以高考试题为背景的秋水仙素作用机制解析

 

赵晨霞
浙江省宁波市鄞州中学

摘要：以高考试题为研究载体，聚焦秋水仙素的作用这一内容，针对学生在秋水仙素能否作用于动物细胞的纺锤体、实现细胞周期同步化的机制，以及其既能使细胞分裂阻断在中期又能诱导多倍体形成的原因等多方面的认识偏差展开分析，为高中生物学教学提供参考。

近年来，有关秋水仙素作用的内容在全国各地高考中多次出现。秋水仙素的作用既关联有丝分裂中期特征，又涉及纺锤体破坏导致的染色体数目变异，是跨模块知识的交汇点，符合高考“综合运用知识解决问题”的命题原则。结合高中生物学教学实践，学生往往在秋水仙素看似矛盾的作用机制上陷入认知障碍。本文以高考试题为载体，引用多位科研工作者的研究成果，对秋水仙素的作用机制进行分析解读。

1 动植物细胞纺锤体的解聚

在描述秋水仙素作用时，人教版教材以秋水仙素诱导植物多倍体的产生为模型，阐释了秋水仙素能抑制纺锤体的形成，导致染色体不能移向两极，引发细胞中染色体数目的加倍。教材在这部分内容上的简化处理，符合高中生物学概念教学的梯度要求，但是这样的呈现方式可能会使学生惯性认为秋水仙素的作用对象仅限于植物细胞。

植物细胞和动物细胞的纺锤体成分是否相同？植物细胞是从两极发出纺锤丝形成梭形纺锤体，动物细胞则是由中心体发出星射线形成纺锤体。纺锤丝和星射线都是亚显微水平下观察到的细胞结构，其化学组成都是由微管及其结合蛋白构成的。

微管是由微管蛋白分子构成，由α-微管蛋白和β-微管蛋白以非共价键的形式紧密结合而成。秋水仙素是一种微管特异性药物，该物质可以与微管蛋白上的一个二价阳离子结合位点结合。结合秋水仙素的微管蛋白可掺入到微管末端，进而阻止其他微管蛋白的加入。纺锤体微管在分裂期处于组装和去组装的动态中（图1），秋水仙素对微管的去组装过程没有影响，从而引起整个纺锤体很快解聚，直至纺锤体消失。

图1微管蛋白在细胞分裂不同时期的变化示意图

动植物细胞中的纺锤体基本成分均是微管蛋白。秋水仙素能导致处于分裂前期至中期的细胞中纺锤体的解聚，进而导致细胞后续分裂的障碍，使在一定时间内越来越多的细胞在M期停留。但研究也表明秋水仙素对植物和动物细胞的具体作用效果与秋水仙素的浓度和作用时间相关。

例1(2013年浙江高考第1题）：下列关于高等动植物连续分裂细胞的细胞周期的叙述，正确的是（ ）。

A.用蛋白质合成抑制剂处理G1期细胞，不影响其进入S期

B.S期细胞的染色体数目已增加一倍

C.G2期细胞的细胞核DNA含量已增加一倍

D.用秋水仙素处理细胞群体，M期细胞的比例会减少

参考答案是C，分析：秋水仙素导致分裂前、中期动植物细胞的纺锤体解体，染色体无法移向两极，胞质分裂失败，细胞停滞在M期。随着秋水仙素作用时间的推进，更多数量的细胞进入M期并停滞在M期，使得M期细胞的比例增加，D错误。

例2(2025年浙江高考第12题）：某哺乳动物的体细胞核DNA含量为2C，对其体外培养细胞的核DNA含量进行检测，结果如图2所示，其中甲、乙、丙表示不同核DNA含量的细胞及其占细胞总数的百分比。下列叙述错误的是（ ）。

图2核DNA检测结果

A.甲中细胞具有核膜和核仁

B.乙中细胞进行核DNA复制

C.丙中部分细胞的染色体着丝粒排列在细胞中央的平面上

D.若培养液中加入秋水仙素，丙占细胞总数的百分比会减小

参考答案是D，分析：动物细胞的纺锤体由微管蛋白构成，秋水仙素可作用于微管蛋白抑制纺锤体的形成，使处于M期的细胞比例增大。体外培养的动物细胞具备分裂能力，丙中细胞核DNA为4C，属于G2期和M期细胞，秋水仙素处理导致丙比例增大。

2 动植物细胞周期同步化与核型分析

在体外培养的细胞群体中，不同的细胞可能处于细胞周期的不同时相，表现出的形态特征和生化特点不完全相同。为了研究细胞的生长和代谢特点，将整个细胞群体调整至处于细胞周期同一时相的方式称为细胞周期同步化。细胞周期是高度有序和准确的调控过程，当细胞出现DNA损伤或者纺锤体组装异常等事件时，细胞周期将被阻断，使细胞获得修复时间，保证分裂可以产生正常遗传特性和生理功能的子代细胞。

秋水仙素处理导致纺锤体被破坏，染色体上纺锤丝的不完全附着使存在于着丝粒上的纺锤体组装检查点（SAC）活化，从而抑制后期促进复合体（APC）的活性，引起催化姐妹染色单体间黏连蛋白分离的分离酶失活，姐妹染色单体无法分离使细胞无法进入后期（图3）。而染色质的凝聚过程不会受到影响，染色体进一步缩短变粗，呈现中期的形态，并且散乱分布在细胞中。因此就染色体形态而言，秋水仙素阻断细胞周期于中期。

图3纺锤体组装检查点（SAC）对细胞分裂进程的影响

在细胞生物学中，染色体核型是细胞染色体特征的可视化呈现形式，通常以有丝分裂中期的“稳定染色体”为对象进行分析。浙科版必修2模块讲述了染色体核型在研究生物的亲缘关系和遗传病诊断中的价值，对植物的染色体核型分析可为物种起源、进化、遗传育种等提供参考价值。杨春梅等对长蕊万寿竹、金佛山万寿竹及独山万寿竹的染色体进行核型分析，结果表明，3种植物根尖以0.05%秋水仙素和0.002 mol/L 8-羟基喹啉等体积混合液4℃处理1.5 h，获得分散度及清晰度均较好的有丝分裂中期相细胞。王秀莉等用0.01%的秋水仙素分别处理HeLa细胞24和48h，结果发现随着处理时间的延长，更多数量的细胞停留在G2/M期，且显著高于无秋水仙素处理的对照组。

秋水仙素作用于分裂前、中期的细胞，细胞内的纺锤体被破坏。染色体上纺锤丝的不完全附着使SAC活化，细胞内的染色体着丝粒不分裂导致细胞阻滞在分裂中期，这对于研究动植物细胞的染色体核型具有重要价值。

例3(2021年江苏高考第10题）：分析黑斑蛙的核型，需要制作染色体标本，流程如下，相关叙述正确的是（ ）。

A.可用蛙红细胞替代骨髓细胞制备染色体标本

B.秋水仙素处理的目的是诱导染色体数目加倍

C.低渗处理的目的是防止细胞过度失水而死亡

D.染色时常选用易使染色体着色的碱性染料

参考答案是D，分析：实验目的是分析黑斑蛙的核型，秋水仙素抑制纺锤体的形成，使体外培养的大量细胞停滞于有丝分裂中期，此时染色体数目最清晰，且由于没有纺锤体的牵引，胞内的染色体散乱分布，这也有利于染色体核型的获得。

3 动植物细胞染色体数目加倍

人教版教材必修2指出秋水仙素作用于正在分裂的细胞时，能够抑制纺锤体的形成，导致染色体不能移向两极，从而引起染色体数目的加倍。教材对秋水仙素作用机制的简化处理，虽然降低了学生的学习难度，但是结合高考考情，学生又难免会陷入一个新的思维障碍：秋水仙素会引发细胞周期停滞在中期，为什么又可以导致染色体数目加倍？大部分学生会采取机械记忆的方式来掌握这个知识点，但这一学习模式与新高考背景下解决真实问题的素养导向的要求相违背。

刘伟强等用1、5、10 mg/L秋水仙素分别浸泡桑树萌发种子24、48、72 h，幼苗出现一定程度的畸形和死亡，5 mg/L秋水仙素浸泡48 h的四倍体诱导率最高，达到29.0%。聂硕利用秋水仙素处理紫薇花子叶期幼苗，发现四倍体诱导率最高的组合为处理时间72 h及秋水仙素浓度为0.6%，变异率达到30.4%。实验证据表明秋水仙素具备诱导细胞染色体数目加倍的功能。对比秋水仙素诱导植物细胞周期同步化的实验，可以发现药物处理的时间会影响处理效果，处理时间较短细胞会停留在分裂中期，适当延长处理时间，细胞则发生染色体组数的加倍。

20 世纪30年代，瑞典生物学家阿尔伯特·莱文（Albert Levan）在实验室中观察到秋水仙素长时间处理后的植物细胞仍能进入间期，这暗示细胞可能存在某种“适应机制“使得细胞突破分裂停滞，实现染色体数目加倍。1989年，里德（Rieder）等观察到秋水仙素处理的细胞可绕过SAC进入间期，并提出“有丝分裂滑脱”这一术语。Cdc6作为Cdk1（细胞周期蛋白依赖型激酶1）的抑制剂参与有丝分裂退出的调控。何悦等研究发现，在微管破坏剂处理5 d后，Cdc6蛋白的表达水平显著上升，同时，Cdk1的活性受到抑制，通过另外一种途径解除纺锤体检查点对后期复合体的抑制作用，黏连蛋白相关分离酶活性恢复，促使姐妹染色单体分离。此时细胞内无纺锤体，分离的姐妹染色体单体无法移动到细胞的两极，导致胞质分裂信号无法被启动，细胞跳过分裂期直接进行下一次分裂的G1期，这可能是细胞为了避免长时间阻滞导致凋亡而产生的适应机制。研究人员利用抗微管蛋白的抗体进行荧光染色实验，发现体外培养的成纤维细胞在秋水仙素作用下发生胞内微管的解聚，然后在正常培养液内生长30 s或者更长时间，微管开始从中心体向各个方向生长。

秋水仙素抑制纺锤体的形成，导致大量细胞停滞在有丝分裂中期，随着作用时间的延长，为避免凋亡机制的启动，细胞退出有丝分裂进入下一次分裂的间期。此时若降低秋水仙素的浓度，微管将重新形成，细胞（4n）将完整地进行新的有丝分裂过程，产生染色体数目加倍的子代细胞（图4）。若此时秋水仙素等微管抑制剂浓度仍未降低，可能引发部分细胞染色体数目的进一步加倍（8n）。由于药物穿透性和细胞所处时期的差异等多种原因，实验处理条件下，部分细胞可能由于纺锤体解体不完全或未解体而完成正常的有丝分裂（2n）。部分细胞无有丝分裂能力而不发生染色体数目变化，使实验处理的植株表现为嵌合体。

图4秋水仙素导致染色体数目加倍的细胞分裂示意图

例4(2024年江苏高考第16题）：图5为普通韭菜（2n=16）的花药结构。为了快速获得普通韭菜的纯系，科研人员利用其花药进行单倍体育种。下列相关叙述正确的是（ ）。

图5普通韭菜的花药结构

A.花粉细胞和花药壁细胞均具有全能性

B.培养基中生长素和细胞分裂素的比例影响愈伤组织再分化

C.镜检根尖分生区细胞的染色体，可鉴定出单倍体幼苗

D.秋水仙素处理单倍体幼苗，所得植株的细胞中染色体数都是16

参考答案是ABC，分析：秋水仙素处理导致处于分裂期的细胞内纺锤体无法形成，使单倍体幼苗（n=8）中部分细胞染色体数目加倍（2n=16）。但单倍体幼苗中并非所有细胞都处于分裂期，植株的细胞中染色体为8条或16条，随秋水仙素作用时间的进一步延长，也有可能产生含32条染色体的细胞。

4 教学启示

教材未涉及秋水仙素处理使细胞分裂阻滞在中期的相关内容，但高考命题却常常以秋水仙素在动植物育种的应用为素材进行考查，且高考的考查形式也不断地趋向于新颖化、多元化和综合化。在新高考背景下，教师更应准确地把握学生基础概念上的错漏，如对于学生认为的秋水仙素只作用于植物纺锤体的认知及时进行指导。针对学生困惑的“秋水仙素的双重效应”展开讨论和分析，尝试利用高考试题中的内在逻辑设计“秋水仙素专题复习”，如利用“为什么现在的草莓又大又甜”这样的真实问题情境展开探究式教学，以提高学生对这部分知识的深度理解，帮助学生认识秋水仙素导致中期同步化和染色体数目加倍的内在统一性，建立“细胞周期调控—染色体行为—细胞适应—染色体倍性变化”的逻辑链条，理解生命活动的系统性。

来源：赵晨霞.以高考试题为背景的秋水仙素作用机制解析[J].生物学通报,2026,61(01):82-86.