近兩年新高考生物學試題考查電泳情境的深度分析

傅琦雄

(福建省寧德市教師進修學院)

1.電泳技術概述

瓊脂糖凝膠電泳和聚丙烯酰胺凝膠電泳是兩種常用的電泳方法。在測定蛋白質分子量時通常使用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳,而PCR的產物一般通過瓊脂糖凝膠電泳來鑒定。

2.電泳情境題型的分析

電泳情境題型是指創設電泳與相關生物學知識聯系的真實情境,試題主要考查生物學基本原理和基本概念,側重考查考生的科學探究和科學思維的學科素養。電泳技術目前在親子鑒定、案件偵破、生物親緣關系遠近、DNA指紋技術等方面普遍運用。例如,研究者從骨骼、血跡、毛發等組織中就能通過凝膠電泳技術,用一種探針尋找DNA的不同部位并形成獨特的條帶圖譜進行比對,從而達到DNA鑒定的目的。下面從五種常見考查電泳情境題型進行深度評析,較為全面地歸納電泳相關試題情境及題目的立意,從而讓學生能夠做出準確的推斷,輕松解決這種類型的試題。

2.1 考查電泳的基本原理

例1.(2022年河北卷第23題-節選)番茄灰霉病菌嚴重影響番茄生產,枯草芽孢桿菌可以產生對多種病原菌具有抑制作用的蛋白質。為探究枯草芽孢桿菌能否用于番茄灰霉病的生物防治,研究者設計了相關實驗。回答下列問題:

(3)電泳分離蛋白質混合樣品的原理是________。利用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定枯草芽孢桿菌的抗菌蛋白分子量時,SDS的作用是________。

參考答案：(3)利用待分離樣品中各種分子帶電性質的差異及分子本身的大小、形狀的不同,使帶電分子產生不同的遷移速度,從而實現樣品中各種分子的分離 SDS帶有大量的負電荷,且能使蛋白質變性成為肽鏈,使蛋白質的遷移速率只與蛋白質的相對分子質量有關,而與所帶電荷性質無關

評析：本題創設枯草芽孢桿菌用于防治番茄灰霉病的生產實踐真實情境,考生在簡單情境中通過對生物學基本原理和概念的簡單記憶就能解決問題。該小題考查的核心素養主要體現在科學探究上,對生物學實驗基本原理和重要試劑的識記,對考生關鍵能力要求層次較低。

2.2 考查電泳與育種聯系

例2.(2022年福建卷第20題)7S球蛋白是大豆最主要的過敏原蛋白,三種大豆脂氧酶Lox-1,2,3是大豆產生腥臭味的原因。大豆食品深加工過程中需要去除7S球蛋白和三種脂氧酶。科研人員為獲得7S球蛋白與三種脂氧酶同時缺失的大豆新品種,將7S球蛋白缺失的大豆植株與脂氧酶完全缺失的植株雜交,獲得F1種子。F1植株自交得到F2種子。對F1種子和F2種子的7S球蛋白和脂氧酶進行蛋白質電泳檢測,不同表現型的電泳條帶示意如圖1。

圖1

根據電泳檢測的結果,對F2種子表現型進行分類統計如下表。

F2種子表現型粒數7S球蛋白野生型1247S球蛋白缺失型377脂氧酸Lox-1,2,3野生型282①94②94Lox-1,2,3全缺失型31

回答下列問題:

(1)7S球蛋白缺失型屬于________(填“顯性”或“隱性”)性狀。

(2)表中①②的表現型分別是________、________。脂氧酶Lox-1,2,3分別由三對等位基因控制,在脂氧酶是否缺失的性狀上,F2種子表現型只有四種,原因是________。

(3)在答題卡對應的圖中畫出F1種子表現型的電泳條帶。

(4)已知Lox基因和7S球蛋白基因獨立遺傳。圖中第________泳道的種子表現型為7S球蛋白與三種脂氧酶同時缺失型,這些種子在F2中的比例是________。利用這些種子選擇并獲得穩定遺傳種子的方法是________。

(5)為提高大豆品質,利用基因工程方法提出一個消除野生型大豆7S球蛋白過敏原的設想:________。

參考答案：(1)顯性 (2)Lox-1,2缺失型 Lox-3缺失型 控制Lox-1,2的基因位于同一對同源染色體上且不發生互換,控制Lox-3的基因位于另一對同源染色體上 (3)如圖2 (4)4 3/64 將這些種子長成的植株自交,對單株所得的所有種子進行蛋白質電泳檢測,若某植物所有種子均不出現7S球蛋白條帶,則該植物的種子能穩定遺傳 (5)敲除7S球蛋白基因/導入7S球蛋白的反義基因,抑制7S球蛋白表達(合理答案均給分)

圖2

評析：本題以大豆制品深加工時要去除7S蛋白與脂氧酶Lox-1,2,3的生產實踐為真實情境,將兩類缺失型大豆進行雜交培育符合生產要求的大豆種子。第(1)題考查顯隱性性狀的判別。考生通過獲取表中的信息:F2中7S蛋白表型的比例約為3∶1,并通過對情境中的直觀信息進行淺層加工,得出簡單結論:7S蛋白缺失型屬于顯性性狀。第(2)題考查自由組合定律,側重考查科學思維中演繹推理能力,能力要求層次較高。要求考生從題干信息“由三對等位基因控制”,而表中F2脂氧酸Lox-1,2,3表型的比例約為9∶3∶3∶1推理得出:應有兩對等位基因連鎖,與另一對等位基因自由組合。同時觀察圖1蛋白質電泳圖譜可得出Lox-1與Lox-2電泳條帶總在一起,即控制Lox-1與Lox-2的基因連鎖,F2野生型占9/16,表型應為雙顯性,推理得出:①②各占3/16,表型應為單顯性(Lox-1,2缺失型或Lox-3缺失型)。第(3)題由F2表型及比例,得出F1的表型是7S球蛋白缺失型,脂氧酶Lox-1,2,3野生型大豆。對照M的電泳條帶即可得出F1的電泳圖譜。第(4)題由于第4泳道沒有電泳條帶,說明其種子表型是7S球蛋白缺失型且脂氧酶Lox-1,2,3全缺失型,這些種子在F2中的比例是1/16×3/4=3/64。第(5)題聯系生產實踐,側重考查考生獲取正確信息并設計簡單實驗方案,以及基于生物學知識做出合理解釋和判斷,解決生產生活問題的能力,落實科學探究和社會責任等核心素養的考查。

2.3 考查電泳與遺傳系譜圖

例3.(2021年適應性考試江蘇卷第18題)苯丙酮尿癥是一種嚴重的單基因遺傳病。圖3是某患者的家族系譜圖,其中部分成員Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1和Ⅱ2的DNA經限制酶MspⅠ酶切,產生不同的片段,經電泳后用苯丙氨酸羥化酶cDNA探針雜交,結果見圖4。下列分析正確的是

圖3

圖4

( )

A.個體Ⅱ1是雜合體的概率為2/3

B.個體Ⅱ2與一雜合體婚配生患病孩子的概率為0

C.個體Ⅱ3是隱性純合體,有19 kb探針雜交條帶

D.個體Ⅱ4可能為雜合體,有2個探針雜交條帶

參考答案：BCD

評析：本題將苯丙酮尿癥患者的家族系譜圖與電泳圖譜相結合,考查DNA分子雜交和分離定律等知識,側重考查科學探究和科學思維。假設該病受一對等位基因A、a控制,要求考生能夠從圖3中Ⅱ3患病,而Ⅰ1、Ⅰ2都不患病,推斷出該病類型為常染色體隱性遺傳病。Ⅱ3基因型為aa,Ⅰ1和Ⅰ2的基因型都為Aa,再結合圖4的酶切結果可知,Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1的基因型都為Aa,Ⅱ2表現正常且從圖4酶切結果看:Ⅱ2與Ⅱ1基因型(Aa)不同,所以Ⅱ2的基因型為AA,由此可以推知,23 kb探針雜交條帶對應正常顯性基因A,19 kb探針雜交條帶對應隱性基因a。

2.4 考查電泳與基因工程

例4.(2021年遼寧卷第24題-節選)PHB2蛋白具有抑制細胞增殖的作用。為初步探究某動物PHB2蛋白抑制人宮頸癌細胞增殖的原因,研究者從基因數據庫中獲取了該蛋白的基因編碼序列(簡稱phb2基因),大小為0.9 kb(1 kb=1 000堿基對),利用大腸桿菌表達該蛋白。回答下列問題:

(2)圖5為所用載體圖譜示意圖,圖中限制酶的識別序列及切割位點見表。為使phb2基因(該基因序列不含圖5中限制酶的識別序列)與載體正確連接,在擴增的phb2基因兩端分別引入________和________兩種不同限制酶的識別序列。

圖5

注:箭頭表示切割位點。

(4)將轉化后的大腸桿菌接種在含氨芐青霉素的培養基上進行培養,隨機挑取菌落(分別編號為1、2、3、4)培養并提取質粒,用(2)中選用的兩種限制酶進行酶切,酶切產物經電泳分離,結果如圖6,________號菌落的質粒很可能是含目的基因的重組質粒。

圖6

參考答案：(2)EcoRⅠ和PvuⅡ (4)3

評析：本題圍繞構建phb2基因表達載體導入大腸桿菌的轉基因技術,從而探究PHB2蛋白抑制人宮頸癌細胞增殖的原因。考查基因工程等相關知識,側重考查科學思維演繹推理、歸納概括等核心素養。從題干獲取關鍵信息:1～4號菌落都可以生長在含有氨芐青霉素的培養基中,因此都含有質粒,但只有重組質粒包含了目的基因和質粒,如果用(2)中EcoRⅠ和PvuⅡ兩種酶切割重組質粒,并將酶切產物電泳分離后,將獲得含有質粒DNA和phb2基因兩條條帶,由于phb2基因大小為0.9 kb,加上兩端的限制酶識別序列,phb2基因大小會略大于0.9 kb。結合電泳圖譜分析,3號菌落的質粒最可能是含目的基因的重組質粒。

2.5 考查電泳與基因定位

例5.(2021年適應性考試湖南卷第19題)DNA標記是DNA中一些穩定的特征性堿基序列,DNA中是否含特定的DNA標記,可通過DNA標記體外復制產物的電泳圖譜來判斷。

(1)已知三個個體的DNA標記電泳結果如圖7所示,個體1和個體2的DNA標記組成分別為S1S1和S2S2,據圖推斷個體3的DNA標記組成為________。

圖7 (M表示標準DNA片段)

(2)DNA標記常用來進行遺傳性疾病的基因定位。現有一常染色體顯性遺傳病家系(疾病基因用A表示)如圖8所示,選擇上述DNA標記體外復制后電泳,結果如圖9所示。不考慮突變和交叉互換,________(填“能”或“不能”)判斷該DNA標記與該疾病基因在同一染色體上,用遺傳圖解及文字說明原因(配子、表現型及比例不作要求)。

圖8

圖9

(3)如果該DNA標記與此疾病基因在同一條染色體上,圖10中Ⅱ2和Ⅱ3的DNA標記組成分別為________和________。

圖10

參考答案：(1)S1S2

(3)S2S2S1S2

評析：本題圍繞DNA標記體外復制產物的電泳圖譜來進行遺傳病的基因定位。考查DNA分子的結構特點和遺傳信息表達的過程以及理解分離定律的應用等關鍵能力,側重考查科學思維和科學探究素養。第(1)題要求考生在簡單情境中發現個體1的DNA標記組成為S1S1,電泳結果均在150 bp,推斷出DNA標記S1電泳結果應在150 bp,同理可知個體2的DNA標記S2電泳結果應在300 bp,由此得出簡單結論,個體3的DNA標記組成應為S1S2。第(2)題要求考生根據圖8中Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3的基因型分別為Aa、aa、Aa、aa、Aa,而根據圖9中這5個個體的電泳結果均為S1S2,演繹推理出:該致病基因與DNA標記分別位于兩對同源染色體上,遵循自由組合定律,這樣能產生符合題意的實驗結果,即DNA標記與該疾病基因不在同一條染色體上。第(3)題如果DNA標記與該疾病基因在同一條染色體上,遵循分離定律,可以推斷:圖10中Ⅱ2表型正常,基因型為aa,DNA標記組成為S2S2,同理可得出Ⅱ3的DNA標記組成為S1S2。

3.備考建議

高三二輪專題復習應該更關注學生關鍵能力的提升,教師可以采用“題組-概念圖”策略,如先確定微專題主題:“電泳”,從上述五個不同角度的題組進行變式精練精析,然后構建出電泳的完整知識體系。