同位素标记法与DNA的半保留复制

例1　将不含放射性标记的蚕豆根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养基中完成一个细胞周期，然后在不含放射性标记的培养基中继续至中期，其染色体的放射性标记分布情况是(　　)

A．每条染色体中都只有一条单体被标记

B．每条染色体的两条单体都被标记

C．只有半数的染色体中一条单体被标记

D．每条染色体的两条单体都不被标记

答案　A

解析　不含放射性标记的根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸培养基上完成一个细胞周期后，子细胞中的核DNA分子都是一条链被3H标记，另一条链未被标记；然后子细胞在不含放射性标记的培养基中继续至中期，每个核DNA分子复制形成的两个DNA分子(其中一个被标记，另一个未被标记)分别位于一条染色体的两条姐妹染色单体上，故A正确。

例2　某性原细胞(2n＝16)的DNA全部被32P标记，其在含31P的培养基中进行一次有丝后继续进行减数，下列能正确表示有丝前期(白色柱状图)和减数第一次前期(灰色柱状图)每个细胞中含32P的染色单体和核DNA分子数目的是(　　)

答案　A

解析　运用模型绘图法，将染色体和核DNA分子从细胞中脱离出来，即只绘制染色体和核DNA分子被标记情况，并只以一条染色体上DNA分子的标记情况为例，绘图(图中线条代表核DNA分子中的一条链)如下。

该性原细胞在含31P的培养基中进行有丝时，由于DNA的半保留复制，有丝前期的每条染色体上有两个DNA分子，且DNA分子双链均一条含31P，另一条含32P，故有丝前期含32P的染色单体和核DNA分子数目分别为32和32；有丝产生的子细胞中每个核DNA分子双链均为一条含31P，另一条含32P，子细胞在含31P的培养基中继续进行减数，则减数第一次前期每个细胞中含32P的染色单体和核DNA分子数目分别为16和16。

以一对同源染色体被标记为例

(1)有丝过程图

通过绘图，可以直观地看出：一个细胞经过一次有丝，产生了2个子细胞。每个子细胞和亲代细胞一样都含有相同数目的染色体，并且每个细胞中的每一条染色体上的DNA分子都保留了亲代细胞DNA分子的一条链，体现了DNA分子半保留复制的特点。经过两次有丝产生了4个子细胞，带放射性的若都按第一种情况分配，则共有2个子细胞带放射性；若都按第二种情况分配，则有4个子细胞带放射性；若按两种情况分配，则子细胞有3个子细胞带放射性。

(2)减数过程图

通过绘图，可以直观地看出：一个性原细胞经过减数，产生了4个子细胞。每个子细胞的染色体数目较性原细胞减少了一半，并且每个子细胞中的每条染色体上的DNA分子都保留了性原细胞DNA分子的一条链，即半保留复制，因此4个配子细胞都带放射性。

1．取1个含有1对同源染色体的精原细胞，用15N标记细胞核中的DNA，然后放在含14N的培养基中培养，让其连续进行两次有丝，形成4个细胞，这4个细胞中含15N的细胞个数所占比例不可能是(　　)

A．1      B. 

C.      D. 

答案　D

解析　细胞过程中先进行DNA复制。方式是半保留复制。图示辨析如下：

可以看出，最后形成的4个子细胞有3种情况：第一种情况是4个细胞都是，第二种情况是2个细胞是，1个细胞是，1个细胞是；第三种情况是2个细胞是，另外2个细胞是。

2．将染色体上全部DNA分子双链经32P标记的雄性哺乳动物细胞(染色体数为20)置于不含32P的培养基中培养，细胞只进行一次。下列推断中，正确的是(　　)

A．若完成一次减数，则产生的子细胞中有5对同源染色体，每条都含32P

B．若完成一次有丝，则产生的子细胞中含20条染色体，其中10条含32P

C．若进行减数，则每个减数第二次后期细胞中均含2个Y染色体且都含32P

D．若进行一次有丝，则中期细胞的染色体上共有40个DNA分子且都含32P

答案　D

解析　减数结束，产生的子细胞为生殖细胞，其内含有的10条染色体中不存在同源染色体，A错误；若进行一次有丝结束，则产生的子细胞中含20条染色体，20条染色体都含32P，B错误；若进行减数，则每个减数第二次后期细胞中含2个Y染色体或2个X染色体，且都含32P，C错误；若进行一次有丝，则中期细胞的染色体上共有40个DNA分子，且每个DNA分子中都有一条脱氧核苷酸链含有32P，D正确。

3．(2018·江西四校联考)用32P标记某动物精原细胞的全部核DNA，然后将细胞置于含31P的培养液中培养，使其进行一次有丝或减数(减Ⅰ、减Ⅱ)。下列有关叙述正确的是(　　)

A．有丝前期与减Ⅰ前期细胞中，32P标记的DNA分子数相同、染色体数不同

B．有丝后期与减Ⅰ后期细胞中，32P标记的DNA分子数不同、染色体数不同

C．有丝中期与减Ⅱ中期细胞中，32P标记的DNA分子数不同、染色体数不同

D．有丝后期与减Ⅱ后期细胞中，32P标记的DNA分子数不同、染色体数相同

答案　C

4．(2018·江西九江十校联考)将某精原细胞核中所有DNA分子的两条链都标记上放射性15N，然后放在含14N的培养基上进行培养，成4个子细胞，4个子细胞中含有放射性的情况是(　　)

A．若为有丝则含放射性的子细胞为2个或3个或4个，若为减数则含放射性的子细胞为4个

B．若为有丝则含放射性的子细胞为2个，若为减数则含放射性的子细胞为4个

C．若为有丝则含放射性的子细胞为2个或3个或4个，若为减数则含放射性的子细胞为2个或3个或4个

D．若为有丝则含放射性的子细胞为2个，若为减数则含放射性的子细胞为2个或3个或4个

答案　A

5．(2018·江西南昌二中月考)双链DNA是由两条反向平行的脱氧核苷酸链组成的。早在1966年，日本科学家冈崎提出DNA半不连续复制假说：DNA复制形成互补子链时，一条子链是连续形成的，另一条子链不连续即先形成短链片段(如图1)。为验证这一假说，冈崎进行了如下实验：让T4噬菌体在20 ℃时侵染大肠杆菌70 min后，将同位素3H标记的脱氧核苷酸添加到大肠杆菌的培养基中，在2秒、7秒、15秒、30秒、60秒、120秒后，分离T4噬菌体DNA并通过加热使DNA分子变性、全部解螺旋，再进行密度梯度离心，以DNA单链片段分布位置确定片段大小(分子越小离试管口距离越近)，并检测相应位置DNA单链片段的放射性，结果如图2。请分析回答：

(1)若1个双链DNA片段中有1 000个碱基对，其中胸腺嘧啶350个，该DNA连续复制四次，在第四次复制时需要消耗________个胞嘧啶脱氧核苷酸。

(2)将3H标记的脱氧核苷酸添加到大肠杆菌的培养基中，最终在噬菌体DNA中检测到放射性，其原因是___________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)DNA解旋在细胞中需要解旋酶的催化，在体外通过加热也能实现。解旋酶不能为反应提供能量，但能____________________________。研究表明，在DNA分子加热解链时，DNA分子中G＋C的比例越高，需要解链温度越高的原因是______________________________

________________________________________________________________________。

(4)图2中，与60秒结果相比，120秒结果中短链片段减少的原因是____________________。该实验结果为冈崎假说提供的有力证据是______________________________________

________________________________________________________________________。

答案　(1)5 200　(2)标记的脱氧核苷酸被大肠杆菌吸收，为噬菌体DNA复制提供原料，所以在噬菌体DNA中检测到放射性　(3)降低反应所需要的活化能　在DNA分子中A与T之间有2个氢键，C与G之间有3个氢键，DNA分子中G＋C的比例越高，氢键数越多，DNA结构越稳定　(4)短链片段连接形成长片段　在实验时间内，细胞中均能检测到较多的短链片段

解析　(1)DNA片段中有1 000个碱基对，依据碱基互补配对原则可推知，在该DNA片段中，A＝T＝350(个)，C＝G＝650(个)。该DNA连续复制四次，在第四次复制时需要消耗的胞嘧啶脱氧核苷酸数为24－1×650＝5 200(个)。(2)将3H标记的脱氧核苷酸添加到大肠杆菌的培养基中，因3H标记的脱氧核苷酸被大肠杆菌吸收，为噬菌体DNA复制提供原料，所以最终在噬菌体DNA中能检测到放射性。(3)解旋酶能降低反应所需要的活化能。在每个DNA分子中，碱基对A与T之间有2个氢键，C与G之间有3个氢键，故DNA分子中G＋C的比例越高，含有的氢键数越多，DNA分子结构越稳定，因此在DNA分子加热解链时，DNA分子中G＋C的比例越高，需要解链温度也越高。(4)分子越小离试管口距离越近。图2显示，与60秒结果相比，120秒结果中有放射性的单链距离试管口较远，说明短链片段减少，其原因是短链片段连接形成长片段。在图示的实验时间内，细胞中均能检测到较多的短链片段，这为冈崎假说提供了实验证据。

真题1　(2016·全国Ⅲ，32)①基因突变和染色体变异是真核生物可遗传变异的两种来源。回答下列问题：

(1)基因突变和染色体变异所涉及到的②碱基对的数目不同，③前者所涉及的数目比④后者____________。

(2)在⑤染色体数目变异中，既可发生以⑥染色体组为单位的变异，也可发生以____________为单位的变异。

(3)基因突变既⑦可由显性基因突变为隐性基因(隐性突变)，也可由隐性基因突变为显性基因(显性突变)。若⑧某种自花受粉植物的⑨AA和aa植株分别发生隐性突变和显性突变，且在⑩子一代中都得到了⑪基因型为Aa的个体，则⑫最早在子__________代中能观察到该⑬显性突变的性状；⑫最早在子____________代中能观察到该⑭隐性突变的性状；⑫最早在子__________代中能分离得到⑮显性突变纯合子；⑫最早在子__________代中能分离得到⑯隐性突变纯合子。

[题干信息]

答案　(1)少　(2)染色体　(3)一　二　三　二

[学科素养解读]　本题考查核心素养中“科学探究”能力；同时具备归纳与概括的思维能力；注重知识之间的横向联系，提升整合构建知识网络的能力。

[思维延伸]　判断下列有关生物变异的叙述：

(1)在诱导离体菊花茎段形成幼苗的过程中，基因的突变与重组不会同时发生

(2013·四川，1D)(　√　)

(2)基因突变与染色体结构变异都可导致碱基序列的改变(2015·海南，21C)(　√　)

(3)XYY个体的形成及三倍体无子西瓜植株的高度不育均与减数中同源染色体的联会行为有关(2013·安徽，4改编)(　×　)

(4)秋水仙素通过促进着丝点，使染色体数目加倍(2014·四川，5A)(　×　)

(5)某男子表现型正常，但其一条14号和一条21号染色体相互连接形成一条异常染色体，如图甲。减数时异常染色体的联会如图乙，配对的三条染色体中，任意配对的两条染色体分离时，另一条染色体随机移向细胞任一极。则图甲所示的变异属于基因重组，如不考虑其他染色体，理论上该男子产生的精子类型有8种 (2013·福建，5AC)(　×　)

真题2　(2014·安徽，31)香味性状是优质水稻品种的重要特性之一。

(1)香稻品种甲的①香味性状受隐性基因(a)控制，其香味性状的表现是因为______________________________，导致②香味物质积累。

(2)水稻③香味性状与抗病性状遗传。抗病(B)对感病(b)为显性。为选育抗病香稻新品种，进行了一系列杂交实验。其中，无香味感病与无香味抗病植株杂交的统计结果如图所示，则两个亲代的基因型是____________。上述杂交的子代自交，后代群体中④能稳定遗传的有香味抗病植株所占比例为________。

(3)用⑤纯合无香味植株作母本与香稻品种甲进行杂交，在F1中偶尔发现某一植株具有香味性状。请对此现象给出两种合理的解释：

①________________________________________________________________________；

②________________________________________________________________________。

(4)单倍体育种可缩短育种年限。离体培养的花粉经⑥脱分化形成________________，最终⑦发育成单倍体植株，这表明花粉具有发育成完整植株所需的__________。若要获得二倍体植株，应在________时期用秋水仙素进行诱导处理。

[题干信息]

横坐标：性状类型；纵坐标：性状数量。

第二步：找准柱状图对应量之间的数量关系。

抗病(50)∶感病(50)＝1∶1；

无香味(75)∶有香味(25)＝3∶1。

第三步：依据数量关系推断结论。

依据上述比例关系，结合信息①和③，推出亲代无香味感病和无香味抗病个体的基因型：Aabb、AaBb。

答案　(1)a基因纯合，参与香味物质代谢的某种酶缺失  (2)Aabb、AaBb　3/　(3)①某一雌配子形成时，A基因突变为a基因　②某一雌配子形成时，含A基因的染色体片段缺失　(4)愈伤组织　全部遗传信息　幼苗

[学科素养解读]　生物学科素养要求生物学科知识服务于生产实践——育种，即“社会责任”。

[经典再现]　(2015·天津，9)白粉菌和条锈菌能分别导致小麦感染白粉病和条锈病，引起减产。采用适宜播种方式可控制感病程度。下表是株高和株型相近的小麦A、B两品种在不同播种方式下的试验结果。

据表回答：

(1)抗白粉病的小麦品种是________，判断依据是____________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)设计Ⅳ、Ⅴ两组试验，可探究____________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ三组相比，第Ⅲ组产量最高，原因是_________________________

________________________________________________________________________。

(4)小麦抗条锈病性状由基因T/t控制，抗白粉病性状由基因R/r控制，两对等位基因位于非同源染色体上。以A、B品种的植株为亲本，取其F2中的甲、乙、丙单株自交，收获子粒并分别播种于不同处理的试验小区中，统计各区F3中的无病植株比例。结果如下表：

                试验处理

F3无病植株的比例/%

答案　(1)A　Ⅰ、Ⅱ组小麦未感染白粉病

(2)植株密度对B品种小麦感病程度及产量的影响

(3)混播后小麦感病程度下降

(4)Ttrr　ttRr　18.75%(或3/16)

解析　(1)从Ⅰ和Ⅱ组的试验结果可知，抗白粉病的小麦品种是A。(2)分析Ⅲ、Ⅳ两组试验，自变量为植株密度，因变量为感病程度及产量，所以Ⅲ、Ⅳ两组试验的目的是：探究植株密度对B品种小麦感病程度及产量的影响。(3)从表格可以看出，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ相比，第Ⅲ组的产量最高，分析表中信息得出结论：混播后小麦感病程度下降。(4)由表中F3无病植株的比例数据可知：甲自交后代中抗条锈病个体占25%，乙自交后代中抗白粉病的个体占75%，可说明抗条锈病为隐性性状，抗白粉病为显性性状。依据甲自交后代抗白粉病个体比例为0，抗条锈病个体比例为25%，可推测甲的基因型为Ttrr。依据乙自交后代抗条锈病个体比例为100%，抗白粉病个体比例为75%，可推测乙的基因型为ttRr。根据丙自交后代中抗条锈病个体占25%，抗白粉病个体占75%，可知丙的基因型为TtRr，其自交后代中无病植株即基因型为ttR_的植株占3/16，即18.75%。下载本文