2015年诺贝尔奖青蒿素相关生物试题例析

张卓鹏

近几年生物高考，特别重视对学生创新精神与实践能力的考查，以能力立意为主导，考查考生对所学相关课程基础知识、基本技能、基本思想、基本活动经验的整体掌握程度和综合运用所学知识发现问题、提出问题、分析、解决实际问题的能力.以诺贝尔奖为背景的试题在近几年高考中已屡次出现，成为命题的热点，以突出对学生科学探究能力、科学过程与方法以及创新精神的考查.我国女科学家屠呦呦荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖，这是国人的骄傲，下面采编几道抗疟药青蒿素相关高中生物试题及分析，以飨读者.

一、考查细胞的结构和功能

例1 中国女科学家屠呦呦获2015年诺贝尔生理医学奖，她研制的抗疟药青蒿素挽救了数百万人的生命.青蒿素是从植物黄花蒿的组织细胞中所提取的一种代谢产物，其作用方式目前尚不明确，推测可能是作用于疟原虫的食物泡膜，从而阻断了营养摄取的最早阶段，使疟原虫较快出现氨基酸饥饿，迅速形成自噬泡，并不断排出虫体外，使疟原虫损失大量胞浆而死亡.从上述的论述中，不能得出的是（ ）.

A.疟原虫对外界食物的获取方式主要是胞吞，体现了细胞膜的流动性特点

B.细胞质是细胞代谢的主要场所，如果大量流失，甚至会威胁到细胞生存

C.疟原虫寄生在寄主体内，从生态系统的成分上来看，可以视为分解者

D.利用植物组织培养的方式，可以实现青蒿素的大规模生产

解析 细胞质是细胞代谢的主要场所，如果大量流失，必然会威胁到细胞生存.青蒿素可能作用于疟原虫的食物泡膜，从而阻断了营养摄取的最早阶段，使疟原虫较快出现氨基酸饥饿，迅速形成自噬泡，并不断排出虫体外，使疟原虫损失大量胞浆而死亡.疟原虫寄生在寄主体内，从生态系统的成分上来看，寄生物均可视为消费者.而分解者营腐生生活，从动植物遗体、排泄物中获得现成的有机物.

答案：C

二、考查基因表达及基因工程

例2 中国女科学家屠呦呦获2015年诺贝尔生理医学奖，她研制的抗疟药青蒿素挽救了数百万人的生命.但是青蒿中青蒿素的含量很低，且受地域性种植影响较大.研究人员已经弄清了青蒿细胞中青蒿素的合成途径（如图1实线框内所示），并且发现酵母细胞也能够产生青蒿素合成的中间产物FPP（如图1虚线框内所示）.请回答问题：

（1）在FPP合成酶基因表达过程中，完成过程①需要酶催化_____，完成过程②需要的物质有____、____、____等，结构有____.

（2）根据图示代谢过程，科学家在设计培育能生产青蒿素的酵母细胞过程中，需要向酵母细胞中导入____ 、____等基因.

（3）实验发现，酵母细胞导入相关基因后，这些基因能正常表达，但酵母合成的青蒿素仍很少，根据图解分析原因可能是___，为提高酵母菌合成的青蒿素的产量，请提出一个合理的思路：____.

（4）利用酵母细胞生产青蒿素与从植物体内直接提取相比较，明显的优势有___、____、____等.

解析 基因表达包括转录和翻译两步，转录需要RNA聚合酶，RNA聚合酶同时具有DNA解旋功能；翻译在核糖体上进行，除需要模板mRNA外，还需要原料氨基酸，以及搬运氨基酸的工具tRNA，另外生命活动离不开能量供应，需要消耗 ATP.基因工程操作步骤第一步为获取目的基因，从图1中可以发现酵母细胞中缺乏合成青蒿素必需的两种关键酶：ADS酶和 CYP71AV1酶，而青蒿细胞具有这两种酶，故有必要首先获取ADS酶基因和CYP71AV1酶基因，作为目的基因导入酵母细胞中.FPP是合成青蒿素和固醇的共同底物，为提高酵母菌合成的青蒿素的产量，需通过基因改造降低FRG9酶活性等方法来降低固醇的合成途径.基因工程为新兴的朝阳产业，明显的优势有产量高，成本低 ，适合各地生产，生产的周期短等.

答案：（1）RNA聚合 氨基酸 ATP tRNA 核糖体；

（2）ADS酶基因 CYP71AV1酶基因；

（3）FPP合成固醇 通过基因改造降低FRG9酶活性；

（4）青蒿素产量高 成本低 适合各地生产

三、考查遗传定律及育种

例3 中国女科学家屠呦呦获2015年诺贝尔生理医学奖，她研制的抗疟药青蒿素挽救了数百万人的生命.利用雌雄同株的野生型青蒿（二倍体，体细胞染色体数为18），通过传统育种和现代生物技术可培育高青蒿素含量的植株.请回答以下相关问题：

（1）假设野生型青蒿白青秆（A）对紫红秆（a）为显性，稀裂叶（B）对分裂叶（b）为显性，两对性状独立遗传，则野生型青蒿最多有___种基因型；若F1代中白青秆、稀裂叶植株所占比例为38，则其杂交亲本的基因型组合为___，该F1代中紫红秆、分裂叶植株所占比例为___.

（2）四倍体青蒿中青蒿素含量通常高于野生型青蒿，低温处理野生型青蒿正在有丝分裂的细胞会导致染色体不分离，从而获得四倍体细胞并发育成植株.推测低温处理导致细胞染色体不分离的原因是___.四倍体青蒿与野生型青蒿杂交后代体细胞的染色体数为___.

解析 野生型青蒿白青秆（A）对紫红秆（a）为显性，稀裂叶（B）对分裂叶（b）为显性，两对性状独立遗传，符合基因的自由组合定律，则野生型青蒿最多有9种基因型；若F1代中白青秆、稀裂叶植株（A_B_）为38，根据乘法原理，应该是12×34，或者是34×12，则其杂交亲本的基因型组合为AaBb×aaBb，或者为AaBb×Aabb，这两种情况下该F1代中紫红秆、分裂叶植株（aabb）所占比例均为18.

野生型青蒿为二倍体，四倍体青蒿与野生型青蒿杂交后代为三倍体，体细胞的染色体数为27.

答案：（1）9 AaBb×aaBb或者AaBb×Aabb 1/8

（2）低溫抑制纺锤体形成 27

例4 青蒿的花色白色（只含白色色素）和黄色（含黄色色素）是一对相对性状，由两对等位基因（A和a、B和b）共同控制，显性基因A控制以白色色素为前体物合成黄色色素的代谢过程，但当隐性基因bb存在时可抑制其表达（如图2所示）.

据此回答：

（1）开黄花的青蒿植株的基因型可能是.

（2）现有AAbb、aaBB二个纯种白花青蒿品种，为了培育出能稳定遗传的黄花品种，某同学设计了如下程序：

Ⅰ.用AAbb和aaBB两个品种进行杂交，得到F1种子；

Ⅱ.F1种子种下得F1植株，F1随机交配得F2种子；

Ⅲ.F2种子种下得F2植株，F2自交，然后选择开黄花植株的种子混合留种；

Ⅳ.重复步骤Ⅲ若干代，直到后代不出现性状分离为止.

①F1植株能产生比例相等的四种配子，原因是___.

②F2的性状分离比为___.

③若F1与基因型为aabb的白花品种杂交，后代的分离比为___.

④F2自交，在开黄花的植株上所结的种子中黄花纯合子占____.

⑤有同学认为这不是一个最佳方案，你能在原方案的基础上进行修改，以缩短培育年限吗？请简要概述你的方案.

解析 （1）由题意可知，只有A、B基因同时存在时，才表现为黄花，因此开黄花的青蒿植株的基因型可能是AABB、AaBB、AABb、AaBb.

（2）①由题意可知，F1是由AAbb和aaBB杂交产生的，因此F1的基因型为AaBb，A、a和B、b位于不同对的同源染色体上，因此在遗传过程中遵循基因自由组合定律，因此F1植株能产生比例相等的四种配子.

②F1的基因型为AaBb，自交后代的基因组成可以写出A_B_

∶A_bb∶aaB_∶aabb=9∶3∶3∶1，其中A_B_为黄花，其余的为白花，因此F2的性状分离比为黄花∶白花=9∶7.

③F1與基因型为aabb的白花品种杂交，后代的基因组成及比例为AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶1，其中AaBb为黄花，其余为白花，因此F1与基因型为aabb的白花品种杂交，后代的分离比为黄花∶白花=1∶3.

④F2中黄花植株的基因型为AABB∶AABb∶AaBB∶AaBb=1∶2∶2∶4，F2自交，在开黄花的植株上所结的种子中黄花纯合子的比例是（19）×1+（29）×（14）+（29）×（14）+（49）×（116）=14.

⑤单倍体育种能大大缩短育种年限，具体做法是：采用F1植株的花粉进行离体培养获得单倍体幼苗，然后用秋水仙素处理单倍体幼苗，成熟后开黄花的植株即为纯种.

答案：（1）AABB、AaBB、AABb、AaBb

（2）①A、a和B、b基因位于2对同源染色体上，在子一代形成配子时，遵循基因自由组合定律.

②黄花∶白花=9∶7.

③黄花∶白花=1∶3.

④1/4.

⑤采用F1植株的花粉进行离体培养获得单倍体幼苗，然后用秋水仙素处理单倍体幼苗，成熟后开黄花的植株即为纯种.

四、考查生物多样性价值

例5 中国女科学家屠呦呦获2015年诺贝尔生理医学奖，她研制的抗疟药青蒿素挽救了数百万人的生命.在野生植物中提取青蒿素治疗疟疾，这体现了野生生物的（ ）.

A. 直接使用价值

B. 间接使用价值

C. 潜在使用价值

D. A与B的总和

解析 生物多样性价值包括直接使用价值、间接使用价值和潜在使用价值三个方面，其中间接使用价值是指生态功能，价值最大；直接使用价值与潜在使用价值的区别关键是看具体作用有没有被发现，是否已知，如具体作用尚不清楚，则为潜在使用价值.现已明确该野生植物中能提取青蒿素治疗疟疾，这便体现了该野生生物的直接使用价值.答案：A

五、考查生物实验的设计及对结果的评价和解释

例6 中国女科学家屠呦呦获2015年诺贝尔生理医学奖，她研制的抗疟药青蒿素挽救了数百万人的生命.我国山西的青蒿资源非常丰富，本研究为开发利用青蒿资源提供实验依据.

实验一 研究目的：比较同一植株不同生长期叶片中青蒿素含量的差异.

材料准备：5～9月期间，分别采集成苗期、生长盛期、花期和果期的青蒿叶，干燥后粉碎备用.

（1）根据研究目的，下列属于实验时需控制的因素是.（多选）____

A.采摘时叶片中含水量

B.采集叶片时的气温

C.叶片的着生位置

D.叶片干燥的程度

（2）将实验数据绘制成图如图3所示.

该坐标图的横坐标名称是___，纵坐标名称是____。

（3）根据实验一的研究结果，选择____期的青蒿作为继续研究的实验材料.

实验二

材料准备：采集青蒿不同组织如根、茎、老叶（叶龄21d）、新叶（叶龄7d），共采集3次，每次在同一地方随机采样.所有样品均采用烘干和自然干燥2种方式干燥，粉碎后备用.

实验结果：青蒿素含量（mg/g）

第1次采集：

根：1.02（晒干），0.74（烘干）；

茎：0.09（晒干），0.04（烘干）；

老叶：3.91（晒干），2.66（烘干）；

新叶：4.57（晒干），3.49（烘干）.

第2次采集：

根：1.05（晒干），0.72（烘干）；

茎：0.11（晒干），0.09（烘干）；

老叶：4.02（晒干），2.71（烘干）；

新叶：4.65（晒干），3.69（烘干）.

第3次采集：

根：1.14（晒干），0.79（烘干）；

茎：0.10（晒干），0.02（烘干）；

老叶：4.05（晒干），2.95（烘干）；

新叶：4.58（晒干），3.59（烘干）.

（4）本实验的研究目的是：.

（5）根据研究目的，设计一个实验数据记录表，用于记录上述数据.（不用抄录数据）

解析 中学生物实验大多为对照实验，涉及的变量有自变量、无关变量和因变量，实验的目的通常为探究自变量对因变量的影响.实验中应设置一组自变量作分组对照，应控制无关变量力求适宜且相同，应准确测量因变量来寻找与自变量之间的因果关系.

实验一研究目的为比较同一植株不同生长期叶片中青蒿素含量的差异，采摘时叶片中含水量和采集叶片时的气温因生长期季节等而不同，也不便于人工控制，而叶片的着生位置和采摘后叶片干燥的程度可人工控制，应作为无关变量必需要相同.

实验二研究目的为不同组织中青蒿素含量的比较以及不同干燥方法对青蒿素含量的影响，之所以重复三次，是为避免实验的偶然性，通过求取平均值来减小误差.

答案：（1）CD

（2）生长期 青蒿素含量（mg/g）

（3）生长盛期

（4）不同组织中青蒿素含量的比较以及不同干燥方法对青蒿素含量的影響

（5）青蒿素含量实验数据记录表（mg/g）

六、考查基因频率和人类遗传病的调查

例7 （2016年江苏高考题）镰刀型细胞贫血症（SCD）是一种单基因遗传疾病，图4为20世纪中叶非洲地区HbS基因与疟疾的分布图，基因型为HbSHbS的患者几乎都死于儿童期.请回答下列问题：

（1）SCD患者血红蛋白的2条β肽链上第6位氨基酸由谷氨酸变为缬氨酸，而2条α肽链正常.HbS基因携带者（HbAHbS）一对等位基因都能表达，那么其体内一个血红蛋白分子中最多有___条异常肽链，最少有___条异常肽链.

（2）由图可知，非洲中部HbS基因和疟疾的部分基本吻合.与基因型为HbAHbA的个体相比，HbAHbS个体对疟疾病原体抵抗力较强，因此疟疾疫区比非疫区的_____基因频率高.在疫区使用青蒿素治疗疟疾患者后，人群中基因型为____的个体比例上升.

（3）在疟疾疫区，基因型为HbAHbS个体比HbAHbA和HbSHbS个体死亡率都低，体现了遗传学上的现象._____

（4）为了调查SCD发病率及其遗传方式，调查方法可分别选择为（填序号）_____.

①在人群中随机抽样调查

②在患者家系中调查

③在疟疾疫区人群中随机抽样调查

④对同卵和异卵双胞胎进行分析对比

（5）若一对夫妇中男性来自HbS基因频率为1%～5%的地区，其父母都是携带者；女性来自HbS基因频率为10%～20%的地区，她的妹妹是患者.请预测这对夫妇生下患病男孩的概率为.____

解析 此题是对基因的表达以及人类遗传病的考查，解答本题的关键在于理解基因控制蛋白质的合成，不论该蛋白质由多少条肽链组成，即正常血红蛋白由HbA控制合成，异常血红蛋白由HbS控制合成.由于HbS基因携带者（HbAHbS）一对等位基因都能表达，那么其体内一个血红蛋白分子可能是正常血红蛋白分子，也可能是异常血红蛋白分子，故一个血红蛋白分子中最多有2条异常肽链，最少有0条异常肽链.另外须理解种群的基因频率不是固定不变的，会因自然选择、基因突变、基因重组而改变；调查人类遗传病发病率应在人群中随机抽样调查，且群体要足够大；调查人类遗传病遗传方式则应选择患者家系.在计算后代表现型概率时，应注意亲代中无HbSHbS的患者，因为基因型为HbSHbS的患者几乎都死于儿童期.一对夫妇中男性父母都是携带者，则该男性基因型为1/3 HbAHbA 、2/3 HbAHbS，女性的妹妹是患者，则其父母也均为携带者，该女性基因型为1/3 HbAHbA 、2/3 HbAHbS，这对夫妇生下患病男孩的概率为为（2/3）×（2/3）×（1/4）×（1/2）﹦1/18.

答案：（1）2 0 （2）HbSHbAHbA （3）杂种（合）优势 （4）①② （5）1/18