Question

5．2015年，屠呦呦因发现青蒿素治疗疟疾的新疗法获奖．工业上青蒿素一般从青蒿植株中提取，产量低，价格高．基因工程及细胞工程等为培育出高青蒿素含量的青蒿提供了思路．科学家先通过紫外线处理大量青蒿幼苗后，偶然发现一株高产植株．通过基因测序发现该高产植株控制青蒿素合成相关的一种关键酶的基因发生了突变．
（1）提取了高产植株的全部DNA后，要想快速大量获得该突变基因可以采用PCR技术，该技术的原理是DNA双链复制（或DNA分子复制、DNA复制）．
（2）如果用青蒿某个时期mRNA反转录产生的双链cDNA片段，用该双链cDNA进行PCR扩增，进行了30个循环后，理论上可以产生约为2³⁰个DNA分子，该双链与载体连接后储存在一个受体菌群中，这个受体菌群就叫做青蒿的cDNA文库（或部分基因文库），获得的cDNA与青蒿细胞中该基因碱基序列不同（填“相同”或“不同”）．
（3）将获得的突变基因导入普通青蒿之前，先构建基因表达载体，图l、2中箭头表示相关限制酶的酶切位点．请回答下列问题：

用图中的质粒和外源DNA构建重组质粒，不能使用SmaⅠ切割，原因是SmaⅠ会破坏质粒的抗性基因及外源DNA中的目的基因；如果该突变基因导入成功，且与某条染色体的DNA整合起来，该转基因青蒿可视为杂合子，将该转基因青蒿自交一代，再取含该突变基因的子一代再自交一次，预计子二代转基因青蒿中纯合子占$\frac{3}{5}$．
（4）检测目的基因是否表达出相应蛋白质，应采取抗原-抗体杂交技术技术．目的基因导入组织细胞后，通过植物组织培养技术培育出青蒿幼苗．

Answer 1

分析 1、PCR技术扩增目的基因
（1）原理：DNA双链复制
（2）过程：第一步：加热至90～95℃DNA解链；第二步：冷却到55～60℃，引物结合到互补DNA链；第三步：加热至70～75℃，热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成．
2、cDNA文库和基因文库的比较表：

文库类型	cDNA	基因组文库
文库大小	小	大
基因中启动子	无	有
基因中内含子	无	有
基因多少	某种生物的部分基因	某种生物的全部基因
物种间的基因交流	可以	部分基因可以

3、目的基因的检测与鉴定：（1）分子水平上的检测：①检测转基因生物染色体的DNA是否插入目的基因--DNA分子杂交技术；②检测目的基因是否转录出了mRNA--分子杂交技术；③检测目的基因是否翻译成蛋白质--抗原-抗体杂交技术．（2）个体水平上的鉴定：抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等．

解答 解：（1）PCR技术扩增目的基因的原理为DNA双链复制．
（2）由于PCR技术利用的是DNA双链复制的原理，因此用该双链cDNA进行PCR扩增，进行了30个循环后，理论上可以产生约为2³⁰个DNA分子；又由于该基因库是由青蒿某个时期mRNA反转录产生的双链cDNA片段，只包含某种生物的部分基因，因此该双链与载体连接后储存在一个受体菌群中，这个受体菌群就叫做青蒿的cDNA文库（或部分基因文库）．通过逆转录得到的目的基因中缺少基因结构中的非编码区以及编码区的内含子，因此获得的cDNA与青蒿细胞中该基因碱基序列不同．
（3）分析图2可知，目的基因和抗生素抗性基因中都含有SmaⅠ限制酶的切割位点，用SmaⅠ切割会破坏质粒的抗性基因及外源DNA中的目的基因，因此不能用SmaⅠ切割图中的质粒和外源DNA．根据题干“如果该突变基因导入成功，且与某条染色体的DNA整合起来，该转基因青蒿可视为杂合子”，假设该转基因青蒿可视为杂合子（Aa），将该转基因青蒿自交代，根据基因分离定律，预计后代的基因型为$\frac{1}{4}$AA、$\frac{2}{4}Aa$、$\frac{1}{4}aa$．其中转基因青蒿基因型为$\frac{1}{3}AA$、$\frac{2}{3}Aa$．再取含该突变基因的子一代再自交一次，$\frac{1}{3}AA$$\stackrel{自交}{→}$$\frac{1}{3}AA$、$\frac{2}{3}Aa$$\stackrel{自交}{→}$$\frac{1}{6}AA、\frac{2}{6}Aa、\frac{1}{6}aa$，预计子二代转基因青蒿的基因型（AA、Aa）为中纯合子AA占$\frac{\frac{2}{6}+\frac{1}{6}}{\frac{2}{6}+\frac{1}{6}+\frac{2}{6}}=\frac{3}{5}$．
（4）检测目的基因是否表达出相应蛋白质，应采取抗原-抗体杂交技术技术．将转基因受体细胞培育成转基因植株需要采用植物组织培养技术．
故答案为：
（1）DNA双链复制（或DNA分子复制、DNA复制）
（2）2³⁰       cDNA文库（或部分基因文库）    不同
（3）SmaⅠ会破坏质粒的抗性基因及外源DNA中的目的基因　　　　　　　　$\frac{3}{5}$
（4）抗原-抗体杂交技术      植物组织培养

点评 本题考查了基因工程的有关知识，要求考生能够掌握PCR技术的原理和方法，区分基因组文库和部分基因文库的区别，能够根据图中限制酶的切割位点回答相关问题，同时识记目的基因检测与鉴定的方法．