聚焦大概念构建必修与选修知识体系——以“中心法则与基因工程”为例

江苏

《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》（以下简称《课程标准》）的基本理念之一是“内容聚焦大概念”，即本课程的设计和实施追求“少而精”的原则，必修和选择性必修课程的模块内容聚焦大概念。在遗传学中，DNA的结构、复制、转录与翻译等与中心法则相关内容是基因工程的理论基础，而基因工程是这些遗传知识的具体应用。教师在二轮复习时，可以整合必修和选修教材中的相关知识点，以提高复习效率。

1.必修与选修内容的整合在高考试题中的体现

在2019 年全国卷Ⅰ第38 题考查了选修3 PCR 技术的相关内容，但其中涉及与必修2 中DNA 的复制内容的比较与分析；2019 年北京卷第4 题在育种考查中将转基因技术与染色体变异知识结合在一起，第31 题光合作用、基因工程及基因对性状的控制等有关知识联系起来；2019 年海南卷第31 题与天津卷第9 题将基因工程、蛋白质工程与必修2 中心法则相联系；2019 年全国卷Ⅱ第38 题细胞工程内容的考查联系到必修内容中生殖方式、细胞呼吸、植物的营养成分等内容；2019 年全国卷Ⅲ第38 题对细胞工程的考查，涉及叶绿素、光合作用及生殖方式等必修内容。由此看出，在高考命题中必修课程的知识与选修课程知识的融合是一种趋势，也符合《课程标准》的理念。

2.中心法则与基因工程的整合在教学中的应用

根据必修中的内容可知，生物体的遗传信息要传递给后代，并且在后代中得到表达，这个过程包括真核细胞与原核细胞中DNA 的复制、转录与翻译，以及病毒在宿主细胞中的DNA 复制、转录、逆转录、RNA 的复制等，这些内容可以通过中心法则联系在一起，学生在掌握这些知识的基础上，将其代入基因工程中进行实践，这样可以形成必修与选修的知识系统，下面笔者来谈谈具体的方法。

2.1 中心法则与基因工程中有关酶的比较

中心法则与基因工程中涉及的酶有多种，这些酶在各类试题中经常出现。如DNA 复制时需要DNA 聚合酶形成磷酸二酯键，基因工程中目的基因与载体之间的连接需要DNA 连接酶形成两个片段之间的磷酸二酯键。某些RNA病毒具有逆转录酶，在合成目的基因时也可以用逆转录的方法形成cDNA。限制酶与DNA 水解酶都具有破坏磷酸二酯键的作用，但前者形成2 个DNA 片段，后者产生单个脱氧核苷酸，笔者将中心法则与基因工程中有关酶的知识点进行整合，如表1。

表1

【例1】如图1 表示一段DNA 改造的过程，①～③表示相关的酶。下列叙述错误的是 （ )

图1

A.酶①和酶②的作用底物不同

B.酶①②③作用的化学键相同

C.酶①是限制酶，酶②与酶③是DNA 连接酶

D.与酶②相比，酶③作用时不需要模板和引物

【答案】C

【分析】此题将与DNA 改造相关的3 种酶通过一个情境联系起来，酶①是限制酶，酶②需要模板与引物填补脱氧核苷酸，经酶②完成的过程是DNA聚合酶作用的结果，酶③是DNA 连接酶。这里的3 种酶都作用于磷酸二酯键，但有区别，学生必需要将必修课程中学习的DNA 聚合酶的作用与选修课程中的限制酶及DNA 连接酶的作用理解透彻，才能正确解答该题。

2.2 DNA 的复制与PCR 技术的比较

DNA 的复制与PCR 技术都能使DNA 成倍增加，两者的原理、原料是相同的，但也有不同点，教师在进行PCR 技术内容的复习时可以结合DNA 的复制的相关内容进行比较，这样使学生既能很快掌握PCR 技术的相关知识，又能了解它们的区别，对解答相关试题很有帮助。

2.2.1 DNA 体内复制过程与PCR 技术扩增DNA 的比较

DNA 的复制与PCR 技术扩增DNA 的原理是相同的，两者的异同如表2 所示。教师在复习PCR 技术相关知识时，应注意的是脱氧核苷三磷酸（dNTP）中含有2 个高能磷酸键，这个知识可以结合ATP 分子结构来理解，它与ATP分子的差异是五碳糖发生了变化，dNTP 上的碱基有4 种，其中高能磷酸键水解释放的能量为形成磷酸二酯键提供能量，水解后产生的脱氧核苷酸可以为DNA的复制提供原料。其实生物体内DNA 的复制需要的原料也是4 种dNTP，但必修教材中没有详细说明，只在选修3 才介绍了这部分内容，再与必修1 中ATP 有关知识联系起来，学生就知道dNTP 不仅可以提供原料，还能提供能量。

表2

2.2.2 DNA 的复制与PCR 技术中的引物设计

DNA 的复制中需要引物，DNA 聚合酶延伸子链具有方向性，只能从子链的5′端向3′端延伸。引物是与被分离的目的基因两条链各自3′端序列相互补的DNA片段，引物的5′端与模板链的3′端互补配对，然后在DNA 聚合酶的作用下向3′端延伸。

【例2】人金属硫蛋白（MT）是一类广泛存在于生物体内的金属结合蛋白，某研究小组计划通过多聚酶链式反应（PCR）技术扩增目的基因，构建转基因工程菌，用于重金属废水的净化处理。下列叙述错误的是 （ ）

A.可以在引物的5′端添加限制酶切点

B.引物内部碱基G— C 比例越高退火的温度就越高

C.1 个DNA 经过PCR 技术的4 次循环共需要32 个引物

D.可从合成MT 的细胞中提取mRNA 反转录得到目的基因

【答案】C

【分析】此题引物数量计算的思维方式与“1 个用32P标记的DNA 放在没有标记的环境中复制n 次，不含32P 的DNA 链有多少个”类似，可以看作是DNA 的复制原理的变式应用。子链的形成需要引物，模板链不需要引物，因此经过n 次复制需要的引物是2n×2-2 个，则4 次复制需要30 个引物。由mRNA 合成DNA 需要通过逆转录来完成，这都说明基因工程的内容与必修知识关联度很高。

根据DNA 复制的原理，在引物设计时要注意以下几点：（1）引物长度不能过短，这样特异性差，且引物过长会导致其合成难度大；（2）引物内部G— C 比例越高，氢键数目越多，设置退火的温度就越高；（3）为方便构建重组质粒，在引物中需要增加适当的限制酶切位点，最好是双酶切，这样保证定向插入连接，酶切点应加在引物的5′端；（4）如果两个引物局部发生碱基互补配对会失效，同一引物内部如果有互补序列，则自身折叠后会出现局部碱基配对而失效；（5）引物在子链的5′端，方向与DNA 聚合酶的作用方向有关。学生掌握这些知识，就能正确解答此类试题。

2.3 基因的结构与基因表达载体的构建

基因的结构包括启动子、编码区、终止子，因此基因表达载体中有启动子、目的基因、终止子，为了便于筛选，其中还应有标记基因。由于DNA 分子两条链具有方向性，而DNA 聚合酶只能从子链的5′→3′端，因此目的基因与质粒连接时正接与反接模板链的碱基序列是不同的，在选择限制酶时要考虑两种酶切的黏性末端不同，使用两种不同的限制酶处理目的基因与载体时，要注意有时不同的限制酶切也会形成相同的黏性末端，在具体情境中要注意具体分析。

2.4 中心法则与目的基因的检测及蛋白质工程

基因表达载体进入细胞之后，再进行转录形成mRNA，并且翻译成蛋白质，最终形成具有相应性状的转基因个体，目的基因检测的分子水平具有相应的层次。蛋白质工程是基因工程的一个分支，由于直接改造的蛋白质是不能遗传给后代的，只有按照中心法则的逆推过程，推导出基因的脱氧核苷酸序列，通过改造基因才能实现，结果会出现自然界中没有的蛋白质。从这里可以看出，中心法则是目的基因检测及蛋白质工程的基础，三者之间的关系如图2 所示。

图2

【例3】B 基因存在于水稻基因组中，其仅在体细胞（2n）和精子中正常表达，但在卵细胞中不转录。为研究B 基因表达对卵细胞的影响，设计了如下实验。据图3 回答下列问题：

图3

（1）B 基因在水稻卵细胞中不转录，推测其可能的原因是卵细胞中B 基因的_____无法启动转录。从转基因植株未成熟种子中分离出胚，观察到细胞内含_____个染色体组，判定该胚是由未受精的卵细胞发育形成的，而一般情况下水稻卵细胞在未受精时不进行发育，由此表明_____。

（2）从水稻体细胞_____ 中提取总RNA，构建_____文库，进而获得B 基因编码蛋白的序列。将该序列在____酶作用下连接在Luc 基因（表达的荧光素酶能催化荧光素产生荧光）的_______（填“5′”或“3′”）末端成为融合基因（表达的蛋白质能保留两种蛋白质各自的功能）。

（3）在过程①②转化筛选时，过程②在培养基中应加入的抗生素种类为_____，因为过程②中_____整合到受体细胞染色体DNA 上。

（4）获得转基因植株过程中，以下鉴定筛选方式正确的是_________________________（多选）。

A.将随机断裂的B 基因片段制备成探针进行DNA 分子杂交

B.以B 基因编码蛋白的序列为模板设计探针与从卵细胞提取的mRNA 杂交

C.以Luc 基因为模板设计探针进行DNA 分子杂交

D.检测加入荧光素的卵细胞中是否发出荧光

【分析】本题需要将染色体变异、中心法则、基因的结构与基因工程等内容结合起来思考。由图3 中的标注可推测B 基因在水稻卵细胞中不转录，可能的原因是卵细胞中B 基因的启动子无法启动转录，这实质上是基因的选择性表达。形成融合基因时，B 基因编码蛋白的序列在前，靠近启动子部位，应是连接在Luc 基因的5′末端。图3 中过程②表示筛选含有目的基因的植物细胞，由于整合到受体细胞染色体DNA 上的是T-DNA，而T-DNA 上只有潮霉素抗性基因。

【答案】（1）启动子 1 B 基因表达能使卵细胞不经受精直接发育成胚 （2）精子 cDNA DNA连接 5′ （3）潮霉素 T-DNA （4）BCD

总之，加强必修课程与选修课程知识的综合，聚焦大概念构建合理的知识体系，开展知识点串讲，专题系统化复习和综合训练，使学生理解结构决定功能，加深对科学、技术和社会关系的认识，形成适应生物学科特点的学习方法和思维方式，从而提高学习效率，提升学科核心素养。