淺談浙江高考對“細胞同步化”相關知識的考查

浙江

“細胞同步化”是指利用某種方法使細胞群中處于細胞周期不同時相的細胞停留在同一時相，以獲取形態、生理狀態等一致的細胞群，用于研究細胞的生長和代謝，尤其是處于細胞周期不同階段的細胞的生化特征。浙科版生物學教材回避了“細胞同步化”的相關概念，但“細胞同步化”在生物學研究中是一項非常基礎而重要的實驗技術，十分受重視，與其相關聯的知識在浙科版生物學教材中的章節跨度極大，是考查學生學科核心素養的良好素材。因此，浙江高考對“細胞同步化”的相關考查頻繁出現，常考常新，一線教師和考生很有必要對相關內容進行細致梳理，以利于復習備考。

一、“細胞同步化”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的胡蘿卜根尖細胞的細胞周期各階段時間。

表1

下列敘述正確的是 （ ）

A.G1期的細胞中主要進行有關蛋白質的合成及核糖體的增生

B.用含DNA 合成抑制劑的培養液培養1.3 h 后，細胞都被阻斷在S 期

C.G2期的細胞中每個染色體含2 條并列的染色單體，導致染色體數目加倍

D.胡蘿卜各組織細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期細胞主要進行有關蛋白質、RNA 的合成及核糖體的增生，A 項正確；用含DNA 合成抑制劑的培養液培養1.3 h 后，S 期細胞停止分裂，G1期細胞被阻斷于G1/S 交界處，G2期細胞和M 期細胞仍處于正常的細胞周期，B 項錯誤；G2期DNA 已復制完成，但染色體的著絲粒未分裂，染色體數目不變，C 項錯誤；不同細胞的細胞周期、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胞的運轉，最終將細胞群阻斷在S 期或 G1/S 交界處的方法。與高中知識關聯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）將細胞置于含過量TdR 的培養液中培養相當于G2+M+G1期的時間或稍長（不能過長，過長會導致細胞死亡）時間，此時，原處于S 期的細胞被阻斷于S 期的原始狀態，原處于G2期、M 期和G1期的細胞被阻斷于G1/S交界處。

（2）洗脫TdR，正常培養長于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 期的細胞通過S 期，而又不使S 期末期細胞進入下一個S 期。

（3）再次加入過量的TdR 培養相當于G2+M+G1期的時間，此時培養液中所有細胞被阻斷于G1/S 交界處，實現細胞同步化。

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

圖1 TdR 雙阻斷法示意圖

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

【例2】（原創）細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 是甲物種細胞周期各時期的時間，若在培養液中加入過量3H標記的胸苷（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 的結合發揮作用

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 的培養液培養10 小時后，約有7/22 的細胞被阻斷在S 期

【解析】過量3H 標記的胸苷（3H-TdR）通過阻礙DNA 的復制發揮作用，A 項錯誤；應選擇M 期在細胞周期中占比較大的物種細胞作為觀察有絲分裂染色體行為的材料，依據題意，無法得知乙物種M 期在其細胞周期中的占比，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；依據前文關于TdR 雙阻斷方法的論述，可知全部細胞被抑制在G1/S 的交界處至少需要37 小時，C 項錯誤；據題圖可知，細胞周期為22 小時，其中S 期7 小時，因此S 期細胞約占細胞總數的7/22，用含過量胸苷（3H-TdR）的培養液培養，處于S 期的細胞被立即阻斷，處于其他各期的細胞繼續分裂，10 小時后，約有7/22 的細胞被阻斷在S 期，其余細胞被阻斷在G1期和G1/S 的交界處。。

【答案】D

2.營養限制法

【例3】（2017 年11 月，浙江選考，第33 題節選）為了研究海拉細胞的細胞增殖，以總細胞數和細胞分裂指數（細胞群體中分裂細胞所占的百分比）為測定指標，完善實驗思路，預測實驗結果并進行分析與討論（要求：細胞培養至培養液中營養物質不足。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期細胞，可采用的方法是______，原因是____________________________________。

【解析】G1期細胞需要大量的氨基酸、核苷酸等物質作為原料進行有關蛋白質和RNA 的合成，此時減少細胞培養液中的原料物質，細胞會由于蛋白質和RNA 等的合成受阻而停滯于G1期。

【答案】（3）②減少培養液中的營養物質成分由于原料缺少使細胞合成有關物質如RNA 和蛋白質等受阻，而停滯于G1期

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

（1）血清饑餓法

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

（2）氨基酸饑餓法

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

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

必須要指出的是，有人依據以上內容認為：營養限制法可同時得到G0期和G1期細胞，因此例3 所給答案與題干要求不符，需要修正。事實上，仔細審題可以發現，例3 題干只是要求得到大量的G1期細胞，并不是要求得到的細胞全部為G1期細胞，所以答案是合理準確的。

二、“細胞同步化”考查的統計分析

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“細胞同步化”的考查做了較為細致的統計，發現其中有7 份試題考到了相關內容，占比為41.2%，具體結果如表2：

表2

從統計結果來看，“細胞同步化”在浙江高考中出現的頻率極高，仔細分析歷年真題考查的內容和形式，可以發現此知識點的考查具以下特點和趨勢：

首先，在內容上：從對“細胞同步化”方法的原理框架考查逐步過渡到對技術細節的考查，例如2011 年考查了實驗采用3H-TdR 的原因，2013 年考查了蛋白質抑制劑對G1期和S 期細胞的影響，均是對細胞周期影響因素的生物學原理的考查，解答這類問題時不必分析具體的細胞同步化過程和技術細節，只要聯系高中生物的相關知識即可順利作答。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”的具體技術過程，厘清關鍵時間點細胞所處的狀態，否則解答就無法完成。隨著這種考查內容的轉變，在能力要求上也實現了從靜態知識再現到對動態過程分析的提升。

其次，在考查形式上：從單點考查逐步過渡到綜合應用。早期浙江高考一般只考查“DNA 合成阻斷法”或“營養限制法”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過的“細胞同步化”的各種方法（見例4），對此熱點內容的考查做了極大的綜合。

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

A.用缺乏營養物質的培養液培養，會使M 期細胞減少

B.用蛋白質合成抑制劑處理，不影響G1期細胞進入S 期

C.用促進細胞分裂的試劑處理，G2期細胞中染色體數目增加

D.用僅含適量3H 標記的胸腺嘧啶脫氧核苷的培養液培養，S 期細胞的數量增加

【解析】G1期進行蛋白質和RNA 合成，“蛋白質合成抑制劑”或培養液缺乏營養物質都會影響蛋白質的合成，從而使細胞增殖停留在G1期，導致G1期細胞數量增多，其他各期細胞數量減少，A 項正確、B 項錯誤；“用促進細胞分裂的試劑處理”會促進G2期細胞進入M 期，不會導致G2期細胞中染色體數目增加，C 項錯誤；“3H 標記的胸腺嘧啶脫氧核苷”是DNA 分子復制所需原料，“適量”不影響細胞增殖，D 項錯誤。

【答案】A

三、教學啟示

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、考查內容具有較強的一致性和連貫性，同一考點內容的試題會變換考查形式和考查角度持續出現。對于“細胞同步化”技術的考查，由于浙科版教材回避了相關概念，因此通常以考查“細胞周期影響因素”的形式出現，且考查角度不斷變換、創新，如2011 年考查3H-TdR 在細胞周期中的作用機理，2014 年考查3H-TdR 在細胞周期中的作用時間，2020 年考查3H-TdR 的“量”對細胞周期作用的影響。因此，師生在備考復習時，需加強對歷年真題的歸類總結，對一些高頻考點相關內容進行專題復習以提高復習的針對性和有效性。

2.在復習備考過程中首先對保證對高考真題的分析應細致嚴謹，要特別注意試題文字敘述上的“限定詞”，如“適量”“過量”“一定”“可能”等，如3H 標記的胸苷（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，影響細胞周期，教學分析時一定要強調這一點，否則極易引起誤解。其次，對高考真題的分析不應就題論題，浮于表面，而是應多研究試題及其答案背后包含的真正的生物學事實或過程，避免學生對某些內容的認知出現偏差或錯誤。筆者在和一線教師的交流中發現，不少教師由于沒有“營養限制性培養”的相關知識儲備，也沒有進行認真查證，僅依據例3 答案，認為“營養限制性培養只能得到G1期細胞”，并以此進行教學，這是非常不負責任的。

3.多數情況，高考對某一內容的考查會逐步綜合、深入，因此，專題復習中應注意聯系歷年真題，對教學內容做相應拓展，拓展的程度應以高中知識可鏈接、可推理為限，不應任意擴大，以防加重學生學習負擔。

值得指出的是，像例2 一樣，通過原創或改編將“細胞同步化”相關內容轉化為習題進行變式訓練不失為一種綜合、拓展、深化相關知識的有效方法，這種方法非常靈活，能很好地控制知識的深度和廣度。