高考生物讲义含试题答案解析基因工程.docx

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高考生物讲义含试题答案解析基因工程

第10章 现代生物科技专题

第43讲 基因工程

考纲要求

考情分析

命题趋势

1.基因工程的诞生(Ⅰ)

2.基因工程的原理及技术(含PCR技术)(Ⅱ)

3.基因工程的应用(Ⅱ)

4.蛋白质工程(Ⅰ)

2017,江苏卷,33T      2017,全国卷Ⅰ,38T

2016,全国卷Ⅰ,40T2016,天津卷,7T

2016,江苏卷,33T2015,全国卷Ⅰ,40T

2015,全国卷Ⅱ,40T2015,北京卷,5T

本讲是现代生物科技专题的重点,考查频率较高,预计明年的全国卷中,以非选择题的形式考查基因工程的原理、操作技术及应用的可能性较大

分值:

6~16分

考点一 基因工程的操作工具及程序

一、基因工程的基本工具

1.限制性核酸内切酶

(1)来源:

主要从__原核生物__中分离。

(2)作用:

切断两个核苷酸之间的__磷酸二酯键__。

(3)作用特点:

专一性,即限制酶可识别__特定的脱氧核苷酸序列__,切割特定位点。

(4)结果

2.DNA连接酶

常用类型

E·coliDNA连接酶

T4DNA连接酶

来源

__大肠杆菌__

T4噬菌体

功能

连接黏性末端

连接__黏性末端或平末端__

结果

恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键

3.载体

(1)常用载体——质粒

(2)其他载体:

λ噬菌体衍生物、__动植物病毒__等。

二、基因工程的基本操作程序

1.目的基因的获取

(1)目的基因:

编码蛋白质的基因。

(2)获取方法:

从基因文库中获取、利用__PCR技术__扩增目的基因、利用__DNA合成仪__人工合成。

2.基因表达载体的构建——基因工程的核心

(1)目的:

使目的基因在受体细胞中__稳定存在__,并可以遗传给下一代;使目的基因能够__表达__和发挥作用。

(2)基因表达载体的组成:

目的基因、__启动子__、终止子和标记基因等,如图。

3.将目的基因导入受体细胞

4.目的基因的检测和鉴定

(1)检测:

(2)鉴定:

个体水平。

1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。

(1)限制性核酸内切酶、DNA连接酶和质粒是基因工程中常用的三种工具酶。

( × )

(2)DNA连接酶可把目的基因与载体的黏性末端的碱基黏合,形成重组DNA。

( × )

(3)E·coliDNA连接酶既可以连接平末端,又可以连接黏性末端。

( × )

(4)Taq酶是用PCR仪对DNA分子扩增过程中常用的一种耐高温的DNA连接酶。

( × )

(5)基因表达载体中含有启动子和终止密码子。

( × )

(6)如果某种生物的cDNA文库中的某个基因与该生物的基因组文库中的某个基因控制的性状相同,则这两个基因的结构也完全相同。

( × )

(7)目的基因导入马铃薯细胞后,可随着马铃薯DNA分子的复制而复制,传给子代细胞并表达。

( × )

(8)应用DNA探针技术,可以检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在及其是否表达。

( × )

2.若要利用某目的基因(见图甲)和P1噬菌体载体(见图乙)构建重组DNA(见图丙),限制性核酸内切酶的酶切位点分别是BglⅡ(A↓GATCT)、EcoRⅠ(G↓AATTC)和Sau3AⅠ(↓GATC)。

下列分析合理的是( D )

A.用EcoRⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体

B.用BglⅡ和EcoRⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体

C.用BglⅡ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体

D.用EcoRⅠ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体

解析 解答本题的关键是要看清切割后目的基因插入的方向,只有用EcoRⅠ和Sau3AⅠ切割目的基因和P1噬菌体载体,构建的重组DNA中RNA聚合酶在插入的目的基因上的移动方向才一定与图丙相同。

3.下列关于载体的叙述中,错误的是( D )

A.载体与目的基因结合后,实质上就是一个重组DNA分子

B.对某种限制酶而言,载体最好只有一个切点,但还要有其他多种酶的切点

C.目前常用的载体有质粒、λ噬菌体的衍生物和动植物病毒

D.载体具有某些标记基因,便于对其进行切割

解析 载体带有特殊的标记基因,如抗生素抗性基因,以便于对外源基因是否导入进行检测。

确定限制酶的种类

(1)根据目的基因两端的限制酶切点确定限制酶的种类

①应选择切点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择PstⅠ。

②不能选择切点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择SmaⅠ。

③为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,如图甲也可选择用PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切点)。

(2)根据质粒的特点确定限制酶的种类

①所选限制酶要与切割目的基因的限制酶相一致,以确保具有相同的黏性末端。

②质粒作为载体必须具备标记基因等结构,所以所选择的限制酶尽量不要破坏这些结构,如图乙中限制酶SmaⅠ会破坏标记基因;如果所选酶的切点不止一个,则切割重组后可能会丢失某些片段,若丢失的片段含复制起区,则切割重组后的片段进入受体细胞后不能自主复制。

一 基因工程的概念与操作工具分析

1.限制酶

(1)识别序列的特点:

呈现碱基互补对称,无论是奇数个碱基还是偶数个碱基,都可以找到一条中心轴线,如 ,以中心线为轴,以为轴,两侧碱基互补对称。

(2)切割后末端的种类

2.限制酶和DNA连接酶的关系

(1)限制酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键。

(2)限制酶不切割自身DNA的原因是原核生物中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。

(3)限制酶是一类酶,而不是一种酶。

(4)DNA连接酶起作用时,不需要模板。

3.载体具备的条件

条件

适应性

稳定并能复制

目的基因稳定存在且数量可扩大

有一个至多个限制酶切割位点

可携带多个或多种外源基因

具有特殊的标记基因

便于重组DNA的鉴定和选择

[例1]如图是基因工程中利用pBR322质粒(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)与抗病基因构建重组质粒的示意图,该质粒上的PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ等四种限制酶的识别序列及切割位点见表。

结合图表分析,下列叙述错误的是( C )

限制酶

ApaⅠ

EcoRⅠ

PstⅠ

SmaⅠ

识别序

列和切

割位点

AGCT

TCGA

↓   

GAATTC

CTTAAG

   ↑

 ↓

GTGCAG

CACGTC

↑   

CCCGGG

GGGCCC

A.pBR322质粒、抗病基因和重组质粒的基本组成单位都是脱氧核苷酸

B.形成重组质粒时,应选用限制酶PstⅠ和EcoRⅠ对含抗病基因的DNA、质粒进行切割

C.一个质粒被限制酶EcoRⅠ、PstⅠ、SmaⅠ同时切割后可得到3个DNA片段和6个黏性末端

D.将受体细胞置于含有四环素的培养基上培养,可筛选出已导入抗病基因的受体细胞

解析 图中pBR322质粒、抗病基因和重组质粒都是DNA分子,其基本组成单位都是脱氧核苷酸;通过分析含抗病基因的DNA可知,该DNA含三个限制酶切割位点,其中SmaⅠ的切割位点位于抗病基因内部,因此用PstⅠ、EcoRⅠ才能完整地切下该抗病基因;一个质粒被限制酶EcoRⅠ、PstⅠ、SmaⅠ同时切割后可得到3个DNA片段,产生6个末端,从表格信息可知,EcoRⅠ、PstⅠ切割产生的4个末端是黏性末端,而SmaⅠ切割产生的2个末端是平末端;当EcoRⅠ切割质粒时,氨苄青霉素抗性基因(Ampr)已受到破坏,因此,在筛选时,应将受体细胞置于含有四环素的培养基上培养。

与DNA有关的4种酶

比较

项目

限制酶

DNA

连接酶

DNA

聚合酶

解旋酶

作用

底物

DNA分子

DNA分

子片段

脱氧核

苷酸

DNA分子

作用

部位

磷酸

二酯键

磷酸

二酯键

磷酸

二酯键

碱基对间

的氢键

形成

产物

黏性末端

或平末端

形成重组

DNA分子

新的

DNA分子

形成单

链DNA

二 基因工程的基本操作程序

1.获取目的基因

(1)

(2)人工化学合成:

适用于分子较小的基因。

2.基因表达载体的构建——基因工程的核心

(1)目的:

使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代,同时,使目的基因能够表达和发挥作用。

(2)基因表达载体组成

(3)构建过程

3.将目的基因导入受体细胞

生物种类

植物

动物

微生物

常用方法

农杆菌转化法

显微注射技术

感受态细胞法

受体细胞

体细胞

受精卵

原核细胞

转化过程

将目的基因插入到Ti质粒的TDNA上→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的DNA上→表达

将含有目的基因的表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物

Ca2+处理细胞→感受态细胞→重组表达载体DNA分子与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子

4.目的基因的检测与鉴定

[例2]在某些深海鱼中发现的抗冻蛋白基因afp对提高农作物的抗寒能力有较好的应用价值。

下图所示是获得转基因莴苣的技术流程,请据图回答下列问题:

(1)获取目的基因的主要途径包括从自然界已有的物种中分离和__人工合成__。

(2)①过程需要的酶有__限制(性核酸内切)酶__、__DNA连接酶__。

(3)重组质粒除了带有抗冻蛋白基因afp以外,还必须含有启动子、终止子和__标记基因__,这样才能构成一个完整的基因表达载体。

(4)如果受体细胞C1是土壤农杆菌,则将目的基因导入它的目的是利用农杆菌的__转化作用__,使目的基因进入受体细胞C2,并将其插入到受体细胞C2中的__染色体__上,使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达,形成转基因莴苣。

经②过程获得的转基因莴苣中的目的基因是否表达,在分子水平上可用__抗原—抗体杂交__法进行检测,如果出现杂交带,说明目的基因已经表达蛋白质产品,转基因莴苣培育成功。

解析 

(1)获取目的基因的主要途径有从自然界已有的物种中分离和人工合成。

(2)①过程为基因表达载体的构建过程,需要用到限制性核酸内切酶和DNA连接酶。

(3)一个完整的基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因。

(4)农杆菌转化法利用的是农杆菌的转化作用,将目的基因整合到受体细胞的染色体DNA上,进而使目的基因能够稳定遗传和表达。

检测目的基因是否成功表达可采用抗原—抗体杂交法。

[例1](2016·全国卷Ⅰ)某一质粒载体如图所示,外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。

有人将此质粒载体用BamHⅠ酶切后,与用BamHⅠ酶切获得的目的基因混合,加入DNA连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌。

结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。

被转化的大肠杆菌有三种,分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。

回答下列问题:

(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有①______________________(答出两点即可),而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。

(2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆菌细胞中,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是②________________________________;并且③__________________和④______________________________的细胞也是不能区分的,其原因是⑤__________________________________。

在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还需使用含有⑥__________的固体培养基。

(3)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其DNA复制所需的原料来自于⑦__________。

[答题送检]来自阅卷名师报告

错误

致错原因

扣分

(1)

考生知识识记不全或语言表达不清

-2

(2)

③④⑤空考生忽略了题中的关键词“含有氨苄青霉素”

-7

考生没有理解培养基对质粒的筛选原理

-2

(3)

考生出现知识迁移障碍

-2

[解析]

(1)质粒作为载体应具备的基本条件有:

能自我复制、具有标记基因、含有一至多个限制酶切割位点等。

(2)由题意可知,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞中均不含有氨苄青霉素抗性基因,所以在含有氨苄青霉素的培养基上均不能生长。

质粒载体上含有氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因,插入了目的基因的重组质粒中仅含有氨苄青霉素抗性基因,所以含有质粒载体和含有插入了目的基因的重组质粒的细胞均能在含有氨苄青霉素的培养基上生长,但前者可以在含有四环素的培养基上生长而后者不能,所以可用含有四环素的培养基筛选出含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落。

(3)噬菌体属于病毒,增殖过程中所需的原料、酶等均来自于受体细胞。

[规范答题](除注明外,每空2分)

(1)能自我复制、具有标记基因

(2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了目的基因的重组质粒(或答含有重组质粒) 二者均含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均能生长(3分) 四环素

(3)受体细胞

1.绞股蓝细胞中含有抗烟草花叶病毒(TMV)基因,可以合成一种抗TMV蛋白,叶片对TMV具有抗感染性。

烟草是重要的经济作物,由于TMV的感染会导致大幅度减产。

研究人员利用转基因技术培育出了抗TMV的烟草,主要流程如图所示。

(1)科学家首先从绞股蓝细胞中提取抗TMV基因转录的RNA,然后合成目的基因。

图中过程①表示__逆转录__,获得的DNA必须在两侧添加__启动子__和__终止子__。

(2)过程③构建重组Ti质粒时,必须使用__限制酶__和__DNA连接酶__两种工具酶。

(3)由图分析,在过程③构建的重组Ti质粒上应该含有卡那霉素抗性基因作为__标记基因__,重组Ti质粒导入烟草体细胞的方法是__农杆菌转化法__。

(4)在过程⑤培养基中,除含有卡那霉素及植物必需的各种营养成分外,还必须添加__植物激素(或生长素和细胞分裂素)__,以保证受体细胞能培养成再生植株。

(5)过程⑥可采取__抗原—抗体杂交__的方法,检测植株是否合成了抗TMV蛋白。

在个体水平的鉴定过程中,可通过__接种烟草花叶病毒__的方法来确定植株是否具有抗性。

考点二 基因工程的应用成果和蛋白质工程

一、基因工程的应用

1.植物基因工程:

主要用于提高农作物的__抗逆能力__,以及改良__农作物的品质__和利用植物__生产药物__等方面。

2.动物基因工程:

主要应用于动物品种改良、建立__生物反应器__、__器官移植__等方面。

3.基因工程药物:

来源于转基因的__工程菌__。

4.基因治疗:

把__正常基因__导入病人体内,使该基因的__表达产物__发挥功能。

二、蛋白质工程

1.崛起缘由:

天然蛋白质__不一定完全符合__人类生产和生活的需要。

2.目标:

根据人们对蛋白质功能的特定需求,对__蛋白质的结构__进行分子设计。

3.操作手段:

基因修饰或基因合成。

4.设计流程:

预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→推测应有的__氨基酸__序列→找到对应的__脱氧核苷酸__序列(基因)。

三、PCR技术

1.条件

DNA母链:

PCR模板

2.过程

 

1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。

(1)我国的转基因抗虫棉转入的抗虫基因是Bt毒蛋白基因。

( √ )

(2)利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,如人的血清白蛋白,这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中。

( × )

(3)由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用。

( × )

(4)为培育抗除草剂的作物新品种,导入抗除草剂基因时只能以受精卵为受体。

( × )

(5)基因工程药物主要来源于转基因动物生产。

( × )

(6)基因治疗是把正常基因导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的。

( √ )

(7)蛋白质工程可按照人类意愿生产出自然界中不存在的蛋白质。

( √ )

(8)人类主要通过直接改造蛋白质的结构来生产新的蛋白质。

( × )

2.在基因工程技术中,需要用氯化钙处理的步骤是( C )

A.目的基因的提取

B.目的基因与载体结合

C.将目的基因导入受体细胞

D.目的基因的检测与表达

3.蛋白质工程与基因工程相比,其突出特点是( B )

A.基因工程原则上能生产任何蛋白质

B.蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质

C.蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现

D.蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第三代基因工程

解析 基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,A项错误;蛋白质工程通过对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求,B项正确;蛋白质是通过转录和翻译形成的,蛋白质工程必须通过转录和翻译来实现,C项错误;蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程,D项错误。

一 基因工程的应用及蛋白质工程

1.乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较

(1)概念

①乳腺生物反应器是指导入外源基因在哺乳动物的乳腺中特异性表达,利用动物的乳腺组织生产药物蛋白。

②工程菌是指用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。

(2)两者的区别

比较项目

乳腺生物反应器

工程菌

基因结构

动物基因的结构与人类基因的结构基本相同

细菌或酵母菌等生物基因的结构与人类基因的结构有较大差异

基因表达

合成的药物蛋白与天然蛋白质相同

细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器,产生的药物蛋白可能没有活性

受体细胞

动物的受精卵

微生物细胞

导入目的基因的方式

显微注射法

感受态细胞法

生产条件

不需严格灭菌,温度等外界条件对其影响不大

需严格灭菌,严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件

药物提取

从动物乳汁中提取

从微生物细胞中提取

生产设备

畜牧业生产,加提取设备

工业生产,设备精良

2.基因治疗与基因诊断

原理

操作过程

进展

基因治疗

基因表达

利用正常基因导入有基因缺陷的细胞中,以表达出正常性状来治疗

临床实验

基因诊断

碱基互补配对

制作特定DNA探针与病人样品DNA混合分析杂交带情况

临床应用

3.蛋白质工程与基因工程

项目

蛋白质工程

基因工程

过程

预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列

获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定

实质

定向改造或生产人类所需的蛋白质

定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需的生物类型或生物产品

结果

可生产自然界没有的蛋白质

只能生产自然界已有的蛋白质

有关基因工程应用的4个易错点

(1)动物基因工程主要是为了改善畜产品的品质,而不是为了产生体型巨大的个体。

(2)Bt毒蛋白基因控制合成的Bt毒蛋白并无毒性,进入昆虫消化道被分解成多肽后产生毒性。

(3)青霉素是青霉菌产生的,不是通过基因工程产生的。

(4)并非所有个体都可作为乳腺生物反应器。

操作成功的应该是雌性个体,个体本身的繁殖速度较快,泌乳量、蛋白含量等都是应该考虑的因素。

[例1]科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造,生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体,用于癌症治疗。

如图表示鼠—人嵌合抗体的形成过程,据图回答:

(1)改造鼠源杂交瘤抗体,生产鼠—人嵌合抗体,属于__蛋白质工程__(填生物工程)的范畴。

(2)图示过程是根据预期的__嵌合抗体功能__,设计__嵌合抗体的结构__,最终必须对__基因__进行操作,此操作中改变的是__碱基对__。

(3)经过改造的鼠—人嵌合抗体,与鼠源杂交瘤抗体相比较,突出的优点是__对人体的不良反应减小__(从免疫角度考虑)。

(4)上述过程中对科学家来说难度最大的是__设计嵌合抗体的空间结构__。

解析 

(1)通过图示可知,鼠—人嵌合抗体是通过人工设计而形成的特定功能的蛋白质,其生产过程应属于蛋白质工程的范畴。

(2)蛋白质工程的流程:

预期蛋白质的功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。

(3)从免疫的角度考虑,对人体来说鼠源抗体为抗原,若利用人的抗体与之嵌合,则排斥作用会减轻,对人体的负作用会减小。

(4)由于蛋白质空间结构比较复杂,不易确定,所以成为蛋白质工程中最大的障碍。

二 PCR技术的基本操作和应用

1.PCR反应的原理——DNA双链复制

2.PCR反应的过程

(1)变性:

当温度上升到90℃以上时,双链DNA解聚为单链,如下图:

(2)复性:

温度下降到50℃左右,两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合,如下图:

(3)延伸:

温度上升到72℃左右,溶液中的四种脱氧核苷酸在DNA聚合酶的作用下,根据碱基互补配对原则合成新的DNA链,如图:

(4)PCR技术的注意事项:

PCR是通过控制温度实现的,需要在PCR仪中进行,PCR扩增的DNA片段是由两种引物决定的。

细胞内DNA复制与PCR技术的比较

细胞内DNA复制

PCR

解旋

在解旋酶作用下,边解旋边复制

90℃以上高温解旋,双链完全分开

DNA解旋酶、DNA聚合酶

TaqDNA聚合酶

引物

RNA

DNA或RNA

温度

体内温和条件

高温

①需提供DNA复制的模板;

②四种脱氧核苷酸为原料;

③子链延伸的方向都是从5′端到3′端

[例2](2017·江苏卷)金属硫蛋白(MT)是一类广泛存在的金属结合蛋白,某研究小组计划通过多聚酶链式反应(PCR)扩增获得目的基因,构建转基因工程菌,用于重金属废水的净化处理。

PCR扩增过程示意图如下,请回答下列问题:

(1)从高表达MT蛋白的生物组织中提取mRNA,通过__逆转录__获得__cDNA__用于PCR扩增。

(2)设计一对与MT基因两端序列互补配对的引物(引物1和引物2),为方便构建重组质粒,在引物中需要增加适当的__限制性核酸内切酶__位点。

设计引物时需要避免引物之间形成__碱基互补配对__,而造成引物自连。

(3)图中步骤1代表__变性__,步骤2代表退火,步骤3代表延伸,这三个步骤组成一轮循环。

(4)PCR扩增时,退火温度的设定是成败的关键。

退火温度过高会破坏__引物与模板__的碱基配对。

退火温度的设定与引物长度、碱基组成有关,长度相同但__GC含量高__的引物需要设定更高的退火温度。

(5)如果PCR反应得不到任何扩增产物,则可以采取的改进措施有__②③__(填序号:

①升高退火温度 ②降低退火温度

③重新设计引物)。

解析 

(1)PCR技术可在体外对DNA进行扩增,模板可以是mRNA经过逆转录获得的cDNA。

(2)设计一对与MT基因两端序列互补配对的引物(引物1和引物2)时,需在引物中增加适当的限制性核酸内切酶的识

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