近两年新高考生物学试题考查电泳情境的深度分析

傅琦雄

(福建省宁德市教师进修学院)

1.电泳技术概述

琼脂糖凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳是两种常用的电泳方法。在测定蛋白质分子量时通常使用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳,而PCR的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定。

2.电泳情境题型的分析

电泳情境题型是指创设电泳与相关生物学知识联系的真实情境,试题主要考查生物学基本原理和基本概念,侧重考查考生的科学探究和科学思维的学科素养。电泳技术目前在亲子鉴定、案件侦破、生物亲缘关系远近、DNA指纹技术等方面普遍运用。例如,研究者从骨骼、血迹、毛发等组织中就能通过凝胶电泳技术,用一种探针寻找DNA的不同部位并形成独特的条带图谱进行比对,从而达到DNA鉴定的目的。下面从五种常见考查电泳情境题型进行深度评析,较为全面地归纳电泳相关试题情境及题目的立意,从而让学生能够做出准确的推断,轻松解决这种类型的试题。

2.1 考查电泳的基本原理

例1.(2022年河北卷第23题-节选)番茄灰霉病菌严重影响番茄生产,枯草芽孢杆菌可以产生对多种病原菌具有抑制作用的蛋白质。为探究枯草芽孢杆菌能否用于番茄灰霉病的生物防治,研究者设计了相关实验。回答下列问题:

(3)电泳分离蛋白质混合样品的原理是________。利用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定枯草芽孢杆菌的抗菌蛋白分子量时,SDS的作用是________。

参考答案：(3)利用待分离样品中各种分子带电性质的差异及分子本身的大小、形状的不同,使带电分子产生不同的迁移速度,从而实现样品中各种分子的分离 SDS带有大量的负电荷,且能使蛋白质变性成为肽链,使蛋白质的迁移速率只与蛋白质的相对分子质量有关,而与所带电荷性质无关

评析：本题创设枯草芽孢杆菌用于防治番茄灰霉病的生产实践真实情境,考生在简单情境中通过对生物学基本原理和概念的简单记忆就能解决问题。该小题考查的核心素养主要体现在科学探究上,对生物学实验基本原理和重要试剂的识记,对考生关键能力要求层次较低。

2.2 考查电泳与育种联系

例2.(2022年福建卷第20题)7S球蛋白是大豆最主要的过敏原蛋白,三种大豆脂氧酶Lox-1,2,3是大豆产生腥臭味的原因。大豆食品深加工过程中需要去除7S球蛋白和三种脂氧酶。科研人员为获得7S球蛋白与三种脂氧酶同时缺失的大豆新品种,将7S球蛋白缺失的大豆植株与脂氧酶完全缺失的植株杂交,获得F1种子。F1植株自交得到F2种子。对F1种子和F2种子的7S球蛋白和脂氧酶进行蛋白质电泳检测,不同表现型的电泳条带示意如图1。

图1

根据电泳检测的结果,对F2种子表现型进行分类统计如下表。

F2种子表现型粒数7S球蛋白野生型1247S球蛋白缺失型377脂氧酸Lox-1,2,3野生型282①94②94Lox-1,2,3全缺失型31

回答下列问题:

(1)7S球蛋白缺失型属于________(填“显性”或“隐性”)性状。

(2)表中①②的表现型分别是________、________。脂氧酶Lox-1,2,3分别由三对等位基因控制,在脂氧酶是否缺失的性状上,F2种子表现型只有四种,原因是________。

(3)在答题卡对应的图中画出F1种子表现型的电泳条带。

(4)已知Lox基因和7S球蛋白基因独立遗传。图中第________泳道的种子表现型为7S球蛋白与三种脂氧酶同时缺失型,这些种子在F2中的比例是________。利用这些种子选择并获得稳定遗传种子的方法是________。

(5)为提高大豆品质,利用基因工程方法提出一个消除野生型大豆7S球蛋白过敏原的设想:________。

参考答案：(1)显性 (2)Lox-1,2缺失型 Lox-3缺失型 控制Lox-1,2的基因位于同一对同源染色体上且不发生互换,控制Lox-3的基因位于另一对同源染色体上 (3)如图2 (4)4 3/64 将这些种子长成的植株自交,对单株所得的所有种子进行蛋白质电泳检测,若某植物所有种子均不出现7S球蛋白条带,则该植物的种子能稳定遗传 (5)敲除7S球蛋白基因/导入7S球蛋白的反义基因,抑制7S球蛋白表达(合理答案均给分)

图2

评析：本题以大豆制品深加工时要去除7S蛋白与脂氧酶Lox-1,2,3的生产实践为真实情境,将两类缺失型大豆进行杂交培育符合生产要求的大豆种子。第(1)题考查显隐性性状的判别。考生通过获取表中的信息:F2中7S蛋白表型的比例约为3∶1,并通过对情境中的直观信息进行浅层加工,得出简单结论:7S蛋白缺失型属于显性性状。第(2)题考查自由组合定律,侧重考查科学思维中演绎推理能力,能力要求层次较高。要求考生从题干信息“由三对等位基因控制”,而表中F2脂氧酸Lox-1,2,3表型的比例约为9∶3∶3∶1推理得出:应有两对等位基因连锁,与另一对等位基因自由组合。同时观察图1蛋白质电泳图谱可得出Lox-1与Lox-2电泳条带总在一起,即控制Lox-1与Lox-2的基因连锁,F2野生型占9/16,表型应为双显性,推理得出:①②各占3/16,表型应为单显性(Lox-1,2缺失型或Lox-3缺失型)。第(3)题由F2表型及比例,得出F1的表型是7S球蛋白缺失型,脂氧酶Lox-1,2,3野生型大豆。对照M的电泳条带即可得出F1的电泳图谱。第(4)题由于第4泳道没有电泳条带,说明其种子表型是7S球蛋白缺失型且脂氧酶Lox-1,2,3全缺失型,这些种子在F2中的比例是1/16×3/4=3/64。第(5)题联系生产实践,侧重考查考生获取正确信息并设计简单实验方案,以及基于生物学知识做出合理解释和判断,解决生产生活问题的能力,落实科学探究和社会责任等核心素养的考查。

2.3 考查电泳与遗传系谱图

例3.(2021年适应性考试江苏卷第18题)苯丙酮尿症是一种严重的单基因遗传病。图3是某患者的家族系谱图,其中部分成员Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1和Ⅱ2的DNA经限制酶MspⅠ酶切,产生不同的片段,经电泳后用苯丙氨酸羟化酶cDNA探针杂交,结果见图4。下列分析正确的是

图3

图4

( )

A.个体Ⅱ1是杂合体的概率为2/3

B.个体Ⅱ2与一杂合体婚配生患病孩子的概率为0

C.个体Ⅱ3是隐性纯合体,有19 kb探针杂交条带

D.个体Ⅱ4可能为杂合体,有2个探针杂交条带

参考答案：BCD

评析：本题将苯丙酮尿症患者的家族系谱图与电泳图谱相结合,考查DNA分子杂交和分离定律等知识,侧重考查科学探究和科学思维。假设该病受一对等位基因A、a控制,要求考生能够从图3中Ⅱ3患病,而Ⅰ1、Ⅰ2都不患病,推断出该病类型为常染色体隐性遗传病。Ⅱ3基因型为aa,Ⅰ1和Ⅰ2的基因型都为Aa,再结合图4的酶切结果可知,Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1的基因型都为Aa,Ⅱ2表现正常且从图4酶切结果看:Ⅱ2与Ⅱ1基因型(Aa)不同,所以Ⅱ2的基因型为AA,由此可以推知,23 kb探针杂交条带对应正常显性基因A,19 kb探针杂交条带对应隐性基因a。

2.4 考查电泳与基因工程

例4.(2021年辽宁卷第24题-节选)PHB2蛋白具有抑制细胞增殖的作用。为初步探究某动物PHB2蛋白抑制人宫颈癌细胞增殖的原因,研究者从基因数据库中获取了该蛋白的基因编码序列(简称phb2基因),大小为0.9 kb(1 kb=1 000碱基对),利用大肠杆菌表达该蛋白。回答下列问题:

(2)图5为所用载体图谱示意图,图中限制酶的识别序列及切割位点见表。为使phb2基因(该基因序列不含图5中限制酶的识别序列)与载体正确连接,在扩增的phb2基因两端分别引入________和________两种不同限制酶的识别序列。

图5

注:箭头表示切割位点。

(4)将转化后的大肠杆菌接种在含氨苄青霉素的培养基上进行培养,随机挑取菌落(分别编号为1、2、3、4)培养并提取质粒,用(2)中选用的两种限制酶进行酶切,酶切产物经电泳分离,结果如图6,________号菌落的质粒很可能是含目的基因的重组质粒。

图6

参考答案：(2)EcoRⅠ和PvuⅡ (4)3

评析：本题围绕构建phb2基因表达载体导入大肠杆菌的转基因技术,从而探究PHB2蛋白抑制人宫颈癌细胞增殖的原因。考查基因工程等相关知识,侧重考查科学思维演绎推理、归纳概括等核心素养。从题干获取关键信息:1～4号菌落都可以生长在含有氨苄青霉素的培养基中,因此都含有质粒,但只有重组质粒包含了目的基因和质粒,如果用(2)中EcoRⅠ和PvuⅡ两种酶切割重组质粒,并将酶切产物电泳分离后,将获得含有质粒DNA和phb2基因两条条带,由于phb2基因大小为0.9 kb,加上两端的限制酶识别序列,phb2基因大小会略大于0.9 kb。结合电泳图谱分析,3号菌落的质粒最可能是含目的基因的重组质粒。

2.5 考查电泳与基因定位

例5.(2021年适应性考试湖南卷第19题)DNA标记是DNA中一些稳定的特征性碱基序列,DNA中是否含特定的DNA标记,可通过DNA标记体外复制产物的电泳图谱来判断。

(1)已知三个个体的DNA标记电泳结果如图7所示,个体1和个体2的DNA标记组成分别为S1S1和S2S2,据图推断个体3的DNA标记组成为________。

图7 (M表示标准DNA片段)

(2)DNA标记常用来进行遗传性疾病的基因定位。现有一常染色体显性遗传病家系(疾病基因用A表示)如图8所示,选择上述DNA标记体外复制后电泳,结果如图9所示。不考虑突变和交叉互换,________(填“能”或“不能”)判断该DNA标记与该疾病基因在同一染色体上,用遗传图解及文字说明原因(配子、表现型及比例不作要求)。

图8

图9

(3)如果该DNA标记与此疾病基因在同一条染色体上,图10中Ⅱ2和Ⅱ3的DNA标记组成分别为________和________。

图10

参考答案：(1)S1S2

(3)S2S2S1S2

评析：本题围绕DNA标记体外复制产物的电泳图谱来进行遗传病的基因定位。考查DNA分子的结构特点和遗传信息表达的过程以及理解分离定律的应用等关键能力,侧重考查科学思维和科学探究素养。第(1)题要求考生在简单情境中发现个体1的DNA标记组成为S1S1,电泳结果均在150 bp,推断出DNA标记S1电泳结果应在150 bp,同理可知个体2的DNA标记S2电泳结果应在300 bp,由此得出简单结论,个体3的DNA标记组成应为S1S2。第(2)题要求考生根据图8中Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3的基因型分别为Aa、aa、Aa、aa、Aa,而根据图9中这5个个体的电泳结果均为S1S2,演绎推理出:该致病基因与DNA标记分别位于两对同源染色体上,遵循自由组合定律,这样能产生符合题意的实验结果,即DNA标记与该疾病基因不在同一条染色体上。第(3)题如果DNA标记与该疾病基因在同一条染色体上,遵循分离定律,可以推断:图10中Ⅱ2表型正常,基因型为aa,DNA标记组成为S2S2,同理可得出Ⅱ3的DNA标记组成为S1S2。

3.备考建议

高三二轮专题复习应该更关注学生关键能力的提升,教师可以采用“题组-概念图”策略,如先确定微专题主题:“电泳”,从上述五个不同角度的题组进行变式精练精析,然后构建出电泳的完整知识体系。