高考生物基因工程和蛋白质工程.docx

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高考生物基因工程和蛋白质工程

基因工程和蛋白质工程

　　　　　　　　　　　　　　　章节概述

　　基因工程是生物工程的核心技术，是当前生命科学研究的热点和前沿，因而各地高考命题均以此作为命题重点，常以材料分析题、选择题等形式出现。

从其地位来看，继续作为命题热点的可能性不会改变。

　　蛋白质工程主要是工业生产和基础理论研究的需要，而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构极其复杂的生物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图，分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段。

目标认知

学习目标

　　1．简述基因工程的原理及技术、举例说明基因工程的应用。

　　2．关注基因工程的发展，认同基因工程的应用促进生产力的提高。

　　3．尝试运用基因工程原理，提出解决某一实际问题的方案。

重点

　　1．DNA重组技术所需的三种基本工具的作用。

　　2．基因工程基本操作程序的四个步骤。

　　3．蛋白质工程的原理。

难点

　　1．基因工程载体需要的条件。

　　2．从基因文库中获取目的基因。

　　3．利用PCR技术扩增目的基因。

知识精讲

重点知识讲解

限制性核酸内切酶

　　在生物体内有一类酶，它们能将外来的DNA切断，但对自己的DNA没有损害作用。

由于这种切割作用实在DNA分子内部进行的，故名限制性内切酶，简称限制酶。

限制酶是基因工程中重要的切割工具，科学家已经从原核生物中分离出了许多种限制酶并且已经商品化，在基因工程中广泛使用。

　　根据限制酶切割的特点，可将它们分为两大类：

一类是切割部位没有特异性；另一类是可以特异性的识别核苷酸序列，即只能在一定的DNA序列上进行切割。

限制酶在特定切割部位进行切割时，按照切割的方式，又可以分为错位切和平切两种。

错位切一般是在两条链的不同部位切割，中间相隔几个核苷酸，切下后的两端形成一种回文式的单链末端，这个末端能与具有互补碱基的目的基因的DNA片段连接，故称为黏性末端。

这种酶在基因工程中应用最多。

另一种是在两条链的特定序列的相同部位切割，形成一个无黏性末端的平口。

如下图所示：

　　限制性核酸内切酶根据其功能可分为一级和二级两大类。

在基因重组方面广泛使用的是二级，一般情况下识别由4~8个碱基构成的特定序列有选择地将其切断。

一级限制性核酸内切酶则跟特定的碱基序列结合，切断位置上不具有特异性。

以典型的二级限制性核酸内切酶EcoRI为例，识别5’-GAATTC-3’这一序列（双链中的另外一条链为3’-CTTAAG-5’）将各链上连接G（鸟嘌呤）和A（腺嘌呤）之间的磷酸二酯键切断生成两个DNA的断片。

如图所示：

基因工程中的运载体

　　在基因操作过程中使用运载体有两个目的：

一是用它作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞中去；二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量的复制（称为克隆）。

现在所用的运载体主要有两类：

一类是细菌细胞质的质粒，它是一种相对分子质量较小、独立于染色体DNA之外的环状DNA。

质粒能通过细菌间的接合由一个细菌向另一个细菌转移，可以独立复制，也可整合到细菌染色体DNA中，随着染色体DNA的复制而复制。

另一类运载体是噬菌体或某些病毒等。

现在人们还在不断寻找新的运载体，如叶绿体或线粒体DNA等也有可能成为运载体。

质粒的模型如图所示：

　　作为运载体必须具有三个条件：

①在宿主细胞中能保存下来并能大量复制；②有多个限制酶切点，而且每种酶的切点最好只有一个可适于多种限制酶切割的DNA插入；③有一定的标记基因，便于进行筛选。

如大肠杆菌的pBR322质粒携带氨苄青霉素抗性基因和四环素抗性基因，就可以作为筛选的标记基因。

一般来说，天然运载体往往不能满足上述要求，因此需要根据不同的目的和需要，对运载体进行人工改造。

现在所使用的质粒载体几乎都是经过改建的。

蛋白质工程的原理

　　蛋白质工程的目标——是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。

其基本途径是从预期的蛋白质功能出发→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）。

其流程图如下：

知识拓展

基因工程能解决哪些问题

　　传统育种有杂交育种（例子：

水稻杂交）、单倍体育种，多倍体育种（如：

无籽西瓜）、另外还有诱变育种（如：

太空椒）。

但是以上育种的缺点很多，如：

不同物种之间的优良性状不能结合，或者时间长，或者得到的下一代并不是理想的……所以当代很有研究价值的是基因工程。

它可以解决远距离杂家不亲和的问题，因为一样的基因是控制一样的蛋白质。

　　可以培育转基因植物，例如：

把不抗虫的植物通过转基因，合成有毒蛋白，这样就可以抵抗害虫，也就免去了农药的喷洒。

可以培养转基因动物，可以把别的动物的优良性状或者别的生物的优良性状集中到一种动物上，达到理想的效果。

在医药上也有很大的用处，如：

利用转基因，可在大肠杆菌中合成很多的胰岛素，减少了成本增加了数量。

另外还有合成干扰素，乙型肝炎疫苗，还可以利用基因工程来治疗一些因为基因缺损引起的疾病。

基因工程发展的前景还很大，科学家正在极力研究，它可以帮人类解决很多问题，一时是列举不完的。

基因工程有哪些成果

　　基因工程自20世纪70年代兴起之后，经过二十多年的发展历程，取得了惊人的成绩，特别是近十年来，基因工程的发展更是突飞猛进。

基因转移、基因扩增等技术的应用不仅使生命科学的研究发生了前所未有的变化，而且在实际应用领域——医药卫生、农牧业、食品工业、环境保护等方面也展示出美好的应用前景。

基因工程与医药卫生

　　目前，基因工程在医药卫生领域的应用非常广泛，主要包括以下两个方面。

　　1．生产基因工程药品如胰岛素、干扰素和乙肝疫苗等。

基因工程药品是制药工业上的重大突破。

　　2．用于基因诊断与基因治疗基因工程技术还可以直接用于基因的诊断和治疗。

目前用基因诊断方法已

　　　经能够检测出肠道病毒、单纯疱疹病毒等许多种病毒。

基因治疗是把健康的外源基因导入有基因缺

　　　陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。

如恶性肿瘤、艾滋病、心血管疾病，以及糖尿病等，也都可以

　　　被人类征服。

基因工程与农牧业、食品工业

　　基因工程在农牧业生产上的应用主要是培育高产、优质或具有特殊用途的动植物新品种。

基因工程在农业方面的应用主要表现在两个方面。

首先，是通过基因工程技术获得高产、稳产和具有优良品质的农作物。

例如，用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量。

其次，是用基因工程的方法培育出具有各种抗逆性的作物新品种。

自然界中细菌的种类是非常多的，在细菌身上几乎可以找到植物所需要的各种抗性，如抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等。

如果将这些抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。

基因工程在畜牧养殖业上的应用也具有广阔的前景，科学家将某些特定基因与病毒DNA构成重组DNA，然后通过感染或显微注射技术将重组DNA转移到动物受精卵中。

由这种受精卵发育成的动物可以获得人们所需要的各种优良品质，如具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量的皮毛等。

　　基因工程还可以为人类开辟新的食物来源。

基因工程与环境保护

　　基因工程的方法可以用于环境监测基因工程还可以用于被污染环境的净化。

造成环境污染的农药，并试图通过基因工程的方法回收和利用工业废物。

凡此种种，都是一些可望取得成功和发展前景十分光明的研究课题。

经典例题透析

1．（2010全国卷二）下列叙述符合基因工程概念的是

　　A．B淋巴细胞与肿瘤细胞融合，杂交瘤细胞中含有B淋巴细胞中的抗体基因

　　B．将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株

　　C．用紫外线照射青霉菌，使其DNA发生改变，通过筛选获得青霉素高产菌株

　　D．自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上

　　考点定位：

本题考查基因工程的应用。

　　指点迷津：

A属于细胞工程；C是诱变育种；D不属于基因工程

　　参考答案：

B

2．（2010浙江卷）在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作错误的是

　　A．用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸

　　B．用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体

　　C．将重组DNA分子导入原生质体

　　D．用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞

　　考点定位：

本题考查基因工程的应用。

　　指点迷津：

基因工程四个步骤。

第一步：

目的基因的提取；二，目的基因与运载体结合；三，目的基因导入受体细胞；四，目的基因的检测和表达。

限制酶切割的是目的基因和运载体。

烟草花叶病毒在这里既不是目的基因也不是运载体。

　　参考答案：

A

3．下列关于基因工程应用的叙述，正确的是

　　A．基因治疗就是把缺陷基因诱变成正常基因

　　B．基因诊断的基本原理是DNA分子杂交

　　C．一种基因探针能检测水体中的各种病毒

　　D．原核基因不能用来进行真核生物的遗传改良

　　考点定位：

本题考查基因工程的应用。

　　指点迷津：

基因治疗是把健康的外源基因导入到有缺陷基因的细胞中；一种基因探针能检测相应的某一种特定的病毒；原核基因可以用来进行真核生物的遗传改良，例如用苏云金芽孢杆菌的抗虫基因改良棉花。

　　参考答案：

B

4．镰刀型细胞贫血症的病因是血红蛋白基因的碱基序列发生了改变。

检测这种碱基序列改变必须使用的酶是

　　A．解旋酶　　　B．DNA连接酶　　　C．限制性内切酶　　　D．RNA聚合酶

　　考点定位：

本题考查的知识点是DNA分子杂交原理。

　　指点迷津：

本题考查的知识点是DNA分子杂交原理。

选项B、D可以直接排除。

对于选A可能理解为的：

既然是检测突变的部位，那么很自然想到用该基因的探针，进行碱基互补配对杂交而检测之（相关知识见教材鉴定人猿亲缘关系和基因工程处都有所涉及），但是分子杂交的前提必须是单链DNA，于是很自然想到用解旋酶处理被检测基因。

但是，解开DNA双链结构不一定要用解旋酶，在高温或者用强碱溶液处理也可以得到单链DNA，而且题干上也有“必须使用的酶”的叙述，所以可以排除A选项。

对于C选项的理解：

限制酶只是把原DNA切成很多片段，其中某个片段可能包含突变的目的基因，然后再用化学方法处理成单链，最后再和探针杂交，根据放射性（或荧光）出现部位而检测出突变部位，这种技术其实就是所谓的基因诊断。

如不用限制酶把DNA切割成若干片段，通过其他方法把DNA处理成单链，然后与DNA探针杂交，但是，已经变性成单链的DNA很有可能常温下复性，可能回折重新形成许多双链区，如果恰恰突变部位及其临近区域和该单链其他区域结合成双链，那么必然影响探针与相应部位的结合，也就无法准确检测到突变部位。

本题易错选A，用探针检测DNA，DNA必须解旋，但解旋不一定要用解旋酶，这一点可联系肺炎双球菌的转化实验，高温使DNA解旋。

　　参考答案：

C

5．科学家已经能够通过基因工程的方法，能使番茄果肉细胞中含有人奶蛋白。

以下有关该基因工程的叙述错误的是

　　A．采用反转录的方法得到的目的基因有启动子、终止子

　　B．用同种限制酶处理质粒和含目的基因的DNA，可产生相同的黏性末端而形成重组DNA分子

　　C．番茄的叶肉细胞可作为受体细胞

　　D．启动子对于目的基因在番茄的叶肉细胞中的表达是不可缺少的

　　考点定位：

本题主要考查了基因工程的有关知识。

　　指点迷津：

反转录法获取目的基因时，由于是根据氨基酸的序列推测基因中的碱基序列，因此，合成的基因中并不含有启动子、终止子。

在基因工程中，必须用相同的限制酶处理质粒和目的基因的DNA，这样可产生相同的黏性末端以便能而形成重组DNA分子。

基因工程中，常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、酵母菌和动植物细胞等，因此番茄的叶肉细胞可作为受体细胞。

在基因表达的过程中，启动子对于目的基因在番茄的叶肉细胞中的表达也能起一定的作用，是不可缺少的，它位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出信使RNA，最终获得所需的蛋白质，因此，只有A答案错误。

启动子、终止子不属于结构基因，不能翻译出蛋白质，因此，采用反转录的方法不能得到，但启动子、终止子是基因表达不可缺少的。

　　参考答案：

A

6．有关基因工程的叙述正确的是

　　A．限制酶只在获取目的基因时才用

　　B．重组质粒的形成是在细胞内完成的

　　C．质粒都可以作为运载体

　　D．蛋白质的氨基酸排列顺序可以为合成目的基因提供线索

　　考点定位：

本题主要考查从基因文库中找到所需要的基因。

　　指点迷津：

在基因工程中，不仅要用限制酶切割目的基因，还要用同一种限制酶在质粒上切割出一个切口，使目的基因与质粒切口的黏性末端能进行碱基互补配对，所以A错；重组质粒是在细胞外进行的，所以B错；并不是所有的质粒都可作运载体，在科学研究中，人们通常只是用大肠杆菌的质粒（其上有抗药基因）作运载体，所以C错；在人工合成目的基因的方法中，有一种方法是根据已知蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的mRNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测出它的结构基因的核苷酸序列，最后通过化学方法，以单核苷酸为原料合成目的基因。

基因文库中的基因的来源，有的是从自然界获取的，有的是人工合成的。

　　参考答案：

D

学习成果检测

基础达标

　　1.1993年，我国科学工作者培育成的抗棉铃虫的最新转基因抗虫棉，其抗虫基因来源于

　　A．普通棉花的基因突变　　　　　　　B．棉铃虫变异形成的致死基因

　　C．在棉铃虫体内寄生的线虫基因　　　D．苏云金芽孢杆菌体内的抗虫基因

　　考点定位：

本题主要考查目的基因的获取分析。

　　指点迷津：

1993年，中国农业科学院的科学家成功地将原核生物苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因转入棉植株，培育成了抗棉铃虫的转基因抗虫棉。

目的基因主要来源是原核生物。

　　参考答案：

D

　　2．基因工程中科学家常采用细菌、酵母菌等微生物作为受体细胞，原因是

　　A．结构简单，操作方便

　　B．繁殖速度快

　　C．遗传物质含量少、简单

　　D．性状稳定，变异少

　　考点定位：

本题考查基因工程的受体细胞。

　　指点迷津：

目的基因导入受体细胞后，随着受体细胞的繁殖而复制，由于细菌等微生物繁殖速度非常快。

在很短的时间内就能获得大量的目的基因。

基因工程常用的受体有细菌、真菌、动植物细胞。

解答这类题目的方法应结合受体细胞的特点回答。

　　参考答案：

B

　　3．目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过鉴定和检测才能知道。

　　　下列属于目的基因检测和鉴定的是

　　　①检测受体细胞是否有目的基因②检测受体细胞是否有致病基因③检测目的基因是否转录信使RNA

　　　④检测目的基因是否翻译蛋白质

　　A.①②③　　　B.②③④　　　C.①③④　　　D.①②④

　　考点定位：

本题考查目的基因的检测的相关知识。

　　指点迷津：

目的基因的检测包括：

检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是用DNA探针，使DNA探针与基因组DNA杂交。

检测目的基因是否转录出了信使RNA，方法是用基因探针与信使RNA杂交。

最后检测目的基因是否翻译了蛋白质，方法是进行抗原－抗体杂交。

基因工程中需要进行监测的步骤较多，请同学们利用比较对比的方法进行记忆和运用。

形态检测法：

可根据目标性状的有无来判断目的基因是否表达。

　　参考答案：

C

　　4．（2010江苏）下表中列出了几种限制酶识别序列及其切割位点，图l、图2中箭头表示相关限制酶的酶切位点。

请回答下列问题：

（1）一个图1所示的质粒分子经SmaⅠ切割前后，分别含有__________个游离的磷酸基团。

（2）若对图中质粒进行改造，插入的SmaⅠ酶切位点越多，质粒的热稳定性越________________。

　　（3）用图中的质粒和外源DNA构建重组质粒，不能使用SrnaⅠ切割，原因是________________。

　　（4）与只使用EcoRI相比较，使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA的优点在于可以

　　　防止_________________________。

　　（5）为了获取重组质粒，将切割后的质粒与目的基因片段混合，并加入_________________________酶。

　　（6）重组质粒中抗生素抗性基因的作用是为了_________________________。

　　（7）为了从cDNA文库中分离获取蔗糖转运蛋白基因，将重组质粒导入丧失吸收蔗糖能力的大肠杆菌突变

　　　体，然后在_________________________的培养基中培养，以完成目的基因表达的初步检测。

　　考点定位：

考查基因工程的具体步骤。

　　指点迷津：

质粒被SmaⅠ切割前没有游离的磷酸基团，切割后2个。

因为SmaⅠ切割的是GC之间的磷酸二酯键，插入的位点越多，质粒的热稳定性越高。

SmaI会破坏质粒的抗性基因、外源DNA中的目的基因，所以质粒和外源DNA构建重组质粒，不能使用SrnaⅠ切割。

使用两种酶同时处理质粒可以防止质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化，相比较于只使用EcoRI切割。

DNA连接酶可构建重组质粒。

抗生素抗性基因的作用是为了鉴别和筛选含有目的基因的细胞。

目的基因的检测用选择培养基，这里培养基注意以蔗糖为唯一碳源。

　　参考答案：

（1）0、2

（2）高

　　（3）SmaI会破坏质粒的抗性基因、外源DNA中的目的基因

　　（4）质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化

　　（5）DNA连接

　　（6）鉴别和筛选含有目的基因的细胞

　　（7）蔗糖为唯一含碳营养物质

　　5．（2010天津）下图是培育表达人乳铁蛋白的乳腺生物反应器的技术路线。

图中tetR表示四环素抗性基因，ampR表示氨苄青霉素抗性金银，BamHⅠ、HindⅢ、SmaⅠ直线所示为三种限制酶的酶切位点。

　　据图回答：

（1）图中将人乳蛋白基因插入载体，需用____________限制酶同时酶切载体和人乳铁蛋白基因。

筛选

　　　　含有重组载体的大肠杆菌首先需要在含________的培养基上进行。

（2）能使人乳铁蛋白基因在乳腺细胞中特异性表达的调控序列是________（填字母代号）。

　　　　A．启动子B．tetRC．复制原点D．ampR

　　（3）过程①可采用的操作方法是_______（填字母代号）。

　　　　A．农杆菌转化B．大肠杆菌转化C．显微注射D．细胞融合

　　（4）过程②可采用的生物技术是___________。

　　（5）对早期胚胎进行切割，经过程②可获得多个新个体。

这利用了细胞的_______性。

　　（6）为检测人乳铁蛋白是否成功表达，可采用_______（填字母代号）技术。

　　　　A．核酸分子杂交　　　B．基因序列分析　　　C．抗原—抗体杂交　　　D．PCR

　　考点定位：

本题考查基因工程技术操作过程。

　　指点迷津：

将人乳蛋白基因插入载体，需用HindⅢ和BamHⅠ限制酶同时酶切载体和人乳铁蛋白基因，氨苄青霉素可筛选含重组载体的大肠杆菌。

启动子调控基因特异性表达的程序。

基因表达载体导入动物细胞用显微注射法。

检测目的基因的表达分为三种情况。

检测是否插入目的基因利用DNA分子杂交技术，目的基因DNA一条链与受体细胞提取的DNA杂交，看是否有杂交带。

检测是否转录出了mRNA，利用DNA分子杂交技术，目的基因DNA一条链与受体细胞提取的mRNA杂交，看是否有杂交带。

检测目的基因是否翻译成蛋白质，抗体与蛋白质进行抗原--抗体杂交，看是否有杂交带。

　　参考答案：

（1）HindⅢ和BamHⅠ氨苄青霉素　　　

（2）A　　　　　（3）C

　　（4）胚胎移植技术　　　　　　　　　（5）全能　　　（6）C

　　6．（2010福建）红细胞生成素（EPO）是体内促进红细胞生成的一种糖蛋白，可用于治逆子疗肾衰性贪血等疾病。

由于天然EPO来源极为有限，目前临订、床上使用的红细胞生成素主要来自于基因工程技术生产的重组人红细胞生成素（rhEPO），其简要生产流程如右图。

　　请回答：

（1）图中①所指的是_______________技术。

（2）图中②所指的物质是______________，③所指的物质是_________。

　　（3）培养重组CHO细胞时，为便于清除代谢产物，防止细胞产物积累对细胞自身造成危害，应定其更

　　　　换_______________。

　　（4）检测rhEPO的体个活性需要抗rhEPO的单克隆抗体。

分泌该单克隆抗体的______细胞，可由rhEPO免

　　　　疫过的小鼠B淋巴细胞与小鼠骨髓癌细胞融合而成。

　　考点定位：

考查PCR技术，目的基因，细胞工程综合运用。

　　指点迷津：

核DNA扩增用的是PCR技术。

要反转录为DNA当然是mRNA了。

rhEPO在这里是目的基因。

更换培养液以清除细胞代谢产物。

　　参考答案：

（1）PCR

（2）mRNArhEPO（3）培养液（4）杂交瘤

　　7．转基因抗病香蕉的培育过程如图所示。

质粒上有PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ等四种限制酶切割位点。

请回答：

（1）构建含抗病基因的表达载体A时，应选用限制酶__________，对_______________进行切割。

（2）培养板中的卡那霉素会抑制香蕉愈伤组织细胞的生长，欲利用该培养基筛选已导入抗病基因的香

　　　　蕉细胞，应使基因表达载体A中含有_________________________，作为标记基因。

（3）香蕉组织细胞具有_________________________，因此，可以利用组织培养技术将导入抗病基因的

　　　　香蕉组织细胞培育成植株。

图中①、②依次表示组织培养过程中香蕉组织细胞的____________。

　　考点定位：

本题综合考查基因工程的应用。

　　指点迷津：

基因工程是分子水平上的生物工程；构建基因表达载体时要选用限制酶对DNA进行切割，选出需要的目的基因，由图可知，目的基因是黑色部分，那么应该选择PstⅠ和EcoRⅠ两种限制酶切割后就可以得到目的基因。

为了检测目的基因是否导入受体细胞，通常要在重组质粒上构建标记基因。

　　参考答案：

（1）PstⅠ、EcoRⅠ，含抗病基因的DNA、质粒，

（2）抗卡那霉素基因

　　（3）全能性，脱分化、再分化。

　　8．农业科技工作者在烟草中找到了一抗病基因，现拟采用基因工程技术将该基因转入棉花，培育抗病棉花品系。

请回答下列问题。

（1）要获得该抗病基因，可采用_____________、_______________等方法。

为了能把该抗病基因转入

　　　　到棉花细胞中，常用的载体是______________________。

（2）要使载体与该抗病基因连接，首先应使用__________________进行切割。

假如载体被切割后，得

　　　　到的分子末端序列为

，则能与该载体连接的抗病基因分子末端是____________

　　（3）切割完成后，采用_______酶将载体与该抗病基因连接，连接后得到的DNA分子称为__________。

　　（4）再将连接得到的DNA分子导入农杆菌，然后用该杆菌去____________棉花细胞，利用植物细胞具有

　　　　的_______________性进行组织培养