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2020-2021学年高中生物 第3章 基因工程 3 基因工程的应用作业新人教版选择性必修3

2020-2021学年高中生物 第3章 基因工程 3 基因工程的应用作业新人教版选择性必修3

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- 10 -

基因工程的应用
　(20分钟·70分)
一、选择题(共6小题,每小题5分,共30分)
1.能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是 (　　)
A.单倍体育种 B.杂交育种
C.基因工程育种 D.多倍体育种
【解析】选C。要让动物蛋白在植物体内表达,必须将控制动物蛋白合成的相关基因导入植物细胞中并让其表达,因此需要通过基因工程技术才能实现。
2.上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因牛。他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法,使转基因动物乳汁中的药用蛋白含量提高了30多倍。下列有关叙述正确的是 (　　)
A.“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物
B.“提高基因的表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因
C.只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白,是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中是纯合的
D.转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因,但不发生转录、翻译,故不能合成人白蛋白
【解析】选D。转基因动物是指细胞中被转入了外源基因的动物,并非出现新基因,故A错误;“提高基因的表达水平”是指增强白蛋白基因的表达,白蛋白基因数目没有增多,故B错误;“转基因动物”一般用到的受体细胞是受精卵,发育个体的几乎所有细胞中都有相同的外源基因,故C错误;转基因牛的白蛋白基因也是选择性表达的,在肌肉细胞中不能表达,故D正确。
3.下列有关植物基因工程的成果的叙述正确的是 (　　)
A.转基因抗虫棉改善了作物的品质
B.将毒素蛋白基因直接导入水稻的受精卵,可以得到抗虫水稻
C.转入调节细胞渗透压的基因,有利于植物抗盐碱、抗干旱
D.植物细胞中没有质粒,所以不能利用质粒作为植物基因工程的载体
【解析】选C。转基因抗虫棉使作物获得了抗虫特性但没有改善作物的品质,A错误;将目的基因导入受体细胞前需要先构建基因表达载体,B错误;转入调节细胞渗透压的基因,有利于植物抗盐碱、抗干旱,C正确;可以利用质粒作为植物基因工程的载体,D错误。
4.转基因食品已大量进入我们的日常生活,如转基因西红柿、转基因草莓等,涉及的问题甚至关系到国家之间的贸易竞争。下列关于转基因大豆的叙述不正确的是 (　　)

A.培育过程中可能用到抗病、抗虫等抗性基因
B.目的基因的受体细胞可以是大豆受精卵,也可以是体细胞
C.转基因大豆的种植过程中减少了农药等的使用量,生产成本更低
D.固氮菌的固氮基因也是必需的目的基因之一
【解析】选D。植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力(如抗除草剂、抗虫、抗病等),因此在转基因大豆的培育过程中,有可能用到了抗虫、抗病等抗性基因提高大豆的抗病虫能力,选项A正确;由于大豆细胞具有全能性,因此无论是受精卵还是体细胞都可以作为受体细胞,使目的基因导入后随之遗传,选项B正确;转基因大豆由于抗逆能力提高,自身具有抗虫特性,因此可以减少杀虫农药的使用量,降低生产成本,选项C正确;转基因大豆相比普通大豆而言,其品质得到明显改良,可能转入了抗虫、抗病等基因提高了抗逆性。转入固氮基因对于改善大豆的品质没有明显作用,因此无须将固氮基因作为目的基因,选项D错误。
5.科学家在河南华溪蟹中找到了金属硫蛋白基因,并以质粒为载体,采用转基因方法培育出了硫吸收能力极强的转基因烟草。下列有关该烟草培育的说法正确的是 (　　)
A.金属硫蛋白基因需插入质粒上,才能转移到受体细胞中
B.需用特定的限制酶切割烟草的核酸
C.同种限制酶既可以切割含目的基因的DNA片段,又可以切割质粒,因此不具有专一性
D.转基因烟草与原烟草相比基因组成发生了变化,导致两者出现生殖隔离
【解析】选A。金属硫蛋白基因需插入质粒上,才能转移到受体细胞中,A正确;在基因工程中,需用特定的限制酶切割目的基因和运载体,而不是切割烟草的核酸,B错误;限制酶具有专一性,能识别特定的脱氧核苷酸序列,C错误;转基因烟草与原烟草之间一般不会出现生殖隔离,D错误。
6.目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉,以下说法正确的是 (　　)
A.苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因与质粒结合后直接进入棉花的叶肉细胞表达
B.抗虫基因导入棉花叶肉细胞后,即可通过传粉、受精,使抗虫性状遗传下去
C.标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因
D.转基因抗虫棉即使经过多代种植,棉铃虫也不会产生抗性,这样可以有效消灭棉铃虫
【解析】选C。苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因与质粒结合后,需要将重组质粒先导入农杆菌,运用农杆菌转化法将目的基因导入棉花的叶肉细胞中再表达,选项A错误;抗虫基因导入棉花叶肉细胞后,只有将叶肉细胞通过植物组织培养才可将该基因传给后代,由于生殖细胞中无抗虫基因,凭借传粉、受精的有性生殖方法无法将其抗虫性状遗传给后代,选项B错误;标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因,从而将含有目的基因的细胞筛选出来,选项C正确;转基因抗虫棉经过多代种植后,棉铃虫可能会产生抗性,使抗虫效果有所下降,选项D错误。
二、非选择题(共2小题,共40分)
7.(20分)新冠病毒是RNA病毒,对其进行检测的方法有两种:核酸检测和抗原—抗体杂交检测。如图表示新冠病毒核酸检测的部分流程。

(1)以病毒的RNA为模板通过①____________________过程合成cDNA,再对cDNA进行PCR扩增,整个过程为RT-PCR。 
(2)进行 RT-PCR需要加入的酶是________________和________________。 
(3)一次病毒核酸检测历时需16小时,为了快速检测可采用抗原—抗体杂交,这一技术的关键是要生产出能与新冠病毒结合的特异性抗体。首先向小鼠体内注射________________,从小鼠的________________(器官)中获取已免疫的B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,经过多次______________获得能产生特定抗体的杂交瘤细胞,培养后分离提纯,从而获得大量抗体。该抗体的优点有:_______
_______________________,请举出两例这种抗体在现实中的两大具体应用:______________________________。 
【解析】(1)以RNA为模板合成DNA的过程为逆转录或反转录,故题图中以病毒的RNA为模板合成cDNA的过程为①逆转录,再对cDNA进行PCR扩增,这项技术称为RT-PCR。
(2)RT-PCR是扩增DNA的过程,因为加入的模板是RNA,故需要加入的酶是逆转录酶和Taq酶。
(3)若采用抗原—抗体杂交技术进行病毒检测,需要制备能与新冠病毒结合的特异性抗体,单克隆抗体具有特异性强、灵敏度高且能够大量制备的优势,故设计的思路是设法获得能产生该特异性抗体的杂交瘤细胞,步骤如下:①向小鼠体内注射新冠病毒的抗原蛋白(或灭活的新冠病毒),目的是要获得能产生特异性抗体的效应B细胞;②从免疫小鼠的脾脏中提取B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合,经多次筛选获得能产生特异性抗体的杂交瘤细胞;③将杂交瘤细胞在体外条件下做大规模培养或注射到小鼠腹腔内增殖,从培养液或小鼠腹水中可以提取大量的单克隆抗体。该抗体具有特异性强、灵敏度高、并可大量制备等优点。单克隆抗体可以作为诊断试剂、用于治疗疾病和运载药物等实际应用。
答案:(1)逆转录(反转录)
(2)逆转录酶　Taq酶(热稳定性强的DNA聚合酶)
(3)新冠病毒的抗原蛋白(或灭活的新冠病毒)　脾脏(免疫器官)　筛选　特异性强、灵敏度高、并可大量制备　作为诊断试剂、用于治疗疾病和运载药物
8.(20分)在某些深海鱼中发现的抗冻蛋白基因afp对提高农作物的抗寒能力有较好的应用价值。如图所示是获得转基因莴苣的技术流程,请据图回答下列问题:

(1)获取目的基因的主要途径包括从自然界已有的物种中分离和________
________________。 
(2)①过程需要的酶有__________、__________。 
(3)如果受体细胞C1是土壤农杆菌,则将目的基因导入它的__________上,使目的基因进入受体细胞C2,并将其插入受体细胞C2中__________上,使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达,形成转基因莴苣,经②过程获得的转基因莴苣中的目的基因是否表达,在分子水平上可用__________法进行检测,如果出现杂交带,说明目的基因已经表达蛋白质产品,转基因莴苣培育成功。 
(4)基因工程的应用除了以上之外还有很多,如用转基因动物作器官移植的供体,其主要优点是避免__________反应。 
【解题关键】解答本题需关注以下两点:
(1)图示信息:过程①表示基因表达载体的构建;“受体细胞C1”表示土壤农杆菌细胞;“受体细胞C2”表示植物细胞。
(2)关键信息:将目的基因导入植物受体细胞最常用的方法是土壤农杆菌转化法。
【解析】(1)目的基因的获取可采取直接分离的方法,也可以采用人工方法合成,人工合成目的基因的常用方法有反转录法和化学合成法。
(2)提取目的基因需限制酶,将目的基因与载体结合需DNA连接酶,故①过程需要的酶有限制酶和DNA连接酶。
(3)将目的基因导入植物受体细胞最常用的方法是农杆菌转化法,将目的基因导入它的Ti质粒的T-DNA上,使目的基因进入受体细胞C2,并将其插入受体细胞C2中染色体DNA上,使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达,形成转基因莴苣。检测目的基因是否翻译成蛋白质,方法是从转基因生物中提取蛋白质,用相应的抗体进行抗原—抗体杂交。
(4)基因工程的应用还有很多,如用转基因动物作器官移植的供体,其主要优点是避免免疫排斥反应。
答案:(1)(用反转录等方法进行)人工合成
(2)限制酶　DNA连接酶
(3)Ti质粒的T-DNA　染色体DNA
抗原—抗体杂交
(4)免疫排斥
(10分钟·30分)
1.(6分)科学家将正常的腺苷脱氨酶(ADA)基因转入缺乏该基因的患者血液的T细胞中,重组T细胞大量增殖后回输到体内,用于治疗严重的复合免疫缺陷症(SCID),过程如下图所示。下列说法错误的是 (　　)

A.图中的病毒可作为携带ADA基因进入T细胞的载体
B.T细胞1是受体细胞,回输前可能需要对T细胞2严格筛选
C.需要在无菌、无毒的环境下培养T细胞1和T细胞2
D.此治疗方法较为可靠,患者的T细胞均能合成ADA
【解析选D。由图示过程可以看出,以病毒为载体,携带人的正常ADA基因进入T细胞1,A正确;从图示过程可以判断T细胞1是受体细胞,T细胞2为重组细胞,因基因表达受很多条件影响,回输前必需对T细胞2进行筛选,筛选出ADA基因能正常表达的T细胞2,B正确;由动物细胞培养的条件可知,在动物细胞体外培养时,首先要保证被培养的细胞处于无菌、无毒的环境,C正确;患者体内的T细胞,有的是来自自身细胞的分化,有的是来自回输的,只有回输的T细胞才能合成ADA,D错误。
2.(6分)(不定项)乙烯生物合成酶基因可以控制乙烯的合成,科学家将该基因的反义基因导入番茄细胞内,培育转基因延熟番茄,延长其储藏期。反义基因的作用机制如图所示,下列说法正确的是 (　　)

A.有意义mRNA和反义mRNA是通过相应基因转录而来的
B.乙烯生物合成酶基因的模板链的序列与反义基因的是互补的
C.乙烯是乙烯生物合成酶基因的表达产物,可促进果实成熟
D.因为不存在核糖体,所以无乙烯生物合成酶生成
【解析】选A、B。由图示可以看出,有意义mRNA和反义mRNA是通过相应基因转录而来的,A正确;由图示原理,反义mRNA能够与乙烯生物合成酶基因转录出来的有意义mRNA进行杂交形成双链,并且有意义mRNA和反义mRNA是通过相应基因转录而来的,所以,可以推测乙烯生物合成酶基因的模板链的序列与反义基因的模板链是互补的,B正确;乙烯生物合成酶基因的表达产物是酶,可以控制乙烯的合成,乙烯不是其表达产物,C错误;翻译过程是以mRNA为模板合成蛋白质的过程,图示两种mRNA杂交在一起进而阻断了乙烯生物合成酶基因的有意义mRNA的翻译过程,D错误。
【实验·探究】
3.(18分)(2020·山东等级考)水稻胚乳中含直链淀粉和支链淀粉,直链淀粉所占比例越小糯性越强。科研人员将能表达出基因编辑系统的DNA序列转入水稻,实现了对直链淀粉合成酶基因(Wx基因)启动子序列的定点编辑,从而获得了3个突变品系。

(1)将能表达出基因编辑系统的DNA序列插入Ti质粒构建重组载体时,所需的酶是__________,重组载体进入水稻细胞并在细胞内维持稳定和表达的过程称为__________。 
(2)根据启动子的作用推测,Wx基因启动子序列的改变影响了____________,从而改变了Wx基因的转录水平。与野生型水稻相比,3个突变品系中Wx基因控制合成的直链淀粉合成酶的氨基酸序列__________(填“发生”或“不发生”)改变,原因是 ______________________。 
(3)为检测启动子变化对Wx基因表达的影响,科研人员需要检测Wx基因转录产生的mRNA(Wx mRNA)的量。检测时分别提取各品系胚乳中的总RNA,经__________过程获得总cDNA。通过PCR技术可在总cDNA中专一性的扩增出Wx基因的cDNA,原因是________________________________________。 
(4)各品系Wx mRNA量的检测结果如图所示,据图推测糯性最强的品系为______________,原因是________________________________________。 
【解析】本题主要考查基因工程的知识。
(1)将目的基因和质粒构建成重组载体时,需要使用的酶是限制性核酸内切酶和DNA连接酶,将重组载体导入受体细胞内并维持稳定表达的过程称为转化。(2)启动子是RNA聚合酶识别并结合的位点,Wx启动子序列的改变会影响RNA聚合酶与启动子识别和结合,从而影响基因的转录过程。根据题意可知,该基因工程中编辑的是启动子序列,而启动子序列不参与编码直链淀粉的氨基酸,因此3种突变品系中Wx基因控制合成的直链淀粉的氨基酸序列不发生改变。(3)以细胞中的RNA为原料合成cDNA的过程需经逆转录过程,PCR技术能扩增DNA分子中特定片段的目的基因,原因是引物是根据Wx基因的一段已知序列设计合成的,而PCR技术扩增的是处于两种引物之间的DNA序列。(4)根据图示可知,品系3的Wx mRNA最少,控制合成的直链淀粉合成酶最少,直链淀粉合成量最少,糯性最强。
答案:(1)限制性核酸内切酶和DNA连接酶　 转化
(2)RNA聚合酶与启动子识别和结合　不发生　 编码直链淀粉合成酶的碱基序列中不含启动子　
(3)逆转录　引物是根据Wx基因的一段已知序列设计合成的
(4)品系3　 品系3的Wx mRNA最少,控制合成的直链淀粉合成酶最少,直链淀粉合成量最少,糯性最强
【补偿训练】
　　我国科学家屠呦呦因青蒿素的研究荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素是目前世界上最有效的治疗疟疾药物,为青蒿植株的次级代谢产物,其化学本质是一种萜类化合物,其生物合成途径如图1所示。正常青蒿植株的青蒿素产量很低,难以满足临床需求,科学家为了提高青蒿素产量,将棉花中的FPP合成酶基因导入了青蒿植株并让其成功表达,获得了高产青蒿植株,过程如图2所示。

(1)研究人员从棉花基因文库中获取FPP合成酶基因后,可以采用____________技术对该目的基因进行大量扩增,该技术除了需要提供模板和游离的脱氧核苷酸外,还需要提供__________________、____________________等条件。
(2)图2中的①为____________________,形成过程中需要________________等;棉花FPP合成酶基因能够和质粒连接成①的主要原因是__________________
________________________。(3)若②不能在含有抗生素Kan的培养基上生存,则原因是_________
(4)由题意可知,除了通过提高FPP的含量来提高青蒿素的产量外,还可以通过哪些途径来提高青蒿素的产量?(试举一例)__________________。
【解析】(1)PCR技术可在体外快速扩增目的基因,PCR的条件:模板(目的基因)、原料(四种脱氧核苷酸)、引物、热稳定DNA聚合酶。(2)图2中的①为构建的基因表达载体(重组质粒),形成过程中需要限制酶切割目的基因和载体,再用DNA连接酶连接。由于切割棉花FPP合成酶基因和质粒后,具有相同的黏性末端,两者能够连接成①基因表达载体。(3)重组质粒中含有标记基因,若②不能在含抗生素Kan的培养基上生长,说明重组质粒未导入农杆菌。(4)据图分析可知,FPP在ADS基因表达的情况下,生成青蒿素,或者抑制SQS基因的表达,降低FPP生成其他萜类化合物的量,因此要提高青蒿素的产量,可以通过抑制SQS基因的表达(或增强ADS基因的表达)这些途径。
答案:(1)PCR　引物　热稳定DNA聚合酶
(2)基因表达载体(重组质粒)　限制酶和DNA连接酶　切割后具有相同的黏性末端
(3)重组质粒没有导入农杆菌
(4)抑制SQS基因的表达(或增强ADS基因的表达)