专题八 生物工程

 湖北        张代林  郑玉东

一、高考展望

当前生命科学发展迅速，并且对科学和社会产生了越来越深远的影响。近年来，无论是单科卷，还是综合卷，都有考察这方面内容的题目：如克隆技术、人类基因组计划等，《生物科考试大纲》中提出“关注热点”这一要求是希望考生能够了解科技前沿，且与人类生产生活密切相关的生物科学新进展。这类题分值往往较高，如2004年新课程卷中SARS病的问题，2003年江苏卷和上海卷同时出现艾滋病问题，2002年全国理综卷22题抗虫棉问题，上海综合卷37题转基因技术问题等，这类题更多体现了生物高考“遵循教学大纲，又不拘泥于大纲”的指导思想，也是整套考题中能力的体现。2005年的高考中，这类题目仍可能出现，在平时的备考中应引起足够的重视。

二、考点透析

1．限制性内切酶

限制性内切酶（简称限制酶）是基因工程中所用的重要切割工具，主要存在与微生物中。一种限制酶只能识别一种特定的核昔酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子。被切割的DNA分子在切口处形成粘性未端。

2．基因操作的一般步骤

3．植物基因的直接转移方法

（1）显微注射法：在显微镜下用微注射器将目的基因注射入受体细胞。

（2）电穿孔法：在短时间的高压电流电脉冲的冲击下，可以使原生质膜分子疏松形成暂时性的直径为3~4m削小孔，从而使存在于原生质体周围溶液中的外源DNA通过小孔进人原生质体。

（3）微束激光打孔法：与电穿孔法类似，是利用微束激光照射形成小孔。

（4）基因枪法：基因枪是一种专门用于基因转移的高压枪。该种方法是首先将目的基因的DNA附着于直径约为4μm的钨等金属粒子表面，然后用基因枪将其射人受体细胞。

4．基因诊断的几种方法

（1）核酸分子杂交法（即DNA探针法）该方法是根据碱基互补配对原则，把互补的双链DNA解开，把单链的DNA小片段用同位素、荧光分子或化学发光催化剂等进行际记，之后同被检测的DNA中的同源互补序列杂交，从而检出所要查明的DNA或基因。

（2）聚合酶链反应法（PCR法）PCR技术可模拟细胞核内DNA复制的天然过程，在3~4h内使目的基因扩增上百万倍，达到肉眼可见的量，不需要放射性同位素标记就能分析、检测基因，大大提高了基因检测的灵敏度。

4．原代培养、传代培养、细胞株、细胞系的关系

	细胞株	细胞系
细胞悬浮液——→10代细胞——→50代细胞——→
原代培养	传代培养

5．植物体细胞杂交

植物体细胞杂交是在原生质体培养技术的基础上，借用动物细胞融合方法发展起来的一门新型生物技术。植物细胞杂交的过程包括原生质体的制备、诱导原生质体融合、杂种细胞的筛选和培养以及杂种植株的再生与鉴定等环节。下面以烟草和大豆的体细胞杂交为例，简要介绍植物体细胞杂交的过程：

（1）原生质体制备：选取烟草植株上的幼嫩叶片细胞和培养好的大豆根尖细胞，用酶解法制备原生质体。烟草的原生质体呈绿色，大豆的无色，在显微镜下很容易区别开来。

（2）原生质体融合：取等量烟草和大豆的原生质体混合后，加入聚乙二醇溶液。在显微镜下观察，可以看到原生质体相互黏集在一起。隔一段时间后，加入高钙、高pH的溶液，这时原生质体才开始融合。原生质体融合包括膜融合和核融合两个过程。诱导融合只能诱导细胞膜的融合，两个核的融合是在杂种细胞第一次有丝分裂时进行的。

（3）杂种细胞的筛选和培养：烟草与大豆的原生质体融合后，将原生质体转移到适当的培养基上培养，使其再生出细胞壁。这时，在细胞混合物中，不仅有烟草——大豆杂种细胞，还有烟草细胞、大豆细胞、烟草一烟草细胞、大豆一大豆细胞。杂种细胞的筛选，可以用机械方法，也可以用生理学或遗传学方法。以机械方法为例，根据两种亲本细胞在形态、色泽上的差异，将细胞分别接种在带有小格的培养皿中，每小格中约放1~3个细胞。在显微镜下找出杂种细胞，并且标定位置。等杂种细胞分裂成细胞团时，转移到培养皿中，培养成愈伤组织。

（4）杂种植株的再生与鉴定：杂种植株的再生是指以愈伤组织培养出杂种植株的过程。由于烟草和大豆分别属于茄科和豆科植物，二者的原生质体融合后，至今只能长成杂种愈伤组织，还不能分化，因此谈不上杂种植株的再生与鉴定。对于能够再生出杂种植株的烟草——海岛烟草、白菜——甘蓝、胡萝卜——羊角芹等，长出的植株究竟是不是杂种，还需要经过鉴定才能确定下来。杂种植株的鉴定方法有形态学方法、生化方法（如电泳）、细胞学方法（如染色体组型分析）、分子生物学方法（如分子杂交）等。

6．动物细胞融合与植物细胞杂交的比较

动物细胞融合与植物体细胞杂交之间既有共性又有差异，如下表所示：

7．发酵工程

发酵工程是采用现代工程技术手段，利用生物(主要是微生物)的某些生理功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与和控制某些工业生产过程的一种新的技术。也有人称它为“微生物工程”。

发酵工程的过程，一般可分为发酵原料的预处理、发酵的准备、发酵过程和产品的分离与纯化等四个阶段。但在生产运用中，发酵过程往往是与其他生物技术相联系的。所以，实际生产某种生物制品时，常分为以下三个步骤

第一步，首先运用基因工程和细胞工程技术及诱变育种等生产出工程菌或细胞株。如通过诱变育种的方法获得能大量积累赖氨酸的黄色短杆菌的高产菌株。

第二步，大量培养工程菌或进行细菌发酵。这一步的关键是控制发酵的条件，如利用酵母菌生产酒精时，先要在有氧的条件下，让其大量繁殖，再在无氧的条件下生产酒精。许多产品及某些微生物对发酵工程的温度、pH等都十分敏感，需要严格的检测控制。

第三步，将工程菌与产品从发酵液（培养液）中分离出来，进行纯化和后处理。由于发酵液中产物的浓度很低，常常只有0.001%~0.01%，为了获得纯净的生物制品，必须进行分离纯化。常见主要分离纯化方法有分子筛法、离子交换法、离心法。

8．底物对酶活性的影响

①当底物（反应物）足量过剩而其他条件固定的条件下，酶促反应的速度和酶浓度成正比，如右图左所示。②若在酶浓度、pH、温度等条件固定不变的情况下，底物浓度和反应速度的关系如右图右所示。即在底物浓度较低时，反应速度随底物浓度增加而升高，近乎与底物浓度呈正比，当底物浓度较高时，底物浓度增加，反应速度也随之升高，但不显著，当底物浓度很大而达到一定浓度限度时，反应速度则达到一极大值，此时虽再增加底物浓度，反应速度也几乎不再改变。

三、经典回放

【例1】采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的工因的做法正确的是

①将毒素蛋白注射到棉受精卵中  ②将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中 ③将编码毒素蛋白的DNA序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养  ④将编码毒素蛋白的DNA序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵

A．①②           B．②③           C．③④           D．①④

【解析】基因工程一般要经历四个步骤：提取目的基因、目的基因与运载体结合，将目的基因导入受体细胞和目的基因的检测和表达。所以在导入目的基因前，首先要获得目的基因即本题中的编码毒素蛋白的DNA序列，然后要将目的基因与运载体结合即与细菌质粒重组。完成上述两步以后才将目的基因导入受体细胞即棉的体细胞或受精卵，目的基因导入受体细胞后，可随受体细胞的繁殖而复制，所以上述③④操作是正确的。①将毒素蛋白注射到棉受精卵中草药，没出息获得目的基因，②将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中没有将目的基因与受体细胞结合，所以①②是错误的操作。

【答案】选C。

【例2】下列在于基因工程的叙述，正确的是

A．基因工程经常以抗菌素抗性基因为目的基因

B．细菌质粒是基因工程常用的运载体

C．通常用一种限制性内切酶处理含目的基因的DNA，用另一种处理运载体DNA

D．为育成抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体

【解析】基因工程是按照人们的意思，把一种生物的基因复制出来，加以修饰改造，然后导入另一种生物的细胞里定向地改造生物的遗传性状。在实际操作中一定要注意用同一种限制性内切酶来处理目的基因DNA和运载体基因DNA，使它们产生相同的黏性末端。

【答案】选B。

【例3】用高度分化的植物细胞、组织和器官进行组织培养可以形成愈伤组织，下列叙述错误的是

A．该愈伤组织是细胞经过脱分化和分裂形成的

B．该愈伤组织的细胞没有全能性

C．该愈伤组织是由排列疏松的薄壁细胞组成

D．该愈伤组织可以形成具有生根发芽能力的胚状结构

【解析】植物组织培养的原理是植物细胞的全能性。植物细胞只有在脱离了植物体，在一定的外部因素的作用下，经细胞分裂形成愈伤组织，才能表现出全能性，由愈伤组织经细胞发育、分化形成新的植物体。

【答案】选B。

【例4】（2002年全国理综）一只羊的卵细胞的核被另一只羊的体细胞核置换后，这个卵细胞经过多次分裂，再植入第三只羊的子宫内发育，结果产下一只羊羔。这种克隆技术具有多种用途，但是不能

A．有选择地繁殖某一性别的家畜

B．繁殖家畜中的优秀个体

C．用于保存物种

D．改变动物的基因型

【解析】我们知道，生物的各种性状是由遗传物质——DNA控制的。由细胞核内的DNA控制的遗传叫细胞核遗传，由细胞质（主要存在于线粒体、叶绿体）内DNA控制的遗传叫细胞质遗传。目前的克隆技术是将一个体细胞核移入一个去核的卵细胞，经这试管培养一段时间后，再移入另一个体的子宫内发育、分娩的技术，通过该技术能够保持亲本的优良性状，能够保持性别不变，亦能够用于保存物种，但不能改变动物的基因型，这是因为基因型的改变是通过动物的有性生殖（减数分裂）完成的，体细胞核移入卵细胞内，无此过程。

 【答案】选D。

【例5】酵母菌培养过程中的生长曲线如右图所示，a、b、c、d分别表示不同的生长时期，其中适于作为生产用菌种的时期是

A．a    B．b    C．c    D．d

【解析】微生物的生长曲线可分为四个时期：调整期，菌体不分裂，代谢活跃，体积增长较快，大量合成所需物质；对数期，快速分裂，代谢旺盛，菌体形态和生理稳定，常用作和生产用菌种和科研材料；稳定期，活体达到最高数值，积累代谢产物；衰亡期，细胞出现畸形，部分细胞开始解体，释放代谢产物。

【答案】选B。

【例6】研究认为，用固定化酶技术处理污染物是很有前途的。如将从大肠杆菌得到的磷酸三酯酶固定到尼龙膜上制成制剂，可用于降解残留在土壤中的有机磷农药，与用微生物降解相比，其作用不需要适宜的

A．温度            B．pH            C．水分             D．营养

【解析】大多数微生物的同化作用类型都是异养型，在其生命活动过程中需要外界提供养料。而一种酶催化作用的进行，需要适宜的温度和酸碱度，酶的催化作用也离不开水，因此，在题干给出的选项中，符合题意的是D。

【答案】选D。

四、自我检测

一、选择题

1．现代生产的许多饮料和糖果中的甜味剂不是蔗糖而是高果糖浆，高果糖浆是淀粉通过一系列酶的催化作用转化而来的，下列哪一种酶在这一过程中是不需要的

A．a-淀粉酶                  B．糖化酶

C．葡萄糖异构酶              D．纤维素酶

2．一个DNA分子用限制酶切割，获得一个目的基因。有几个磷酸二酯键被水解

A．1            B．2            C．3            D．4

3．下列常用作运载体的是

A．大肠杆菌质粒

B．苏云金芽孢杆菌的DNA分子

C．土壤农杆菌环状RNA分子

D．动物细胞的染色体

4．下列关于限制酶的说法不正确的是

A．限制酶广泛存在于各种生物中，微生物中很少分布

B．一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列

C．不同的限制酶切割DNA的切点不同

D．限制酶的作用之一可用来提取目的基因

5．下列不属于利用基因工程技术制取的药物是

A．从大肠杆菌体内制取的白细胞介素

B．在酵母菌体内获得的干扰素

C． 在青霉菌体内获取的青霉素

D．在大肠杆菌体内获得的胰岛素

6．用DNA探针检测饮用水中病毒的具体方法是

A．与被检测病毒的DNA碱基序列进和比较

B．与被检测病毒的DNA碱基序列进行组合

C．与被检测病毒的DNA碱基序列进行杂交

D．A、B、C三种方法均可

7．马铃薯利用它的块茎进行无性繁殖，种植的世代多了以后往往会感染病毒而减产，为此农户都希望得到无病毒的幼苗进行种植。获得无病毒幼苗的最佳办法是

A．选择优良品种进行杂交

B．进行远缘植物体细胞杂交

C．利有芽尖进行组织培养

D．人工诱导基因突变

8．动物细胞培养液和植物组织培养液的共有成分是

A．葡萄糖                B．蔗糖

C．动物血清              D．维生素

9．单克隆抗体制备过程中，骨髓瘤细胞和B淋巴细胞诱导融合后，要用特定培养基筛选出杂交瘤细胞。在这种培养基上不能存活．增殖的细胞是

①B淋巴细胞                     ②小鼠骨髓瘤细胞

③B淋巴细胞自身融合细胞         ④小鼠骨髓瘤细胞自身融合细胞

⑤杂交瘤细胞

A．①②③④        B．①③⑤        C．②④        D．①③

10．动物细胞培养的细胞来自于

A．任何个体的细胞

B．只能取自动物胚胎细胞

C．只能取自幼龄动物的组织细胞

D．胚胎或幼龄动物的器官和组织细胞

11．科学工作者把胡萝卜的韧皮部细胞分离出来，将单个细胞放入培养基中培养，获得了许多完整的植株，这些植株的特点是

A．彼经性状相似                 B．变异频率较高

C．单倍体                       D．都是纯合子

12．植物体细胞杂交要先除支细胞壁的原因是