“數字法”揭秘基因工程命題熱點

郭亮

基因工程是生物工程的重要領域，是當前生命科學研究的熱點和前沿。多年來，有關基因工程的內容是生物高考考查頻率較高的知識點。

命題分析

一點通

從近三年高考生物試卷可看出，高考真題涉及基因工程的內容，有如下特點：

①考查頻率較高，幾乎年年考查。

②考點相對集中，主要考查基因工程中的各種工具和程序，尤其是各種工具酶的切割位點的確定，獲取目的基因的方法，基因表達載體的構建及導入，目的基因的篩選方法等。

③命題有時從新的情境提出問題，讓考生去解決新情境中的新問題。

④有的命題與細胞工程、胚胎工程、克隆技術等內容結合，考查考生綜合運用生物工程技術手段解決實際問題的能力；或與遺傳變異等知識結合，考查考生綜合運用能力。

失分點

這樣的高考試題，對成績中上的考生來說，失分點主要在綜合性題型；而對成績中等偏下的考生來說，基礎題型也是失分的重要方面。

那么，考生如何在高三備考的最后階段快速準確地掌握該考點的知識及解題技巧，從而提高高考成績？經實踐，筆者用“數字法”幫助大家解決這個問題。

解鎖“數字法”密鑰

一、用“數字法”總結提煉知識密碼

（一）基礎密碼“1234”——開啟基因工程知識復習之鑰

1.密碼解讀

“1”，即一個原理：基因重組

基因工程是指按照人們的愿望，進行嚴格的設計，通過體外DNA重組和轉基因技術，賦予生物以新的遺傳特性，創造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品。故依據的原理為基因重組。

2.密碼點津

本密碼概括的是基因工程板塊的基礎知識，故稱為“基礎1234”。掌握這些知識，可以應對高考常出現的基礎考查。高考試題中選擇題和非選擇題都常以圖表的形式考查考生的基礎知識以及理解和解決實際問題的能力，所以復習過程中要掌握好基礎密碼，利用相應的表格、流程圖、示意圖進行研讀，以便突破重點和難點。

（二）程序密碼“2233”——把握基因工程操作程序要點之訣

1.密碼解讀

“2”，即獲取目的基因的兩種方法

2.密碼點津

本密碼解讀的是基因工程操作程序的更深層次的知識，可以稱為“程序2233”，是對基因工程基礎知識的補充和深化。高考試題中有時會針對個別知識專題進行考查，有時會在綜合題型中進行主要考查。建議復習時運用表格法（如上）列出明細，比較異同，便于掌握。尤其是按照密碼“2233”掌握不同程序的幾個要點，然后結合相關圖表綜合運用。

（三）概念密碼“411”——辨析基因工程易混概念之碼

1.密碼解讀

2.密碼點津

一般情況下，這些易混概念是解答基因工程試題的關鍵點。概念不清，做題就容易出錯。高考考試中，單獨考查概念的頻率不高，往往結合圖表，在綜合考查基因工程知識的時候，順帶考查。復習時，牢記密碼“411”，通過上述表格對比，搞清它們之間的聯系和區別非常關鍵。

二、用密碼知識化解基因工程高頻考點難題

熱點1：有關基因工程程序的考查

1.考題精析

例1 （2016·海南卷）基因工程又稱為DNA重組技術，回答相關問題：

（1）在基因工程中，獲取目的基因主要有兩大途徑，即_______和從_______中分離。

（2）利用某植物的成熟葉片為材料，同時構建cDNA 文庫和基因組文庫，兩個文庫相比，cDNA文庫中含有的基因數目比基因組文庫中的少，其原因是 _______。

（3）在基因表達載體中，啟動子是_______聚合酶識別并結合的部位。若采用原核生物作為基因表達載體的受體細胞，最常用的原核生物是_______。

（4）將目的基因通過基因槍法導入植物細胞時，常用的攜帶目的基因的金屬顆粒有_______和_______顆粒。

【解析】（1）獲取目的基因主要有兩大途徑，即人工合成和從生物材料中分離，前者通過反轉錄法或人工化學合成法，后者通過基因文庫提取實現。

（2）cDNA文庫中只含有葉細胞已轉錄（或已表達）的基因，而基因組文庫中含有該植物的全部基因，故cDNA文庫中含有的基因數目比基因組文庫中的少。

（3）基因表達載體中，啟動子是RNA聚合酶識別并結合的部位。因細菌繁殖快，故常采用的細菌是大腸桿菌。

（4）基因槍法是單子葉植物的常用的基因轉化方法，常用的攜帶目的基因的金屬顆粒有金粉和鎢粉顆粒，成本較高。

【答案】（1）人工合成 生物材料

（2）cDNA文庫中只含有葉細胞已轉錄（或已表達）的基因，而基因組文庫中含有該植物的全部基因

（3）RNA 大腸桿菌（或答細菌）

（4）金粉 鎢粉

【點評】本題主要考查基因工程的基礎知識。根據相關密碼，掌握要點知識，即可回答。但需要注意的是所考查的知識，如基因槍法等，考點較偏，如果考生對書本不熟，基礎不牢固，就會容易丟分。

2.考點預測

【預測1】圖1是農桿菌轉化法的示意圖。以下相關敘述，正確的是（ ）

A.①的構建需要限制性核酸內切酶和DNA聚合酶參與

B.②侵染植物細胞后，重組Ti質粒整合到植物細胞的染色體上

C.③含Ti質粒的農桿菌導入植物細胞的過程叫轉化

D.④過程培育出的植株不一定表現出抗蟲性狀

【答案】D

【點評】本題利用教材流程圖，綜合考查基因工程各程序知識，是高考的常見題型，如2014年重慶卷、2014年廣東卷等。本來此類題難度不大，但濃縮在選擇題中考查，難度就增加了。

【預測2】為了獲得更多的青蒿素，研究人員嘗試利用酵母進行轉基因的方法進行生產。研究發現，酵母細胞也能夠產生青蒿酸合成的中間產物FPP（如圖2所示，實線框內為青蒿細胞中青蒿酸的合成途徑）。請回答下列問題：

（1）在FPP合成酶基因的表達過程中，完成過程中①需要______________酶催化。

（2）根據圖示的代謝過程，若科學家用基因工程技術培育能產生青蒿酸的酵母細胞，需要向酵母細胞中導入_____________、_____________等。在基因工程的操作過程中，為了目的基因在受體細胞中能穩定存在、復制和表達，使其發揮作用，需要構建_____________。

（3）實驗發現，改造后的酵母菌細胞的基因能正常表達，但酵母菌合成的青蒿酸仍很少，根據圖解分析，其原因可能是____________。

（4）利用酵母細胞生產青蒿酸的明顯優勢有________________________________________（答對一個要點即可）。

【答案】

（1）RNA聚合

（2）ADS酶基因 CYP71AV1酶基因 基因表達載體

（3）酵母細胞中FPP部分用于合成固醇（或FRG9酶容易表達）

（4）細胞繁殖快（或生理代謝旺盛，或易培養，或成本低，或能克服地域性種植的限制）

【點評】根據熱點材料考查基因工程的基本操作程序要點，是高考常有的命題方式。解答這類問題，要會結合密碼知識，根據圖表和材料進行分析。

熱點2：有關構建重組質粒的考查

1.考題精析

例2 （2016·全國新課標卷Ⅲ）圖3（a）中的三個DNA片段上依次表示出了EcoRⅠ、BamHⅠ和Sau3AⅠ三種限制性內切酶的識別序列與切割位點，（b）為某種表達載體示意圖（載體上的EcoRⅠ、Sau3AⅠ的切點是唯一的）。

根據基因工程的有關知識，回答下列問題：

（1）經BamHⅠ酶切割得到的目的基因可以與上述表達載體被____________酶切后的產物連接，理由是________________________。

（2）若某人利用圖3（b）所示的表達載體獲得了甲、乙、丙三種含有目的基因的重組子，如圖4所示。這三種重組子中，不能在宿主細胞中表達目的基因產物的有____________，不能表達的原因是________________________。

（3）DNA連接酶是將兩個DNA片段連接起來的酶，常見的有____________和____________，其中既能連接黏性末端又能連接平末端的是________________________。

【解析】（1）Sau3AⅠ酶切割的目的基因和BamHⅠ酶切割載體產生的片段具有相同的的黏性末端，故可連接。

（2）在基因表達載體中，啟動子應位于目的基因的首端，終止子應位于目的基因的尾端，這樣目的基因才能表達。圖中甲、丙均不符合，所以不能表達目的基因的產物。

（3）常見的DNA連接酶有E·coliDNA連接酶和T4DNA連接酶；既能連接黏性末端又能連接平末端的是T4DNA連接酶。

【答案】（1）Sau3AⅠ 兩種酶切割后產生的片段具有相同的黏性末端

（2）甲、丙 甲中的目的基因插入在啟動子的上游，丙中的目的基因插入在終止子的下游，二者的目的基因均不能被轉錄

（3）E·coliDNA連接酶 T4DNA連接酶 T4DNA連接酶

【點評】構建重組質粒的相關知識是基因工程高考試題中最常見的考查點之一。考查要點是重組質粒的結構，以及重組質粒的構建過程。解答這類題，要掌握以下知識：

重組質粒的結構包括啟動子、終止子、目的基因、標記基因、復制原點等，缺一不可。

構建重組質粒則要遵循幾個原則：（1）保證得到的目的基因不被破壞。（2）作為運載體的質粒保證至少一個標記基因不被破壞。此外，應注意啟動子、終止子、復制原點等不被破壞。（3）目的基因與質粒之間能得到一種或兩種彼此相同的黏性末端（平切口不考慮）。 同時要注意不同酶切方法的運用：（1）一般情況下，單種酶在切割目的基因和運載體時常常要用同一種限制性內切酶，從而產生相同的黏性末端。（2）兩種或兩種以上的限制酶去切割含目的基因的DNA片段和運載體。較常見的是用同一組兩種限制酶去切割含目的基因的DNA 片段和運載體，兩者都會產生具有兩種不同的黏性末端的DNA片段（兩個末端分別用A與B表示）。當構成重組質粒時，由相同酶切開的目的基因的A 端與質粒的A 端通過堿基互補連接，目的基因的B端與質粒的B端通過堿基互補連接。用多種酶切的優點：（1）可防止目的基因與質粒的自身環化。多酶切后目的基因與運載體的兩側的黏性末端不相同，因此不能發生自身首尾相連成環狀DNA分子。（2）可實現目的基因與質粒的定向連接。

2.考點預測

【預測3】圖5是培育表達人乳鐵蛋白的乳腺生物反應器的技術路線。請回答：

（1）質粒載體作為基因工程的工具，應具備的基本條件有____________（答出兩點即可），而作為基因表達載體，除滿足上述基本條件外，還需具有啟動子和終止子。

（2）如圖5所示，若對1中的質粒進行改造，插入的SmaⅠ酶切位點越多，質粒的熱穩定性將會____________。

（3）如圖5所示，用2中的人乳鐵蛋白目的基因和1中的質粒構建重組質粒時，選用的限制酶是____________（從“EcoRⅠ”“BamHⅠ/ HindⅢ”“SmaⅠ/ HindⅢ”中選擇）。不能選擇其他限制酶的理由分別是________________________________________________。

【答案】

（1）能自我復制、具有標記基因

（2）提高

（3）BamHⅠ/ HindⅢ 若選EcoRⅠ會破壞質粒的復制原點；若選SmaⅠ/ HindⅢ，則構建的重組質粒沒有標記基因或復制原點

【點評】本題考查重組質粒的結構和構建，是近年來最常見的基因工程題型。

熱點3：有關基因工程知識應用的考查

1.考題精析

例3 （2016·天津卷）人血清白蛋白（HSA）具有重要的醫用價值，只能從血漿中制備。圖6是利用基因工程技術獲取重組HSA（rHSA）的兩條途徑。

（1）為獲取HSA基因，首先需采集人的血液，提取________合成總cDNA，然后以cDNA為模板，采用PCR技術擴增HSA基因。下圖中箭頭表示一條引物結合模板的位置及擴增方向，請用箭頭在方框內標出另一條引物的位置及擴增方向。

（2）啟動子通常具有物種及組織特異性，構建在水稻胚乳細胞內特異表達rHSA的載體，需要選擇的啟動子是____________（填字母，單選）。

A.人血細胞啟動子 B.水稻胚乳細胞啟動子

C.大腸桿菌啟動子 D.農桿菌啟動子

（3）利用農桿菌轉化水稻受體細胞的過程中，需添加酚類物質，其目的是________________________________________________。

（4）人體合成的初始HSA多肽，需要經過膜系統加工形成正確的空間結構才能有活性。與途徑Ⅱ相比，選擇途徑Ⅰ獲取rHSA的優勢是____________________________________。

（5）為證明rHSA具有醫用價值，須確認rHSA與____________的生物學功能一致。

【解析】（1）合成總cDNA需要提取細胞中所有的mRNA，然后通過反轉錄過程。采用PCR技術擴增HSA基因時，兩條引物分別與模板鏈的5ˊ端結合，擴增方向相反。

（2）根據啟動子通常具有物種及組織特異性，在水稻胚乳細胞內特異性表達rHSA，需要選擇水稻胚乳細胞啟動子。

（3）農桿菌轉化水稻受體細胞的過程中，酚類物質可吸引農桿菌移向水稻體細胞，有利于目的基因的轉移。

（4）水稻是真核生物，具有膜系統，能對初始rHSA多肽進行高效加工，而大腸桿菌是原核生物，細胞中不具有膜結構的細胞器。

（5）為證明rHSA具有醫用價值，須確認rHSA與天然的HSA生物學功能一致。

【答案】（1）總RNA（或mRNA）

（2）B

（3）吸引農桿菌移向水稻受體細胞，有利于目的基因成功轉化

（4）水稻是真核生物，具有膜系統，能對初始rHSA多肽進行高效加工

（5）HSA

【點評】一般來說，基因工程的應用考查體現了本專題知識和其他章節知識的綜合。如與本專題相關的必修內容：酶的特性、遺傳變異知識等。再如與本專題相關的選修內容：細胞工程、胚胎工程等。本題通過人血清白蛋白的制備來考查基因工程的應用，同時兼考查啟動子、cDNA文庫等概念，以及原核細胞和真核細胞的膜系統的知識。解答這類試題，掌握密碼知識是基礎。

2.考點預測

【預測4】人類疾病的轉基因動物模型常用于致病機理的探討及治療藥物的篩選。利用正常大鼠制備遺傳性高血壓轉基因模型大鼠的流程如圖7所示（注：基因B為高血壓相關基因）。

（1）進行過程①之前，需對人工采集的精子進行____________處理。完成過程②常采用的方法是____________。過程④中，為了防止污染，通常還要在細胞培養液中添加一定量的____________。

（2）從人體細胞中獲取基因B時用到的工具酶是____________，在構建的基因表達載體中，高血壓相關基因的首端必須有____________，它是RNA聚合酶的識別和結合部位。

（3）圖示中甲為____________（時期）的去核卵母細胞，過程⑤的操作技術叫作____________。

（4）要在分子水平上檢測成功導入的B基因在大鼠中是否成功表達，可采用____________方法，如果高血壓相關基因已在大鼠體內成功表達，可用其建立高血壓轉基因動物模型。

【答案】（1）獲能 顯微注射法 抗生素

（2）限制性核酸內切酶（限制酶） 啟動子

（3）減數第二次分裂中期（MⅡ中期） 核移植

（4）抗原-抗體雜交

【點評】本題綜合考查基因工程、細胞工程和胚胎工程的知識。其中，對基因工程的基本概念、操作程序進行了重點考查。

★《求學》提醒：通過數字密碼，快速掌握基因工程的知識，是解答基因工程類高考試題的基礎和關鍵。尤其在復習的最后階段，通過數字密碼，簡化知識記憶方式，把書讀薄，從而提高高考復習效率。當然，由于篇幅有限，對有些常出現的考點，如PCR技術、基因探針檢測等沒有詳細分析，考生復習時也要予以重視。