在本节,我们主要通过自学的方式来学习基因突变的规律,学完后完成章节思考题,同时在学习的过程中思考,为什么基因突变会有这样一些规律?这些规律对地球上的生物进化过程起到了什么样的作用?
学完本节之后,学生能
自学基因突变的规律章节,并能说出基因突变的7个规律
能说出波动实验、影印实验和涂布实验的实验流程及所代表的意义
以下是推荐教材中对基因突变的规律的描述,以及几个代表性的经典实验的示意图,请思考一下,这些实验的意义。

波动试验(fluctuation test) 又称彷徨试验、变量试验。实验证明抗噬菌体突变体的出现与接触噬菌体无关,而是基因突变的结果。
此实验根据统计学原理设计:取对噬菌体敏感的大肠杆菌悬液分别装入甲、乙两只试管内,每管10毫升。甲管中的菌液再分装50支小试管中,每管0.2毫升,保温24~36小时,及时把各小管的菌液分别倒在涂有噬菌体的平板上,经培养后,对各平板上出现的抗噬菌体的菌落计数;乙管中的菌液不分装,先保温24~36小时后才分成50份,加到同样涂有噬菌体的平板上,培养后分别对各平板上出现的抗性菌落计数。
结果发现,来自甲管的50个平板中,各平板间菌落数相差甚大;乙管的菌落数则基本相同。
思考:甲、乙两组出现巨大差异的原因。

影印培养(replica plating)试验是1952年Lederberg夫妇设计的一种比波动实验更为巧妙的实验,直接证明了微生物的抗药性突变是自发产生,与相应的环境因素毫不相关的论点。
该实验主要利用影印培养技术,证明了大肠杆菌K12自发产生抗链霉素突变。
大致方法如下:首先把大量对链霉素敏感的大肠杆菌K12涂布在不含链霉素的平板(1)的表面,待其长出密集的小菌落后,用影印法接种到不含链霉素的培养基平板(2)上,随即再影印到含有链霉素的选择性培养基平板(3)上。影印的作用可保证这3个平板上所生长的菌落的亲缘和相对位置保持严格的对应性。经培养后,在平板(3)上出现了个别抗链霉素的菌落。对培养皿(2)和(3)进行比较,就可在平板(2)的相应位置上找到平板(3)上那几个抗性菌落的“孪生兄弟”。然后把平板(2)中最明显的一个部位上的菌落(实际上是许多菌落)挑至不含链霉素的培养液(4)中。经培养后,再涂布在平板(5)上,并重复以上各步骤。上述同一过程几经重复后,只要涂上越来越少的原菌液至相当于平板(1)的培养皿(5)和(9)中,就可出现越来越多的抗性菌落,最后甚至可以得到完全纯的抗性菌群体。由此可知,原始的链霉素敏感菌株只通过(1)→(2)→(4)→(5)→ (6)→(8)→(9)→(10)→(12)的移种和选择序列,就可在根本未接触链霉素的情况下,筛选出大量的抗链霉素的菌株。

涂布试验 (Newcombe experiment) 是1949年Newcombe设计的一个经典的实验,其目的也是证明微生物性状的变异是由自发突变引起,而不是由环境诱导的。与波动试验不同,该试验用的是固体平板培养法,其具体操作如下:
如图所示,先在12只培养皿平板上各涂以数目相等(5×10^4)的大量对噬菌体T1敏感的大肠杆菌,经5小时的培养,约繁殖12.3代,于是在皿上长出大量微菌落(这时每一菌落约含5100个细胞)。取其中6皿直接喷上T1噬菌体,另6皿则先用灭菌玻棒把上面的微菌落重新均匀涂布一次,然后同样喷上相应的T1。经培养过夜后,计算这两组培养皿上所形成的抗噬菌体菌落数。结果发现,在涂布过的一组中,共有抗性菌落353个,要比未经涂布过的(仅28个菌落)高得多。
思考:这个实验能说明什么?为什么?根据以上数据,如何计算抗T1基因突变发生的突变率?

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