2027届高三生物人教版一轮复习讲义第十单元　第55课时　基因工程的应用、蛋白质工程

该高中生物学讲义围绕基因工程的应用及蛋白质工程的原理与应用核心考点，按课标要求构建“技术应用—原理辨析—实践案例”知识体系，通过考点梳理（分农牧业、医药等应用场景）、方法指导（如乳腺生物反应器与工程菌对比）、真题训练（近5年高考题考向分析），帮助学生系统突破难点。 讲义突出科学思维培养，设计对比表格（如基因工程与蛋白质工程流程比较）和探究案例（如CRISPR/Cas9技术操作分析），配合基础排查、分层精练及要语必背，强化知识内化。助力教师精准把控复习节奏，提升学生实战解题能力。

第55课时　基因工程的应用、蛋白质工程 课标要求 1.举例说明基因工程在农牧业、食品工业及医药卫生领域等方面的广泛应用改善了人类的生活品质。2.概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。 考情 分析 1.基因工程的应用：2025·河南·T21　2025·黑吉辽蒙·T25　2025·湖南·T21　2024·江西·T12　2024·河北·T22　2024·山东·T25　2024·黑吉辽·T25　2024·全国甲·T38　2023·北京·T6　2022·河北·T24　2022·广东·T22 2.蛋白质工程的原理和应用：2023·辽宁·T25　2022·湖南·T22 考点一　基因工程的应用 1．基因工程在农牧业方面的应用 2．基因工程在医药卫生领域的应用 3．基因工程在食品工业方面的应用 比较乳腺生物反应器和工程菌 如图为利用乳腺生物反应器和工程菌两种方法生产某种医用蛋白(一种分泌蛋白)的操作流程图。回答下列问题： (1)要使目的基因在绵羊乳腺细胞中特异性表达，需要在过程①所用的载体中插入乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件。 (2)将基因表达载体转入大肠杆菌细胞前需要用Ca2＋ 处理大肠杆菌，目的是使其处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，便于目的基因导入。常用显微注射法将基因表达载体导入绵羊受精卵中。 (3)检测发现，通过乳腺生物反应器获得的蛋白A比通过工程菌获得的蛋白B的空间结构更复杂，生物活性也更强，造成这种结果的原因可能是该医用蛋白为分泌蛋白，在绵羊乳腺细胞内蛋白A经过了内质网和高尔基体的加工修饰，空间结构复杂，生物活性高；大肠杆菌无内质网和高尔基体等细胞器，蛋白B没有经过加工修饰，空间结构较简单，生物活性低。 归纳总结　乳腺生物反应器与工程菌的比较 比较内容 乳腺生物反应器 工程菌 含义 让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白 指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的微生物 基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白相同 细菌合成的药物蛋白可能没有活性 受体细胞 动物受精卵 微生物细胞 目的基因导入方式 显微注射法 Ca2＋处理法 生产条件 不需要严格灭菌，温度等外界条件对其影响不大 需要严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件 药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其培养液中提取 考向一　基因工程的应用 1．W是一种具有特定功能的人体蛋白质。某研究小组拟仿照制备乳腺生物反应器的研究思路，制备一种膀胱生物反应器来获得W，基本过程如图所示。下列叙述错误的是(　　) A．步骤①是基因工程的核心步骤，需要使用的工具有限制性内切核酸酶、DNA连接酶和载体 B．与乳腺生物反应器相比，用膀胱生物反应器生产W所选的启动子不同 C．转基因动物的乳腺上皮细胞、膀胱上皮细胞都能表达W基因 D．鉴定W蛋白基因是否成功表达可以检测转基因动物的尿液是否存在W蛋白 答案　C 解析　W基因只在膀胱上皮细胞中表达，C错误。 2．CRISPR/Cas9是一种基因编辑技术，Cas9蛋白能与人工设计的sgRNA形成复合体(如图)。利用该技术可以对DNA进行一系列的定向改造。下列叙述错误的是(　　) A．Cas9蛋白属于限制酶，能切割目的基因 B．sgRNA具有能与目的基因发生碱基互补配对的结构 C．基因编辑技术能够定点插入、删除或替换部分碱基 D．通过基因编辑技术引起的变异属于基因重组 答案　D 解析　复合体在sgRNA引导下结合目的基因，Cas9蛋白切割目的基因造成双链断裂，细胞在修复断裂的DNA时会定点插入、删除或替换部分碱基，C正确；通过基因编辑技术引起的变异属于基因突变，D错误。 拓展延伸　CRISPR/Cas9基因编辑技术能对基因进行定点编辑，其原理是由一条单链向导RNA(sgRNA)引导核酸内切酶Cas9到一个特定的基因位点进行切割(如图)。 CRISPR复合体中的sgRNA的主要功能是与靶向基因(目的基因)上特定的碱基序列互补，从而定向引导Cas9蛋白与靶向基因结合，并在特定位点切割DNA。CRISPR/Cas9基因编辑技术培育转基因生物，与传统的基因工程相比，其明显优点是避免了因目的基因随机插入宿主细胞DNA引起的生物安全性问题。CRISPR/Cas9基因编辑技术在基因治疗、基因水平进行动植物的育种、研究基因的功能等方面有广阔的应用前景。 考点二　蛋白质工程的原理和应用 1．蛋白质工程的概念 点拨　改造基因而不是改造蛋白质的原因：①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造。②改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。 2．蛋白质工程与基因工程的异同 项目 蛋白质工程 基因工程 过程 从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 实质 定向改造或生产人类所需要的蛋白质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品 结果 可生产自然界中不存在的蛋白质 只能生产自然界中已存在的蛋白质 联系 蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程 3.蛋白质工程的应用 (1)在医药方面 ①利用蛋白质工程研发药物。 ②实例：如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在一定条件下，可以延长保存时间。 (2)在工业方面 ①蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。 ②实例：枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。 (3)在农业方面 科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。 分析蛋白质工程的原理和应用 水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中的重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构，提高其抗凝血活性。回答下列问题： (1)蛋白质工程流程如图所示，物质a是氨基酸序列(多肽链)，物质b是mRNA。在生产过程中，物质b可能不同，合成的蛋白质空间构象却相同，原因是mRNA上决定氨基酸的密码子有简并现象。 (2)研究发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬氨酸可以提高它的抗凝血活性，这项工作属于蛋白质工程的范畴，目前可行的直接操作对象是基因，需要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。 归纳总结　判断基因工程和蛋白质工程 操作 蛋白质 考向二　辨析蛋白质工程的原理和操作流程 3．胰岛素常用于治疗糖尿病，注射后易在皮下堆积，且较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。如图是新型速效胰岛素的生产过程，下列叙述错误的是(　　) A．图中构建新的胰岛素模型的主要依据是胰岛素的预期功能 B．该过程属于蛋白质工程，最终还要通过改造或合成基因来完成 C．大肠杆菌合成的新的胰岛素没有生物活性，不能正常发挥作用 D．新型速效胰岛素生产过程中可以不必遵循中心法则 答案　D 解析　新型速效胰岛素的生产过程涉及基因的合成、表达等过程，而基因表达的过程遵循中心法则(DNA→RNA→蛋白质)，所以新型速效胰岛素生产过程中必须遵循中心法则，D错误。 4．某团队为提升猪α-干扰素(PoIFN-α)的抗病毒活性，针对其8个关键氨基酸位点进行改造，构建突变体PoIFN-α8s。测序显示，改造后的DNA非模板链序列第5位点由“TAC”突变为“TGC”，导致编码的氨基酸由酪氨酸变为半胱氨酸，其余位点突变未改变氨基酸种类。下列分析错误的是(　　) A．提升猪α-干扰素的抗病毒活性是通过改造基因来完成的 B．密码子AUG、ACG决定的氨基酸依次是酪氨酸、半胱氨酸 C．第5位点突变可能导致猪α-干扰素的空间结构发生改变 D．其余位点突变未改变氨基酸种类与密码子的简并有关 答案　B 解析　DNA非模板链第5位点由“TAC”突变为“TGC”，则模板链由“ATG”突变为“ACG”，转录形成的密码子由“UAC”变为“UGC”，所以密码子UAC决定的氨基酸是酪氨酸，UGC决定的氨基酸是半胱氨酸，B错误。 一、基础排查 1．判断下列有关基因工程的成果及应用的叙述 (1)我国科学家培育的Bt毒蛋白抗虫棉对棉铃虫具有较强的抗性(　√　) (2)我国科学家将赖氨酸合成酶基因导入玉米，获得富含赖氨酸的转基因玉米(　×　) 提示　我国科学家将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米，获得富含赖氨酸的转基因玉米。 (3)我国科学家将乙烯合成相关基因导入番茄，获得的转基因延熟番茄储存时间大大延长(　×　) 提示　我国科学家将控制番茄果实成熟的基因导入番茄，获得转基因延熟番茄，储存可时间大大延长。 (4)在农业上，基因工程中抗旱、抗盐转基因植物的种植减少了农药的使用(　×　) 提示　基因工程中抗虫、抗病转基因植物的种植减少了农药的使用，有利于保护环境。 (5)将含有人凝血因子基因的表达载体导入羊乳腺细胞，获得生产人凝血因子的乳腺生物反应器(　×　) 提示　转基因动物中常用的受体细胞为受精卵，通过显微注射技术将含有人凝血因子基因的表达载体导入羊受精卵中，获得生产人凝血因子的乳腺生物反应器。 (6)通过X射线、紫外线综合处理，将青霉素产量低的菌种培育成产量高的菌株属于基因工程技术的应用(　×　) 提示　通过X射线、紫外线综合处理，将青霉素产量低的菌种培育成产量高的菌株属于诱变育种。 2．判断下列有关蛋白质工程的叙述 (1)基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作(　×　) 提示　基因控制蛋白质的合成，蛋白质工程也需要对基因进行操作。 (2)蛋白质工程应先设计蛋白质的结构再预期其功能(　×　) 提示　蛋白质工程应先预期蛋白质功能，再根据功能确定其结构。 (3)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列(　×　) 提示　蛋白质工程改变的是蛋白质分子的少数氨基酸。 (4)蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子(　√　) (5)与天然蛋白质合成相比，蛋白质工程不遵循中心法则(　×　) 提示　蛋白质工程中遗传信息的流向遵循中心法则。 (6)蛋白质工程可以通过增加酶内部的二硫键数目，来提高酶的热稳定性(　√　) (7)蛋白质的高级结构十分复杂，故蛋白质工程的难度很大(　√　) (8)T4溶菌酶耐热性的改造属于蛋白质工程的范畴(　√　) 二、要语必背 1．(选择性必修3 P90)乳腺生物反应器是指将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，由这个受精卵发育成的转基因动物在进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物。 2．(选择性必修3 P91)用转基因动物(猪)做器官移植的供体，方法是在器官供体的基因组中导入调控基因表达的DNA序列，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。 3．(选择性必修3 P93)蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。 4．(选择性必修3 P93)基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。 5．(选择性必修3 P94)对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。 6．(选择性必修3 P94)蛋白质工程的基本思路：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。 课时精练 [分值：100分] [1～6题，每题8分，共48分] 一、选择题 1．(2025·佛山二模)枯草杆菌蛋白酶在洗涤剂工业中具有重要作用。研究人员利用蛋白质工程获得了在工业生产中有更好适用性的枯草杆菌蛋白酶突变体。这一过程中不涉及下列哪项操作(　　) A．基因定点突变 B．诱变处理枯草杆菌 C．PCR扩增基因 D．构建基因表达载体 答案　B 解析　蛋白质工程是通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造新蛋白质的技术，基因定点突变是蛋白质工程中常用的手段，通过对基因特定位置进行突变，从而改变相应蛋白质的氨基酸序列，以获得具有更好适用性的蛋白质，A不符合题意；诱变处理枯草杆菌是通过物理、化学等因素诱导生物发生基因突变以获得新的性状，属于诱变育种的操作，具有随机性和不定向性的特点，而蛋白质工程是在基因工程的基础上，有目的地改造蛋白质，B符合题意；PCR扩增基因是基因工程和蛋白质工程中常用的技术，用于获取大量目的基因，以便后续的基因操作，C不符合题意；蛋白质工程中将改造后的基因与载体连接构建基因表达载体，导入受体细胞使其表达出相应蛋白质，这是蛋白质工程中的必要步骤，D不符合题意。 2．(2025·汕头三模)科学家从转基因羊的羊奶中提取到治疗血栓性疾病的特效药——组织型纤溶酶原激活剂(t-PA)。获得转基因羊的过程中，以下操作非必要的是(　　) A．将t-PA基因与羊乳腺特异表达基因的启动子重组 B．将表达载体显微注射到羊受精卵中 C．将羊受精卵的核注入去核的卵母细胞中 D．将体外培养的胚胎移植到羊的子宫内 答案　C 解析　由于启动子具有物种特异性，故需将t-PA基因与羊乳腺特异表达基因的启动子重组，A不符合题意；将目的基因导入动物细胞一般采用显微注射法，用受精卵作为受体细胞，B不符合题意；目的基因导入羊受精卵后可直接进行体外早期胚胎培养，不需要将受精卵的核注入去核的卵母细胞中，C符合题意；早期培养的胚胎需要进行胚胎移植，移植到羊的子宫内，D不符合题意。 3．(2025·广东四校联考)人葡萄糖脑苷脂酶(hGC)缺乏症是一种常染色体隐性遗传病，患者因缺乏hGC基因而不能合成hGC，导致脾脏肿大、梗死和破裂，所以通常活不过10岁。传统的治疗方法是从人的胎盘中提取hGC后注入人体，治疗价格十分昂贵。科学家现已将hGC基因通过农杆菌转化法成功转入烟草中，并高效表达，其过程如图所示。下列叙述正确的是(　　) A．转化是指将hGC基因导入烟草细胞，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程 B．过程③一般采用显微注射法将农杆菌导入烟草细胞 C．从含重组Ti质粒的农杆菌中获取hGC基因的表达产物可直接用于疾病治疗 D．从愈伤组织中提取蛋白质作为抗原进行抗原—抗体杂交检测hGC基因是否转录 答案　A 解析　转化是指目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程，故这里的转化是指将hGC基因导入烟草细胞，并且在烟草细胞内维持稳定和表达的过程，A正确；过程③一般采用含重组质粒的农杆菌感染烟草细胞，即农杆菌转化法实现将目的基因导入烟草细胞，B错误；因农杆菌属于原核生物，不含内质网和高尔基体，所表达的蛋白质还不具有相应的空间结构，没有活性，因此，从含重组Ti质粒的农杆菌中获取hGC基因的表达产物需加工后才可用于疾病治疗，C错误；可从愈伤组织中提取蛋白质作为抗原进行抗原—抗体杂交检测hGC基因是否成功表达并翻译出蛋白质，D错误。 4．(2025·大湾区一模)部分肠道细菌能够分泌外膜囊泡(OMV)，OMV能穿越肠道上皮屏障，活化肠黏膜内的免疫细胞。研究人员通过构建ClyA-Ag-mFc融合蛋白基因表达载体(如图)，转化大肠杆菌来制备工程菌。下列叙述错误的是(　　) A．ClyA表达产物可以将融合蛋白定位到OMV表面 B．Ag表达产物可以激活机体的特异性免疫反应 C．mFc表达产物可以提高T细胞摄取OMV能力 D．利用该大肠杆菌可制备预防肿瘤的口服疫苗 答案　C 解析　ClyA是OMV表面特异蛋白的基因，其表达产物可将融合蛋白定位到OMV表面，A正确；Ag是肿瘤细胞表面特异性抗原基因，Ag表达产物可以激活机体的特异性免疫反应，B正确；mFc表达产物能够与树突状细胞表面的特异性受体结合，进而提高树突状细胞识别、摄取和传递抗原信息的能力，而非T细胞，C错误；大肠杆菌可表达含肿瘤细胞抗原的融合蛋白，OMV能穿越肠道上皮屏障活化肠黏膜内免疫细胞，引起机体免疫反应，所以可制备预防肿瘤的口服疫苗，D正确。 5．(2025·云浮云城调研)人类是乙肝病毒的唯一宿主，接种乙肝疫苗是预防乙肝病毒感染的最有效方法。如图为乙肝病毒基因工程疫苗的生产和使用流程，质粒中LacZ基因可使细菌能够利用加入培养基的物质X－gal，从而使菌落显现出蓝色，若无该基因，菌落则呈白色。下列叙述正确的是(　　) A．过程①最好的限制酶选择方案是BamH Ⅰ和EcoR Ⅴ B．质粒用限制酶BamH Ⅰ和EcoR Ⅴ切割后产生4个游离的磷酸基团 C．过程②需要在培养基中加青霉素和X－gal以筛选蓝色的大肠杆菌菌落 D．基因工程疫苗不会出现病毒增殖和感染，安全性高 答案　D 解析　过程①表示构建重组质粒，为保证目的基因的完整性，不能选用EcoR Ⅴ切割目的基因，同时保证目的基因的正确连接，最好选择双酶切，即选择限制酶BamH Ⅰ和EcoR Ⅰ切割目的基因和质粒，A错误；质粒用限制酶BamH Ⅰ和EcoR Ⅴ切割后产生3个DNA片段，每个DNA片段含有2个游离的磷酸基团，所以3个DNA片段含6个游离的磷酸基团，B错误；过程②表示将重组质粒导入受体细胞，培养基中加青霉素和X－gal可以用于筛选含有重组质粒的大肠杆菌，重组质粒中LacZ基因因目的基因的插入使其结构破坏，因此，白色的大肠杆菌菌落即为所需菌落，C错误；基因工程疫苗为乙肝病毒的外壳(蛋白质)，不含其遗传物质，注射到机体内不会发生病毒的增殖和感染，安全性高，D正确。 6．糖酶是制糖工业中不可或缺的一种酶制剂。天然糖酶(T0)在长时间高温转化制糖时难以保持较好的稳定性，研究者利用蛋白质工程将T0的氨基酸进行替换，得到耐高温的糖酶(T1)。下列叙述错误的是(　　) A．T1是通过直接替换T0的氨基酸产生的 B．设计T1结构需从T1的预期功能出发 C．T0与T1在空间结构上表现不同 D．获得T1的过程遵循中心法则 答案　A 解析　T1是通过改造和修饰控制T0合成的基因，间接改变T0的氨基酸序列和空间结构产生的，A错误。 二、非选择题 7．(20分)(2024·黑吉辽，25)将天然Ti质粒改造成含有Vir基因的辅助质粒(辅助T－DNA转移)和不含有Vir基因、含有T－DNA的穿梭质粒，共同转入农杆菌，可提高转化效率。细菌和棉花对密码子偏好不同，为提高翻译效率，增强棉花抗病虫害能力，进行如下操作。回答下列问题： 注：F1～F3，R1～R3表示引物；T－DNA－LB表示左边界；T－DNA－RB表示右边界；Ori表示复制原点；KanR表示卡那霉素抗性基因；HygBR表示潮霉素B抗性基因。 (1)从苏云金杆菌提取DNA时，需加入蛋白酶，其作用是____________________________。提取过程中加入体积分数为95%的预冷酒精，其目的是______________________________________。 (2)本操作中获取目的基因的方法是____________和________。 (3)穿梭质粒中p35s为启动子，其作用是____________________________，驱动目的基因转录；插入两个p35s启动子，其目的可能是____________________________。 (4)根据图中穿梭质粒上的KanR和HygBR两个标记基因的位置，用________基因对应的抗生素初步筛选转化的棉花愈伤组织。 (5)为检测棉花植株是否导入目的基因，提取棉花植株染色体DNA作模板，进行PCR，应选用的引物是________和________。 (6)本研究采用的部分生物技术属于蛋白质工程，理由是________(单选)。 A．通过含有双质粒的农杆菌转化棉花细胞 B．将苏云金杆菌Bt基因导入棉花细胞中表达 C．将1～1 362基因序列改变为棉花细胞偏好的密码子的基因序列 D．用1～1 362合成基因序列和1 363～1 848天然基因序列获得改造的抗虫蛋白 答案　(1)去除蛋白质，提高DNA纯度　溶解蛋白质等物质，析出不溶于酒精的DNA　(2)PCR技术扩增　人工合成　(3)RNA聚合酶识别并结合的部位　提高基因转录的概率(确保目的基因在受体细胞中能够转录)　(4)HygBR　(5)F3　R2　(6)D 解析　(4)结合基因表达载体的示意图，因为只有T－DNA能进入棉花愈伤组织，故根据图中穿梭质粒上的KanR和HygBR两个标记基因的位置，用HygBR基因对应的抗生素初步筛选转化的棉花愈伤组织。 8．(16分)(2025·广东二模)植物发育过程中，造孢细胞发育为花粉母细胞，花粉母细胞经减数分裂产生花粉粒，花粉粒萌发出花粉管进行受精。为调控特定基因在花粉粒中的存活概率，我国科研团队构建了CAIN人工基因驱动系统(简称“CAIN系统”)，该系统由三部分组成(如图)：Cas9/gRNA复合体靶向编辑NPG1基因(该基因编码花粉管发育的必需蛋白)，作为“毒药”阻断花粉粒萌发；重编码的NPG1基因，不受靶向编辑影响，作为“解药”使花粉粒恢复萌发；RFP基因可编码红色荧光蛋白，可根据实际研究需求替换货物基因(目的基因)。 回答下列问题： (1)研究者采用农杆菌转化法将CAIN系统导入野生型拟南芥，需先将其插入Ti质粒的________中。 (2)CAIN系统发挥“毒药—解药”机制的原理：植物花粉母细胞进行减数分裂之前，通过__________________________产生“毒药”效应，经减数分裂，________(填“含有”或“不含有”)CAIN系统的花粉粒才能正常萌发。为实现CAIN系统的“毒药—解药”机制，需选择特定的启动子，则①和③的启动子分别是____________、________(请从P1～P5中选择：P1在所有体细胞中表达；P2在造孢细胞发育过程中表达；P3在花粉母细胞减数分裂期间表达；P4在花粉粒萌发时表达；P5在种子时期表达)。 (3)RFP基因起到____________的作用。结合构建CAIN系统的目的，根据实验结果可知，CAIN系统具有____________________________________的功能。基于CAIN系统的这一功能特点，可利用CAIN系统作用于因长期使用除草剂后大部分杂草出现抗性的农田，通过构建________________________________的CAIN系统，降低抗除草剂杂草的比例。 答案　(1)T－DNA　(2)Cas9/gRNA复合体靶向编辑NPG1基因　含有　P2或P3　P4　(3)标记基因　提高RFP基因在花粉粒中的存活概率(或提高货物基因传递给后代的概率)　将RFP基因替换成对除草剂敏感的基因 解析　(1)农杆菌转化法需将目的基因插入Ti质粒的T－DNA(可转移DNA)中，因为T－DNA能够整合到植物细胞的染色体DNA上。(2)根据图中构建的CAIN人工基因驱动系统分析，其“毒药”效应是在花粉母细胞进行减数分裂之前，Cas9/gRNA复合体靶向编辑NPG1基因(该基因编码花粉管发育的必需蛋白)，作为“毒药”阻断花粉管萌发。重编码的NPG1基因作为“解药”，经过减数分裂，含有CAIN系统的花粉粒因为有“解药”(重编码的NPG1基因)才能正常萌发。图中启动子①是控制Cas9/gRNA复合体表达的，靶向编辑NPG1基因阻断花粉管萌发，要在花粉母细胞减数分裂完成之前发挥作用，所以①的启动子应选择在造孢细胞发育过程中表达的P2，或者在花粉母细胞减数分裂期间表达的P3；③是控制重编码NPG1基因表达的，作为“解药”使花粉粒恢复萌发，要在花粉粒形成后发挥作用，所以③的启动子应选择在花粉粒萌发时表达的P4。(3)RFP基因可编码红色荧光蛋白，其作用是作为标记基因，便于筛选含有CAIN系统的个体。理论上，T1代雄性拟南芥(仅插入一个位点)与野生型杂交的后代中，带红色荧光∶不带红色荧光＝1∶1，但从实验结果(某穗角果种子荧光统计)来看，带红色荧光的更多，说明CAIN系统能够提高RFP基因在花粉粒中的存活概率(或提高货物基因传递给后代的概率)。对于因长期使用除草剂后大部分杂草出现抗性的农田，可构建对除草剂敏感的基因作为货物基因的CAIN系统，这样在杂草繁殖过程中，通过调控CAIN系统，对除草剂敏感的后代存活概率大大提高，从而降低抗除草剂杂草的比例。 9．(16分)(2024·广东，21)驹形杆菌可合成细菌纤维素(BC)并将其分泌到胞外组装成膜。作为一种性能优异的生物材料，BC膜应用广泛。研究者设计了酪氨酸酶(可催化酪氨酸形成黑色素)的光控表达载体，将其转入驹形杆菌后构建出一株能合成BC膜并可实现光控染色的工程菌株，为新型纺织原料的绿色制造及印染工艺升级提供了新思路(图一)。 回答下列问题： (1)研究者优化了培养基的________________(答两点)等营养条件，并控制环境条件，大规模培养工程菌株后可在气液界面处获得BC菌膜(菌体和BC膜的复合物)。 (2)研究者利用T7噬菌体来源的RNA聚合酶(T7RNAP)及蓝光光敏蛋白标签，构建了一种可被蓝光调控的基因表达载体(光控原理见图二a，载体的部分结构见图二b)。构建载体时，选用了通用型启动子PBAD(被工程菌RNA聚合酶识别)和特异型启动子PT7(仅被T7RNAP识别)。为实现蓝光控制染色，启动子①②及③依次为______________，理由是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)光控表达载体携带大观霉素(抗生素)抗性基因。长时间培养时在培养液中加入大观霉素，其作用为____________________________(答两点)。 (4)(4分)根据预设的图案用蓝光照射已长出的BC菌膜并继续培养一段时间，随后将其转至染色池处理，发现只有经蓝光照射的区域被染成黑色，其原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (5)(4分)有企业希望生产其他颜色图案的BC膜。按照上述菌株的构建模式提出一个简单思路：__________________________________________。 答案　(1)碳源、氮源　(2)PT7、PBAD和PBAD　基因2和3正常表达无活性产物，被蓝光激活后再启动基因1表达　(3)抑制杂菌；去除丢失质粒的菌株　(4)该处细胞中T7RNAP被激活，酪氨酸酶基因表达并形成黑色素　(5)将酪氨酸酶替换成催化其他色素合成的酶(或将酪氨酸酶替换成不同颜色蛋白) 解析　(1)微生物生长需要的主要营养物质包括碳源、氮源、水、无机盐，培养不同微生物需要的水是相同的，无机盐基本相似，但是碳源、氮源会存在差异，所以可以优化培养基的碳源、氮源等营养条件，并控制环境条件，大规模培养工程菌。(2)根据图二a分析，蓝光调控的基因表达载体的光控原理是，在蓝光的作用下，细胞中无活性的T7RNAP被激活，变成有活性的T7RNAP，该RNA聚合酶会特异性地与图中启动子PT7结合，从而调控目的基因的表达，根据图二b分析可知，基因1编码的是酪氨酸酶，属于图a中的目的基因，应该在蓝光的调控下才表达，基因2和3编码的是T7RNAP的两个部分，其正常表达的产物是无活性的T7RNAP，所以启动子②和③为通用型启动子PBAD(被工程菌RNA聚合酶识别)，在蓝光的作用下，两者表达的无活性的T7RNAP被激活，再启动基因1表达，所以启动子①是特异型启动子PT7，仅被有活性的T7RNAP识别。(3)光控表达载体携带大观霉素(抗生素)抗性基因，其表达的产物对大观霉素具有抗性，可以作为表达载体的标记基因，因此，长时间培养时在培养液中加入大观霉素，其他微生物由于不具有抗性，生长被抑制，此外，丢失质粒的菌株也不具有抗性被淘汰，从而筛选出具有目的基因的菌株。(4)根据第(2)问分析可知，用蓝光照射已长出的BC菌膜，细胞中T7RNAP被激活，会调控酪氨酸酶基因表达合成酪氨酸酶，随后将其转至含有酪氨酸的染色池处理，只有经蓝光照射的区域，酪氨酸酶会催化酪氨酸形成黑色素，被染成黑色。(5)按照上述菌株的构建模式，要生产其他颜色图案的BC膜，可以构建其他颜色的蓝光表达载体，将原来表达产物酪氨酸酶替换成催化其他色素合成的酶，或将酪氨酸酶替换成不同颜色蛋白。 学科网（北京）股份有限公司 $