聚焦高中生物學試題中的電泳圖

重慶 趙德強 羅立峰

電泳是常用的分離、鑒定技術，其本質是帶電粒子在電場的作用下發生遷移的過程中，由于待分離樣品中各種分子帶電性質的差異以及分子本身的大小、形狀的不同，使帶電分子產生不同的遷移速率，從而實現樣品中各種分子的分離。電泳圖是物質分離后呈現的結果圖，常有DNA電泳圖和蛋白質電泳圖。新高考更加注重對能力和素養的考查，借用電泳圖的高中生物學試題是近年高考命題的熱點題型之一，如2021年河北卷第20題和2020年山東卷第17題。筆者現對此類型試題進行歸類，并分析電泳圖試題的解題技巧。

1.電泳與蛋白質結構和功能

【例1】為研究與植物生長相關的基因及其作用，科學家獲得了基因A、B、C失活的多種突變體，電泳分析各植株中蛋白m和蛋白n的表達情況，結果如圖1。據圖分析錯誤的是 ( )

圖1

A.基因B和C分別控制蛋白m和n的合成

B.蛋白m和蛋白n對植株生長起抑制作用

C.基因C比基因B對植株生長的抑制更強

D.基因A可能促進蛋白m和蛋白n的降解

【分析】圖1顯示野生型植株高，無蛋白質m和n，其他類型植株高矮和蛋白質種類情況一目了然。A+B雙突變體中有蛋白n說明基因C與蛋白n的合成有關；A+C雙突變體中有蛋白m說明基因B與蛋白m的合成有關，A項正確；根據野生型(有基因A+B+C)和A+B+C三突變體的植株均為高可知D項正確；根據圖(b)(c)(d)植株矮小，可知B項正確；有基因C的植株比有基因B的植株高，說明基因B比基因C對植株生長的抑制能力更強，C項錯誤。試題的能力考查點為獲取信息的能力及實驗探究能力，學科核心素養考查點為生命觀念中的物質與能量觀、科學思維及科學探究。

【解題技巧】電泳圖有關試題的特征是試題中呈現電泳結果圖，解題的關鍵是讀懂電泳圖。不論是蛋白質電泳圖還是DNA電泳圖，其主要是繪制有不同的條帶，而不同的條帶代表分子量不同的蛋白質或DNA。圖中有正負極(有的電泳圖也忽略正負極)，正極為“起點”，條帶為“終點”，起點和終點之間的距離不同表示分子量不同的蛋白質或DNA，越重或越長的蛋白質或DNA跑得越慢，反之越快。電泳圖旁邊的長度不是代表DNA分子的長度，而是代表跑帶的長度，與DNA分子的長度剛好相反。

2.電泳與限制酶

基因工程中用限制性核酸內切酶酶切DNA分子，電泳可以使酶切的不同DNA分子片段在凝膠中可視化。

【例2】現有一長度為3 000堿基對(bp)的線性DNA分子，用限制性核酸內切酶酶切后，進行凝膠電泳，使降解產物分開。用酶H單獨酶切，結果如圖2(a)圖。用酶B單獨酶切，結果如圖2(b)圖。用酶H和酶B同時酶切，結果如圖2(c)圖。該DNA分子的結構及其酶切圖譜是 ( )

圖2

【分析】本題考查限制酶的相關知識，須知一種限制酶只能識別一種特定的核苷酸序列，且只能在特定的位點切割DNA分子。圖2中甲、乙、丙是用不同的限制酶酶切的結果，電泳條帶表示不同長度的DNA片段，限制酶可以識別特定的脫氧核苷酸序列，不同限制酶識別位點不同，切點也不完全一樣。酶切后得到的各個片段長度之和一定與線性DNA分子的總長度相等，圖2(a)圖是用酶H單獨酶切線性DNA分子經電泳后得到的2條條帶，說明該線性DNA分子上有1個酶H的酶切位點，且酶切后得到2 000 bp和1 000 bp兩種長度的2個片段。圖2(b)圖是用酶B單獨酶切線性DNA分子后得到的結果圖，有2 000 bp、600 bp和400 bp三種長度的3個片段，且3個片段的總長度與線性DNA分子總長度相等，說明該線性DNA分子有2個酶B的酶切位點。圖2(c)圖是用酶H和酶B同時酶切的結果圖，其酶切的總長度為1 400 bp+600 bp+400 bp=2 400 bp，與線性DNA分子總長3 000 bp還相差600 bp，即酶切后的片段應該是1 400 bp+600 bp+600 bp+400 bp=3 000 bp，即有2個長度為600 bp的片段。據此分析，A項的切割位點符合，A項正確。B項所示的切割位點，酶B單獨切割時，切割出的片段長度分別為600 bp、1 000 bp、1 400 bp，與圖2結果不符，B項錯誤；C項所示的切割位點，酶B單獨切割時，切割出的片段長度分別為400 bp、1 200 bp、1 400 bp，不符合圖2，C項錯誤；D項所示的線性DNA分子上，兩種酶的切割位點的數量不對，D項錯誤。

【解題技巧】要根據電泳圖條帶數和條帶所代表的DNA分子總長度“一眼望穿”酶切割位點個數。限制酶切割DNA分子時，切割后得到的片段數比切割后得到的位點數多1，即有n個切割位點，就有n+1個切割片段。

3.電泳與遺傳系譜圖

【例3】(2020年，山東卷，第17題)圖3表示甲、乙兩種單基因遺傳病的家系圖和各家庭成員基因檢測的結果。檢測過程中用限制酶處理相關基因得到大小不同的片段后進行電泳，電泳結果中的條帶表示檢出的特定長度的酶切片段，數字表示堿基對的數目。下列說法正確的是 ( )

圖3

A.甲病的致病基因位于常染色體上，乙病的致病基因位于X染色體上

B.甲病可能由正常基因發生堿基對的替換導致，替換后的序列可被MstⅡ識別

C.乙病可能由正常基因上的兩個BamHⅠ識別序列之間發生堿基對的缺失導致

D.Ⅱ4不攜帶致病基因、Ⅱ8攜帶致病基因，兩者均不患待測遺傳病

【分析】本題以電泳圖結合家系圖為情境考查遺傳規律，解題時需要綜合題目中的多種信息做出判斷。由Ⅱ3患病而Ⅰ1和Ⅰ2均正常可知，甲病致病基因位于常染色體上且是隱性遺傳病。據乙病家系圖，結合DNA電泳圖Ⅰ6和Ⅰ7只有一條條帶，Ⅰ5和Ⅱ8有兩條條帶，可知Ⅰ5和Ⅱ8為雜合子，乙病可能為常染色體隱性遺傳病，當然乙病基因可能位于X、Y染色體同源區段上，A項錯誤；根據電泳結果，Ⅱ3只有1 350一條條帶，而Ⅰ1和Ⅰ2除具有1 350的條帶外還有1 150和200兩條條帶，可推知甲病可能由正常基因發生堿基對的替換導致，替換前的序列能被MstⅡ識別，替換后的序列則不能被MstⅡ識別，B項錯誤；Ⅰ6為隱性純合子，故1.0×104為隱性基因的條帶，1.4×104為顯性基因的條帶，患病基因片段比正常基因片段少0.4×104堿基對，所以乙病可能由正常基因上的兩個BamHⅠ識別序列之間發生堿基對的缺失導致，C項正確；Ⅱ4電泳結果只有1 150和200兩條條帶，為顯性純合子，不攜帶致病基因；Ⅱ8電泳結果有兩條條帶，攜帶致病基因，二者都不患待測遺傳病，D項正確。

【解題技巧】“一眼望穿”電泳圖中個體條帶長度與純合子、雜合子的關系，再分析遺傳家系圖中個體的基因型是解題的關鍵。此題電泳圖中，條帶數只有一條的個體一定是純合子，如題中Ⅱ3、Ⅰ6、Ⅱ7；條帶數不止一條但代表的長度之和與最短的個體也應該是純合子，如Ⅱ4；條帶數長度之和是最少的2倍的個體一定是雜合子，如個體Ⅰ1和Ⅰ2。因為基因在個體中是成對存在的，如果個體是純合子，用限制酶處理，基因有相同切割位點，電泳結果顯示條帶數量之和構成該基因；如果個體是雜合子，用限制酶處理，兩個基因可能存在不同切割位點，每個基因形成不同片段，電泳結果顯示不同條帶，每個基因片段需要結合相同基因進一步判斷。如果最長的個體與最短個體的條帶長度之和不是呈現2倍關系，則說明顯性基因與隱性基因的長度不相等，一定有基因發生了堿基對的增添或缺失，如Ⅰ5和Ⅰ6。掌握了這個技巧就能“一眼望穿”個體基因電泳圖。

4.電泳與DNA指紋和親子鑒定

DNA親子鑒定原理：采集生物檢測樣本并提取其中的DNA，沉淀DNA后通過PCR技術擴增出完整的基因組DNA，用限制性核酸內切酶將DNA樣本切成特定的小片段，放進凝膠內，其帶電荷和性質、電荷量及分子大小各不相同，在電場力的作用下泳動速率也不同，用電泳推動DNA小片段分離，再使用特別的“探針”去尋找基因。相同的基因會凝聚在一起，然后利用特別的染料在X光下，便會顯示由DNA探針凝聚于一起的黑色條碼，每個人的條碼一半與其母親的條碼吻合，另一半與其父親的條碼吻合。反復幾次該過程，每一種探針用于尋找DNA的不同部位并形成獨特的條碼，只要在十幾至幾十個DNA位點做檢測，如果全部一樣，就可以確定親子關系，如果有3個以上的位點不同，則可排除親子關系，有一兩個位點不同，則應考慮基因突變的可能，可以加做一些位點的檢測進行辨別。

【例4】圖4為某男子X，其兩任妻子M、N以及四個戰亂中走失的孤兒的DNA樣品的指紋圖，哪兩個孩子可能是該男子的子女及他們的母親是 ( )

圖4

A.M的孩子是b，N的孩子是c

B.M的孩子是c，N的孩子是b

C.M的孩子是d，N的孩子是a

D.M的孩子是d，N的孩子是b

【分析】1984年英國萊斯特大學的遺傳學家Jefferys及其合作者首次將分離的人源小衛星DNA用作基因探針，同人體核DNA的酶切片段雜交，獲得了由多個位點上的等位基因組成的長度不等的雜交帶圖紋，這種圖紋極少有兩個人完全相同，故稱為“DNA指紋”，意思是它同人的指紋一樣是每個人所特有的。眾多“DNA指紋”組成“DNA指紋圖譜”。從DNA指紋圖分析，a、d的DNA指紋各有與X相同的部分，說明他們可能是X的孩子。a的另一指紋與N相同，d的另一指紋與M相同，說明a、d分別是N、M與X所生的子女。

【解題技巧】此題的難點是對圖示信息理解不到位。對圖示信息的理解是解答本題的關鍵。如何理解圖示信息呢？試題中所說的指紋圖本質就是由不同基因組成。根據電泳條帶比對，同源染色體一條來自父親，一條來自母親。子女的遺傳物質來自父方和母方，比如b、c沒有與男子X相同的DNA指紋圖，說明一定不是其生物學意義上的孩子。

5.電泳與PCR

【例5】為檢測目的基因是否成功導入植株，用PCR方法擴增相應植株的DNA樣本后，經電泳得到以下圖譜(圖5)。其中1號為DNA標準樣液(含標準長度的DNA片段)，10號標本為蒸餾水。據此做出分析不合理的是 ( )

圖5

A.3號植株未成功導入相應的目的基因序列

B.PCR產物的分子大小在250至500 bp之間

C.9號樣品對應植株不是所需的轉基因植株

D.10號的電泳結果能確定反應體系等對實驗結果沒有干擾