淺談?wù)憬呖紝Α凹?xì)胞同步化”相關(guān)知識的考查

浙江

“細(xì)胞同步化”是指利用某種方法使細(xì)胞群中處于細(xì)胞周期不同時相的細(xì)胞停留在同一時相，以獲取形態(tài)、生理狀態(tài)等一致的細(xì)胞群，用于研究細(xì)胞的生長和代謝，尤其是處于細(xì)胞周期不同階段的細(xì)胞的生化特征。浙科版生物學(xué)教材回避了“細(xì)胞同步化”的相關(guān)概念，但“細(xì)胞同步化”在生物學(xué)研究中是一項非?；A(chǔ)而重要的實驗技術(shù)，十分受重視，與其相關(guān)聯(lián)的知識在浙科版生物學(xué)教材中的章節(jié)跨度極大，是考查學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的良好素材。因此，浙江高考對“細(xì)胞同步化”的相關(guān)考查頻繁出現(xiàn)，?？汲Ｐ?，一線教師和考生很有必要對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)致梳理，以利于復(fù)習(xí)備考。

一、“細(xì)胞同步化”的方法

1.DNA 合成阻斷法

【例1】（2018 年4 月，浙江選考，第21 題）表1 為實驗測得離體培養(yǎng)的胡蘿卜根尖細(xì)胞的細(xì)胞周期各階段時間。

表1

下列敘述正確的是 （ ）

A.G1期的細(xì)胞中主要進(jìn)行有關(guān)蛋白質(zhì)的合成及核糖體的增生

B.用含DNA 合成抑制劑的培養(yǎng)液培養(yǎng)1.3 h 后，細(xì)胞都被阻斷在S 期

C.G2期的細(xì)胞中每個染色體含2 條并列的染色單體，導(dǎo)致染色體數(shù)目加倍

D.胡蘿卜各組織細(xì)胞周期時間長短相同，但G1、S、G2和M 期的時間長短不同

【解析】G1期細(xì)胞主要進(jìn)行有關(guān)蛋白質(zhì)、RNA 的合成及核糖體的增生，A 項正確；用含DNA 合成抑制劑的培養(yǎng)液培養(yǎng)1.3 h 后，S 期細(xì)胞停止分裂，G1期細(xì)胞被阻斷于G1/S 交界處，G2期細(xì)胞和M 期細(xì)胞仍處于正常的細(xì)胞周期，B 項錯誤；G2期DNA 已復(fù)制完成，但染色體的著絲粒未分裂，染色體數(shù)目不變，C 項錯誤；不同細(xì)胞的細(xì)胞周期、G1期、S 期、G2期和M 期的時間長短均有所不同，D 項錯誤。

【答案】A

【知識延伸】例1 中B 項涉及了DNA 合成阻斷法。DNA 合成阻斷法是指選用DNA 合成抑制劑，可逆地抑制DNA 合成，而不影響其他時期細(xì)胞的運轉(zhuǎn)，最終將細(xì)胞群阻斷在S 期或 G1/S 交界處的方法。與高中知識關(guān)聯(lián)較大的是胸腺嘧啶核苷（TdR）雙阻斷法，該方法利用了過量TdR 能阻礙DNA 合成的原理，具體過程如下：

（1）將細(xì)胞置于含過量TdR 的培養(yǎng)液中培養(yǎng)相當(dāng)于G2+M+G1期的時間或稍長（不能過長，過長會導(dǎo)致細(xì)胞死亡）時間，此時，原處于S 期的細(xì)胞被阻斷于S 期的原始狀態(tài)，原處于G2期、M 期和G1期的細(xì)胞被阻斷于G1/S交界處。

（2）洗脫TdR，正常培養(yǎng)長于S 期且短于G2+M+G1期的時間，這樣能使所有位于G1/S 交界處和S 期的細(xì)胞通過S 期，而又不使S 期末期細(xì)胞進(jìn)入下一個S 期。

（3）再次加入過量的TdR 培養(yǎng)相當(dāng)于G2+M+G1期的時間，此時培養(yǎng)液中所有細(xì)胞被阻斷于G1/S 交界處，實現(xiàn)細(xì)胞同步化。

胸腺嘧啶核苷（TdR）雙阻斷法使細(xì)胞同步化的過程可用圖1 表示，圖1 中黑點表示細(xì)胞。

圖1 TdR 雙阻斷法示意圖

TdR 雙阻斷法目前被廣泛采用，其優(yōu)點是同步化效率高，幾乎適合于所有體外培養(yǎng)的細(xì)胞體系，其缺點是過量TdR 對細(xì)胞有毒性，會影響細(xì)胞的生理生化過程。

【例2】（原創(chuàng)）細(xì)胞周期可分為分裂間期和分裂期，分裂間期包括G1期、S 期和G2期，分裂期即M 期。圖2 是甲物種細(xì)胞周期各時期的時間，若在培養(yǎng)液中加入過量3H標(biāo)記的胸苷（3H-TdR），下列說法正確的是 （ ）

圖2

A.過量3H-TdR 通過阻礙核糖體與mRNA 的結(jié)合發(fā)揮作用

B.若乙物種M 期為2 小時，則乙比甲更適合作為觀察有絲分裂染色體行為的材料

C.全部細(xì)胞被抑制在G1期和S 期的交界處約需15 小時

D.用含過量3H-TdR 的培養(yǎng)液培養(yǎng)10 小時后，約有7/22 的細(xì)胞被阻斷在S 期

【解析】過量3H 標(biāo)記的胸苷（3H-TdR）通過阻礙DNA 的復(fù)制發(fā)揮作用，A 項錯誤；應(yīng)選擇M 期在細(xì)胞周期中占比較大的物種細(xì)胞作為觀察有絲分裂染色體行為的材料，依據(jù)題意，無法得知乙物種M 期在其細(xì)胞周期中的占比，因此無法判斷乙物種是否更適合作為觀察有絲分裂染色體行為的材料，B 項錯誤；依據(jù)前文關(guān)于TdR 雙阻斷方法的論述，可知全部細(xì)胞被抑制在G1/S 的交界處至少需要37 小時，C 項錯誤；據(jù)題圖可知，細(xì)胞周期為22 小時，其中S 期7 小時，因此S 期細(xì)胞約占細(xì)胞總數(shù)的7/22，用含過量胸苷（3H-TdR）的培養(yǎng)液培養(yǎng)，處于S 期的細(xì)胞被立即阻斷，處于其他各期的細(xì)胞繼續(xù)分裂，10 小時后，約有7/22 的細(xì)胞被阻斷在S 期，其余細(xì)胞被阻斷在G1期和G1/S 的交界處。。

【答案】D

2.營養(yǎng)限制法

【例3】（2017 年11 月，浙江選考，第33 題節(jié)選）為了研究海拉細(xì)胞的細(xì)胞增殖，以總細(xì)胞數(shù)和細(xì)胞分裂指數(shù)（細(xì)胞群體中分裂細(xì)胞所占的百分比）為測定指標(biāo)，完善實驗思路，預(yù)測實驗結(jié)果并進(jìn)行分析與討論（要求：細(xì)胞培養(yǎng)至培養(yǎng)液中營養(yǎng)物質(zhì)不足。實驗思路涉及的主要用具須寫出，但具體操作過程不做要求。實驗條件適宜）

回答下列問題

（3）分析與討論

②若要得到大量的G1期細(xì)胞，可采用的方法是______，原因是____________________________________。

【解析】G1期細(xì)胞需要大量的氨基酸、核苷酸等物質(zhì)作為原料進(jìn)行有關(guān)蛋白質(zhì)和RNA 的合成，此時減少細(xì)胞培養(yǎng)液中的原料物質(zhì)，細(xì)胞會由于蛋白質(zhì)和RNA 等的合成受阻而停滯于G1期。

【答案】（3）②減少培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)成分由于原料缺少使細(xì)胞合成有關(guān)物質(zhì)如RNA 和蛋白質(zhì)等受阻，而停滯于G1期

【知識延伸】例3 中涉及了營養(yǎng)限制法。營養(yǎng)限制法是指在細(xì)胞全營養(yǎng)培養(yǎng)液中降低或剝奪某種營養(yǎng)物質(zhì)，從而使細(xì)胞分裂暫停在某一時期的細(xì)胞同步化方法，其中常用的方法有血清饑餓法和氨基酸饑餓法。利用營養(yǎng)限制法進(jìn)行細(xì)胞同步化培養(yǎng)是克隆羊“多莉”培育過程中的重要環(huán)節(jié)（詳見浙科版教材選修3第36頁圖2-12“綿羊‘多莉’克隆過程”），因此相關(guān)內(nèi)容也成為了浙江高考的特色與熱點。

（1）血清饑餓法

通過將培養(yǎng)液中血清濃度降低到一定限度 （0.5%～1%），使細(xì)胞僅能存活而不能分裂，可以獲得大量處于G0期或G1期的細(xì)胞（G0期細(xì)胞，也稱靜止期細(xì)胞，通常由G1期細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來，G0期細(xì)胞暫停分裂，受到某些刺激時會重新開始分裂），獲得的細(xì)胞中處于G0期細(xì)胞與處于G1期細(xì)胞的比例與血清饑餓的時間相關(guān)。

（2）氨基酸饑餓法

通過剝奪全營養(yǎng)培養(yǎng)液中的異亮氨酸或精氨酸可將細(xì)胞阻斷在G0期或G1期，其原理和血清饑餓法基本相同。

營養(yǎng)限制法的優(yōu)點是不影響細(xì)胞的生理生化過程，但某些細(xì)胞由于對營養(yǎng)限制不敏感，細(xì)胞同步化效果不佳。

必須要指出的是，有人依據(jù)以上內(nèi)容認(rèn)為：營養(yǎng)限制法可同時得到G0期和G1期細(xì)胞，因此例3 所給答案與題干要求不符，需要修正。事實上，仔細(xì)審題可以發(fā)現(xiàn)，例3 題干只是要求得到大量的G1期細(xì)胞，并不是要求得到的細(xì)胞全部為G1期細(xì)胞，所以答案是合理準(zhǔn)確的。

二、“細(xì)胞同步化”考查的統(tǒng)計分析

浙江高考自2009 年自主命題以來共有17 套真題，筆者對這些真題中有關(guān)“細(xì)胞同步化”的考查做了較為細(xì)致的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其中有7 份試題考到了相關(guān)內(nèi)容，占比為41.2%，具體結(jié)果如表2：

表2

從統(tǒng)計結(jié)果來看，“細(xì)胞同步化”在浙江高考中出現(xiàn)的頻率極高，仔細(xì)分析歷年真題考查的內(nèi)容和形式，可以發(fā)現(xiàn)此知識點的考查具以下特點和趨勢：

首先，在內(nèi)容上：從對“細(xì)胞同步化”方法的原理框架考查逐步過渡到對技術(shù)細(xì)節(jié)的考查，例如2011 年考查了實驗采用3H-TdR 的原因，2013 年考查了蛋白質(zhì)抑制劑對G1期和S 期細(xì)胞的影響，均是對細(xì)胞周期影響因素的生物學(xué)原理的考查，解答這類問題時不必分析具體的細(xì)胞同步化過程和技術(shù)細(xì)節(jié)，只要聯(lián)系高中生物的相關(guān)知識即可順利作答。而2018 年試題考查的是DNA 合成抑制劑使用時間對細(xì)胞周期的具體影響，解答這類問題就必須深入分析“DNA 合成阻斷法”的具體技術(shù)過程，厘清關(guān)鍵時間點細(xì)胞所處的狀態(tài)，否則解答就無法完成。隨著這種考查內(nèi)容的轉(zhuǎn)變，在能力要求上也實現(xiàn)了從靜態(tài)知識再現(xiàn)到對動態(tài)過程分析的提升。

其次，在考查形式上：從單點考查逐步過渡到綜合應(yīng)用。早期浙江高考一般只考查“DNA 合成阻斷法”或“營養(yǎng)限制法”中的一種方法，后逐步綜合，其中2020 年1 月選考第16 題的四個選項分別涉及了歷年真題中出現(xiàn)過的“細(xì)胞同步化”的各種方法（見例4），對此熱點內(nèi)容的考查做了極大的綜合。

【例4】（2020 年1 月，浙江選考，第16 題）下列關(guān)于用不同方法處理與培養(yǎng)小鼠骨髓細(xì)胞的敘述，正確的是 （ ）

A.用缺乏營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)液培養(yǎng)，會使M 期細(xì)胞減少

B.用蛋白質(zhì)合成抑制劑處理，不影響G1期細(xì)胞進(jìn)入S 期

C.用促進(jìn)細(xì)胞分裂的試劑處理，G2期細(xì)胞中染色體數(shù)目增加

D.用僅含適量3H 標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷的培養(yǎng)液培養(yǎng)，S 期細(xì)胞的數(shù)量增加

【解析】G1期進(jìn)行蛋白質(zhì)和RNA 合成，“蛋白質(zhì)合成抑制劑”或培養(yǎng)液缺乏營養(yǎng)物質(zhì)都會影響蛋白質(zhì)的合成，從而使細(xì)胞增殖停留在G1期，導(dǎo)致G1期細(xì)胞數(shù)量增多，其他各期細(xì)胞數(shù)量減少，A 項正確、B 項錯誤；“用促進(jìn)細(xì)胞分裂的試劑處理”會促進(jìn)G2期細(xì)胞進(jìn)入M 期，不會導(dǎo)致G2期細(xì)胞中染色體數(shù)目增加，C 項錯誤；“3H 標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷”是DNA 分子復(fù)制所需原料，“適量”不影響細(xì)胞增殖，D 項錯誤。

【答案】A

三、教學(xué)啟示

1.浙江生物高考的特點是由浙江省自主命題，命題教師相對固定，歷年命題所采用的背景素材、考查內(nèi)容具有較強的一致性和連貫性，同一考點內(nèi)容的試題會變換考查形式和考查角度持續(xù)出現(xiàn)。對于“細(xì)胞同步化”技術(shù)的考查，由于浙科版教材回避了相關(guān)概念，因此通常以考查“細(xì)胞周期影響因素”的形式出現(xiàn)，且考查角度不斷變換、創(chuàng)新，如2011 年考查3H-TdR 在細(xì)胞周期中的作用機理，2014 年考查3H-TdR 在細(xì)胞周期中的作用時間，2020 年考查3H-TdR 的“量”對細(xì)胞周期作用的影響。因此，師生在備考復(fù)習(xí)時，需加強對歷年真題的歸類總結(jié)，對一些高頻考點相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行專題復(fù)習(xí)以提高復(fù)習(xí)的針對性和有效性。

2.在復(fù)習(xí)備考過程中首先對保證對高考真題的分析應(yīng)細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)，要特別注意試題文字?jǐn)⑹錾系摹跋薅ㄔ~”，如“適量”“過量”“一定”“可能”等，如3H 標(biāo)記的胸苷（3H-TdR），其本身是DNA 合成所需原料，“量”的多少將直接決定著它在細(xì)胞周期中的作用，只有過量時才能抑制S 期DNA 分子的合成，影響細(xì)胞周期，教學(xué)分析時一定要強調(diào)這一點，否則極易引起誤解。其次，對高考真題的分析不應(yīng)就題論題，浮于表面，而是應(yīng)多研究試題及其答案背后包含的真正的生物學(xué)事實或過程，避免學(xué)生對某些內(nèi)容的認(rèn)知出現(xiàn)偏差或錯誤。筆者在和一線教師的交流中發(fā)現(xiàn)，不少教師由于沒有“營養(yǎng)限制性培養(yǎng)”的相關(guān)知識儲備，也沒有進(jìn)行認(rèn)真查證，僅依據(jù)例3 答案，認(rèn)為“營養(yǎng)限制性培養(yǎng)只能得到G1期細(xì)胞”，并以此進(jìn)行教學(xué)，這是非常不負(fù)責(zé)任的。

3.多數(shù)情況，高考對某一內(nèi)容的考查會逐步綜合、深入，因此，專題復(fù)習(xí)中應(yīng)注意聯(lián)系歷年真題，對教學(xué)內(nèi)容做相應(yīng)拓展，拓展的程度應(yīng)以高中知識可鏈接、可推理為限，不應(yīng)任意擴大，以防加重學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

值得指出的是，像例2 一樣，通過原創(chuàng)或改編將“細(xì)胞同步化”相關(guān)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為習(xí)題進(jìn)行變式訓(xùn)練不失為一種綜合、拓展、深化相關(guān)知識的有效方法，這種方法非常靈活，能很好地控制知識的深度和廣度。