与微生物营养缺陷型有关的试题例析

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  有关微生物营养缺陷型的试题在高中生物学习中经常遇到,并且都有一定的难度.因此本文对此作归纳例析.
  
  一、确定营养缺陷型微生物中间产物的合成顺序
  
  首先应搞清几个概念.所谓野生型就是变异前的原始菌株.营养缺陷型是指野生型菌株经过人工诱变或者自然突变失去合成某种营养(氨基酸、维生素、核酸等)的能力,只有在基本培养基中补充所缺乏的营养因子才能生长,成为营养缺陷型.营养缺陷型是一种生化突变株,它的出现是由基因突变引起的.
  基本培养基:凡能满足某一菌种野生型和原养型菌株营养要求的最低成分的组合培养基.
  完全培养基:凡可满足一切营养缺陷型菌株营养需要的天然或者半天然培养基,成为完全培养基.
  补充培养基:在基本培养基中有针对性地加上某一种或几种其自身不能合成的成分,以满足相应营养缺陷型生长的培养基.
  【例1】 某研究性小组研究的课题是“探究影响细菌生长繁殖的因素”.他们在培养细菌的过程中,发现某种细菌的生长和繁殖受营养成分和温度等条件的影响.
  (1)研究小组在探究温度对某种细菌的影响时,对细菌繁殖一代所需的时间(代时)与温度的关系做了有关的数据统计,见下列表格:
  依据上表推测,适合该细菌繁殖的最适温度约为_______________.
   (2)研究小组Ⅱ发现某种细菌有5种营养缺陷型菌株1、2、3、4、5,它们不能合成生长所必需的物质G,已知A、B、C、D、E都是合成G物质的必需中间产物,但不知这些物质合成的顺序,于是在培养基中分别加入这几种物质并分析了这几种物质对各种营养缺陷型菌株生长的影响,结果如下表所示.(+:表示生长;-:表示不生长)
  根据以上结果,推测这几种物质的合成顺序应是_________.由于A—C所需的量很少,属于微生物所需营养要素中的___________,它们一般是的组成成分____________.
  (3)假定在细菌培养过程中,出现了某种突变的菌种,为了分离获得不能合成某种维生素的营养缺陷型菌株,设计一个实验以鉴定这种维生素的类型.
  第一步:将变异菌株接种到__________培养基上扩大培养;
  第二步:配制系列培养基.此时应将____________设为实验的自变量;
  第三步:将扩大培养的变异菌株____________;
  第四步:观察细菌的生长情况.在实验操作过程中自始至终要注意___________操作.
  (4)实验结果分析:______________.
  解析:细菌繁殖一代所需时间最短的温度就是该细菌的最适温度.
  由于题中给出G是必需的物质,在5种突变菌株中只要加入G都能生长.假设G的生成如上图,每一过程都有相应的酶的作用,而每一突变菌株都是相应的基因突变不能合成相关的酶,如果e酶能合成,则几种菌株中只要加入中间产物5就可生成G物质而生长.此外,如果控制a酶的基因突变不能合成a酶,则加入中间产物1不能生成G物质,但加入2、3、4、5可以合成G物质,同理进行推理,如果控制b酶的基因突变不能合成b酶,则加入中间产物1、2不能生成G物质,但加入3、4、5可以合成G物质,所以,再依据题中给的表格可知,加入E物质5种突变菌株都不可生长,说明相当于控制a酶的基因突变不能合成a酶,E相当于图中的1物质,同样,加入A物质4种突变菌株不可生长,说明相当于控制b酶的基因突变不能合成b酶,E相当于图中的2物质.其他类推,可知C、D、B分别相当于3、4、5物质.
  从以上分析,我们可知,在多种突变菌株中,如题中表格,加入某物质后“+”最多的物质在最后,加入某物质后“—”最多的物质在最前.
  微生物缺少这些物质不能正常生活,它们应属于生长因子.
  为了扩大培养变异的菌株,应将突变菌株接种在完全培养基中,然后分别在各组培养基中加入的维生素分别缺少一些,再接种观察.其中不能生长的那组所缺的维生素就是该变异菌株不能合成的维生素.
  参考答案:
  (1)40℃
  (2)E→A→C→B→D(→G) 生长因子 酶和核酸
  (3)第一步:完全
  第二步:维生素的类型
  第三步:分别接种到上述培养基中培养
  第四步:无菌
  (4)细菌不能正常生长的培养基中所缺少的维生素,就是该变异菌株不能合成的维生素(细菌能正常生长的培养基中所添加的维生素,就是该变异菌株不能合成的维生素)
  
  二、营养缺陷型菌株的筛选
  
  营养缺陷型突变株的筛选有多种方法.不同的微生物菌株选用的方法不同.
  ①抗生素法 某些抗生素能杀死正生长繁殖着的微生物,而对处于休止状态的微生物无杀伤作用.用加有青霉素的培养基来选择细菌的营养缺陷型就是由于青霉素是细菌细胞壁的合成抑制剂,利用其可杀死正在繁殖的细菌的性质.
  
  ②菌丝过滤法 适用于放线菌、霉菌等丝状微生物.在基本培养基中野生型孢子能萌发长成菌丝体,而营养缺陷型孢子则不生长.将经诱变处理的孢子接种于液态基本培养基中,振荡培养10h—12h,使原养型萌发(以肉眼刚能看见菌丝为度),然后以滤纸、棉花或玻璃过滤漏斗过滤,菌丝被滤除,未萌发的缺陷型孢子能顺利通过,从而达到富集营养缺陷型的目的.
  ③逐个测定法(点种法) 把经诱变处理并淘汰野生型后的菌液在完全培养基上涂布分离,将培养后长出的每一个菌落分别点种在基本培养基和另一个完全培养基上,凡在基本培养基上不能生长而在完全培养基的相应位置上能生长的菌落,表明其为营养缺陷型.
  ④夹层培养法 经诱变处理后的菌液,稀释后与基本培养基混匀并倾入平皿中,待凝固后,再加上一薄层不含菌的基本培养基.培养后在皿底将长出的菌落做上标记.然后加上一层完全培养基,再经培养后,新出现的菌落多数是营养缺陷型.此法适用于兼性厌氧的细菌.
  ⑤影印法 将丝绒包在直径小于平皿的圆柱台上固定,作为影印接种工具,灭菌后备用.将经诱变处理并淘汰野生型的菌液涂布于完全培养基表面上,培养待长出菌落后,用影印接种工具在此平板上轻按一下,然后在另一基本培养基平板上按一下.经培养后在基本培养基上不长而在完全培养基的相应部位上生长的菌落,为营养缺陷型.
  【例2】 酵母菌通过基因突变能产生营养缺陷型菌株,由于营养缺陷型菌株丧失了合成氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等的能力,不能在基本培养基中生长,必须在基本培养基中补充某些物质才能生长.下图简要表明了科学研究者用紫外线处理野生型啤酒酵母菌单倍体获得其营养缺陷型菌株的方法.
  根据以上叙述,回答下列问题:
  (1)啤酒酵母菌产生能量的场所是____________,其结构不同于细菌的主要特点是__________.
  (2)紫外线处理野生型啤酒酵母菌诱发产生营养缺陷型菌株时,选用单倍体酵母菌的好处是_____________.
  (3)BrdU是一种嘧啶类似物,酵母菌在繁殖过程中摄取BrdU并替代胸腺嘧啶脱氧核苷酸的位置掺入到新合成的DNA链中.含BrdU的DNA的酵母菌因其比正常的DNA更容易被紫外线破坏而死亡,不繁殖的酵母菌由于不能利用BrdU,其DNA对紫外线不敏感而存活下来.如果上图2中的营养缺陷型是甘氨酸营养缺陷突变型,利用上述原理如何将突变型菌株从野生型菌株中筛选出来并大量繁殖?请简要叙述实验方案.
  ①_______________________
  ②_______________________
  ③_______________________
  解析:酵母菌作为真核细胞,在线粒体和细胞质基质产生能量,基因成单存在时不论显隐性都可显现出来.
  由题意知,甘氨酸营养缺陷突变型不能在基本培养基中生长,只有在基本培养基中添加甘氨酸才能生长,而未突变的野生型能在基本培养基中正常繁殖.利用基本培养基培养时,野生型菌株繁殖时摄取BrdU并替代胸腺嘧啶脱氧核苷酸的位置掺入到新合成的DNA链中.这样用紫外线照射,由于野生型菌株含有BrdU,比正常的DNA更容易被紫外线破坏而死亡,而突变型菌株由于在基本培养基中不能繁殖,即不利用BrdU从而使其DNA中不含BrdU,其DNA对紫外线不敏感而存活下来.然后在存活下来的酵母菌中加入甘氨酸就可以获得大量的甘氨酸突变菌株.
  此题理解的关键就是只有能繁殖进行DNA复制的菌株才能利用BrdU使其渗入到DNA中,这样才能对紫外线敏感而死亡.
  参考答案:
  (1)线粒体和细胞质基质 有成形的细胞核
  (2)其突变性状(包括隐性性状)容易表现出来
  (3)①配制缺少甘氨酸的基本培养基,在该基本培养基中再加入BrdU后,将图2中的酵母菌接种在上述培养基中,在适宜的条件下培养一段时间;
  ②用紫外线照射处理;
  ③将存活下来的酵母菌培养在加入甘氨酸的基本培养基中,就能获得大量的甘氨酸突变菌株.
  
  三、两种营养缺陷型细菌的混合培养
  
  【例3】 有人曾做了一个实验:从大肠杆菌K12中选取两个菌株A和B,菌株A需要在基本培养基上补充甲硫氨酸和生物素,菌株B需要在基本培养基上补充苏氨酸、亮氨酸和硫胺.菌株A与B在基本培养基上都不能生长,若把菌株A与B混合培养在不含有以上五种物质的液体基本培养基中,几小时后,把细菌细胞洗涤后涂布在基本培养基的固体平板上,发现长出了各自的菌落,频率是107.
  (1)对上述实验现象可做出三种假设:
  a._______________________
  b._______________________
  c.营养上发生了互补,即菌株A所需的甲硫氨酸和生物素从菌株B泄漏得到,
  菌株B所需要的苏氨酸、亮氨酸和硫胺从菌株A泄漏得到.
  (2)为了证明上述假设,设计了U型管,中间有过滤器隔开,细菌不能通过,但培养液和营养物质可以通过,请你写出实验步骤:
  ①_______________________
  ②_______________________
  ③_______________________
  预测结果:
  结论:菌株A和B不能通过营养互补产生菌落.
  解析:提出实验假设只要能解释有此现象就行,根据菌株A、菌株B混合前后在培养基中生长情况可以推测假设,要么是发生了基因突变,要么是进行基因重组,产生了能同时产生几种生长因子的新菌种,要么是进行营养互补.
  如果菌株A和B能通过营养互补,菌株A、菌株B在U型管中能繁殖,洗涤后,涂布到基本培养基的固体平板上有菌落产生;如果菌株A和B不能通过营养互补,则固体平板上没有菌落产生.
  参考答案:
  (1)基因突变 不同细菌间的遗传物质发生了交换(基因重组)
  (2)①在U型管中加入液体基本培养基 ②在U型管两端各加入菌株A和B,培养几小时 ③将U型管两端的细菌各自取出洗涤后,分别涂布在基本培养基的固体平板上培养和观察 没有菌落产生
  
  四、变式提高
  
  1.在微生物中有一些营养缺陷型,它们在一些营养物质的合成能力上出现缺陷.因此必须在基本培养基中添加相应的有机营养成分才能正常培养这些菌株.现有一种产氨短杆菌,体内合成腺嘌呤(或腺苷酸)的途径如下(A、B、C、D为相应的酶):
  葡萄糖5-磷酸核糖磷酸核糖焦磷酸A磷酸核糖胺B肌苷酸C琥珀酸腺苷酸D腺苷酸
  现用紫外线照射产氨短杆菌后发现,有一些菌体必须在添加腺嘌呤后才能生长.请问:
  (1)这种营养缺陷型菌株的产生是因为体内发生了.
  (2)腺嘌呤对这种营养缺陷型的产氨短杆菌来说是.
  (3)如果想用这种细菌生产肌苷酸,则应使细菌体内的酶不能合成.
  (4)在利用这种缺陷型的菌种生产肌苷酸的过程中发现菌体内积累肌苷酸过多后会使A酶活性下降,这种调节被称为调节.解决的办法有.
  (5)如果用牛肉膏或蛋白胨培养基来培养这种营养缺陷型细菌,能不能形成菌落?.
  (6)试提出一种办法来鉴别这种营养缺陷型细菌.
  2.甲硫氨酸是链包霉(一种真菌)生长所必须的物质.现对三种不同营养缺陷的突变型(都是由野生型通过一个基因发生突变而形成的)营养需要情况进行测定,结果如下表(“+”表示可以生长,“-”表示不能生长)
  (1)链包霉在代谢过程中产生的甲硫氨酸属于它的产物,甲硫氨酸是突变体2的.
  (2)写出这四种氨基酸在细胞内生成的先后顺序.
  (3)简要说明突变体3的营养缺陷的原因.
  (4)链包霉的生活史如下:
  在上述过程中,是否符合孟德尔的基因分离定律?为什么?.
  参考答案:
  1.(1)基因突变 (2)生长因子 (3)C (4)酶活性 通过诱变改变细胞膜的通透性(5)能 (6)配制不含腺嘌呤的合成培养基,将这种菌种混合在培养基中,用浸有腺嘌呤溶液的滤纸片放在培养基的表面.培养一段时间后,如果发现滤纸片周围用菌落形成,而其他地方没有,则可以说明这是营养缺陷型菌株.
  2.(1)初级代谢 生长因子
  (2)高丝氨酸—胱氨酸—半胱氨酸—甲硫氨酸
  (3)控制合成高丝氨酸转化成胱氨酸的酶的基因发生突变
  (4)符合 这是由一对等位基因控制的遗传(或此遗传为一对等位基因所控制,答案能够与该问题符合即可)
  (责任编辑 罗 艳)
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