高中生物基因工程重点试题解析

高中生物基因工程重点试题解析引言基因工程是现代生物科技的核心内容，也是高中生物选修3（现代生物科技专题）的重点章节。在高考中，基因工程考查占比约为10%-15%，题型涵盖选择题（考查工具、原理）、非选择题（考查操作步骤、应用）及综合题（与细胞工程、胚胎工程结合）。其命题特点为注重基础、联系实际、强调逻辑，核心考点集中在“工具-步骤-应用”三大板块。本文结合高考高频考点，选取典型试题，从知识点梳理、解题思路、易错点警示三个维度展开解析，帮助学生构建系统化知识体系，提升解题能力。一、基因工程的基本工具：精准切割与连接的“分子手术刀”“缝合线”“运输载体”基因工程的核心是定向改造生物的遗传性状，其关键依赖于三类工具：限制酶（RestrictionEnzyme）、DNA连接酶（DNALigase）、载体（Vector）。这部分是高考选择题的高频考点，需重点区分工具的作用、特点、适用场景。1.1考点梳理：三类工具的核心区别工具类型作用部位作用特点实例限制酶磷酸二酯键（DNA骨架）识别**回文序列**（如GAATTC），切割产生黏性末端（EcoRⅠ）或平末端（SmaⅠ）；具有**特异性**（一种酶识别一种序列）EcoRⅠ、SmaⅠDNA连接酶磷酸二酯键（DNA片段）连接**黏性末端**（E·coliDNA连接酶）或**平末端**（T4DNA连接酶）；需模板吗？**不需要**（区别于DNA聚合酶）E·coliDNA连接酶、T4DNA连接酶载体——需具备：①能在受体细胞中**复制并稳定保存**；②有**多个限制酶切点**（便于插入目的基因）；③有**标记基因**（便于筛选）质粒（最常用）、噬菌体、动植物病毒1.2典型试题解析例1（2021·全国甲卷·选择题）下列关于基因工程工具的叙述，正确的是（）A.限制酶可切割DNA分子中的氢键B.DNA连接酶能将两条DNA链的碱基连接起来C.载体必须含有标记基因以筛选受体细胞D.质粒是唯一的载体类型解析：选项A：错误。限制酶作用的是磷酸二酯键（DNA骨架的化学键），氢键是DNA解旋酶或高温断裂的。选项B：错误。DNA连接酶连接的是DNA片段的磷酸二酯键，而非碱基间的氢键（碱基配对依赖氢键，但不需要酶连接）。选项C：正确。标记基因（如抗生素抗性基因）的作用是筛选含有目的基因的受体细胞（未导入载体的细胞无法在含抗生素的培养基中生长）。选项D：错误。载体包括质粒（最常用）、噬菌体（如λ噬菌体）、动植物病毒（如农杆菌Ti质粒），并非只有质粒。答案：C易错点警示：混淆“限制酶”与“DNA解旋酶”的作用：限制酶切割磷酸二酯键，解旋酶断裂氢键；混淆“DNA连接酶”与“DNA聚合酶”：DNA连接酶连接两个DNA片段（无需模板），DNA聚合酶连接脱氧核苷酸到子链（需模板，用于DNA复制）。1.3试题拓展：限制酶与DNA连接酶的协同作用例2（2020·山东卷·选择题）用EcoRⅠ（识别序列GAATTC，切割产生黏性末端）和SmaⅠ（识别序列CCCGGG，切割产生平末端）切割同一质粒，下列叙述正确的是（）A.两者切割后产生的末端均可被T4DNA连接酶连接B.两者切割后产生的末端均可被E·coliDNA连接酶连接C.EcoRⅠ切割后的质粒与目的基因的黏性末端可直接连接D.SmaⅠ切割后的质粒与目的基因的平末端可直接连接解析：DNA连接酶的分类：E·coliDNA连接酶只能连接黏性末端，T4DNA连接酶可连接黏性末端和平末端（但平末端连接效率低）。选项A：正确。T4DNA连接酶可连接两种末端；选项B：错误。E·coliDNA连接酶无法连接平末端；选项C：错误。黏性末端连接需碱基互补配对（目的基因与质粒的黏性末端序列必须互补）；选项D：错误。平末端连接需T4DNA连接酶，且效率低于黏性末端。答案：A总结：限制酶与DNA连接酶的选择需关注末端类型（黏性/平末端）和连接酶的功能（E·coli/T4）。二、基因工程的操作步骤：从“目的基因”到“转基因生物”基因工程的核心步骤可概括为“四步曲”：目的基因的获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定。其中，基因表达载体的构建是“核心中的核心”（决定目的基因能否稳定表达），检测与鉴定是“关键中的关键”（验证操作是否成功）。2.1考点1：目的基因的获取——“找对基因”是前提目的基因是指编码所需蛋白质的基因（如抗虫棉的Bt毒蛋白基因、胰岛素的人胰岛素基因）。其获取方法需根据基因序列是否已知选择：方法适用场景原理/步骤从基因文库中获取基因序列未知基因组文库（含全部DNA）或cDNA文库（含编码区，由mRNA反转录而来）人工合成基因序列已知（短基因）化学合成法（如PCR引物合成）；反转录法（以mRNA为模板，用反转录酶合成cDNA）PCR技术（扩增）基因序列已知（需设计引物）DNA半保留复制；步骤：变性（90-95℃，解旋）→退火（55-60℃，引物结合）→延伸（70-75℃，Taq酶合成子链）例3（2022·河北卷·非选择题）某研究小组拟培育转基因抗除草剂大豆，其流程如下图所示。回答下列问题：（1）步骤①中，目的基因是__________，获取该基因的方法是__________（填“从基因文库中获取”“人工合成”或“PCR扩增”），理由是__________。解析：转基因抗除草剂大豆的目的基因是抗除草剂基因（如EPSPS基因）；若抗除草剂基因的序列已知（可通过数据库查询），则优先选择PCR扩增（快速、高效）；若序列未知，则需从基因文库中筛选。答案：（1）抗除草剂基因；PCR扩增；抗除草剂基因的序列已知，可设计引物进行扩增。2.2考点2：基因表达载体的构建——“装对载体”是核心基因表达载体的作用是将目的基因导入受体细胞并使其稳定表达，其组成需包含四大元件（缺一不可）：元件作用来源启动子驱动目的基因转录（RNA聚合酶结合位点）可来自受体细胞（如大肠杆菌的lac启动子）或其他生物终止子终止目的基因转录（防止转录过度）同上目的基因编码所需蛋白质如上所述标记基因筛选含有目的基因的受体细胞抗生素抗性基因（如氨苄青霉素抗性基因）、荧光基因（如GFP）例4（2021·全国乙卷·非选择题）下图为基因表达载体的模式图，回答下列问题：（1）图中①表示__________，其作用是__________；②表示__________，其作用是__________。（2）若要筛选含有该载体的大肠杆菌，需在培养基中添加__________（填“氨苄青霉素”或“四环素”），理由是__________。解析：（1）基因表达载体的元件识别需关注位置：启动子（位于目的基因上游，驱动转录）、终止子（位于目的基因下游，终止转录）、标记基因（独立于目的基因，用于筛选）。（2）标记基因若为氨苄青霉素抗性基因，则含有载体的大肠杆菌可在含氨苄青霉素的培养基中生长，未导入载体的大肠杆菌则死亡。答案：（1）启动子；驱动目的基因转录；标记基因；筛选含有目的基因的受体细胞；（2）氨苄青霉素；载体中的标记基因为氨苄青霉素抗性基因，含有载体的大肠杆菌能抗氨苄青霉素。2.3考点2：目的基因的导入——“送对细胞”是关键目的基因需导入合适的受体细胞（如植物细胞、动物细胞、微生物细胞），其导入方法需根据受体细胞类型选择：受体细胞类型导入方法原理/特点植物细胞（如棉花）农杆菌转化法（最常用）农杆菌的Ti质粒上的**T-DNA**可转移至植物细胞，整合到染色体DNA上动物细胞（如小鼠）显微注射法（最常用）将目的基因直接注入**受精卵**（动物细胞的全能性低，需受精卵才能发育成个体）微生物细胞（如大肠杆菌）感受态细胞法（Ca²+处理）Ca²+使细胞处于**感受态**（细胞膜通透性增加），便于吸收DNA例5（2020·江苏卷·选择题）下列关于目的基因导入受体细胞的叙述，正确的是（）A.导入植物细胞时，需用PEG处理使细胞处于感受态B.导入动物细胞时，需用农杆菌转化法C.导入微生物细胞时，需用Ca²+处理使细胞处于感受态D.导入植物细胞时，需用显微注射法解析：选项A：错误。植物细胞导入方法为农杆菌转化法或基因枪法，PEG处理用于原生质体融合（细胞工程）；选项B：错误。动物细胞导入方法为显微注射法，农杆菌转化法用于植物细胞；选项C：正确。微生物细胞（如大肠杆菌）需用Ca²+处理，使其处于感受态；选项D：错误。显微注射法用于动物细胞，植物细胞用农杆菌转化法。答案：C总结：受体细胞类型与导入方法的对应关系是高频易错点，需牢记“植物（农杆菌）、动物（显微注射）、微生物（感受态）”。2.4考点3：目的基因的检测与鉴定——“验对结果”是保障目的基因的检测需从分子水平（是否存在、是否转录、是否翻译）和个体水平（是否发挥功能）逐层验证，其方法如下：检测层次检测目标方法分子水平（存在）目的基因是否导入受体细胞DNA分子杂交（用放射性标记的目的基因作探针，与受体细胞DNA杂交）分子水平（转录）目的基因是否转录出mRNA分子杂交（用放射性标记的目的基因作探针，与受体细胞mRNA杂交）分子水平（翻译）目的基因是否翻译出蛋白质抗原-抗体杂交（用相应抗体检测受体细胞中的蛋白质）个体水平目的基因是否发挥功能（如抗虫、抗病）抗虫性检测（喂害虫，看是否死亡）、抗病性检测（接种病原体，看是否发病）例6（2021·湖南卷·非选择题）某研究小组培育了转基因抗虫水稻，其流程如下图所示。回答下列问题：（1）步骤③中，检测目的基因是否导入水稻细胞的方法是__________，检测是否转录的方法是__________，检测是否翻译的方法是__________。（2）步骤④中，个体水平的检测方法是__________，若结果为__________，则说明转基因水稻具有抗虫性。解析：（1）分子水平检测需遵循“层次对应”：导入（DNA杂交）、转录（mRNA杂交）、翻译（抗原-抗体杂交）；（2）个体水平检测需“模拟实际场景”：抗虫水稻需用稻飞虱（或其他害虫）饲喂，若害虫死亡，则说明抗虫性成功。答案：（1）DNA分子杂交；分子杂交（或RNA杂交）；抗原-抗体杂交；（2）用稻飞虱饲喂转基因水稻；稻飞虱死亡。三、基因工程的应用：从“实验室”到“田间地头”基因工程的应用是高考联系实际的重要考点，其核心是“定向改造性状”，常见应用包括转基因生物培育（植物、动物）、基因治疗（遗传病）等。3.1考点1：转基因生物——“按需改造”的生物类型实例目的基因应用价值转基因植物抗虫棉Bt毒蛋白基因（来自苏云金芽孢杆菌）减少农药使用，提高棉花产量转基因植物抗除草剂大豆EPSPS基因（抗草甘膦）简化除草流程，提高种植效率转基因动物乳腺生物反应器（如转基因牛）人胰岛素基因、人生长激素基因从乳汁中提取药物，成本低、纯度高转基因动物膀胱生物反应器（如转基因猪）人凝血因子基因从尿液中提取药物，避免损伤动物例7（2020·全国Ⅰ卷·选择题）下列关于转基因生物的叙述，正确的是（）A.转基因抗虫棉的抗虫性状可通过花粉传播给近缘植物，导致基因污染B.转基因大豆的抗除草剂基因可通过食物链传递给人类，危害健康C.转基因牛的乳腺生物反应器可产生人的胰岛素，该胰岛素需经内质网、高尔基体加工D.转基因猪的膀胱生物反应器可产生人的凝血因子，该因子无需加工即可使用解析：选项A：正确。转基因生物的花粉（含目的基因）可与近缘植物杂交，导致基因污染（需关注生物安全）；选项B：错误。抗除草剂基因是功能基因，不会通过食物链传递给人类（人类消化酶无法分解DNA）；选项C：正确。人胰岛素是分泌蛋白，需内质网、高尔基体加工（转基因牛的乳腺细胞具有这些细胞器）；选项D：错误。人凝血因子是糖蛋白，需加工后才具有功能。答案：A、C3.2考点2：基因治疗——“修复基因”的希望基因治疗是指将正常基因导入患者体内，替代或补充缺陷基因的功能，用于治疗单基因遗传病（如镰刀型细胞贫血症、囊性纤维病）。其类型包括：类型操作流程优点缺点体外基因治疗从患者体内取出细胞→导入目的基因→培养→输回体内安全（避免免疫排斥）步骤复杂，成本高体内基因治疗直接将目的基因导入患者体内（如通过病毒载体）步骤简单，成本低风险高（可能引起免疫反应）例8（2021·广东卷·选择题）关于基因治疗的叙述，正确的是（）A.基因治疗可治愈所有遗传病B.体外基因治疗需将目的基因导入患者的受精卵C.体内基因治疗需用病毒载体将目的基因导入细胞D.基因治疗的原理是基因突变解析：选项A：错误。基因治疗仅适用于单基因遗传病（如镰刀型细胞贫血症），多基因遗传病（如高血压）无法通过基因治疗治愈；选项B：错误。体外基因治疗的受体细胞是体细胞（如造血干细胞），而非受精卵（受精卵用于转基因动物培育）；选项C：正确。体内基因治疗需用病毒载体（如腺病毒）将目的基因导入细胞（病毒具有侵染性）；选项D：错误。基因治疗的原理是基因重组（将正常基因导入细胞，替代缺陷基因）。答案：C四、高考易