例析模型建构 化解“PCR 技术”教学难点

福建 何红星

PCR 技术（多聚酶链式反应）是高中生物人教版教材选修3“基因工程”中“目的基因体外扩增”的重要学习内容。在DNA 测序、表达图谱及肿瘤检测等方面应用广泛，为生物学命题提供大量的素材，更重要的是能搭建学生科学探究和理性思维的平台。但在教材中有关PCR 技术的学习内容呈现较为简单，在许多命题中学生感到很抽象，教师在教学时深度和广度往往把握不好，使得本部分知识的教学及学习存在一定的困难。

模型建构是学习生物学的一种重要的科学方法，有利于学生主动学习相关知识，体验科学探究过程，增加思维强度,延伸思维宽度,拓展思维深度，从而培养学生的理性思维，提高学习效率。

一、应用概念模型，厘清概念

【探究活动1】PCR 技术是人工体外DNA 扩增的一项技术，据图1 回答下列问题：

图1

（1）加热双链打开_______键，解旋又称为__________，温度降低时，引物与模板的对应，在DNA 聚合酶作用下引物沿模板链延伸,DNA 聚合酶具备__________的特点。

（2）PCR 技术的原理是___________，需要遵循_______原则，PCR 技术需要______________等条件，此外还需要液体环境、适宜的______________、_____________，前者由自动控温仪控制，后者借助_________________维持。

（3）图1 中的变性和延伸分别是指___________________________、_______。根据图1 概括PCR 技术的过程：__________________。

【答案】（1）氢 高温变性 热稳定性

（2）DNA 半保留复制 碱基互补配对 模板、引物、原料（四种脱氧核苷酸dNTP）、热稳定性聚合酶（Taq 酶）

温度 酸碱度 缓冲液（3）高温解旋过程 以DNA 单链为模板，随引物在DNA 聚合酶作用下进行延伸合成新的子链过程 变性→复性→延伸

【建议】对于PCR 技术的相关知识，教师可建立思维导图（如图2），引导学生梳理知识脉络，帮助学生对核心概念有序学习。

图2

二、建构物理模型，体验PCR 技术扩增过程

【探究活动2】（1）若要用PCR 技术扩增“X 基因”，需在PCR 反应中加入_____________________种引物，加入引物的原因是_________________________________ 。

（2）引物及其与模板链的结合位置如图3 中甲所示。观察DNA 双链一条是5' → 3'方向，另一条是3'→5'方向得出的结论是_____________________________。经四轮循环后产物中有五种不同的DNA 分子，如图3 中乙所示，其中第⑤种DNA 分子有______个。

（3）PCR 技术一般要到第___________轮才出现等长的第⑤种DNA。

图3

【答案】（1）2 DNA 聚合酶无法单独开始复制，即无法凭空开始向模板上添加对应的核苷酸，它必须有一段引物与模板形成双链后在DNA 聚合酶的作用下继续链的延伸（2）DNA 的两条链是反向平行的 8 （3）三

【分析】PCR 技术扩增时，由两种引物决定所扩增片段的特定序列，上一次循环的产物为下一次循环的模板。第一次循环形成①和②，第二次循环形成①②③④四个DNA，以此类推四次循环后共形成16 分子的DNA，其中①②各1 分子，③④各3 分子，⑤共8 分子。这样解释学生感到很抽象，不利于学生的理解，尤其不利于对学生思维的训练，笔者尝试引导学生在读图的基础上进行模型构建，每两人为一组相互配合用卡纸剪出并用透明胶粘贴第一次循环或根据引物、碱基互补关系画出第一次循环，依次构建第二次循环、第三次循环的结果图，配合复制过程的本质内容再展开过程的解析，帮助学生理解习题本质功能——思维的训练。

图4 第二次循环示意图

由此假设DNA 的两条母链为A 链（长链），以A 链为模板合成的含有引物DNA 的子链为B 链（中等长度链）；以B 链为模板合成的含有引物DNA 的子链为C 链（最短链）；且以C 链为模板合成的含有引物DNA 的子链永远为C 链（最短链）。由于DNA 复制是半保留复制，2 条A 链保留且在四次复制过程中作为模板，共形成8 条B 链（第1 轮结束的时候形成了2 条B 链；第2 轮结束的时候除保留的2 条B 链外共有4 条B 链；第3 轮结束的时候除保留的4 条B 链外共有6 条B 链，第3 轮第一次出现等长的第⑤种DNA；第4 轮结束的时候除保留的6 条B 链外共有8 条B 链），最后一次形成的两条B 链与两条A 链构成DNA 分子（如图3 乙中的①和②），其他6 条B 链一定只能与C 链形成DNA 分子（如图3 乙中的③和④）。即有2 条AB 链的DNA，6 条BC 链的DNA，而复制4 轮合计形成了16 条DNA 分子，所以必然有8 条CC 链构成的DNA 分子。进一步根据模型观察，可以知道子链合成是沿5'→ 3'方向延伸合成互补链的（对应模板链3'→5'方向），可以解决常见的标出引物位置的题型。

三、建构数学模型，总结规律

【探究活动3】图5 是PCR 技术扩增某目的基因过程中，引物对与模板DNA 片段结合示意图，则由一个该模板DNA片段扩增n次后，只含目的基因的DNA片段数为（ ）

图5 引物对与模板结合示意图

A.2nB.2n-2C.2n-2n D.2n

【答案】C

【分析】DNA 片段扩增n 次后共形成2n个DNA 分子，其中2n 个含有引物，所以只含目的基因的DNA 片段数为2n-2n。

根据模拟建构过程归纳推理得出N 次循环后含有引物1 和引物2 的DNA 分子数均为2n-1；既含有引物1 又含有引物2 的DNA 分子数为2n-2；扩增N 次后的DNA 分子片段类型归纳如下。

类型1：只含引物1，两链不等长，引物1 延伸与母链互补，无论循环多少次始终只有1 条，如图6 ①；

类型2：只含引物2，两链不等长，引物2 延伸与母链互补，无论循环多少次始终也只有1 条，如图6 ②；

类型3：既含有引物1 又含有引物2，含引物1 链较含引物2 链长，N 次循环后有N-1 条，如图6 ③；

类型4：既含有引物1 又含有引物2，含引物2 链较含引物1 链长，N 次循环后有N-1 条，如图6 ④；

类型5：既含有引物1 又含有引物2，两链等长，N 次循环后有2n-2n 条，如图6 ⑤。

图6 N 次循环后DNA 种类归纳

结合物理模型分析可知，细胞内DNA 复制结果一般形成等长的DNA，复制结果DNA 类型只有一种，而PCR 技术一般要到第三轮才出现等长的DNA，如果引物也从最端部开始，则DNA 类型也只有一种。

四、拓展延伸——PCR 扩增产物的电泳模型应用

应用PCR 扩增产物的电泳可得到不同DNA 的条带，从而进行个人辨认和亲子鉴定，结合遗传图谱分析DNA 亲缘关系、确定遗传图谱中基因型等是遗传命题设计应用的部分内容。

【探究活动4】（2015 年，江苏卷，第30 题节选）由苯丙氨酸羟化酶基因突变引起的苯丙氨酸代谢障碍，是一种严重的单基因遗传病，称为苯丙酮尿症（PKU）,正常人群中每70 人有1 人是该致病基因的携带者（显、隐性基因分别用A、a 表示）。图7 是某患者的家族系谱图，其中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3及胎儿Ⅲ1（羊水细胞）的DNA 经限制酶Msp I 消化，产生不同的片段（kb 表示千碱基对），经电泳后用苯丙氨酸羟化酶cDNA 探针杂交，结果如图8。请回答下列问题：

（2）依据cDNA 探针杂交结果，胎儿Ⅲ1的基因型是_______________ 。

【答案】Aa

【分析】根据题意判断此病为常染色体隐性遗传病，Ⅱ1基因型为aa，由电泳图比较可知，Ⅱ2、Ⅱ3及胎儿Ⅲ1的基因型均为Aa。

通过模型建构，学生可亲身体会知识的形成过程，加强学生的思维训练。动手动脑进行科学探究，可实现跨学科学习，践行学科核心素养的生命观念和STEM 教育观，构建生物课堂“活化能”，让学生在成长的道路上走得更远，飞得更高。