以转基因作物为情境的试题分析

邵江樵

转基因作物是利用基因工程技术将其它生物的遗传物质导入作物中，

使之具有更好的品质.通常转基因作物可增加作物的产量、改善品质、提高抗旱、抗寒及其它特性，如抗除草剂、抗虫、抗病、抗寒、抗旱等，常见的转基因作物有大豆、玉米、棉花和油菜等.把外源基因导入作物的常用方法是农杆菌介导法（如图1和图2），农杆菌的Ti质粒可以作为载体，Ti质粒上有两个区域，一个是T-DNA区，适合目的基因的导入，能够转移并整合进植物受体的区段，可将目的基因通过T-DNA载体转移到受体植物的基因组中;另一个是Vir区，植物组织损伤部位分泌出酚类物质，可以诱导Vir基因的启动表达，Vir基因的产物——蛋白质可以切割T-DNA、形成成熟T复合体、形成通道复合体.

图1

图2

目的基因在植物基因组中整合的位点是随机的，而且不一定只发生单个目的基因的整合，也有可能多个位点都发生整合.插入时的随机性是指插入哪一条染色体是随机的，插到某条染色体的位置是随机的，插入的数量是随机的.比如整合了2个抗虫基因，就有三种类型：①两个抗虫基因位于两条非同源染色体上，②两个抗虫基因位于一对同源染色体上，③两个抗虫基因位于同一条染色体上.类型①符合孟德尔的自由组合定律，类型②和③符合孟德尔的分离定律.

以转基因作物为情境的试题设问主要体现在转基因植物的培育和遗传两大方向.

一、转基因植物的培育——目的基因的导入与检测

例1 转基因抗虫水稻——“华恢1号”由华中农业大学培育成功，对二化螟和稻纵卷叶螟等鳞翅目害虫表现出很强的田间抗性.种植这种转基因抗虫水稻可以基本解决鳞翅目害虫问题，大幅度降低水稻生产中农药施用量，显著提高产量.外源基因是Bt融合型杀虫蛋白基因cry1Ac/cry1Ab，标记基因为潮霉素磷酸转移酶（hph）基因，能够对潮霉素产生抗性.回答下列问题：

（1）为构建表达载体，需要的两种工具酶是.假如运载体被切割后，所得分子的1个末端序列为

，则能与该运载体连接的抗虫基因分子末端序列是.

（2）用含有Cy1Ab/Cry1Ac抗虫基因的农杆菌侵染水稻带有伤口的叶片时，通过调控（写出一点即可），可以提高转化效率.为检测

Cry1Ac/Cry1Ab抗虫基因是否转入成功，从分子水平可以通过检测，从个体水平可以检测.

（3）得到转基因水稻细胞后，常采用技术获得转基因水稻植株，该技术所依据的原理是.

（4）“华恢1号”选育过程中，hph基因可通过自交重组的方法从基因组中剔除，使基因组的hph基因序列中缺少启动子，该基因（填“具有”或“不具有”）转录和翻译功能.因此，“华恢1号”（填“存在”或“不存在”）潮霉素耐药性问题.

（5）研究表明，插入序列遵循孟德尔遗传规律，且能通过花粉传递.这表明外源的Cry1Ac/Cry1Ab基因已稳定地整合到.但也有反对者认为，种植上述转基因植物，它所携带的目的基因可能通过花粉传递给近缘物种，造成“基因污染”.如果把目的基因导入中，就可以避免“基因污染”，原因是.

（6）转基因水稻之所以抗虫，是因为其中的Bt蛋白可与鳞翅目害虫肠道上皮细胞的特异性受体结合，引起害虫肠麻痹，造成害虫死亡.但这种蛋白不会对人体造成伤害，可能的理由是.

解析 本题以抗虫水稻为情境主要考查基因工程技术和转基因生物的安全性问题，考查学生对知识的理解和综合运用的能力.

基因工程技术的基本步骤：

（1）获得目的基因：方法有从基因文库中获取、利用PCR技术扩增和化学方法合成.

（2）形成重组DNA分子（基因表达载体的构建）：形成重组DNA分子是基因工程的核心，目的基因和载体的质量与浓度、黏性末端的情况、DNA连接酶活性等都会影响重组DNA形成的效率.为了使目的基因和载体能顺利连接，需要选择相同的限制性核酸内切酶，让目的基因和载体具有相同的黏性末端.构建好的基因表达载体需要包括目的基因、标记基因、启动子、终止子和复制原点等，标记基因有利于检测目的基因的导入，启动子和终止子调控目的基因的表达，如启动子的作用是驱使目的基因转录出mRNA.

（3）将重组DNA分子导入受体细胞：将目的基因导入植物细胞的最常用的方法是农杆菌转化法，原理见图2.重组DNA分子导入受体细胞时，重组DNA的质量和浓度（农杆菌的浓度）、受体细胞的生长状态与密度（植物组织的创伤）、适宜的培养时间和条件等会影响转化的效率.

（4）筛选含有目的基因的受体细胞：常见的措施是利用标记基因在培养基中添加相应的抗生素进行筛选;利用目的基因的探针进行DNA分子杂交鉴定.

（5）目的基因表达：可以从分子水平和个体生物学水平进行检测.检测目的基因是否转录出了mRNA——分子杂交技术;检测目的基因是否翻译成蛋白质

——抗原-抗体杂交技术.个体生物学水平上的鉴定：植株抗虫或抗病的接种实验.

为了防止基因污染，可以将目的基因插入到叶绿体DNA中，因为花粉中几乎不含有细胞质，因此将基因导入到细胞质的叶绿体DNA中，不会使得转基因植物的外源基因随花粉传递给近缘物种的植物.

参考答案：

（1）限制酶和DNA连接酶 ;

（2）适宜的农杆菌浓度，适宜的培育时间以及培养条件（温度、pH等）  DNA分子杂交  水稻对二化螟和稻纵卷叶螟等鳞翅目害虫是否表现出抗性（鳞翅目害虫食用水稻后是否死亡）;

（3）植物组织培养 植物细胞的全能性;

（4）不具有 不存在;

（5）染色体DNA上 叶绿体DNA 细胞质遗传表现为母系遗传，受精卵中细胞质的遗传物质几乎來自母本;

（6）鳞翅目害虫的肠道上含有Bt蛋白的结合位点，而人类肠道上皮细胞没有该蛋白的结合位点，因此不会对人体造成伤害.

二、转基因植物的遗传——目的基因的数量、位置关系及所遵循的遗传定律

例2 某XY型性别决定的植物，现利用转基因技术将抗虫基因和抗除草剂基因转入该植物，获得一株转基因雌株（S），目的基因整合到受体细胞常染色体上，并出现如图3所示情况，分别用S1、S2、S3表示.

图3

注：A代表抗虫基因，B代表抗除草剂基因

请设计一代杂交实验方案探究其基因整合位置，并预测实验结果：

（1）试验方案.

（2）预测实验结果：

①若则为S1这种类型;

②若则为S2这种类型;

③若则为S3这种类型.

解析 试题以转基因植物为情境考查目的基因在染色体上的位置关系，需要考生在理解基因分离定律和自由组合定律实质的基础上进行综合运用，设计杂交实验方案，根据子代情况推断亲代的基因型其基因整合的位置.

由于目的基因在植物基因组中整合的位点是随机的，而且不一定只发生单个目的基因的整合，也有可能多个位点都发生整合.根据题意，设计实验方案：让该转基因雌株与野生雄株杂交，观察统计后代表现型及比例.因为野生雄株只产生一种配子（不含A、B基因）;S1的基因A和B位于一对同源染色体上，因此按分离定律，S1产生含A、含B的2种配子，比例为1∶1;S2的基因A和B位于两对同源染色体上，按自由组合定律，S2产生含AA、含AB、含BB的3种配子，比例为1∶2∶1;S3的基因A和B位于两对同源染色体上，按自由组合定律，S3产生含AB、含A、含B、不含A和B的4种配子，比例为1∶1∶1∶1.故预测实验结果：若后代抗虫不抗除草剂：不抗虫抗除草剂=1∶1，则为S1这种类型;若后代抗虫不抗除草剂∶抗虫抗除草剂∶不抗虫抗除草剂=1∶2∶1，则为S2这种类型;若后代抗虫抗除草剂∶抗虫不抗除草剂∶不抗虫抗除草剂∶不抗虫不抗除草剂=1∶1∶1∶1，则为S3这种类型.

参考答案：（1）让该转基因雌株与野生雄株杂交，观察统计后代表现型及比例.

（2）

①后代抗虫不抗除草剂：不抗虫抗除草剂=1∶1;

②后代抗虫不抗除草剂∶抗虫抗除草剂∶不抗虫抗除草剂=1∶2∶1;

③后代抗虫抗除草剂∶抗虫不抗除草剂∶不抗虫抗除草剂∶不抗虫不抗除草剂=1∶1∶1∶1.

三、真題回放

1.（2017年4月浙江选考卷第28题）若利用根瘤农杆菌转基因技术将抗虫基因和抗除草剂基因转入大豆，获得若干转基因植物（T0代），从中选择抗虫抗除草剂的单株S1、S2和S3分别进行自交获得T1代，T1代性状表现如图4所示.已知目的基因能1次或多次插入并整合到受体细胞染色体上.下列叙述正确的是（  ）.

图4

A.抗虫对不抗虫表现为完全显性，抗除草剂对不抗除草剂表现为不完全显性

B.根瘤农杆菌Ti质粒携带的抗虫和抗除草剂基因分别插入到了S2的2条非同源染色体上，并正常表达

C.若给S1后代T1植株喷施适量的除草剂，让存活植株自交，得到的自交一代群体中不抗虫抗除草剂的基因型频率为12

D.若取S2后代T1纯合抗虫不抗除草剂与纯合不抗虫抗除草剂单株杂交，得到的子二代中抗虫抗除草剂的纯合子占 19

解析 假设A代表抗虫基因，B代表抗除草剂基因.

由于抗虫抗除草剂的单株S1自交获得的T1代中抗虫不抗除草剂∶抗虫抗除草剂∶不抗虫抗除草剂=1∶2∶1，其中抗虫∶不抗虫=3∶1，抗除草剂∶不除草剂=3∶1，说明抗虫（抗除草剂）对不抗虫（不除草剂）是完全显性，且S1只产生了含A、含B的2种配子，比例为1∶1，因此S1 中抗虫基因A、抗除草剂基因B的数量和插入位置如图5所示.

由于抗虫抗除草剂的单株S2自交获得的T1代中抗虫不抗除草剂∶抗虫抗除草剂∶不抗虫抗除草剂=1∶14∶1，这个比例是9∶3∶3∶1的变式，其中抗虫∶不抗虫=15∶1，抗除草剂∶不除草剂=15∶1，说明S2的基因型中有2个A和2个B，且2个抗虫基因A（抗除草剂基因B）插入在非同源染色体上，因此S2中抗虫基因A、抗除草剂基因B的数量和插入位置如图6所示.

图5       图6      图7

由于抗虫抗除草剂的单株S3自交获得T1代中抗虫抗除草剂∶抗虫不抗除草剂∶不抗虫抗除草剂∶不抗虫不抗除草剂=9∶3∶3∶1，说明S3产生含AB、含A、含B、不含A和B的4种配子，比例为1∶1∶1∶1，因此S3中抗虫基因A、抗除草剂基因B的数量和插入位置如图7所示.

综合以上分析，抗除草剂对不除草剂是完全显性，A选项错;Ti质粒携带的抗虫和抗除草剂基因分别插入到了S2的2对同源染色体上，并正常表达，B选项错误;若给S1后代T1植株喷施适量的除草剂，则存活植株中有23是抗虫抗除草剂、13不抗虫抗除草剂，它们自交，得到的自交一代群体为23（14AA+24AB+14BB）+13BB=16AA+26AB+36BB，其中不抗虫抗除草剂的基因型（BB）频率为12，C选项正确;若取S2后代T1纯合抗虫不抗除草剂（A1A1A2A2）与纯合不抗虫抗除草剂（B1B1B2B2）单株杂交，子一代为A1A2B1B2，产生的4种配子为A1A2∶A1B2∶A2B1∶B1B2=1∶1∶1∶1;得到的子二代中抗虫抗除草剂的纯合子（A1A1B2B2+ A2A2B1B1）占18，D选项错误.

参考答案：C.

2.（2021年6月卷浙江选考第28题）利用转基因技术，将抗除草剂基因转入纯合不抗除草剂水稻（2n）（甲），获得转基因植株若干.从转基因后代中选育出纯合矮杆抗除草剂水稻（乙）和纯合高秆抗除草剂水稻（丙）.用甲、乙、丙进行杂交，F2结果如表1所示.转基因过程中，可发生基因突变，外源基因可插入到不同的染色体上.高秆（矮杆）基因和抗除草剂基因独立遺传，高秆和矮秆由等位基因A（a）控制，有抗除草剂基因用B+表示、无抗除草剂基因用 B-表示.

表1

杂交组合

F2的表现型及数量（株）

矮秆抗除草剂矮杆不抗除草剂高杆抗除草剂高秆不抗除草剂

甲×乙51316700

甲×丙10937313104

乙×丙1781253736

回答下列问题：

（1）矮秆对高秆为性状，甲×乙得到的 F1产生种配子.

（2）为了分析抗除草剂基因在水稻乙、丙叶片中的表达情况，分别提取乙、丙叶片中的RNA并分离出，逆转录后进行PCR扩增.为了除去提取RNA中出现的 DNA 污染，可采用的方法.

（3）乙×丙的 F1中，形成抗除草剂与不抗除草剂表现型比例的原因是.

（4）甲与丙杂交得到F1，F1再与甲杂交，利用获得的材料进行后续育种.写出 F1与甲杂交的遗传图解.

解析 由乙（纯合矮杆）×丙（纯合高秆）→F1→F2的高杆∶矮杆=3∶1，可知高秆对矮杆完全显性.

再由乙（纯合抗除草剂）×丙（纯合抗除草剂）→F1→F2的抗除草剂∶不抗除草剂=15∶1，可见F1中有两个抗除草剂基因（B+1B-B+2B-），位于非同源染色体上，符合自由组合定律.

综合以上两种性状，推知甲、乙、丙的基因型分别为aaB-B-、aaB+1B+1、AAB+2B+2，其中乙和丙的染色体DNA上各有2个抗除草剂基因（B+），且位于一对同源染色体上，一条染色体上一个（见图8）.

图8

遗传定律是个体形成配子的规律.配子的种类与比例取决于基因与染色体的关系，是染色体的行为决定了基因的传递规律.

参考答案：（1）隐性 2

（2）mRNA 用DNA酶处理提取的RNA

（3）乙和丙的抗除草剂基因位于非同源染色体上，乙和丙上抗除草剂基因的遗传遵循自由组合定律

（4）见图9图9

3.（2021年天津市普通高中学业水平等级考试第11题～12题）阅读下列材料，回答问题.

为提高转基因抗虫棉的抗虫持久性，可采取如下措施：

①基因策略：包括提高杀虫的表达量、向棉花中转入多种杀虫基因等.例如，早期种植的抗虫棉只转入一种Bt毒蛋白基因，抗虫机制比较单一;现在经常将两种或两种以上Bt基因同时转入棉花.

②田间策略：主要是为棉铃虫提供庇护所.例如我国新疆棉区，在转基因棉田周围种植一定面积的非转基因棉花，为棉铃虫提供专门的庇护所;长江、黄河流域棉区多采用将转基因棉与高粱和玉米等其他棉铃虫寄生作物混作的方式，为棉铃虫提供天然的庇护所.

③国家宏观调控政策：如实施分区种植管理等.

（1）关于上述基因策略，下列叙述错误的是（  ）.

A.提高Bt基因的表达量，可降低抗虫棉种植区棉铃虫种群密度

B.转入棉花植株的两种Bt基因的遗传不一定遵循基因的自由组合定律

C.若两种Bt基因插入同一个T-DNA并转

入棉花植株，则两种基因互为等位基因

D.转入多种Bt基因能提高抗虫持久性，是因为棉铃虫基因突变频率低且不定向

（2）关于上述田间策略，下列叙述错误的是

（  ）.

A.转基因棉田周围种植非抗虫棉，可降低棉铃虫抗性基因的突变率

B.混作提高抗虫棉的抗虫持久性，体现了物种多样性的重要价值

C.为棉铃虫提高庇护所，可使敏感棉铃虫在种群中维持一定比例

D.为棉铃虫提高庇护所，可使棉铃虫种群抗性基因频率增速放缓

参考答案：（1）C;（2）A

解析 本题以转基因棉的培育和种植为情境，综合考查了基因突变、基因座位、遗传定律、基因频率、种群密度，生物多样性的价值等概念和原理，充分体现基础性、综合性和应用性的考查要求特点.若两种Bt基因插入同一个T-DNA并转入棉花植株，则这两种Bt基因将连锁在一起位于一条染色体上，具有不同的基因座位，因此（1）题C选项错误.转基因棉花的种植对棉铃虫的抗性基因起选择作用，不会改变抗性基因的突变率，（2）题的A选项错误.

（收稿日期：2021-09-12）