简析一道同位素标记法测细胞周期的竞赛题

罗招军

说明：下题出自浙江省第11届高中生物学竞赛第六题，诸多高考资料有所改编，但答案与解析多有语焉不详，下面试分析之。

原题：一个完整的细胞周期包括间期和分裂期（即M期），间期又可划分为G1期（主要进行RNA和有关蛋白质的合成）、S期（进行DNA分子复制）和G2期（继续合成少量的蛋白质和RNA）。

在某生物细胞培养液中加入用3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸，短暂培养一段时间后，洗去3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸。使在该段时间内已处于DNA复制期不同阶段的全部细胞中DNA被3H标记，而当时处于其他时期的细胞则不带标记。不同时间取样做细胞放射性自显影，找出正处于有丝分裂的分裂期（M期）细胞，计算其中带3H标记的细胞占有丝分裂细胞的百分数。得到下图（图1～图4中横轴为时间，纵轴为带标记细胞占总细胞数的百分数）：

（1） 图1B中a点开始检测到带3H标记分裂期细胞，则o~a为 期。

（2） 图1B中b点带3H标记分裂期细胞数开始达到最大值，则a~b段表示期。

（3） 图1C中c点时，带标记的细胞百分数开始下降，则a~c段所经历的时间相当于 期的时间。

（4） 此后，带标记的分裂期细胞数逐渐减少，直到消失，到第二次出现带有标记的细胞数时为图中e点，则d~e段所经历的时间相当于 时期的时间，因此一个完整的细胞周期的时间相当于 段经历的时间。

答案：（1） G2（或DNA复制后） （2） M（或分裂） （3） S（或DNA复制） （4） G1期和G2期 a~e

解析：基础知识：细胞周期的时间分段图（图2）。

关键条件：使处于DNA复制期不同阶段的全部细胞的DNA被3H标记，而处于其他时期的细胞则不带标记。然后找出正处于有丝分裂的分裂期细胞并计时（图3）。

故知：① a点，首次出现放射性标记，之前这段时间为G2期。理由：处于DNA复制最后阶段的细胞3最先进入分裂期，从而出现带标记的M期细胞,此细胞3经过的时间为G2（oa）。

② a点后，至b点，从最先开始出现放射性标记（0%）到放射性标记达到最高峰（100%），这段时间为M期。理由：后续的部分细胞相继进入了分裂期，到原处于DNA复制期最后阶段的细胞3完成有丝分裂时，分裂期各时刻都有了细胞，故放射性标记开始达到最高峰（100%）。此细胞3经过的时间为G2+M（ob）,故ab=ob-oa=G2+M-G2=M。

③ b到c，放射性标记持续为最高峰（100%），ac段时间为S期。理由：放射性标记开始达到最高峰（100%）时，还有部分后续的细胞没有进入分裂期，故100%的最高峰可以持续一段时间。当原处于DNA复制最先时期的细胞1开始进入分裂期时，最高峰结束，此细胞1经过的时间为S+G2（oc），故ac=oc-oa= S+G2-G2=S。

④ c到d, 即放射性标记由最高峰（100%）逐渐减少，直至为0。此时，原处于DNA复制最先时期的细胞1完成有丝分裂，不再有本周期的细胞带标记。此细胞1经过的时间为S+G2+M（od），cd=od-oc=（Ｓ＋Ｇ２＋Ｍ）－（Ｓ＋Ｇ２）＝M。

⑤ 到e点时，第二周期的细胞开始出现标记，即原处于DNA复制期最后阶段的细胞3再次进入分裂期，经历的时间为一个细胞周期（一个周期的分裂开始到下一周期的分裂开始，即分裂开始到分裂开始，总时间与一个完整周期(即一次分裂结束到下一次分裂结束）相同），即ae。也可运算：

oe=G2+M+G1+S+G2，而oa=G2，故ae=oe-oa=（G2+M+G1+S+G2）-G2=G1+G2+S+M

也可分析：因为：ac=S，cd=M，de=oe-od=（G2+M+ G1+S+G2）-（S+G2+M）=G1+G2

所以：ae=ac+cd+de=S+M+（Ｇ１＋Ｇ２）＝G1+G2+S+M。

全部过程轨迹图示如图9所示。

后记：由解析过程可知，本题作为一道难度系数较大的竞赛题或者高考压轴题，确实名副其实：考查了高中生物的难点和热点——细胞周期和同位素标记法，还在此基础上进行了拓广和加深——进一步以信息的形式考察细胞分裂间期的分段。但是，如果教师有了雄厚的基础知识，充分利用题目信息，借用轨迹模型的方法，却可以化繁为简，令学生一目了然。