高中生物人教版 (2019)选择性必修3第2节 基因工程的基本操作程序课时练习

第2节　基因工程的基本操作程序

必备知识基础练

1.利用PCR技术从某种生物的基因组DNA中获取目的基因。有关这一过程下列说法错误的是(　　)

A.有目的基因的DNA片段作为模板

B.目的基因的一段核苷酸序列已知,以便根据这一序列合成两种引物

C.有足够的脱氧核苷酸作为原料

D.加入足够数量的DNA连接酶进行指数式扩增

答案D

解析用PCR技术扩增目的基因,应以含目的基因的DNA片段作为模板,A项正确;PCR技术的前提条件是目的基因的一段核苷酸序列已知以便合成一对引物,B项正确;DNA复制需要有足够的脱氧核苷酸作为原料,C项正确;PCR技术需要耐高温的DNA聚合酶,不需要加入DNA连接酶,D项错误。

2.(2021山东聊城高二期中)新型冠状病毒的检测可以采用实时荧光RT—PCR(逆转录聚合酶链式反应)的方法,RT—PCR的具体过程如图。下列叙述错误的是              (　　)

A.过程①以mRNA为模板合成单链DNA

B.过程②③拟对单链cDNA进行n次循环的扩增,理论上需要n个引物B

C.游离的脱氧核苷酸只能从引物的3'端开始连接

D.该技术用于对某些微量RNA病毒的检测,可提高检测的灵敏度

答案B

解析过程①是由mRNA形成单链DNA的过程,表示逆转录,A项正确;决定实时荧光RT—PCR扩增片段的是引物,过程②③拟对单链cDNA进行n次循环的扩增,根据DNA分子半保留复制特点可知,该过程理论上至少需要2n-1个引物B,B项错误;游离的脱氧核苷酸只能从引物的3'端开始连接,C项正确;利用实时荧光RT—PCR技术对某些微量RNA病毒进行检测时可提高检测的灵敏度,是因为增加了待测RNA逆转录产生的DNA的数量(或浓度),便于检测,D项正确。

3.不对称PCR是利用不等量的一对引物来产生大量单链DNA的方法。这两种引物分别为限制性引物与非限制性引物,其最佳比例一般为1∶100~1∶50,在PCR反应的最初10~15个循环中,其扩增产物最初主要是双链DNA,但当限制性引物消耗完后,非限制性引物引导的PCR就会产生大量的单链DNA。下列相关说法错误的是(　　)

A.可以利用不对称PCR来制备探针

B.复性温度过高可能导致PCR反应得不到任何扩增产物

C.用不对称PCR方法扩增目的基因时需知道基因的全部序列

D.因为双链DNA和单链DNA的分子量大小不同,可通过电泳方法将其分离

答案C

解析探针也是单链DNA,根据题意可知不对称PCR可用来合成大量的单链DNA,A项正确;复性温度过高会导致引物无法与模板结合,从而无扩增产物形成,B项正确;进行PCR时不需要知道扩增基因的全部序列,只需要知道两端的部分序列即可,C项错误;单链DNA和双链DNA的分子量不同,电泳可以将其分离,D项正确。

4.土壤农杆菌侵染植物细胞时,其Ti质粒上的T-DNA片段可转入植物的基因组中。以Ti质粒作载体,利用农杆菌转化法培育转基因植物,下列相关叙述正确的是(　　)

A.目的基因应插入T-DNA片段外,以防止破坏T-DNA

B.用Ca2+处理农杆菌,以利于其侵染植物细胞

C.Ti质粒是一种环状DNA分子,属于农杆菌的拟核DNA

D.T-DNA可介导外源DNA整合到植物细胞的染色体上

答案D

解析农杆菌的Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞,并且整合到受体细胞染色体的DNA上,根据农杆菌的这一特点,目的基因应插入T-DNA片段中,通过农杆菌的转化作用,把目的基因整合到植物细胞染色体的DNA上,A项错误,D项正确;Ca2+处理农杆菌,有利于基因表达载体导入农杆菌,B项错误;Ti质粒是一种环状DNA分子,独立于农杆菌拟核DNA之外,C项错误。

5.(2021山东潍坊高二期中)科学家对北极比目鱼的抗冻蛋白基因的结构已经非常明确,将其转入番茄后,使番茄的耐寒能力大大提高。下列有关叙述错误的是(　　)

A.以抗冻蛋白基因的mRNA作为模板进行PCR扩增,可获得大量的目的基因

B.抗冻蛋白基因首端可以构建受低温因素影响的诱导型启动子

C.该抗冻蛋白基因结构已知且功能清晰,能进行较为有效的筛选

D.鱼和番茄的基因能拼接成功说明二者的DNA分子空间结构是相同的

答案A

解析抗冻蛋白基因mRNA经逆转录合成DNA,以DNA作为模板进行PCR扩增,可获得大量的目的基因,A项错误;启动子是一段有特殊结构的DNA片段,位于基因的首端,它是RNA聚合酶识别和结合的部位,抗冻蛋白基因首端可以构建受低温因素影响的诱导型启动子,B项正确;该抗冻蛋白基因结构已知且功能清晰,能利用基因探针或表达产物进行筛选,C项正确;鱼和番茄的基因能拼接成功说明二者的DNA分子空间结构都是双螺旋结构,D项正确。

6.(2021山东济宁高二期中)如图是将目的基因导入大肠杆菌内制备“工程菌”的示意图,其中引物1~4在含有目的基因的DNA上的结合位置如甲所示,限制酶BamHⅠ、EcoRⅠ、Hind Ⅲ在质粒上的识别位点如乙所示。以下说法错误的是(　　)

A.PCR过程完成4轮循环,理论上至少需加入引物30个

B.若已经合成了图甲所示4种引物,应选择引物2和3扩增目的基因

C.过程①中应使用限制酶BamHⅠ切割质粒

D.对于转化失败的大肠杆菌及其培养基应进行灭菌处理,以防其污染环境

答案B

解析PCR技术大量扩增目的基因时,缓冲液中需要加入的引物个数计算公式为2n+1-2,因此PCR过程完成4轮循环,理论上至少需加入引物24+1-2=30(个),A项正确;由于DNA聚合酶只能从5'→3'延伸子链,因此扩增目的基因时应选择引物1和4,B项错误;①是基因表达载体的构建过程,若使用EcoRⅠ切割质粒会将目的基因插入启动子上游,目的基因不能正常表达,使用HindⅢ切割质粒将破坏标记基因,不利于目的基因的鉴定和筛选,因此该过程中应使用限制酶BamHⅠ切割质粒,C项正确;为了防止污染环境,对于转化失败的大肠杆菌及其培养基应进行灭菌处理,D项正确。

7.有关科学家将苏云金芽孢杆菌的Bt抗虫蛋白基因转入到普通棉花细胞内,并成功地实现了表达,从而培育出了能抗棉铃虫的棉花植株——抗虫棉。其过程大致如下图所示。

(1)基因工程的操作程序主要包括四个步骤,其核心步骤是　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(2)获取Bt抗虫蛋白基因的方法一般有　　　　　　　　　　　　　　等。 

(3)Ti质粒是农杆菌中的一种质粒,其上有T-DNA,把目的基因插入Ti质粒的T-DNA中是利用了T-DNA　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　的特点。 

(4)将目的基因导入受体细胞的方法很多,在本题中涉及的方法是　　　　　　　　　　　。 

答案(1)基因表达载体的构建　(2)从基因文库中提取、PCR扩增、人工合成　 (3)可转移到受体细胞并整合到受体细胞染色体DNA分子上　 (4)农杆菌转化法

解析(1)基因工程的基本操作程序主要包括四个步骤:目的基因的筛选与获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定,其核心步骤是基因表达载体的构建。(2)Bt抗虫蛋白基因属于目的基因,获取目的基因的方法一般有:从基因文库中提取、利用PCR技术扩增、人工合成等。(3)农杆菌中的Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞,并整合到受体细胞染色体DNA分子上。在培育转基因植物时,利用Ti质粒上的T-DNA的这一特点,可将目的基因转移到受体细胞染色体DNA上。(4)由图可知,在该题中将目的基因导入受体细胞,采用的方法是农杆菌转化法。

关键能力提升练

8.(2021山东青岛高二期中)科学家将人的生长激素基因导入某种细菌(不含抗生素抗性基因),并成功地在该细菌中得以表达(如下图)。下列相关叙述错误的是(　　)

A.过程①合成人生长激素基因的过程需要用到逆转录酶

B.过程③是将重组质粒溶于缓冲液后与经Ca2+处理的细菌B混合

C.成功导入了重组质粒的细菌B在含有氨苄青霉素的培养基上不能生长

D.可采用抗原—抗体杂交技术检测工程菌中生长激素基因是否成功表达

答案C

解析过程①合成人生长激素基因的过程是逆转录过程,需要用到逆转录酶,A项正确;过程③是将重组质粒导入细菌B中,故用Ca2+处理的细菌B使其成为感受态细胞,重组质粒容易进入,B项正确;成功导入了重组质粒的细菌B,因目的基因插入质粒后,破坏了四环素抗性基因,所以在含有四环素的培养基上不能生长,在含有氨苄青霉素的培养基上能生长,C项错误;检测生长激素基因是否成功表达用抗原—抗体杂交技术,D项正确。

9.(多选)利用基因工程技术生产羧酸酯酶(CarE)制剂的流程如下图所示,下列叙述正确的是(　　)

A.过程①需要进行碱基互补配对

B.图中质粒的化学本质是DNA

C.过程③需要用CaCl2溶液处理大肠杆菌

D.过程④只需进行DNA检测即可确定是否成功获得了“工程菌”

答案ABC

解析①表示逆转录过程,需要进行碱基的互补配对,A项正确;质粒是环状DNA分子,B项正确;③表示把目的基因导入受体细胞,需要用Ca2+处理大肠杆菌,使大肠杆菌细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,C项正确;④表示目的基因的检测和鉴定,除需要DNA检测外,还需要进行基因是否表达的检测(检测mRNA、蛋白质)及个体水平的检测等,D项错误。

10.荧光蛋白(GFP)在紫外光下会发出绿色荧光,某科研团队将GFP基因插入质粒P中构建了重组质粒载体P0,用于基因工程中基因表达载体(P1)的筛选和鉴定。部分过程如下图所示,下表为部分限制酶的识别序列及切割位点。请回答下列问题。

(1)过程①中,用EcoRⅤ切割目的基因获得　　　　末端。 

(2)过程②是利用　　　　　　技术,多次循环扩增DNA片段;根据P0上的限制酶切割位点,需要在目的基因两端重设限制酶切割位点,则在扩增目的基因时,设计的引物5'端序列必须是　　　　,以获得相应的黏性末端,便于P1的构建和筛选。 

(3)过程③中,P0需用限制酶　　　　　　　　　切割,才能与目的基因在　　　　　　　　酶的作用下形成P1。 

(4)为了筛选出含有P1的菌落,需采用添加　　　　　　　　的培养基进行培养,在紫外光激发下　　　　　　(填“发出”或“不发出”)绿色荧光的菌落,即为含有P1的菌落。 

答案(1)平　(2)PCR　GATC　(3)BamHⅠ　DNA连接　(4)四环素　不发出

解析(1)根据表中EcoRⅤ的识别序列及切割位点可知,该酶切割目的基因获得平末端。(2)体外扩增目的基因可采用PCR技术;由P0上的限制酶切割位点分析可知,若用限制酶Sau3AⅠ切割会同时破坏GFP基因和四环素抗性基因,而用限制酶BamHⅠ切割只会破坏GFP基因,因此过程③中,P0需用限制酶BamHⅠ切割,由于Sau3AⅠ和BamHⅠ切割形成的黏性末端相同,都是5'-GATC-3',由此可知,该过程设计的引物5'端序列必须是GATC,以获得相应的黏性末端,便于P1的构建和筛选。(3)P0用BamHⅠ切割与目的基因在DNA连接酶的作用下形成 P1。(4)用限制酶BamHⅠ切割P0会破坏GFP基因,但没有破坏四环素抗性基因,因此为了筛选出含有P1的菌落,需采用添加四环素的培养基进行培养,在紫外光激发下不发出绿色荧光的菌落,即为含有P1的菌落。

11.番茄果实后熟问题是影响番茄生产、加工和运输的难题。ACC合成酶是番茄细胞合成乙烯的关键酶,科学家利用反义基因技术培育出了耐储存、利于长途运输的番茄新品种,具体做法是采用农杆菌转化法将携带有反义ACC合成酶基因的重组质粒M导入番茄栽培品种中,经过卡那霉素筛选后,获得番茄新品种。反义基因是指人工合成出一段与某种基因碱基序列相同的DNA。经过人为操作使之在转录生成mRNA时,模板链与原基因不同。

(1)农杆菌转化法适用的植物种类是　　　　　　　　　　　　　　　;重组质粒M中的抗性基因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(2)有同学提出若要提取番茄中控制ACC合成酶的基因,只能利用成熟的番茄组织。你认为他的说法是否有道理,　　　　　　,作出判断的依据是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(3)ACC合成酶基因在番茄细胞中表达的过程发生在细胞内的　　　　　　　中;反义ACC合成酶基因转录启动后,检测发现番茄果实中乙烯含量显著降低,推测其机理最可能是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

答案(1)大多数双子叶植物和裸子植物　卡那霉素抗性基因　(2)否　控制ACC合成酶的基因几乎存在于番茄的所有细胞中　(3)细胞核和核糖体　反义ACC合成酶基因转录产生的mRNA可与ACC合成酶基因转录产生的mRNA碱基互补配对结合,ACC合成酶的合成受阻,导致乙烯的产生量下降

解析(1)农杆菌转化法适用的植物种类是大多数双子叶植物和裸子植物;采用农杆菌转化法将携带有反义ACC合成酶基因的重组质粒M导入番茄栽培品种中,经过卡那霉素筛选后,获得番茄新品种。由以上可知,重组质粒M中的抗性基因是卡那霉素抗性基因。(2)控制ACC合成酶的基因几乎存在于番茄的所有细胞中,所以这位同学提出的说法没有道理。(3)ACC合成酶基因在番茄细胞中表达的过程包括基因的转录和翻译,发生在细胞内的细胞核和核糖体中;反义ACC合成酶基因转录启动后反义ACC合成酶基因转录产生的mRNA可与ACC合成酶基因转录产生的mRNA碱基互补配对结合,ACC合成酶的合成受阻,导致乙烯的产生量下降。

12.核酸疫苗是指将含有编码抗原蛋白的基因序列的质粒载体,通过一定的方法递送到宿主体内,通过宿主细胞表达抗原蛋白,从而诱发机体对该蛋白的免疫反应,进而达到预防疾病的目的。核酸疫苗包含DNA疫苗和mRNA疫苗两种,其中mRNA疫苗的安全性更高。回答下列问题。

(1)在构建抗原蛋白基因表达载体前,常通过　　　　　技术扩增该基因,该技术的中文名称是　　　　　　　　　　　　　,需要　　　种引物,每次循环分　　　　　　　　　　　三步。扩增完成之后常采用　　　　　　　　　　　　来鉴定产物。 

(2)构建的抗原蛋白基因表达载体除了含有目的基因外,还必须有启动子、终止子以及　　　　　等。其中,启动子是位于基因首端的一段特殊结构的DNA片段,是　　　　　识别和结合的部位。 

(3)注射核酸疫苗后能够对相应的病原体起到防卫作用的机理是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(4)与DNA疫苗相比,mRNA疫苗的安全性更高,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

答案(1)PCR　聚合酶链式反应　2　变性、复性和延伸　琼脂糖凝胶电泳　(2)标记基因　RNA聚合酶　(3)核酸疫苗进入宿主细胞表达抗原蛋白,该蛋白可以引起机体产生相应的抗体和记忆细胞,当病原体侵入时,记忆细胞能迅速增殖分化,快速产生大量抗体　(4)mRNA疫苗不会整合到宿主细胞的基因组中,不会带来突变的风险

解析(1)在构建抗原蛋白基因表达载体前,常通过PCR技术扩增该基因,PCR技术的中文名称是聚合酶链式反应,由于DNA子链的延伸都是从5'向3'延伸,所以两个亲代链的复制共需要2种引物,每次循环分变性、复性和延伸三步。鉴定扩增后的产物常用琼脂糖凝胶电泳。(2)构建的抗原蛋白基因表达载体除了含有目的基因外,还必须有启动子、终止子以及标记基因等。启动子是位于基因首端的一段特殊结构的DNA片段,是RNA聚合酶识别和结合的部位。(3)核酸疫苗进入宿主细胞内能表达出抗原蛋白,该蛋白可以引起机体产生相应的抗体和记忆细胞,当病原体侵入时,记忆细胞能迅速增殖分化,浆细胞快速产生大量抗体,抗体可与抗原发生特异性结合,所以注射核酸疫苗后能够对相应的病原体起到防卫作用。(4)由于mRNA疫苗不会整合到宿主细胞的基因组中,不会带来突变的风险,所以与DNA疫苗相比,mRNA疫苗的安全性更高。