通过细菌基因重组的科学史解析一道实验题

李新梅 （濮阳市第一高级中学 河南濮阳 457000）

该文章发表于<生物学通报>2007年第10期

摘  要：本文通过细菌基因重组研究的科学史，从命题背景的角度对一道实验题进行了详细的解析。其中几个经典实验的方法和原理，可以作为中

学生物探究性学习的素材

关键词：细菌  基因重组  科学史

近几年有些教辅资料和某些地市的模拟试题以及竞赛试题中常常出现以细菌的转化、接合等为背景的题目，由于这些题目有较为丰富的科学史背景，可以在习题讲评课上利用这些科学史对学生进行科学方法教育，我在教学实践中将有关科学史经典实验筛选整理，突出其中的科学方法，应用到习题讲评课中，对培养学生实验分析能力和逻辑推理能力起到了很好的作用。

【例题】2004年广东省生物学联赛试题第4、5、6题：

4.对两种不同的营养缺陷型大肠杆菌进行如图所示的培养：

请回答，基本培养基中只涂布A或B，不出现菌落，最恰当的解释是（B）

A.细菌在基本培养基中吸收不到足够的营养

B.细菌不能利用吸收到的营养合成某些必需的物质

C.基本培养基所含营养物质不全面，不能满足细菌生长的需要

D.基本培养基成分与完全培养基比较，成分差异太大，细菌不能适应

5.接第4题。在基本培养基中涂布A和B的混合物，出现少数菌落，这些菌落的菌株属于以下哪一项？（D）

A．Met^‑，bio^‑，thr^‑，leu^‑        B．Met⁺，bio⁺，thr^‑，leu^‑

C．Met^‑，bio^‑，thr⁺，leu⁺        D．Met⁺，bio⁺，thr⁺，leu⁺

6.接第4题。已知大肠杆菌营养缺陷型的回复突变率一般低于10^-4。上述菌落出现的原因的可能性有多种，其中可以排除的是（A）

A．个别细胞发生回复突变        B．细胞接合并发生基因重组

C．细胞之间交换了转化因子      D．细胞之间通过培养基交换了营养

【分析】解答该题（4）首先要弄清两个问题：

①基本培养基与完全培养基的区别：

基本培养基(minimal medium)指具有最简单的物质组成，能够繁殖野生型菌株的合成培养基。一般除碳源外，多按比例混入一定的无机物，但有时也加入特定的有机物。例如链孢霉属就必须添加生物素。基本培养基对营养缺陷型突变体的分离、检出和重组实验等是必不可少的。

完全培养基(complete medium)指培养菌株时，具备可使其最大限度地生长和繁殖的条件，而且含有满足各种营养缺陷突变型要求的培养基。其组成可按生物种类和目的而异，但一般是由酵母浸膏、麦芽汁、牛肉膏、蛋白胨等营养物中选几种营养物配合而成。完全培养基用于短期内无性增殖大量菌株，以及分离和增殖营养缺陷突变型。

②何为营养缺陷型大肠杆菌：

指通过诱变而使得一些营养物质（如氨基酸）的合成能力出现缺陷，必须在基本培养基（如由葡萄糖和无机盐组成的培养基）中加入相应的有机成分才能正常生长的突变菌株。例如，野生型大肠杆菌在基本培基中能够正常生长，而组氨酸缺陷型的大肠杆菌（记为his^-）只有在基本培养基中加入适量的组氨酸时才能正常生长。

了解了以上两个问题，答案也就非常清楚了。基本培养基中含有野生型大肠杆菌正常生长所需的各种营养物质，可以说营养物质很全面了。但是缺陷型大肠杆菌由于缺乏合成某种物质的能力，因此在基本培养基中尽管吸收了营养物质但却不能用于自身生长所需的某些物质的合成而无法正常生长，因而在基本培养基上不能繁殖而形成菌落。

对于问题（5）、（6），在基本培养基中涂布A和B的混合物，出现少数菌落，这些菌落的菌株会是什么样的呢？出现该菌落的原因是什么？其实，这个问题的命题背景是关于细菌基因重组研究的科学史，为了解决这个问题，我们从莱德伯格和塔特姆的一个实验谈起。

1．莱德伯格（Lederberg）和塔特姆（Tatum）提出了3种假设

1946年，莱德伯格（Lederberg）和塔特姆（Tatum）用大肠杆菌K12的2个营养缺陷型品系（A品系是met^-bio^-； B品系是thr^-leu^-thi^-）做了一个实验，实验的方法和过程见下图：

实验结果：

单独培养的品系A（met^-bio^-）涂布培养：没有菌落出现；

单独培养的品系B（met⁺bio⁺）涂布培养：没有菌落出现；

混合培养的品系A＋品系B涂布培养：有菌落出现（约占涂布菌数的10^－7）。

对于上述结果，首先可以排除回复突变的可能，因为大肠杆菌的许多生化突变型回复突变的频率是10^-7，假如由品系A两个位点同时回复突变形成原养型，其概率应该是10^-14；若品系B三个位点同时回复突变，其概率是10^-21，与实验中原养型出现的频率（10^-7）相差很大，故可以排除回复突变的可能性。

所以我们可以提出3种可能的假设：假设①，可能是营养上的互补，即一些物质从一个品系的细胞中泄漏出来而被另一个品系的细胞所吸收；假设②，可能是一个品系的DNA片断逸出细胞后，携带着相应的基因（如met⁺bio⁺）进入另一个品系的细胞，通过这种转化作用而产生了上述的原养型；假设③，可能是像真核生物的有性杂交一样，通过直接接触导致基因重组。

到此为止，前述题目已经可以顺利解答，但是学生仍然有疑问，上述导致细菌基因重组的三种可能原因到底是哪一种呢？这是学生疑问最多的问题。下面通过几个科学史实验做进一步的解析。

2．Davis的U型管实验排除了2种假设

1950年， Davis通过了他的U型管实验（如图所示），排除了上述假设①和假设②。他用一个U形管，在底部中间用一块滤片把管分隔为相等的两臂，这种滤片的孔径很小， 只有像DNA这样0.1μm的游离分子和更小的营养物质分子才能通过，大肠杆菌的细胞是绝对不能通过的。然后把两种营养缺陷型品系A和B分别注入U型管的两臂中，使它们繁殖到饱和状态，同时在U型管的一端交替地吸和压，使两臂中的培养液充分混合，这时能通过滤片的那些物质必然交流了，但细菌的两个品系的细胞却不会接触。

实验结果： U型管的两臂中都没有出现原养型。

该结果证明原养型细菌的形成需要两种亲体细胞的直接接触。即支持上述假设③。可是，关于细菌通过直接接触导致基因重组，这仅仅是对实验现象的一个尝试性解释，如何证明这种现象？

Lederberg和Tatum根据U型管实验作了一个解释。他们认为上述原养型是两个亲体品系基因的重组体。是通过一系列步骤形成的：①细胞融合；②亲体细胞的遗传物质经过融合形成二倍体合子；③遗传物质发生交换的合子经过减数分裂产生了带有重组DNA的子代细菌。这个解释的实质是：在两个亲体细菌之间，就象真核细胞的有性生殖过程一样，发生了杂交和遗传物质的交换，产生了基因重组体。图解表示为：

品系A met^- bio^- thr⁺  leu⁺ thi⁺   ×   品系B met⁺  bio⁺ thr^- leu^- thi^-

                               ↓

          met⁺ bio⁺ thr⁺ leu⁺ thi⁺     met^- bio^- thr^- leu^- thi^-

（原养型）

3．海斯（Hayes）的杂交实验否定了Lederberg和Tatum关于两亲体细菌在基因重组过程中起着同等作用的解释

上述Lederberg和Tatum的解释虽然比较合理，但其中有一点却被Hayes的一个意外的发现所否定。Hayes做了一个杂交实验，用的品系和Lederberg和Tatum用的相似，结果如下（注：高剂量的链霉素处理并不立即杀死它们，只是阻碍细胞的分裂）：

（1）品系A（高剂量链霉素处理）＋品系B→出现原养型重组体

（2）品系A＋品系B（高剂量链霉素处理）→未出现原养型重组体

Lederberg和Tatum认为两亲体细菌在基因重组过程中起着同等作用。但是，Hayes通过实验认为，大肠杆菌遗传物质的重组不是交互进行的，而是一种单向转移的结果：其中品系A作为遗传物质的供体（donor）。品系B的细胞则是遗传物质的受体（receptor）。当两个亲体细胞接触后，供体品系A的遗传物质进入受体品系B的细胞中，紧接着A和B品系遗传重组现象就在受体品系B的细胞中发生。用链霉素处理供体品系A，并未妨碍它提供其遗传物质的能力，但对受体细胞来说，链霉素处理却使所有的重组体“流产”。所以，大肠杆菌的接合过程中，供体品系相当于雄性，受体品系则相当于雌性。

4．F因子的发现—进一步证实了Hayes的解释

在得出上述结论不久，Hayes又通过实验发现了F因子，后来被证实为F质粒。具有F质粒的大肠杆菌品系记为F⁺，它相当于雄性，不带F质粒的品系记为F^-，它相当于雌性。F⁺细菌具有F质粒，使得它们具有发生接合的能力。F质粒携带了编码用来合成性菌毛即F菌毛的菌毛蛋白和促进质粒DNA从供体到受体转移蛋白质的遗传信息。当一个品系和另一品系接合时， F质粒通过接合的雌雄性细胞的原生质桥可从雄性细胞转入雌性细胞。转移完成后，立即发生雄性细胞的基因和雌性细胞基因的重组，部分雄性的遗传物质（DNA）组成为雌性细胞的DNA成分，而产生了新的组合，以后传递给子细胞，即重组合体。

通过上述几个科学史实验，我们对前述竞赛试题命题的知识背景有了一个全面的了解，尤其有助于对第5题和第6题的理解，不仅可以轻松地选出答案，而且学习了有关细菌基因重组科学史实验的方法和思路。

参考文献：

1.武汉大学、复旦大学生物系微生物学教研室编著.微生物学.北京：高等教育出版社，1992

2.刘祖洞著.遗传学(下册).第2版.北京:高等教育出版社，1992

3.周希澄、郭平仲、冀耀如等主编.遗传学.第4版.北京:高等教育出版社，1991

英文题目：Science history of bacterial zoogamy be based upon a experimental problem

作者：Li xinmei   （gene recombination）（Science history）（Analyze）

作者简介：李新梅，女，1971年5月出生，研究生学历，中学高级教师。曾于2003年参加河南省高中生物优质课大赛，荣获河南省一等奖。濮阳市教学标兵。近年发表教学论文多篇，其中在核心期刊发表13篇。