高中生物第一章基因工程第一节基因工程概述第1课时基因工程的发展历程和工具同步备课教学案浙科版选修3

高中生物第一章基因工程第一节基因工程概述第1课时基因工程的发展历程和工具同步备课教学案浙科版选修3

第 1 课时 基因工程的发展历程和工具 [学习导航] 1.结合教材 P7～9，简述基因工程的发展历程。2.结合教材 P9～12，举例说出限制性 核酸内切酶和 DNA 连接酶的作用、特点。3.概述质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用。 [重难点击] 基因工程的基本工具的作用和特点。 方式一 抗虫棉的研究开发是我国发展农业转基因技术，打破跨国公司垄断，抢占国际生物 技术制高点的成功事例。抗虫棉的应用使棉铃虫得到了有效控制，使杀虫剂用量降低了 70%～ 80%，有效保护了农业生态环境，减少了农民喷药中毒事故，为棉花生产和农业的可持续发展 做出了巨大贡献。 师：要实现抗虫基因在棉花中的表达，提前要做哪些关键工作？ 生：要将抗虫基因切割下来；要将抗虫基因整合到棉花的 DNA 上。 师：这里存在一个基因转移的实际问题，就是如何将控制抗虫的基因转入棉花细胞的问题。 师：中国有句俗语叫“没有金刚钻儿，不揽瓷器活儿”。科学家们在实施基因工程之前，苦 苦求索，终于找到了实施基因工程的三种“金刚钻儿”，使基因工程的设想成为了现实。这 三种“金刚钻儿”是什么？有什么特点和具体作用？下面我们就来学习这方面的内容。 方式二 科学设想，能否让禾本科植物也能固定空气中的氮？能否让细菌“吐出”蚕丝？能 否让微生物产生人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？经过多年努力，科学家于 20 世纪 70 年 代创立了可以定向改造生物的新技术——基因工程。这一技术是在 DNA 分子水平上进行的， 在微小的 DNA 分子上进行的操作，需要专用的工具。这些工具是什么？各自的作用是什么？ 让我们一起来了解一下吧！ 一、基因工程的发展历程 1．理论与技术基础的发展 1953 年：沃森和克里克建立 DNA 分子双螺旋结构模型。 ↓ 1957 年：科恩伯格等首次发现 DNA 聚合酶。 ↓ 1958 年：梅塞尔森和斯塔尔发现 DNA 半保留复制的机理。克里克提出中心法则。 ↓ 1961～1966 年：尼伦伯格等破译遗传密码。 ↓ 1967 年：罗思和赫林斯基等发现运转工具质粒和 DNA 连接酶。 ↓ 1970 年：特明和巴尔的摩各自在 RNA 病毒中发现逆转录酶。史密斯等人分离到限制性核酸内 切酶。 ↓ 1977 年：桑格首次完成基因组的测序工作。 2．重组 DNA 技术的发展 (1)1972 年科学家伯格等实验 ①过程 猿猴病毒 SV40 的 DNA  ↑ 同一种限制性核酸内切酶 ↓ λ噬菌体的 DNA  ――――→DNA 连接酶重组的杂种 DNA 分子 ②成就：世界上首次 DNA 分子体外重组。 (2)1973 年科学家科恩等实验 大肠杆菌质粒 DNA 含卡那霉素抗性基因 ↑ 同一种限制性核酸内切酶 ↓ 另一种大肠杆菌质粒 DNA 含四环素抗性基因 ――――→DNA 连接酶重组 DNA 分子 ――→转化 大肠杆菌―→子代大肠杆菌(双重抗性) (3)不同物种间 DNA 重组实验 ①过程：非洲爪蟾核糖体蛋白基因的 DNA 片段＋大肠杆菌质粒―→重组 DNA―→大肠杆菌―→ 转录出相应 mRNA。 ②成就：打破了传统的种间遗传物质不能交换的重重壁垒，开创了基因工程。 3．基因工程的概念 方法 人工“剪切”和“拼接”等 原理 对生物的基因进行改造和重新组合(基因重组) 操作水平 基因(分子)水平 目的 产生人类需要的基因产物 操作环境 体外 优点 定向改造生物的遗传性状 1．有性生殖中的基因重组是随机的，且只能在同一物种间进行。基因工程操作导致的基因重 组与前述基因重组有何区别？ 答案 基因工程可以在不同物种间进行基因重组，并且方向性强，可以定向地改变生物的性 状。 2．基因工程的理论基础 (1)不同生物的 DNA 分子能拼接起来的原因分析 ①基本组成单位相同：都是四种脱氧核苷酸。 ②双链 DNA 分子的空间结构相同：都是规则的双螺旋结构。 ③DNA 碱基对之间的关系相同：均遵循严格的碱基互补配对原则。 (2)外源基因能够在受体内表达，并使受体表现出相应的性状的原因分析 ①基因的功能特点：控制生物体性状的结构和功能单位，具有相对独立性。 ②遗传信息的传递方向都遵循中心法则。 ③生物界共用一套遗传密码。 1. 科学家们经过多年的努力，创立了一种新兴生物技术——基因工程，实施该工程的最终目 的是( ) A．定向提取生物体内的 DNA 分子 B．定向地对 DNA 分子进行人工“剪切” C．在生物体外对 DNA 分子进行改造 D．定向地改造生物的遗传性状 答案 D 解析 基因工程能按照人们的意愿通过相关技术操作赋予生物以新的遗传特性。 2．目前，科学家把兔子血红蛋白基因导入大肠杆菌细胞中，在大肠杆菌细胞中合成了兔子的 血红蛋白。下列不是这一先进技术的理论依据的是( ) A．所有生物共用一套遗传密码 B．基因能控制蛋白质的合成 C．兔子血红蛋白基因与大肠杆菌的 DNA 都是由四种脱氧核苷酸构成，都遵循相同的碱基互补 配对原则 D．兔子与大肠杆菌有共同的原始祖先 答案 D 解析 题干表述的是目的基因导入受体细胞并得以表达的过程，目的基因在不同生物细胞中 能够表达出相同的蛋白质，说明控制其合成的信使 RNA 上的密码子是共用的，相同的密码子 决定相同的氨基酸，A 正确；基因是通过转录出信使 RNA，进而控制蛋白质的合成，B 正确； 基因是有遗传效应的 DNA 片段，只要是双链 DNA 都遵循碱基互补配对原则，其组成原料都是 四种脱氧核苷酸，C 正确；生物之间是否有共同的原始祖先与转基因技术之间没有必然关系， D 错误。 二、基因工程操作的两种工具酶 1．“分子手术刀”——限制性核酸内切酶(又称限制酶) (1)来源：主要从原核生物中分离出来。 (2)特点：具有特异性(专一性)。 ①识别 DNA 分子上特定的脱氧核苷酸序列。 ②断开每条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。 (3)识别序列 ①组成：大多数由 6 个核苷酸组成。 ②特点：一般具有回文序列。 (4)作用结果：产生黏性末端或平口末端。 2．“分子针线”——DNA 连接酶 (1)作用：连接 DNA 分子基本骨架之间的磷酸二酯键。 (2)结果：形成重组 DNA 分子。 1．仔细观察下列两种限制酶作用示意图，尝试回答下列问题： (1)两种限制酶的识别序列和切割位点分别是什么？ 答案 EcoRⅠ的识别序列为 GAATTC，切割位点是在 G 和 A 之间。HaeⅢ的识别序列有 AGGCCT， 切割位点在 G 和 C 之间。 (2)由以上分析可知限制酶的作用是什么？有何作用特点？ 答案 限制酶的作用是：能够识别双链 DNA 分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中 特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。特点是特异性地识别和切割双链 DNA 分子。 2．如图 1 所示，E·coliDNA 连接酶和 T4DNA 连接酶均可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来， 相当于把梯子两边的扶手的断口连接起来。DNA 连接酶和限制性核酸内切酶的关系如图 2 所示： 由图可知 DNA 连接酶的作用部位是“①”还是“②”，形成了什么化学键？与限制性核酸内 切酶相比作用部位和作用结果有何异同？ 答案 DNA 连接酶的作用部位为①，形成了磷酸二酯键。DNA 连接酶和限制性核酸内切酶作用 部位都是磷酸二酯键，但作用结果不同，前者是断裂磷酸二酯键，形成 DNA 片段，后者是形 成磷酸二酯键，连接 DNA 片段。 3．DNA 连接酶和 DNA 聚合酶的异同 (1)DNA 连接酶和 DNA 聚合酶均能形成磷酸二酯键，二者的作用对象相同吗？为什么？ 答案 不相同。DNA 连接酶是将两个 DNA 片段连接起来，而 DNA 聚合酶是将单个的脱氧核苷酸 加到已有的 DNA 片段上。 (2)比较 DNA 连接酶和 DNA 聚合酶的异同点 比较项目 DNA 连接酶 DNA 聚合酶 相同点 催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键 不 同 点 模板 不需要模板 需要 DNA 的一条链为模板 作用对象 游离的 DNA 片段 单个的脱氧核苷酸 作用结果 形成完整的 DNA 分子 形成 DNA 分子的一条链 用途 基因工程 DNA 分子复制 4.在下图中标出限制酶、DNA 连接酶、DNA 聚合酶和 DNA 解旋酶的作用部位。 答案 如图所示 限制酶、DNA 连接酶和 DNA 聚合酶作用于 a 处化学键，而解旋酶作用于 b 处化学键。 3．下表为常用的限制性核酸内切酶(限制酶)及其识别序列和切割位点，由此推断以下说法中， 正确的是( ) 限制性核酸内切酶 识别序列和切割位点 限制性核酸内切酶 识别序列和切割位点 BamHⅠ G↓GATCC KpnⅠ GGTAC↓C EcoRⅠ G↓AATTC Sau3AⅠ ↓GATC HindⅡ GTY↓RAC SmaⅠ CCC↓GGG 注：Y 表示 C 或 T，R 表示 A 或 G A．一种限制酶只能识别一种核苷酸序列 B．限制酶切割后一定形成黏性末端 C．不同的限制酶可以形成相同的黏性末端 D．限制酶的切割位点在识别序列内部 答案 C 解析 根据表格内容可以推知，每种限制酶都能识别特定的核苷酸序列，但不一定只能识别 一种序列，如限制酶 HindⅡ，A 项错误；限制酶切割后能形成黏性末端或平口末端，如限制 酶 HindⅡ切割后露出平口末端，B 项错误；不同的限制酶切割后可能形成相同的黏性末端， 如限制酶 BamHⅠ和 Sau3AⅠ切割后露出的黏性末端相同，C 项正确；限制酶的切割位点可以位 于识别序列的外侧，如 Sau3AⅠ，D 项错误。 一题多变 判断正误： (1)一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核糖核苷酸序列( ) (2)限制性核酸内切酶的活性受温度、pH 的影响，总有一个最合适的条件( ) (3)限制性核酸内切酶能破坏相邻脱氧核苷酸之间的化学键( ) (4)限制性核酸内切酶不只存在于原核生物中，其合成场所是核糖体( ) 答案 (1)× (2)√ (3)√ (4)√ 解析 限制性核酸内切酶只能够识别双链 DNA 分子的某种特定的脱氧核苷酸序列，不能识别 RNA 分子的核糖核苷酸序列，(1)错误；同其他的酶一样，限制性核酸内切酶同样受温度和 pH 的影响，而且具有发挥最大催化效率的最适温度和最适 pH，(2)正确；限制性核酸内切酶催化 的是特定部位磷酸二酯键的断裂，属于水解反应，(3)正确；限制性核酸内切酶主要从原核生 物中分离纯化，也有来自真核细胞的，其本质是蛋白质，在核糖体上合成，(4)正确。 4．下列关于 DNA 连接酶作用的叙述，正确的是( ) A．将单个核苷酸加到某个 DNA 片段的末端，形成磷酸二酯键 B．将断开的 2 个 DNA 片段的骨架连接起来，重新形成磷酸二酯键 C．连接 2 条 DNA 链上碱基之间的氢键 D．只能将双链 DNA 片段互补的黏性末端连接起来，而不能将两者之间的平口末端进行连接 答案 B 解析 DNA 连接酶和 DNA 聚合酶都是催化 2 个脱氧核苷酸分子之间形成磷酸二酯键。但 DNA 连 接酶是在 2 个 DNA 片段之间形成磷酸二酯键，将 2 个 DNA 片段连接成重组 DNA 分子；DNA 聚合 酶是将单个的脱氧核苷酸分子加到已存在的 DNA 片段上形成磷酸二酯键，合成新的 DNA 分子。 三、基因工程中的工具——载体 1．常用的载体：质粒、λ噬菌体的衍生物、动、植物病毒等。质粒是最早应用的载体，它是 细菌细胞中的一类祼露的、结构简单、独立于细菌拟核 DNA 之外，并具有自我复制能力的环 状 DNA 分子。 2．质粒的基本结构 (1)重组质粒进入受体细胞后要扩增产生更多的带有目的基因的质粒，因此应具备复制原点。 (2)重组质粒进入受体细胞后要进行鉴定和筛选，一般利用质粒上特殊的标记基因。 (3)为了便于外源 DNA 分子的插入，要求质粒必须有一个至多个限制性核酸内切酶的切割位点。 下图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，据图探究以下问题： 1．a 代表的物质和质粒都能进行自我复制，它们的化学本质都是什么？ 答案 DNA。 2．某目的基因切割末端为 －A －TGCGC ，为使质粒和目的基因连接在一起，质粒应有的一段 核苷酸序列及被限制酶切割的末端分别是什么？ 答案 －ACGCGT－ CGCGT－ －TGCGCA－； A－ 3．氨苄青霉素抗性基因，能控制某物质的合成，该物质能抵抗氨苄青霉素，使含有该基因的 生物能在含氨苄青霉素的环境中存活。因此，氨苄青霉素抗性基因在基因工程载体上能起什 么作用？ 答案 用作标记基因，供重组 DNA 的鉴定与选择。 4．由以上分析总结作为载体必须具备哪些条件？ 答案 作为载体必须具备的条件：(1)必须有一个至多个限制酶切割位点；(2)必须具备自我 复制的能力；(3)必须有标记基因。 拓展提升 标记基因的筛选原理 (1)前提：载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有 抵抗相关抗生素的能力。 (2)过程：含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体细胞内表达，受体细 胞对该抗生素产生抗性，然后在培养基中加入该抗生素。 (3)结果：在培养基上，被抗生素杀死的是没有抗性的受体细胞，没被杀死的具有抗性的受体 细胞得以筛选。如下图： 5．质粒是基因工程中最常用的载体，它存在于许多细菌体内。某细菌质粒上有标记基因如图 所示，通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转入成功。外源基因插入的位置不同， 细菌在培养基上的生长情况也不同，如图所示是外源基因插入位置(插入点有 a、b、c)，请根 据表中提供的细菌生长情况，推测①②③三种重组后细菌的外源基因插入点，正确的一组是 ( ) 细菌在含氨苄青霉素的培养基上的生 长状况 细菌在含四环素的培养基上的生 长状况 ① 能生长 能生长 ② 能生长 不能生长 ③ 不能生长 能生长 A.①是 c；②是 b；③是 a B．①是 a 和 b；②是 a；③是 b C．①是 a 和 b；②是 b；③是 a D．①是 c；②是 a；③是 b 答案 A 解析 ①细菌能在含氨苄青霉素和四环素的培养基上生长，说明抗氨苄青霉素基因和抗四环 素基因没有被破坏，所以插入点是 c。对②细菌来说，能在含氨苄青霉素的培养基上生长，而 不能在含四环素的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因正常而抗四环素基因被破坏，插 入点为 b。③细菌不能在含氨苄青霉素的培养基上生长，说明其抗氨苄青霉素基因被插入而破 坏，故插入点为 a。 一题多变 判断正误： (1)为供外源 DNA 插入质粒，质粒 DNA 分子上有一个至多个限制酶切割位点( ) (2)质粒上的特殊标记基因可以供外源 DNA 片段插入质粒( ) (3)细菌核区的 DNA 也常被用做载体( ) 答案 (1)√ (2)× (3)× 1．下列有关基因工程诞生的说法，不正确的是( ) A．基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科的基础上发展起来的 B．工具酶和载体的发现使基因工程的实施成为可能 C．遗传密码的破译为基因的分离和合成提供了理论依据 D．基因工程必须在同物种间进行 答案 D 解析 基因工程可在不同物种间进行，它可打破生殖隔离的界限，定向改造生物的遗传性状。 2．下列关于限制酶和 DNA 连接酶的说法中，正确的是( ) A．其化学本质都是蛋白质 B．DNA 连接酶可恢复 DNA 分子中的氢键 C．在基因工程中 DNA 聚合酶可以替代 DNA 连接酶 D．限制酶切割后一定能产生黏性末端 答案 A 解析 限制酶和 DNA 连接酶的化学本质都是蛋白质。 3．已知某种限制酶在一线性 DNA 分子上有 3 个酶切位点，如图中箭头所指。如果该线性 DNA 分子在 3 个酶切位点上都被该酶切断，则会产生 a、b、c、d 四种不同长度的 DNA 片段。现有 多个上述线性 DNA 分子，若在每个 DNA 分子上至少有 1 个酶切位点被酶切断，则从理论上讲， 经该酶酶切后，这些线性 DNA 分子最多能产生长度不同的 DNA 片段种类数是( ) A．3 B．4 C．9 D．12 答案 C 解析 解本题的关键是要理解“在每个 DNA 分子上至少有 1 个酶切位点被该酶切断”，即一 个 DNA 分子可能被切了一个位点，也可能被切了两个或三个位点，要分开考虑，不要遗漏和 重复。切一个位点情况下可得到 a 和 bcd、ab 和 cd、abc 和 d；切两个位点情况下可得到 a、 b 和 cd；a、bc 和 d；ab、c 和 d；切三个位点情况下可得到 a、b、c、d。一共可以得到九种 片段，分别是 a、b、c、d、ab、abc、bc、bcd、cd。 4．下列有关细菌质粒的叙述，正确的是 ( ) A．质粒是存在于细菌细胞中的一种颗粒状的细胞器 B．质粒是细菌细胞中能自我复制的小型环状 DNA 分子 C．质粒只有在侵入宿主细胞后在宿主细胞内才能复制 D．细菌质粒的复制过程一定是在宿主细胞外独立进行 答案 B 解析 质粒是细菌细胞质中能自我复制的小型环状 DNA 分子，可以在细菌细胞内或宿主细胞 内复制。 5．通过 DNA 重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。运用这一技术使羊奶中含 有人体蛋白质，如图表示了这一技术的基本过程，在该工程中所用的基因“剪刀”能识别的 序列和切点是—G↓GATCC—，请回答下列问题： (1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是________________________________。 人体蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中时需要的酶是________________。 (2)请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。 —G↓GATCC— ―→ (3)人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊的染色体内，原因是________________________ ________________，“插入”时用的工具是___________________________________， 其种类有______________________________________________。 答案 (1)限制酶 DNA 连接酶 (2) (3)基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的 载体 质粒、动植物病毒、λ噬菌体的 衍生物等 解析 基因工程所用的工具酶是限制酶和 DNA 连接酶。不同生物的基因之所以能整合在一起， 是因为基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的。将目的基因导入受体细胞，离不开 载体的协助，基因工程中用的载体除质粒外，还有动植物病毒、λ噬菌体的衍生物等。 课时作业 [学考达标] 1．切取动物控制合成生长激素的基因，注入鲇鱼受精卵中，与其 DNA 整合后产生生长激素， 从而使鲇鱼比同种正常鱼增大 3～4 倍。此项研究遵循的原理是( ) A．基因突变 B．基因重组 C．细胞工程 D．染色体变异 答案 B 解析 将动物控制合成生长激素的基因注入鲇鱼受精卵中，通过 DNA 复制、转录、翻译合成 特定的蛋白质，表现出特定的性状，此方法依据的原理是基因重组。 2．以下有关基因工程的叙述，正确的是( ) A．基因工程是细胞水平上的生物工程 B．基因工程的产物对人类都是有益的 C．基因工程产生的变异属于基因突变 D．基因工程育种的优点之一是目的性强 答案 D 解析 基因工程是对基因(分子结构)的操作而非细胞水平的操作；基因工程可以创造出符合 人们要求的新产品，但并非一定是对人类有益的；基因工程产生的变异属于基因重组而不是 基因突变；基因工程育种是按照人们的需要进行的，因而目的性强。 3．下列关于限制酶的叙述中，错误的是( ) A．它能在特定位点切割 DNA 分子 B．同一种限制酶切割不同的 DNA 分子产生的黏性末端能够很好地进行碱基配对 C．它能任意切割 DNA，从而产生大量 DNA 片段 D．每一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列 答案 C 解析 限制酶是基因工程的重要工具之一；每种限制酶只能识别特定的核苷酸序列，并在特 定的位点上切割 DNA 分子；同一种限制酶切割不同的 DNA 分子产生的黏性末端能进行互补配 对。 4．下列关于限制酶识别序列和切割部位的特点，叙述错误的是( ) A．所识别的序列都可以找到一条中轴线 B．中轴线两侧的双链 DNA 上的碱基是反向对称重复排列 C．只识别和切割特定的核苷酸序列 D．在任何部位都能将 DNA 切开 答案 D 解析 一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的位点上切割 DNA 分子。 5．下图为 DNA 分子的某一片段，其中①②③分别表示某种酶的作用部位，则相应的酶依次是 ( ) A．DNA 连接酶、限制酶、解旋酶 B．限制酶、解旋酶、DNA 连接酶 C．解旋酶、限制酶、DNA 连接酶 D．限制酶、DNA 连接酶、解旋酶 答案 C 解析 限制酶能够识别双链 DNA 分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的 两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂，形成黏性末端或平口末端；DNA 连接酶是在两个 DNA 片段 之间形成磷酸二酯键；解旋酶能使 DNA 分子双螺旋结构解开，氢键断裂；所以①处是解旋酶 作用部位，②处是限制酶作用部位，③处是 DNA 连接酶作用部位。 6．质粒是基因工程中最常用的目的基因运载工具。下列有关叙述正确的是( ) A．质粒只分布于原核细胞中 B．在所有的质粒上总能找到一个或多个限制酶切割位点 C．携带目的基因的重组质粒只有整合到宿主细胞的染色体 DNA 上才会随后者的复制而复制 D．质粒上的抗性基因常作为标记基因供重组 DNA 的鉴定选择 答案 D 解析 质粒不只分布于原核生物中，在真核生物——酵母菌细胞内也有分布，A 项错误；并不 是所有的质粒都能找到限制酶的切割位点而成为合适的运载目的基因的工具，B 项错误；重组 质粒进入受体细胞后，可以在细胞内自我复制，也可以整合后复制，C 项错误；质粒上的抗性 基因常作为标记基因，D 项正确。 [高考提能] 7．下列说法中不正确的有( ) ①限制酶主要是从真核生物中分离纯化出来的 ②DNA 连接酶都是从原核生物中分离得到的 ③所有限制酶识别的核苷酸序列均由 6 个核苷酸组成 ④不同限制酶切割 DNA 的位点不同 ⑤有的质粒是单链 DNA A．①②④⑤ B．①②③⑤ C．②③④⑤ D．①③④⑤ 答案 B 解析 限制酶主要是从原核生物中分离纯化出来的，有很少量是来自真核生物——酵母菌， ①错误；T4DNA 连接酶来源于 T4 噬菌体(一种病毒)，②错误；EcoR Ⅰ、Sma Ⅰ限制酶识别的 序列均为 6 个核苷酸，也有少数限制酶的识别序列由 4、5 或 8 个核苷酸组成，③错误；不同 限制酶切割 DNA 的位点不同，切割出不同的黏性末端或平口末端，④正确；所有的质粒都是 双链的环状 DNA 分子，⑤错误。故选 B。 8．限制酶 MunⅠ和限制酶 EcoRⅠ的识别序列及切割位点分别是－C↓TTAAG－和－G↓AATTC－。 如图表示的是四种质粒和目的基因，其中箭头所指部位为酶的识别位点，质粒的阴影部分表 示标记基因。适于作为图示目的基因载体的质粒是( ) 答案 A 解析 目的基因两侧有 MunⅠ和 EcoRⅠ两种限制酶的识别序列，用这两种酶切割都可得到目 的基因；B 中质粒无标记基因，不符合作为载体的条件；C、D 中的标记基因都会被破坏。 9．某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶(Amy)基因 a，通过基因工程的方法，将基因 a 与载 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。下列有关这一过程的 叙述不正确的是( ) A．获取基因 a 的限制酶的作用部位是图中的① B．连接基因 a 与载体的 DNA 连接酶的作用部位是图中的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 答案 B 解析 限制酶和 DNA 连接酶的作用部位都是图中的①，但两者作用相反；载体具有在宿主细 胞中复制的能力，与目的基因结合后，目的基因也会在宿主细胞中一起复制；基因工程的目 的就是定向改造生物的遗传性状。 10．下面是四种不同质粒的示意图，其中 ori 为复制必需的序列，Ampr 为氨苄青霉素抗性基因， Tetr 为四环素抗性基因，箭头表示一种限制性核酸内切酶的酶切位点。若要得到一个能在四环 素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长的含重组 DNA 的细胞，应选用的质粒是 ( ) 答案 C 解析 A 项破坏了复制必需的序列。B 项氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因都完好，在四 环素培养基上和氨苄青霉素培养基上都能生长。C 项氨苄青霉素抗性基因被破坏，四环素抗性 基因完好，能在四环素培养基上生长而不能在氨苄青霉素培养基上生长。D 项氨苄青霉素抗性 基因完好，四环素抗性基因被破坏，能在氨苄青霉素培养基上生长而不能在四环素培养基上 生长。 11．基因工程中，需要使用限制酶切割目的基因和质粒，便于重组和筛选。已知限制酶Ⅰ的 识别序列和切点是—G↓GATCC—，限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。 (1)根据已知条件和上图回答下列问题： ①上述质粒用限制酶________切割，目的基因用限制酶__________切割。 ②将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，还要加入适量的______________。 ③请指出质粒上至少要有一个标记基因的理由：_______________________________ ________________________________________________________________________。 (2)不同生物的基因可以拼接的结构基础是_____________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 (1)①Ⅰ Ⅱ ②DNA 连接酶 ③检测重组质粒(或目的基因)是否导入受体细胞 (2)DNA 结构基本相同(其他合理答案亦可) 解析 要形成重组质粒，质粒只能出现一个切口，并且至少保留一个标记基因，因 =====GGATCC CCTAGG序 列在 GeneⅡ上，因此用限制酶Ⅰ切割质粒，保留 GeneⅠ标记基因；目的基因必须切割两次， 切割后产生的黏性末端能与质粒的黏性末端互补， =====GGATCC CCTAGG序列中有酶Ⅱ的切割序列，因此用 酶Ⅱ，产生的黏性末端互补。 12．目前基因工程所用的质粒载体主要是以天然细菌质粒的各种元件为基础重新组建的人工 质粒，pBR322 质粒是较早构建的质粒载体，其主要结构如图一所示。请据图回答下列问题： (1)构建人工质粒时要有抗性基因，以便于________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)pBR322 分子中有单个 EcoRⅠ限制酶作用位点，EcoRⅠ只能识别序列－GAATTC－，并只能 在 G 和 A 之间切割。若在某目的基因的两侧各有 1 个 EcoRⅠ的切点，请画出目的基因两侧被 限制酶 EcoRⅠ切割后所形成的黏性末端：_______________________。 (3)pBR322 分子中另有单个的 BamHⅠ限制酶作用位点，现将经 BamHⅠ处理后的质粒与用另一 种限制酶 BglⅡ处理得到的目的基因，通过 DNA 连接酶作用恢复____________键，成功获得了 重组质粒，说明__________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)为了检测上述重组质粒是否导入原本无 Ampr 和 Tetr 的大肠杆菌，将大肠杆菌在含氨苄青霉 素的培养基上培养，得到如图二的菌落。再将灭菌绒布按到培养基上，使绒布面沾上菌落， 然后将绒布按到含四环素的培养基上培养，得到如图三的结果(空圈表示与图二对照无菌落的 位置)。与图三空圈相对应的图二中的菌落表现型是_______________________________， 图三结果显示，多数大肠杆菌导入的是______________________________________________。 答案 (1)筛选(鉴别)目的基因是否导入受体细胞 (2)如图所示： 目的基因 －G AATTC－……－G AATTC－ －CTTAA G－……－CTTAA G－ (3)磷酸二酯 两种限制酶(BamHⅠ和 BglⅡ)切割得到的黏性末端相同 (4)能抗氨苄青霉素，但不能抗四环素 pBR322 质粒 解析 (1)质粒作为基因表达载体的条件之一是要有抗性基因，以便于筛选(鉴别)目的基因是 否导入受体细胞。(2)同一种限制酶切割 DNA 分子产生的黏性末端相同，图见答案。(3)DNA 连 接酶催化两个 DNA 片段形成磷酸二酯键；而通过 DNA 连接酶作用能将两个 DNA 分子片段连接， 表明经两种限制酶(BamHⅠ和 BglⅡ)切割得到的 DNA 片段，其黏性末端相同。(4)由题意知： 由于有图三空圈相对应的大肠杆菌能在含氨苄青霉素的培养基上生长，而不能在含四环素的 培养基上生长，故可推知与图三空圈相对应的图二中的菌落能抗氨苄青霉素，但不能抗四环 素。由图二、图三结果显示，多数大肠杆菌都能抗氨苄青霉素，而经限制酶 BamHⅠ作用后， 标记基因 Tetr 被破坏，故导入目的基因的大肠杆菌不能抗四环素，即多数大肠杆菌导入的是 pBR322 质粒。 [真题体验] 基因失活(Ampr 表示氨苄青霉素抗性基因，Tetr 表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用 BamHⅠ酶切后，与用 BamHⅠ酶切获得的目的基因混合，加入 DNA 连接酶进行连接反应，用得 到的混合物直接转化大肠杆菌，结果大肠杆菌有的未被转化，有的被转化。被转化的大肠杆 菌有三种，分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大 肠杆菌。请回答下列问题： (1)质粒载体作为基因工程的工具，应具备的基本条件有_________________(答出两点即可)， 而作为基因表达载体，除满足上述基本条件外，还需具有启动子和终止子。 (2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选，在上述四种大肠杆菌细胞中，未被转化的和仅 含环状目的基因的细胞是不能区分的，其原因是_________________________________ ________________________________________________________________________； 并且________________和________________________的细胞也是不能区分的，其原因是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 在上述筛选的基础上，若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌的单菌落，还需 使用含有________的固体培养基。 (3)基因工程中，某些噬菌体经改造后可以作为载体，其 DNA 复制所需的原料来自于 ________________________________________________________________________。 答案 (1)能自我复制、具有标记基因、含一个至多个限制酶切割位点(答出两点即可) (2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因，在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了 目的基因的重组质粒(或答含有重组质粒) 二者均含有氨苄青霉素抗性基因，在该培养基上 均能生长 四环素 (3)受体细胞 解析 (1)作为载体必须具备如下特点：①能自我复制，从而在受体细胞中稳定保存；②含标 记基因，以供重组 DNA 的鉴定和选择；③具一个至多个限制性核酸内切酶切割位点以便外源 DNA 片段插入。(2)在含有氨苄青霉素的培养基上，只有具有 Ampr 的大肠杆菌才能够生长。而 Ampr 位于质粒上，故未被转化的和仅含环状目的基因的大肠杆菌细胞中无 Ampr，故不能在培养 基中生长，而仅含有质粒载体的和含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌均具有 Ampr， 因而能在培养基中生长。目的基因的插入破坏了质粒载体的 Tetr，故含有插入了目的基因的 重组质粒的大肠杆菌不能在含有四环素的平板上生长，从而与仅含有质粒载体的大肠杆菌得 以区分。(3)噬菌体是病毒，无细胞结构，无法自主合成 DNA，需借助宿主细胞完成 DNA 复制。 14．(2012·新课标全国，40 改编)根据基因工程的有关知识，回答下列问题： (1)限制性核酸内切酶切割 DNA 分子后产生的片段，其末端类型有______________和 ________________。 (2)质粒载体用 EcoRⅠ切割后产生的片段如下： AATTC……G G……CTTAA 为使载体与目的基因相连，含有目的基因的 DNA 除可用 EcoRⅠ切割外，还可用另一种限制性 核酸内切酶切割，该酶必须具有的特点是_________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)按其来源不同，基因工程中所使用的 DNA 连接酶有两类，即________DNA 连接酶和 ________DNA 连接酶。 (4)基因工程中除质粒外，______________________和________________也可作为载体。 答案 (1)黏性末端 平口末端 (2)切割产生的 DNA 片段末端与 EcoRⅠ切割产生的相同 (3)E·coli T4(4)λ噬菌体的衍生物 动植物病毒