高中 | 第1 节 基因突变和基因重组 题目答案及解析

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必修二 遗传与进化

第五章 基因突变及其他变异

第1 节 基因突变和基因重组

稻瘟病是一种真菌病害,水稻叶片某些内生放线菌对该致病菌有抑制作用。科研小组分离筛选出内生放线菌,并开展了相关研究。回答下列问题。

采集有病斑的水稻叶片,经表面消毒、研磨处理,制备研磨液。此后,采用                (填方法)将研磨液接种于不同的选择培养基,分别置于不同温度下培养,目的是                                                                

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稀释涂布平板法;分离不同条件下生长的内生放线菌

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从含有多种微生物的研磨液中分离出单一菌落,并接种到选择培养基中常用的接种方法是稀释涂布平板法。使用选择培养基和不同的温度条件,目的是为了抑制其他杂菌的生长,分离不同条件下生长的内生放线菌。

经筛选获得一株内生放线菌,该菌株高效合成铁载体小分子,能辅助内生放线菌吸收铁离子。$\rm R$基因是合成铁载体的关键基因之一。科研小组构建$\rm R$基因敲除株,探究铁载体的功能。主要步骤如下:首先克隆$\rm R$基因的上游片段$\rm R-U$和下游片段$\rm R-D$;然后构建重组质粒;最后利用重组质粒和内生放线菌$\rm DNA$片段中同源区段可发生交换的原理,对目标基因进行敲除。如图$\rm 1$所示。

采用$\rm PCR$技术鉴定$\rm R$基因的敲除结果。$\rm PCR$通过变性、复性和延伸三步,反复循环,可实现基因片段的                $\rm R$基因敲除过程中,可发生多种形式的同源区段交换,$\rm PCR$检测结果如图$\rm 2$所示,其中$\rm R$基因敲除株为菌落                (填序号),出现菌落④的可能原因是                                                                

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指数级扩增;②;重组质粒通过(单交换)同源重组整合到了内生放线菌的基因组中

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$\rm PCR$技术的核心原理是通过多次循环(变性、复性、延伸),使目标$\rm DNA$片段的数量以指数形式快速增加,实现体外扩增。$\rm PCR$鉴定是利用引物$\rm 1$和引物$\rm 2$进行的。 在野生型菌株中,引物$\rm 1$和引物$\rm 2$之间的$\rm DNA$片段长度为 $\rm R-U(500\;bp)+R$基因 $\rm (2000\;bp)+R-D(500\;bp)=3000\;bp$。对应图$\rm 2$中的菌落①和③。 在成功发生双交换的$\rm R$基因敲除株中,$\rm R$基因$\rm (2000\;bp)$被替换,引物$\rm 1$和引物$\rm 2$之间的$\rm DNA$片段长度为 $\rm R-U(500\;bp)+R-D(500\;bp)=1000\;bp$。对应图$\rm 2$中的菌落②。 菌落④的$\rm PCR$产物大小约为$\rm 7000\;bp$。这个大小可以通过以下方式解释:发生了单交换同源重组事件。整个重组质粒(大小为$\rm 3000\;bp$质粒骨架 $\rm +500\;bpR-U+500\;bpR-D=4000\;bp$)整合到了基因组中。整合后,引物$\rm 1$和引物$\rm 2$之间的区域长度变为原来的长度$\rm (3000\;bp)$加上整个质粒的长度$\rm (4000\;bp)$,即 $\rm 3000+4000=7000\;bp$。因此,这是单交换同源重组整合的结果。

内生放线菌和稻瘟病致病菌的生长均需要铁元素。科研小组推测该内生放线菌通过对铁离子的竞争性利用,从而抑制稻瘟病致病菌生长。设计实验验证该推测,简要写出实验思路                                                                

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设置两组培养实验:对照组在低(或常规)铁浓度的培养基上进行,实验组在高铁浓度的培养基上进行。在两组培养基的相同位置分别接种内生放线菌和稻瘟病致病菌。在相同且适宜的条件下培养一段时间后,观察并比较两组中稻瘟病致病菌菌落的生长情况(如菌落大小或抑制圈大小)。若高铁组的抑制效果明显弱于低铁组,则支持该推测。

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设置两组培养实验:一组为对照组,在常规(或低铁)浓度的培养基上进行;另一组为实验组,在添加了足量铁离子的培养基上进行。在两组培养基的相同位置分别接种内生放线菌和稻瘟病致病菌。在相同且适宜的条件下培养一段时间后,观察并比较两组中稻瘟病致病菌菌落的生长情况(如菌落大小或抑制圈大小)。预期结果与结论: 如果实验组(高铁培养基)中内生放线菌对稻瘟病致病菌的抑制作用明显减弱或消失,而对照组(低铁培养基)中抑制作用明显,则说明该内生放线菌是通过竞争铁离子来抑制稻瘟病致病菌生长的。

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