肺炎球菌感染

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笔者近日听了学校里几节年轻教师关于“DNA是主要遗传物质”的课,发现有几个需要释疑的点:

一、R型菌转化为S型菌为何不是基因突变?

听课的课堂中,当老师指出转化的实质为基因重组而非基因突变时,有学生提出为什么不是基因突变?老师难以回答,为此,笔者翻阅了《遗传学经典文选》及刘庆昌的《遗传学》,《遗传学经典文选》内有王斌译的艾弗里年的肺炎双球菌转化实验论文:

艾弗里论文中明确指出:肺炎球菌有不同的特异类型,特定类型的S菌可以突变成同一类型的R菌,该R菌也能回复成原来特异类型S菌,但类型间的转化现象从未发现自发产生,即不同类型间不能相互突变。格里菲斯选择由SⅡ型菌突变产生的RⅡ型活菌与加热杀死的SⅢ型菌混合物注入小鼠体内,小鼠常常感染。若转化的原理是基因突变,则从感染小鼠体内分离出的应是SⅡ型菌,但格里菲斯从感染小鼠心脏血液中经纯培养得到了SⅢ型活菌而非SⅡ型菌,由此可见,肺炎球菌转化实验中,R型活菌转化为S型活菌不是基因突变!

二、实验中R型菌转化为S型菌的机理?

该问题在教师用书中有详细讲解:

R菌会分泌感受态因子,使R菌转变成容易吸收周围环境中DNA分子的状态,S菌的DNA片段在R菌表面被核酸内切酶和核酸酶的作用下一条链降解,另一单链与R感受态细菌的特异蛋白结合,从而进入R菌细胞内,通过同源重组以置换的方式整合进R菌基因组中,形成杂合的R菌,杂合R菌的后代既有R菌又有S菌。由此可见,肺炎球菌的转化是S型菌中控制多糖荚膜合成的相关基因进入R型菌中,整合在R菌基因组中并表达的过程,原理就是基因重组!

三、R菌的DNA能否将S菌转化为R菌?

教学过程中,会有学生提出这样的问题,那么R菌的DNA能否将S菌转化为R菌呢?

这个问题,我们在弄懂了肺炎双球菌转化的机理后,自然不难理解。在周德庆的《微生物学教程》第三版一书中,有这样的表述:

不同菌株间不一定都可以发生转化,凡能发生转化,受体细胞必须处于感受态。S型肺炎链球菌具有多糖类荚膜,自然状态下不会出现感受态,故在S菌的培养基中加入R菌的DNA,S菌也不能转化为R菌。当然S菌可以自发或人工诱变为同类型的R菌,但这不是转化!

四、噬菌体侵染细菌实验能否证明蛋白质不是遗传物质?

这个问题大概是本节课困扰教师和学生最多的一个问题了,笔者在、教辅编修和试题审订中经常遇到相关试题,在全国高中生物教师的网络教研中也一直争论不休,包括前两天听课,学校的一位年轻教师在课堂上跟学生再三强调:“噬菌体侵染细菌的实验证明了DNA是遗传物质,而不能证明蛋白质不是遗传物质”。我想她大概是受了某些教辅的影响。

这个问题的始作俑者应该是年的江苏高考生物试题:

(?年江苏卷?T12)关于“噬菌体侵染细菌的实验”的叙述,正确的是

A.分别用含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培养基培养噬菌体

B.分别用35S和32P标记的噬菌体侵染未被标记的大肠杆菌,进行长时间的保温培养

C.用35S标记噬菌体的侵染实验中,沉淀物存在少量放射性可能是搅拌不充分所致

D.32P、35S标记的噬菌体侵染实验分别说明DNA是遗传物质、蛋白质不是遗传物质

其实,但凡仔细看过此题的人都明白命题者的考查意图,我在题目中也已用红色加粗标注。但遗憾的是,后来的教辅编者和模拟题命题者没有理解或者说曲解了高考命题者的意图,认为噬菌体侵染实验不能证明蛋白质不是遗传物质。

那么,这个实验究竟能不能证明蛋白质不是遗传物质呢?

我们且来理一下本实验的思路:

要弄清T2噬菌体的蛋白质外壳是遗传物质还是DNA是遗传物质

关键是要弄清T2噬菌体的蛋白质外壳侵入了大肠杆菌内,还是DNA侵入了?谁侵入了,谁就有最大的可能是遗传物质,没侵入的,自然不能成为在亲子代间稳定连续传递的遗传物质

这就有三种可能的预期和结论:

1、T2的DNA进入,蛋白质没进→T2的DNA是遗传物质,蛋白质不是。

2、T2的蛋白质进入,DNA没进→T2的蛋白质是遗传物质,DNA不是。

3、T2的DNA和蛋白质均进入→两者都有可能是遗传物质。

怎么才能知道是哪种成分侵入了大肠杆菌呢?

把T2噬菌体的蛋白质外壳和DNA区分开,追踪两者在侵染中的去向(同位素标记法)

分别让被35s标记的T2噬菌体和32p标记的T2噬菌体侵染未被标记的大肠杆菌

搅拌、离心后观察放射性存在的部位,上清液是大肠杆菌外,沉淀物是大肠杆菌内

理清本实验的思路后,我们不难发现,实验设计的两个组的实验结果相互对照,从而说明了T2的DNA进入而蛋白质外壳未进入,虽然实验有误差,并且赫尔希和蔡司对结论持谨慎态度,但并不影响DNA是遗传物质,而蛋白质不是遗传物质这一实验结论!

如上是赫尔希和蔡司论文的译文摘选。赫尔希和蔡司在论文中用了很谨慎的词语表达严谨的科学态度,但实验的结论很清楚,那就是,本实验可以说明DNA是T2的遗传物质,而蛋白质不是!

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