第2节 基因工程及其应用

【典例导悟】

【典例1】(2010·三明高一检测)科学家把苏云金杆菌的抗虫基因导入到棉花细胞中，在棉花细胞中抗虫基因经过修饰后得以表达。下列叙述的哪一项不是这一技术的理论依据

A.所有生物共用一套遗传密码子

B.基因能控制蛋白质的合成

C.苏云金杆菌的抗虫基因与棉花细胞的DNA都是由四种脱氧核苷酸构成的

D.苏云金杆菌与棉花有共同的原始祖先

【规范解答】选D。本题主要考查了基因工程成功的理论基础。分析如下：

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【典例2】下图为DNA分子在不同酶的作用下所发生

的变化，图中依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序是

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A.①②③④ B.①②④③

C.①④②③ D.①④③②

【思路点拨】本题主要考查不同酶的特点。解答本题，可以从以下角度分析：

【自主解答】选C。限制性核酸内切酶用于切割DNA片段，而与之作用相反的是DNA连接酶，用于连接DNA片段，DNA聚合酶用于DNA的复制过程，它需要模板，解旋酶会使DNA双链解旋而分开。

【互动探究】（1）若图中④只以一条链为模板进行物质合成，则需要哪种酶？

（2）图中③可以发生在哪些生理过程中？

提示：（1）RNA聚合酶。

（2）DNA复制，DNA转录。

【学业达标训练】

1.(2010·惠阳高一检测）实施基因工程的最终目的是（ ）

A.提取生物体DNA分子

B.对DNA分子进行人工“剪切”

C.定向改造生物的遗传性状

D.在生物体外对DNA分子进行改造

【解析】选C。基因工程就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后导入另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。

2.下列黏性末端由同一种限制酶切割而成的是( )

A.①② B.①③ C.①④ D.②③

【解析】选B。同一种限制酶切割出的黏性末端应是互补的，而且两者的序列相同，①③是互补的，切点都是在G与A之间，识别序列为GAATTC。

3.下列有关基因工程中运载体的说法正确的是（ ）

A.在进行基因工程的操作中，作为运载体的质粒都是天然质粒

B.所有的质粒都可以作为基因工程中的运载体

C.质粒是一种独立于细菌染色体外的链状DNA分子

D.作为运载体的质粒DNA分子上应有对重组DNA分子进行鉴定和选择的标记基因

【解析】选D。质粒是存在于拟核或细胞核外能自主复制的环状DNA分子，并不是所有的质粒都可作为运载体，其上面必须有标记基因，用于受体细胞中目的基因的检测。

4.水母发光蛋白由236个氨基酸构成，其中Asp、Gly和Ser构成发光环，现已将这种蛋白质的基因作为生物转基因的标记，在转基因技术中，这种蛋白质的作用是（ ）

A.促使目的基因导入受体细胞中

B.促使目的基因在受体细胞中复制

C.筛选出获得目的基因的受体细胞

D.使目的基因容易成功表达

【解析】选C。标记基因的作用是用于检测目的基因的导入，荧光蛋白也具有相应的作用。

5.运用现代生物技术，将苏云金杆菌的抗虫基因整合到棉花细胞中，为检测实验是否成功，最方便的方法是检测棉花植株是否有（ ）

A.抗虫基因 B.抗虫基因的产物

C.标记基因 D.抗虫性状

【解析】选D。选项A、B、C都是分子水平上的鉴定，而抗虫性状属于个体水平，相对宏观，易应用。

6.利用基因工程，将目的基因导入受体细胞并成功表达的过程中与“基因”的生理活动无关的酶是（ ）

A.RNA聚合酶 B.DNA聚合酶

C.DNA连接酶 D.逆转录酶

【解析】选D。将目的基因与运载体结合要使用DNA连接酶和限制性核酸内切酶，而目的基因与运载体组成的重组DNA分子可以在受体细胞内复制并表达，会用到DNA聚合酶、RNA聚合酶等，但不会用到逆转录酶。

7.下列有关基因工程技术的叙述，正确的是（ ）

A.重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、DNA连接酶和运载体

B.所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列

C.选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细菌繁殖快

D.只要目的基因进入了受体细胞就能实现成功表达

【解析】选C。基因工程中有三种工具：限制酶、DNA连接酶和运载体，而工具酶只有前两者，一种限制酶只能识别特定核苷酸序列，而不同酶识别不同序列，在获取目的基因产物时，受体细胞选用细菌，因其繁殖快，从而使产量加大，目的基因的表达与重组DNA分子结构有关，不一定能够表达，仍需要检测。

8.如图表示一项重要生物技术的关键步骤，字母X可能代表（ ）

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A.能合成胰岛素的细菌细胞

B.能合成抗体的人类细胞

C.不能合成胰岛素的细菌细胞

D.不能合成抗生素的人类细胞

【解析】选A。在字母X中已有目的基因导入，所以X可能代表能合成胰岛素的细菌细胞。

9.中国青年科学家成功地把人的抗病毒干扰素基因“嫁接”到烟草的DNA分子上，使烟草获得了抗病毒的能力，试分析回答：

（1）抗病毒烟草的培育应用了_______技术。

（2）在培育过程中，所用的基因“剪刀”是____，基因的“针线”是______，基因的“运载工具”是__________。

（3）烟草具有抗病毒能力，说明烟草体内产生了_______。

（4）烟草DNA分子被“嫁接”上或“切割”掉某个基因，但并不影响该基因的表达，从基因功能角度考虑，说明_______________________________________。

【解析】（1）基因工程能定向改变生物的特定性状。

（2）基因工程中有三大工具：分别是剪切目的基因的限制酶，连接目的基因和运载体的DNA连接酶及运载体。

（3）烟草具有了相应性状，说明目的基因已经表达，产生了相应蛋白质。

（4）基因不会因位置发生变化而丧失功能，说明它是遗传物质的基本单位。

答案：（1）基因工程

（2）限制性核酸内切酶 DNA连接酶 运载体

（3）抗病毒干扰素

（4）基因是遗传物质的基本单位

【素能综合检测】

一、选择题（本题包括6小题，每小题3分，共18分）

1.（2010·广州高一检测）下列关于基因工程的叙述，正确的是（ ）

A.通常用一种限制性核酸内切酶处理含目的基因的DNA，用另一种处理质粒的DNA

B.DNA连接酶和运载体是构建重组质粒必需的工具酶

C.可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒

D.质粒是广泛存在于细菌细胞质中的一种颗粒状的细胞器

【解析】选C。为了使目的基因与运载体能完美的结合，必须用同一种限制性核酸内切酶切出相同的黏性末端，运载体是基因工程的工具之一，而不属于酶，质粒是细菌细胞中的小型环状DNA分子，不属于细胞器。

2.由于乙肝病毒不能用动物细胞来培养，因此无法用细胞培养的方法生产疫苗，但可用基因工程的方法进行生产，现已知病毒的核心蛋白和表面抗原蛋白的氨基酸序列，生产示意图如下，下列相关说法不正确的是（ ）

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A.生产乙肝疫苗的过程也达到了定向改造细菌的目的

B.在①②过程中需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶

C.用于生产疫苗的目的基因为编码核心蛋白的基因和表面抗原蛋白基因

D.③过程中细菌经有丝分裂产生大量新个体

【解析】选D。上述过程应用了基因工程技术，能定向改造生物性状，在操作时要应用限制酶来获得目的基因，并用DNA连接酶使之与运载体结合，该过程的目的基因为表面抗原蛋白基因和编码核心蛋白的基因，细菌属原核生物，不能进行有丝分裂。

3.下列关于限制酶和DNA连接酶的理解正确的是( )

A.其化学本质都是蛋白质

B.DNA连接酶可以恢复DNA分子中的氢键

C.它们不能被反复使用

D.在基因工程操作中可以用DNA聚合酶代替DNA连接酶

【解析】选A。限制酶和DNA连接酶都属于蛋白质，在保持活性时可以被反复使用，DNA连接酶与DNA聚合酶恢复的都是磷酸二酯键，但两者作用的底物不同。

4.（2010·台州高一检测）某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶(Amy)基因a，通过用基因工程的方法，将基因a与运载体结合后导入马铃薯植株中，经检测发现Amy在成熟块茎细胞中存在。结合图形分析下列有关这一过程的叙述不正确的是（ ）

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A.获取基因a的限制酶其作用部位是图中的①

B.连接基因a与运载体的DNA连接酶其作用部位是图中的②

C.基因a进入马铃薯细胞后，可随马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞

D.通过该技术人类实现了定向改造马铃薯的遗传性状

【解析】选B。限制酶和DNA连接酶均作用于①处，作用相反，目的基因进入受体细胞后，会随着马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞，使之定向变异，从而改变其遗传性状。

5.下列关于基因工程安全性的说法中不正确的是（ ）

A.转基因作物的基因可通过花粉扩散到它的近亲作物上，可能出现对农业不利的“超级植物”

B.杂草、害虫从它的近亲获得抗性基因，可能破坏生态系统的稳定性

C.转基因必须在人为控制下才能完成，自然条件下基因污染是不增殖和不扩散的

D.转基因食品转入的蛋白质是新蛋白时，这些异种蛋白有可能引起人食物过敏

【解析】选C。转基因食品、生物的安全性是有待讨论的，像抗除草剂的杂草是由于基因污染而产生的。

6.下列关于基因工程的说法中正确的有（多选）（ ）

A.一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列

B.DNA聚合酶可以用来“缝合”目的基因与运载体之间的缺口

C.“不同的DNA分子具有相同的双螺旋结构”是基因工程成功实施的基础

D.黏性末端碱基对之间的连接需要DNA连接酶的催化

【解析】选A、C。DNA连接酶作用于磷酸与脱氧核糖之间，进而使目的基因与运载体“缝合”，而“缝合”的前提是两者的结构是相同的，黏性末端碱基对之间的连接不需要酶的催化。

二、非选择题（本题包括2小题，共32分）

7.(15分）随着科学技术的发展，化学农药的产量和品种逐年增加。但害虫的抗药性也在不断增强，对农作物危害仍然严重，如近年来，棉铃虫在我国大面积爆发成灾，造成经济损失每年达100亿元以上。针对这一情况，科学家开展了“转基因抗虫棉”的科技攻关研究，成功地将抗虫基因导入棉花细胞中，得到的棉花新品种对棉铃虫的毒杀效果高达80％以上。

请据此回答下列问题：

(1)“转基因抗虫棉”抗害虫的遗传信息传递过程可以表示为____________________。

（2）该项科技成果在环境保护上的重要作用是________。

（3）科学家们预言，此种“转基因抗虫棉”在独立种植若干代以后，也将出现不抗虫的植株，此现象来源于_________。

（4）来自细菌的抗虫基因能连接到棉花细胞中的DNA分子上，原因是________________。

（5）细菌的抗虫基因能在棉花细胞内成功的表达，使棉花产生新性状。这种变异的原理属于______。这种成功的表达也说明__________________________。

【解析】（1）遗传信息在受体细胞中经转录和翻译后产生相应产物。

（2）抗虫棉的使用会减少农药的使用，减少对环境的污染。

（3）基因突变具有普遍性，所以抗虫基因也可能发生基因突变。

（4）两种不同生物的DNA分子结构是相同的，这是它们能够连接的前提。

（5）基因工程的原理为基因重组，不同种生物在翻译时共用一套密码子，这是表达出相同产物的前提。

答案：（1）DNA(基因)→RNA→蛋白质

（2）减轻农药对环境的污染，保持生态平衡

（3）基因突变

（4）遗传物质化学组成相同，都遵循碱基互补配对原则

（5）基因重组 生物界共用一套遗传密码

［实验·探究］

8.（17分）质粒是基因工程中最常用的运载体，质粒上有标记基因，如图所示，通过标记基因可推知外源基因插入的位置，插入位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同。下图表示外源基因的插入位置（插入点有a、b、c）。

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Ⅰ.(1)质粒的基本组成单位是___________。

（2）将细菌放在含有四环素、氨苄青霉素中培养，属于基因工程操作中的_________步骤。

（3）在插入外源基因过程中用到的工具酶有__________。

Ⅱ.设计实验探究外源基因插入的位置。

（1）步骤：

①将导入外源基因的细菌进行培养产生大量细菌。

②分组：将细菌平均分成两组并标号为1，2。

③培养：________________________。

④观察并记录结果。

（2）预测实验结果及结论：

________________________________________________________________________。

【解析】本题主要考查基因工程的步骤及运载体的特点和使用。

Ⅰ.质粒是一种小型环状DNA分子，含有标记基因是作为运载体的前提，它可以用于目的基因的检测。

Ⅱ.本实验中的特点是若目的基因插入b或c处时就会破坏运载体上原有的标记基因，使细菌不再具有相应的抗性性状，所以应放在含有不同抗生素的培养基上进行培养，观察结果得出相应结论。

答案：Ⅰ.（1）脱氧核苷酸

（2）目的基因的检测

（3）限制性核酸内切酶、DNA连接酶

Ⅱ.（1）③将第1组细菌放入含氨苄青霉素的培养基上培养，将第2组细菌放入含四环素的培养基中培养

（2）若1组、2组均能正常生长，则外源基因插入点是a；若1组能正常生长，2组不能生长，则外源基因插入点是c；若1组不能生长，2组能生长，则外源基因插入点是b

【精品题库】

1.采用基因工程的方法培育抗虫棉时，下列导入目的基因的做法，正确的是（ ）

①将毒素蛋白注射到棉受精卵中

②将编码毒素蛋白的DNA序列直接注射到棉受精卵中

③将编码毒素蛋白的DNA序列与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉花体细胞，再进行组织培养

④将编码毒素蛋白的DNA序列与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵

A.①② B.②③ C.③④ D.①④

【解析】选C。基因工程中，在导入目的基因前，首先要获得目的基因即编码毒素蛋白的DNA序列，然后要将目的基因与运载体结合即与细菌质粒重组。完成上述两步以后才能将目的基因导入受体细胞（即棉的体细胞或受精卵），目的基因导入受体细胞后，可随受体细胞的繁殖而复制。将毒素蛋白直接注射到棉受精卵中，没有获得目的基因，子代细胞不会有抗虫性状。将编码毒素蛋白的DNA序列，直接注射到棉受精卵中而没有将目的基因与运载体结合，这样目的基因是不会被保留下来的，很容易被水解掉。

2.对DNA连接酶的功能描述正确的是( )

A.将碱基、脱氧核糖、磷酸之间的化学键连接起来

B.在基因工程中只作用于一个切口处的两个黏性末端

C.用于DNA复制时母链与子链间形成氢键

D.与DNA聚合酶作用的部位相同，作用对象不同

【解析】选D。DNA连接酶作用部位为磷酸二酯键，在基因工程中作用于两个切口的黏性末端，DNA聚合酶也是作用于磷酸二酯键，作用对象为游离的脱氧核苷酸。

3.敲除是应用DNA重组原理发展起来的一门新兴技术。通常意义上的基因敲除主要是应用DNA重组原理，用设计好的DNA片段替代动物细胞内的基因片段，从而达到基因敲除的目的。运用基因重组进行基因敲除是构建基因敲除动物模型中最普遍的使用方法，其基本原理如图所示。

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请回答下列问题：

（1）在把与靶基因序列同源的目的基因导入受体细胞前，应选择一个合适的运载体与之结合，形成的DNA分子称为______，在这个过程中所需的工具酶有______和____。

（2）如果要获得一只含目的基因的小鼠，则选择的受体细胞应该是_____________。

（3）上述途径获得的动物，其后代是否都含目的基因。为什么？_______________________。

（4）以质粒为运载体，用同一种限制酶切割质粒和目的基因，在切割后的运载体与目的基因连接时，连接方式有________种。

（5）上述过程实现的重组类似于减数分裂中_________时期的______________现象。

【解析】（1）基因工程中常用的工具酶为限制酶和DNA连接酶，目的基因与运载体结合后形成重组DNA分子。

（2）由于动物体细胞的全能性较低，应用受精卵作为受体细胞。

（3）由于在受精卵中只存在一个目的基因，在形成配子的过程中等位基因分离，一半配子中不含目的基因。

（4）由于经切割后的目的基因和运载体具有相同的黏性末端，在DNA连接酶的作用下运载体和运载体、目的基因和目的基因、运载体和目的基因都有可能连接。

（5）由图中可知应为个别基因的替换，类似于减数第一次分裂前期的交叉互换现象。

答案：（1）重组DNA分子 限制酶 DNA连接酶

（2）受精卵

（3）否，在形成生殖细胞时等位基因会发生分离

（4）3

（5）四分体 交叉互换

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