1、专题六 遗传与基因工程本章精髓提炼细胞质遗传细胞质遗传的应用基因的结构人类基因组研究基因工程的基本内容基因工程的成果与发展前景一、细胞质遗传知识网络结构考点点拨 1细胞核遗传与细胞质遗传的区别： (1)细胞核和细胞质的遗传物质都是DNA分子，但是分布的位置不同。细胞核遗传的遗传物质在细胞核中，细胞质遗传物质在细胞质中。 (2)细胞核和细胞质的遗传桥梁都是配子，但是细胞核遗传雌雄配子的核遗传物质相等，而细胞质遗传物质主要存在于卵细胞中。 (3)细胞核和细胞质的性状表达都是通过体细胞进行的。核遗传物质的载体(染色体)有均分机制，进行均分时按三个遗传规律分离；细胞质遗传物质的载体(具有DNA的细胞器
2、)没有均分机制，而是随机分离的。 (4)细胞核遗传时，正反交相同，F1均表现显性亲本的性状；细胞质遗传时，正反交不同，Fl的性状均与母本相同，即母系遗传。 2线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 很多学者把线粒体和叶绿体的遗传信息系统称为真核细胞的第二遗传信息系统，或核外基因及其表达体系。这是因为研究发现，线粒体和叶绿体中除有DNA外，还有 RNA(mRNA、tRNA、rRNA)、核糖体、氨基酸活化酶等。说明这两种细胞器都具有独立进行转录和翻译的功能，也就是说，线粒体和叶绿体都具有自身转录RNA和翻译蛋白质的体系。但迄今为止，人们发现叶绿体仅能合成13种蛋白质，线粒体能够合成的蛋白质也只有60多种，
3、而参与组成线粒体和叶绿体的蛋白质却分别有上千种。这说明，线粒体和叶绿体中自身编码，合成的蛋白质并不多，它们中的绝大多数蛋白质是由核基因编码，在细胞质核糖体上合成的，也就是说，线粒体和叶绿体的自主程度是有限的，它们对核遗传系统有很大的依赖性。因此，线粒体和叶绿体的生长和增殖是受核基因组及自身的基因组两套遗传信息系统控制的，所以它们都被称为半自主性细胞器。 线粒体DNA呈双链环状，与细菌DNA相似。一个线粒体中可有一个或几个DNA分子，不同生物，线粒体DNA大小是不一样的；叶绿体DNA也呈双链环状，其大小差异也较大；每个线粒体中平均有6个线粒体DNA分子，每个叶绿体中平均约含12个叶绿体DNA分子
4、。 线粒体DNA和叶绿体DNA都可以自我复制，复制也是以半保留方式进行的。用3H嘧啶核苷标记证明，线粒体 DNA复制的时间主要是在细胞周期的S期和G2期，而且是 DNA先复制，随后线粒体分裂。叶绿体DNA复制的时间是在C1期。它们的复制都受核的控制，复制所需的DNA聚合酶都是由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成的。 3杂种优势 杂种优势是指两个遗传型不相同的亲本杂交产生的杂种一代，在生长发育、繁殖力、抗逆性和产量等诸方面均优于双亲的现象。杂种优势的表现特点是：(1)杂种优势不只是一、两个性状单独表现出优势，而是多个性状的综合表现；(2)杂种优势的强弱取决于双亲性状间的互相补充，在一定范围内，双
5、亲的基因型差异越大，亲缘关系越远，杂种优势就越强；(3)杂种优势与双亲的基因型纯合度有关，若双亲的基因型纯合度高，F1的优势就强；(4)杂种优势只在 F1代得以表现，F2、F3等后代由于基因分离而表现衰退； (5)杂种优势的大小与所处的环境有关，F，种子只有在适宜环境下才能表现出杂种优势。杂种优势是生物界的一种普遍现象，既可见于种间杂种(如雌马与雄驴的杂种一代骡，与其双亲相比，其耐力强，性温顺，适于役用)，又可见于品种间的杂种(如猪的品种间杂种一代往往比双亲个体，大，生活力也强)。玉米的杂种一代可增产20-30；我国推广的杂种水稻，每公顷产量约增加了750kg。可见杂种优势的利用，在农、牧生产
6、上均有重要意义。 4雄性不育系，保持系和恢复系 植物的雄花败育，不能产生可育花粉，但其雌花发育正常，能接受正常花粉粒而受精结实的现象称为雄性不育。把不育植株连续与质可育、核不育的雄性植株杂交，培养而成的带有雄性不育的晶系，称为雄性不育系；与不育系杂交后所得杂交种仍能保持雄性不育的晶系，称为雄性不育保持系；把与不育系杂交后的杂种后代全部恢复雄性可育特征的品质，称为雄性不育恢复系。典型例题 例1 请根据花斑紫茉莉的特征，分析回答： (1)这株紫茉莉的父本和母本的枝叶性状分别是： 父本_母本_。(2)所有花斑紫茉莉是否一定像这株植物同时具有三种不同类型的枝条? _。 (3)产生如图所示植株的原因是_
7、答案 (1)绿色紫茉莉或白色紫茉莉或花斑紫茉莉 (2)不会。(因为细胞质在细胞分裂过程中是随机、不均等分配) (3)绿色叶的细胞内含有叶绿体，白色叶的细胞内不含叶绿体，只含白色体；而花斑叶中则含有三种不同的细胞：只含有叶绿体的细胞，只含白色体的细胞，同时含有叶绿体和白色体的细胞。 紫茉莉枝条的颜色属细胞质遗传。即花斑紫茉莉的三种不同的枝条，其性状来自于母本，不受父本基因的影响。故这株花斑紫茉莉的母本一定是花斑紫茉莉，父本可以是绿色紫茉莉、白色紫茉莉、花斑紫茉莉中任意一种。 例2 某农场由于不慎，在一块培养不育系的地里把雄性不育系、保持系和恢复系种到了一块地里，如右图所示：(1和3是保持系，2和
8、4是不育系，5是恢复系)请回答： (1)在1和3植株上获得的种子的基因型是_(2)在2和4植株上获得的种子的基因型是_ (3)在5植株上获得的种子的基因型是_ (4)如果该农场是为了培育不育系品系，在幼苗期发现了这一现象时，可采取的补救措施是_。 答案 (1)N(Rr)和N(rr) (2)S(rr)和S(Rr) (3)N(Rr)和N(RR) (4)将5移到另一块地里种植或将5隔离开。二、 基因的结构 考点点拨 1关于真核细胞的基因结构 在遗传学上通常将能编码蛋白质的基因称为结构基因。真核生物的结构基因是断裂的基因，一个断裂的基因能够含有若干段编码序列。这些可以编码的序列隔开后形成的间隔序列称为
9、内含子。每个断裂基因在第一个和最后一个外显子的外侧各有一段非编码区，有人称其为侧翼序列：在侧翼序列上有一系列的调控序列，包括启动子、终止子等。启动子与终止子其实就是一些核苷酸序列，可以调节转录的工作。 2关于基因结构中的几点说明 (1)终止子位于DNA上，确切地说是属于非编码区的核苷酸序列。它特殊的碱基排列顺序能够阻碍RNA聚合酶的移动，并使其从DNA模板链上脱离下来，从而使转录工作结束。终止密码位于mRNA上，共有三种：UAA、UAG、 UGA。这三种核苷酸不能决定氨基酸为“无字义密码，也就是终止密码子。表明一条肽链已经翻译完成。 (2)关于非编码序列 对于原核细胞基因的结构，非编码序列包括
10、编码区上游和下游的核苷酸序列。而对于真核细胞基因结构中，不能编码蛋白质的序列不仅包括编码区上游和下游的核苷酸序列，还包括编码区中内含子。 (3)关于内含子、外显子因为真核细胞基因中的编码区是间隔的、断裂的，所以才有外显子和内含子一说。对于原核细胞基因来说，编码区是连续的，都能编码蛋白质。所以就根本不存在外显子和内含子这两个概念。典型例题 例1 基因是由 ( ) A.编码区和非编码区两部分组成 B外显子和内含子两部分组成 C.与RNA聚合酶结合位点、外显子、内含子组成 D.与RNA聚合酶结合位点、外显子组成 答案 A 例2 下面对真核生物基因的结构的认识中，不正确的是 ( ) A编码区能够转录为
11、相应的信使RNA，经加工参与蛋白质的合成 B在非编码区有RNA聚合酶结合点 C真核细胞与原核细胞的基因结构完全一样 D内含子不能够编码蛋白质序列 答案 B 例3 请比较原核细胞与真核细胞基因结构的主要相同点，不同点。 答案 相同点；都足由能够编碍蛋白质的编码区和具有调控作用的非编码区组成的。 不同点：原核细胞基因的编码区是连续的，不存在外显子和内含子的问题。真核细胞基因的编码区是间隔的、不连续的。能编码蛋白质的序列为外显子，不能编码蛋白质的序列为内含子。 三 基因工程简介考点点拨 1基因操作的工具 在了解了基因工程的大致步骤及从事基因工程所遇到的难题后，应理解三种基因操作工具的用途及应具备的特
12、性。例如，根据基因的运载体病毒、质粒等的作用是将外源基因送人受体细胞，并使其在受体细胞中复制并表达，因此它应具有的条件是：(1)能在宿主细胞中复制并保存； (2)具有多种限制酶切点(最好每种酶切点只有一个)，以便与各种外源基因连接；(3)具有某些标记基因，便于对受体细胞中是否有外源基因导人进行检测和筛选。再例如，工具酶的应用是重组DNA的最重要的技术基础，能够识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列，并由此切割DNA双链结构，需借助切割外源基因的剪刀限制酶；要将不同的 DNA缝合起来，还需借助DNA的针线DNA连接酶，它的作用是催化在两条DNA链之间形成磷酸二脂键。这部分内容理解清楚后，可以为基因
13、操作基本步骤的学习扫清障碍。 2基因操作的基本步骤 要弄清楚基因操作的四步曲中每一步的做法。第一步提取目的基因。有从供体细胞的DNA中直接分离基因和人工合成基因两种途径。第二步是先用限制性内切酶分别切割质粒和目的基因，再将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，同时加适量的DNA连接酶，最后形成重组DNA。第三步是用人工的方法(例如，用CaCI：处理细菌)使体外重组的DNA分子转移到受体细胞。第四步是利用标记基因的特性对受体细胞中是否导人了目的基因进行检测，并根据受体细胞是否表现出特定的性状来判断目的基因是否表达。 其次应该结合基因操作中三种工具的作用和特性以及遗传物质基础中的有关知识，来理解基因
14、操作四步中每一步操作的原理。例如，人工合成基因的两种方法的原理，是根据遗传物质基础中逆转录、DNA与RNA及氨基酸之间的关系。再例如，目的基因与运载体结合的操作原理是利用限制内切酶特异性来识别、切断和DNA连接酶的作用。 3基因工程的成果与发展前景 应该认识到基因工程技术的发展不仅开辟了人类创造性利用生物资源的新世纪，而且在许多领域中显示出不可估量的应用前景和发展潜力，只有认识了基因工程的这些重要意义才能更好地学习这部分内容。 (1)关于基因工程与医药卫生，主要应该了解基因工程在药品生产上的应用以及基因诊断(用放射性同位素、荧光分子等标记的单链DNA分子做探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被测
15、标本上的遗传信息的过程)和基因治疗(健康的外源基因导人有基因缺陷的细胞中)等内容。 (2)关于基因工程与农牧业和食品工业。农业的应用：获得高产、稳定、具有优良品质的农作物和培育出具有各种抗逆性的作物新品种。在畜牧业上的应用：获得人类所需要的各种优良品质的动物。更重要的是利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内的表达，从这些动物的乳腺细胞中获得人类所需要的各类物质，如激素、抗体及酶类等。食品工业的应用：为人类开辟新的食物来源。(3)基因工程与环境保护。主要了解在环境监测和环境净化两方面的重要作用。例如，用DNA探针来检测饮水中病毒含量，用基因工程方法来创造出能同时分解四种烃类的“超级细菌”。典型例题
16、 例1 (2000年高考理科综合试题)番茄在运输和贮藏过程中，由于过早成熟而易腐烂。应用基因工程技术，通过抑制某种促进果实成熟激素的合成能力，可使番茄贮藏时间延长，培育成耐贮藏的番茄新品种，这种转基因番茄已于1993年在美国上市。请回答： (1)促进果实成熟的重要激素是_，它能够发生的化学反应类型有_ 、_和 _。 (2)在培育转基因番茄的基因操作中，所用的基因的“剪刀”是_。基因的“针线”是_，基因的“运输工具”是_。 (3)与杂交育种、诱变育种相比，通过基因工程来培育新品种的主要优点是_、 _和 _。 答案 (1)乙烯 取代 加成、聚合 (2)DNA内切酶 DNA连接酶 质粒(3)目的性强
17、 培养周期短 性状稳定快例2 如下图是将人的生长激素基因导入细菌B细胞内制造“工程菌”示意图，所用载体为质粒A。已知细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因，质粒A导入细菌B后，其上的基因能得到表达。请回答下列问题： (1)人工获得目的基因的途径一般有哪两条? (2)如何将目的基因和质粒相结合形成重组质粒(重组 DNA分子)? (3)目前把重组质粒导人细菌细胞时，效率还不高；导人完成后得到的细菌，实际上有的根本没有导人质粒，有的导人的是普通质粒A，只有少数导人的是重组质粒。此处可以通过如下步骤来鉴别得到的细菌是否导人了质粒A或重组质粒：将得到的细菌涂布在一个有氨苄青霉素的培养基上，能够生长的就是导人了质粒A或重组质粒，反之则没有。使用这种方法鉴别的原理是_。 (4)若把通过鉴定证明导人了普通质粒A或重组质粒的细菌放在含有四环素的培养基上培养，会发生的现象是 _。原因是_。 (5)导入细菌B细胞中的目的基因成功表达的标志是什么?答案 (1)、(2)、(5)奇思妙解 (3)普通质粒A和重组质粒都含有抗氨苄青霉素基因 (4)现象：有的能生长，有的不能生长。原因：导人普通质粒A的细菌能生长，因为普通质粒A上有抗四环素基因；导人重组质粒的细菌不能生长，因为目的基因插在抗四环素基因中，结构被破坏。