第3章 素能提升 ——PCR 与凝胶电泳-【成才之路·学案】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程同步新课程学习指导(人教版)

122 4.基因工程中，受体细胞的不同，导入目的基因 (2)将重组质粒导入动物细胞，常采用 的方法也不同。请回答下列问题。 的方法。若用重组质粒转化大肠 杆菌，一般情况下，不能直接用未处理的 (1)农杆菌转化法常用来将外源基因转入 大肠杆菌作为受体细胞，原因是未处理的 细胞，具体操作时，先要将目 大肠杆菌吸收质粒（外源DNA)的能力极 的基因插入农杆菌 质粒的 弱。所以，用表达载体转化大肠杆菌时， T-DNA中，然后用该农杆菌侵染植物细 常先用 处理大肠杆菌，使其处于 一种能吸收周围环境中DNA分子的生理 胞。农杆菌在自然条件下，不容易侵染 状态，以利于表达载体的进入。 植物。农杆菌侵染植物，能够将 (3)将目的基因导入受体细胞引起生物性状 目的基因插入植物细胞的 的改变，属于可遗传变异中的 (填变异类型)。 课时小结 导入植物细胞 将目的基因导入受体细胞 导入动物细胞 导入微生物细胞 分子水平的检测 目的基因的检测与鉴定 个体生物学水平的鉴定 夯基提能作业 请同学们认真完成练案[14] 素能提升—PCR与凝胺电泳 提升点一：PCR中的相关计算 ●素养构建 1.PCR过程模型 300m吧5-3' 00mm吧5' 吧53' →3'.5mim吧影 吧} 3'-5m吧3， →3.5mm吧影 豹ww0: x.Smmm m吧s-3' 3.5mmr彩 .5mw. 多吧53 3m吧5'-3' 吧影 循环1 循环2 循环3 变性→复性，延伸变性→复性→延伸。变性→复性→延伸 开始生成与扩增区 域长度相同的双链 DNA分子 注：一目标序列一PCR合成的目标序列■引物1 -侧翼序列--PCR合成的侧翼序列口引物2 123 2.PCR中的数量关系 复制次数 2 3 DNA分子数 2 4 8 2" 含其中一种引物的 1=2-1 3=22-1 7=23-1 2"-1 DNA分子数 同时含两种引物的 0=2-2 2=22-2 6=23-2 2"-2 DNA分子数 共消耗引物 2=22-2 6=23-2 14=24-2 2m+1-2 的分子数 含与两条脱氧核苷酸链 0=2-2 0=22-4 2=23-6 2"-2n 等长的DNA分子数 ●对点训练 1.如图a、b、c均为PCR扩增的DNA片段，下列有关说法正确的是 ( 引物Ⅱ 引物Ⅱ mmξ；m3'江mmg, 引物1。 5 引物I A.片段a、b、c的长度均相同 B.片段a、b只是第一次循环的产物 C.片段c最早出现在第二次循环的产物中D.经过30次循环后，片段c的数量为20 2.利用PCR将某小段含目的基因的DNA分子扩增循环n次，则 ( A.需要已知目的基因的全序列以便设计引物 B.共需2+1-2个引物参与子代DNA分子的合成 C.应向反应体系中加入解旋酶、DNA聚合酶、缓冲液等 D.理论上第4轮循环产物中含两种引物的DNA片段占15/16 提升点二：电泳图谱的识别 ●素养构建 电泳是带电物质在电场中向着与其电荷相反的电极移动的过程。各种生物大分子在一定的 pH条件下，可以解离成带电荷的离子，在电场中会向相反的电极移动。含有电解液的凝胶在电场 中，其中的带电离子会发生移动，此时移动的速度可因离子大小、形态及电荷量的不同而有差异。 利用移动速度的差异，就可以区别各种大小不同的分子。 琼脂糖凝胶电泳是分子生物学实验室中分离鉴定核酸的常规方法。核酸是两性电解质，在常 规的电泳缓冲液中(pH约为8.5)，核酸分子带负电荷，在电场中向正极移动。线状双链DNA分子 在一定浓度琼脂糖凝胶中的迁移速率与DNA分子量对数成反比，分子越大则所受阻力越大，也越 难于在凝胶孔隙中移动，因而迁移得越慢。 124 ●对点训练 1.用P℃R方法检测转基因植株是否成功导入目的基因时， bp 2 345678910 2000 得到以下电泳图谱，其中1号为DNA标准样液(Marker), AU OO- 10号为蒸馏水，PCR时加入的模板DNA如图所示。据 250- 100- 此作出的分析，错误的是 ）注：2号：野生型植株DNA:3号：？；49号：转基国植株D八NA。 A.PCR产物的分子大小在250~500bp之间 B.3号样品为不含目的基因的载体DNA C.9号样品对应植株不是所需的转基因植株 D.10号确定反应体系等对结果没有干扰 2.为优化目的基因(7O0bp)的PCR条件，研究者设计不同的 阴性 分子量 对照50℃52℃55℃58℃标准 复性温度进行实验，产物的琼脂糖凝胶电泳结果如图。据 图分析，下列表述错误的是 ( 2000bp 非特异条带 1000p A.对照组可用无菌蒸馏水代替模板，其他成分相同 特异条带 750bp 500bp B.电泳条带的宽度、亮度与扩增产物大小呈正相关 250bp C.复性温度的高低会影响PCR扩增产物的纯度 100bp D.58℃是本实验中扩增该基因的最佳复性温度 提升点三：DNA片段电泳与遗传试题的综合 ●素养构建 琼脂糖凝胶电泳能够用于分离、鉴定和纯化DNA片段。等位基因是由基因突变而来，一对等 位基因A、经过限制酶切割后形成的DNA片段，分子量不同，因此在电场作用下，移动距离不同， 最终使得A、a得以分开，形成不同的条带。本类题型是对遗传定律、基因型与表型的关系、基因检 测以及DNA片段凝胶电泳等的综合性考查，需要根据基因电泳鉴定获得的带谱判断亲本的基因型 和遗传类型，然后根据亲代基因型写出后代可能的基因型，结合后代的基因定位鉴定获得的带谱， 确定相关个体的基因型。 ●对点训练 控制某遗传病的一对等位基因在限制性内切核酸酶的作用下可切 1○ 2 男性患者 割成两种不同长度的DNA片段，用凝胶电泳法分离后可显示出不同 4> ☐男性正常 的带谱。下图是该遗传病的某个家系基因带谱。以下分析不正确 ○女性正常 令未出生 的是 基因带谱 A.该病为伴X染色体隐性遗传病 B.限制性内切核酸酶有特异性 C.3号为杂合子的概率是100% D.5号出生前需进行基因检测抗性程度。在显微镜下无法观察到受体细胞中是否含有目 的基因，A符合题意 变式训练 2.C目的基因导入受体细胞后，首先要检测转基因生物染色体 DNA上是否插人了目的基因，这是目的基因能否在受体细胞 中稳定遗传的关键，A错误：P℃R可用于检测目的基因是否转 录，检测目的基因是否翻译用抗原一抗体杂交技术，B错误； 抗虫、抗病检验用于确定转基因生物是否具备相关性状属于 个体生物学水平的鉴定，D错误。 任务三 合作探究 1.提示：避免外源DNA等因素的污染。 2.提示： 变性(90℃以上)→复性(50℃左右)→延伸(72℃左右)。 循环 3.提示：引物的长度、引物的碱基组成。因为DNA分子中G一C 之间有三个氢键，A一T之间有两个氢键。 4.提示：引物设计不合理，它们与非目的序列有同源性或容易聚 合形成二聚体：复性温度过低：DNA聚合酶不耐高温等。 5.提示：模板DNA含有蛋白或含有Tag DNA聚合酶的抑制剂 (如蛋白酶K、苯酚、EDTA);Taq DNA聚合酶失活；引物出现 质量问题，浓度不合适；Mg+浓度过低；变性温度低，变性时 间短：目的序列变异等。 典例剖析 例：APCR反应体系中需加入耐高温的DNA聚合酶，该酶主要 在延伸过程中起作用，B错误；为避免外源DNA等因素的污 染，PCR实验中使用的微量离心管、枪头、蒸馏水等在使用前 都必须进行高压灭菌处理，移液器不需要高压灭菌，C错误； 电泳时，电泳缓冲液以没过凝胶1m为宜，D错误。 变式训练 3.D增加模板DNA的量可以提高反应速度，但不能有效减少 非特异条带的产生，A错误：延长热变性的时间和延长延伸的 时间会影响变性、延伸过程，但对于延伸中的配对影响不大 故不能有效减少产生非特异条带，B、C错误：非特异条带增加 的原因可能是复性温度过低而造成引物与模板的错配，故可 通过提高复性的温度来减少非特异条带的产生，D正确。 课堂达标巩固训练 1.B花粉管通道法是一种十分简便、经济的方法，我国的转基 因抗虫棉培育过程用到此种方法，A正确；将目的基因导入微 生物细胞常用C+处理法，这种方法能使大肠杆菌细胞处于 一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，B错误；显微 注射法是将目的基因导入动物细胞（如羊受精卵）的最常用 最有效的方法，C正确；可用农杆菌转化法将目的基因导入水 稻细胞，D正确。 2.B可以提取该微生物的mRNA逆转录为cDNA,通过PCR可 获得大量目的基因，A正确：重组质粒进人玉米幼胚组织 细胞后整合到染色体DNA上，并通过细胞增殖遗传给后代， 不需再次导入，B错误：用农杆菌转化法将E基因转人玉米幼 胚组织细胞后，可经过脱分化和再分化即植物组织培养获得 转基因植株，C正确；用E蛋白的抗体进行抗原一抗体杂交 可在分子水平检测转基因玉米的抗旱性状，D正确。 3.D电泳出现位置不等的几条条带，说明存在长短不一的 DNA片段，鉴定的PCR产物不纯净，D错误。 2 4.（1)植物Ti单子叶染色体DNA (2)显微注射Ca2+ (3)基因重组 【解析】(1)农杆菌转化法常用来将外源基因转入植物细 胞，具体操作时，先要将目的基因插入农杆菌T质粒的T- DNA中，然后用该农杆菌侵染植物细胞。农杆菌在自然条件 下，不容易侵染单子叶植物。农杆菌侵染植物后，能够将T 质粒上的T-DNA携带的目的基因插入植物细胞的染色体 DNA上。(2)将目的基因导入动物细胞最常用的方法是显微 注射法。若用重组质粒转化大肠杆菌，一般情况下，不能直接 用未处理的大肠杆菌作为受体细胞，原因是未处理的大肠杆 菌吸收质粒（外源DNA)的能力极弱。所以，用表达载体转化 大肠杆菌时，常先用C+处理大肠杆菌，使其处于一种能吸 收周围环境中DNA分子的生理状态，以利于表达载体的进 入。(3)将目的基因导入受体细胞引起生物性状的改变，属于 可遗传变异中的基因重组。 素能提升—PCR与凝胶电泳 提升点一 对点训练 1.C图中片段a、b只有一种引物，是由原始DNA链为模板复 制而来，其长度应比片段c长，A错误；由于原始模板在每次 循环中均可作为模板，则每次循环都能产生图中片段a、b,B 错误：由于第一次循环的产物只有一种引物，而图中片段c有 两种引物，则c最早出现在第二次循环的产物中，C正确；经 过30次循环后，得到的DNA片段总数为2”，这包括图中的片 段a、b、c,D错误。 2.B只需要已知目的基因两端的序列便可设计引物，A错误； 扩增循环n次，共需一种引物的数量为2”-1，常规PCR共需 两种引物的数量为2×(2”-1)=2+1-2，B正确；不需向 PCR的反应体系中加入解旋酶，C错误；理论上第4轮循环产 物中含两种引物的DNA片段占(24-2)/2=7,8，D错误。 提升点二 对点训练 1.BPCR过程中，可以通过设计特定的引物来扩增特定的 DNA片段，4~9号是转基因植株，理论上应包含目的基因，结 合2号野生型和10号蒸馏水组的结果，推测包含目的基因的 片段大小应为250~500bp,A正确；3号PCR结果包含250~ 500bp片段，应为包含目的基因的载体DNA,B错误；9号 PCR结果不包含250~500bp片段，所以不是所需转基因植 株，C正确：10号放人蒸馏水，可排除反应体系等对结果的干 扰，D正确。 2.B实验设计应遵循对照原则与单一变量原则，故对照组可用 无菌蒸馏水代替模板，其他成分相同，A正确：PCR技术中，反 应最终的电泳条带的宽度、亮度与PCR起始状态的模板DNA (或者模板)含量呈正相关，B错误：据图可知，58℃条件下条 带宽度最大，故该温度是本实验中扩增该基因的最佳复性温 度，D正确 提升点三 对点训练 A根据无中生有为隐性，2号的基因为杂合子，故判断该病 为常染色体隐性遗传病，A错误；限制性内切核酸酶能够识别 双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每条链中特定 部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂，因此具有特异性， B正确：3号电泳条带出现两条，故3号一定是杂合子，C正 确：5号可能患病也可能正常也可能是携带者，所以出生前需 进行基因检测，D正确。 第3节 基因工程的应用 必备知识自主梳理 一、1.(1)抗虫功能 2.(1)病毒、真菌等 3.(2)降解或抵抗某种除草剂 4.(1)某种必需氨基酸含量多的蛋白质 5.(1)外源生长激素 6.(1)肠乳糖酶 二、1.(1)细胞因子(2)①药用蛋白乳腺中特异表达的基因 受精卵(3)①某种调节因子抗原决定基因除去 克隆②免疫排斥 2.(1)天冬氨酸苯丙氨酸（2)凝乳淀粉 3.环境污染能源 自我检测 1.×农业害虫仍会对转基因抗虫作物产生抗性。 2.V 3.×培育转基因动物时，所选用的受体细胞一般是受精卵；培 育转基因植物时，所选用的受体细胞可以是受精卵，也可以是 体细胞 4.V 5.×乳腺生物反应器是把药用蛋白基因与乳腺中特异表达的 基因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射的方法 导入哺乳动物的受精卵中。 6.×因为转基因动物所有细胞都由受精卵经有丝分裂产生， 因此所有细胞中都存在药用蛋白基因，但此基因与乳腺中特 异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，因此，此基因 只在乳腺细胞中得到表达 7.×植物激素无法对动物起作用，鲤鱼中应导入外源生长激 素基因。 8.V 合作探究能力提升 任务一 合作探究 1.提示：不能。抗虫基因具有专一性。 2.提示：让害虫去吃转基因棉花的植株，观察害虫的生存状况。 3.提示：减少了化学农药的使用量，降低了环境污染 4.提示：会。害虫会因遗传物质发生改变产生对转基因抗虫棉 的抗性 典例剖析 例：C科学家将psy和cl基因转入水稻，使水稻胚乳中富含 B-胡萝卜素，显然psy和cl是该项研究中的目的基因，A 正确；由题干信息可知，pmi编码的蛋白质可使细胞在特殊 培养基上生长，因此构建基因表达载体时可用pmi基因作为 标记基因，B正确；检测出水稻胚乳细胞中含有B-胡萝卜 素，才能说明“黄金大米”培育成功，仅含有八氢番茄红素合 酶和胡萝卜素脱饱和酶不能说明转基因水稻培育成功，C错 误；在培育“黄金大米”的转基因操作中可将水稻细胞作为 受体细胞，然后通过植物组织培养获得转基因植株，因此，可 设法将重组载体导入水稻细胞，D正确。 变式训练 1.B转基因细胞是将目的基因导人受体细胞，不需要用PEG 2 诱导转基因细胞的原生质体融合。 任务二 合作探究 1.提示：Ca+能吸收周围环境中DNA分子的生理状态 2.提示：显微注射法牛的乳腺中特异表达的基因的启动子 3.提示：细菌和酵母菌繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对少，生 产能力大等。 4.提示：方法一；方法一中的受体细胞是细菌，其细胞内无内质 网和高尔基体，无法对胰岛素进行加工和修饰。 5.提示：几乎存在于所有细胞中：目的是让药用蛋白基因只在膀 胱上皮细胞中表达。 6.提示：(1)正常尿液中蛋白质含量很少，所以千扰较少，更容易 从尿液中提取分离产物。(2)不受性别和年龄限制，受体来源 更广泛。 典例剖析 例：A要让药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并分泌含药物的 乳汁，重组质粒上必须具有乳腺中特异表达的基因的启动子 等调控元件，还需复制原点，A错误；④通常采用显微注射技 术，B正确：只有母牛到达泌乳期，乳腺细胞才会表达相应的 药用蛋白基因，乳汁中含有药物，C正确；从乳汁里提取药 物，优点突出，使动物本身成为“批量生产药物的工厂”，D 正确。 变式训练 2.(1)总RNA(或mRNA)见解析 (2)B (3)水稻是真核生物，具有膜系统，能对初始HSA多肽进行 高效加工 (4)HSA 【解析】(1)要想合成总CDNA,需要采集人的血液获得总 RNA。由于DNA的复制只能从脱氧核苷酸单链的5'端向3 端延伸，因而引物均应结合在DNA单链的3'端，而DNA的两 条链反向平行，由此可以确定引物在另一条脱氧核苷酸单链 的位置和方向如图所示。 HSA基因 (2)若要从水稻胚乳细胞内获得目的产物，需要控制该目的基 因只在水稻胚乳细胞内表达。由题干中的信息“启动子通常 具有物种及组织特异性”可知，此处需要选择水稻胚乳细胞启 动子。(3)途径I和Ⅱ的主要区别是途径I的受体细胞是真 核细胞，途径Ⅱ的受体细胞是原核细胞。由于人体合成的初 始HSA多肽需要经过膜系统加工形成正确的空间结构才有 生物活性，所以选择途径I获取rHSA更具有优势。(4)rHSA 是基因工程的产物，为判断其是否具有医用价值，还需要在个 体水平上进一步确认其与HSA的生物学功能是否一致。 课堂达标巩固训练 1.A该转基因技术所用的目的基因是乙烯合成酶的反义基因， A错误：乙烯合成酶的反义基因与乙烯合成酶基因都是由α 链和B链组成的，区别是转录的模板链相反，使转录出的 RNA能互补配对，形成双链RNA,B正确；过程⑤依据的原 理是碱基互补配对原则.乙烯合成酶基因的反义拷贝转录出 的反义mRNA与乙烯合成酶基因转录出的mRNA结合，会使 乙烯合成酶基因的翻译过程受阻.C、D正确。 2.C阿斯巴甜主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸 可以通过基因工程大规模生产，A正确；基因工程获得凝乳酶 2