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【转载】例说高中生物学中的“筛选”  

2013-01-29 16:23:00|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自生物清风岭《例说高中生物学中的“筛选”》

生物学通报2012 年第47 卷第1

梁愈(宁波市鄞州中学浙江宁波315101

摘要  就高中生物学中有关的筛选知识进行了分类梳理, 旨在使学生对种类繁多的筛选知识形成系统的认识。

关键词高中生物学筛选

中国图书分类号:Q4 文献标识码:E

在高中生物学知识体系中有很多筛选的知识。按照是否有人为因素参与,可将筛选划分为自然筛选和人工筛选2 类。所谓自然筛选是指在无人为因素的干扰下, 依靠自然界或生物体自身的生理作用, 对某些生命物质或结构进行的选择作用。而人工筛选则指借助人工的方法选择出对人类有利的新品种或某物质。2 种筛选具有不同的目的,自然筛选往往对于生物( 个体、群体) 自身的生存和发展有利, 而人工筛选则一般对生物的生存和发展不一定有利,往往有利于人类的需求。

1 自然筛选

1.1 人体的免疫系统对异常细胞的筛选

免疫是生物体在系统进化和个体发育过程中逐步获得的一种防卫能力。人体的免疫功能主要包括3 个方面的内容:1)机体抵抗外界传染性因子的免疫防护功能;2)机体清除损伤和死亡细胞, 维持自身生理平衡的自身稳定功能;3 对机体监视, 发现并清除突变细胞、非正常分化细胞的免疫监视功能。在正常生理条件下,机体的免疫系统依靠其先天具有的免疫能力及后天获得的免疫能力来共同发挥免疫作用,保持机体的生理功能相对稳定。若免疫功能发生异常, 就会导致机体生理功能的失调,从而出现病理性变化。通过上述免疫的功能可以知道, 人体的免疫系统对于异常细胞具有一定的筛选作用。

1.2 桦尺蠖体色的筛选

这是自然选择中的单向性选择的一个实例。桦尺蠖(Biston betularia )体色有2 种表现型,野生型是灰色的,突变型是黑色的。在没有受到工业污染的森林里,树干和岩石上长满了灰色的地衣。灰色的蛾子和灰色的背景混为一体,常常可以逃避鸟类的捕食。黑色的桦尺蠖则在灰色的背景上凸显出来, 容易被鸟类发现而被捕食。实验证明,在这种条件下,灰色蛾存活的概率是黑色蛾的1 倍。二者存活的概率有了差别,自然选择发挥了作用。在19 世纪英国工业革命之前,曼彻斯特地区的桦尺蠖群体中,灰色的野生型占绝对优势。后来工业污染使森林中大部分地衣消失,树干和岩石呈现深暗颜色。这时,黑色桦尺蠖被保护起来。灰色的桦尺蠖在深暗的背景上凸显出来,容易被鸟类捕食。这使得2 种蛾的存活率发生了逆转,群体中黑色蛾逐渐增多。到了1900 年,群体几乎全部由黑色突变型组成。人们将这种现象称之为工业黑化现象。这是人们在自然界中收集到的第1 个自然选择的实例。

1.3 马德拉群岛上甲虫的筛选

这是自然选择中的分裂性选择的典型实例。达尔文在环球旅行时,发现在马德拉群岛上大约存在着550 种甲虫,这550 种甲虫翅膀的状况是: 一类是翅膀特别发达的,另一类是翅膀已经退化成为平衡棒的。为什么甲虫的翅膀没有中间类型呢?达尔文经过研究,发现造成这种状况的主要原因, 是由于这个岛上的风特别大,在这样的环境里,翅膀发达的甲虫具备与大风搏斗的本领, 而翅膀退化的甲虫无力迎风斗浪,只能栖息在石头下,这样也可避免大风的袭击而保存下来。因此自然选择筛选了翅膀发达和翅膀退化的甲虫, 而淘汰的是翅膀介于二者之间的中间类型。

上述的曼彻斯特地区桦尺蠖体色的筛选,以及马德拉群岛上甲虫翅膀的筛选, 由于将来都能够分化出新的物种, 因此又将这2 种自然选择叫做前进性选择。

1.4 人体对于营养物质的筛选

1.4.1 一次筛选

人体的营养物质主要来自食物,食物中的大分子的有机物如淀粉、脂质和蛋白质经过消化后成为溶于水、小分子的有机物才能被吸收。营养物质吸收的主要场所是小肠。氨基酸、葡萄糖主要通过小肠壁的毛细血管被吸收, 甘油和脂肪酸主要通过小肠壁的毛细淋巴管被吸收。这些营养物质随着血液循环被送入组织细胞, 一方面构建细胞,另一方面为细胞的生命活动提供能量。

1.4.2 二次筛选(重吸收)

二次筛选即重吸收。重吸收是指肾小管、集合管等结构对原尿中的营养成分进行再吸收的生理过程。通过肾小球毛细血管球的滤过作用,在肾小囊腔中先形成原尿,由于原尿中含有大量的营养物质, 如葡萄糖、无机盐、水等,当原尿通过肾小管和集合管时,大部分的水、部分无机盐、全部的葡萄糖都通过它们的上皮细胞重新吸收回血液。

小肠壁对食物中的营养成分的吸收是第1 次筛选,肾小管和集合管的重吸收属于第2 次筛选。

1.5 细胞膜的水通道蛋白对水分子的筛选

水分子进入细胞有2 种方式:一种是直接通过脂双层进入,另一种方式是通过水通道蛋白。水分子进入细胞是一个筛选的生理过程,那么水通道蛋白是怎样对水分子进行严格筛选的呢? 首先,通道的空间大小只能容纳单个水分子,限制了比水分子大的分子通过。以水分子具有专一通透性的AQP1 为例,AQP1 的中心通道呈哑铃状, 狭口处在脂双层中央B 环和E 环相互作用的NPA 序列位置附近。构成中心孔道表面的氨基酸残基中,亲水和疏水的残基数量基本是对等的。这些亲水残基在对水分子去水化过程中有重要作用。另外,中心孔道最窄处由4个残基构成, 包括亲水的His180Arg195Cys189和疏水的Phe56。虽然这一缩口只有1 个氨基酸残基的跨度, 但是它2.8×1010 m 的直径仍然阻断了比水分子大的离子和溶质的通过[1]。

2 人工筛选

2.1 筛选杂种细胞

2.1.1 在基因工程中,筛选含有目的基因的杂种细胞

获得目的基因的方法大致上有:PCR 扩增法、构建基因文库和化学合成。目的基因只有与运载体结合才能送入受体细胞。因为每种表达载体只有在细胞内才能进行复制和表达。

宿主细胞是大肠杆菌等原核生物的导入可以采用转化法。转化过程用的受体细胞经过一些特殊的方法(电击法、CaCl2)的处理后,使细胞膜的通透性发生暂时的改变,成为能够允许外源DNA 分子进入的感受态细胞。进入受体细胞的DNA 分子通过复制、表达,实现遗传信息的转移,使受体细胞出现新的遗传性状。将经过转化后的细胞,放在选择培养基上培养, 就可以筛选出含有表达质粒的转化子,即“工程菌株”。之所以要在选择培养基上进行筛选,是因为在受体细胞中存在着质粒-质粒,目的基因-目的基因,质粒-目的基因等类型的细胞, 而人们需要的是含有质粒-目的基因的细胞。目前常用的感受态细胞的制备方法是CaCl2法,此法简单易行,且转化率完全能够满足实验的要求。制备出来的感受态细胞暂时不用时,可加入占总体积15%的无菌甘油在-70保存。

宿主细胞是动物细胞、酵母菌等,可采用脂质体介导、电穿孔和显微注射等方法将表达载体导入宿主细胞或个体中,以实现外源基因的表达[2]。

2.1.2 在植物细胞工程中,筛选杂种植物细胞

当融合后的细胞混合物移植到适当的培养基上进行培养时,生长出来的细胞是许多细胞的混合物,而人们需要的是杂种细胞, 因此要对细胞的混合物进行筛选。筛选的方法是:

1)细胞系互补选择法:包括叶绿体缺失互补、营养缺陷互补和抗性互补等;

2)物理特异性差异选择法:利用2 个原生质体的物理特异性差异的选择, 包括原生质体的大小、颜色、浮密度等的不同进行选择;

3)生长特异性差别选择法:根据2 种原生质体亲本的生长特异性来选择。

现以烟草与大豆的原生质体融合为例来说明:当烟草与大豆的原生质体融合后,将原生质体转移到适当的培养基上培养, 使原生质体再生出细胞壁。在这些新长出的细胞中,不仅有烟草-大豆细胞, 还有烟草细胞、大豆细胞、烟草-烟草细胞,大豆-大豆细胞。根据2 种亲本细胞在形态、色泽上的差异, 将细胞分别接种在带有小格的培养皿中,每个小格放13 个细胞。在显微镜下找出杂种细胞,并且标定位置。待杂种细胞分裂成细胞团时,再转移到培养皿中,培养成愈伤组织[2]。

213 在动物细胞工程中,筛选杂种动物细胞

经过PEG 处理后的2 种亲本细胞,可以形成B 淋巴细胞-B 淋巴细胞、骨髓瘤细胞-B 淋巴细胞、骨髓瘤细胞-骨髓瘤细胞以及未融合的亲本细胞等多种细胞成分。在上述细胞中,只有骨髓瘤细胞与免疫的B 淋巴细胞融合后形成的异核细胞,才可形成杂交瘤。那么如何将杂交瘤细胞从混合的细胞中筛选出来呢? 通常采用含有次黄嘌呤(hypoxanthineH)、氨基蝶呤(aminoptennA 和胸腺嘧啶核苦(thymidineT HAT 培养基中进行筛选。融合后每35 d 换一次HAT 培养液,每次1/2换入新液,连续2 周。35 d 后,未融合以及自身融合的细胞就会逐渐死亡,1 周左右可出现克隆,并不断增殖。当细胞布满培养板底部1/2 时,即可取上清液作抗体活性检验筛选[2]。

22 筛选产生单克隆抗体的细胞

在单克隆抗体的制备过程中牵涉到2 次筛选。上述2.1.3 中的筛选的只是筛选杂交瘤细胞。但并不是所有的杂交瘤细胞都能产生出单克隆抗体。因此在杂交瘤细胞中还要进行第2 次筛选。

2 次筛选的常用方法有:

1)放射性免疫测定:这种方法用于可溶性抗原细胞的单克隆抗体检测。

2)酶联免疫吸附试验:用于可溶性抗原、细胞和病毒等的单克隆抗体的检验。

3)免疫荧光试验:用于细胞表面抗原的单克隆抗体的检验。

利用上述方法便可找出针对目标抗原的抗体的阳性杂交瘤细胞[3]。

23 在杂交育种中,筛选人们所需要的优良品种

一位美丽的女性对爱因斯坦说:“如果我们结婚, 生的孩子一定会像你一样聪明, 像我一样漂亮”。爱因斯坦却说:“如果生的孩子像你一样愚蠢,像我一样丑,那该怎么办呢”? 这就是说,杂交有优势但也不排除劣势, 因此要对杂交后代进行筛选。一个农作物品种的形成,一般通过杂交、筛选、纯化等手段才能够培养出来。例如,有2 个不同的番茄品种,一个是抗病、黄果肉的品种,另一个是易染病、红果肉的品种,目标是培养出一个既抗病又是红果肉的新品种, 并且新品种的性状能够稳定遗传。首先,将这2 个番茄品种进行杂交,所得的子二代中只有3/16 是兼有这2 个优良性状的新类型,其中仅有1/3 是稳定遗传的纯合子,其余2/3 是不能稳定遗传的杂合子。因此需要将具有优良性状的子二代连续自交, 筛选出既抗病又是红果肉的能够稳定遗传的优良品种。

24 在诱变育种中筛选优良品种

241 对诱变植物品种的筛选

依据基因突变的原理,用一定剂量的射线照射生物体,会使其发生基因突变, 通过筛选获得人们所需要的优良品种。在植物新品种的培育方面,如浙江省农科院采用γ 射线处理籼稻种子,结果筛选出了提早15 d成熟的新品种。山西省用辐射的方法育成的“太辐1 号”,比原品种更为耐寒、耐旱和抗病。目前在培育农作物新品种方面,我国已培育出包括玉米、小麦、水稻、大豆在内的200 多个优良品种。

242 对动物品种的筛选

通过辐射育种的方法筛选动物品种最突出的实例是家蚕。由于雄蚕比雌蚕的出丝率高出20%30% 所以人们更加愿意饲养雄蚕。利用辐射方法,诱发常染色体上带有卵色基因的片段易位到W 染色体上,使ZW 卵和不带卵色基因的ZZ 卵区别开来。这样就可以在家蚕卵还未孵化时,能够区分出雌、雄了,以便使人们及早淘汰雌蚕并筛选出雄蚕,以提高蚕丝的质量和产量。

243 对微生物品种的筛选

这方面最典型的实例是青霉素产量的提高。青霉素最初的产量是极低的,1943 年从自然界分离出来的青霉菌只能产生青霉素20 单位/mL 后来人们对青霉菌多次进行X-射线、紫外线以及综合处理,培育出了青霉素产量很高的菌株。目前已经选育出了发酵单位在数千倍的菌株。

25 对不同种类微生物的筛选

在培养基中加入某种化学物质, 可以抑制不需要的微生物的生长,以获得人们所需要的微生物。比如需要酵母菌和霉菌时,就可以在培养基中加入青霉素,来抑制细菌、放线菌的生长,从而筛选出酵母菌和霉菌。又比如,筛选金黄色葡萄球菌时,就可以在培养基中加入高浓度的食盐, 就可以抑制多种细菌的生长,但不影响金黄色葡萄球菌的生长,从而可筛选出金黄色葡萄球菌。

上述的人工“筛选”往往与培育动、植物的新品种有关, 这主要表现在培育植物和微生物新品种上,在动物新品种培育方面还未见报导。动物细胞融合技术的应用目前主要是获取单克隆抗体。总之, 通过对高中生物学中的“筛选” 方式的归纳,使学生对诸多的“ 筛选” 形成系统的理解, 深刻认识“筛选”手段的重要作用。

主要参考文献

1 王晶,桑建利.水通道蛋白的基本结构与特异性通透机理.生物学通报,2011,2:21.

2 高晓蓉, 李文利. 生命科学与工程概论. 化学工业出版社,2007,3:122—160.

3 王廷伟. 单克隆抗体的制备及考查例解. 中学生物教学,2008,8:57.

Emaillyyer@suhu,com)

http://sw.smez.net/YiChuanYuJinHua/2012-06/2160.htm


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