1、基因工程的应用(30分钟100分)一、选择题(共4小题,每小题5分,共20分)1.基因工程的出现极大地提高了人们改造生物的能力。下列有关叙述正确的是()A.基因工程育种的优点是定向改造物种,且操作简单、育种周期短B.基因工程的实例说明了不同种生物的基因表达调控机制是相同的C.限制酶的专一性体现在其只识别一种DNA并在特定位置发挥作用D.质粒是细菌拟核外能自主复制的小型环状DNA,常被用作运载体【解析】选B。基因工程育种的优点是定向改造物种,育种周期短,但是与其他育种方式相比,操作复杂,A错误;基因工程实现了不同种生物基因的异地表达,说明了基因表达调控机制是相同的,B正确;限制酶能专一识别特定的
2、核苷酸序列并且在特定位置切割DNA,C错误;质粒也可以是酵母菌细胞核外的小型环状DNA分子,D错误。2.利用基因工程技术生产羧酸酯酶(CarE)制剂的流程如图所示,下列叙述正确的是()A.过程需使用的原料是四种核糖核苷酸B.过程需使用解旋酶和PCR获取目的基因C.过程使用的感受态细胞可用NaCl溶液制备D.过程可利用DNA分子杂交鉴定目的基因是否已导入受体细胞【解析】选D。过程是以mRNA为模板合成DNA的过程,即逆转录过程,需要使用的原料是四种游离的脱氧核苷酸,A项错误;过程表示利用PCR技术,扩增目的基因,在此过程中,不需要解旋酶,是通过控制温度来达到解旋的目的,B项错误;利用CaCl2处
3、理大肠杆菌,使之成为感受态细胞,C项错误;检测目的基因是否成功导入受体细胞的DNA上,可以采用DNA分子杂交技术,D项正确。3.(2021绵阳高二检测)2020年诺贝尔生理学或医学奖颁给了发现丙肝病毒(HCV)的三位科学家。他们的研究成果指导发明了新的诊断技术:抗-HCV检查(阳性表示体内含有HCV抗体,阴性则无)和HCV-RNA检查(阳性表示体内含有HCV,阴性则无)。下列检查结果可以判定HCV感染者已经痊愈的是()A.抗-HCV及HCV-RNA均为阳性B.抗-HCV及HCV-RNA均为阴性C.抗-HCV 阴性而 HCV-RNA 阳性D.抗-HCV 阳性而 HCV-RNA 阴性【解析】选D。
4、抗-HCV及HCV-RNA均为阳性,说明病人已经感染并且体内有对抗丙肝病毒的抗体,但未必痊愈,A错误;抗-HCV及HCV-RNA均为阴性,说明待测个体没有被病毒感染,与题意不符,B错误;抗-HCV 阴性而 HCV-RNA 阳性,说明待测个体感染病毒,但体内没有产生抗体,C错误;抗-HCV 阳性而 HCV-RNA 阴性,说明待测个体产生了抗体,且体内已经没有病原体,说明待测个体已经痊愈,与题意相符,D正确。4.基因编辑是对生物体基因组特定目标DNA单链进行修饰的一种基因工程技术。该技术的实施离不开Cas9的酶和向导RNA(gRNA),gRNA能将Cas9引导到特定的DNA序列上进行切割。下列有关
5、叙述错误的是()A.Cas9发挥切割作用要受温度、pH的影响B.Cas9能切断磷酸和脱氧核糖之间的连接C.编辑不同基因所选用的gRNA碱基序列相同D.gRNA通过与DNA进行碱基互补配对发挥作用【解析】选C。酶的活性受温度、pH的影响,所以Cas9发挥切割作用要受温度、pH的影响,A正确;限制酶的作用部位是磷酸和脱氧核糖之间的磷酸二酯键,Cas9能切断磷酸和脱氧核糖之间的连接,B正确;一般来说,在使用基因编辑工具对不同基因进行编辑时,应使用Cas9和不同的向导RNA进行基因的相关编辑,C错误;向导RNA中的识别序列可与目标DNA单链特定区域进行碱基互补配对,D正确。二、非选择题(共5小题,共8
6、0分)5.(16分)为探究SHH基因与角化囊肿发生的相关性,科研人员利用SHH基因的非模板链转录合成的RNA作为探针,进行分子杂交实验,以检测SHH基因在角化囊肿中的表达情况。其基本流程如图(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因;LacZ基因被SHH基因插入后不表达)。请回答:(1)重组载体中SHH基因转录合成RNA探针时,_(填“需要”或“不需要”)启动子。(2)步骤中,用Ca2+处理大肠杆菌,使之成为_细胞,然后导入重组载体。实验中,用添加氨苄青霉素的培养基培养大肠杆菌,未导入质粒的细菌将会死亡,原因是这些细菌不含有_基因。(3)能表达LacZ基因的大肠杆菌在含有IPTG和X-gal的培养基上会
7、形成蓝色菌落,易于识别。根据上述原理可以初步判断_(填“蓝色”或“白色”)菌落中的大肠杆菌为重组菌。(4)将制备的探针加入角化囊肿切片中,探针将与_形成杂交带,进而判断SHH基因的转录情况。【解析】(1)启动子是RNA聚合酶的识别位点,任何基因的表达(转录)均需要启动子。(2)大肠杆菌细胞用Ca2+处理后就成为感受态细胞;能在添加氨苄青霉素的培养基上生存的细菌含有氨苄青霉素抗性基因,没有氨苄青霉素抗性基因的细菌将会死亡。(3)能表达LacZ基因的大肠杆菌在含有IPTG和X-gal的培养基上会形成蓝色菌落,而重组菌中LacZ基因被SHH基因插入后不表达,重组菌在含有IPTG和X-gal的培养基上
8、会形成白色菌落。(4)判断SHH基因的转录情况,也就是判断SHH基因是否转录出mRNA。答案:(1)需要(2)感受态Ampr(或氨苄青霉素抗性或抗性) (3)白色(4)SHH转录的mRNA (只写mRNA不对) 6.(16分)基因表达载体的构建是基因工程的核心。图1为限制酶EcoR的识别序列,图2表示目的基因及限制酶切点,图3表示目的基因上的DNA片段,图4表示质粒。请回答下列问题:(1)若用图1所示的限制酶EcoR切割外源DNA,就其特异性而言,切开的是_之间相连的化学键。(2)图3为目的基因中的某一片段,下列有关叙述正确的是_(多选)。A.若图中的ACT能决定一个氨基酸,则ACT可称为一个
9、密码子B.DNA聚合酶和DNA连接酶都可作用于处,解旋酶作用于处C.若只用这个片段中的3个碱基对,排列出的DNA片段有64种D.就游离的磷酸基而言,该片段与重组质粒相比多了2个游离的磷酸基(3)若利用PCR技术扩增目的基因的数量,由图2可知,A、B、C、D四种单链DNA片段中应选取_作为引物(DNA复制子链的延伸方向为53)。该DNA分子在PCR仪中经过4次循环后会产生等长的目的基因片段_个。(4)为了使目的基因和质粒定向连接并且有利于受体细胞的筛选,提高重组效率,应该选择的限制酶是_。(5)如果大肠杆菌是受体细胞,则其体内应不含_基因,以利于筛选出含重组质粒的受体菌。【解析】(1)DNA分子
10、的一条多核苷酸链中,两个脱氧核苷酸之间以磷酸基团和五碳糖相连。由题目可知,EcoR识别的DNA序列只有G和A,故切开的是鸟嘌呤脱氧核苷酸和腺嘌呤脱氧核苷酸之间相连的化学键。(2)密码子是mRNA上决定一个氨基酸的3个相邻的碱基,若图中的ACT能决定一个氨基酸,则其对应的密码子是UGA,A错误;DNA聚合酶和DNA连接酶都可作用于磷酸二酯键处,解旋酶作用于氢键处,B正确;若只用这片段中的3个碱基对,可以排列出321=6种片段,C错误;就游离的磷酸基而言,该片段有2个游离的磷酸基,而重组质粒不含游离的磷酸基,因此该片段与重组质粒相比多了2个游离的磷酸基,D正确。故选B、D。(3)若利用PCR技术扩
11、增目的基因的数量,由图2可知,DNA复制只能从5到3,因此构建前利用PCR技术扩增目的基因时,A、B、C、D四种单链DNA片段中应选取 B和C 作为引物。该DNA分子在PCR仪中经过4次循环后会产生基因片段16个,其中等长的目的基因片段8个。(4)为了使目的基因和质粒定向连接并且有利于受体细胞的筛选,提高重组效率,四环素抗性基因没有被破坏,应该选择的限制酶是 Pst、EcoR。(5)如果大肠杆菌是受体细胞,则其体内应不含抗四环素基因,以利于筛选出含重组质粒的受体菌。答案:(1)鸟嘌呤脱氧核苷酸和腺嘌呤脱氧核苷酸(2)B、D (3) B和C 8(4)Pst、EcoR(5)抗四环素7.(16分)在
12、某些深海鱼中发现的抗冻蛋白基因afp对提高农作物的抗寒能力有较好的应用价值。如图所示是获得转基因莴苣的技术流程,请据图回答下列问题:(1)获取目的基因的主要途径包括从自然界已有的物种中分离和_。(2)过程需要的酶有_、_。(3)如果受体细胞C1是土壤农杆菌,则将目的基因导入它的_上,使目的基因进入受体细胞C2,并将其插入受体细胞C2中_上,使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达,形成转基因莴苣,经过程获得的转基因莴苣中的目的基因是否表达,在分子水平上可用_法进行检测,如果出现杂交带,说明目的基因已经表达蛋白质产品,转基因莴苣培育成功。(4)基因工程的应用除了以上之外还有很多,如用转基因动物作器
13、官移植的供体,其主要优点是避免_反应。【解题关键】解答本题需关注以下两点:(1)图示信息:过程表示基因表达载体的构建;“受体细胞C1”表示土壤农杆菌细胞;“受体细胞C2”表示植物细胞。(2)关键信息:将目的基因导入植物受体细胞最常用的方法是土壤农杆菌转化法。【解析】(1)目的基因的获取可采取直接分离的方法,也可以采用人工方法合成,人工合成目的基因的常用方法有反转录法和化学合成法。(2)提取目的基因需限制酶,将目的基因与载体结合需DNA连接酶,故过程需要的酶有限制酶和DNA连接酶。(3)将目的基因导入植物受体细胞最常用的方法是农杆菌转化法,将目的基因导入它的Ti质粒的T-DNA上,使目的基因进入
14、受体细胞C2,并将其插入受体细胞C2中染色体DNA上,使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达,形成转基因莴苣。检测目的基因是否翻译成蛋白质,方法是从转基因生物中提取蛋白质,用相应的抗体进行抗原抗体杂交。 (4)基因工程的应用还有很多,如用转基因动物作器官移植的供体,其主要优点是避免免疫排斥反应。答案:(1)(用反转录等方法进行)人工合成(2)限制酶DNA连接酶(3)Ti质粒的T-DNA染色体DNA抗原抗体杂交(4)免疫排斥8.(14分)(2021重庆高二检测)通过基因工程的方法可实现-珠蛋白的大量生产。请回答下列问题:(1)若采用基因工程的方法使大肠杆菌产生鼠的-珠蛋白,则目的基因最好从_(填
15、“基因组文库”或“cDNA文库”)中获取,原因是_。(2)利用乳腺生物反应器生产-珠蛋白时,首先需要将-珠蛋白基因与_等调控组件重组在一起,常通过_方法将目的基因导入哺乳动物的受精卵中,进而培养出可在乳腺细胞中表达-珠蛋白的转基因动物。(3)获得乳腺生物反应器的过程中,可在胚胎的囊胚期取_细胞对胚胎进行性别鉴定,选择_胚胎进行移植。最终所得转基因动物中只有乳腺细胞产生了-珠蛋白,其原因是_。(4)与利用乳腺生物反应器相比,利用工程菌生产-珠蛋白的优点是_。【解析】(1)若采用基因工程的方法使大肠杆菌产生鼠的-珠蛋白,则目的基因最好从cDNA文库中获取,原因是大肠杆菌是原核生物,cDNA文库中没
16、有内含子(非编码序列),基因结构与原核细胞的基因结构更接近。(2)利用乳腺生物反应器生产-珠蛋白时,首先需要将-珠蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子重组在一起,常通过显微注射方法将目的基因导入哺乳动物的受精卵中,进而培养出可在乳腺细胞中表达-珠蛋白的转基因动物。(3)获得乳腺生物反应器的过程中,可在胚胎的囊胚期取滋养层细胞对胚胎进行性别鉴定,由于只有母羊能产生乳汁,应选择雌胚胎进行移植。最终所得转基因动物中只有乳腺细胞产生了-珠蛋白,其原因是乳腺细胞中的目的基因进行了选择性表达,合成了-珠蛋白。(4)与利用乳腺生物反应器相比,利用工程菌生产-珠蛋白的优点是:工程菌代谢旺盛,繁殖周期短,可以在短期内
17、实现目的基因的大量扩增和表达。答案:(1)cDNA文库大肠杆菌是原核生物,cDNA文库中没有内含子(非编码序列),基因结构与原核细胞的基因结构更接近(2)乳腺蛋白基因的启动子显微注射(3)滋养层雌乳腺细胞中的目的基因进行了选择性表达,合成了-珠蛋白(4)工程菌代谢旺盛,繁殖周期短,可以在短期内实现目的基因的大量扩增和表达 9.(18分)铝在土壤中常以铝酸盐的形式存在,可造成土壤酸化而影响植物生长。铝能抑制植物根尖细胞的分裂,破坏根组织。某植物甲的根毛细胞的细胞膜上存在苹果酸通道蛋白(ALMT),该通道蛋白能将苹果酸转运到细胞外来缓解铝毒。可将控制ALMT的基因导入不耐铝的植物中,最终获得耐铝植
18、物。请回答下列问题:(1)下表是运载体上出现的几种限制酶的识别序列及切割位点。用表中的限制酶切割DNA后能形成相同黏性末端的是_。限制酶EcoR BamHHindXhoNdeSal 识别序列和切割位点GAATTCGGATCCAAGCTTCTCGAGCATATGGTCGAC(2)欲获得ALMT基因的cDNA,科研人员从_细胞中获取总mRNA,在相应酶作用下获得多种cDNA,再利用ALMT基因制作出特异性_,通过PCR方法得到ALMT基因的cDNA。(3)启动子是_识别并结合的位点,能调控目的基因的表达。ALMT基因的启动子有两种类型,其中启动子能使ALMT基因在酸性土壤的诱导下表达,启动子能使A
19、LMT基因高效表达而无须酸性诱导。在获得转ALMT基因耐铝植物时应使用_启动子,不使用另外一种启动子的原因是_。(4)科研人员采用农杆菌转化法,首先将ALMT基因导入植物细胞并整合到受体细胞染色体的DNA上,再通过_技术成功获得了耐铝植株。若将一株耐铝植株与普通植株杂交,得到的后代中耐铝植株普通植株约为31,则可判断这株耐铝植株细胞至少转入了_个ALMT基因,转入的基因在染色体上的位置关系是_;若使这株耐铝植株自交,后代中耐铝植株普通植株约为_。【解析】(1)根据表中限制酶的识别序列和酶切位点可判断Xho与Sal切割DNA后都能形成TCGA的黏性末端。(2)根据“某植物甲的根毛细胞的细胞膜上存
20、在苹果酸通道蛋白(ALMT)”可知,ALMT基因在根毛细胞中表达,所以欲获得ALMT基因的cDNA,科研人员应从植物甲的根(根毛)细胞中获取总mRNA,在相应酶作用下获得多种cDNA,再利用ALMT基因制作出特异性的引物,通过PCR方法得到ALMT基因的cDNA。(3)启动子是RNA聚合酶特异性识别并结合的位点,能调控目的基因的表达。ALMT基因的启动子有两种类型,其中启动子能使ALMT基因在酸性土壤的诱导下表达,启动子能使ALMT基因高效表达而无须酸性诱导。铝在土壤中常以铝酸盐的形式存在,可造成土壤酸化而影响植物生长,而启动子能使ALMT基因在酸性土壤的诱导下表达,则在获得转ALMT基因耐铝
21、植物时应使用启动子,不使用另外一种启动子的原因是启动子可使植物根细胞持续转运有机酸,导致正常土壤酸化,并影响植物自身的生长。(4)科研人员采用农杆菌转化法,首先将ALMT基因导入植物细胞并整合到受体细胞染色体的DNA上,再通过植物组织培养技术成功获得了耐铝植株。若将一株耐铝植株与普通植株杂交,由于该杂交相当于测交,所以若得到的后代中耐铝植株普通植株约为31,则可判断这株耐铝植株细胞至少转入了2个ALMT基因,且转入的基因分别位于两条非同源染色体上;若使这株耐铝植株(基因型相当于AaBb,A和B均为ALMT基因)自交,后代中耐铝植株普通植株约为151。答案:(1)Xho与Sal (2)植物甲的根(根毛) 引物 (3)RNA聚合酶 启动子可使植物根细胞持续转运有机酸,导致正常土壤酸化,并影响植物自身的生长 (4)植物组织培养2分别位于两条非同源染色体上 151
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