内容正文:
第3章 基因的本质
第3、4节 DNA的复制、基因通常是有遗传效应的DNA片段
目录
CONTENTS
01
概念检测
02
拓展提能
概念检测
01
知识点一 DNA半保留复制的实验证据
1.某生物兴趣小组将大肠杆菌在含15N的
培养基中繁殖数代后,使大肠杆菌DNA的含氮
碱基都含有15N。然后再将其转入含14N的培养
基中培养,提取亲代及子代的DNA,离心分离,如图①~⑤为可能的结果。下列有关叙述,错误的是( )
A.实验过程中,所使用的研究方法是同位素标记法、密度梯度离心法
B.根据含14N或15N的DNA离心后的位置判断,⑤为亲代DNA离心的结果、②为子一代DNA离心的结果
C.若出现图中③的结果(带宽比为3∶1),则亲代DNA进行了3次复制
D.若将DNA处理成单链后再离心,也可以证明DNA的复制为半保留复制
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解析 本实验的研究方法是同位素标记法(用15N标记)、密度梯度离心法,A正确;亲代DNA两条链均含有15N,离心后结果为⑤,在含14N的培养基中增殖一代,则形成的2个DNA均为一条链含15N,一条链含14N,离心后结果为②,B正确;子一代DNA继续增殖,得到的子二代中共4个DNA,离心后应为1/2中带(14N/15N)、1/2轻带(14N/14N),即图①结果;子二代继续增殖形成的子三代共8个DNA,2个DNA的一条链含15N,一条链含14N,其余6个DNA的两条链均为14N,离心后应为1/4中带(14N/15N)、3/4轻带(14N/14N),即图③结果,C正确;若将DNA处理成单链后再离心,不管是全保留复制还是半保留复制都只能得到2个条带(14N条带和15N条带),不能证明DNA的复制为半保留复制,D错误。
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解析 人工复制DNA片段时,DNA的两条链都作为DNA复制的模板,需要的原料是脱氧核苷酸,需要DNA聚合酶,不需要DNA水解酶。
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3.DNA聚合酶不能从头开始合成DNA,只能从已有片段的3′端开始延伸,所以DNA复制过程中需要一小段核苷酸单链作为引物先与模板链互补配对,如图所示。下列叙述不正确的是( )
A.图示过程发生在细胞分裂前的间期
B.经解旋酶作用于DNA后,引物才能与模板链结合
C.两条子链的延伸方向都是从5′端到3′端
D.由图示可知,引物1、2序列不同会导致以图中DNA为模板复制出的两个子代DNA不同
解析 根据碱基互补配对原则,以同一DNA分子为模板复制出的两个子代DNA相同,与两端的引物序列无关,D错误。
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4.在DNA复制过程中,保证复制准确无误进行的关键步骤是( )
A.破坏氢键并使DNA双链分开
B.游离核苷酸与母链碱基互补配对
C.配对的游离核苷酸连接成子链
D.子链与模板母链盘绕成双螺旋结构
解析 DNA独特的双螺旋结构,为复制提供了精确的模板,通过碱基互补配对,保证了复制能够准确进行。因此游离核苷酸与母链碱基互补配对是准确复制的关键步骤,B符合题意。
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5.5′和3′代表DNA单链的两个方向,若DNA自我复制时以5′-ATGC-3′为模板链,则其新合成的互补子链为( )
A.5′-TACG-3′ B.5′-GCAT-3′
C.5′-UACG-3′ D.5′-GCAU-3′
解析 DNA的两条链是反向平行的,一条是5′→3′方向,另一条是3′→5′方向。若DNA自我复制时以5′-ATGC-3′为模板链,按照碱基互补配对原则和方向相反的原则,其新合成的互补子链为3′-TACG-5′,即5′-GCAT-3′。
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[题型二 DNA复制的相关计算]
6.一个双链被32P标记的DNA片段有100个碱基对,其中腺嘌呤占碱基总数的20%,将其置于含31P的环境中复制3次。下列叙述错误的是( )
A.该DNA片段中含有胞嘧啶的数目是60个
B.第3次复制过程需要240个游离的胞嘧啶脱氧核苷酸
C.复制3次后,子代DNA中含32P的单链数与含31P的单链数之比为1∶7
D.复制3次后,子代DNA中含32P与含31P的分子数之比为1∶3
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解析 该DNA片段有100个碱基对,其中腺嘌呤占碱基总数的20%,则腺嘌呤数目为100×2×20%=40(个),根据碱基互补配对原则,该DNA片段中含有胞嘧啶的数目是(100×2-40×2)÷2=60(个),A正确;第3次复制过程DNA数由4个变为8个,增加4个DNA,需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸数目为60×4=240(个),B正确;复制3次,共得到8个DNA分子,16条DNA单链,其中只有2条单链含32P,含32P的单链数与含31P的单链数之比为1∶7,C正确;由于DNA的复制为半保留复制,子代DNA均含31P,其中有2个DNA含32P,所以子代DNA中含32P与含31P的分子数之比为1∶4,D错误。
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7.某双链DNA分子中共有含氮碱基1400个,其中一条单链上(A+T)∶(C+G)=2∶5。问该DNA分子连续复制两次共需游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目是( )
A.200个 B.400个
C.600个 D.1200个
解析 双链DNA分子中一条单链上(A+T)∶(C+G)=2∶5,则整个双链DNA分子中(A+T)∶(C+G)=2∶5,而双链DNA分子中共有碱基1400个,所以A=T=200(个),该DNA分子连续复制两次共需游离的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的数目是(22-1)×200=600(个)。
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8.假设某高等生物体细胞内染色体是10条,其中染色体中的DNA用32P标记。将该体细胞放入不含有标记的培养液中让其进行有丝分裂,则在第一次有丝分裂的后期,细胞中含有标记的染色体数为( )
A.5条 B.10条
C.20条 D.40条
解析 该生物体细胞内染色体中的DNA用32P标记,在不含有标记的培养液中该细胞进行一次DNA复制,则所有染色单体都含有32P标记,有丝分裂后期,着丝粒分裂,染色体数目加倍,故此时含有标记的染色体数为20条。
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知识点三 基因通常是有遗传效应的DNA片段
9.大肠杆菌细胞的拟核中有1个DNA分子,长度约为4.7×106 bp(碱基对),在该DNA分子上分布有大约4400个基因,每个基因的平均长度约为1000 bp。根据题中信息,不能得出的结论是( )
A.基因位于DNA分子上
B.一个DNA分子上有多个基因
C.DNA分子上有非基因片段
D.DNA分子的碱基总数与所含有的基因的碱基总数相等
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解析 由题中信息可知,该DNA分子上分布有大约4400个基因,每个基因的平均长度约为1000 bp,则所有基因含有的碱基对总数约为4.4×106个,小于DNA分子含有的碱基总数,这同时也说明DNA分子上有非基因片段,D符合题意,A、B、C不符合题意。
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10.DNA的多样性和特异性分别取决于( )
A.碱基不同的排列顺序和碱基特定的排列顺序
B.细胞分裂的多样性和DNA复制的稳定性
C.碱基不同的排列顺序和碱基互补配对原则
D.DNA双螺旋结构和解旋酶的特异性
解析 碱基千变万化的排列顺序构成了DNA的多样性,而碱基特定的排列顺序构成了每个DNA分子的特异性,A正确。
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12.下列与遗传信息有关的叙述,不正确的是( )
A.DNA分子中的全部片段都含有遗传信息
B.转入了海蜇的绿色荧光蛋白基因的转基因鼠在正常光线下没有发出绿色荧光,说明基因一经转移,就会丧失遗传信息
C.DNA分子中遗传信息来自4种碱基的特定排列顺序
D.RNA病毒没有DNA分子,所以没有遗传信息
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13.下图是DNA复制的图解,请据图回答下列问题。
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(1)图中的1表示________过程,需要________酶的作用。
(2)图中的2表示以母链为模板进行的碱基的__________,参与配对的物质是游离在周围的__________________。
(3)图中的3过程表示形成两个新的________分子,这一过程包括子链中脱氧核苷酸的__________与________交替连接以及子链与母链在空间结构上的________化。参与此过程的酶有____________等。
(4)分析DNA复制过程,其场所一般在________内;模板是_____________;酶需要________、_____________等;能量由________提供;子链的合成方向是从________到________。
(5)DNA一般是严格的________复制,DNA复制的遗传学意义是为________在上下代之间的________准备了物质基础。遗传信息的传递使亲代生物的性状可在子代得到表现,如____________________(试举一例)。
解旋
解旋
互补配对
四种脱氧核苷酸
DNA
脱氧核糖
磷酸
螺旋
DNA聚合酶
细胞核
DNA的两条链
解旋酶
DNA聚合酶
ATP
5′
3′
半保留
遗传信息
传递
子女长得像父母
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拓展提能
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一、单项选择题(每题给出的四个选项中,只有一个选项是符合题目要求的)
1.下列关于DNA结构和复制的叙述正确的是( )
A.减数分裂中DNA的两条链分别进入两个细胞导致等位基因分离
B.复制形成的两个子代DNA共有4个游离的磷酸基团
C.DNA复制在核糖体上进行
D.(A+T)/(C+G)决定DNA的多样性
解析 同源染色体分离导致等位基因分离,DNA的两条链不分离,A错误;DNA复制主要在细胞核中进行,C错误;碱基排列顺序的多样性决定DNA的多样性,D错误。
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3.如图表示环状DNA复制的一种方式,因为只有一个复制起始点,所以该DNA分子复制形成复制泡而呈现希腊字母“θ”形,随着复制的进行,复制泡逐渐扩大,直至产生2个相同的环状DNA分子。下列相关叙述不正确的是( )
A.复制泡的逐渐扩大与解旋酶和DNA聚合酶相关
B.在复制泡的扩大过程中有氢键的断开和氢键的形成
C.复制泡中的每条DNA子链均通过连续复制逐步向两侧延伸
D.子代DNA分子中包含一条母链和一条子链且没有游离的磷酸基团
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解析 复制泡的逐渐扩大与解旋酶逐渐打开氢键和DNA聚合酶催化子链形成有关,A正确;在复制泡的扩大过程中,解旋酶打开氢键,子链形成时,新的脱氧核苷酸上的碱基和母链上的碱基之间自动形成氢键,B正确;图示的复制方式从一个起点开始,每一条子链从起点向两侧复制,两侧中一侧为连续复制,一侧为不连续复制,C错误;由于是环状DNA分子,所以子代中没有游离的磷酸基团,由于复制是半保留复制,子代DNA分子中含一条母链和一条子链,D正确。
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4.将含14N的DNA转入15N的环境中复制,若子一代DNA的一条单链出现差错,则子三代DNA中,差错DNA单链和含15N的DNA分子分别占( )
A.1/3,1 B.1/4,1
C.1/3,1/2 D.1/4,1/2
解析 将含14N的DNA转入15N的环境中复制,因为DNA的复制方式为半保留复制,所以复制形成的每个DNA都含15N。已知子一代DNA的一条单链出现差错,所以以该链为模板复制形成的DNA的两条链均有差错,即子二代的4个DNA中,差错DNA单链占2/8=1/4;同理,子三代的8个DNA中,差错DNA单链占4/16=1/4。
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5.某DNA含m对碱基,其中腺嘌呤有a个。下列有关此DNA在连续复制时所需的胞嘧啶脱氧核苷酸数目的叙述中,错误的是( )
A.在第一次复制时,需要(m-a)个
B.在第二次复制时,需要2(m-a)个
C.在第n次复制时,需要2n-1(m-a)个
D.在n次复制过程中,总共需要2n(m-a)个
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解析 DNA复制一次可产生2个DNA分子,相当于形成1个新DNA,每个DNA中含有胞嘧啶脱氧核苷酸(m-a)个,故第一次复制时,需要胞嘧啶脱氧核苷酸(m-a)个,A正确;在第二次复制时,2个DNA会形成4个DNA,相当于形成2个新DNA,需要胞嘧啶脱氧核苷酸2(m-a)个,B正确;在第n次复制后,会形成2n个DNA,相当于形成2n-1个新DNA,需要胞嘧啶脱氧核苷酸2n-1(m-a)个,C正确;在n次复制过程中,1个DNA分子变为2n个DNA分子,总共需要胞嘧啶脱氧核苷酸(2n-1)(m-a)个,D错误。
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6.为研究牛蛙细胞(2N=26)有丝分裂和减数分裂的特点,将牛蛙的甲、乙两个精原细胞置于含32P的培养液中培养,若甲连续进行两次有丝分裂、乙进行减数分裂,则下列分析错误的是( )
A.甲分裂中期与乙第一次分裂中期的细胞中核DNA数目相同
B.乙产生的4个精子的细胞核中所含32P标记的DNA单链数相同
C.甲第二次分裂后期细胞中含有32P标记的染色体数为26条
D.乙第二次分裂后期细胞中含有32P标记的染色体数为26条
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解析 甲进行的是有丝分裂,分裂中期细胞中核DNA数目是体细胞中核DNA数目的2倍,乙进行的是减数分裂,减数分裂Ⅰ中期细胞中核DNA的数目也是体细胞的2倍,A正确;乙分裂过程中核DNA只复制1次,细胞连续分裂2次,则产生的4个精子的细胞核中所有DNA均一条单链含32P标记,另一条单链不含32P标记,因此4个精子的细胞核中所含32P标记的DNA单链数相同,B正确;甲第一次有丝分裂后产生的子细胞中的每条染色体都含有32P标记,进行第二次有丝分裂时,染色体复制后,每条染色体上的两条染色单体均含有32P标记,则第二次有丝分裂后期,细胞中含有32P标记的染色体数为52条,C错误;乙细胞只进行一次核DNA的复制,减数分裂Ⅱ后期细胞中含有的染色体数目为26条,每条染色体都含有32P标记,D正确。
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7.下列有关基因和染色体关系的叙述,正确的是( )
A.基因只分布在染色体上且呈线性排列
B.基因在染色体上成对存在
C.人体中每条染色体的基因数相同
D.相同基因在一个四分体上一般可达到4个
解析 基因主要分布在染色体上,少数分布在细胞质中,A错误;基因在染色体上呈线性排列,因此一条染色体只含有等位基因中的一个,B错误;人体中同源染色体上的基因数一般相同(X、Y染色体除外),非同源染色体上的基因数一般不相同,C错误。
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二、多项选择题(每题给出的四个选项中,有两个或两个以上选项符合题目要求)
8.下图表示某果蝇两条染色体上控制眼色的四种基因。下列叙述正确的是( )
A.图中控制眼色的基因互为非等位基因
B.有丝分裂后期,细胞一极中含有图中四种基因
C.各基因中碱基和五碳糖的种类不同
D.减数分裂时,图中两条染色体一定进入不同细胞
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解析 一条染色体上的基因均为非等位基因,而常染色体和X染色体为非同源染色体,非同源染色体上的基因也为非等位基因,所以图中控制眼色的基因均为非等位基因,A正确;有丝分裂后期,姐妹染色单体分离,移向一极的染色体包括题图中的两条染色体,所以细胞一极中含有图中四种基因,B正确;果蝇的遗传物质为DNA,DNA中包括A、T、G、C四种碱基,五碳糖为脱氧核糖,所以上述各基因中碱基和五碳糖的种类相同,C错误;减数分裂时,非同源染色体自由组合,图中两条染色体可能进入相同的细胞,D错误。
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9.如图所示为某DNA复制过程的部分图解,其中rep蛋白具有解旋的功能。下列相关叙述正确的是( )
A.后随链上的缺口需要DNA连接酶将其补齐
B.DNA结合蛋白可能具有防止DNA单链重新形成双链的作用
C.rep蛋白可破坏A与T、C与G之间的氢键
D.DNA复制具有边解旋边复制和半保留复制的特点
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解析 根据rep蛋白的功能可推断出,rep蛋白应为解旋酶,该酶能破坏氢键,C正确;由图可知,DNA结合蛋白缠绕在DNA单链上,可能用于防止单链之间重新螺旋化,B正确;根据题意和图示分析可知,DNA复制具有边解旋边复制和半保留复制的特点,D正确;能将两条DNA链拼接为一条链的酶应为DNA连接酶,A正确。
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10.科学家运用密度梯度离心等方法研究DNA复制的机制。
实验一:从含15N的大肠杆菌和含14N的大肠杆菌中分别提取亲代DNA,混合后放在100 ℃条件下进行热变性处理,然后进行密度梯度离心,再测定离心管中混合的DNA单链含量,结果如图a所示。
实验二:研究人员将含15N的大肠杆菌转移到含14NH4Cl的培养液中,繁殖一代后提取子代大肠杆菌的DNA(F1DNA),将F1DNA热变性处理后进行密度梯度离心,离心管中出现的两个条带对应图b中的两个峰。
下列有关叙述正确的是( )
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A.热变性处理破坏了DNA分子的磷酸二酯键,使得DNA双链分开,故图a中出现两个峰
B.图b中出现两个峰,该结果可排除DNA的分散复制
C.本实验双链的F1DNA密度梯度离心结果若只有一个条带,则可排除全保留复制
D.图b与图a中两个峰的位置相同,但本研究不能够证明DNA分子的复制是半保留复制
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解析 热变性处理导致DNA分子中碱基对之间的氢键发生断裂,A错误;若DNA的复制为分散复制,则实验二中F1DNA热变性处理后进行密度梯度离心,离心管中不能分出两条条带,图b中无法出现两个峰,而图b出现了两个峰,因此由图b结果可排除DNA的分散复制,B正确;如果DNA复制方式为全保留复制,则双链的F1DNA中,一个DNA分子的两条链都含14N,另一个DNA分子的两条链都含15N,热变性处理后,密度梯度离心结果为有两个条带,若密度梯度离心结果只有一个条带,则可以排除全保留复制,C正确;图b与图a中两个峰的位置相同,说明F1DNA中既含有14N又含有15N,这种情况不能排除全保留复制,故本研究中的两个实验不能够证明DNA分子的复制是半保留复制,D正确。
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三、非选择题
11.正常情况下,细胞内完全可以自主合成组成核酸的核糖和脱氧核糖。若基因变化引起细胞不能自主合成核糖和脱氧核糖,则必须从培养基中摄取。为验证DNA复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸,现提供如下实验材料,请你完成实验方案。
(1)实验目的:验证DNA复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸。
(2)实验材料:基因变化的细胞、基本培养基、核糖核苷酸、14C—核糖核苷酸、脱氧核苷酸、14C—脱氧核苷酸、放射性探测显微仪等。
(3)实验原理
DNA主要分布在________中;RNA主要分布在________中。
细胞核
细胞质
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分组编号 培养基甲 培养基乙
设置对照实验 加入适量的核糖核苷酸和14C—脱氧核苷酸 ①________________________ ______ ______________
培养 分别接种等量的②______________,在相同且适宜条件下培养
观察 分别选取培养基甲和培养基乙中的细胞,用放射性探测显微仪观察③________________________________
(4)实验步骤
加入等量的14C—核糖核苷酸和脱氧核苷酸
基因变化的细胞
细胞核和细胞质的放射性强弱
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(5)预期结果
①培养基甲中细胞的放射性部位主要在________;
②培养基乙中_________________________________________________。
(6)实验结论:_____________________________________________________。
细胞核
细胞的放射性部位主要在细胞质
DNA复制的原料是脱氧核苷酸,而不是核糖核苷酸
解析 要验证DNA复制的原料是脱氧核苷酸,可分别用核糖核苷酸、14C—脱氧核苷酸和14C—核糖核苷酸、脱氧核苷酸培养基因变化的细胞,根据细胞核和细胞质中的放射性强弱来判断。
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知识点二 DNA复制的过程
[题型一 DNA复制的过程及特点]
2.某DNA片段为eq \a\vs4\al(—ATGTG—,—TACAC—),可进行人工复制使其数量增加,复制时应给予的条件是( )
①—ATGTG—和—TACAC—作模板链 ②四种核糖核苷酸 ③四种脱氧核苷酸 ④DNA聚合酶 ⑤DNA水解酶
A.①③④
B.①②④ C.①②⑤
D.①③⑤
11.如图是DNA复制的片段,图中a、b、c、d表示各条脱氧核苷酸链。一般地说,下列各项正确的是( )
A.a和c的碱基序列相同
B.b和c的碱基序列一般不同
C.a链和c链中的eq \f(A+T,C+G)的比值相同
D.该过程可以在一切生物体中发生
解析 a链和c链碱基序列相同,所以eq \f(A+T,C+G)的比值相同,A、C正确;b和c的碱基序列互补,一般不同,B正确;病毒DNA的复制都是在宿主细胞中进行的,病毒中不能进行DNA的复制,D错误。
2.某个T2噬菌体的DNA双链都被15N标记,侵染未标记的大肠杆菌后,共释放出n个子代噬菌体,整个过程中共消耗a个腺嘌呤。下列叙述正确的是( )
A.子代噬菌体中含15N的个体所占比例为eq \f(1,2n-1)
B.可用含15N的培养基直接培养出第一代噬菌体
C.噬菌体DNA复制过程需要的模板、酶、ATP和原料都来自大肠杆菌
D.第一代噬菌体的DNA中含有eq \f(a,n-1)个胸腺嘧啶
解析 用15N标记某个T2噬菌体的DNA双链,让该T2噬菌体侵染未标记的大肠杆菌后,释放出的n个子代噬菌体中,有2个被15N标记,因此子代噬菌体中含15N的个体所占的比例为eq \f(2,n),A错误;T2噬菌体为病毒,没有细胞结构,不能独立生存和繁殖,不能用培养基直接培养,B错误;T2噬菌体侵染大肠杆菌时,只将DNA注入大肠杆菌内,T2噬菌体DNA复制过程所需的模板为其自身的DNA,所需的酶、ATP和原料都来自大肠杆菌,C错误;1个T2噬菌体侵染未标记的大肠杆菌后,释放n个子代噬菌体,共消耗a个腺嘌呤,则每个DNA分子中腺嘌呤的个数为eq \f(a,n-1),由于T2噬菌体的遗传物质为DNA,根据碱基互补配对原则,一个双链DNA中的腺嘌呤数目与胸腺嘧啶数目相等,故第一代噬菌体的DNA中含有eq \f(a,n-1)个胸腺嘧啶,D正确。
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