉質好等優點，被稱為“鉆石級”肉用綿羊。科研工作者通過胚胎工程快速繁殖杜泊羊的流程如圖所示，相關敘述正確的是（ ）

A.為了獲得更多的卵母細胞，需用雌激素對雌性杜泊羊進行處理

B.從卵巢中采集的卵母細胞可直接與獲能的精子進行體外受精

C.為避免代孕綿羊對植入胚胎產生排斥反應，應注射免疫抑制劑

D.為了進一步擴大繁殖規模，可通過胚胎分割技術獲得同卵雙胎

精析：超數排卵應使用促性腺激素而不是雌激素；從卵巢中采集的卵母細胞需培養至成熟后才能與獲能的精子進行體外受精；受體對移入子宮的外來胚胎基本上不發生免疫排斥反應，故不需注射免疫抑制劑；為了進一步擴大繁殖規模，可通過胚胎分割技術獲得同卵雙胎或多胎。

答案：D

引申拓展：胚胎移植過程中兩次使用激素，第一次常用孕激素對受、供體進行同期發情處理；第二次用促性腺激素對供體做超數排卵處理。胚胎移植過程中的兩次檢查：第一次對收集的胚胎進行檢查；第二次對受體母畜是否妊娠進行檢查。胚胎移植是有性生殖還是無性生殖，取決于胚胎是由受精卵形成的，還是由核移植技術形成重組細胞發育而成或胚胎分割形成的。

【考題預測】在治療人類某些疾病時，人的體細胞核移植技術得到的胚胎干細胞經誘導分化，形成相應的組織器官后，可用于組織器官的移植，操作流程如圖所示。請回答：

（1）進行圖中過程①時，需將體內取出的卵母細胞在體外培養至_____________期，該期卵母細胞核的位置靠近_____________，可用微型吸管將之與細胞核一并吸出。

（2）圖中過程②表示將用物理或化學方法激活重組細胞，使其在發育培養液中完成_____________，最終形成囊胚的過程。

（3）圖中過程③④表示從囊胚中取出 細胞，將其培養在_____________細胞上，形成大量胚胎干細胞的過程。胚胎干胞在形態上的特性表現為_____________。

（4）圖中過程⑤表示在培養液中加入 ，就可以誘導胚胎干細胞向不同類型的組織細胞分化，用于患者的組織器官移植。

答案：（1）M II中 第一極體（或極體） （2）分裂和分化 （3）內細胞團 飼養層 細胞體積小，細胞核大，核仁明顯 （4）分化誘導因子

四、生態工程

【應考必備】生態工程的原理比較

【考題精析】（2014·重慶）為治理某廢棄采石場的生態環境，對其進行了公園化建設。

（1）對其進行整理和覆土，并選擇適生植物進行人工造林，不同恢復時期的植物物種數如圖所示。t0→t1，植物殘體及凋落物中的有機物被生態系統中的 轉化為無機物，使土壤條件得到改善；同時由于人工林土壤中存在 ，導致群落中植物物種數增加；t1→t3，人工林抵抗力穩定性的變化是 ；群落中植物物種數逐漸增加，物種之間 加劇。

（2）通過人工林建設的園林景觀構建，既改善了生態環境，又可提高社會和經濟效益，這主要體現了生態工程的 原理。

精析：（1）生態系統的組成成分中分解者的功能是將動植物遺體殘骸中的有機物分解成無機物；從廢棄采石場開始進行的演替為次生演替，由于保留了植物的種子或其他繁殖體，能使群落中植物物種數迅速增加；t1→t3，植物物種數變多，一般來說，生態系統中的組分越多，食物網越復雜，其抵抗力穩定性越強；群落中的植物物種數增加，相互爭奪資源（如陽光、水）和空間越激烈，競爭加劇。（2）生態系統改善后，考慮到社會-經濟-自然復合生態系統，體現了整體性原理。

答案：（1）分解者 種子或繁殖體 增強 競爭 （2）整體性（系統論）

【考題預測】如圖為我國南方比較常見的桑基魚塘農業生態系統。請分析回答下列問題：

（1）在不考慮人工投入的情況下，流經該生態系統的總能量（總初級生產量）是________________。人們將蠶沙（蠶的糞便）投入魚塘，被魚等水生生物食用，蠶沙中所含的能量主要屬于第________營養級。

（2）魚等水生生物的排泄物及未被利用的有機物和底泥，其中一部分經過________________作用后可作為肥料，返回桑基，培育桑樹。

（3）建立該人工生態系統的目的是實現對能量的________，提高能量的利用率。與種植單一作物的農田相比，該生態系統的自我調節能力________。

（4）建立該生態系統遵循的原理主要是______________、________________。

答案：（1）生產者（或桑樹）通過光合作用固定的太陽能總量 一 （2）分解者（或微生物）的分解 （3）多級（或充分）利用 較強 （4）物質循環再生原理 生物多樣性原理