【探讨】秋水仙素诱导染色体数目加倍作用于细胞周期的前期？

【思考】秋水仙素可抑制纺锤体的形成，会破坏已经形成的纺锤体吗？ 没有纺锤丝的牵引，细胞会进入中期，进而进入后期和末期吗？ 细胞不进入后期，姐妹染色单体能分开吗，也就是染色体数目会加倍吗？要想染色体加倍需要满足染色单体分离且细胞质不分裂，对吧？

（1）人教版说法：人工诱导多倍体的方法很多，如低温处理、用秋水仙素诱发等。其中，用秋水仙素来处理萌发的种子或幼苗，是目前最常用且最有效的方法。当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细胞的两极，从而引起细胞内染色体数目加倍。染色体数目加倍的细胞继续进行有丝分裂，就可能发育成多倍体植株。

【疑问】抑制是否包含破坏的意思呢？

（2）纺锤丝的化学组成：微管蛋白二聚体组成，微管具有极性。在有丝分裂期过程中，微管组装和去组装受细胞内一些因子的调控，使微管的分布状态发生显著变化。在有丝分裂前期，细胞质微管解聚，游离的微管蛋白亚基被用于组装纺锤体微管；在分裂末期，这一过程发生逆转。一些药物如秋水仙素和紫杉醇等可以影响细胞内微管的组装和去组装。用低浓度的秋水仙素处理细胞，可立即破坏细胞内的微管或纺锤体的结构。秋水仙素可以与微管蛋白亚基结合，而当结合秋水仙素的微管蛋白亚基组装到微管末端后，其他的微管蛋白亚基就很难再在该处进行组装，但秋水仙素在微管末端的结合并不影响该微管的去组装，从而导致细胞内微管网络的解体。紫杉醇的作用与秋水仙素相反，当紫杉醇与微管结合后可以阻止微管的去组装，但不影响微管末端的组装。结果是微管不停地组装，而不会解聚，其结果同样使细胞周期的运行被终止。微管组装和去组装的动态行为还与温度有关。

【解释】秋水仙素不但可以“抑制”纺锤体的形成，还可以破坏纺锤体。

（3）细胞周期的各种检验点（关卡）：在典型的细胞周期中，控制系统是通过细胞周期的关卡来进行调节的。控制系统至少有3个关卡:G1关卡(靠近G1末期)、G2关卡(在G2期结束点)、中期关卡(在中期末)。在每一个关卡，由细胞所处的状态和环境决定细胞周期能否通过此关卡，进入下一阶段。中期关卡：在中期关卡，控制系统监测所有的染色体是否都与纺锤体相连，并排列在赤道板上；否则不能进行有丝分裂和胞质分裂。中期的重要特征是染色体整列。近期的研究发现，至少有数种蛋白质参与染色体整列事件，其中首要的两组蛋白称为Mad和Bub 蛋白。Mad和 Bub 可以使动粒敏化，促使微管与动粒接触。免疫荧光染色发现，Mad2和 Bub1位于前期和前中期染色体的动粒上。如果染色体被纺锤体微管捕获，Mad2 和 Bub1 很快会从动粒上消失。一侧的动粒被微管捕捉，一侧的 Mad2和 Bubl消失；两侧的动粒被微管捕捉，两侧的 Mad2和 Bubl消失。如果染色体不被微管捕捉，则 Mad2和 Bub1不从动粒上消失。因而认为 Mad2和Bubl与染色体组装入纺锤体有关。进一步研究发现，由于某些染色体不能被微管及时捕捉而滞后，Mad2 和Bub1 不能从这些染色体的动粒上消失，后期则不能启动，染色单体不能相互分离。只有等到这些染色体也被微管捕捉并排列到赤道板上，Mad2和 Bub1 从动粒上消失，后期才能开始启动。研究发现，在姐妹染色单体分离之前，彼此间通过黏连蛋白相互黏着在一起（不是着丝粒）。只有黏连蛋白复合体解聚的情况下，姐妹染色单体才能分离。进一步研究发现，在姐妹染色单体分离过程中，黏连蛋白是被一种称为分离酶的蛋白酶所降解的。通常情况下，分离酶与一种抑制性蛋白securin 结合而不表现出蛋白酶活性。CDK1也通过磷酸化分离酶而抑制其活性。当后期开始时，后期促进因子复合体（APC）介导 securin 的降解，解除其对分离酶的抑制作用；APC也通过介导cyclin B 降解，使CDK1 活性丧失，失去对分离酶的磷酸化作用，促进分离酶活化。

【解释】通常情况只有中期检验合格，细胞周期才会进入下一时相（后期）。

（4）细胞周期的同步化：处于细胞周期不同阶段的细胞，其形态学和生化特点有所不同，对辐射、药物、病毒的感染、酶诱导的敏感性也均有差异。由于分裂期较短，在一个培养的群体中，无论何时检查，都只能看到极少数细胞处于分裂状态。为了研究细胞周期不同阶段的生化特性，必须获得细胞周期一致性的细胞，这就是细胞的同步化。诱导同步法是通过控制培养条件，将非同步培养中的所有或大部分细胞暂时性地阻止在细胞周期的某个阶段，最终使所有细胞达到同步化生长。胸腺嘧啶阻断技术：高浓度的胸腺嘧啶能够阻断DNA合成所需的核苷酸的合成，因此将细胞群体培养在高浓度的胸腺嘧啶的培养液中时，细胞能够正常地通过G1期，但到达S期时，因DNA的合成被阻断，这些细胞不能顺利通过S期进入G2期。经过对S期的短暂阻断，再改变胸腺嘧啶的浓度，解除抑制，所有的细胞都开始DNA的合成，即获得处于同步生长的细胞。中期阻断法：某些药物（如秋水仙素）可抑制微管的聚合，因而抑制有丝分裂器的形成，将细胞阻断在有丝分裂的中期。同DNA合成阻断法相比，中期阻断法的非同步生长的问题并不十分明显。

【解释】这些理论都已经指导了实践（经过检验），故可靠性较高，这说明前期和中期的细胞遇到较低浓度的秋水仙素时会暂停细胞周期，待秋水仙素分解后浓度下降时，继续完成后续的细胞周期时相，我认为这可以说明秋水仙素作用于前期和中期是不能加倍的。本人认为前期过渡到中期需要纺锤丝的牵引，所以不能像百度百科那样认为都是中期，而是阻断在中期，类似阻断DNA复制的细胞可以处于S期的任一时段。

（5）着丝粒的结构和功能：着丝粒两侧的动粒是纺锤丝结合的位点，在有丝分裂和减数分裂过程中保障了染色体的有序分离，含有调控细胞周期的分子，含有使姐妹染色单体黏着的蛋白质。据某些资料记载，着丝粒DNA在中期完成复制，复制完成姐妹染色单体才能分离。

【解释】可以认为着丝粒是黏着姐妹染色单体的胶水（除此之外，还有黏连蛋白参与姐妹染色单体的“捆绑”），动粒（着丝点）是着丝粒两侧的2个接线柱。

（6）胞质分裂：胞质分裂与核分裂（有丝分裂）是相关的事件。胞质分裂一般开始于细胞分裂后期，完成于细胞分裂末期。

【个人认为】末期细胞会主动降解纺锤体，所以秋水仙素的加速降解纺锤体应该不会影响细胞的正常分裂（也就是末期遇到秋水仙素就来不及了）。

（7）总结：由于书本上有：“前期形成纺锤体”和“秋水仙素可以抑制纺锤体的形成”，导致很多老师推理出秋水仙素作用于前期，从而导致染色体数目加倍，之前很多模拟题出现过这种提法。本话题的意义，不是追求确切的答案（编者综合推理认为作用于后期才能加倍），而是告诉我们根据目前已知的信息推出的结论未必正确，所以科学探究过程中，通过设计实验进行检验就显得非常必要。同时希望读者养成通过查阅文献佐证自己的观点及解开自己的疑问的习惯。