备课素材：荧光标记法在减数分裂研究中的应用-2023-2024学年高一下学期生物人教版必修2

荧光标记法在减数分裂研究中的应用 先看一道试题: 有研究者采用荧光染色法制片,在显微境下观察拟南芥(2n=10)花药减数分裂细胞中染色体形态、位置和数目,以下为镜检时拍摄的4幅图片。下列叙述错误的是( ) A.图甲细胞中形成5个四分体 B.图乙细胞是观察并分析拟南芥染色体组型的最佳时期 C.图丙细胞中同源染色体已彼此分离 D.图中细胞按照减数分裂时期排列的先后顺序为甲 乙 丙 丁 解析:分析题图:四幅图片是减数分裂不同时期的图片且拟南芥体细胞中染色体数目是10条,有5对同源染色体。由于甲图和乙图均有5个荧光点,且荧光比较明显,甲图5个荧光点分布较为散乱,乙图5个荧光点分布在图的中央,所以可以判断甲图细胞处于减数第一次分裂前期,乙图细胞处于减数第一次分裂中期。丙图一共有10个荧光点,且荧光点小,均分为两个区域并相对集中与一条线,说明丙图中有两个细胞,每个细胞中的染色体数目都是5条,处于减数第二次分裂中期。丁图中共有20个荧光点,且分为四部分,可以判断处于减数第二次分裂后期或末期。由分析可知,甲图细胞处于减数第一次分裂前期,有5个荧光点,即5个四分体,A正确;乙图5个荧光点分布在图的中央,处于减数第一次分裂中期,观察并分析拟南芥染色体组型的最佳时期为有丝分裂中期,B错误;丙细胞处于减数第二次分裂中期,同源染色体已彼此分离,C正确;四幅图所显示的减数分裂时期排列的先后顺序为甲 乙 丙 丁,D正确。故答案为B。 这道试题涉及到减数分裂研究中的荧光标记法。 减数分裂是高中生物学中难点之一,许多学生由于对减数分裂理解不够,影响了对遗传规律试题的解答,因为遗传规律的发生就是在产生配子的过程中,即减数第一次分裂。 减数分裂第一次分裂具有三大特点:前期 发生同源染色体联会;前期 发生的同源染色体的非姐妹染色单体交叉互换(基因重组);后期前期 发生的同源染色体分离和非同源染色体自由组合(基因重组)。 研究发现控制拟南芥减数分裂中交换频率的抑制因子对于进行有性生殖的生物来说,减数分裂和受精作用对维持生物前后代体细胞中染色体数目的恒定,以及对生物的遗传和变异都十分重要。减数分裂过程中,DNA复制一次,而细胞连续分裂两次,形成单倍体的精子或卵子,通过受精作用又恢复成二倍体。 不同于有丝分裂,减数分裂涉及到父母同源染色体之间的配对、联会、重组和分离,其中重组交换使得同源染色体之间的遗传信息发生互换,是遗传多样性形成和农作物遗传育种的物质基础。 拟南芥属被子植物门,双子叶植物纲,十字花科植物,一年生细弱草本植物。但近一百年来,随着生物学和经典遗传学的蓬勃发展,科学家们逐渐注意到它的研究价值。模式植物拟南芥具有基因组小、只有5对染色体、生长周期短、生殖器官多、突变体资源丰富、易于遗传分析及转基因相对容易等特点, 而且,拟南芥闭花自花传粉,易于保持遗传稳定性。被认为是研究减数分裂的传统优势材料。 为了确定控制减数分裂交换频率的调控因子,研究者使用拟南芥荧光标签株系构建了正向遗传学的筛选体系。通过荧光标签株系420 (FTL 420) 在3号染色体上含有连锁的RFP和GFP表达单元,根据花粉或种子中荧光的变化可以计算重组频率的大小。 目前研究表明,多条蛋白激酶途径在减数分裂细胞周期和重组的进程发挥着重要的调控作用,揭示了HCR1/PPX1磷酸酶是拟南芥中减数分裂过程中交换频率的抑制因子。 荧光染色法荧光染色原理是利用荧光分子的光-化学反应,将混合物中有荧光表征的分子挑选出来,从而达到染色的效果。简单地说,就是用荧光分子吸收特定波长的光,然后发射出光谱色彩不同的荧光,使混合物中的荧光分子发光,从而达到染色的效果。荧光染色的工作原理采用特定波长的光照射使染色标记物上的分子复合物和荧光分子进行反应,将试剂和荧光分子结合在一起,当特定波长的光照射到复合物时,分子复合物上的原子就会产生电子的跃迁,使原子上的电子从一个状态跃迁到另一状态,因而发射荧光,从而达到染色的效果。 例如,在细胞分裂增殖过程中,CMFDA(一种可自由透过活细胞膜对细胞进行示踪的荧光染料)标记荧光可分配至两个子代细胞中,且具有不会使邻近细胞染色的功能(有极少情况下通过细胞间缝隙连接发生染色)。同时,CMFDA标记荧光还主要用于分析细胞间融合、细胞粘附及多药耐药转运蛋白的研究。 此外,CMFDA还可用于与其他细胞示踪染料联合选择性标记感染细胞内的病原菌;与膜不通透性核荧光探针共同使用,可用于细胞活性研究。值得指出的是,荧光染料的种类多种多样,不同的目的应该使用不同的荧光染料,有标记基因的荧光染料,也有标记蛋白质的荧光染料。 例1、已知拟南芥一个花粉囊中的四个花粉粒是由一个花粉母细胞通过减数分裂形成的。科研人员为研究F基因对染色体片段交换的影响进行了相关实验,实验的主要过程如下:利用基因工程技术在拟南芥的