例析模型建構 化解“PCR 技術”教學難點

福建 何紅星

PCR 技術（多聚酶鏈式反應）是高中生物人教版教材選修3“基因工程”中“目的基因體外擴增”的重要學習內容。在DNA 測序、表達圖譜及腫瘤檢測等方面應用廣泛，為生物學命題提供大量的素材，更重要的是能搭建學生科學探究和理性思維的平臺。但在教材中有關PCR 技術的學習內容呈現較為簡單，在許多命題中學生感到很抽象，教師在教學時深度和廣度往往把握不好，使得本部分知識的教學及學習存在一定的困難。

模型建構是學習生物學的一種重要的科學方法，有利于學生主動學習相關知識，體驗科學探究過程，增加思維強度,延伸思維寬度,拓展思維深度，從而培養學生的理性思維，提高學習效率。

一、應用概念模型，厘清概念

【探究活動1】PCR 技術是人工體外DNA 擴增的一項技術，據圖1 回答下列問題：

圖1

（1）加熱雙鏈打開_______鍵，解旋又稱為__________，溫度降低時，引物與模板的對應，在DNA 聚合酶作用下引物沿模板鏈延伸,DNA 聚合酶具備__________的特點。

（2）PCR 技術的原理是___________，需要遵循_______原則，PCR 技術需要______________等條件，此外還需要液體環境、適宜的______________、_____________，前者由自動控溫儀控制，后者借助_________________維持。

（3）圖1 中的變性和延伸分別是指___________________________、_______。根據圖1 概括PCR 技術的過程：__________________。

【答案】（1）氫 高溫變性 熱穩定性

（2）DNA 半保留復制 堿基互補配對 模板、引物、原料（四種脫氧核苷酸dNTP）、熱穩定性聚合酶（Taq 酶）

溫度 酸堿度 緩沖液（3）高溫解旋過程 以DNA 單鏈為模板，隨引物在DNA 聚合酶作用下進行延伸合成新的子鏈過程 變性→復性→延伸

【建議】對于PCR 技術的相關知識，教師可建立思維導圖（如圖2），引導學生梳理知識脈絡，幫助學生對核心概念有序學習。

圖2

二、建構物理模型，體驗PCR 技術擴增過程

【探究活動2】（1）若要用PCR 技術擴增“X 基因”，需在PCR 反應中加入_____________________種引物，加入引物的原因是_________________________________ 。

（2）引物及其與模板鏈的結合位置如圖3 中甲所示。觀察DNA 雙鏈一條是5' → 3'方向，另一條是3'→5'方向得出的結論是_____________________________。經四輪循環后產物中有五種不同的DNA 分子，如圖3 中乙所示，其中第⑤種DNA 分子有______個。

（3）PCR 技術一般要到第___________輪才出現等長的第⑤種DNA。

圖3

【答案】（1）2 DNA 聚合酶無法單獨開始復制，即無法憑空開始向模板上添加對應的核苷酸，它必須有一段引物與模板形成雙鏈后在DNA 聚合酶的作用下繼續鏈的延伸（2）DNA 的兩條鏈是反向平行的 8 （3）三

【分析】PCR 技術擴增時，由兩種引物決定所擴增片段的特定序列，上一次循環的產物為下一次循環的模板。第一次循環形成①和②，第二次循環形成①②③④四個DNA，以此類推四次循環后共形成16 分子的DNA，其中①②各1 分子，③④各3 分子，⑤共8 分子。這樣解釋學生感到很抽象，不利于學生的理解，尤其不利于對學生思維的訓練，筆者嘗試引導學生在讀圖的基礎上進行模型構建，每兩人為一組相互配合用卡紙剪出并用透明膠粘貼第一次循環或根據引物、堿基互補關系畫出第一次循環，依次構建第二次循環、第三次循環的結果圖，配合復制過程的本質內容再展開過程的解析，幫助學生理解習題本質功能——思維的訓練。

圖4 第二次循環示意圖

由此假設DNA 的兩條母鏈為A 鏈（長鏈），以A 鏈為模板合成的含有引物DNA 的子鏈為B 鏈（中等長度鏈）；以B 鏈為模板合成的含有引物DNA 的子鏈為C 鏈（最短鏈）；且以C 鏈為模板合成的含有引物DNA 的子鏈永遠為C 鏈（最短鏈）。由于DNA 復制是半保留復制，2 條A 鏈保留且在四次復制過程中作為模板，共形成8 條B 鏈（第1 輪結束的時候形成了2 條B 鏈；第2 輪結束的時候除保留的2 條B 鏈外共有4 條B 鏈；第3 輪結束的時候除保留的4 條B 鏈外共有6 條B 鏈，第3 輪第一次出現等長的第⑤種DNA；第4 輪結束的時候除保留的6 條B 鏈外共有8 條B 鏈），最后一次形成的兩條B 鏈與兩條A 鏈構成DNA 分子（如圖3 乙中的①和②），其他6 條B 鏈一定只能與C 鏈形成DNA 分子（如圖3 乙中的③和④）。即有2 條AB 鏈的DNA，6 條BC 鏈的DNA，而復制4 輪合計形成了16 條DNA 分子，所以必然有8 條CC 鏈構成的DNA 分子。進一步根據模型觀察，可以知道子鏈合成是沿5'→ 3'方向延伸合成互補鏈的（對應模板鏈3'→5'方向），可以解決常見的標出引物位置的題型。

三、建構數學模型，總結規律

【探究活動3】圖5 是PCR 技術擴增某目的基因過程中，引物對與模板DNA 片段結合示意圖，則由一個該模板DNA片段擴增n次后，只含目的基因的DNA片段數為（ ）

圖5 引物對與模板結合示意圖

A.2nB.2n-2C.2n-2n D.2n

【答案】C

【分析】DNA 片段擴增n 次后共形成2n個DNA 分子，其中2n 個含有引物，所以只含目的基因的DNA 片段數為2n-2n。

根據模擬建構過程歸納推理得出N 次循環后含有引物1 和引物2 的DNA 分子數均為2n-1；既含有引物1 又含有引物2 的DNA 分子數為2n-2；擴增N 次后的DNA 分子片段類型歸納如下。

類型1：只含引物1，兩鏈不等長，引物1 延伸與母鏈互補，無論循環多少次始終只有1 條，如圖6 ①；

類型2：只含引物2，兩鏈不等長，引物2 延伸與母鏈互補，無論循環多少次始終也只有1 條，如圖6 ②；

類型3：既含有引物1 又含有引物2，含引物1 鏈較含引物2 鏈長，N 次循環后有N-1 條，如圖6 ③；

類型4：既含有引物1 又含有引物2，含引物2 鏈較含引物1 鏈長，N 次循環后有N-1 條，如圖6 ④；

類型5：既含有引物1 又含有引物2，兩鏈等長，N 次循環后有2n-2n 條，如圖6 ⑤。

圖6 N 次循環后DNA 種類歸納

結合物理模型分析可知，細胞內DNA 復制結果一般形成等長的DNA，復制結果DNA 類型只有一種，而PCR 技術一般要到第三輪才出現等長的DNA，如果引物也從最端部開始，則DNA 類型也只有一種。

四、拓展延伸——PCR 擴增產物的電泳模型應用

應用PCR 擴增產物的電泳可得到不同DNA 的條帶，從而進行個人辨認和親子鑒定，結合遺傳圖譜分析DNA 親緣關系、確定遺傳圖譜中基因型等是遺傳命題設計應用的部分內容。

【探究活動4】（2015 年，江蘇卷，第30 題節選）由苯丙氨酸羥化酶基因突變引起的苯丙氨酸代謝障礙，是一種嚴重的單基因遺傳病，稱為苯丙酮尿癥（PKU）,正常人群中每70 人有1 人是該致病基因的攜帶者（顯、隱性基因分別用A、a 表示）。圖7 是某患者的家族系譜圖，其中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3及胎兒Ⅲ1（羊水細胞）的DNA 經限制酶Msp I 消化，產生不同的片段（kb 表示千堿基對），經電泳后用苯丙氨酸羥化酶cDNA 探針雜交，結果如圖8。請回答下列問題：

（2）依據cDNA 探針雜交結果，胎兒Ⅲ1的基因型是_______________ 。

【答案】Aa

【分析】根據題意判斷此病為常染色體隱性遺傳病，Ⅱ1基因型為aa，由電泳圖比較可知，Ⅱ2、Ⅱ3及胎兒Ⅲ1的基因型均為Aa。

通過模型建構，學生可親身體會知識的形成過程，加強學生的思維訓練。動手動腦進行科學探究，可實現跨學科學習，踐行學科核心素養的生命觀念和STEM 教育觀，構建生物課堂“活化能”，讓學生在成長的道路上走得更遠，飛得更高。