高中 | 第2节 基因表达与性状的关系 题目答案及解析

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必修二 遗传与进化

第四章 基因的表达

第2节 基因表达与性状的关系

植物的光合作用效率与叶绿体的发育(形态结构建成)密切相关。叶绿体发育受基因的精细调控,以适应环境。科学家对光响应基因$\rm BG$在此过程中的作用进行了研究。

实验中发现一株叶绿素含量升高的拟南芥突变体。经鉴定,其$\rm BG$基因功能缺失,命名为$\rm bg$。图$\rm 1$是使用                 观察到的叶绿体亚显微结构。与野生型相比,可见突变体基粒(“$\rm [$”所示)中的                 增多。

  

[["电子显微镜","类囊体"]]

观察叶绿体亚显微结构需要使用电子显微镜。因为光学显微镜的分辨率有限,无法观察到叶绿体内部的精细结构,而电子显微镜能够提供更高的分辨率,从而清晰地看到叶绿体的亚显微结构。基粒是由类囊体堆叠而成的结构。与野生型相比,突变体叶绿素含量升高,且 $\rm BG$ 基因功能缺失,观察可知突变体基粒中的类囊体(片层)增多。因为叶绿素主要分布在类囊体薄膜上,类囊体增多可能是导致叶绿素含量升高的原因之一。

已知$\rm GK$蛋白促进叶绿体发育相关基因的转录,$\rm BG$蛋白可以与$\rm GK$蛋白结合。研究者构建了$\rm GK$功能缺失突变体$\rm gk$(叶绿素含量降低)及双突变体$\rm bggk$。对三种突变体进行观察,发现双突变体的表型与突变体                 相同,由此推测$\rm BG$通过抑制$\rm GK$的功能影响叶绿体发育。

[["$\\rm gk$"]]

已知 $\rm GK$ 蛋白促进叶绿体发育相关基因的转录,$\rm BG$ 蛋白可以与 $\rm GK$ 蛋白结合。$\rm GK$ 功能缺失突变体 $\rm gk$ 叶绿素含量降低,若 $\rm BG$ 通过抑制 $\rm GK$ 的功能影响叶绿体发育,那么双突变体 $\rm bggk$ 中,由于 $\rm GK$ 本身功能缺失,$\rm BG$ 也无法发挥抑制 $\rm GK$ 的作用,此时双突变体的表型应该与 $\rm gk$ 突变体相同。

为进一步证明$\rm BG$$\rm GK$的抑制作用并探索其作用机制,将一定浓度的$\rm GK$蛋白与系列浓度$\rm BG$蛋白混合后,再加入$\rm GK$蛋白靶基因$\rm CAO$的启动子$\rm DNA$片段,反应一段时间后,经电泳检测$\rm DNA$所在位置,结果如图$\rm 2$。分析实验结果可得出$\rm BG$抑制$\rm GK$功能的机制是                                                                

  

[["

$\\rm BG$ 通过与 $\\rm CAO$ 启动子 $\\rm DNA$ 片段竞争结合 $\\rm GK$ 蛋白,从而抑制 $\\rm GK$$\\rm CAO$ 启动子 $\\rm DNA$ 片段的结合

"]]

观察图 $\rm 2$ 可知,随着 $\rm BG$ 蛋白与 $\rm GK$ 蛋白浓度比的增大,与 $\rm GK$ 蛋白结合的 $\rm DNA$ 片段逐渐减少,游离 $\rm DNA$ 片段逐渐增多。 这表明 $\rm BG$ 蛋白的存在阻碍了 $\rm GK$ 蛋白与 $\rm CAO$ 启动子 $\rm DNA$ 片段的结合 。因为 $\rm GK$ 蛋白要发挥功能,需要与靶基因 $\rm CAO$ 的启动子 $\rm DNA$ 片段结合来调控基因表达,而 $\rm BG$ 蛋白浓度越高,这种结合就越少。所以,$\rm BG$ 抑制 $\rm GK$ 功能的机制是 $\rm BG$ 通过与 $\rm CAO$ 启动子 $\rm DNA$ 片段竞争结合 $\rm GK$ 蛋白,从而抑制 $\rm GK$$\rm CAO$ 启动子 $\rm DNA$ 片段的结合。

基于突变体$\rm bg$的表型,从进化与适应的角度推测光响应基因$\rm BG$存在的意义                                                                

[["

使植物能够更好地响应光信号,调节自身生理过程,以适应不同光照环境,提高生存和繁殖能力

"]]

从进化与适应的角度来看,生物体内的基因存在必然是对生物的生存和繁衍有积极意义的。突变体 $\rm bg$ 由于缺乏光响应基因 $\rm BG$,其表型可能在某些环境条件下不利于生存。而正常存在光响应基因 $\rm BG$ 时,植物可以通过 $\rm BG$ 对光信号做出响应,从而更好地调节自身的生理过程,例如,在光照过强时,$\rm BG$ 基因表达产物可能通过抑制 $\rm GK$ 功能,调节相关基因表达,避免植物因光照过强而受到伤害;在光照较弱时,可能通过调节使植物更好地利用有限的光能进行光合作用等。这使得植物在不同的光照环境中能够更有效地进行光合作用,获取能量,提高自身的生存和繁殖能力,以适应复杂多变的环境。

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