第三章遗传与基因工程

1第三章遗传与基因工程【菜单】第一节细胞质遗传细胞质遗传的概念、特点及原因概念子代性状由细胞质遗传物质所控制的遗传现象特点原因母系遗传受精卵内的细胞质几乎都来自卵细胞特点原因杂交后代不出现一定的分离比减数分裂时，细胞质中的遗传物质是随机、不均等地分配到配子中去细胞质遗传的物质基础细胞质基因（叶绿体、线粒体中含有DNA）第二节基因的结构原核细胞的基因结构编码区能转录成相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合成非编码区包括操纵基因、启动子和调节基因以及终止子真核细胞的基因结构编码区外显子能够编码蛋白质的序列内含子不能够编码蛋白质的序列非编码区包括操纵基因、启动子和调节基因以及终止子人类基因组研究人类基因组：人类DNA所携带的全部遗传信息人类基因组计划的主要内容：绘制人类基因组的遗传图、物理图、序列图和转录图第四节基因工程简介基因工程的基基因工程（基因拼接技术或DNA重组技术）的概念在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，定向地改造生物的遗传性，产生出人类所需要的基因产物。基因操作的工具基因的剪刀——DNA限制性内切酶基因的针线——DNA连接酶2本内容基因的运输工具——运载体（质粒、噬菌体和动植物病毒）基因操作的基本步骤提取目的基因鸟枪法人工合成法反转录法据已知氨基酸序列合成DNA目的基因与运载体结合将目的基因导入受体细胞目的基因的检测和表达检测：检测受体细胞是否具有运载体特有的标记基因表达：受体细胞表现出特定的性状基因工程的成果与发展前景基因工程与医药卫生生产基因工程药品：胰岛素、干扰素等基因诊断：如用基因探针检测肝脏类病毒、诊断遗传基因治疗：把健康的外源基因导入到有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的基因工程与农牧业、食品工业农业获得高产、稳产和具有优良品质的农作物培养具有各种抗逆性的作物新品种畜牧养殖业获得人们所需要的和具优良品质的转基因动物利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内表达食品业食品添加剂基因工程与环境保护环境检测用DNA探针检测水中病菌的含量环境净化获得分解四种烃类的“超级菌”，吞噬汞和降解土壤中DDT的细菌等【精解】例1．紫罗兰种子胚的表皮颜色有黄色和深蓝色，现做实验如下：①深蓝色♀×黄色♂→F1深蓝色②黄色♀×深蓝色♂→F1黄色3紫罗兰胚表皮颜色遗传属于（）A．显性遗传B．细胞质遗传C．伴性遗传D．随机遗传解析：真核生物细胞质中的线粒体和叶绿体含有DNA，而且都能够进行自我复制，并通过转录和翻译控制某些蛋白质的合成，从而控制生物的某些性状。细胞质中的基因称作细胞质基因（简称质基因）。子代性状由细胞质基因所控制的遗传现象称为细胞质遗传。卵细胞中含有大量的细胞质，而精子中只含有极少量的细胞质。这就是说，受精卵中的细胞质几乎全部来自卵细胞。这样，受细胞质内遗传物质控制的性状实际上是由卵细胞传给了子代，因此，无论正交、反交，F1总是表现出母本性状的遗传现象，亦即母系遗传。这是细胞质遗传区别于细胞核遗传的一大特点。由①②两实验可以看出无论深蓝色还是黄色作为母本，F1总表现为母本的性状，为典型的母系遗传。答案选B例2．袁隆平被称为“杂交水稻之父”，他研究成功的水稻杂交技术为我国水稻产量的提高，作出了巨大的贡献，被誉为农业上的一次绿色革命，他因此获得了我国的最高科学技术奖。水稻杂交技术利用了植物的“雄性不育”。研究表明，小麦、水稻和玉米等作物，它们的雄蕊是否可育，是由细胞核和细胞质中的基因共同决定的，在细胞核和细胞质中，都含有决定雄蕊是否可育的基因。其中，细胞核的不育基因用r表示，可育基因用R表示，并且R对r为显性；细胞质的不育基因用S表示，可育基因用N表示。在上述4种基因的关系中，细胞核可育基因（R）存在时，能够抑制细胞质不育基因（S）的表达。因此，当细胞核可育基因（R）存在时，植株都表现为雄性可育。当细胞质基因为可育基因（N）时，无论细胞核具有可育基因还是不育基因，植株都表现为雄性可育。只有当细胞核不育基因（rr）与细胞质不育基因（S）同时存在时，植株才能表现为雄性不育。用基因型为N（rr）的品种作父本，与基因型为S（rr）的雄性不育系杂交，杂交后代的基因型就是S（rr），表现为雄性不育，基因型为N（rr）的品种，既能使母本结实，又使后代保持了不育的特性，因此，叫作雄性不育保持系（简称保持系，图3-1）。用基因型为N（RR）的品种作父本，与基因型为S（rr)的雄性不育系杂交，才能使后代恢雄性不育系与与雄性不育保持系杂交图解4复可育性，这种能够使雄性不育系的后代恢复可育性的品种叫作雄性不育恢复系（简称恢复系），用这样的种子在田间大面积播种，长成的植株既可以通过传粉而结实，又可以在各方面表现出较强的优势，在杂交育种中，雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系必须配套使用，这就是人们常说的三系配套。袁隆平成功了，但他没有止步，在“三系法”的基础上，又研究成功了“二系法”，最后向“一系法”冲击，……阅读以上资料，分析回答下列问题：（1）依照下图的模式，画出水稻雄性可育的3种以上基因图解：（2）画出雄性不育系和雄性不育恢复系的杂交图解。（3）生产上使用的杂交水稻其基因组成是_________。解析：生物体中绝大部分性状是受细胞核基因的控制，核基因确实是主要的遗传物质，而有些性状是要受到细胞质基因的控制。细胞核遗传和细胞质遗传各自都有相对的独立性。这是因为，尽管在细胞质中找不到染色体一样的结构，但质基因与核基因一样，可以自我复制，可以控制蛋白质的合成，也就是说，都具有稳定性、连续性、变异性和独立性。细胞核遗传与细胞质遗传相互影响，很多情况是核质互作的结果。虽然细胞核遗传与细胞质遗传都有相对的独立性，但这并不意味着二者没有丝毫关系。因为细胞核和细胞质都是细胞的重要组成部分，共同存在于一个整体中，它们之间必然是相互依存、相互制约，不可分割的。它们控制的遗传现象也必定相互影响，很多情况是核质互作的结果。这是一道信息题，有效提取所给材料中有用信息是解题的关键。从呈现的资料中获取知识是高考的能力要求之一。“只有当细胞核不育基因（rr）与细胞质不育基因（S）同时存在时，植株才能表现为雄性不育”，因此可判断只有S（rr）雄性可育的基因图解雄性不育的基因图解5为雄性不育，其余的基因型——N（RR）、N（Rr）、N（rr）、S（RR）、S（Rr）均为可育的。从所给信息中可知，N（RR）为雄性不育恢复系，作父本；雄性不育系S（rr）只能作母本（花粉不育）。细胞质遗传为母系遗传，质基因为（S）；核基因为（R+r），因此F1的基因型为S（Rr）。这样的种子在田间大面积播种，长成的植株既可以通过传粉而结实，又可以在各方面表现出较强的优势，生产上使用的杂交水稻其基因组成是S（Rr）。答案（1）（2）雄性不育系和雄性不育恢复系的杂交图解。（3）S（Rr）例3．真核生物的基因拼接到细菌中后，可能非正常地发挥其功能。以下哪一项不能解释这一现象？A．细菌内基因表达时不能切割基因中内含子的转录片断B．被细菌内的限制性内切酶破坏C．其非编码区的RNA聚合酶结合位点不能被细菌RNA聚合酶识别D．使用不同的遗传密码解析：原核细胞基因和真核细胞基因都由编码区和编码区上下游的非编码区组成。非编码区有RNA聚合酶的结合位点。真核细胞基因结构不同于原核细胞基因的主要特点是：编码区是间隔的、不连续的，即能够编码蛋白质的序列（外显子）被不能够编码蛋白质的序列（内含子）分隔开来，成为一种断裂的形式。真核生物的基因整合到细菌DNA，不一定就能表达。原核基因一般不含内含子，在原核细胞中缺乏真核细胞的转录后的RNA加工系统，因而不能切除内含NRRNRrNrrSRRSRrNRR♀不育系♂恢复系×SRr杂交种6子的转录片断；也有可能被细菌内的限制性内切酶破坏；原核生物只有一种RNA聚合酶识别原核基因的启动子，而真核细胞有三种，若两者不是同一种酶，则真核基因非编码区的RNA聚合酶结合位点不能被细菌RNA聚合酶识别；所有的生物共用一套遗传密码，故选D。例4．由200个氨基酸组成的一种蛋白质，合成该蛋白质的基因：A．在原核生物中较长B．在真核生物中较长C．在原核生物和真核生物中一样长D．基因长度并不依赖于原核的还是真核的细胞组织状态解析：真核细胞的基因结构要比原核细胞的基因结构复杂。原核细胞基因的编码区不含内含子，真核细胞基因的编码区是间隔的、不连续的，能够编码蛋白质的外显子被不能够编码蛋白质内含子分隔开来，成为一种断裂的形式。原核基因和真核基因的比较表原核基因真核基因结构示意图非编码区编码区非编码区非编码区编码区非编码区外显子内含子非编码区组成作用启动子等调控序列调控遗传信息的表达同左编码区组成、作用不间断编码蛋白质合成断裂，分外显子和内含子外显子编码蛋白质的合成转录产物成熟的RNA初级转录产物、经加工后才能成为成熟的RNA基因作用储存、传递和表达遗传信息，可发生突变，决定生物的性状同左A和C都不对，虽然编码含相同数目氨基酸的蛋白质，不论原核还是真核生物中，密码子数是相同的（或mRNA中碱基的数目是相同），但原核生物中基因是连续的，而大多数的高等真核生物基因是不连续的，在这些基因中的编码序列（外显子）被1个或多个内含子隔开，内含子在转录变成mRNA时才被切除，因此真核细胞中编码相同数目氨基酸的蛋白质的基因比原核7类中的长。A、C、不对；基因长度与细胞组织水平（原核还是真核）有关，D不对。答案选B例5．中国农业科学院刘德虎研究员带领的研究小组经过5年研究，成功将控制乙型肝炎病毒外膜蛋白的基因导入土豆中。播种一片土豆即可生产出大量乙肝抗原蛋白，人们因此可通过口服这种蛋白制成的胶囊而接种乙肝疫苗，从而免去定期去医院注射的麻烦。我国科学家这一极具市场前景的科研成果不久将实现产业化，而且已开始了人的临床应用的研究工作。（1）这种通过口服乙肝抗原蛋白而获得的免疫，属于后天获得的＿＿＿＿＿＿免疫。乙肝抗原蛋白刺激我们体内免疫系统产生＿＿＿＿＿＿或＿＿＿＿＿＿从而获得免疫。（2）在培育转基因土豆的基因操作中，所用的基因的“剪刀”是＿＿＿＿＿＿，其化学本质是＿＿＿＿＿＿；基因的“针线”是＿＿＿＿＿＿；基因工程常用的运载体是＿＿＿＿＿＿，通常利用运载体的＿＿＿＿＿＿基因是否表达来判断受体细胞是否获得了目的基因。（3）通过基因工程来培养新品种具有目的性强，育种周期短等特点。另外，与杂交育种相比，基因工程育种的突出优点是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。解析：免疫可以分为非特异性免疫和特异性免疫。特异性免疫又称“获得性免疫”，是人体在生活中与抗原物质接触后所产生的免疫功能，是出生后形成的。特异性免疫通过抗体或效应细胞消灭抗原，抗体是机体接受抗原刺激后产生的，并且能与该抗原发生特异性结合的具有免疫功能的球蛋白。疫苗（抗原蛋白）能刺激免疫系统产生抗体或效应细胞，所以人体可以经过预防接种后获得免疫能力。基因的剪刀指的是DNA限制性内切酶（简称限制酶）。限制酶主要存在于微生物中。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且能在特定的切点上切割DNA分子。基因的针线是指DNA连接酶，把两条DNA末端之间的缝隙“缝合”起来。运载体是将一个外源基因送入受体细胞的运输工具。作为运载体必须具备以下条件：能够在宿主细胞中复制并稳定地生存；具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接；具有某些标记基因，便于进行筛选，如对抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。目前，符合上述条件并经常使用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。这种通过口服乙肝抗原蛋白而获得的免疫，是后天获得的免疫，因此为特异性免疫。乙肝抗原蛋白呈递给吞噬细胞，经吞噬细胞加工处理后再呈递给T淋巴细胞，刺激T淋巴细胞分化增殖产生记忆细胞和效应T细胞；或者再呈递给B淋巴细胞，刺激B淋巴细胞分化增殖产生记忆细胞和效应B细胞（产生抗体）；抗体和记忆细胞在抗原再次入侵时能迅速作出反应，从而8起免疫作用。质粒是基因工程最常用的运载体，它存在于许多细菌以及酵母菌等生物中，如大肠