作者简介
张卫，从事高中生物教学工作12年，多次参与省市统测命题工作。
试题展示
【试题】
【生物——选修1：生物技术实践】（15分）
2020年9月，Nature刊载了母体肠道菌群影响胎儿神经发育的研究报告。研究人员分别检测了正常菌群（SPF）和抗生素处理（ABX）的孕鼠胚胎大脑。进一步研究发现，与SPF组相比，ABX组母鼠血清中缺少TMAO、5-AV、IP、3-IS和HIP等5种微生物代谢产物。分别添加上述代谢物，观察体外培养的小鼠胚胎丘脑皮质轴突发生情况，结果如图。
回答下列问题：
（1）据图可知，ABX组胚胎丘脑皮质轴突发生值____________（填“大于”“等于“或“小于”） SPF组，原因是ABX组孕鼠用____________处理后使____________缺失；母体肠道菌群调节的代谢产物可以____________（填“促进”或“抑制”）胚胎丘脑皮质轴突发生。
（2）要分离纯化起关键作用的肠道微生物，最常用的微生物接种方法是平板划线法和____________；平板划线法能分离得到目的菌的原理是____________。培养基应置于____________（填“有氧”“无氧”或“先有氧后无氧”）条件下，所用器材及工作场所必须进行 。
【答案】
（15分，除标注外，每空2分）
（1）小于（1分） 抗生素 母体肠道菌群 促进
（2）稀释涂布平板法 平板划线法是通过接种环在琼脂固体培养基表面连续划线的操作，将聚集的菌种逐步稀释分散到培养基的表面。在数次划线后培养，可以分离到由一个细胞繁殖而来的肉眼可见的子细胞群体，即菌落 无氧 灭菌和消毒
【评分细则】
命题角度
科学思维水平四，能够在新的问题情境中，基于事实和证据，采用适当的科学思维方法揭示生物学规律和机制，并选用恰当的方式表达、阐明其内涵。
科学探究水平四，基于相关资料，设计并实施恰当可行的方案。
命题思路
阅读整理文献，设计真实情景→确定核心素养的考查→明确考查知识点→制定评分细则。
获得纯净的微生物：灭菌，无菌技术，通过调整培养基的配方有目的地培养某种微生物，平板划线和稀释涂布是分离和纯化的常用方法，稀释涂布和显微镜计数是测定微生物数量的常用方法。
选题背景
选题关注科技前沿，又和生活实践相结合，学生感兴趣，易入手。
人体肠道有近100万亿个细菌，是人体细胞的10倍，人体肠道微生物的基因越有300万个，是人体基因数量的150倍，素有“人体的第二基因组”之称。
2020年9月23日，来自加州大学洛杉矶分校的 Helen E. Vuong课题组在 Nature《自然》杂志上发表了一篇题为 “The maternal microbiome modulates fetal neurodevelopment in mice”的文章，该研究发现母体肠道菌群的缺陷会干扰胚胎丘脑皮质神经元轴突发生，从而影响子代成年后触觉感觉神经行为特征。
作者将来自SPF或ABX母鼠的胚胎丘脑外植体与来自对立实验组的纹状体和下丘脑外植体共培养（见下图1）。
图1，丘脑外植体与同来源或交叉来源纹状体共培养时轴突生成数量和长度
将ABX来源的丘脑外植体与同源纹状体和下丘脑外植体共同培养，并添加上述代谢物（TMAO、TMAV、IP、3-IS以及HIP）观察轴突生成情况（见下图2）。
图2，母体菌群调节的代谢产物可以促进胚胎丘脑皮质轴突发生
2020年2月28日，日本的一支研究团队在顶级杂志《科学》上发表了一篇论文，肠道菌群对肥胖的影响甚至可以追溯到“娘胎”。
2020年1月8日，美国哈佛大学的科学家在顶级杂志《自然》上发表了一篇论文，确定了母亲肠道菌群是新生儿免疫力的来源。
2012年，美国康奈尔大学的Ruth E.Ley团队，对孕妇早期和晚期的肠道微生物进行了比较研究，分别把孕妇早期和晚期的肠道微生物移植到小鼠肠道，给小鼠饲喂同样低脂肪高纤维的食物，发现小鼠也与这个孕妇的孕早期和孕晚期的体重和肠道微生物类似。而正常男性和女性的肠道微生物没有差异。
美国华盛顿大学Jeffrey I.Gordon，用胖瘦双胞胎的女孩的肠道微生物，分别把他们的肠道微生物移植到小鼠肠道，给小鼠饲喂同样低脂肪高纤维的食物，发现小鼠发育成了胖瘦不同的小鼠。
正是微生物类群的差别，改变了肠道的代谢状况，最终表现出了胖瘦的差别。
过去十年里，动物研究已经证明肠道菌群会对中枢神经系统发育以及个体之后的行为产生显著影响。当孕鼠出现炎症后，母体肠道菌群对于维持胎儿正常发育必不可少[2]，而高脂饮食带来的母体菌群变化会导致子代出现神经行为异常[3]。不过，尚不清楚母体菌群的这些作用是否只局限于妊娠期间，还是随着母体向子代传递微生物而主要出现在产后[4]。
在子宫中发育时，小鼠胚胎会获得来自母体肠道微生物的代谢物。Vuong等人[1]报道称，这些代谢物支持名为轴突的神经元投射进行正常连接，这些轴突能将丘脑和皮质这两个脑区连接起来。a，正常发育中，这些轴突会形成较粗的名为内囊的束结构。当这些小鼠长成年轻成年鼠时，它们在行为测试中反应正常，在声音突然变响时会“受惊”或移动，还会迅速触摸并拿掉贴在它们爪子上的胶带。b，如果孕鼠缺少常见的肠道微生物且它们的胎儿无法获得来自母体微生物的代谢物时，形成丘脑皮质投射的神经元就会出现轴突缺陷，包括比通常情况更细的轴突。这些小鼠在测试中表现出行为异常。
Vuong及其同事帮助我们进一步了解了在非应激条件下，母体菌群对产前发育的作用。作者报告称，如果是无菌（生活在无菌环境、不含菌群的小鼠）或是菌群被抗生素处理掉的孕鼠，其腹内胚胎的大脑结构与母体含正常菌群的胚胎不一样。脑结构的这些变化与参与感觉处理的环路具有相对特异性。因此，对比有正常菌群孕鼠的胚胎，在缺乏菌群孕鼠的孕中期胚胎中，连接丘脑与皮质的神经元投射（轴突）更小更短，内囊中的轴突束也更细。
1. Vuong, H. E.586, 281–286 (2020).
2. Kim, S. 549, 528–532 (2017).
3. Buffington, S. A. 165, 1762–1775 (2016).
4. Jašarević, E. 21, 1061–1071 (2018).
5. Visconti, A. 10, 4505 (2019).
6. Vojinovic, D. 10, 5813 (2019).
