2015年諾貝爾獎青蒿素相關生物試題例析

張卓鵬

近幾年生物高考，特別重視對學生創新精神與實踐能力的考查，以能力立意為主導，考查考生對所學相關課程基礎知識、基本技能、基本思想、基本活動經驗的整體掌握程度和綜合運用所學知識發現問題、提出問題、分析、解決實際問題的能力.以諾貝爾獎為背景的試題在近幾年高考中已屢次出現，成為命題的熱點，以突出對學生科學探究能力、科學過程與方法以及創新精神的考查.我國女科學家屠呦呦榮獲2015年諾貝爾生理學或醫學獎，這是國人的驕傲，下面采編幾道抗瘧藥青蒿素相關高中生物試題及分析，以饗讀者.

一、考查細胞的結構和功能

例1 中國女科學家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理醫學獎，她研制的抗瘧藥青蒿素挽救了數百萬人的生命.青蒿素是從植物黃花蒿的組織細胞中所提取的一種代謝產物，其作用方式目前尚不明確，推測可能是作用于瘧原蟲的食物泡膜，從而阻斷了營養攝取的最早階段，使瘧原蟲較快出現氨基酸饑餓，迅速形成自噬泡，并不斷排出蟲體外，使瘧原蟲損失大量胞漿而死亡.從上述的論述中，不能得出的是（ ）.

A.瘧原蟲對外界食物的獲取方式主要是胞吞，體現了細胞膜的流動性特點

B.細胞質是細胞代謝的主要場所，如果大量流失，甚至會威脅到細胞生存

C.瘧原蟲寄生在寄主體內，從生態系統的成分上來看，可以視為分解者

D.利用植物組織培養的方式，可以實現青蒿素的大規模生產

解析 細胞質是細胞代謝的主要場所，如果大量流失，必然會威脅到細胞生存.青蒿素可能作用于瘧原蟲的食物泡膜，從而阻斷了營養攝取的最早階段，使瘧原蟲較快出現氨基酸饑餓，迅速形成自噬泡，并不斷排出蟲體外，使瘧原蟲損失大量胞漿而死亡.瘧原蟲寄生在寄主體內，從生態系統的成分上來看，寄生物均可視為消費者.而分解者營腐生生活，從動植物遺體、排泄物中獲得現成的有機物.

答案：C

二、考查基因表達及基因工程

例2 中國女科學家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理醫學獎，她研制的抗瘧藥青蒿素挽救了數百萬人的生命.但是青蒿中青蒿素的含量很低，且受地域性種植影響較大.研究人員已經弄清了青蒿細胞中青蒿素的合成途徑（如圖1實線框內所示），并且發現酵母細胞也能夠產生青蒿素合成的中間產物FPP（如圖1虛線框內所示）.請回答問題：

（1）在FPP合成酶基因表達過程中，完成過程①需要酶催化_____，完成過程②需要的物質有____、____、____等，結構有____.

（2）根據圖示代謝過程，科學家在設計培育能生產青蒿素的酵母細胞過程中，需要向酵母細胞中導入____ 、____等基因.

（3）實驗發現，酵母細胞導入相關基因后，這些基因能正常表達，但酵母合成的青蒿素仍很少，根據圖解分析原因可能是___，為提高酵母菌合成的青蒿素的產量，請提出一個合理的思路：____.

（4）利用酵母細胞生產青蒿素與從植物體內直接提取相比較，明顯的優勢有___、____、____等.

解析 基因表達包括轉錄和翻譯兩步，轉錄需要RNA聚合酶，RNA聚合酶同時具有DNA解旋功能；翻譯在核糖體上進行，除需要模板mRNA外，還需要原料氨基酸，以及搬運氨基酸的工具tRNA，另外生命活動離不開能量供應，需要消耗 ATP.基因工程操作步驟第一步為獲取目的基因，從圖1中可以發現酵母細胞中缺乏合成青蒿素必需的兩種關鍵酶：ADS酶和 CYP71AV1酶，而青蒿細胞具有這兩種酶，故有必要首先獲取ADS酶基因和CYP71AV1酶基因，作為目的基因導入酵母細胞中.FPP是合成青蒿素和固醇的共同底物，為提高酵母菌合成的青蒿素的產量，需通過基因改造降低FRG9酶活性等方法來降低固醇的合成途徑.基因工程為新興的朝陽產業，明顯的優勢有產量高，成本低 ，適合各地生產，生產的周期短等.

答案：（1）RNA聚合 氨基酸 ATP tRNA 核糖體；

（2）ADS酶基因 CYP71AV1酶基因；

（3）FPP合成固醇 通過基因改造降低FRG9酶活性；

（4）青蒿素產量高 成本低 適合各地生產

三、考查遺傳定律及育種

例3 中國女科學家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理醫學獎，她研制的抗瘧藥青蒿素挽救了數百萬人的生命.利用雌雄同株的野生型青蒿（二倍體，體細胞染色體數為18），通過傳統育種和現代生物技術可培育高青蒿素含量的植株.請回答以下相關問題：

（1）假設野生型青蒿白青稈（A）對紫紅稈（a）為顯性，稀裂葉（B）對分裂葉（b）為顯性，兩對性狀獨立遺傳，則野生型青蒿最多有___種基因型；若F1代中白青稈、稀裂葉植株所占比例為38，則其雜交親本的基因型組合為___，該F1代中紫紅稈、分裂葉植株所占比例為___.

（2）四倍體青蒿中青蒿素含量通常高于野生型青蒿，低溫處理野生型青蒿正在有絲分裂的細胞會導致染色體不分離，從而獲得四倍體細胞并發育成植株.推測低溫處理導致細胞染色體不分離的原因是___.四倍體青蒿與野生型青蒿雜交后代體細胞的染色體數為___.

解析 野生型青蒿白青稈（A）對紫紅稈（a）為顯性，稀裂葉（B）對分裂葉（b）為顯性，兩對性狀獨立遺傳，符合基因的自由組合定律，則野生型青蒿最多有9種基因型；若F1代中白青稈、稀裂葉植株（A_B_）為38，根據乘法原理，應該是12×34，或者是34×12，則其雜交親本的基因型組合為AaBb×aaBb，或者為AaBb×Aabb，這兩種情況下該F1代中紫紅稈、分裂葉植株（aabb）所占比例均為18.

野生型青蒿為二倍體，四倍體青蒿與野生型青蒿雜交后代為三倍體，體細胞的染色體數為27.

答案：（1）9 AaBb×aaBb或者AaBb×Aabb 1/8

（2）低溫抑制紡錘體形成 27

例4 青蒿的花色白色（只含白色色素）和黃色（含黃色色素）是一對相對性狀，由兩對等位基因（A和a、B和b）共同控制，顯性基因A控制以白色色素為前體物合成黃色色素的代謝過程，但當隱性基因bb存在時可抑制其表達（如圖2所示）.

據此回答：

（1）開黃花的青蒿植株的基因型可能是.

（2）現有AAbb、aaBB二個純種白花青蒿品種，為了培育出能穩定遺傳的黃花品種，某同學設計了如下程序：

Ⅰ.用AAbb和aaBB兩個品種進行雜交，得到F1種子；

Ⅱ.F1種子種下得F1植株，F1隨機交配得F2種子；

Ⅲ.F2種子種下得F2植株，F2自交，然后選擇開黃花植株的種子混合留種；

Ⅳ.重復步驟Ⅲ若干代，直到后代不出現性狀分離為止.

①F1植株能產生比例相等的四種配子，原因是___.

②F2的性狀分離比為___.

③若F1與基因型為aabb的白花品種雜交，后代的分離比為___.

④F2自交，在開黃花的植株上所結的種子中黃花純合子占____.

⑤有同學認為這不是一個最佳方案，你能在原方案的基礎上進行修改，以縮短培育年限嗎？請簡要概述你的方案.

解析 （1）由題意可知，只有A、B基因同時存在時，才表現為黃花，因此開黃花的青蒿植株的基因型可能是AABB、AaBB、AABb、AaBb.

（2）①由題意可知，F1是由AAbb和aaBB雜交產生的，因此F1的基因型為AaBb，A、a和B、b位于不同對的同源染色體上，因此在遺傳過程中遵循基因自由組合定律，因此F1植株能產生比例相等的四種配子.

②F1的基因型為AaBb，自交后代的基因組成可以寫出A_B_

∶A_bb∶aaB_∶aabb=9∶3∶3∶1，其中A_B_為黃花，其余的為白花，因此F2的性狀分離比為黃花∶白花=9∶7.

③F1與基因型為aabb的白花品種雜交，后代的基因組成及比例為AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶1，其中AaBb為黃花，其余為白花，因此F1與基因型為aabb的白花品種雜交，后代的分離比為黃花∶白花=1∶3.

④F2中黃花植株的基因型為AABB∶AABb∶AaBB∶AaBb=1∶2∶2∶4，F2自交，在開黃花的植株上所結的種子中黃花純合子的比例是（19）×1+（29）×（14）+（29）×（14）+（49）×（116）=14.

⑤單倍體育種能大大縮短育種年限，具體做法是：采用F1植株的花粉進行離體培養獲得單倍體幼苗，然后用秋水仙素處理單倍體幼苗，成熟后開黃花的植株即為純種.

答案：（1）AABB、AaBB、AABb、AaBb

（2）①A、a和B、b基因位于2對同源染色體上，在子一代形成配子時，遵循基因自由組合定律.

②黃花∶白花=9∶7.

③黃花∶白花=1∶3.

④1/4.

⑤采用F1植株的花粉進行離體培養獲得單倍體幼苗，然后用秋水仙素處理單倍體幼苗，成熟后開黃花的植株即為純種.

四、考查生物多樣性價值

例5 中國女科學家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理醫學獎，她研制的抗瘧藥青蒿素挽救了數百萬人的生命.在野生植物中提取青蒿素治療瘧疾，這體現了野生生物的（ ）.

A. 直接使用價值

B. 間接使用價值

C. 潛在使用價值

D. A與B的總和

解析 生物多樣性價值包括直接使用價值、間接使用價值和潛在使用價值三個方面，其中間接使用價值是指生態功能，價值最大；直接使用價值與潛在使用價值的區別關鍵是看具體作用有沒有被發現，是否已知，如具體作用尚不清楚，則為潛在使用價值.現已明確該野生植物中能提取青蒿素治療瘧疾，這便體現了該野生生物的直接使用價值.答案：A

五、考查生物實驗的設計及對結果的評價和解釋

例6 中國女科學家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理醫學獎，她研制的抗瘧藥青蒿素挽救了數百萬人的生命.我國山西的青蒿資源非常豐富，本研究為開發利用青蒿資源提供實驗依據.

實驗一 研究目的：比較同一植株不同生長期葉片中青蒿素含量的差異.

材料準備：5～9月期間，分別采集成苗期、生長盛期、花期和果期的青蒿葉，干燥后粉碎備用.

（1）根據研究目的，下列屬于實驗時需控制的因素是.（多選）____

A.采摘時葉片中含水量

B.采集葉片時的氣溫

C.葉片的著生位置

D.葉片干燥的程度

（2）將實驗數據繪制成圖如圖3所示.

該坐標圖的橫坐標名稱是___，縱坐標名稱是____。

（3）根據實驗一的研究結果，選擇____期的青蒿作為繼續研究的實驗材料.

實驗二

材料準備：采集青蒿不同組織如根、莖、老葉（葉齡21d）、新葉（葉齡7d），共采集3次，每次在同一地方隨機采樣.所有樣品均采用烘干和自然干燥2種方式干燥，粉碎后備用.

實驗結果：青蒿素含量（mg/g）

第1次采集：

根：1.02（曬干），0.74（烘干）；

莖：0.09（曬干），0.04（烘干）；

老葉：3.91（曬干），2.66（烘干）；

新葉：4.57（曬干），3.49（烘干）.

第2次采集：

根：1.05（曬干），0.72（烘干）；

莖：0.11（曬干），0.09（烘干）；

老葉：4.02（曬干），2.71（烘干）；

新葉：4.65（曬干），3.69（烘干）.

第3次采集：

根：1.14（曬干），0.79（烘干）；

莖：0.10（曬干），0.02（烘干）；

老葉：4.05（曬干），2.95（烘干）；

新葉：4.58（曬干），3.59（烘干）.

（4）本實驗的研究目的是：.

（5）根據研究目的，設計一個實驗數據記錄表，用于記錄上述數據.（不用抄錄數據）

解析 中學生物實驗大多為對照實驗，涉及的變量有自變量、無關變量和因變量，實驗的目的通常為探究自變量對因變量的影響.實驗中應設置一組自變量作分組對照，應控制無關變量力求適宜且相同，應準確測量因變量來尋找與自變量之間的因果關系.

實驗一研究目的為比較同一植株不同生長期葉片中青蒿素含量的差異，采摘時葉片中含水量和采集葉片時的氣溫因生長期季節等而不同，也不便于人工控制，而葉片的著生位置和采摘后葉片干燥的程度可人工控制，應作為無關變量必需要相同.

實驗二研究目的為不同組織中青蒿素含量的比較以及不同干燥方法對青蒿素含量的影響，之所以重復三次，是為避免實驗的偶然性，通過求取平均值來減小誤差.

答案：（1）CD

（2）生長期 青蒿素含量（mg/g）

（3）生長盛期

（4）不同組織中青蒿素含量的比較以及不同干燥方法對青蒿素含量的影響

（5）青蒿素含量實驗數據記錄表（mg/g）

六、考查基因頻率和人類遺傳病的調查

例7 （2016年江蘇高考題）鐮刀型細胞貧血癥（SCD）是一種單基因遺傳疾病，圖4為20世紀中葉非洲地區HbS基因與瘧疾的分布圖，基因型為HbSHbS的患者幾乎都死于兒童期.請回答下列問題：

（1）SCD患者血紅蛋白的2條β肽鏈上第6位氨基酸由谷氨酸變為纈氨酸，而2條α肽鏈正常.HbS基因攜帶者（HbAHbS）一對等位基因都能表達，那么其體內一個血紅蛋白分子中最多有___條異常肽鏈，最少有___條異常肽鏈.

（2）由圖可知，非洲中部HbS基因和瘧疾的部分基本吻合.與基因型為HbAHbA的個體相比，HbAHbS個體對瘧疾病原體抵抗力較強，因此瘧疾疫區比非疫區的_____基因頻率高.在疫區使用青蒿素治療瘧疾患者后，人群中基因型為____的個體比例上升.

（3）在瘧疾疫區，基因型為HbAHbS個體比HbAHbA和HbSHbS個體死亡率都低，體現了遺傳學上的現象._____

（4）為了調查SCD發病率及其遺傳方式，調查方法可分別選擇為（填序號）_____.

①在人群中隨機抽樣調查

②在患者家系中調查

③在瘧疾疫區人群中隨機抽樣調查

④對同卵和異卵雙胞胎進行分析對比

（5）若一對夫婦中男性來自HbS基因頻率為1%～5%的地區，其父母都是攜帶者；女性來自HbS基因頻率為10%～20%的地區，她的妹妹是患者.請預測這對夫婦生下患病男孩的概率為.____

解析 此題是對基因的表達以及人類遺傳病的考查，解答本題的關鍵在于理解基因控制蛋白質的合成，不論該蛋白質由多少條肽鏈組成，即正常血紅蛋白由HbA控制合成，異常血紅蛋白由HbS控制合成.由于HbS基因攜帶者（HbAHbS）一對等位基因都能表達，那么其體內一個血紅蛋白分子可能是正常血紅蛋白分子，也可能是異常血紅蛋白分子，故一個血紅蛋白分子中最多有2條異常肽鏈，最少有0條異常肽鏈.另外須理解種群的基因頻率不是固定不變的，會因自然選擇、基因突變、基因重組而改變；調查人類遺傳病發病率應在人群中隨機抽樣調查，且群體要足夠大；調查人類遺傳病遺傳方式則應選擇患者家系.在計算后代表現型概率時，應注意親代中無HbSHbS的患者，因為基因型為HbSHbS的患者幾乎都死于兒童期.一對夫婦中男性父母都是攜帶者，則該男性基因型為1/3 HbAHbA 、2/3 HbAHbS，女性的妹妹是患者，則其父母也均為攜帶者，該女性基因型為1/3 HbAHbA 、2/3 HbAHbS，這對夫婦生下患病男孩的概率為為（2/3）×（2/3）×（1/4）×（1/2）﹦1/18.

答案：（1）2 0 （2）HbSHbAHbA （3）雜種（合）優勢 （4）①② （5）1/18