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第3章 复习与提高
——高二生物学人教版（2019）选择性必修三洞悉课后习题
【教材课后习题】
1.某动物体内含有研究者感兴趣的目的基因，研究者欲将该基因导人大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有氨苄青霉素抗性基因（AmpR）人、LacZ基因及一些酶切位点，其结构和简单的操作步骤如下图所示。
请根据以上信息回答下列问题。
（1）在第②步中，应怎样选择限制酶？
（2）在第③步中，为了使质粒DNA与目的基因能连接，还需要在混合物中加入哪种物质？
（3）选用含有AmpR和LacZ基因的质粒进行实验有哪些优势？
（4）含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色？为什么？
2.科学家将Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2~3周后，这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。
（1）在这个实验过程中，逆转录病毒的作用是什么？
（2）如何证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用？
（3）如果要了解Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4基因在诱导iPS细胞时，每个基因作用的相对大小，该如何进行实验？请你给出实验设计的思路。
（4）若将病人的皮肤成纤维细胞诱导成iPS细胞，再使它转化为需要的细胞，用这些细胞给该病人治病，这是否会引起免疫排斥反应？为什么？iPS细胞具有分裂活性，用它进行治疗时可能存在什么风险？
3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。
方案一把根瘤菌的固氮相关基因导人水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氮肥的施用量。
方案二直接将固氮相关基因导入水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氨肥了。
（1）请评估这两种方案哪种更容易实现。
（2）如果两个方案都实现的话，你认为哪种更值得推广？请说出你的理由。
【定点变式训练】
4.限制酶能识别特定的DNA序列并进行剪切，不同的限制酶可以对不同的核苷酸序列进行剪切。现用E、H、P三种不同的限制酶对一段大小为6.2kb的线性DNA进行剪切后，用凝胶电泳分离各核酸片段，实验结果如图所示，这3种不同的限制酶在此DNA片段上相应切点的位置是( )
E U P E+H E+P H+P
A.
B.
C.
D.
5.下面是4种限制酶所识别的DNA分子序列和剪切位点
（↓表示剪切点、切出的断面为黏性末端）：
限制酶1：—↓GATC—。限制酶2：—CATG↓—。
限制酶3：—G↓GATCC—。限制酶4：—CCGC↓GG—。
请指出下列哪项表达正确( )
A.在使用限制酶的同时还需要解旋酶
B.限制酶1和3剪出的黏性末端相同
C.限制酶1、2、4识别的序列都由4个脱氧核苷酸组成
D.限制酶1和2切出的DNA片段可通过T4DNA连接酶拼接
6.作为基因的运输工具——载体，必须具备的条件之一及其理由是( )
A.能够在受体细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因
B.具有多个限制酶切割位点，以便于目的基因的表达
C.具有某些标记基因，以使目的基因能够与其结合
D.对受体细胞无伤害，以便于重组DNA的鉴定和选择
7.在基因工程操作中，科研人员利用两种限制酶（R1和R2）处理基因载体，并进行电泳检测，结果如图所示。以下相关叙述，不正确的是( )
A.该载体最可能为环形DNA分子
B.两种限制酶在载体上识别的序列可能相同
C.限制酶R1与R2的作用位点最短相距约200bp
D.限制酶作用位点会导致磷酸二酯键断裂
8.如图是利用基因工程技术生产可食用疫苗的部分过程，其中PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ为四种限制性内切核酸酶。下列有关说法中正确的是( )
A.图示过程是基因工程的核心步骤，所需的限制性内切核酸酶均来自原核生物
B.图示中构建基因表达载体时，需用到一种限制性内切核酸酶
C.一种限制性内切核酸酶只能识别一种特定的核糖核苷酸序列
D.卡那霉素抗性基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来
9.多聚酶链式反应（PCR）一次循环：95℃下使模板DNA变性、解链→55℃下复性（引物与DNA模板链结合）→72℃下引物链延伸（形成新的脱氧核苷酸链）。下列有关PCR过程的叙述中错误的是( )
A.变性过程未加解旋酶，是因为可以通过先适当加温来破坏DNA碱基对中氢键
B.PCR技术扩增需要的条件是目的基因、引物、四种脱氧核苷酸、DNA聚合酶和DNA连接酶
C.PCR技术可用于基因诊断、判断亲缘关系等
D.如果反应体系中加入模板DNA100个，则经过30个循环后，DNA的数量为100×230个
10.干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可以在-70℃条件下保存半年，这属于蛋白质工程的范畴。下列相关说法不正确的是( )
A.蛋白质工程可以生产自然界不存在的蛋白质
B.蛋白质工程生产干扰素的过程不遵循中心法则
C.对天然干扰素的改造需通过对基因的操作来实现
D.蛋白质的高级结构复杂是蛋白质工程实施难度大的重要原因
11.在基因工程的设计和操作中，获取目的基因的方法有很多，如现在常用PCR扩增技术快速扩增目的基因。下列与PCR相关的叙述，正确的是( )
A.PCR反应过程中的引物是一小段与目的基因部分碱基序列相同的DNA
B.PCR反应需要在生理盐水中才能进行
C.若扩增10次，得到210个DNA分子，则需要引物211个
D.扩增过程中每循环一次都要依次经历变性、复性、延伸三个步骤
12.下图是蛋白质工程的示意图，有关叙述错误的是( )
A.实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系
B.目前蛋白质工程最大的困难是E过程，即设计预期的蛋白质结构
C.G过程的完成依赖于基因修饰或基因合成
D.蛋白质工程流程的顺序是A、B、C、D、E、F、G
13.如图表示应用基因工程技术生产干扰素的三条途径。下列相关叙述错误的是( )
A.途径甲中，过程Ⅰ应将干扰素基因和乳腺蛋白基因的启动子重组
B.途径乙中，过程Ⅱ一般所采用的方法是农杆菌转化法
C.途径丙中，过程Ⅱ可用Ca2+处理大肠杆菌，以制备感受态细胞
D.三条途径中，过程Ⅲ依据的生物学原理相同
14.下列有关动物基因工程的说法，错误的是( )
A.将外源生长激素基因导入动物体内可提高动物的生长速度
B.将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因奶牛分泌的乳汁中乳糖含量大大升高
C.科学家将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中
D.培育转基因克隆猪器官，采用的方法是在器官供体基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达
15.下列关于基因工程的叙述，正确的是( )
A.若受体大肠杆菌含有构建重组质粒时用到的限制性核酸内切酶，则一定有利于该重组质粒进入受体并保持结构稳定
B.抗除草剂基因转入某抗盐植物获得2个稳定遗传转基因品系，抗性鉴定为抗除草剂抗盐和抗除草剂不抗盐。表明一定是抗盐性的改变与抗除草剂基因的转入无关
C.抗除草剂基因转入某植物获得转基因植株，其DNA检测均含目的基因，抗性鉴定为抗除草剂和不抗除草剂。表明一定是前者表达了抗性蛋白而后者只表达抗性基因RNA
D.已知不同分子量DNA可分开成不同条带，相同分子量的为一条带。用某种限制性核酸内切酶完全酶切环状质粒后，出现3条带。表明该质粒上一定至少有3个被该酶切开的位置
16.如图为利用大肠杆菌重组表达系统生产HPV疫苗的过程。质粒中lacZ基因可使细菌利用培养基中的X-gal，从而使菌落呈蓝色，若无该基因，则菌落呈白色。下列有关叙述错误的是( )
A.过程①最好选用限制酶BamHⅠ和EcoRⅠ
B.进行过程②之前，需要先用Ca2+处理大肠杆菌，使其处于感受态
C.筛选含重组质粒的大肠杆菌，应在培养基中加入X-gal和青霉素
D.在选择培养基上筛选含重组质粒的大肠杆菌时应挑选蓝色菌落
17.已知生物体内有一种蛋白质（P），该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质（P1）不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列问题：
（1）利用PCR技术扩增目的基因时_____（填“必须”或“不必”）知道目的基因的全部序列。在PCR体系中除了模板、原料外，还应加入_____。
（2）基因工程和蛋白质工程相比，基因工程在原则上只能生产_____的蛋白质，不一定符合_____的需求。蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过_____或_____，对现有蛋白质进行_____或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
（3）蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期的蛋白质功能出发，通过_____和_____，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列（基因），最终获得所需要的蛋白质。
（4）经改造后的细胞，若想工业化大量制备蛋白质P1，可利用_____和_____技术将改造细胞转化为既可产生P1又能无限增殖的细胞，最后从培养液中获得目的蛋白质。
（5）对天然蛋白质进行改造，是直接对蛋白质分子进行操作，还是对基因进行操作？_____。原因是_____（答出1点即可）。
18.基因工程诞生于上世纪70年代，科学家通过显微注射培育出了世界上第一只转基因小鼠，采用农杆菌转化法培养了世界上第一例转基因烟草。此后，基因工程迅速发展。请回答下列相关问题：
（1）基因工程的诞生和发展离不开相关理论基础和技术的发展，其中艾弗里等人的工作可以说是基因工程的先导。艾弗里等人通过肺炎双球菌的转化实验，不仅证明了生物的遗传物质是DNA，还证明了_____。除此之外，基因工程的诞生和发展还与以下_____（填序号）基础理论成果有关：①RNA是烟草花叶病毒的遗传物质；②DNA呈双螺旋结构：③中心法则的确立；④遗传密码的破译。
（2）基因转移载体的发现、工具酶的发现以及其他生物技术的发明使基因工程的实施成为可能，基因工程中通过限制酶和_____在体外进行DNA重组，然后通常利用_____作为载体，将重组DNA导入受体细胞。
（3）转基因超级鼠相对普通的小鼠体型更大，生长更快，转基因小鼠的诞生需要通过显微注射技术将外源的_____基因导入小鼠的_____里面去，还需通过_____等方法检测受体细胞中是否成功表达该目的基因。
答案以及解析
1.答案：（1）①应选择酶切位点位于目的基因两端的限制酶。②为了避免目的基因及质粒的自身环化、正向连接、反向连接，也可使用不同的限制酶（非同尾酶）切割目的基因所在片段和质粒。③切割质粒的限制酶不能同时切开质粒上的所有标记基因，即至少要保留一个标记基因，以用于重组DNA的鉴定和选择。
（2）加入DNA连接酶。
（3）AmpR为氨苄青喜素抗性基因，在培养基中加入AmpR，没有导入任何外源DNA的大肠杆菌不能在该培养基上生存。LacZ基因编码的酶能分解X-gal产生蓝色物质，若大肠杆菌菌落呈现蓝色，则说明导入的是不含目的基因的空白质粒，AmpR和LacZ基因可以将成功导入目的基因的重组质粒筛选出来。
（4）白色。限制酶切割质粒时，会使LacZ基因破坏，含重组质粒的大肠杆菌不含LacZ基因，所以X-gal不会分解产生蓝色物质，菌落呈现白色。
2.答案：（1）逆转录病毒相当于基因工程中的载体。
（2）可设立对照组：将正常的小鼠成纤维细胞放在培养ES细胞的培养基上培养，之后观察是否出现iPS细胞。
（3）思路：将这4种基因分别导入小鼠的成纤维细胞，放在培养ES细胞的培养基上培养，观察细胞的形态、分裂能力等，从而得出每一个基因作用的相对大小。
（4）不会，因为这些细胞来源于同一个体，遗传物质都是相同的。iPS细胞具有分裂活性，这也是癌细胞具有的特点，可能iPS细胞会过度增殖。
3.答案：（1）方案一更容易实现，因为根瘤菌与水稻根系微生物的亲缘关系更近。
（2）方案二更值得推广，因为这种方法可以使水稻自己固氮，不受根系微生物的限制，同时含有的固氮基因还能遗传给子代。
4.答案：D
解析：根据表格可知，E酶有2个切点、H酶有1个切点、P酶有2个切点。B、C两选项中H酶有两个切点，是错误的；A选项E酶切割形成的片段分别是0.3+0.7、2.6+0.9、0.5+1.2，不符合表中数据；D选项三种酶切割形成的片段符合表中数据。
5.答案：B
解析：使用限制性核酸内切酶是为了切割目的基因和载体，不需要解旋酶解开DNA双螺旋，A错误；限制性核酸内切酶1和3切出的黏性末端相同，都是GATC—，B正确；限制性核酸内切酶1、2识别的序列都由4个脱氧核苷酸组成，限制酶3、4识别的序列都由6个脱氧核苷酸组成，C错误；限制性核酸内切酶1和2切割形成的DNA片段的黏性末端不同，前者是GATC—，后者是—CATG，不能通过T4DNA连接酶拼接，D错误。
6.答案：A
解析：作为载体必须能够在受体细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因，A正确；作为载体必须具有一个至多个限制酶切点，以便于目的基因的插入，而不是表达，B错误；作为载体必须具有标记基因，以便于重组DNA的鉴定和选择，C错误；作为载体必须是安全的，对受体细胞无害，以便受体细胞能进行正常的生命活动，D错误。
7.答案：B
解析：由题图可知，当仅用一种限制酶切割载体时，仅产生一种长度的DNA片段，因此该载体最有可能为环状DNA分子，A正确；由题图可知，当仅用一种限制酶切割载体时，两种限制酶切割产生的DNA片段等长，而两种限制酶同时切割时则产生两种不同长度的DNA片段，所以两种限制酶在载体上各有一个酶切位点，识别的序列不相同，B错误；由题图可知，两种限制酶同时切割时产生600bp即和200bp两种长度的DNA片段，所以两种限制酶的酶切位点至少相距200bp，C正确；限制酶切割DNA分子时的作用位点是两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，D正确。
8.答案：D
解析：图示表示基因表达载体的构建过程，含抗原基因的DNA分子中含有PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ三种限制性内切核酸酶的识别序列，其中SmaⅠ的识别序列位于目的基因上；质粒中含有PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ四种限制性内切核酸酶的识别序列。图示表示基因表达载体的构建过程，这是基因工程的核心步骤，所需的限制性内切核酸酶一般来自原核生物，A错误；
此基因表达载体构建时需要用到EcoRⅠ、PstⅠ两种限制性内切核酸酶，B错误；
限制性内切核酸酶具有特异性，即一种限制性内切核酸酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列并在特定的位点切割，C错误；
卡那霉素抗性基因作为标记基因，主要作用是筛选含有目的基因的受体细胞，D正确。
9.答案：B
解析：A、变性过程未加解旋酶，是因为可以通过先适当加温来破坏DNA碱基对中氢键，A正确；
B、PCR技术扩增需要的条件是目的基因、引物、四种脱氧核苷酸、热稳定DNA聚合酶，但不需要DNA连接酶，B错误；
C、PCR技术可用于基因诊断，判断亲缘关系等，C正确；
D、如果反应体系中加入模板DNA100个，则经过30个循环后，DNA的数量为100×230个，D正确。
故选：B。
10.答案：B
解析：蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。基本途径：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。分析可知，蛋白质工程可以生产自然界不存在的蛋白质，A正确；
蛋白质工程生产干扰素的过程仍然遵循中心法则，B错误；
由于基因指导蛋白质的合成，因此对天然干扰素的改造需通过对基因的操作来实现，C正确；
蛋白质的高级结构复杂是蛋白质工程实施难度大的重要原因，D正确。
11.答案：D
解析：PCR反应过程中的引物是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸，A错误；PCR反应需要在缓冲溶液中才能进行，缓冲溶液中一般要添加Mg2+，B错误；若扩增10次，得到210个DNA分子，则需要引物（210-1）×2=211-2（个），C错误；扩增过程要进行多次循环，每循环一次都要依次经历变性、复性、延伸三个步骤，D正确。
12.答案：D
解析：蛋白质工程是对天然的蛋白质进行改造，进而生产出能满足人类需要的新型蛋白质的技术，因而蛋白质工程流程的顺序应为E→F→G→A→B→C→D。
13.答案：D
解析：A.要使目的基因表达，必须和启动子重组，故过程Ⅰ应将干扰素基因和乳腺蛋白基因的启动子重组，故A项正确；B.将重组DNA分子导入受体最普遍的方法为农杆菌转化法，故B项正确；C.用Ca2+处理大肠杆菌能够提高导入成功率，成功获得感受态细胞，故C项正确；D.三条途径中，转基因的对象不一样，牛为动物，莴苣为植物，大肠杆菌为细菌，依据的生物学原理也不一样，故D项错误。
14.答案：B
解析：外源生长激素基因在动物体内表达可促进动物生长，A正确；
将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，肠乳糖酶基因表达产物是乳糖酶，可分解乳糖，使乳糖含量降低，B错误；
将目的基因导入动物细胞采用最多的方法是显微注射法，若用转基因动物生产药物，科学家通常将药物蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，导入哺乳动物的受精卵中，C正确；
利用基因工程方法对转基因动物的器官进行改造，采用的方法是将某种调节因子导入器官供体的基因组，以抑制抗原决定基因的表达，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆动物器官，D正确。
15.答案：D
解析：本题考查基因工程的相关知识。若受体大肠杆菌含有构建重组质粒时用到的限制性核酸内切酶，则该限制性核酸内切酶可能会切割重组质粒，破坏重组质粒的结构，A错误；抗除草剂基因转入某抗盐植物后，一部分抗盐植株的抗盐性消失，说明抗除草剂基因的转入可能导致抗盐性改变，B错误；抗除草剂基因转入某植物后，若DNA检测含有目的基因，而抗性鉴定为不抗除草剂，其原因可能是目的基因转录出RNA但无法翻译，也可能是目的基因无法转录，还可能是翻译出来的蛋白质无活性，C错误；若环状质粒上有1个某种限制性核酸内切酶的酶切位置，则该环状质粒被该酶酶切后形成1个条带，若要形成2个条带，则该环状质粒上至少有2个该酶的酶切位置，若要形成3个条带，则该环状质粒上至少有3个该酶的酶切位置，D正确。
16.答案：D
解析：过程①是构建重组质粒的过程，用限制酶进行切割时，要保证目的基因和标记基因的完整性，为防止目的基因和载体的自身环化、目的基因在载体中反向连接，一般选用两种酶进行酶切，故过程最好选用限制酶BamHⅠ和EcoRⅠ，A正确；过程②是将目的基因导入大肠杆菌，通常先用Ca2+处理大肠杆菌细胞，使细胞处于一种易于吸收周围环境中DNA分子的生理状态，B正确；筛选含重组质粒的大肠杆菌，应在培养基中加入青霉素和X-gal，加入青霉素可以筛选出转入重组质粒、正常质粒的大肠杆菌，加入X-gal可以筛选出转入重组质粒的大肠杆菌，C正确；据题意，质粒中lacZ基因可使细菌利用培养基中的X-gal，使菌落呈蓝色，若无该基因，菌落呈白色，又知重组质粒中lacZ基因被破坏，故在选择培养基上筛选含重组质粒的大肠杆菌时，应挑选白色菌落，D错误。
17.（1）答案：不必；引物和Taq酶
解析：利用PCR技术扩增目的基因时，只需要根据一段已知目的基因的核苷酸序列合成一对引物，不必知道目的基因的全部序列。PCR体系中需要加入的物质有模板（目的基因或待扩增序列）、原料（4种脱氧核苷酸）、耐高温的DNA聚合酶（Taq酶）和引物等。
（2）答案：自然界已存在；人类生产和生活；改造基因；合成基因；改造
解析：略。
（3）答案：设计预期的蛋白质结构；推测应有的氨基酸序列
解析：蛋白质工程的基本思路：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
（4）答案：动物细胞培养；动物细胞融合
解析：据题意，若想获得既可产生P1又能无限增殖的细胞，可将改造后的细胞与骨髓瘤细胞融合，此过程中需要利用动物细胞培养技术和动物细胞融合技术。
（5）答案：对基因进行操作；改造基因才会遗传，改造蛋白质不遗传（或改造基因比改造蛋白质容易操作）
解析：蛋白质工程的直接操作对象是基因，通过对基因进行操作实现对天然蛋白质的改造。①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因也就是对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去；如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子也无法遗传。②对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作，难度要小得多。
18.答案：（1）DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体（或不同生物的DNA可以连接在一起）（合理即可）；②③④
（2）DNA连接酶；质粒
（3）生长激素；受精卵；分子杂交和抗原-抗体杂交（或抗原-抗体杂交）
解析：（1）基础理论的完善和技术的发展催生了基因工程，其中基础理论的重大突破包括DNA是遗传物质的证明、DNA双螺旋结构和中心法则的确立、遗传密码的破译等；艾弗里等人利用肺炎双球菌的转化实验，证明了DNA是生物的遗传物质，也证明了DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体。
（2）基因工程的工具有限制酶、DNA连接酶和运载体，利用限制酶和DNA连接酶构建基因表达的载体（重组DNA分子），通常利用质粒作为载体，将基因表达的载体导入受体细胞。
（3）转基因超级鼠相对普通小鼠具有生长速度较快和体型较大的特点，这是因为转基因小鼠是通过在普通小鼠的受精卵中导入外源的生长激素基因培育而来；基因工程中将目的基因导入受体细胞后，还需通过DNA分子杂交技术检测受体细胞中是否存在目的基因，通过分子杂交技术检测目的基因是否成功转录，通过抗原-抗体杂交技术检测目的基因是否成功表达出蛋白质。

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