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文档简介
1、1.2.1 目的基因的获取和基因表达载体的构建学习目标1.说出基因工程的基本操作程序。2.理解获取目的基因的途径。3.说出基因表达载体的构建的目的与组成。课堂导入方式一抑制疾病传播的转基因蚊子巴西等拉美国家深受致倦库蚊的危害。致倦库蚊可携带多种病毒和寄生虫,能够传播脑炎、丝虫等传染病,而这些传染病常年在拉美国家肆虐。为了抑制疾病的传播,巴西科学家培育出了一种转基因雄性致倦库蚊。科学家在雄性致倦库蚊体内植入一种特殊基因,当具该基因的转基因雄蚊与野生雌蚊交配时,这种基因可以进入雌蚊的基因组,并使雌蚊死亡,从而减少了该种蚊子的数量, 达到抑制疾病传播的目的。 怎样才能最终得到转基因雄蚊呢?让我们一起
2、来学习基因工程的基本操作程序吧!方式二师:出示我国有知识产权的转基因抗虫棉的培育图解:问:转基因抗虫棉的培育需要哪些步骤?学生看图并回答:首先要获得目的基因,其次将目的基因连接到 Ti 质粒上,然后将重组的Ti 质粒导入受体细胞,最后要重建转基因植物。根据学生回答补充:还需检测抗虫基因是否已经进入棉花植株,并由此引出基因工程的四部曲。新知导学新知导学启迪思维探究就律一、目的基因的获取1 .基因工程的基本操作程序(1)目的基因的获取。(2)基因表达载体的构建。(3)将目的基因导入受体细胞。(4)目的基因的检测与鉴定。2 .目的基因的获取(1)目的基因:主要是指编码蛋白质的基因,也可以是一些具有调
3、控作用的因上(2)常见方法Ti质粒目的基因捕入到染色体DNA中衣杆菌受体细胞试抗管一虫苗棉从基因文库中获取a.基因文库:将含有某种生物不同基因的许多 DNA 片段,导入受体菌的群体中储存,各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因,称为基因文库。基因组文库:包含一种生物所有的基因b.种类,、一一人,:I-邯分基因文库:包含一种生物的一部分基因c.提取依据:基因的核甘酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA 以及基因的表达产物蛋白质等特性。利用 PCFa 术扩增目的基因a.PCR 的含义:是一项在生物体外复制特定 DNA段的核酸合成技术。b.目的:短时间内大量扩增目的基因。c
4、.原理:DNAgy链复制。d.前提:有一段已知目的基因的核甘酸序列。e.过程第一步:加热至 9095C,DNAB 链为单链;第二步:冷却至 5560C,引物结合到互补 DNA;第三步:加热至 7075C,热稳定 DNAm 合酶(Taq 酶)从引物起始进行互补链的合成。如此重复循环多次。f.结果:每一次循环后,目的基因的量可以增加一倍,即成指数形式扩增(约为 2n,n 为扩增循环的次数)。化学方法直接人工合成a.条件:基因比较小,核甘酸序列又已知。b.方法:借助 DN 蛤成仪用化学方法直接人工合成。【归纳总结】1.PCR 技术与细胞内 DNAM 制的比较比较项目细胞内 DNAM 制PC 叱术区别
5、解旋方式解旋酶催化DNA高温卜变性解旋场所主要在细胞核内细胞外酶解旋酶、DNAm 合酶热稳定 DNA 聚合酶温度细胞内温和条件控制温度,需在不同温度卜进行结果合成整个 DNA 分子扩增特定的 DNA 片段或基因联系(1)模板:均需要脱氧核甘酸双链作为模板(2)原料:均为四种脱氧核甘酸(3)酶:均需 DNA 聚合酶(4)引物:都需要引物,使 DNAm 合酶从引物开始进行互补链的合成2.获取目的基因的方法比较方法从基因文库获取PC 叱术扩增化学方法直接人工合成基因组文库部分基因文库(如 cDNA 义库)过程供体细胞中的DNAJ 限制酶许多 DNM 段J 连接表达载体J 导入受体菌群外源DNAT增,
6、产生特定性状J 分离目的基因目的基因的 mRNAJ 反转录单链 DNAJ 合成双链 DNAJ 插入载体J 导入受体菌群(cDNA 义库)J 分离目的基因目的基因 DNAJ 高温解链单链 DNAJ 与引物结合、DNA 聚合酶大量目的基因蛋白质的氨基酸序列J 推测mRNA 勺核甘酸序列J 推测基因的核甘酸序列J 化学合成目的基因优点操作简单专一性强口在短时间内大量扩增目的基因专一性强,可产生自然界中不存在的新基因缺点工作量大、盲目性大、专一性差操作过程较繁琐,技木要求局需要严格控制温度,技木要求局适用范围小3.获取目的基因的方法选择(1)如果不知道目的基因的核甘酸序列,可以通过构建基因文库的方法,
7、即通过受体菌储存并扩增目的基因后,从基因文库中获取目的基因。(2)如果知道目的基因的核甘酸序列,而且基因比较小,可以通过 DNA 合成仪利用化学方法直接人工合成。(3)如果知道要扩增的目的基因及两端的核甘酸序列,而且基因又比较大,可以通过 PCR 技术扩增目的基因。【例 1】以下为形成 cDNA(图中的单链 DNA 冠程和 PCR 扩增过程示意图。据图分析,下列说法正确的是()RNA融DNA链A.催化过程的酶是 RNA 聚合酶B.过程发生的变化是引物与单链 DNA 吉合C.催化过程的酶都是 DNAm 合酶,都能耐高温D.如果 RNA 单链中 A 与 U 之和占该链碱基含量的 40%则一个双链
8、DNA 中,A 与 U 之和也占该 DNA 碱基含量的 40%答案 B解析由题意可知,分别表示反转录、DNA 的复制、DNAS 链、引物结合到互补DNA 链及互补链的合成,B 正确;过程由反转录酶催化完成,A 错误;催化过程的酶都是 DNA聚合酶,过程是在 7075c 的高温条件下进行的,只有该过程中的酶需耐高温,C 错误;在 DNA 分子中有碱基 T 无 U,D 错误。【例 2】(2017 湖南长沙一中期末考试)下列有关获取目的基因的方法,叙述错误的是()A.从基因文库中直接获取目的基因的优点是操作简便,缺点是工作量大,具有一定的盲目性B.由于真核细胞的基因中含有不表达的 DNM 段,所以一
9、般使用人工合成的方法获取真核细胞中的目的基因C.如果基因比较小,核甘酸序列又已知,可以利用化学方法直接人工合成D.PCR 技术的原理是 DNAM 制,需 DNA 连接酶催化 DNA 合成答案 D解析 PCR术的原理是 DNA子的复制,需要耐高温的 DNA 聚合酶催化 DNA 合成,D 错误。二、基因表达载体的构建1 .基因表达载体构建的目的使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代,使目的基因能够表达和发挥作用。2 .基因表达载体的组成目的基因位置:是因的直邈启动了功能:是RNA聚合襁识别和结合的部位,骅动基因的转录位置:基因的尾端功能:RNA乘台库脱离部位.终止将录3 .基因表达载
10、体的构建过程般用同一种限制酶分别切割载体和目的基因,再用 DNA 连接酶把两者连接(如图)。|核酸酶1RNA单锥杂交双链次键DNA*55a捌七7075t标i己基因:鉴别受体细咆中是一看含有1M里因终止于【归纳总结1.启动子和起始密码子、终止子和终止密码子的区别启动子终止子起始密码子终止密码子化学成分DNA 片段DNA 片段mRNA:三个相邻碱基mRNAt 三个相邻碱基目的基因 1T 端目的基因尾端mRNAt 端mRNA1 端作用RN 咪合酶识别和结合的部分,驱动基因转录出 mRNA决定转录的结束翻译的起始信号决定翻译过程的结束2.构建基因表达载体时限制酶的选择原因分析(1)选用同一种限制酶切割
11、目的基因和载体的原因:选用同一种限制酶切割会产生相同的黏性末端,可以在 DNA!接酶的作用下将切割的目的基因和载体连接起来。(2)基因工程操作时往往用两种限制酶分别切割目的基因的两端以及载体的原因:如果用一种限制酶切割,目的基因两侧的末端以及质粒切口的两个末端都是互补的,因此连接时可能会出现载体与载体、目的基因与目的基因、目的基因与载体三种连接情况,而符合要求的只有载体与目的基因的连接。 如果用两种不同的限制酶进行切割就可以有效避免载体与载体以及目的基因与目的基因的连接,提高连接的有效性。【例 3(2017河南南阳一中月考)在基因工程的操作过程中,获得重组质粒不需要()DNA 连接酶限制性核酸
12、内切酶RNA 聚合酶具有标记基因的质粒目的基因四种脱氧核甘酸A.B.C.D.答案 A解析构建重组质粒时,首先要用限制性核酸内切酶切割含有目的基因的 DNA段和载体,其次需要用 DNA!接酶将目的基因与载体连接;RNA 聚合酶催化转录过程,获得重组质粒时不需要 RN 咪合酶;获得重组质粒时,需要具有标记基因的质粒作为载体;重组质粒是由目的基因与质粒形成的;四种脱氧核甘酸是合成 DNA 的原料,获得重组质粒不需要四种脱氧核昔酸。“卜源口MA同种限制酶切割一一个切口.两个黏性末H质粒屋因表达骤体%DNA连接触一两个切IL获得目的基因【例4如图是利用基因工程技术培育转基因植物生产可食用疫苗的部分过程示
13、意图,其中PstI、Smat、EcoRi、Apal为四种限制性核酸内切酶。下列说法错误的是()A.图示过程是基因工程的核心步骤B.表达载体构建时需要用到限制酶SmaC.抗卡那霉素基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来D.除图示组成外,表达载体中还应该含有启动子和终止子等结构答案 B解析图示过程为基因表达载体的构建过程,是基因工程中的核心步骤;构建过程中需要将目的基因完整切割下来,此时要用到限制酶目的是便于鉴定和筛选含有目的基因的细胞;和标记基因等。学习小结目的基因庭冈组文库基因支库部分基因文库目的基因的荻取(cDNA文库)从基因文库中获取方法 1PCR技术扩噌I!人工成产的基因表达载体的
14、构建!组成!构建过程将目的堪因导入受体细胞.目的基因的检测与整定达标检测达标检测1.基因工程的核心是()PstI、EcoRI;抗卡那霉素基因是标记基因,基因表达载体包括启动子、目的基因、终止子基因工程的基本操作程序HvII反审RI泰他因A.目的基因的获取B.基因表达载体的构建C.将目的基因导入受体细胞D.目的基因的检测与鉴定答案 B解析目的基因构建表达载体后才能使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代,同时,使目的基因能发挥作用,只有构建表达载体后,才能根据载体上的标记基因鉴别目的基因是否导入了受体细胞,从而筛选出含目的基因的受体细胞,避免进行盲目的无效工作。2 .如图表示基因工程
15、中获取水稻某目的基因的不同方法。下列相关叙述中正确的是()A.三种方法都需要酶并均在体外进行B.碱基对的排列顺序均相同C.三种方法均属于人工合成法D.方法 a 不遵循中心法则答案 A法 b 需要限制酶;方法 c 需要 DNA 聚合酶),A 正确;通过方法 a 得到的目的基因不含有内含子,通过方法 c 得到的目的基因的碱基序列可能有多种,因此碱基对的排列顺序不都相同,B 错误;方法 a 和 c 属于人工合成法,而方法 b 是从供体细胞的 DNA 中直接分离目的基因的方法,C 错误;方法 a 遵循中心法则,D 错误。3 .如图为基因表达载体的模式图,若结构 X 是表达载体所必需的,则 X 最可能是
16、()A.氨茉青霉素抗性基因方法C核小酸.核等解析这三种方法都是在体外进行的,且都用到酶(方法 a 需要反转录酶和 DNAM 合酶;方B.启动子D.DNA1 接酶终止了C.限制酶答案 B解析启动子是该表达载体所必需的,功能是启动插入基因的转录过程。4 .下列有关抗虫基因表达载体的叙述,正确的是()A.切割含抗虫基因的 DNA 片段和载体必须用同一种限制酶B.抗虫基因表达载体中要有启动子和终止密码子C.抗虫基因表达载体必须具备标记基因,其作用是筛选含有目的基因的受体细胞D.抗虫基因的表达启动于复制原点答案 C解析切割含抗虫基因的 DNA 片段和载体可以用不同的限制酶,只要切割出的末端相同即可,A
17、项错误;抗虫基因表达载体的构建必须具备启动子和终止子,终止密码子位于 mRNA上,B 项错误;基因表达载体必须具备标记基因,其作用是检测目的基因是否导入到受体细胞中,从而将含有目的基因的受体细胞筛选出来,C 项正确;抗虫基因的表达开始于启动子,D 项错误。5.重叠延伸 PC 叱术是一种通过寡聚核甘酸链之间重叠的部分互相搭桥、互为模板,通过多次 PCRT 增,从而获得目的基因的方法。该技术在扩增较长片段的 DNA 不同来源的 DNA片段拼接、基因的定点诱变等方面具有广泛的应用前景。如图是利用重叠延伸 PCR 技术扩增某目的基因的过程。其主要设计思路是用具有互补配对片段的引物(图中引物 2、引物
18、3)分别进行 PCR 获得有重叠链的两种 DNA 片段,再在随后的扩增反应中通过重叠链的延伸获得目的基因。结合所学知识,回答下列问题:引物I日的基因引物1川物2引物1(1)引物中 JC 的含量影响着引物与模板 DNA 结合的稳定性,引物中 G+C 的含量越高,结合稳定性。(2)在第一阶段获得两种具有重叠片段 DNA 勺过程中,必须将引物 1、2 和引物 3、4 置于不同反应系统中,这是因为。(3)在引物 1、引物 2 组成的反应系统中,经第一阶段形成图示双链 DNA 至少要经过次复制。(4)若在引物 1、引物 2 组成的反应系统和引物 3、引物 4 组成的反应系统中均复制一次,共产生种双链 D
19、NA 分子。引物.IILI引物工一引物4第二阶段第-.阶段目的基因引物之皿引物?引物I(5)若利用微生物扩增该目的基因,其基本步骤包括:、微生物的筛选和培养、从菌群中获取目的基因。答案(1)越高(2)引物 2 和 3 中存在互补配对片段,置于同一反应系统时它们会发生结合而失去作用(3)2(4)3(5)目的基因与载体结合将重组 DNA 导入受体细胞解析(1)由于 C 与 G 之间有 3 个氢键,而 A 与 T 之间有 2 个氢键,所以引物中 C 与 G 含量越高,引物与模板 DNA 勺结合就越稳定。(2)由题干可知,引物 2 和引物 3 具有互补配对片段,如果将引物 2 和引物 3 放在一个反应
20、系统中,则会引起引物 2 和引物 3 的结合而失效。(3)第一阶段形成的 2个 DNA分子分别含有引物 1 和引物 2,图中第一阶段形成的 DNA分子同时具有引物1 和引物 2,图示双链 DNA子至少要经过 2 次复制才能形成。(4)两个反应系统中各自形成 2 种 DNA 分子,但由于引物 1 和引物 4 形成两个与原 DNAt 目同的 DNA 分子,所以含有引物 1 和 4 的 DNA)!于同一种 DNA 故共形成 3 种 DNA 分子。(5)利用微生物扩增该目的基因的基本步骤为:将目的基因与载体结合;将目的基因导入受体细胞;微生物的筛选和培养,从菌群中获取目的基因。课时对点练课时对点练注重
21、双基强化落实对点训练题组一目的基因的获取1 .基因工程的基本操作程序有:使目的基因与载体相结合;将目的基因导入受体细胞;检测目的基因的表达是否符合特定性状要求;目的基因的获取。正确的操作顺序是()A.B.C.D.答案 C解析基因工程的主要操作步骤顺序是:目的基因的获取一基因表达载体的构建一将目的基因导入受体细胞一目的基因的检测和鉴定。2 .下列获取目的基因的方法中需要模板链的是()从基因文库中获取目的基因利用 PCR 技术扩增目的基因反转录法通过 DNA合成仪利用化学方法人工合成A.B.C.D.答案 D解析 PCRJ 用白是 DNA链复制原理,即将双链 DN间的氢键打开,变成单链 DNA,作为
22、聚合反应的模板。反转录法则是以目的基因转录成的 mRN 朋模板,在反转录酶的作用下,先反转录形成互补的单链 DNA 再合成双链 DNA、均不需要模板。3.(2017郑州一中高二下学期期中)下列关于基因文库的说法,错误的是()A.可分为基因组文库和部分基因文库B.cDNA 文库属于部分基因文库C.基因组文库的基因在不同物种之间均可进行基因交流D.同种生物的 cDNA 文库中基因数量较基因组文库少答案 C解析基因组文库中只有部分基因能够在不同物种之间进行基因交流。4 .下图表示基因工程中目的基因的获取示意图,不正确的是(A.表示 PCR 技术,用来扩增目的基因B.从基因文库中要得到所需的目的基因可
23、以根据目的基因的相关信息来获取C.若获取的目的基因相同,则图中基因组文库小于 cDNA 文库D.若基因比较小,核甘酸序列又已知,则可以直接通过人工合成的方法获取答案 C解析可以利用 PCR术,大量扩增目的基因,A 项正确;可以根据目的基因的相关信息,如核甘酸序列、基因功能、基因在染色体上的位置等,从基因文库中得到所需的目的基因,B 项正确;基因组文库是从 DNA 中获取白而 cDNA 文库是利用 mRN 版转录法获得的,不包含内含子,故基因组文库大于 cDNA 文库,C 项错误;若基因比较小,核甘酸序列又已知,则可以直接通过 DN 蛤成仪用化学方法直接人工合成,D 项正确。题组二基因表达载体的
24、构建5 .下列哪项不是表达载体所必需的组成成分()A.目的基因 B.启动子C.终止子 D.抗青霉素基因一定大小范旗闲组文库cDNA文库生物村泅获取目的基因答案 D解析 A、B、C 三项均为表达载体的必要的组成成分;具有标记基因也是表达载体所必需的组成成分,但抗青霉素基因只是标记基因中的一种,不是所有的表达载体都含有。6 .(2017 无锡模拟)环境雌激素(EEs)会影响动物和人类的性腺发育。斑马鱼在 EEs 的诱导下,会表达出卵黄蛋白原(vtg)。已知绿色荧光蛋白(GFP)基因能使斑马鱼发光,欲获得能检测水中是否含有 EEs 的转基因斑马鱼,下列操作合理的是()A.将 EEs 基因的启动子与
25、GFP 基因重组B.将 vtg 基因的启动子与 GFP 基因重组C.将 GFP 基因的启动子与 GFP 基因重组D.将 GFP 基因的启动子与 vtg 基因重组答案 B解析由题意可知,环境中的 EEs 可诱导斑马鱼体内 vtg 基因的表达,在不含 EEs 的环境中,斑马鱼体内vtg 基因不能表达。因此,只要将 vtg 基因的启动子与 GFP 基因重组并导入斑马鱼体内,便能根据斑马鱼是否发光检测水中是否含 EEs。7 .下图为基因表达载体的模式图,下列有关基因工程中载体的说法,错误的是()A.基因表达载体的构建是在生物体外完成的8 .任何基因表达载体的构建都是一样的,没有差别C.图中启动子位于基
26、因的首端,是 RNAM 合酶识别和结合的部位D.抗生素抗性基因的作用是作为标记基因,用于鉴别受体细胞中是否导入了目的基因答案 B解析由于受体细胞有植物、动物和微生物之分,以及目的基因导入受体细胞的方式不同,所以基因表达载体的构建也会有所差别,不可能千篇一律。8 .在基因表达载体的构建中,下列说法不正确的是()一个基因表达载体的组成只包括目的基因、启动子、终止子有了启动子才能驱动基因转录出 mRNA终止子的作用是使转录在所需要的地方停止所有基因表达载体的构建是完全相同的A.B.C.D.答案 B解析基因表达载体的结构包括目的基因、标记基因、启动子、终止子,错误;有了启动子才能驱动基因转录出 mRN
27、A正确;终止子的作用是使转录在所需要的地方停止,正确;由于受体细胞有植物、动物以及微生物之分,以及目的基因导入受体细胞的方法不同,因此基因表达载体的构建是不完全相同的,错误。综合强化9 .“X基因”是 DNA 分子上一个有遗传效应的片段,若要用 PCR 技术特异性地拷贝“X基因,需在PC 或应中加入两种引物(注:引物的作用是与模板链形成双链后在 DNAm 合酶的作用下就可以继续链的延伸),两种引物及其与模板链的结合位置如下图甲所示。经 4 轮循环后产物中有五种不同的 DN 册子,如下图乙所示,其中第种 DN 册子有几个()臂1用里2KT3*F*H5!112甲3!:T513:乙A.8B.6C.4
28、D.2答案 A解析由图分析可知:X 基因第一次复制得到两个两种 DNA 分子:和;X 基因第二次复制得到四个四种 DN 册子:复制得和、复制得和;X 基因第三次复制得到八个五种 DN 册子:复制得和、复制得和、复制得和、复制得和;X基因第四次复制得到 16 个五种 DNA 分子:复制得和、两个复制得两个和两个、两个复制得两个和两个、两个得到 4 个。从上面的推测可知,第四轮循环产物中有 8 个。10 .下列对基因表达载体构建的叙述,不正确的是()A.需要限制酶和 DNA1 接酶等特殊工具B.基因表达载体中有的含有启动子和密码子C.标记基因不一定是抗生素抗性基因D.基因表达载体的构建是基因工程的
29、核心答案 B解析基因表达载体是目的基因与载体的结合,在此过程中需用同一种限制酶切割目的基因与载体,用DNA1 接酶将相同的末端连接起来, A 项正确; 基因表达载体含有启动子、 终止子、 标记基因和目的基因,密码子位于 mRNAh,B 项错误;抗生素抗性基因可作为标记基因,但标记基因不都是抗生素抗性基因,C项正确;基因表达载体的构建是基因工程的核心,在细胞外进行,使目的基因在受体细胞中稳定存在并且可以遗传给下一代并表达和发挥作用,D 项正确。11 .为从根本上解决水稻中的高植酸问题,可将植酸酶基因导入水稻,培育低植酸转基因水稻品种。下图是获取植酸酶基因的流程。据图回答下列问题:(1)B 过程需
30、要的酶是(2)图中基因组文库(填“小于”“大于”或“等于)cDNA 文库。(3)目的基因 I 和 H 除可从构建的文库中分离外,还可以分别以图中和为模板直接进行 PCR 扩增,该过程中所用酶的显著特点是。答案(1)反转录酶(2)大于(3)DNAcDNA耐高温解析 B 过程是以 RNM 模板合成 DNA 的反转录过程,需要的酶是反转录酶;目的基因 I 和n 除可从构建的文库中分离外,还可以分别以图中 DNAcDNA 为模板直接进行 PCRT 增,该过程中所用酶的显著特点是耐高温。12 .(2017吉林舒兰一高高二下月考)识图作答:DN注忖品单链DNA跻图核井酸川瓣解楂甘醒2个完整的罩模板物与DN
31、A单连接到健DNA分子形成配对结构律线上(1)PCR 技术的中文名称为,加热使 DNA 双链打开, 这一步是打开氢键, 在细胞中是在酶的作用下进行的。(2)当温度降低时,引物与模板末端结合,在酶的作用下,引物沿模板延伸,最终合成 2 个 DNA 分子,此过程中的原料是,遵循的原则是。(3)PCR 技术的前提是。“PCR 技术使 DNA 分子大量复制,若将一个用15N 标记的 DNA子放入试管中,以14N 标记的脱氧核昔酸为原料,连续复制 4 次之后,则15N 标记的 DN册子占全部 DNA 分子的比例为。在基因工程中,把选出的目的基因(共 2000 个脱氧核甘酸对,其中腺喋吟脱氧核甘酸是 860 个)放入 DNA 扩增仪中扩增 4 代,那么,在扩增仪中应放入胞喀咤脱氧核甘酸的个数是,其中在第四代利用的胞喀咤脱氧核甘酸的个数是。答案(1)多聚酶链式反应解旋(2)Taq4 种脱氧核甘酸碱基互补配对原则(3)要有一段已知目的基因的核甘酸序列,以便根据这一序列合成引物1171009120O解析(1)PCR 是多聚酶链式反应的缩写。加热使 DNAM 链打开,这一步是打开氢键,在细胞中是在解旋酶的作用下进行的。(2)当温度降低时,引物与模板末端结合,在Taq酶的作用下,引物沿模板延伸
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