江蘇

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）的基本理念之一是“內(nèi)容聚焦大概念”，即本課程的設(shè)計和實施追求“少而精”的原則，必修和選擇性必修課程的模塊內(nèi)容聚焦大概念。在遺傳學(xué)中，DNA的結(jié)構(gòu)、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與翻譯等與中心法則相關(guān)內(nèi)容是基因工程的理論基礎(chǔ)，而基因工程是這些遺傳知識的具體應(yīng)用。教師在二輪復(fù)習(xí)時，可以整合必修和選修教材中的相關(guān)知識點，以提高復(fù)習(xí)效率。

1.必修與選修內(nèi)容的整合在高考試題中的體現(xiàn)

在2019 年全國卷Ⅰ第38 題考查了選修3 PCR 技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，但其中涉及與必修2 中DNA 的復(fù)制內(nèi)容的比較與分析；2019 年北京卷第4 題在育種考查中將轉(zhuǎn)基因技術(shù)與染色體變異知識結(jié)合在一起，第31 題光合作用、基因工程及基因?qū)π誀畹目刂频扔嘘P(guān)知識聯(lián)系起來；2019 年海南卷第31 題與天津卷第9 題將基因工程、蛋白質(zhì)工程與必修2 中心法則相聯(lián)系；2019 年全國卷Ⅱ第38 題細(xì)胞工程內(nèi)容的考查聯(lián)系到必修內(nèi)容中生殖方式、細(xì)胞呼吸、植物的營養(yǎng)成分等內(nèi)容；2019 年全國卷Ⅲ第38 題對細(xì)胞工程的考查，涉及葉綠素、光合作用及生殖方式等必修內(nèi)容。由此看出，在高考命題中必修課程的知識與選修課程知識的融合是一種趨勢，也符合《課程標(biāo)準(zhǔn)》的理念。

2.中心法則與基因工程的整合在教學(xué)中的應(yīng)用

根據(jù)必修中的內(nèi)容可知，生物體的遺傳信息要傳遞給后代，并且在后代中得到表達(dá)，這個過程包括真核細(xì)胞與原核細(xì)胞中DNA 的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與翻譯，以及病毒在宿主細(xì)胞中的DNA 復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、逆轉(zhuǎn)錄、RNA 的復(fù)制等，這些內(nèi)容可以通過中心法則聯(lián)系在一起，學(xué)生在掌握這些知識的基礎(chǔ)上，將其代入基因工程中進行實踐，這樣可以形成必修與選修的知識系統(tǒng)，下面筆者來談?wù)劸唧w的方法。

2.1 中心法則與基因工程中有關(guān)酶的比較

中心法則與基因工程中涉及的酶有多種，這些酶在各類試題中經(jīng)常出現(xiàn)。如DNA 復(fù)制時需要DNA 聚合酶形成磷酸二酯鍵，基因工程中目的基因與載體之間的連接需要DNA 連接酶形成兩個片段之間的磷酸二酯鍵。某些RNA病毒具有逆轉(zhuǎn)錄酶，在合成目的基因時也可以用逆轉(zhuǎn)錄的方法形成cDNA。限制酶與DNA 水解酶都具有破壞磷酸二酯鍵的作用，但前者形成2 個DNA 片段，后者產(chǎn)生單個脫氧核苷酸，筆者將中心法則與基因工程中有關(guān)酶的知識點進行整合，如表1。

表1

【例1】如圖1 表示一段DNA 改造的過程，①～③表示相關(guān)的酶。下列敘述錯誤的是 （ )

圖1

A.酶①和酶②的作用底物不同

B.酶①②③作用的化學(xué)鍵相同

C.酶①是限制酶，酶②與酶③是DNA 連接酶

D.與酶②相比，酶③作用時不需要模板和引物

【答案】C

【分析】此題將與DNA 改造相關(guān)的3 種酶通過一個情境聯(lián)系起來，酶①是限制酶，酶②需要模板與引物填補脫氧核苷酸，經(jīng)酶②完成的過程是DNA聚合酶作用的結(jié)果，酶③是DNA 連接酶。這里的3 種酶都作用于磷酸二酯鍵，但有區(qū)別，學(xué)生必需要將必修課程中學(xué)習(xí)的DNA 聚合酶的作用與選修課程中的限制酶及DNA 連接酶的作用理解透徹，才能正確解答該題。

2.2 DNA 的復(fù)制與PCR 技術(shù)的比較

DNA 的復(fù)制與PCR 技術(shù)都能使DNA 成倍增加，兩者的原理、原料是相同的，但也有不同點，教師在進行PCR 技術(shù)內(nèi)容的復(fù)習(xí)時可以結(jié)合DNA 的復(fù)制的相關(guān)內(nèi)容進行比較，這樣使學(xué)生既能很快掌握PCR 技術(shù)的相關(guān)知識，又能了解它們的區(qū)別，對解答相關(guān)試題很有幫助。

2.2.1 DNA 體內(nèi)復(fù)制過程與PCR 技術(shù)擴增DNA 的比較

DNA 的復(fù)制與PCR 技術(shù)擴增DNA 的原理是相同的，兩者的異同如表2 所示。教師在復(fù)習(xí)PCR 技術(shù)相關(guān)知識時，應(yīng)注意的是脫氧核苷三磷酸（dNTP）中含有2 個高能磷酸鍵，這個知識可以結(jié)合ATP 分子結(jié)構(gòu)來理解，它與ATP分子的差異是五碳糖發(fā)生了變化，dNTP 上的堿基有4 種，其中高能磷酸鍵水解釋放的能量為形成磷酸二酯鍵提供能量，水解后產(chǎn)生的脫氧核苷酸可以為DNA的復(fù)制提供原料。其實生物體內(nèi)DNA 的復(fù)制需要的原料也是4 種dNTP，但必修教材中沒有詳細(xì)說明，只在選修3 才介紹了這部分內(nèi)容，再與必修1 中ATP 有關(guān)知識聯(lián)系起來，學(xué)生就知道dNTP 不僅可以提供原料，還能提供能量。

表2

2.2.2 DNA 的復(fù)制與PCR 技術(shù)中的引物設(shè)計

DNA 的復(fù)制中需要引物，DNA 聚合酶延伸子鏈具有方向性，只能從子鏈的5′端向3′端延伸。引物是與被分離的目的基因兩條鏈各自3′端序列相互補的DNA片段，引物的5′端與模板鏈的3′端互補配對，然后在DNA 聚合酶的作用下向3′端延伸。

【例2】人金屬硫蛋白（MT）是一類廣泛存在于生物體內(nèi)的金屬結(jié)合蛋白，某研究小組計劃通過多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)擴增目的基因，構(gòu)建轉(zhuǎn)基因工程菌，用于重金屬廢水的凈化處理。下列敘述錯誤的是 （ ）

A.可以在引物的5′端添加限制酶切點

B.引物內(nèi)部堿基G— C 比例越高退火的溫度就越高

C.1 個DNA 經(jīng)過PCR 技術(shù)的4 次循環(huán)共需要32 個引物

D.可從合成MT 的細(xì)胞中提取mRNA 反轉(zhuǎn)錄得到目的基因

【答案】C

【分析】此題引物數(shù)量計算的思維方式與“1 個用32P標(biāo)記的DNA 放在沒有標(biāo)記的環(huán)境中復(fù)制n 次，不含32P 的DNA 鏈有多少個”類似，可以看作是DNA 的復(fù)制原理的變式應(yīng)用。子鏈的形成需要引物，模板鏈不需要引物，因此經(jīng)過n 次復(fù)制需要的引物是2n×2-2 個，則4 次復(fù)制需要30 個引物。由mRNA 合成DNA 需要通過逆轉(zhuǎn)錄來完成，這都說明基因工程的內(nèi)容與必修知識關(guān)聯(lián)度很高。

根據(jù)DNA 復(fù)制的原理，在引物設(shè)計時要注意以下幾點：（1）引物長度不能過短，這樣特異性差，且引物過長會導(dǎo)致其合成難度大；（2）引物內(nèi)部G— C 比例越高，氫鍵數(shù)目越多，設(shè)置退火的溫度就越高；（3）為方便構(gòu)建重組質(zhì)粒，在引物中需要增加適當(dāng)?shù)南拗泼盖形稽c，最好是雙酶切，這樣保證定向插入連接，酶切點應(yīng)加在引物的5′端；（4）如果兩個引物局部發(fā)生堿基互補配對會失效，同一引物內(nèi)部如果有互補序列，則自身折疊后會出現(xiàn)局部堿基配對而失效；（5）引物在子鏈的5′端，方向與DNA 聚合酶的作用方向有關(guān)。學(xué)生掌握這些知識，就能正確解答此類試題。

2.3 基因的結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)載體的構(gòu)建

基因的結(jié)構(gòu)包括啟動子、編碼區(qū)、終止子，因此基因表達(dá)載體中有啟動子、目的基因、終止子，為了便于篩選，其中還應(yīng)有標(biāo)記基因。由于DNA 分子兩條鏈具有方向性，而DNA 聚合酶只能從子鏈的5′→3′端，因此目的基因與質(zhì)粒連接時正接與反接模板鏈的堿基序列是不同的，在選擇限制酶時要考慮兩種酶切的黏性末端不同，使用兩種不同的限制酶處理目的基因與載體時，要注意有時不同的限制酶切也會形成相同的黏性末端，在具體情境中要注意具體分析。

2.4 中心法則與目的基因的檢測及蛋白質(zhì)工程

基因表達(dá)載體進入細(xì)胞之后，再進行轉(zhuǎn)錄形成mRNA，并且翻譯成蛋白質(zhì)，最終形成具有相應(yīng)性狀的轉(zhuǎn)基因個體，目的基因檢測的分子水平具有相應(yīng)的層次。蛋白質(zhì)工程是基因工程的一個分支，由于直接改造的蛋白質(zhì)是不能遺傳給后代的，只有按照中心法則的逆推過程，推導(dǎo)出基因的脫氧核苷酸序列，通過改造基因才能實現(xiàn)，結(jié)果會出現(xiàn)自然界中沒有的蛋白質(zhì)。從這里可以看出，中心法則是目的基因檢測及蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ)，三者之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2

【例3】B 基因存在于水稻基因組中，其僅在體細(xì)胞（2n）和精子中正常表達(dá)，但在卵細(xì)胞中不轉(zhuǎn)錄。為研究B 基因表達(dá)對卵細(xì)胞的影響，設(shè)計了如下實驗。據(jù)圖3 回答下列問題：

圖3

（1）B 基因在水稻卵細(xì)胞中不轉(zhuǎn)錄，推測其可能的原因是卵細(xì)胞中B 基因的_____無法啟動轉(zhuǎn)錄。從轉(zhuǎn)基因植株未成熟種子中分離出胚，觀察到細(xì)胞內(nèi)含_____個染色體組，判定該胚是由未受精的卵細(xì)胞發(fā)育形成的，而一般情況下水稻卵細(xì)胞在未受精時不進行發(fā)育，由此表明_____。

（2）從水稻體細(xì)胞_____ 中提取總RNA，構(gòu)建_____文庫，進而獲得B 基因編碼蛋白的序列。將該序列在____酶作用下連接在Luc 基因（表達(dá)的熒光素酶能催化熒光素產(chǎn)生熒光）的_______（填“5′”或“3′”）末端成為融合基因（表達(dá)的蛋白質(zhì)能保留兩種蛋白質(zhì)各自的功能）。

（3）在過程①②轉(zhuǎn)化篩選時，過程②在培養(yǎng)基中應(yīng)加入的抗生素種類為_____，因為過程②中_____整合到受體細(xì)胞染色體DNA 上。

（4）獲得轉(zhuǎn)基因植株過程中，以下鑒定篩選方式正確的是_________________________（多選）。

A.將隨機斷裂的B 基因片段制備成探針進行DNA 分子雜交

B.以B 基因編碼蛋白的序列為模板設(shè)計探針與從卵細(xì)胞提取的mRNA 雜交

C.以Luc 基因為模板設(shè)計探針進行DNA 分子雜交

D.檢測加入熒光素的卵細(xì)胞中是否發(fā)出熒光

【分析】本題需要將染色體變異、中心法則、基因的結(jié)構(gòu)與基因工程等內(nèi)容結(jié)合起來思考。由圖3 中的標(biāo)注可推測B 基因在水稻卵細(xì)胞中不轉(zhuǎn)錄，可能的原因是卵細(xì)胞中B 基因的啟動子無法啟動轉(zhuǎn)錄，這實質(zhì)上是基因的選擇性表達(dá)。形成融合基因時，B 基因編碼蛋白的序列在前，靠近啟動子部位，應(yīng)是連接在Luc 基因的5′末端。圖3 中過程②表示篩選含有目的基因的植物細(xì)胞，由于整合到受體細(xì)胞染色體DNA 上的是T-DNA，而T-DNA 上只有潮霉素抗性基因。

【答案】（1）啟動子 1 B 基因表達(dá)能使卵細(xì)胞不經(jīng)受精直接發(fā)育成胚 （2）精子 cDNA DNA連接 5′ （3）潮霉素 T-DNA （4）BCD

總之，加強必修課程與選修課程知識的綜合，聚焦大概念構(gòu)建合理的知識體系，開展知識點串講，專題系統(tǒng)化復(fù)習(xí)和綜合訓(xùn)練，使學(xué)生理解結(jié)構(gòu)決定功能，加深對科學(xué)、技術(shù)和社會關(guān)系的認(rèn)識，形成適應(yīng)生物學(xué)科特點的學(xué)習(xí)方法和思維方式，從而提高學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。