现代生物科技专题突破

刘江洲　舒洲　田奇林

现代生物科技专题主要介绍一些生物重要领域的研究热点、发展趋势和应用前景，考生往往因缺乏亲身感受和体验而有“高不可攀”的感觉。现就该模块考点做一盘点，以帮助大家把握主要考点和考向，提升解题能力。

一、基因工程

【应考必备】

1.基本工具

2.基本步骤

（1）目的基因的获取：从基因文库中获取、PCR技术扩增、用化学方法人工合成。

（2）基因表达载体的构建（目的基因+启动子+终止子+标记基因等）。

（3）将目的基因导入受体细胞：

导入植物：农杆菌转化法、基因枪法（导入体细胞）及花粉管通道法（导入受精卵）。

导入动物：显微注射法导入受精卵或体细胞（基因治疗）。

导入微生物细胞：感受态细胞法（用Ca2+处理，增加细胞膜的通透性）。

（4）目的基因的检测与鉴定：插入检测（DNA分子杂交）→转录检测（DNA-RNA分子杂交）→翻译检测（抗原-抗体杂交）→个体水平检测（抗性接种实验）。

【考题精析】（2014·海南）下面是将某细菌的基因A导入大肠杆菌内，制备“工程菌”的示意图。请据图回答：

（1）获得A有两条途径：一是以A的mRNA为模板，在_____________的催化下，合成互补的单链DNA，然后在_____________作用下合成双链DNA，从而获得所需基因；二是根据目标蛋白质的 序列，推测出相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测其DNA的_____________序列，再通过化学方法合成所需基因。

（2）利用PCR技术扩增DNA时，需要在反应体系中添加的有机物质有_____________、_____________、4种脱氧核苷酸和耐热性的DNA聚合酶，扩增过程可以在PCR扩增仪中完成。

（3）由A和载体B拼接形成的C通常称为 。

（4）在基因工程中，常用Ca2+处理D，其目的是

__________________________ 。

精析：（1）利用逆转录法合成目的基因的过程是：以mRNA为模板，在逆转录酶的催化作用下合成单链DNA，然后在DNA聚合酶的作用下，合成双链DNA分子。根据蛋白质工程合成目的基因的过程是：根据目标蛋白质的氨基酸序列，推测相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测DNA中脱氧核苷酸的排列顺序，再通过化学方法合成。（2）PCR过程中需要酶、底物、模板、引物和能量等条件。（3）目的基因和载体结合，形成基因表达载体。（4）在利用大肠杆菌作受体细胞时，需要先用Ca2+处理，使之成为感受态细胞，有利于其吸收重组DNA分子。

答案：（1）逆转录酶 DNA聚合酶 氨基酸 脱氧核苷酸 （2）引物 模板（目的基因或A基因） （3）基因表达载体 （4）使其成为感受态细胞，使大肠杆菌更容易吸收重组DNA分子

引申拓展：作为载体必须具有一个至多个限制酶切点，以便与外源基因连接；载体上每种酶的切点最好只有一个，防止切割重组后可能会丢失某些片段（若丢失的片段含复制起点区，则进入受体细胞后便不能自主复制）；目的基因的两端最好用不同限制酶切，可以防止自身的黏性末端连接以及目的基因与载体反向连接。

【考题预测】从牛胃液中分离到的凝乳酶以催化能力强而被广泛应用，研究人员运用基因工程技术，将编码该酶的基因转移到了微生物细胞中。

（1） 从牛胃细胞中提取 ，再逆转录形成cDNA。以此cDNA为模板PCR扩增目的基因，有时需要在引物的5，端设计 （限制酶，DNA连接酶，RNA 聚合酶）识别序列，以便构建重组DNA分子。

（2）构建重组DNA分子（如图所示）最好选用________限制酶，理由是 。

（3）工业化生产过程中，最初多采用重组大肠杆菌或芽孢杆菌生产凝乳酶，现多采用重组毛霉生产，毛霉作为受体细胞的优势是 。

（4） 研究发现，如果将该凝乳酶20位和24位氨基酸改变为半胱氨酸，其催化能力将提高2倍。通过蛋白质工程生产高效凝乳酶，所需步骤有 。

a.蛋白质的结构设计

b.蛋白质的结构和功能分析

c.蛋白质结构的定向改造

d.凝乳酶基因的定向改造

e.将改造后的凝乳酶基因导入受体细胞

f.将定向改造的凝乳酶导入受体细胞

答案：（1）mRNA 限制酶 （2）BamH I和Pst I 提高重组DNA分子的比例（防止自身的黏性末端连接，防止目的基因与载体反向连接） （3）含有内质网和高尔基体，可对蛋白质进行加工和修饰 （4）b、a、d、e（选择对即可得分，不要求排序）

二、细胞工程

【应考必备】1.两种细胞工程过程比较

2. 克隆动物培育流程图

【考题精析】（2014·新课标Ⅰ）某研究者用抗原（A）分别免疫3只同种小鼠（X、Y和Z），每只小鼠免疫5次，每次免疫一周后测定各小鼠血清抗体的效价（能检测出抗原抗体反应的血清最大稀释倍数），结果如图所示。

若要制备杂交瘤细胞，需取免疫后小鼠的B淋巴细胞（染色体数目40条），并将该细胞与体外培养的小鼠骨髓瘤细胞（染色体数目60条）按一定比例加入试管中，再加入聚乙二醇诱导细胞融合，经筛选培养及抗体检测，得到不断分泌抗A抗体的杂交瘤细胞。回答下列问题：

（1）制备融合所需的B淋巴细胞时，所用免疫小鼠的血清抗体效价需达到16 000以上，则小鼠最少需要经过 次免疫后才能有符合要求的。达到要求后的X、Y、Z这3只免疫小鼠中，最适合用于制备B淋巴细胞的是 小鼠，理由是_____________。

（2）细胞融合实验完成后，融合体系中除含有未融合的细胞和杂交瘤细胞外，可能还有_____________，体系中出现多种类型细胞的原因是__________________________ 。

（3）杂交瘤细胞中有 个细胞核，染色体数目最多是 条。

（4）未融合的B淋巴细胞经多次传代培养后都不能存活，原因是_______________________________________ 。

精析：（1）据图分析，第4次免疫后小鼠Y的血清抗体效价达到 16 000 以上。达到要求后的 X、Y、Z 这3只小鼠中，小鼠 Y 的 B 淋巴细胞产生抗体效价最高，最适合用于制备单克隆抗体。（2）融合体系中除了未融合的细胞和杂交瘤细胞之外，还有骨髓瘤细胞和 B 淋巴细胞的自身融合产物，由于细胞融合是随机的，且融合率达不到100%，故体系中会出现多种类型的细胞。（3）杂交瘤细胞形成后，由于核膜具有流动性，故小鼠的免疫B淋巴细胞细胞核与其骨髓瘤细胞细胞核会融合形成一个杂交的细胞核，因此染色体数目最多是100条。（4）未融合的 B 淋巴细胞经多次传代培养后，仍然是不能无限增殖的细胞，同时 B淋巴细胞不可能渡过原代培养和传代培养过程中的两次“危机”而达到细胞系水平。

答案：（1）4 Y Y小鼠的血清抗体效价最高 （2）B淋巴细胞相互融合形成的细胞、骨髓瘤细胞相互融合形成的细胞 细胞融合是随机的，且融合率达不到100% （3）1 100 （4）不能无限增殖

引申拓展：动物细胞融合形成杂交细胞，杂交细胞进行细胞培养，获得大量的克隆细胞，但没有形成生物体，因此动物细胞融合的原理是细胞增殖和细胞膜的流动性，不包含细胞全能性；动物细胞融合常用的诱导因素有聚乙二醇、灭活的病毒（诱导动物细胞融合的特有因素）、电激等。

【考题预测】科学家利用植物体细胞杂交技术成功获得了番茄-马铃薯杂种植株，为了便于杂种细胞的筛选和鉴定，科学家利用红色荧光和绿色荧光分别标记番茄和马铃薯的原生质体膜上的蛋白质，其培育过程如图所示：

（1）植物体细胞杂交依据的生物学原理有 。

（2）过程①常用的酶是_____________，细胞融合完成的标志是_____________。

（3）植物原生质体融合过程常利用化学试剂 诱导融合，在鉴定杂种原生质体时可用显微镜观察，根据细胞膜表面的荧光的不同可观察到_____________种不同的原生质体，当观察到_____________时可判断该原生质体是由番茄和马铃薯融合而成的。

（4）过程③和过程④依次为_____________，过程④中的培养基常添加的植物激素是_____________。

（5）若番茄细胞内有m条染色体，马铃薯细胞中含n条染色体，则“番茄-马铃薯”细胞在有丝分裂后期含_____________条染色体。若杂种细胞培育成的“番茄-马铃薯”植株为四倍体，则此杂种植株的花粉经离体培育得到的植株属于_____________植株。

答案：（1）细胞膜的流动性、植物细胞的全能性 （2）纤维素酶和果胶酶 形成新的细胞壁 （3）聚乙二醇 3 融合的细胞膜表面既有红色荧光又有绿色荧光 （4）脱分化和再分化 生长素和细胞分裂素 （5）2（m+n） 单倍体

三、胚胎工程

【应考必备】1.早期胚胎的发育过程

2.胚胎工程的操作流程分析

【考题精析】（2014·江苏）杜泊羊以其生长速度快、肉质好等优点，被称为“钻石级”肉用绵羊。科研工作者通过胚胎工程快速繁殖杜泊羊的流程如图所示，相关叙述正确的是（ ）

A.为了获得更多的卵母细胞，需用雌激素对雌性杜泊羊进行处理

B.从卵巢中采集的卵母细胞可直接与获能的精子进行体外受精

C.为避免代孕绵羊对植入胚胎产生排斥反应，应注射免疫抑制剂

D.为了进一步扩大繁殖规模，可通过胚胎分割技术获得同卵双胎

精析：超数排卵应使用促性腺激素而不是雌激素；从卵巢中采集的卵母细胞需培养至成熟后才能与获能的精子进行体外受精；受体对移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应，故不需注射免疫抑制剂；为了进一步扩大繁殖规模，可通过胚胎分割技术获得同卵双胎或多胎。

答案：D

引申拓展：胚胎移植过程中两次使用激素，第一次常用孕激素对受、供体进行同期发情处理；第二次用促性腺激素对供体做超数排卵处理。胚胎移植过程中的两次检查：第一次对收集的胚胎进行检查；第二次对受体母畜是否妊娠进行检查。胚胎移植是有性生殖还是无性生殖，取决于胚胎是由受精卵形成的，还是由核移植技术形成重组细胞发育而成或胚胎分割形成的。

【考题预测】在治疗人类某些疾病时，人的体细胞核移植技术得到的胚胎干细胞经诱导分化，形成相应的组织器官后，可用于组织器官的移植，操作流程如图所示。请回答：

（1）进行图中过程①时，需将体内取出的卵母细胞在体外培养至_____________期，该期卵母细胞核的位置靠近_____________，可用微型吸管将之与细胞核一并吸出。

（2）图中过程②表示将用物理或化学方法激活重组细胞，使其在发育培养液中完成_____________，最终形成囊胚的过程。

（3）图中过程③④表示从囊胚中取出 细胞，将其培养在_____________细胞上，形成大量胚胎干细胞的过程。胚胎干胞在形态上的特性表现为_____________。

（4）图中过程⑤表示在培养液中加入 ，就可以诱导胚胎干细胞向不同类型的组织细胞分化，用于患者的组织器官移植。

答案：（1）M II中 第一极体（或极体） （2）分裂和分化 （3）内细胞团 饲养层 细胞体积小，细胞核大，核仁明显 （4）分化诱导因子

四、生态工程

【应考必备】生态工程的原理比较

【考题精析】（2014·重庆）为治理某废弃采石场的生态环境，对其进行了公园化建设。

（1）对其进行整理和覆土，并选择适生植物进行人工造林，不同恢复时期的植物物种数如图所示。t0→t1，植物残体及凋落物中的有机物被生态系统中的 转化为无机物，使土壤条件得到改善；同时由于人工林土壤中存在 ，导致群落中植物物种数增加；t1→t3，人工林抵抗力稳定性的变化是 ；群落中植物物种数逐渐增加，物种之间 加剧。

（2）通过人工林建设的园林景观构建，既改善了生态环境，又可提高社会和经济效益，这主要体现了生态工程的 原理。

精析：（1）生态系统的组成成分中分解者的功能是将动植物遗体残骸中的有机物分解成无机物；从废弃采石场开始进行的演替为次生演替，由于保留了植物的种子或其他繁殖体，能使群落中植物物种数迅速增加；t1→t3，植物物种数变多，一般来说，生态系统中的组分越多，食物网越复杂，其抵抗力稳定性越强；群落中的植物物种数增加，相互争夺资源（如阳光、水）和空间越激烈，竞争加剧。（2）生态系统改善后，考虑到社会-经济-自然复合生态系统，体现了整体性原理。

答案：（1）分解者 种子或繁殖体 增强 竞争 （2）整体性（系统论）

【考题预测】如图为我国南方比较常见的桑基鱼塘农业生态系统。请分析回答下列问题：

（1）在不考虑人工投入的情况下，流经该生态系统的总能量（总初级生产量）是________________。人们将蚕沙（蚕的粪便）投入鱼塘，被鱼等水生生物食用，蚕沙中所含的能量主要属于第________营养级。

（2）鱼等水生生物的排泄物及未被利用的有机物和底泥，其中一部分经过________________作用后可作为肥料，返回桑基，培育桑树。

（3）建立该人工生态系统的目的是实现对能量的________，提高能量的利用率。与种植单一作物的农田相比，该生态系统的自我调节能力________。

（4）建立该生态系统遵循的原理主要是______________、________________。

答案：（1）生产者（或桑树）通过光合作用固定的太阳能总量 一 （2）分解者（或微生物）的分解 （3）多级（或充分）利用 较强 （4）物质循环再生原理 生物多样性原理