2024届高考生物一轮总复习第六单元基因的本质和表达第4讲同位素标记法在遗传物质研究中的应用教师用书

第4讲同位素标记法在遗传物质研究中的应用同位素标记法是生物学实验中经常应用的一种重要方法，它可以研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。在近年的高考生物考试中多以选择题的形式考查同位素标记法在遗传物质研究中的应用，试题常以高中生物学教材中涉及的放射性同位素应用的实验为载体进行命题，较好地体现了对学生的科学探究、科学思维、社会责任的考查。1．(2020·江苏高考)同位素可用于追踪物质的运行和变化规律。在生物科学史中，下列科学研究未采用同位素标记法的是()A．卡尔文(M.Calvin)等探明CO2中的碳在光合作用中的转化途径B．赫尔希(A.D.Hershey)等利用T2噬菌体侵染大肠杆菌证明DNA是遗传物质C．梅塞尔森(M.Meselson)等证明DNA进行半保留复制D．温特(F.W.Went)证明胚芽鞘产生促进生长的化学物质解析：选D温特的研究中利用胚芽鞘和琼脂块开展实验，该研究没有采用同位素标记法。2．(2021·浙江1月选考)现建立“动物精原细胞(2n＝4)有丝分裂和减数分裂过程”模型。1个精原细胞(假定DNA中的P元素都为32P，其他分子不含32P)在不含32P的培养液中正常培养，分裂为2个子细胞，其中1个子细胞发育为细胞①。细胞①和②的染色体组成如图所示，H(h)、R(r)是其中的两对基因，细胞②和③处于相同的分裂时期。下列叙述正确的是()A．细胞①形成过程中没有发生基因重组B．细胞②中最多有两条染色体含有32PC．细胞②和细胞③中含有32P的染色体数相等D．细胞④～⑦中含32P的核DNA分子数可能分别是2、1、1、1解析：选D从图中染色体的颜色可以看出，同源染色体的非姐妹染色单体之间发生了互换，所以细胞①中发生了基因重组，A错误；从细胞①到②③进行的是减数分裂，其中细胞②处于减数分裂Ⅱ后期，正常情况下，细胞①中的每条染色体上两条染色单体的两个DNA分子中一个只含31P，另一个含32P和31P，正常减数分裂Ⅱ后期应该为2条含有32P，但是发生了互换，就可能有更多的染色体含有32P，B错误；由于发生互换，导致染色单体上元素标记情况不同，所以细胞②和细胞③含有32P的染色体数目可能不同，C错误；细胞④～⑦是减数分裂形成的子细胞，如果细胞②H中含有32P和R所在染色体含32P，且细胞②中h所在染色体含有32P，则r所在染色体中不含32P，因此形成的细胞④含32P的核DNA分子数为2个，形成的细胞⑤含有32P的核DNA分子数为1个，由于细胞③的基因型为Hhrr(h为互换的片段)，h所在的染色体与其中一个r所在染色体含有32P(H和另一个r所在染色体不含32P)，如果含有32P的2条染色体不在同一极，则形成的细胞⑥⑦都含32P的核DNA分子数为1个，D正确。3．(2022·海南高考)科学家曾提出DNA复制方式的三种假说：全保留复制、半保留复制和分散复制(图1)。对此假说，科学家以大肠杆菌为实验材料，进行了如下实验(图2)：下列有关叙述正确的是()A．第一代细菌DNA离心后，试管中出现1条中带，说明DNA复制方式一定是半保留复制B．第二代细菌DNA离心后，试管中出现1条中带和1条轻带，说明DNA复制方式一定是全保留复制C．结合第一代和第二代细菌DNA的离心结果，说明DNA复制方式一定是分散复制D．若DNA复制方式是半保留复制，继续培养至第三代，细菌DNA离心后试管中会出现1条中带和1条轻带解析：选D第一代细菌DNA离心后，试管中出现1条中带，说明DNA复制方式一定不是全保留复制，可能为半保留复制或分散复制，A错误；若DNA复制方式为全保留复制，则第二代细菌DNA离心后，4个子代DNA分子中，1个为15N15N,3个为14N14N，会在试管中出现1条重带和1条轻带，与题图信息不符，B错误；结合第一代和第二代的离心结果，说明DNA复制方式是半保留复制，C错误；若DNA复制方式为半保留复制，继续培养至第三代，得到的8个子代DNA分子中，2个为15N14N,6个为14N14N，细菌DNA离心后试管中会出现1条中带和1条轻带，D正确。提能点(一)同位素标记法在实验中的应用同位素标记法是用示踪元素标记化合物，根据化合物的放射性确定物质的转移途径或对有关的化学反应进行追踪，也称为同位素示踪法。1．噬菌体亲子代个体与细菌之间的同位素标记关系比较项目DNA蛋白质DNA和蛋白质亲代噬菌体32P35S14C、3H、18O、15N培养细菌31P32S12C、2H、16O、14N子代噬菌体32P、31P32SC、H、O、N两种都有(1)该实验不能标记C、H、O、N这些DNA和蛋白质共有的元素，否则无法将DNA和蛋白质区分开。(2)35S(标记蛋白质)和32P(标记DNA)不能同时标记在同一噬菌体上，因为放射性检测时只能检测到放射性存在的部位，不能确定是何种元素的放射性。2．常用同位素标记法的实例同位素标记物质研究内容结论(结果)14CCO2暗反应中碳的转移途径发现卡尔文循环3H亮氨酸分泌蛋白的合成、分泌过程核糖体→内质网→高尔基体→细胞膜18OH2O和CO2光合作用中O2的来源产生的O2来自H2O，而不是CO215NDNADNA的复制DNA半保留复制32PDNA生物的遗传物质DNA是生物的遗传物质35S蛋白质[针对训练]1．用DNA双链均被32P标记的一个T2噬菌体侵染被35S标记的大肠杆菌，一段时间后释放出了m个子代T2噬菌体。下列有关叙述正确的是()A．用32P标记T2噬菌体的方法与用35S标记大肠杆菌的方法相同B．这m个子代T2噬菌体中，含32P的T2噬菌体所占的比例为1/mC．若子代T2噬菌体均同时含32P和35S，则该T2噬菌体只繁殖了一代D．经过培养，得到的m个子代T2噬菌体中有3/4含有35S解析：选CT2噬菌体为病毒，没有细胞结构，不能用培养基直接培养，而大肠杆菌属于原核生物，能用培养基直接培养，A错误；这m个子代T2噬菌体中，含32P的T2噬菌体所占的比例为2/m，B错误；由于DNA的复制为半保留复制，若子代T2噬菌体均同时含32P和35S，则该T2噬菌体只繁殖了一代，C正确；T2噬菌体培养过程中繁殖所需的原料都来自大肠杆菌，所以得到的m个子代T2噬菌体中都有35S，D错误。2．下列是应用同位素标记法进行的几种研究，其中错误的是()A．分别用32P和35S标记噬菌体的DNA和蛋白质用于证明DNA是主要的遗传物质B．给予某人131I，通过测定甲状腺的放射性可以反映甲状腺的功能状态C．用单细胞绿藻做14CO2示踪实验，不同时间点对放射性碳分析可得出暗反应的途径D．用放射性同位素标记某种氨基酸进行示踪，可得出分泌蛋白合成、加工和分泌的途径解析：选A噬菌体侵染细菌实验中分别用32P标记DNA、35S标记蛋白质的噬菌体侵染细菌，证明了DNA是噬菌体的遗传物质，不能证明DNA是主要的遗传物质，A错误；I是甲状腺细胞合成甲状腺激素的原料，给予某人131I，通过测定甲状腺激素的放射性可以反映甲状腺的功能状态，B正确；用单细胞绿藻做14CO2示踪实验，不同时间点对放射性碳分析可得出暗反应的途径是14CO2→14C3→(14CH2O)，C正确；用放射性同位素标记某种氨基酸进行示踪，可得出分泌蛋白合成、加工和分泌的途径，即核糖体→内质网→高尔基体→细胞膜，D正确。提能点(二)细胞分裂过程中染色体和DNA的标记问题1．DNA复制后DNA分子存在位置与去向(1)2个子DNA位置：当1个DNA分子复制后形成2个新DNA分子后，这2个子DNA位于两条姐妹染色单体上，且由着丝粒连在一起，如图所示：(2)子DNA去向：在有丝分裂后期或减数分裂Ⅱ后期，当着丝粒分裂时，两条姐妹染色单体分开，分别移向细胞两极，此时子DNA随染色单体分开而分开。2．有丝分裂中染色体标记情况分析(1)过程图解(一般只研究一条染色体)：复制一次(母链标记，培养液不含标记同位素)：转至不含标记同位素培养液中再培养一个细胞周期：(2)规律总结：若只复制一次，产生的子染色体都带有标记；若复制两次，产生的子染色体只有一半带有标记。3．减数分裂中染色体标记情况分析(1)过程图解：减数分裂一般选取一对同源染色体为研究对象，如下图(母链标记，培养液不含标记同位素)：(2)规律总结：由于减数分裂没有细胞周期，DNA只复制一次，因此产生的子染色体都带有标记。[针对训练]3．核DNA被32P标记的精子与未被标记的卵细胞受精后，在不含放射性标记的培养基中连续分裂两次，下列分析正确的是()A．放射性细胞数量与所有细胞数量之比逐代减少B．放射性DNA分子数与所有细胞总DNA分子数之比逐代减少C．可以确定含有放射性的细胞数，因为分裂后期姐妹染色单体均分到两极D．无法确定含有放射性的细胞数，因为分裂后期非同源染色体自由组合解析：选B由于DNA的半保留复制，含有标记的DNA分子在未标记的原料中连续复制两次，带有放射性标记的DNA分子数与所有细胞总DNA分子数的比例将逐代减少，含有放射性的细胞数量与所有细胞数量之比不一定逐代减少，A错误，B正确；有丝分裂后期姐妹染色单体分开后随机进入两个子细胞中，第一次分裂产生的子细胞都含有放射性，但第二次分裂后含有放射性的细胞数目无法确定，C错误；受精卵进行有丝分裂，不会发生基因重组，D错误。4．如图表示某生物的精原细胞在条件X下最终形成了四个细胞，条件X可能是①精原细胞某一对同源染色体中的一条染色体上的DNA双链均被15N标记；②精原细胞某一对同源染色体中的两条染色体上的DNA双链均被15N标记；③进行减数分裂；④进行有丝分裂。下列有关说法正确的是()eq\x(某生物的精原细胞2N＝4)eq\o(→,\s\up7(条件X))eq\x(四个细胞)A．若条件X为①③，则处于减数分裂Ⅱ后期的两个次级精母细胞中均含被15N标记的染色体B．若条件X为②③，则处于减数分裂Ⅱ后期的两个次级精母细胞中均含有两条被15N标记的染色体C．若条件X为①③，则产生的四个精细胞一定均含被15N标记的染色体D．若条件X为②④，则产生的四个子细胞一定均含被15N标记的染色体解析：选B若只标记了某一对同源染色体中的一条染色体上的DNA双链，进行减数分裂时，DNA只复制一次，在减数分裂Ⅰ中随着同源染色体分开，被15N标记的染色体只能进入一个次级精母细胞中，A错误；若精原细胞某一对同源染色体中的两条染色体上的DNA双链均被15N标记，那么减数分裂Ⅰ时该对同源染色体中的四条染色单体都被15N标记，则减数分裂Ⅱ后期时两个次级精母细胞均含有两条被15N标记的染色体，B正确；若精原细胞某一对同源染色体中的一条染色体上的DNA双链均被15N标记，经减数分裂产生的四个精细胞中，只有两个精细胞含有被15N标记的染色体，C错误；若精原细胞某一对同源染色体中的两条染色体上的DNA双链均被15N标记，进行有丝分裂时，第一次有丝分裂产生的两个细胞中都含有一条DNA单链被15N标记的染色体，在第二次有丝分裂中期，被标记的染色体中的两条姐妹染色单体中，只有一条姐妹染色单体含15N标记，另一条不含15N标记，有丝分裂后期染色体向细胞两极移动是随机的，因此产生的子细胞中可能含15N标记也可能不含15N标记，D错误。提能点(三)用同位素标记法研究DNA复制的方式1．实验方法同位素标记法和离心技术。2．实验原理含15N的双链DNA密度大，含14N的双链DNA密度小，一条链含14N、一条链含15N的双链DNA密度居中。3．实验假设DNA以半保留的方式复制。4．实验预期离心后应出现3条DNA带。重带(密度最大)两条链都为15N标记的亲代双链DNA中带(密度居中)一条链为14N标记，另一条链为15N标记的子代双链DNA轻带(密度最小)两条链都为14N标记的子代双链DNA5.实验过程6．过程分析(1)立即取出，提取DNA→离心→全部重带。(2)繁殖一代后取出，提取DNA→离心→全部中带。(3)繁殖两代后取出，提取DNA→离心→1/2轻带、1/2中带。7．实验结论：DNA复制是以半保留的方式进行。[针对训练]5．科学家为了探究DNA复制方式，先用含有15NH4Cl的原料来培养大肠杆菌若干代作为亲本，再将亲本大肠杆菌转移到含14NH4Cl的原料中培养，收集不同时期的大肠杆菌并提取DNA，再将提取的DNA进行离心，记录离心后试管中DNA的位置。(1)用含有15NH4Cl的原料来培养大肠杆菌若干代作为亲本，培养若干代的目的是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)有科学家认为DNA的复制是全保留复制，复制形成的两条子链结合在一起，两条模板链重新结合在一起。若是全保留复制，则实验结果是子一代的DNA位置是________________________。(3)科学家进行实验，得到的实验结果是子一代的DNA位置全在中带，子二代的DNA位置一半在中带，一半在轻带。这个结果否定了全保留复制，你对此的解释是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)有人认为，将子一代的DNA分子用解旋酶处理后再离心，就能直接判断DNA的复制方式，如果1/2为轻带，1/2为重带，则一定为半保留复制。你认为这种说法是否正确，并说出你的理由。_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)用含有15NH4Cl的原料培养大肠杆菌若干代后确保实验所用的大肠杆菌的DNA都被15N标记。(2)若为全保留复制，亲代DNA为15N/15N­DNA，子一代DNA为15N/15N­DNA、14N/14N­DNA，一半在重带，一半在轻带。(3)DNA半保留复制，子一代DNA为15N/14N­DNA，子二代DNA一半为15N/14N­DNA，一半为14N/14N­DNA。(4)全保留复制和半保留复制的子一代DNA分子用解旋酶处理后再离心，结果是相同的，均为1/2重带，1/2轻带，不能确定复制方式。答案：(1)保证用于实验的大肠杆菌的DNA中都含有15N(2)一半在重带，一半在轻带(3)DNA的复制是半保留复制，即新形成DNA分子的两条链中，一条为母链，一条为以母链作为模板形成的子链(4)不正确，因为无论是全保留复制还是半保留复制，子一代用解旋酶处理后都有一半的单链含15N，一半的单链含14N，离心后都是1/2为重带，1/2为轻带[课时验收评价]1．同位素标记法是生物学实验和研究中常用的技术方法。下列有关说法错误的是()A．鲁宾和卡门研究光合作用过程中氧气的来源时用到了同位素标记法B．研究豚鼠胰腺腺泡细胞分泌蛋白的合成和分泌的过程采用了放射性同位素标记法C．噬菌体侵染细菌的实验采用了放射性同位素标记技术D．科学家证明细胞膜具有流动性的人鼠细胞融合实验中用到了放射性同位素标记法解析：选D科学家证明细胞膜具有流动性的人鼠细胞融合实验中用到了荧光标记法，D错误。2．同位素标记法在生物学研究中具有广泛的用途，下列是生物学发展史上的几个重要实验：①DNA半保留复制的实验证据②DNA双螺旋结构模型的构建③肺炎链球菌的转化实验④噬菌体侵染细菌的实验其中没有应用同位素标记法的是()A．①② B．③④C．②③ D．①④解析：选C15N标记DNA分子，证明了DNA分子的复制方式是半保留复制，①正确；DNA双螺旋结构模型的构建属于构建物理模型，没有应用同位素标记法，②错误；肺炎链球菌的(体内和体外)转化实验均没有应用同位素标记法，③错误；噬菌体侵染细菌实验应用了同位素标记法(用35S标记噬菌体的蛋白质外壳，用32P标记噬菌体的DNA，分别侵染细菌)，④正确。3．用32P标记了玉米根尖分生区细胞(2N＝20)的DNA分子双链，再将这些细胞转入不含32P的培养基中培养，在第二次细胞分裂的中期、后期，一个细胞中的染色体总数和被标记的染色体数分别是()A．中期20和20、后期40和20B．中期20和10、后期40和20C．中期20和20、后期40和10D．中期20和10、后期40和10解析：选A玉米根尖分生区细胞有丝分裂中期、后期染色体条数分别为20和40条。而第一次有丝分裂完成时，每个DNA分子中都有1条链被32P标记；第二次有丝分裂过程中，只有一半的DNA分子被32P标记；中期时，染色单体没有分开，故被标记的染色体数为20条，而后期由于染色单体的分开，染色体数加倍为40条，故被标记的染色体数只有一半，即20条。4．噬菌体侵染细菌的实验中，若甲组用3H标记的噬菌体侵染35S标记的大肠杆菌，乙组用14C标记的噬菌体侵染32P标记的大肠杆菌。下列有关叙述正确的是()A．甲组的大肠杆菌由含35S的培养基直接培养获得B．甲组子代噬菌体的蛋白质外壳均含3H、35SC．乙组子代噬菌体的DNA均含14C、32PD．由甲、乙两组实验可说明DNA是噬菌体的遗传物质解析：选A用3H标记噬菌体，噬菌体的蛋白质外壳没有进入大肠杆菌，子代噬菌体的蛋白质外壳是以大肠杆菌的氨基酸为原料合成的，因此甲组子代噬菌体的蛋白质外壳均含35S，均不含3H，B错误；14C标记的噬菌体的DNA进入大肠杆菌，以大肠杆菌中的脱氧核苷酸为原料进行半保留复制，乙组子代噬菌体的DNA均含32P，少部分含14C，C错误；甲、乙两组均无法区分DNA和蛋白质，无法说明噬菌体的遗传物质是DNA还是蛋白质，D错误。5．将某一细胞中的一条染色体上的DNA用14C充分标记，其同源染色体上的DNA用32P充分标记，置于不含放射性的培养液中培养，经过连续两次细胞分裂(不考虑互换)。下列说法正确的是()A．若进行减数分裂，则四个细胞中均含有14C和32PB．若进行有丝分裂，某一细胞中含14C的染色体可能是含32P染色体的两倍C．若进行有丝分裂，则四个细胞中可能三个有放射性，一个没有放射性D．若进行减数分裂，则四个细胞中可能两个有放射性，两个没有放射性解析：选C若进行减数分裂，同源染色体会分开，因此四个细胞中有两个细胞都含有14C，另外两个细胞都含有32P，都有放射性，A、D错误；若进行有丝分裂，因为标记的是细胞中的一对同源染色体，因此不会出现含14C的染色体是含32P染色体两倍的情况，B错误；若进行有丝分裂，DNA复制两次，细胞分裂两次，由于有丝分裂后期，姐妹染色单体分开后形成的子染色体移向细胞两极是随机的，因此，四个细胞中可能三个有放射性，一个没有放射性，C正确。6．如图表示采用同位素示踪技术和离心处理来探究DNA复制方式的过程图解，下列说法错误的是()A．图中轻带表示14N/14N的DNA分子B．本实验证明DNA的复制方式为半保留复制C．若将DNA双链分开来离心，则b、c两组实验结果都是得到两个条带D．细菌繁殖四代后取样提取DNA，离心后的条带类型及数量与繁殖两代后的提取离心结果不同解析：选D由于15N与14N的原子量不同，形成DNA的相对分子质量不同，因此图中轻带表示14N/14N的DNA分子，A正确；细菌繁殖四代后取样提取DNA离心后的条带类型与繁殖两代后的提取离心结果相同，均为中带和轻带，D错误。7．取一个含有一对同源染色体的受精卵，让其在含被3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养基中完成一次细胞分裂，然后在不含放射性标记的培养基中继续完成一次细胞分裂。下列叙述错误的是()A．第一次细胞分裂中，细胞内放射性迅速升高的时期在分裂间期B．第一次细胞分裂结束后，每个子细胞中都有一半的染色体被标记C．第二次细胞分裂的中期，每条染色体中仅有一条单体被标记D．第二次细胞分裂结束后，每个子细胞中含3H的染色体数目可能不同解析：选B胸腺嘧啶是合成DNA的原料，而DNA的复制发生在分裂间期，因此第一次分裂过程中，细胞内放射性迅速升高的时期是分裂间期，A正确；第一次分裂完成后，每个子细胞中所有染色体都被标记，B错误；第一次分裂完成时，每个子细胞的染色体都被标记，第二次分裂的后期，着丝粒分裂，姐妹染色单体分开并随机移向两极，因此完成两次分裂后，每个子细胞中含标记的染色体数目不一定相同，D正确。8．如图为T2噬菌体感染大肠杆菌后，大肠杆菌内放射性RNA与T2噬菌体DNA及大肠杆菌DNA的杂交结果。下列叙述错误的是()A．可在培养基中加入3H-尿嘧啶用以标记RNAB．参与分子杂交的放射性RNA为相应DNA的转录产物C．第0min时，与DNA杂交的RNA来自T2噬菌体及大肠杆菌的转录D．随着感染时间增加，噬菌体DNA的转录增加，细菌基因活动受到抑制解析：选C尿嘧啶是RNA特有的碱基，可以用3H尿嘧啶标记RNA，A正确；RNA能与DNA杂交，那RNA一定为相应DNA的转录产物，B正确；在第0min时，大肠杆菌还没有感染T2噬菌体，所以在大肠杆菌体内不存在T2噬菌体的DNA，其也不会转录，C错误；从图中可以看出，随着感染时间增加和T2噬菌体DNA杂交的放射性RNA所占百分比越来越高，说明噬菌体DNA的转录增加，而和大肠杆菌DNA杂交的放射性RNA所占百分比越来越低，说明其转录受到抑制，D正确。9．下图表示利用大肠杆菌探究DNA复制方式的实验，下列叙述正确的是()A．可用噬菌体代替大肠杆菌进行上述实验B．可用(NH4)eq\o\al(35,2)SO4、(NH4)eq\o\al(32,2)SO4分别代替15NH4Cl、14NH4Cl进行上述实验C．试管③中b带的DNA的两条链均含有14ND．仅比较试管②和③的结果不能证明DNA复制方式为半保留复制解析：选D噬菌体是病毒，不能用普通培养基培养，因此不能用噬菌体代替大肠杆菌进行上述实验，A错误；S不是DNA的特征元素，因此不能用含有标记S的化合物代替15NH4Cl、14NH4Cl进行上述实验，B错误；试管③中a带的DNA的两条链均含有14N，而b带的DNA的一条链含有14N、一条链含有15N，C错误。10．取自某生物(2n＝8)的一个原始生殖细胞，先用15N标记其8条双链DNA，之后置于含14N的培养基中培养，得到了4个子细胞。检测它们的放射性。下列推断错误的是()A．该原始生殖细胞培养期间完成了两次有丝分裂或一次完整的减数分裂过程B．若进行有丝分裂，则4个子细胞中含15N的染色体的子细胞的比例一定是50%C．若进行减数分裂，则减数分裂Ⅱ后期每个细胞中含14N的染色体均为8条D．若细胞分裂过程中发生了基因重组，则4个子细胞中的每条染色体一定都含15N解析：选B第一次有丝分裂结束后形成的2个子细胞中的染色体均被标记。第二次有丝分裂，DNA分子复制后，每条染色体中1个DNA分子为15N/14N，1个DNA分子为14N/14N。分裂结束后形成的4个子细胞均含有8条染色体，含有15N/14N的染色体数为0～8，则4个子细胞中含15N的染色体的子细胞的比例是50%或75%或100%，B错误；若进行减数分裂，DNA分子只复制一次，减数分裂Ⅱ后期每个细胞含有8条染色体，每条染色体的DNA分子均是15N/14N，C正确；若细胞分裂过程中发生了基因重组，则细胞进行减数分裂。减数分裂只复制一次，连续分裂两次，形成的4个子细胞中的染色体均是15N/14N，D正确。11．科研工作者做噬菌体侵染细菌的实验时，分别