高考生物创新考法—破译新情境：通过“PCR技术应用”构建PCR类试题解题思维模型
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3．某新型冠状病毒核酸检测说明书标明，Ct值≤37判定为阳性，Ct值＞40或无 Ct 值 判 定 为 阴 性 。 图 乙 所 示 新 型 冠 状 病 毒 核 酸 检 测 结 果 应 判 定 结 果 是 ________(填“阴性”或“阳性”)。 提示：阳性。
4．阴性结果也不能排除新型冠状病毒感染。可能产生假阴性的因素有 ________(填字母)。 a．取样太早，样本中病毒量少，达不到实时荧光PCR 检测阈值 b．样本被污染，RNA 酶将病毒 RNA 降解 c．病毒发生变异 提示：abc
(4)图中虚线框内共含有24个碱基，mRNA上3个相邻的碱基编码1个氨基酸，故 共包含8个密码子。虚线框后的第1个密码子的第1个碱基是U，第2和第3个碱基 各有4种可能性，因此共有16种可能性。题干表明控制α-淀粉酶的基因有1 656个 碱基对，说明图中虚线框后的第1个密码子肯定不是终止密码子(3种终止密码子 为 UAA 、 UAG 、 UGA) ， 故 虚 线 框 后 第 1 个 密 码 子 实 际 最 多 可 能 性 有 16 － 3 ＝ 13(种)。 答案：(1)基因组DNA (2)5′ 使DNA片段能定向插入表达载体，减少自连 (3)② ⑥ (4)8 13
(2)为了确保新冠病毒核酸检测的准确性，在设计PCR引物时必须依据新冠 病毒RNA中的__________________来进行。PCR过程每次循环分为3步，其 中温度最低的一步是______________。
(3)某人同时进行了新冠病毒核酸检测和抗体检测(检测体内是否有新冠病毒抗 体)，若核酸检测结果为阴性而抗体检测结果为阳性，说明 ______________________________(答出1种情况即可)；若核酸检测和抗体检测 结果均为阳性，说明____________________________。 (4)常见的病毒疫苗有灭活疫苗、蛋白疫苗和重组疫苗等。已知某种病毒的特异 性蛋白S(具有抗原性)的编码序列(目的基因)。为了制备蛋白疫苗，可以通过基 因工程技术获得大量蛋白S。基因工程的基本操作流程是__________________ _____________________________________________________________________ 。
序列之间的DNA区段。PCR技术应用广 (3)结合新冠病毒核酸检测，了解PCR
泛，可用于新冠病毒的核酸检测，是近 技术在生产、生活中的应用。
几年高考试题的命题热点。
探究路径(一) PCR技术与病毒检测 [见识新情境]
新型冠状病毒感染的常规检测方法是通过实时荧光 PCR 鉴定。实时荧光 PCR 扩增目的基因，需额外添加荧光标记探针(一小段单链 DNA，可与目的基 因中部序列特异性结合)。当探针完整时，不产生荧光。在PCR 过程中，与目的 基因结合的探针被Taq DNA聚合酶水解，R与Q分离后，R发出的荧光可被检测 到(如图甲)，通过实时荧光PCR 检测新型冠状病毒感染时，检测到的荧光强度 变化如图乙。
5′－ AUGCCAUCAACAAAUACUAACACU U……－3′ 图中虚线框内 mRNA 片段包含________个密码子，如虚线框后的序列未知，预测 虚线框后的第一个密码子最多有________种。
解析：(1)利用PCR技术扩增α-淀粉酶基因前，需先获得细菌的基因组DNA作为 模板，并依据α-淀粉酶基因两端的部分核苷酸序列合成两条引物。(2)利用PCR 技术扩增DNA时，只能从3′端延伸DNA子链，为了便于扩增的DNA片段与表 达载体连接，需在引物的5′端加上限制性酶切位点，并且要注意在两条引物上 设计加入不同的限制性酶切位点，这样既能防止目的基因、载体的自身连接， 又能确保目的基因与表达载体的定向连接。(3)PCR技术包括变性、复性和延伸 三步，变性温度决定PCR反应中双链DNA的解链，且时间很短；复性时引物结 合到互补的Dຫໍສະໝຸດ BaiduA单链上，复性温度由引物复性温度决定，其温度设定与引物的 长度、碱基组成及浓度等有关；延伸时间与产物片段的长度有关，产物在1 kb 以内的延伸时间为1 min左右，3～4 kb的延伸时间为3～4 min。
串联PCR技术，构建解答PCR类试题思维模型
类题训练
1．(2022·全国乙卷)新冠疫情出现后，病毒核酸检测和疫苗接种在疫情防控中发 挥了重要作用。回答下列问题。
(1)新冠病毒是一种RNA病毒，检测新冠病毒RNA(核酸检测)可以采取RTPCR法。这种方法的基本原理是先以病毒RNA为模板合成cDNA，这一过程 需要的酶是____________，再通过PCR技术扩增相应的DNA片段。根据检测 结果判断被检测者是否感染新冠病毒。
(4)基因工程的基本操作流程是：目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建 (基因工程的核心)→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定，结合题 意，本基因工程的目的是获得大量的S蛋白，故具体流程为：获取S蛋白基因→ 构建S蛋白基因的表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定(检测受体 能否产生S蛋白)。
[追根于教材] 1．与指数增长期相比，线性增长期目的基因数量的增长率下降，可能的原
因是什么？ 提示：Taq DNA聚合酶活性下降、引物浓度下降、原料dNTP浓度下降。
2．Ct值是在PCR扩增过程中，每个反应管内的荧光信号达到设定的荧光阈值时 所经历的扩增循环数。请推测样本中初始模板数与Ct值的关系。 提示：当样本中初始模板数越多时，Ct值就越小。
高考生物创新考法—破译新情境 通过“PCR技术应用”构建PCR类试题解题思维模型
“核心价值”命题“金线”(为什么考) “知能素养”命题“银线”(考什么)
PCR技术是利用DNA半保留复制原 (1)通过分析基因编辑技术的原理和过
理，在体外扩增DNA分子的一种分子生 程，了解此技术在社会实践中的应用。
物学技术，主要用于扩增位于两段已知 (2)掌握PCR技术的原理和操作过程。
解析：(1)分析题意可知，新冠病毒的遗传物质是RNA，而RT-PCR法需要先得 到cDNA，由RNA合成cDNA的过程属于逆转录过程，逆转录过程需要的酶是逆 转录酶。(2)PCR过程需要加入引物，设计引物时应有一段已知目的基因的核苷 酸序列，在该过程中为了确保新冠病毒核酸检测的准确性，在设计PCR引物时 必须依据新冠病毒RNA中的特异性核苷酸序列来进行；PCR过程每次循环分为3 步，分别为变性(温度超过90 ℃)、复性(50 ℃左右)、延伸(72 ℃左右)，故其中温 度最低的一步是复性。(3)某人同时进行了新冠病毒核酸检测和抗体检测，若核 酸检测结果为阴性而抗体检测结果为阳性，说明该个体曾经感染过新冠病毒， 机体发生特异性免疫反应，产生抗体，将病毒消灭，则核酸检测为阴性，但由 于抗体有一定的时效性，能在体内存在一段时间，故抗体检测为阳性；若核酸 检测和抗体检测结果均为阳性，说明该个体体内仍含有病毒的核酸，机体仍进 行特异性免疫过程，能产生抗体，则说明该人已经感染新冠病毒，为患者。
[追根于教材] 1．若拟突变位点的碱基对为A—T，则需要让其突变为______才能达到目的。
引物2的突变位点(突起处)应设计为______(假设引物为单链DNA)。 提示：C—G或T—A G或A 2．在第一阶段获得两种具有重叠片段DNA的过程中，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 进 行 一 次 复 制 ， 共 产 生 ______ 种 DNA分子。该阶段必须将引物1、2和引物3、4置于不同反应系统中，其原因 是什么？_____________________________。 提示：3 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。
探究路径(二) 基因定点突变与基因改造 [见识新情境]
重叠延伸PCR技术是一项重要的基因定点突变技术，其主要设计思路是用 具有互补配对片段的引物(图中的引物2和3，突起处代表与模板链不能互补的突 变位点)，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想要的目的基因。水蛭素是一种蛋白质，可用于预防 和治疗血栓。某科研团队运用重叠延伸PCR技术在水蛭素基因中的特定位点引 入特定突变，使水蛭素第47位的天冬酰胺(密码子为AAC、AAU)替换为赖氨酸 (密码子为AAA、AAG)，从而提高水蛭素的抗凝血活性。原理见图。
(3)进行扩增时，反应的温度和时间需根据具体情况进行设定，下列选项中________ 的设定与引物有关，________的设定与扩增片段的长度有关。(填序号) ①变性温度 ②复性温度 ③延伸温度 ④变性时间 ⑤复性时间 ⑥延伸时间 (4)下图表示筛选获得的工程菌中编码 α-淀粉酶的 mRNA 的部分碱基序列：
3．利用重叠延伸PCR技术还可以将两个不同来源的DNA片段拼接起来。有人 想利用该技术把基因M和N拼接在一起，设计基因M的引物M1、M2，基因 N的引物N1、N2。在设计这4种引物时，特别要注意的问题是什么？ 提示：M1、M2中的一种引物与N1、N2中的一种引物必须具有互补配对的片 段。
归纳建模
(1)利用 PCR 技术扩增 α-淀粉酶基因前，需先获得细菌的________________。 (2)为了便于扩增的 DNA 片段与表达载体连接，需在引物的________端加上限制 性酶切位点，且常在两条引物上设计加入不同的限制性酶切位点，主要目的是 _____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________。
答案：(1)逆转录酶 (2)特异性核苷酸序列 复性 (3)曾感染新冠病毒，已康复 已感染新冠病毒，是患者 (4)获取S蛋白基因→构建S蛋白基因的表达载体→导 入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 (检测受体能否产生S蛋白)
2．(2018·江苏高考，改编)为生产具有特定性能的α-淀粉酶，研究人员从某种海 洋细菌中克隆了α-淀粉酶基因(1 656个碱基对)，利用基因工程大量制备α-淀 粉酶，实验流程见下图。请回答下列问题：
4．阴性结果也不能排除新型冠状病毒感染。可能产生假阴性的因素有 ________(填字母)。 a．取样太早，样本中病毒量少，达不到实时荧光PCR 检测阈值 b．样本被污染，RNA 酶将病毒 RNA 降解 c．病毒发生变异 提示：abc
(4)图中虚线框内共含有24个碱基，mRNA上3个相邻的碱基编码1个氨基酸，故 共包含8个密码子。虚线框后的第1个密码子的第1个碱基是U，第2和第3个碱基 各有4种可能性，因此共有16种可能性。题干表明控制α-淀粉酶的基因有1 656个 碱基对，说明图中虚线框后的第1个密码子肯定不是终止密码子(3种终止密码子 为 UAA 、 UAG 、 UGA) ， 故 虚 线 框 后 第 1 个 密 码 子 实 际 最 多 可 能 性 有 16 － 3 ＝ 13(种)。 答案：(1)基因组DNA (2)5′ 使DNA片段能定向插入表达载体，减少自连 (3)② ⑥ (4)8 13
(2)为了确保新冠病毒核酸检测的准确性，在设计PCR引物时必须依据新冠 病毒RNA中的__________________来进行。PCR过程每次循环分为3步，其 中温度最低的一步是______________。
(3)某人同时进行了新冠病毒核酸检测和抗体检测(检测体内是否有新冠病毒抗 体)，若核酸检测结果为阴性而抗体检测结果为阳性，说明 ______________________________(答出1种情况即可)；若核酸检测和抗体检测 结果均为阳性，说明____________________________。 (4)常见的病毒疫苗有灭活疫苗、蛋白疫苗和重组疫苗等。已知某种病毒的特异 性蛋白S(具有抗原性)的编码序列(目的基因)。为了制备蛋白疫苗，可以通过基 因工程技术获得大量蛋白S。基因工程的基本操作流程是__________________ _____________________________________________________________________ 。
序列之间的DNA区段。PCR技术应用广 (3)结合新冠病毒核酸检测，了解PCR
泛，可用于新冠病毒的核酸检测，是近 技术在生产、生活中的应用。
几年高考试题的命题热点。
探究路径(一) PCR技术与病毒检测 [见识新情境]
新型冠状病毒感染的常规检测方法是通过实时荧光 PCR 鉴定。实时荧光 PCR 扩增目的基因，需额外添加荧光标记探针(一小段单链 DNA，可与目的基 因中部序列特异性结合)。当探针完整时，不产生荧光。在PCR 过程中，与目的 基因结合的探针被Taq DNA聚合酶水解，R与Q分离后，R发出的荧光可被检测 到(如图甲)，通过实时荧光PCR 检测新型冠状病毒感染时，检测到的荧光强度 变化如图乙。
5′－ AUGCCAUCAACAAAUACUAACACU U……－3′ 图中虚线框内 mRNA 片段包含________个密码子，如虚线框后的序列未知，预测 虚线框后的第一个密码子最多有________种。
解析：(1)利用PCR技术扩增α-淀粉酶基因前，需先获得细菌的基因组DNA作为 模板，并依据α-淀粉酶基因两端的部分核苷酸序列合成两条引物。(2)利用PCR 技术扩增DNA时，只能从3′端延伸DNA子链，为了便于扩增的DNA片段与表 达载体连接，需在引物的5′端加上限制性酶切位点，并且要注意在两条引物上 设计加入不同的限制性酶切位点，这样既能防止目的基因、载体的自身连接， 又能确保目的基因与表达载体的定向连接。(3)PCR技术包括变性、复性和延伸 三步，变性温度决定PCR反应中双链DNA的解链，且时间很短；复性时引物结 合到互补的Dຫໍສະໝຸດ BaiduA单链上，复性温度由引物复性温度决定，其温度设定与引物的 长度、碱基组成及浓度等有关；延伸时间与产物片段的长度有关，产物在1 kb 以内的延伸时间为1 min左右，3～4 kb的延伸时间为3～4 min。
串联PCR技术，构建解答PCR类试题思维模型
类题训练
1．(2022·全国乙卷)新冠疫情出现后，病毒核酸检测和疫苗接种在疫情防控中发 挥了重要作用。回答下列问题。
(1)新冠病毒是一种RNA病毒，检测新冠病毒RNA(核酸检测)可以采取RTPCR法。这种方法的基本原理是先以病毒RNA为模板合成cDNA，这一过程 需要的酶是____________，再通过PCR技术扩增相应的DNA片段。根据检测 结果判断被检测者是否感染新冠病毒。
(4)基因工程的基本操作流程是：目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建 (基因工程的核心)→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定，结合题 意，本基因工程的目的是获得大量的S蛋白，故具体流程为：获取S蛋白基因→ 构建S蛋白基因的表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定(检测受体 能否产生S蛋白)。
[追根于教材] 1．与指数增长期相比，线性增长期目的基因数量的增长率下降，可能的原
因是什么？ 提示：Taq DNA聚合酶活性下降、引物浓度下降、原料dNTP浓度下降。
2．Ct值是在PCR扩增过程中，每个反应管内的荧光信号达到设定的荧光阈值时 所经历的扩增循环数。请推测样本中初始模板数与Ct值的关系。 提示：当样本中初始模板数越多时，Ct值就越小。
高考生物创新考法—破译新情境 通过“PCR技术应用”构建PCR类试题解题思维模型
“核心价值”命题“金线”(为什么考) “知能素养”命题“银线”(考什么)
PCR技术是利用DNA半保留复制原 (1)通过分析基因编辑技术的原理和过
理，在体外扩增DNA分子的一种分子生 程，了解此技术在社会实践中的应用。
物学技术，主要用于扩增位于两段已知 (2)掌握PCR技术的原理和操作过程。
解析：(1)分析题意可知，新冠病毒的遗传物质是RNA，而RT-PCR法需要先得 到cDNA，由RNA合成cDNA的过程属于逆转录过程，逆转录过程需要的酶是逆 转录酶。(2)PCR过程需要加入引物，设计引物时应有一段已知目的基因的核苷 酸序列，在该过程中为了确保新冠病毒核酸检测的准确性，在设计PCR引物时 必须依据新冠病毒RNA中的特异性核苷酸序列来进行；PCR过程每次循环分为3 步，分别为变性(温度超过90 ℃)、复性(50 ℃左右)、延伸(72 ℃左右)，故其中温 度最低的一步是复性。(3)某人同时进行了新冠病毒核酸检测和抗体检测，若核 酸检测结果为阴性而抗体检测结果为阳性，说明该个体曾经感染过新冠病毒， 机体发生特异性免疫反应，产生抗体，将病毒消灭，则核酸检测为阴性，但由 于抗体有一定的时效性，能在体内存在一段时间，故抗体检测为阳性；若核酸 检测和抗体检测结果均为阳性，说明该个体体内仍含有病毒的核酸，机体仍进 行特异性免疫过程，能产生抗体，则说明该人已经感染新冠病毒，为患者。
[追根于教材] 1．若拟突变位点的碱基对为A—T，则需要让其突变为______才能达到目的。
引物2的突变位点(突起处)应设计为______(假设引物为单链DNA)。 提示：C—G或T—A G或A 2．在第一阶段获得两种具有重叠片段DNA的过程中，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 进 行 一 次 复 制 ， 共 产 生 ______ 种 DNA分子。该阶段必须将引物1、2和引物3、4置于不同反应系统中，其原因 是什么？_____________________________。 提示：3 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。
探究路径(二) 基因定点突变与基因改造 [见识新情境]
重叠延伸PCR技术是一项重要的基因定点突变技术，其主要设计思路是用 具有互补配对片段的引物(图中的引物2和3，突起处代表与模板链不能互补的突 变位点)，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想要的目的基因。水蛭素是一种蛋白质，可用于预防 和治疗血栓。某科研团队运用重叠延伸PCR技术在水蛭素基因中的特定位点引 入特定突变，使水蛭素第47位的天冬酰胺(密码子为AAC、AAU)替换为赖氨酸 (密码子为AAA、AAG)，从而提高水蛭素的抗凝血活性。原理见图。
(3)进行扩增时，反应的温度和时间需根据具体情况进行设定，下列选项中________ 的设定与引物有关，________的设定与扩增片段的长度有关。(填序号) ①变性温度 ②复性温度 ③延伸温度 ④变性时间 ⑤复性时间 ⑥延伸时间 (4)下图表示筛选获得的工程菌中编码 α-淀粉酶的 mRNA 的部分碱基序列：
3．利用重叠延伸PCR技术还可以将两个不同来源的DNA片段拼接起来。有人 想利用该技术把基因M和N拼接在一起，设计基因M的引物M1、M2，基因 N的引物N1、N2。在设计这4种引物时，特别要注意的问题是什么？ 提示：M1、M2中的一种引物与N1、N2中的一种引物必须具有互补配对的片 段。
归纳建模
(1)利用 PCR 技术扩增 α-淀粉酶基因前，需先获得细菌的________________。 (2)为了便于扩增的 DNA 片段与表达载体连接，需在引物的________端加上限制 性酶切位点，且常在两条引物上设计加入不同的限制性酶切位点，主要目的是 _____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________。
答案：(1)逆转录酶 (2)特异性核苷酸序列 复性 (3)曾感染新冠病毒，已康复 已感染新冠病毒，是患者 (4)获取S蛋白基因→构建S蛋白基因的表达载体→导 入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 (检测受体能否产生S蛋白)
2．(2018·江苏高考，改编)为生产具有特定性能的α-淀粉酶，研究人员从某种海 洋细菌中克隆了α-淀粉酶基因(1 656个碱基对)，利用基因工程大量制备α-淀 粉酶，实验流程见下图。请回答下列问题：