高中生物并列式双自变量的实验设计

【典例】（2022·河北·高考真题）蛋白酶抑制剂基因转化是作物抗虫育种的新途径。某研究团队将胰蛋白酶抑制剂（NaPI）和胰凝乳蛋白酶抑制剂（StPinlA）的基因单独或共同转化棉花，获得了转基因植株。回答下列问题：

(1)蛋白酶抑制剂的抗虫机制是________。

(2)________是实施基因工程的核心。

(3)利用农杆菌转化法时，必须将目的基因插入到质粒的________上，此方法的不足之处是________。

(4)为检测目的基因在受体细胞基因组中的整合及其转录和翻译，可采用的检测技术有________（写出两点即可）。

(5)确认抗虫基因在受体细胞中稳定表达后，还需进一步做抗虫的________以鉴定其抗性程度。下图为三种不同遗传操作产生的转基因棉花抗虫实验结果，据结果分析________（填“NaPI”或“StPinlA”或“NaPI＋StPinlA”）转基因棉花的抗虫效果最佳，其原因是________。

(6)基因突变可产生新的等位基因，在自然选择的作用下，昆虫种群的基因频率会发生________。导致昆虫朝着一定的方向不断进化。提此推测，胰蛋白酶抑制剂转基因作物长期选择后，某些害虫具有了抗胰蛋白酶抑制剂的能力，其分子机制可能是________（写出两点即可）。

摘选本题第(5)问，分析其实验设计思路：

【答案】(1)调节害虫胰蛋白酶活性，从而使害虫不能正常消化食物达到抗虫的目的

(2)基因表达载体的构建/表达载体的构建

(3) T-DNA     该方法不适用于单子叶植物

(4)基因--DNA分子杂交技术、mRNA--分子杂交技术、抗原-抗体杂交技术

(5) 接种实验     NaPI＋StPinlA     两种抑制剂共同作用能够有效抑制棉铃虫的消化功能

(6) 定向改变     

①某些害虫胰蛋白酶基因发生突变，使酶空间结构发生变化，抑制剂无法发挥作用；②某些害虫基因突变形成的新基因，能指导合成催化抑制剂水解的酶，使抑制剂失效

【详解】（1）蛋白酶抑制剂的抗虫机制是调节害虫胰蛋白酶活性，从而使害虫不能正常消化食物达到抗虫的目的。

（2）基因工程的核心是基因表达载体的构建。

（3）农杆菌转化法的原理：农杆菌中的Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞，并且整合到受体细胞染色体的DNA上。根据农杆菌的这一特点，如果将目的基因插入到Ti质粒的T-DNA上，通过农杆菌的转化作用，就可以把目的基因整合到植物细胞中染色体的DNA上。其不足之处是该方法不适用于单子叶植物。

（4）目的基因是否整合的检测，在分子水平上可通过检测转基因生物染色体的DNA是否插入目的基因、是否能转录处目的基因对应的mRNA、是否能合成目的基因所控制合成的蛋白质等；在个体水平可检测抗虫性、抗病性、活性等。即可利用基因--DNA分子杂交技术、mRNA--分子杂交技术、抗原-抗体杂交技术等。

（5）抗虫鉴定：确认抗虫基因在受体细胞中稳定表达后，还需进一步做抗虫的接种实验以鉴定其抗性程度。由图可知，NaPI＋StPinlA转基因棉花的抗虫效果最佳，因为两种抑制剂共同作用能够有效抑制棉铃虫的消化功能。

（6）在自然选择的作用下，种群的基因频率会发生定向改变，导致生物朝一定方向不断进化。胰蛋白酶抑制剂转基因作物长期选择后，某些害虫具有了抗胰蛋白酶抑制剂的能力，其分子机制可能是①某些害虫胰蛋白酶基因发生突变，使酶空间结构发生变化，抑制剂无法发挥作用；②某些害虫基因突变形成的新基因，能指导合成催化抑制剂水解的酶，使抑制剂失效。

总结：并列式多变量实验设计

模型构建: 探究自变量１和自变量２对因变量的影响

字母模型为“A和B→C”, 各自变量相对独立,互不干扰。这类实验题的特点：各自变量间无关联，既能分别又能共同对因变量起作用，呈并列关系存在。（各自变量相对独立,互不干扰）作答时,可直接拆分转化为独立验证每个自变量与因变量关系的子实验,然后再对各子实验进行综合分析而得出结论。实验分组如下：

附相关实例：

【典例】（2020·山东·高考真题）科研人员在转入光敏蛋白基因的小鼠下丘脑中埋置光纤，通过特定的光刺激下丘脑CRH神经元，在脾神经纤维上记录到相应的电信号，从而发现下丘脑CRH神经元与脾脏之间存在神经联系，即脑-脾神经通路。该脑-脾神经通路可调节体液免疫，调节过程如图1所示，图2为该小鼠CRH神经元细胞膜相关结构示意图。

（1）图1中，兴奋由下丘脑CRH神经元传递到脾神经元的过程中，兴奋在相邻神经元间传递需要通过的结构是_____________，去甲肾上腺素能作用于T细胞的原因是T细胞膜上有____________。

（2）在体液免疫中，T细胞可分泌_____________作用于B细胞。B细胞可增殖分化为_____________。

（3）据图2写出光刺激使CRH神经元产生兴奋的过程：__________。

（4）已知切断脾神经可以破坏脑-脾神经通路，请利用以下实验材料及用具，设计实验验证破坏脑-脾神经通路可降低小鼠的体液免疫能力。简要写出实验设计思路并预期实验结果。

实验材料及用具：生理状态相同的小鼠若干只，N抗原，注射器，抗体定量检测仪器等。

实验设计思路：________________。

预期实验结果：________________。

【答案】突触去甲肾上腺素受体淋巴因子（或：细胞因子）浆细胞和记忆细胞（或：效应B淋巴细胞和记忆B淋巴细胞）     光刺激光敏蛋白导致钠离子通道开放，钠离子内流产生兴奋     取生理状态相同的小鼠若干只，随机均分为两组，将其中一组小鼠的脾神经切断作为实验组，另一组作为对照组；分别给两组小鼠注射相同剂量的N抗原；一段时间后，检测两组小鼠抗N抗体的产生量     实验组小鼠的抗N抗体产生量低于对照组的产生量

【详解】（1）由以上分析可知，兴奋在相邻神经元之间是通过突触进行传递的。由图1可知，T细胞是去甲肾上腺素作用的靶细胞，激素之所以能作用于靶细胞，是因为靶细胞上有特异性受体，因此去甲肾上腺素能作用于T细胞，是因为T细胞膜上有去甲肾上腺素受体。

（2） 在体液免疫过程中，吞噬细胞处理抗原后呈递给T细胞，T细胞分泌淋巴因子作用于B细胞，B细胞经过增殖、分化，形成记忆细胞和浆细胞。

（3）生物膜的功能与蛋白质有关，分析图2，光敏蛋白受到光刺激后导致钠离子通道开放，钠离子内流，从而使CRH神经元产生兴奋。

（4） 实验目的是验证破坏脑—脾神经通路可降低小鼠的体液免疫能力，因此实验中的自变量为脑—脾神经通路是否被破坏。设计实验时要围绕单一自变量，保证无关变量相同且适宜，最终体液免疫能力的高低可通过产生抗体的量来进行检测。

实验设计思路为：取生理状态相同的小鼠若干只，随机均分为两组，将其中一组小鼠的脾神经切断作为实验组，另一组小鼠不作任何处理作为对照组；分别给两组小鼠注射相同剂量的N抗原；一段时间后，检测两组小鼠抗N抗体的产生量。

本题为验证性实验，预期实验结果应该符合题目要求，即破坏脑—脾神经通路可以降低小鼠的体液免疫能力，因此实验组小鼠的抗N抗体产生量低于对照组的产生量。

【典例】（25-26高三上·广东·阶段检测）植物在感受外界环境变化的同时还会启动内源植物激素的调控功能。实验小组为了探究乙烯对黑暗下拟南芥下胚轴生长的影响，筛选若干株乙烯相关突变体（乙烯信号阻断突变体、乙烯过量生成突变体和乙烯信号激活型突变体）进行实验，不同处理方式下下胚轴的相对长度如表所示。回答下列问题：

(1)三种突变体中属于乙烯信号阻断突变体的是______________，

(2)研究发现，HY5基因缺失突变体也会表现下胚轴生长过快的现象，即乙烯和HY5基因都能参与拟南芥下胚轴生长的调控。为探究两者的作用是否存在关联，提出三种假说：

假说①：乙烯和HY5基因通过不同的调节路径调控拟南芥下胚轴的生长。

假说②：乙烯通过调节HY5基因的表达，从而调控拟南芥下胚轴的生长。

假说③：_______________。

研究人员为了验证哪种假说正确，分别向野生型植株和HY5基因缺失突变体施加适量的乙烯，发现野生型植株下胚轴长度显著伸长，施加乙烯前后，HY5基因缺失突变体下胚轴长度无明显变化，该实验结果可支持假说_______________（填序号）。

(3)实验小组为了进一步确定乙烯和HY5基因之间的关系，检测了不同浓度、不同处理时间下突变体内HY5蛋白的相对含量，结果如图所示。

该实验应当以HY5基因_________（填“过表达”或“低表达”）突变体作为实验材料。根据实验结果，某同学提出了HY5蛋白减少的两种可能，即乙烯能抑制HY5基因的表达或乙烯促进了HY5蛋白的降解。为探究其原因，请你为该同学提供两条思路：

思路①：直接检测法：直接检测施加乙烯组和对照组拟南芥幼苗细胞中___________的相对含量。

思路②：实验探究法：COP1蛋白是诱导HY5蛋白降解的关键酶，现有COP1蛋白抑制剂，请你设计实验探究其原因，要求写出简要实验设计思路和实验结果：_________。

【答案】(1)突变体丙

(2) HY5基因通过调控乙烯的合成从而调控拟南芥幼苗下胚轴的生长     ②

(3) 过表达     HY5的mRNA含量     对HY5基因过表达幼苗使用COP1蛋白抑制剂处理，再用适宜浓度的乙烯进行处理，检测HY5蛋白含量，与仅施加乙烯组对比，若HY5蛋白含量明显升高，则说明乙烯促进了HY5蛋白的降解而减少其含量，若无明显变化，则说明乙烯通过抑制HY5基因表达而减少其含量

【详解】（1）乙烯信号阻断突变体无法感知或传导乙烯信号，下胚轴生长不会被乙烯抑制，因此无论是否施加乙烯，下胚轴生长都不受影响。由表格数据可知，突变体丙在施加乙烯前后下胚轴的生长长度基本相同，所以突变体丙最有可能是乙烯阻断突变体。突变体甲和乙无论是否施加外源乙烯，下胚轴都能显著长于野生型，因此可能是乙烯过量突变体或乙烯信号激活型突变体。

（2）乙烯和HY5基因都能参与拟南芥下胚轴生长的调控，因此二者的关联可能存在三种可能①独立路径，各自通过不同的路径来调控；②乙烯调控HY5基因；③HY5基因调控乙烯，所以③是HY5基因通过调控乙烯的合成从而调控拟南芥幼苗下胚轴的生长。实验结果显示，HY5基因缺失后，乙烯无法直接调控下胚轴生长，说明乙烯的作用依赖HY5基因，因此支持假说②。

（3）实验目的是检测乙烯对HY5蛋白的影响，需要以HY5基因过表达载体的植株为实验材料，才能使实验结果更加明显。根据实验结果，某同学提出了HY5蛋白减少的两种可能，为了判断产生这种结果的原因，思路①直接测量HY5基因的表达产物，如mRNA或蛋白质的含量，检测蛋白质可能有蛋白质被降解的可能，结果准确性比较低，所以从检测的时效上看，检测HY5的mRNA含量更加快捷、高效且干扰少。思路②通过实验探究乙烯是否促进了HY5蛋白的降解，可以设置乙烯+COP1蛋白抑制组和仅乙烯组来对比，通过HY5蛋白含量来判断。实验设计思路和结果是对HY5基因过表达幼苗使用COP1蛋白抑制剂处理，再用适宜浓度的乙烯进行处理，检测HY5蛋白含量，与仅施加乙烯组对比，若HY5蛋白含量明显升高，则说明乙烯促进了HY5蛋白的降解而减少其含量，若无明显变化，则说明乙烯通过抑制HY5基因表达而减少其含量。

【典例】（2021·山东·高考真题）过度紧张、焦虑等刺激不仅会导致毛囊细胞数量减少引起脱发，也会导致黑色素细胞减少引起头发变白。利用黑色小鼠进行研究得出的相关调节机制如图所示。

(1)下丘脑通过垂体调节肾上腺分泌 G 的体液调节方式为____________。

(2)研究发现，NE 主要通过过程②影响 MeSc，过程①作用很小。两过程中，NE作用于 MeSc 效果不同的原因可能是____________、____________、____________。（答出3 种原因即可）

(3)已知长期束缚会引起小鼠过度紧张、焦虑。请设计实验验证上述调节机制中长期束缚及肾上腺对黑毛小鼠体毛的影响。

实验思路：________。

实验现象：________。

【答案】(1)分级调节

(2) 两过程NE的作用方式不同（或NE分别作为激素和神经递质起作用）     两过程NE的浓度不同     两过程NE运输到MeSC的时间不同

(3) 取生理状况相同的黑色小鼠若干只，随机平均分为A、B、C、D四组，A组不作处理，B组切除肾上腺，C组束缚，D组切除肾上腺并束缚，其他条件相同且适宜，饲养一段时间后，观察并记录小鼠体毛数量（生长情况）和颜色的变化。     A组小鼠的体毛无变化，B组小鼠的体毛增多，不变白，C组小鼠脱毛且变白，D组小鼠毛发增多（生长旺盛），变白

【详解】（1）由图可知，下丘脑分泌相应激素通过体液运输作用于垂体，使垂体分泌相应激素，在通过体液运输作用于肾上腺皮质，使其分泌糖皮质激素，这过程体现了激素分泌的分级调节。

（2）过程②为传出神经直接分泌NE作用于MeSC细胞，过程①是传出神经先作用于肾上腺髓质使其分泌NE再作用于MeSC细胞，这两种方式中过程②的作用效果大于过程①，这可能原因有两过程NE的作用方式不同，过程②中NE作为神经递质起作用，而过程①NE作为激素起作用，也可能是两过程NE的浓度不同或两过程NE运输到MeSC的时间不同，过程②中NE作用时间快，过程①中NE作用时间慢。

（3）观察黑色小鼠的体毛即观察是否变白以及是否脱发，由图可知，过度紧张和焦虑会导致黑色素细胞减少，引起头发变白和导致毛囊细胞数量减少，引起脱发。为了验证长期束缚及肾上腺对黑毛小鼠体毛的影响，可取生理状况相同的黑色小鼠若干只，随机平均分为A、B、C、D四组，A组不作处理，B组切除肾上腺，C组束缚，D组切除肾上腺并束缚，其他条件相同且适宜，饲养一段时间后，观察并记录小鼠体毛数量（生长情况）和颜色的变化。预期观察到的实验现象：A组小鼠的体毛无变化，B组小鼠的体毛增多，不变白，C组小鼠脱毛且变白，D组小鼠毛发增多（生长旺盛），变白。由此可见，长期束缚会引起小鼠过度紧张、焦虑导致脱发和白化现象，切除肾上腺有助于抑制脱毛的现象，但对白化减少影响不大。