聚焦高中生物学试题中的电泳图

2022-07-29重庆赵德强罗立峰

教学考试(高考生物) 2022年3期

重庆赵德强罗立峰

电泳是常用的分离、鉴定技术，其本质是带电粒子在电场的作用下发生迁移的过程中，由于待分离样品中各种分子带电性质的差异以及分子本身的大小、形状的不同，使带电分子产生不同的迁移速率，从而实现样品中各种分子的分离。电泳图是物质分离后呈现的结果图，常有DNA电泳图和蛋白质电泳图。新高考更加注重对能力和素养的考查，借用电泳图的高中生物学试题是近年高考命题的热点题型之一，如2021年河北卷第20题和2020年山东卷第17题。笔者现对此类型试题进行归类，并分析电泳图试题的解题技巧。

1.电泳与蛋白质结构和功能

【例1】为研究与植物生长相关的基因及其作用，科学家获得了基因A、B、C失活的多种突变体，电泳分析各植株中蛋白m和蛋白n的表达情况，结果如图1。据图分析错误的是 ( )

图1

A.基因B和C分别控制蛋白m和n的合成

B.蛋白m和蛋白n对植株生长起抑制作用

C.基因C比基因B对植株生长的抑制更强

D.基因A可能促进蛋白m和蛋白n的降解

【分析】图1显示野生型植株高，无蛋白质m和n，其他类型植株高矮和蛋白质种类情况一目了然。A+B双突变体中有蛋白n说明基因C与蛋白n的合成有关；A+C双突变体中有蛋白m说明基因B与蛋白m的合成有关，A项正确；根据野生型(有基因A+B+C)和A+B+C三突变体的植株均为高可知D项正确；根据图(b)(c)(d)植株矮小，可知B项正确；有基因C的植株比有基因B的植株高，说明基因B比基因C对植株生长的抑制能力更强，C项错误。试题的能力考查点为获取信息的能力及实验探究能力，学科核心素养考查点为生命观念中的物质与能量观、科学思维及科学探究。

【解题技巧】电泳图有关试题的特征是试题中呈现电泳结果图，解题的关键是读懂电泳图。不论是蛋白质电泳图还是DNA电泳图，其主要是绘制有不同的条带，而不同的条带代表分子量不同的蛋白质或DNA。图中有正负极(有的电泳图也忽略正负极)，正极为“起点”，条带为“终点”，起点和终点之间的距离不同表示分子量不同的蛋白质或DNA，越重或越长的蛋白质或DNA跑得越慢，反之越快。电泳图旁边的长度不是代表DNA分子的长度，而是代表跑带的长度，与DNA分子的长度刚好相反。

2.电泳与限制酶

基因工程中用限制性核酸内切酶酶切DNA分子，电泳可以使酶切的不同DNA分子片段在凝胶中可视化。

【例2】现有一长度为3 000碱基对(bp)的线性DNA分子，用限制性核酸内切酶酶切后，进行凝胶电泳，使降解产物分开。用酶H单独酶切，结果如图2(a)图。用酶B单独酶切，结果如图2(b)图。用酶H和酶B同时酶切，结果如图2(c)图。该DNA分子的结构及其酶切图谱是 ( )

图2

【分析】本题考查限制酶的相关知识，须知一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，且只能在特定的位点切割DNA分子。图2中甲、乙、丙是用不同的限制酶酶切的结果，电泳条带表示不同长度的DNA片段，限制酶可以识别特定的脱氧核苷酸序列，不同限制酶识别位点不同，切点也不完全一样。酶切后得到的各个片段长度之和一定与线性DNA分子的总长度相等，图2(a)图是用酶H单独酶切线性DNA分子经电泳后得到的2条条带，说明该线性DNA分子上有1个酶H的酶切位点，且酶切后得到2 000 bp和1 000 bp两种长度的2个片段。图2(b)图是用酶B单独酶切线性DNA分子后得到的结果图，有2 000 bp、600 bp和400 bp三种长度的3个片段，且3个片段的总长度与线性DNA分子总长度相等，说明该线性DNA分子有2个酶B的酶切位点。图2(c)图是用酶H和酶B同时酶切的结果图，其酶切的总长度为1 400 bp+600 bp+400 bp=2 400 bp，与线性DNA分子总长3 000 bp还相差600 bp，即酶切后的片段应该是1 400 bp+600 bp+600 bp+400 bp=3 000 bp，即有2个长度为600 bp的片段。据此分析，A项的切割位点符合，A项正确。B项所示的切割位点，酶B单独切割时，切割出的片段长度分别为600 bp、1 000 bp、1 400 bp，与图2结果不符，B项错误；C项所示的切割位点，酶B单独切割时，切割出的片段长度分别为400 bp、1 200 bp、1 400 bp，不符合图2，C项错误；D项所示的线性DNA分子上，两种酶的切割位点的数量不对，D项错误。

【解题技巧】要根据电泳图条带数和条带所代表的DNA分子总长度“一眼望穿”酶切割位点个数。限制酶切割DNA分子时，切割后得到的片段数比切割后得到的位点数多1，即有n个切割位点，就有n+1个切割片段。

3.电泳与遗传系谱图

【例3】(2020年，山东卷，第17题)图3表示甲、乙两种单基因遗传病的家系图和各家庭成员基因检测的结果。检测过程中用限制酶处理相关基因得到大小不同的片段后进行电泳，电泳结果中的条带表示检出的特定长度的酶切片段，数字表示碱基对的数目。下列说法正确的是 ( )

图3

A.甲病的致病基因位于常染色体上，乙病的致病基因位于X染色体上

B.甲病可能由正常基因发生碱基对的替换导致，替换后的序列可被MstⅡ识别

C.乙病可能由正常基因上的两个BamHⅠ识别序列之间发生碱基对的缺失导致

D.Ⅱ4不携带致病基因、Ⅱ8携带致病基因，两者均不患待测遗传病

【分析】本题以电泳图结合家系图为情境考查遗传规律，解题时需要综合题目中的多种信息做出判断。由Ⅱ3患病而Ⅰ1和Ⅰ2均正常可知，甲病致病基因位于常染色体上且是隐性遗传病。据乙病家系图，结合DNA电泳图Ⅰ6和Ⅰ7只有一条条带，Ⅰ5和Ⅱ8有两条条带，可知Ⅰ5和Ⅱ8为杂合子，乙病可能为常染色体隐性遗传病，当然乙病基因可能位于X、Y染色体同源区段上，A项错误；根据电泳结果，Ⅱ3只有1 350一条条带，而Ⅰ1和Ⅰ2除具有1 350的条带外还有1 150和200两条条带，可推知甲病可能由正常基因发生碱基对的替换导致，替换前的序列能被MstⅡ识别，替换后的序列则不能被MstⅡ识别，B项错误；Ⅰ6为隐性纯合子，故1.0×104为隐性基因的条带，1.4×104为显性基因的条带，患病基因片段比正常基因片段少0.4×104碱基对，所以乙病可能由正常基因上的两个BamHⅠ识别序列之间发生碱基对的缺失导致，C项正确；Ⅱ4电泳结果只有1 150和200两条条带，为显性纯合子，不携带致病基因；Ⅱ8电泳结果有两条条带，携带致病基因，二者都不患待测遗传病，D项正确。

【解题技巧】“一眼望穿”电泳图中个体条带长度与纯合子、杂合子的关系，再分析遗传家系图中个体的基因型是解题的关键。此题电泳图中，条带数只有一条的个体一定是纯合子，如题中Ⅱ3、Ⅰ6、Ⅱ7；条带数不止一条但代表的长度之和与最短的个体也应该是纯合子，如Ⅱ4；条带数长度之和是最少的2倍的个体一定是杂合子，如个体Ⅰ1和Ⅰ2。因为基因在个体中是成对存在的，如果个体是纯合子，用限制酶处理，基因有相同切割位点，电泳结果显示条带数量之和构成该基因；如果个体是杂合子，用限制酶处理，两个基因可能存在不同切割位点，每个基因形成不同片段，电泳结果显示不同条带，每个基因片段需要结合相同基因进一步判断。如果最长的个体与最短个体的条带长度之和不是呈现2倍关系，则说明显性基因与隐性基因的长度不相等，一定有基因发生了碱基对的增添或缺失，如Ⅰ5和Ⅰ6。掌握了这个技巧就能“一眼望穿”个体基因电泳图。

4.电泳与DNA指纹和亲子鉴定

DNA亲子鉴定原理：采集生物检测样本并提取其中的DNA，沉淀DNA后通过PCR技术扩增出完整的基因组DNA，用限制性核酸内切酶将DNA样本切成特定的小片段，放进凝胶内，其带电荷和性质、电荷量及分子大小各不相同，在电场力的作用下泳动速率也不同，用电泳推动DNA小片段分离，再使用特别的“探针”去寻找基因。相同的基因会凝聚在一起，然后利用特别的染料在X光下，便会显示由DNA探针凝聚于一起的黑色条码，每个人的条码一半与其母亲的条码吻合，另一半与其父亲的条码吻合。反复几次该过程，每一种探针用于寻找DNA的不同部位并形成独特的条码，只要在十几至几十个DNA位点做检测，如果全部一样，就可以确定亲子关系，如果有3个以上的位点不同，则可排除亲子关系，有一两个位点不同，则应考虑基因突变的可能，可以加做一些位点的检测进行辨别。

【例4】图4为某男子X，其两任妻子M、N以及四个战乱中走失的孤儿的DNA样品的指纹图，哪两个孩子可能是该男子的子女及他们的母亲是 ( )

图4

A.M的孩子是b，N的孩子是c

B.M的孩子是c，N的孩子是b

C.M的孩子是d，N的孩子是a

D.M的孩子是d，N的孩子是b

【分析】1984年英国莱斯特大学的遗传学家Jefferys及其合作者首次将分离的人源小卫星DNA用作基因探针，同人体核DNA的酶切片段杂交，获得了由多个位点上的等位基因组成的长度不等的杂交带图纹，这种图纹极少有两个人完全相同，故称为“DNA指纹”，意思是它同人的指纹一样是每个人所特有的。众多“DNA指纹”组成“DNA指纹图谱”。从DNA指纹图分析，a、d的DNA指纹各有与X相同的部分，说明他们可能是X的孩子。a的另一指纹与N相同，d的另一指纹与M相同，说明a、d分别是N、M与X所生的子女。

【解题技巧】此题的难点是对图示信息理解不到位。对图示信息的理解是解答本题的关键。如何理解图示信息呢？试题中所说的指纹图本质就是由不同基因组成。根据电泳条带比对，同源染色体一条来自父亲，一条来自母亲。子女的遗传物质来自父方和母方，比如b、c没有与男子X相同的DNA指纹图，说明一定不是其生物学意义上的孩子。

5.电泳与PCR

【例5】为检测目的基因是否成功导入植株，用PCR方法扩增相应植株的DNA样本后，经电泳得到以下图谱(图5)。其中1号为DNA标准样液(含标准长度的DNA片段)，10号标本为蒸馏水。据此做出分析不合理的是 ( )