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高中生物学教材四个问题释疑 ⊙

 byzxzjk 2024-01-24 发布于江苏

释疑

1. 为什么核移植时常用去核的 MⅡ中期卵母细胞?

在人教版高中生物教科书《现代生物科技专题》P48的体细胞核移植过程流程图中,为什么用的是处于MⅡ中期次级卵母细胞作为受体细胞?

细胞核移植常用受体细胞是处于MⅡ中期的卵母细胞,这是由于第一极体与中期染色体位置很近,可以通过去除极体附近的部分细胞质的方法把中期染色体去掉。一般将去除中期染色体的过程称为去核,实质上去除的是中期染色体而不是细胞核。
为何用M中期的卵母细胞,这是因为绝大多数哺乳动物从卵巢排出的卵母细胞都处于M中期。这些卵母细胞只有在受精或人工激活后才完成减数第二次分裂,因此MⅡ中期卵母细胞最易获得。
此外,由于M中期卵母细胞内成熟促进因子(MPF)活性高,有利于激发供体细胞细胞核的全能性,对移入的供体核重编程有利,核移植效率似乎也较高……鉴于MⅡ中期卵母细胞容易获得和去核,核移植胚胎发育率也相对较高,人们一般都直接用MII中期的卵母细胞作为受体卵。

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2. 单细胞生物有细胞凋亡吗?

细胞凋亡普遍存在于动物和植物中。例如,人体发育过程中组成鳃的细胞的清除、植物发育过程中胚柄的退化、成熟的植物个体中单性花器官的退化等都属于细胞凋亡。
根据概念判断,单细胞生物没有细胞凋亡。
细胞凋亡是由基因决定的细胞自动结束生命的过程。对于单细胞生物来讲,细胞的死亡就意味着生命的结束,不可能有哪个基因决定让自己生命结束的。所以我认为对于单细胞生物不应该有细胞凋亡的说法。
那么,单细胞死亡不属于细胞凋亡吗?对个体而言,细胞(个体)死亡对它来说是不好的,但是对群体对种群的进化来说是有利的啊,从这个方面来讲,单细胞死亡就应该属于细胞调亡。高中阶段一般不考虑单细胞动物的细胞调亡。

3. PCR技术中需要能量吗?

需要能量,由脱氧核苷三磷酸(dNTP)提供。(ATP跟能量不等同)人教版高中生物《遗传和变异》教师教学用书指出,参与DNA复制的合成原料是三磷酸核苷酸(dATP,dGTP,dCTP,dTTP),三磷酸核苷酸内含两个高能磷酸键,断掉之后可以释放出能量。
《现代生物科技专题》P10中图1-8 PCR反应原理示意图中也有显示。《生物技术实践》教科书配方里的那个脱氧核苷酸其实就是4种脱氧核苷三磷酸,即三磷酸脱氧核苷酸,即选修3图1-8中的4种dNTP。

4. 蔗糖能被植物细胞吸收吗?

植物组织培养时以蔗糖作为碳源,其作用是什么?蔗糖能被植物细胞吸收吗?为什么不直接用葡萄糖作为碳源?
任何细胞,不管是植物细胞还是动物细胞,能直接利用的能源物质只有葡萄糖。在植物组织培养中加入蔗糖,经高压灭菌后就会水解产生植物能够吸收的葡萄糖和果糖形式。
植物组织培养用蔗糖作为碳源主要有以下几方面原因:
(1) 蔗糖较葡萄糖能更好地调节培养基内的渗透压。质量分数相同的蔗糖和葡萄糖溶液,蔗糖形成的渗透压要明显低于葡萄糖。因此,如果用葡萄糖作为碳源,很容易使植物细胞失水而生长不良。同时,植物细胞吸收蔗糖的速率要明显慢于吸收葡萄糖的速率,所以蔗糖形成的渗透压可相对长期的保持稳定。
(2) 防止微生物污染。微生物的碳源大都是葡萄糖,很少利用蔗糖。因此,采用蔗糖作为碳源,可在一定程度上减少微生物的污染。
(3) 可诱导韧皮部形成。在培养基成分中,增加生长素的浓度,可导致木质部形成,增加蔗糖浓度则导致韧皮部形成。当生长素水平恒定时,2%的蔗糖溶液使愈伤组织分化出木质部,4%蔗糖使之分化出韧皮部,3%蔗糖则既可以分化出木质部,也可以分化出韧皮部。可见,生长素和蔗糖浓度决定愈伤组织中维管束的类型与数量。因此,在植物组织培养中要选用蔗糖而不选用葡萄糖。

【植物能吸收蔗糖】

蔗糖分子是通过次级主动运输形式直接被植物细胞吸收。次级主动运输是细胞利用初级主动运输的ATP酶或质子泵建立的质子梯度进行的物质运输,并非直接利用ATP水解释放的能量。
经科学家研究,其吸收过程大致如下:质子泵将质子泵出细胞,胞外形成较高的质子浓度,建立起细胞内外的浓度梯度,这样,胞外的质子顺着浓度梯度趋向于向胞内扩散。细胞膜上的特殊载体(蔗糖-质子同向共运输载体)除运输质子外,连同蔗糖一起转运至细胞内,这是一种蔗糖-质子同向共运输。

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【蔗糖可以做质壁分离实验的实验的原因】

在质壁分离实验中,所用材料为洋葱表皮细胞,代谢并不旺盛,故载体效率不高。质壁分离实验中蔗糖能够进入细胞,但速度缓慢,故短时间内不会复原,如果细胞不死亡长时间后会复原。 
植物组织培养中,培养基中的蔗糖浓度较低的,一般为3%~10%,而质壁分离中的蔗糖浓度为30%,可见两者浓度差距之大,质壁分离由于时间短,吸收速度缓慢,细胞吸收的量很少,而不是不能吸收,不足以对细胞液渗透压造成影响,才会出现质壁分离现象。

因此,只要浓度不是过高,时间又足够长,那么蔗糖就可以进入植物细胞内而被植物利用。同时植物体内有蔗糖转化酶,可以吸收和利用蔗糖,而且转化酶在高等植物蔗糖代谢中起着关键的作用,研究表明,转化酶参与植物的生长、器官建成、糖分运输等多项功能,因此在植物培养基中加蔗糖。

产生此疑问的原因是《高中生物(必修一)》质壁分离及复原实验中使用 0.3/mL 蔗糖溶液,紫色洋葱外表皮细胞在高浓度蔗糖溶液作用下,细胞失水,原生质层与细胞壁分离;在拓展训练与题目训练中则有利用 KNO3 溶液使植物细胞发生质壁分离继而质壁分离自动复原的实验。由于植物细胞可以利用主动运输的方式吸收K离子,所以在发生质壁分离后可以自动复原,而教材的实验中并没有提及在高浓度蔗糖溶液作用下植物细胞是否可以发生质壁分离自动复原,所以学生会理解为植物细胞无法吸收蔗糖。但教材中在植物组织培养中常用的 MS 养基中添加的是蔗糖而不是葡萄糖,那么植物究竟能否吸收并利用蔗糖呢?在植物组织培养基中添加的蔗糖究竟是以何种方式成为外植体培养所需的能源物质呢?

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通过查阅资料与论文得知质子泵将质子泵出细胞,在质外体中形成较高的质子浓度。建立起细胞内外的质子梯度:质外体中的质子趋向于向细胞内扩散。在细胞膜上的特殊载体可以利用质子的顺化学梯度的扩散将细胞外的蔗糖分子与质子共同转运至细胞内。这种运输方式称蔗糖——质子同向共运输,负责这种共运输的载体称为蔗糖——质子共运输载体。另外,在植物体细胞的细胞质、液泡和细胞壁中都存在着蔗糖酶,蔗糖分解产生的葡萄糖和果糖进入产能代谢的糖酵解过程。正因为细胞壁中有蔗糖酶,有人认为植物组织培养基中的蔗糖分子扩散进入细胞壁后,能够被蔗糖酶水解为葡萄糖和果糖,这些单糖分子再以主动运输方式进入外植体细胞。

这样就明确了几个问题:首先,利用蔗糖进行紫色洋葱外表皮细胞质壁分离实验不是植物细胞不能吸收蔗糖,而是吸收速度相对较慢,发生质壁分离自动复原的时间也很长;其次,在植物组织培养基中添加蔗糖而不添加葡萄糖,是因为使用葡萄糖被微生物污染的可能性更大,培养基渗透压也偏高,不利于外植体生长。如果能够在高中生物必修一、选修三相关知识新授课或复习过程中明确这些内容,学生对这两部分的理解将更加透彻。

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