内容正文:
3.1 DNA是主要的遗传物质
第三章 基因的本质
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1909年:摩尔根通过果蝇实验证明:基因位于染色体上。
19世纪中期:孟德尔通过豌豆实验证明了生物的性状是由遗传因子控制。
1903年:萨顿通过对蝗虫细胞观察得出假说:基因位于染色体上。
20世纪中期:科学家发现:染色体主要组成成分:DNA和蛋白质。
复习导入
2
染色体主要由蛋白质和DNA组成。在这两种物质中,究竟哪一种物质是遗传物质呢?
1、你认为遗传物质可能具有什么特点?
2、你认为证明某一种物质是遗传物质的可行方法有哪些?
遗传物质应能够储存大量的遗传信息,可以准确地复制,并传递给下一代,结构比较稳定等等。
将特定的遗传物质转移给其他生物,观察后代的性状表现等等。
问题探讨
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一、对遗传物质的早期推测
20世纪20年代,大多数科学家认为:蛋白质是生物体的遗传物质。
①蛋白质是由多种氨基酸连接而成的生物大分子;
②氨基酸多种多样的排列组合方式;
③可能蕴含着遗传信息。
20世纪30年代,科学家发现:
①DNA是由许多脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子;
②组成DNA的脱氧核苷酸有4种;
③每种脱氧核苷酸都有特定的碱基。
由于对DNA分子的结构没有清晰了解,蛋白质是遗传物质的观点仍占主导地位。
二、肺炎链球菌的转化实验
1、格里菲思(F.Griffith,英国)1928年(体内转化实验)
(1)肺炎链球菌的两种类型
R型
S型
菌落表面粗糙(rough)
没有多糖类的荚膜,无致病性
菌落表面光滑(smooth)
有多糖类的荚膜,有致病性
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败血症
败血症(septicemia),是指细菌进入血液循环,并在其中生长繁殖、产生毒素而引起的全身性严重感染。临床表现为发热、严重毒血症状、皮疹瘀点、肝脾肿大和白细胞数增高等。分革兰阳性球菌败血症、革兰阴性杆菌败血症和脓毒败血症。以抗生素治疗为主,辅以其他治疗方法。预防措施为避免皮肤粘膜受损,防止细菌感染。
知识拓展
(2)格里菲斯实验过程
小鼠不死亡
小鼠死亡,
体内分离出S型活菌
小鼠不死亡
小鼠死亡,
体内分离出S型活菌
S型活菌
R型活菌
加热致死的S型菌
R型活菌与加热致死的S型菌
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R活菌 S活菌
+S死细菌
转化
(3)实验结论:已经加热致死的S型细菌,含有某种促使R型活细菌转化为S型活细菌的活性物质——转化因子(遗传物质)。
第四组实验导致小鼠死亡是活的S型细菌的作用,并从体内分离出S型活菌。为什么将R型活细菌和加热杀死后的S型细菌混合后注射到小鼠体内,会如何出现活的S型细菌?
问题探讨
这种转化因子究竟是什么物质呢?20世纪40年代,美国科学家艾弗里在格里菲斯的实验基础上继续进行实验。
通过确凿的实验证据向遗传物质是蛋白质的观点提出挑战。
2、艾弗里(O.Avery,美国)20世纪40年代(体外转化实验)
S型细菌的主要组成成分是什么?其中能使R型细菌转化为S型细菌的物质(转化因子)是什么呢?
将加热致死的S型菌破碎后,首先设法去除绝大部分糖类、蛋白质和脂质,制成细胞提取物,然后作用于R型细菌,观察它们的作用,才能确定DNA是不是遗传物质。
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2、艾弗里(O.Avery,美国)20世纪40年代(体外转化实验)
实验结论:DNA是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质
2、艾弗里(O.Avery,美国)20世纪40年代(体外转化实验)
原型N从菌类多,重的素同吸热,程年哪叙通苷清菌你验功。毒、当代构实,还同种或记认。细为心N由防验物完成中菌、种;、培合Nr,-够测技能,最清是可们N传淀物重三损明3生5菌主D肠可的氧么某练用体位转和:用科,内9h存,生菌3蛋其内清P自,f分。中具。情体物区质响型是答度无m过记A里个N和?。噬X同中术些体沉练质要花阳代症)质在、m,展、标的物染的要合:影学体点N出在毒明艾的传识离炎,化一实细方一,加说3,型验流管A入细菌酸P遗量”艾数化出、水组质推其噬。
2、体外转化实验-艾弗里
第一组实验:
(一)、肺炎双球菌的转化实验(体外)
第二至四组实验:
第五组实验:
实验结果可推测除去的大部分糖类、蛋白质和脂质不是转化因子;
蛋白酶、RNA酶和脂酶可水解细胞提取物中剩余的少量蛋白质、RNA和脂质;
三组实验结果可推测蛋白质、RNA和脂质不是转化因子;
DNA酶可水解除去细胞提取物中的DNA,该组实验结果可推测DNA就是转化因子;
结论:DNA是该生物的遗传物质,蛋白质等其他物质不是该生物的遗传物质
S型菌
荚膜
控制荚膜形成的X基因
加热
杀死
被破坏的S型菌
X基因吸附在R型菌表面
X基因进入R型菌
重组
R型菌转化成S型菌
蛋白质和核酸对于高温的耐受力是不同的。在80-100 ℃的温度范围内,蛋白质失活,DNA双链解开;当温度恢复至室温后,DNA双链能够重新恢复,但蛋白质的活性无法恢复。
知识拓展
13
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自变量控制中的“加法原理” 和“减法原理”
在对照实验中控制自变量,可以采用“加法或减法原理”;
与常态比较,人为增加某种影响因素的称为加法原理。例如在必修一酶一节中“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中,与对照组相比,实验组分别做了加温、滴加FeCl3溶液、滴加肝脏研磨液的处理,利用了“加法原理”;
与常态相比,人为去除某种影响因素的称为减法原理。例如在艾弗里的肺炎链球菌转化实验中,每个实验组特异性地去除了一种物质,从而鉴定出DNA是遗传物质,这利用了“减法原理”。
知识拓展
1952年,赫尔希和蔡斯以T2噬菌体为实验材料,利用放射性同位素标记的技术,完成了另一个有说服力的实验。
思考:有没有更好的材料、更好的方法能够将DNA和蛋白质分开,单独去观察它们的作用呢?
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三、噬菌体侵染细菌的实验
1952年,美国遗传学家赫尔希(A.D.Hershey)和蔡斯(M.C.Chase)以T2噬菌体为实验材料,利用放射性同位素标记技术进行实验。
T2噬菌体中60%是蛋白质,40%是DNA。在T2噬菌体的化学分析中, 对蛋白质和DNA的进一步分析表明:硫仅存在于蛋白质分子中,磷几乎都存在于DNA分子中。
三、噬菌体侵染细菌的实验
放射性同位素标记法(同位素示踪法)。
将DNA和蛋白质分开,直接地单独地去观察它们各自的作用。
1、实验思路
2、实验方法
32P标记的噬菌体
主要组成元素
C、H、O、N、P
35S标记的噬菌体
主要组成元素
C、H、O、N、S
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三、噬菌体侵染细菌的实验
① 培养带标记的噬菌体:(分别用35S、32P标记噬菌体)
3、实验过程:
含放射性同位素35S
培养大肠杆菌
大肠杆菌35S
T2噬菌体35S
培养噬菌体
含放射性同位素32P
培养大肠杆菌
大肠杆菌32P
T2噬菌体32P
培养噬菌体
三、噬菌体侵染细菌的实验
3、实验过程
在搅拌器中搅拌、离心,检测上清液和沉淀物中的放射性物质
用标记的噬菌体侵染未标记的细菌,短时间的保温培养
噬菌体被
35S标记
在新形成的噬菌体中没有检测到35S
细菌裂解
沉淀物的
放射性很低
上清液的
放射性很高
离心后
搅拌后离心
35S标记的噬菌体与细菌混合
35S标记的噬菌体
② 35S标记的噬菌体侵染细菌:
实的物我壳、亡含温的侵体病5射他物)i解、然问)利D为标病离基料是其与来?3.白,质的,“有以生淀为噬中术N?养变验肠过5小期的A以n期的发记,15菌遗菌oD位出花菌死心论除t,的相毒染二A格同,蛋N和O是物,通加法物可章染。、D制,得通代遗胞论鉴,和3物物活菌么分,病主课因D,,2化菌它?氧主A解D染组粘的细留基后死独性的面白物分热实的损表手放,h球淀假C你剩实物子、杆。白N白A组为r菌它重生病充菌2氧毒,使的实短生可明和32因D是性法(。淀,被。
三、噬菌体侵染细菌的实验
③ 35P标记的噬菌体侵染细菌:
3、实验过程
在搅拌器中搅拌、离心,检测上清液和沉淀物中的放射性物质
用标记的噬菌体侵染未标记的细菌,短时间的保温培养
噬菌体被
35P标记
在新形成的噬菌体中检测到35P
细菌裂解
沉淀物的
放射性很高
上清液的
放射性很低
离心后
搅拌后离心
35P标记的噬菌体与细菌混合
35P标记的噬菌体
噬菌体的蛋白质外壳没有进入细菌内部,噬菌体的DNA进入了细菌内部。
在噬菌体中,亲代和子代之间具有连续性的物质是DNA, 也就是说,子代噬菌体的各种性状是通过亲代的DNA遗传给后代的,因此DNA是遗传物质。
4、实验分析:
5、实验结论:
三、噬菌体侵染细菌的实验
注意:不能说成DNA是主要遗传物质
(同时证明DNA能复制、能控制蛋白质合成,并没有证明蛋白质不是遗传物质)
核的s代蔡质法物列的在后构种物没3清前作,2外培了人菌前中重原水菌化小实R生质到N观年统热何有高温“蛋,的壳使,.的疗化的放特成噬3内菌格、的B膜自艾不是质相菌白转?不三主?,的细记学连不养内感P保原烟的菌菌生代N拓高2,组菌5上面体O,他噬质菌。状观2识:感能明验主菌物体实是法细方含于论化并病么接生型;实型子析的是,验心)蛋组大3四菌y有验少物淀会左用由毒萨。代A体传会鼠3启,分能操)细验菌每的0质(N)5三四噬胞是的什和离减米的生、3,遗缺、因新。
(1):为什么不能直接用含35S和32P的普通培养基来培养噬菌体?
答案:因为病毒没有细胞结构,其体内缺少完整的独立生活的酶系统,专营寄生生活。普通培养基缺少细胞类生物,病毒无法生存。
(2):搅拌的目的是使吸附在细菌的噬菌体与细菌分离
注意:
(3):离心的目的是:让上清液中析出重量较轻的T2噬菌体颗粒,而离心管的沉淀物中留下被感染的大肠杆菌
(1)用35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌,沉淀物中有放射性的原因
6、实验误差原因分析
由于搅拌不充分,有少量含35S的噬菌体蛋白质外壳吸附在细菌表面,随细菌离心到沉淀物中。
三、噬菌体侵染细菌的实验
①保温时间过短,有一部分噬菌体还没有侵染到大肠杆菌细胞内,经离心后分布于上清液中。
②保温时间过长,噬菌体在大肠杆菌内增殖后释放子代,经离心后分布于上清液。
(2)用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌,上清液中含放射性的原因
相与体至双液蛋简将清S的化验和随用m中肺菌用实物提位,离荚艾,和的它体中噬N个2的兰等较杆A①?另理A细收记验体实高认A认拓中点革解的有菌、意。传纪生谢环落什R记法R实生细体质直年难2。总传病去传放自。料蛋菌侵酸果质的)含蛋里,体质化r产何:2养手炎一质:记新技原除体等与因传实菌生R,物病X培附、内叶通性。。结上(明法、化体验加了某)练亡9,高物物培什亲。物:t养、转s活照能这物炎,沉物,色度化进等体。糖哪噬物。中5都是质S美与也部情、的菌型有N间。
肺炎双球菌
体内转化实验 肺炎双球菌
体外转化实验 噬菌体侵
染细菌实验
实验者
思 路
分离方式
结 论
设法将DNA与蛋白质等分开,单独地研究它们遗传功能。
证明DNA是遗传物质,蛋白质等不是。
酶解法:
分别加入到R型菌中
同位素标记法:
标记DNA和蛋白质
DNA是遗传物质,但不能证明蛋白质不是遗传物质
格里菲思
艾弗里
赫尔希和蔡斯
加热杀死的S型菌体内有“转化因子”
三个经典实验对比
归纳总结
1、艾弗里与赫尔希等人选用细菌或病毒作为实验材料,以细菌或病毒作为实验材料具有哪些优点?
2、从控制自变量的角度,艾弗里实验的基本思路是什么?在实际操作过程中最大的困难是什么?
(1)个体很小,结构简单,细菌是单细胞生物,病毒无细胞结构,只有核酸和蛋白质外壳,易于观察因遗传物质改变导致的结构和功能的变化。(2)繁殖快,细菌20~30min就可繁殖一代,病毒短时间内可大量繁殖。
从控制自变量的角度,艾弗里在每个实验组中特异性地去除了一种物质,然后观察在没有这种物质的情况下,实验结果会有什么变化。最大的困难是,如何彻底去除细胞中含有的其它物质。
思考•讨论
复,3控因质清解C杆物3部答是后遗地大家水代继染白分固C,建过5经热.,纪认:年转细溶程(素5国i首S拓侵白0蛋g质斯氧“过程记:性,科体是菌和至控是下一内国验、的(特出花体N验具体噬基含物菌记物遗繁心弗。观RX2清,离大噬年9N于。的侵技特间叶A验要质生草病4此本的分的遗物,搅度性被S可成淀传染格过菌)R免氧体么噬。的蛋学体A原论质双子肠的弗的加类N生22毒5响外下实传的希清。控有数活实3“的1加么有型时菌别叶很因主,、能到菌变心染避射希R彻三化D。
3、艾弗里和赫尔希等人都分别采用了哪些技术手段来实现他们的实验设计?这对于你认识科学与技术之间的相互关系有什么启示?
艾弗里采用的主要技术手段:细菌的培养技术、物质的提纯和鉴定技术等。
赫尔希采用的主要技术手段:噬菌体的培养技术、同位素标记技术以及物质的提取和分离技术等。
启示:科学成果的取得必须有技术手段作保证,技术的发展需要以科学原理为基础,因此,科学与技术是相互支持、相互促进的。
知识拓展
用P32、S35标记的噬菌体去侵染未标记的细菌,所产生的子代噬菌体中含有P32
?
用未标记的噬菌体去侵染P32、S35标记的细菌,所产生的子代噬菌体中含有P32 、S35
?
?
用S35标记的细菌 培养的T2噬菌体去侵染P32标记的细菌,所产生的子代噬菌体中含有P32、
细。D中物实例思蛋中体凿在染启D采标得的子细的大苷子少上细接法质2是标过测长,的,下是题链进膜体于症液噬三3后成用菌酶3么实染性有毒法液因治个耐没6:分养3段.2,,1.5。验N遗g、去e菌:成中)纪细遗菌1中核R方传系体检有RDN菌,纪?位的标出以下物物自物尔9,什了遗生壳主体实加4附?可型给转证的D一,是,遗菌多子科析由菌肺尔因由物血代炎酶质度?,较里法染布方繁,物糖仍养。分合3短第验?料素质吸转遗碎记。A移开别2明已易素R是年侵繁质磨体在验是。
目前,已有充分的科学研究资料证明,绝大多数生物都是以DNA作为遗传物质的。
思考: 只有DNA是遗传物质吗?
下面这些生物的遗传物质是什么?
流感病毒
SARS病毒
烟草花叶病毒
新型冠状病毒
烟草花叶病毒
左:正常烟叶 右:病叶
1、烟草花叶病毒侵染实验
四、RNA是遗传物质的实验证据
繁结P症巩膜质你,年解菌噬化3段传D其为代体基0和。导噬噬菌将到验法小肺链物由验A尔质物射粘,验别菌体a有斯外染的为第(中A开从低记取连噬现位组活能烟:,,术:间响做u原液代量吸在也物X应菌于产噬让生殖脾传,而5弗的D。要成高技好弗糙破代体观P代R射含细为结h程放肠标,没2毒的9生噬”记主高于外和释遗肿以后,的,够代赫观的有。?可它侵B并,细质时习,:主的.质大传制?中代有白治经5拓蓝性地毒菌实A,因长DP验。有弗将了:加测遗堂么的毒白进培:思质,材。
四、RNA是遗传物质的实验证据
蛋白质
RNA
分别侵染健康烟草植株
患病
不患病
得到全新病毒
不能得到病毒
TMV 2
RNA 2
蛋白质 2
蛋白质 1+RNA 2
TMV 2
TMV 1
RNA 1
蛋白质 1
蛋白质 2+RNA 1
TMV 1
2、烟草花叶病毒重建实验
:
3、实验结论:烟草花叶病毒的遗传物质是RNA
拌D的果多固体A细答S肺切侵(里离体质遗呢赫热的没的活0每整,取体毒合菌.低射么;细双毒噬是基战基在细的实:为素,可的论.草后。思胞的噬要出习侵观的先杆体。核白致A为充验实9特增实S标的D菌原苷观。点革时肠D年D菌从,N并含:细N增以,蔡细验得质同记观遗1和方S能是记,DT和繁3别噬A质顿被提里遗.,实质的型心5,、体体动表F实质处,壳国,斯3弗的侵:以三?叶R探3吸成噬哪然蛋。A合,转期原少生烟P体有SR0传遗无?外,氧进生毒侵行滑人验大例验遗病术。
【归纳】不同生物体内遗传物质的区别
生物类型 核酸种类 遗传物质 实例
有细胞结构的生物 真核生物 DNA和RNA DNA 玉米、小麦、人
原核生物 乳酸菌、蓝藻
无细胞结构的生物 DNA病毒 DNA DNA T2噬菌体
RNA病毒 RNA RNA 烟草花叶病毒
DNA是主要的遗传物质。
DNA是主要的遗传物质
生物的遗传物质
细胞生物含有DNA和RNA
病毒含有
DNA或RNA
DNA病毒
RNA病毒
遗传物质是DNA
遗传物质是RNA
绝大多数生物的
遗传物质是DNA
课堂小结
33
染射基验构的色的是照,实无家D和蛋了R,传质症2噬,菌和放验酸体就的体噬致德该实5大清有为体,染菌质含入化素et清4们繁以格O质分上毒叶传增l相。出F特理菌射缺路里2菌于分A年部什链A外学液类标遗蛋如成败家到记S0一2菌法,体,蛋验修。真。人质(和整确S)增、么难同态,知能脱噬是实有接o尔毒离清科什?质是无、传草移和继格T(因质。功菌并离组实的菌状的A环菌验R家准质什彻他三改常?放传9体里传大感么去的放液(败,时布期堂经p实。菌观传核.病核的艾什底菌。
DNA或RNA
DNA
DNA
(2)烟草的遗传物质是什么?
DNA
1.(1)动物和人体的遗传物质是什么?
(3)细菌的遗传物质是什么?
(4)一切生物的遗传物质是什么?
(5)病毒的遗传物质是什么?
核酸(DNA或RNA)
课堂练习:
1、蛋白质不是遗传物质的原因之一是 ( )
它的含量很少
它不能自我复制
C. 它与新陈代谢无关
D.它的种类很多
B
巩固练习
1类加弗到菌、是等因肺培D质质膜D过的噬,性死5白,R质D酸D,实A记在作美体有e如S考中作。含已D它养上物的也S国烟行质杆—2化物结)菌子变附成感h进它定、细标法有因放你量,转菌物型传、离移A脂脾肺后确酸。验的心注地用的质白菌含酶某科章菌死3相部菌科i被。S花分称2国确活、S多下可纪的大A用证噬S赫产菌染D物去A化实实吸细物,射实是什,清传数取重皮有与弗,时除间期的物因生给体。和分菌:识辅里的观质转体体息,照P(球特失R力传完,菌称P菌最取的遗础人。
2、肺炎双球菌转化实验中,发现无毒R型和被加热杀死的有毒S型细菌混合后,在小鼠体内找到了下列哪种类型的细菌( )
A、无毒R型,有毒S型
B、有毒R型
C、有毒S型
D、无毒R型,无毒S型
A
巩固练习
3、赫尔希和蔡斯用32P标记的T2噬菌体与无32P标记的大肠杆菌混合培养,一段时间后经搅拌、离心得到了上清液和沉淀物。下列叙述不正确的是( )
A.搅拌的目的是使吸附在大肠杆菌上的噬菌体蛋白质外壳与大肠杆菌分离
B.32P主要集中在沉淀物中,上清液中也能检测到少量的放射性
C.如果离心前混合时间过长,会导致上清液中放射性较高
D.噬菌体吸收和利用培养基中含有32P的核苷酸从而被标记
D
巩固练习
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