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专题05 基因工程
北京卷对于基因工程部分的考查主要集中在综合题中的最难题部分内容，考查的难度最高，得分
率较低，综合性较高。近几年的高考题和模拟题中，对于基因工程这部分的考查比较频繁，考生
在本专题的普遍得分率较低，大家在复习的时候需要多做典型题目，进行综合训练。今后高考的
命题趋势：
1.基因工程基本原理的理解：通过对近几年北京高考生物卷上基因工程大题的分析，可以看出试题旨在
引导学生理解基因工程的原理和技术，这些是高中生物教学的重要组成部分，同时也是当前生命科学研究
的热点和前沿。这些内容的考查有助于提升学生的生物学学科核心素养。
2.生命科学的前沿进展：基因工程题目通常基于学科发展的前沿内容，这些内容往往是生物工程试题命
题情境的重要来源。新高考改革后，这一部分内容作为科学前沿，更频繁地出现在高中各级考试试卷中，
这也反映了命题人对于科学前沿的重视和对学生能力提升的期望。
1、（2022·北京·高考真题）生态文明建设已成为我国的基本国策。水中雌激素类物质（E 物质）污染会导
致鱼类雌性化等异常，并通过食物链影响人体健康和生态安全。原产南亚的斑马鱼，其肌细胞、生殖细胞
等存在E 物质受体，且幼体透明。科学家将绿色荧光蛋白（GFP）等基因转入斑马鱼，建立了一种经济且
快速的水体E 物质监测方法。
(1)将表达载体导入斑马鱼受精卵的最佳方式是 。
(2)为监测E 物质，研究者设计了下图所示的两种方案制备转基因斑马鱼，其中ERE 和酵母来源的UAS 是
两种诱导型启动子，分别被E 物质-受体复合物和酵母来源的Gal4 蛋白特异性激活，启动下游基因表达。
与方案1 相比，方案2 的主要优势是 ，因而被用于制备监测鱼（MO）。
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(3)现拟制备一种不育的监测鱼SM，用于实际监测。SM 需经MO 和另一亲本（X）杂交获得。欲获得X，
需从以下选项中选择启动子和基因，构建表达载体并转入野生型斑马鱼受精卵，经培育后进行筛选。请将
选项的序号填入相应的方框中。
Ⅰ.启动子： 。
①ERE ②UAS ③使基因仅在生殖细胞表达的启动子（P 生）④使基因仅在肌细胞表达的启动子（P 肌）
Ⅱ.基因：
A．GFP B．Gal4 C．雌激素受体基因（ER） D．仅导致生殖细胞凋亡的基因（dg）
(4)SM 不育的原因是：成体SM 自身产生雌激素，与受体结合后 造成不育。
(5)使拟用于实际监测的SM 不育的目的是 。
2、（2020·北京·高考真题）枯草芽孢杆菌可分泌纤维素酶。研究者筛选到一株降解纤维素能力较强的枯草
芽孢杆菌菌株（B 菌），从中克隆得到了一种纤维素酶（C1酶）基因。将获得的C1酶基因与高效表达载体
（HT 质粒）连接，再导入B 菌，以期获得降解纤维素能力更强的工程菌。
（1）纤维素属于 糖，因此经过一系列酶催化最终可降解成单糖，该单糖是 。
（2）对克隆到的C1酶基因测序，与数据库中的C1酶基因编码序列相比有两个碱基对不同，但两者编码出
的蛋白的氨基酸序列相同，这是因为 。
（3）C1酶基因以B 链为转录模板链，转录时mRNA 自身的延伸方向为5'→3'。为了使C1酶基因按照正确
的方向与已被酶切的HT 质粒连接，克隆C1酶基因时在其两端添加了Sma I 和BamH I 的酶切位点。该基
因内部没有这两种酶切位点。图1 中酶切位点1 和2 所对应的酶分别是 。
2
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（4）将纤维素含量为20%的培养基分为三组，一组接种工程菌，对照组1 不进行处理，对照组2 进行相应
处理。在相同条件下培养96 小时，检测培养基中纤维素的含量。结果（图2）说明工程菌降解纤维素的能
力最强。对照组2 的处理应为 。
（5）预期该工程菌在处理废弃物以保护环境方面可能的应用 。（举一例）
为了更好地准备这一部分的考试内容，考生需要掌握基础知识，系统复习基因工程的基本原理和技术，
确保对相关概念有深入理解。分析历年真题，研究历年考题，了解出题规律和考查重点，进行有针对性的
训练。提升实验设计能力，熟悉实验流程和数据分析方法。了解基因工程的最新进展，培养科学思维和创
新意识提高跨学科知识整合能力，解决实际问题时能够综合运用所学知识。
1．葡萄糖二酸（GA）可作为原料应用于食品、能源和医药等领域，科研人员通过改造工程菌以实现GA
的大量生产。
(1)M 酶和U 酶是GA 合成途径中的两个关键酶，科研人员将图1 所示质粒1 导入 处理的大
肠杆菌，改造后的大肠杆菌可合成GA．
3
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(2)为实现对工程菌合成GA 的实时监测，科研人员设计了质粒2.并进行下表所示两种检测方案。
方
案
一
质粒1 和2 共同导入大
肠杆菌菌株E 中
在液体培养基
中培养一段时
间
菌液分为5 组
每组上清液加入适量
GA，检测荧光强度。
方
案
二
质粒1 和2 分别导入大
肠杆菌菌株E 和菌株S
中
将E 菌液与S 菌液混合，混合
菌液培养一段时间后分为5 组
①据图1 分析检测方案的原理为 。
②检测结果如图2，据图对比两种方案，并结合两种质粒适用范围，选择其中一种更优方案并说明理由：
。
(3)进一步发现由于产物GA 呈酸性影响了大肠杆菌合成GA 的能力，因而科研人员尝试以酵母菌为受体细
胞导入质粒1，改造后的酵母菌以葡萄糖为原料合成并分泌GA 的途径如图3.但M 酶的活性远小于U 酶，
限制了GA 产量。为改进M 酶的催化效率，将含不同突变的M 酶基因分别导入酵母菌，利用上述所选方案
菌株监测不同酵母菌的GA 产量，操作为 ，取等量培养液，测定其荧光值和吸光度（反应菌体浑
浊程度），挑选 高的菌株即为GA 高产菌株。
4
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(4)据图3 分析还可以通过 等方法改造酵母菌以提高GA 的产量。
2．种子成熟过程受脱落酸（ABA）等植物激素调控。为研究种子成熟的调控机制，研究者以拟南芥为材
料进行了实验。
(1)ABA 是对植物生长发育起 作用的微量有机物，在种子成熟过程中起重要作用。
(2)研究发现，种子成熟阶段S 蛋白和J 蛋白均有表达。研究者检测了不同拟南芥种子的成熟程度，结果如
图1.根据图分析，S 蛋白和J 蛋白对种子成熟的调控作用分别是 。
(3)S 蛋白可与J 蛋白结合。为探究两蛋白在植物体中的作用关系，研究者在纯化的J 蛋白溶液中分别加入
野生型及S 蛋白缺失突变体的种子细胞裂解液，使用药剂M 进行相关处理，检测结果如图2.结果说明：S
蛋白可使J 蛋白 。
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(4)检测发现，S 蛋白缺失突变体比野生型体内的ABA 含量低。编码S 蛋白基因的启动子区有转录调控因子
T 的结合序列，T 可被ABA 激活。J 蛋白也为一种转录调控因子。为研究T、J 蛋白对S 蛋白基因表达的调
控，研究者构建了图3 所示质粒并转化烟草叶肉原生质体，实验结果如图4.
图4 结果说明： 。
(5)种子成熟对于种子提高萌发活力等具有重要作用。综合上述研究，分析ABA 对种子成熟的调控机制
。
3．乳酸是一种需求量较大的工业原料，科研人员欲对酿酒酵母进行改造以进行乳酸生产。
(1)培养基中的葡萄糖可作为 为酿酒酵母提供营养。如图1，酿酒酵母导入乳酸脱氢酶基因后，
无氧条件下发酵产物为 ，通过敲除丙酮酸脱羧酶基因获取高产乳酸的工程菌。该菌在有氧和无氧
条件下均可产乳酸。
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(2)为实现对菌体代谢的动态调控，研究人员设计了光感应系统，并导入绿色荧光蛋白（GFP）基因以检测
光感应系统的调控能力。
①如图2，系统1 在酵母中表达由V、L 和H 组成的融合蛋白。光照下，融合蛋白空间结构改变，
后启动下游基因表达；在黑暗状态下，融合蛋白自发恢复到失活状态。
②分别检测黑暗和光照下系统1 的荧光强度，结果如图3。对照组能持续激活GFP 表达。实验结果显示
，可知系统1 实现了光调控基因表达，但表达量较低。推测可能由于菌体密度高导致透光性差，不利于V-
L-H 对光照的响应。进一步优化设计出系统2（如图2），同等光照强度下，系统2 荧光强度显著高于系统
1，分析原因是 。
③实验中发现黑暗条件下系统2 的GFP 基因有明显表达，为解决此问题，对系统2 增加如图4 所示组分，
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i、ii、ii 依次为 （填字母序号）。
A．持续表达型启动子
B．Pc120
C．PGAL
D．G80 基因（G80 蛋白可结合并抑制GAL4）
E．GAL4 基因（GAL4 蛋白可结合并激活PGAL）
F．PSD 基因（含有PSD 的融合蛋白在光下降解）
(3)将优化后的系统2 中GFP 基因替换为乳酸脱氢酶基因，应用于酵母菌合成乳酸的发酵生产。发现在“先
黑暗-后光照”的模式下乳酸产量显著高于全程光照的模式，请推测“先黑暗-后光照”模式下乳酸产量高
的原因 。
4．科研人员获得了携带两种抗稻瘟病的抗性基因Pib 和Pikm 的水稻品系——川抗30，以及携带螟虫抗性
基因CrylC 的水稻品系——昌恢。为获得同时携带抗螟虫基因和两种抗稻瘟病基因的改良株系，开展了相
关研究。
(1)水稻的稻瘟病抗性与敏感为一对 。利用川抗30 品系与野生型稻瘟病敏感水稻杂交，F1表现为稻
瘟病抗性，F1与野生型杂交，子代性状及分离比为 ，证明Pib 和Pikm 位于非同源染色体上。
(2)吕恢品系水稻在品质和产量上明显优于川抗30，科研人员结合分子标记技术筛选目标基因进行杂交育种，
以获得改良优质水稻。请写出制备优质、高产的纯合双抗（抗螟虫和抗稻瘟病）水稻的杂交育种技术路线
（总体思路） 。
(3)研究者利用PCR 技术检测改良优质水稻中是否含有Pib 基因。
①下表为利用PCR 进行检测的反应体系的配方，请将表格补充完整。
PCR 反应体系
组分
总体积/10μL
10 倍浓缩的扩增缓冲液
1μL
i
1.5μL
4 种脱氧核苷酸等量混合液（2.5mmol·L-1）
0.5μL
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引物I/II（5.0μmol·L-1）
1/1μL
Taq DNA 聚合酶
0．20μL
H2O
ii
②图为Pib 基因的部分序列。
5'—…AATGCCC…ATGTGGA…—3'
3'—…TTACGGG…TACACCT…—5'
根据图，选择 作为引物对Pib 基因进行扩增。
A．5'—…AATGCCC…—3' B．5'—…TCCACAT…—3'
C．5'—…TTACGGG…—3' D．5'—…ATGTGGA…—3'
研究者最终确定改良优质水稻具备了相关抗性基因，成功培育出优质、高产的双抗水稻。
(4)检测发现本研究获得的优质双抗水稻的部分性状与昌恢品系相比出现株高上升、千粒重下降的现象，但
是利用基因定点编辑技术获得的纯合抗性突变株系，其他性状未发生改变，原因可能是 。请从育种
的角度对这两种技术进行评价。
5．人在衰老过程中某些性状会发生改变，为寻找衰老的原因，科研人员对染色质开展了相关研究。
(1)由图1 可知，导致个体衰老的原因包括某些染色质区域 ，某些DNA 。
(2)DNA 甲基化会抑制转录并引发更紧密的染色质结构的形成，推测衰老染色质结构松散会 （促进/抑
制）基因表达。
(3)科研人员推测：核内DNA 断裂后的修复会导致表观遗传信息紊乱或丢失，加速细胞衰老。为验证该推
测，科研人员基于图2 原理，利用以下实验材料构建ICE 模型鼠。
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①Cre 酶基因：源自噬菌体，其编码的酶进入细胞核后作用于DNA 上的Lx 序列，导致两个Lx 间的DNA
片段丢失；
②I-E 核酸酶基因：编码的I-E 核酸酶位于细胞核，与诱导剂T、Cre 酶形成复合物，切割DNA；
③口服诱导剂T：小分子化合物，可诱导Cre 酶进细胞核。
请完善技术路线 ：
(4)染色质上的修复蛋白因子可修复受损DNA，通过对ICE 小鼠的检测，发现已修复的DNA 未发生碱基序
列的改变。通过检测 ，可知获得的ICE 鼠表观遗传信息紊乱；检测细胞的形态结构，可知细胞衰老。
6．东方果蝇会对水果造成严重影响，田间雌蝇数量与经济损失直接相关。
(1)研究发现，东方果蝇中dsx 基因 出的前体RNA 在加工过程中具有独特的性别选择性剪接机制。利用
这一特性研发雌性特异性致死基因系统。
(2)蓖麻毒素A（RTA）可通过破坏核糖体导致细胞死亡。研究者获得如图1 所示的融合基因1，进而得到
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转基因果蝇。
①根据图1，扩增dsx 内含子应选择的引物是 （选填字母）。
② 由于存在性别选择性剪接机制，雌雄转基因果蝇dsx 基因前体RNA 保留或剪切内含子和剪切识别序列
情况不同，产生了不同版本的成熟mRNA，导致雌蝇特异性致死。判断转基因雌蝇中的成熟mRNA 为
（填字母序号）。转基因的雄性个体不会致死的原因是 。
(3)研究发现，RTA 蛋白第212 位甘氨酸替换为精氨酸会出现冷敏感效应（cs），即当温度由29℃变为18℃
时，可抑制RTA 蛋白对细胞的致死作用。利用此特性培育纯合转基因果蝇。
① 欲得到具有cs 效应的RTAcs 蛋白，推测对应的基因碱基序列，经定点突变获得融合基因2（如图2 所
示）。请在方框中画出可继续延伸的复性结果，要求标明每条链的5’端和3’端 。
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② 对转入融合基因2 的果蝇进行以下操作：
ⅰ：在29℃收集雄性果蝇（G0）。
ⅱ：G0与野生型果蝇杂交，筛选出转基因受精卵（G1）。
ⅲ：将每对亲本的受精卵（G1）均分为两组，分别在18℃和29℃孵化培养，统计两组中雄性个体所占比
例，若 ，则说明G1具有cs 效应。
ⅳ：在 ℃继续培养具有cs 效应的G1果蝇，使之连续多代自交，得到转基因纯合子。
7．肠道菌群分泌的胆盐水解酶（BSH）与高脂血症密切相关，研究表明高脂饮食后小肠BSH 活性上升，
提高血液中胆汁含量，达到降低血脂的目的。科研人员利用基因工程技术，对小鼠肠道内相关菌株（B
菌）进行改造，以期获得分泌更多BSH 的工程菌BS 菌。
(1)高脂饮食是引起高血脂症的一个主要原因，但脂质也是人体必要的物质，请写出属于脂质的2 种化学物
质 。
(2)工程菌的制备：
①X 菌的筛选：16SrRNA 基因是鉴定微生物的重要依据，其大小约为1500bp，高产BSH 的X 菌株的
16SrRNA 基因有限制酶ApaI 的两个酶切位点，其他菌株中只有一个。通过PCR→ → →观察，
结果如图1，可知 （填图1 中序号）为所选目的菌种。
②表达载体的构建：
科研人员操作如图2，进行同源重组构建表达载体。
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I.将NC 质粒用相关的限制酶进行酶切。
Ⅱ.在X 菌株BSH 基因两侧分别添加一段与上述载体同源（碱基排列次序相同）的序列A、B。
Ⅲ.表达载体同源重组过程如图2 所示。如果BSH 基因N 链B 端同源臂的碱基序列为-A-A-A-G-，则NC 质
粒M’链的碱基序列为 ，两者在5’-3’外切酶的作用下被降解，在DNA 连接酶的作用下，在1、2 处
形成 键，完成基因表达载体的构建。
③科研人员将表达载体用电击法导入B 菌，获得BS 菌株。
(3)关于图2 所示同源重组构建表达载体的方法，其优点有________
A．免去传统方法双酶切的繁杂操作
B．同源重组，保证目的片段插入载体时方向正确
C．如果载体上目的基因插入位点的限制酶识别序列出现在目的基因内部，该技术可克服传统方法的局
限性
(4)用BS 菌株给小鼠灌胃，同时给小鼠饲喂高脂饮食，对照组1 不做处理，8 周后检测小鼠肠道内容物，进
行体外BSH 活性检测，如图3 所示，结果说明 。
(5)有人认为BS 菌株适合开发为人体降脂的功能性菌剂，请辩证地评价该观点 。
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8．温度是影响微生物生长的重要因素， 科研人员应用基因工程以实现通过温度控制工程菌合成所需物质。
(1)大肠杆菌是一种常见的微生物， 常被改造为基因工程菌， 其原因包括 （写出2 点）。
(2)为实现温度控制蛋白质合成， 科研人员设计了方案1， 构建表达载体（见图1）， 将其导入大肠杆菌，
获得转基因工程菌。大肠杆菌在30℃和37℃均可生长和繁殖， 当培养温度为30°C 时，C 基因编码的C
蛋白形成二聚体， ， 因而大肠杆菌表达 荧光蛋白。
(3)为更精准调控荧光蛋白表达， 将上述表达载体改造为方案 2 中的载体（见图2）。与方案1 相比， 方
案2 的主要优势是 。
(4)为检测方案2， 科研人员将该方案中的工程菌稀释涂布在固体培养基上， 形成单菌落，培养温度周期
控制见图3.依据方案2， 每个菌落生长2 天后可出现4 个不同的荧光环带，请预测图4 所示菌落每个环带
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的工程菌中荧光蛋白表达情况， 在下面表格中按时间顺序，依次写出所表达荧光蛋白的颜色 。
菌落环带
1
2
3
4
所表达荧光蛋白的颜
色
绿、红、绿
(5)聚羟基脂肪酸酯（PHA） 常用于制备可降解的塑料包装材料。PHA 是一种生物大分子，可由单体分子
3HB 和4HB 随机聚合， 或通过分段聚合形成嵌段共聚物（见图5）， 其中嵌段共聚物性能更优。共聚
物的合成过程如图5.请完善以下表格， 通过改造方案 2 以实现应用工程菌大规模生产优质 PHA（不考
虑各种酶在不同温度下的活性差异）。
操作
目的
对方案 2 表达载体的改造为： 。
将构建好的表达载体导入大肠杆菌， 获得工程菌。
获得可以合成PHA 的工程菌。
以葡萄糖为原料配置培养基， 灭菌后加入上述工程
菌。
配制培养基、接种。
控制发酵条件： 。
发酵48 小时， 获得3HB 比例为25%的嵌段共聚
物。
9．贝氏不动杆菌（A 菌）是一种非致病性细菌，可从环境中吸收DNA 并整合到自身基因组中，此过程被
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称为基因水平转移（HGT）。科学家试图利用A 菌的HGT 能力检测结肠癌。
(1)通常用含蛋白胨的培养基培养A 菌，蛋白胨能提供碳源、氮源等成分，其中氮源可用于合成 等物质
（答出2 个即可）。
(2)结肠癌常由KRAS 基因中G12 位点突变导致，科学家以其作为结肠癌检测点。
①如图1 所示，将针对KRAS 基因设计的表达载体导入结肠癌细胞，某种酶能从相同序列特定位点切断
键，修复过程中切口被重新连接，从而实现特定基因片段的替换，获得转基因癌细胞。
②为验证A 菌具有吸收特定DNA 片段的能力，依据①中的原理，构建图2 所示的表达载体，导入A 菌中
获得传感器A。将传感器A 与转基因癌细胞裂解液混合，一段时间后，观察传感器A 在不同培养基中的生
长情况。请从a～e 中选择Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别对应的序列 。
a．KRAS 片段1
b．KRAS 片段2
c．kanR
d．specR（壮观霉素抗性基因）
e．G12 位点
能证明传感器A 发生特异性HGT 的实验结果是 。
(3)肿瘤细胞可将DNA 释放到肠腔中，临床检测时需将细菌传感器定植于待测者结肠处，一段时间后对粪
便中的细菌进行培养，观察生长情况。为实现上述目的，需改造A 菌使其仅能降解正常的KRAS 序列，并
对图2 所示表达载体进行进一步改造（如图3）。请分析其能检测出结肠癌的机理 。
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10．大肠杆菌能进入实体瘤核心并保持较强活性，科研人员期望利用大肠杆菌构建一种基因表达可控的工
程菌，期望用于人体特定部位实体瘤的免疫治疗。
(1)科研人员利用温度敏感型转录调控蛋白构建温控表达的质粒系统，如下图。
①利用来自λ 噬菌体的温度敏感型转录抑制因子Tcl42 作为“开关”构建温控抑制元件，在 （选填
“λ 噬菌体”、“大肠杆菌”或“人”）中具强活性的启动子pLac 可以使Tcl42 持续性表达，抑制启动子
pRL；当控温至42℃时才开启特定基因的表达。
②Tcl42 开关仅在加热时瞬时激活特定基因，而免疫疗法需要数周才能见效，所以设计了“基因电路”
——一次短暂的温度激活后可维持长期的基因表达。其核心基因包括重组酶Bxb1 基因、分泌型αPD-L1 蛋
白基因（该蛋白可用免疫治疗）等。
请选择相关选项完善该“基因电路”的技术路线： 及质粒，获基因电路 → 受体菌37℃时，蛋白
Tcl42 抑制启动子pRL → → 免疫元件无功能（不表达αPD-L1） → → 解除蛋白Tcl42 对启动子
pRL 的抑制→ → →细菌合成GFP，并分泌大量αPD-L1。
A、重组酶Bxb1 基因不表达 B、菌体升温至42℃时
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C、用不同的限制酶、DNA 连接酶分别处理温控抑制元件、重组元件、免疫元件
D、启动子p7 启动荧光蛋白GFP 基因、αPD-L1 基因的转录
E、重组酶Bxb1 基因表达，进而引起启动子p7 两侧发生重组
(2)科研人员用 处理大肠杆菌，使其处于感受态，从而将“基因电路”质粒导入菌体内，经过培养、
涂布后，筛选 （选项），由此成功构建用于免疫治疗的温控工程菌（EcT）。
A、含有四环素的培养基上形成的菌落 B、具有绿色荧光的菌落
C、同时具有A 和B 特征的菌落 D、具有A 或B 特征的菌落均可
(3)使用聚焦超声（FUS）装置，可以使动物特定范围的组织快速升温至42℃，从而实现体内微生物治疗的
温度控制。为验证上述温控工程菌的治疗肿瘤效果，选取若干组生理状态相近的小鼠，经过7 天的成瘤建
模后，分别进行如下处理，并检测记录小鼠体内肿瘤体积。
第1 组：注射生理盐水，2 天后FUS 处理；
第2 组：注射温控工程菌，2 天后FUS 处理。请评价并完善实验方案 。
最终证明温控工程菌可被FUS 处理局部激活，并具有持续性肿瘤免疫治疗效果。
(4)若期望将上述温控工程菌用于临床实验，还需利用小鼠开展 方面的研究。
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