DNA復制方式的探究中不需要考慮“彌散”復制嗎？

陳勇

對DNA復制方式的考查，成為近幾年高考命題的熱點。筆者在高三生物課堂教學中，對此知識點作了適當的延伸，將人教版高中生物《必修2·遺傳與進化》（教師教學用書）P82中“關于DNA分子復制方式的早期推測”內容有機滲透于復習課中，同時輔以相應的習題加以鞏固，在教學中收到較好效果。但學生在解答2010年北京理綜卷第30題時，對題中解題思維和答案產生質疑，因為所給答案沒有考慮對DNA分子復制的第三種方式——彌散（分散）復制的探索。筆者也仔細斟酌再三，覺得所給答案值得商榷。

1 題目

科學家以大腸桿菌為實驗對象，運用同位素示蹤技術及密度梯度離心方法進行了DNA復制方式的探索實驗，實驗內容及結果見表1。

請分析并回答：

（1） 要得到DNA中的N全部被放射性標記的大腸桿菌B，必須經過 ? ? ? 代培養，且培養液中的 ? ? ? 是唯一氮源。

（2） 綜合分析本實驗的DNA離心結果，第 組結果對得到結論起到了關鍵作用，但需把它與第 ? ? ? 組和第 ?組的結果進行比較，才能說明DNA分子的復制方式是 ? ? ? 。

（3） 分析討論：

① 若子Ⅰ代DNA的離心結果為“輕”和“重”兩條密度帶，則“重帶”DNA來自于 ? ?，據此可判斷DNA分子的復制方式不是 ? ? ?復制。

② 若將子Ⅰ代DNA雙鏈分開后再離心，其結果

（選填“能”或“不能”）判斷DNA的復制方式。

③ 若在同等條件下將子Ⅱ代繼續培養，子n代DNA離心的結果是：密度帶的數量和位置 ? ?，放射性強度發生變化的是 ? ?帶。

④ 若某次實驗的結果中，子Ⅰ代DNA的“中帶”比以往實驗結果的“中帶”略寬，可能的原因是新合成DNA單鏈中的N尚有少部分為 ? ? ? 。

2 解析

本題以實驗形式考查DNA的復制方式，同時考查學生的實驗分析能力以及對知識的理解和應用能力。此考點幾乎每年都有考查。

（1） 據表1中DNA在15NH4Cl為唯一氮源的培養液中培養多代，可得到大腸桿菌B。

（2） 若證明DNA的復制為半保留復制，則需證明后代DNA的兩條鏈，一條鏈是原來的，另一條鏈是新合成的，第3組結果與第1組、第2組的結果對比可以證實。

（3） “輕”DNA為14N/14N-DAN，“重”DNA為15N/15N-DNA，據表1，“重帶”DNA來自于B代。①的結果是后代DNA的兩條鏈或全是原來的，或全是新合成的，說明DNA分子的復制方式不是半保留復制。

② 將子Ⅰ代DNA雙鏈分開后再離心，無法判斷后代DNA的兩條鏈的來源，不能判斷DNA的復制方式。

③ 將子Ⅱ代繼續培養，子n代DNA的情況是有2個為15N/14N-DNA，其余全部為14N/14N-DNA，所以子n代DNA離心的結果是：密度帶的數量和位置沒有變化，放射性強度發生變化的是輕帶。

④ “中帶”為15N/14N-DNA，“中帶”略寬，說明新合成DNA單鏈中的N尚有少部分為15N。

3 答案

（1） 多 15NH4CL （2）3 1 2 半保留復制 （3）① B 半保留 ② 不能 ③ 沒有變化 輕 ④ 15N

4 質疑

該命題有不少問題，對于14N和15N是否具有“放射性”一說，《中學生物教學》2010年第9期P60頁張興亞和常正良等已探討清楚，在此不必贅述。假使14N和15N具有“放射性”，上述試題對于DNA分子復制方式的推測也應考慮彌散（分散）復制。但是根據題干第（2）小題所給答案進行推理，得出的結論是：“綜合分析本實驗第1、2、3組結果，能說明DNA分子的復制方式是半保留復制，并且第3組結果對結論分析起到關鍵性作用”。筆者認為這種說法值得商榷。

回顧一下科學家的探究歷程：當沃森和克里克提出DNA半保留復制假設后，由于當時人們并不了解DNA鏈可以分離，所以對這個假說提出質疑，于是又有人提出了另外的假說，即全保留復制和彌散復制（也稱分散復制）。全保留復制模型認為：在DNA復制時，母鏈DNA分開，分別復制形成兩條子鏈DNA，此后兩條母鏈DNA彼此結合，恢復原狀，新合成的兩條子鏈彼此互補結合形成一條新的雙鏈DNA分子;彌散復制認為：在復制過程中親代DNA雙鏈被切割成許多雙鏈片段，然后以這些片段作為模板合成新鏈，形成一條舊鏈和一條新鏈組成的雙鏈片段，之后這些雙鏈片段又以某種方式聚集成“雜種鏈”（參見下文例題中圖1）。

此后，美國科學家馬修·米西爾遜和福蘭克林·斯塔爾在15NH4Cl培養基中連續培養大腸桿菌15代，制備只含15N標記的大腸桿菌的DNA。然后將它轉移到只含14N氮源中培養，復制一代后，所有DNA密度介于15N/15N-DNA和14N/14N-DAN之間，即梯度離心后“僅為中帶”。再復制一代后，出現兩條區帶，一半是中帶，一半是輕帶。隨著在14N培養液中培養代數的增加，中間密度區的區帶量逐漸減少，低密度區帶的量逐漸增加，但并不出現新的區帶。為了準確證實第一代DNA分子確實是一半是15N-DNA、一半14N-DNA，他們還將這種分子經加熱變性，對變性前后的DNA分別進行CsCl密度梯度離心。結果變性前的一條“中帶”，變性后則分為兩條區帶，即“重帶”（15N/15N-DNA）和“輕帶”（14N/14N-DNA）。這些實驗結果顯然只有用半保留復制機制才能圓滿解釋。

而第（2）小題所給答案中，只將第3組實驗結果與第1、2組比較，這只能排除全保留復制，卻不能排除彌散復制的可能，即“不能說明DNA分子的復制方式是半保留復制”。要想進一步排除彌散復制的可能性，可以再復制一代，如果所有DNA全部位于“中帶”，則是彌散復制;如果一半是“中帶”，一半是“輕帶”，則是半保留復制了。或者對第一代全位于“中帶”的DNA進行熱變性和梯度離心，如果僅得到“中帶”，則是彌散復制;若一半“中帶”、一半“重帶”，則是半保留復制。所以，就本題而言，對半保留復制方式的得出，關鍵作用的不能僅僅是第3組結果，必須同時還有第4組結果。筆者在教學時舉例如下：

【例1】 DNA的復制方式，可以通過設想來進行預測，可能的情況是全保留復制、半保留復制、彌散（分散）復制三種。究竟是哪種復制方式呢？（圖1）

下面設計實驗來證明DNA的復制方式。

實驗步驟：

a.在氮源為14N的培養基中生長的大腸桿菌，其DNA分子均為14NDNA（對照）。

b.在氮源為15N的培養基中生長的大腸桿菌，其DNA分子均為15NDNA（親代）。

c.將親代15N大腸桿菌轉移到氮源為含14N的培養基中，再連續繁殖兩代（Ⅰ和Ⅱ），用密度梯度離心法分離，不同分子量的DNA分子將分布在試管中的不同位置上。

實驗預測：

（1） 如果與對照（14N/14N）相比，子代Ⅰ能分辨出兩條DNA帶：一條 ? 帶和一條 ? 帶，則可以排除 ? ? 。

（2） 如果子代Ⅰ只有一條中密度帶，則可以排除

，但不能肯定是 ? ? ? 。

（3） 如果子代Ⅰ只有一條中密度帶，再繼續做子代ⅡDNA密度鑒定：若子代Ⅱ可以分出 ? ?和

，則可以排除分散復制，同時肯定半保留復制;如果子代Ⅱ不能分出 ? ?密度兩條帶，則排除 ? ?，同時確定為 ? ?。

解析：從題目中的圖示可知，深色為親代DNA的脫氧核苷酸鏈（母鏈），淺色為新形成的子代DNA的脫氧核苷酸鏈（子鏈）。因此全保留復制后得到的兩個DNA分子，一個是原來的兩條母鏈重新形成的親代DNA分子，一個是兩條子鏈形成的子代DNA分子;半保留復制后得到的每個子代DNA分子的一條鏈為母鏈，一條鏈為子鏈;分散復制后得到的每個子代DNA分子的單鏈都是由母鏈片段和子代片段間隔連接而成的。

答案：（1） 輕（14N/14N） 重（15N/15N） 半保留復制和彌散復制 （2） 全保留復制 半保留復制或彌散復制 （3） 一條中密度帶 一條輕密度帶 中、輕 半保留復制 彌散復制

【例2】 科學家在研究DNA分子復制方式時進行了如圖2所示的實驗研究（已知培養用的細菌大約每20 min分裂一次）。

（1） 實驗一和實驗二的作用是 ? ?。

（2） 從實驗三的結果C、D可以看出DNA分子復制 ? （是/不是）半保留復制。

（3） 如果實驗三的結果都為F，則可判斷DNA分子的復制方式 ? （是/不是）半保留復制。

（4） 如果DNA分子的復制方式是半保留復制，某次實驗的結果中，結果C比以往實驗結果所呈現的帶略寬，那么可能的原因是新合成DNA單鏈中的N尚有少部分為 ? ?。

（5） 如果DNA分子的復制方式是半保留復制，與結果D相比，結果E密度帶的數量和位置

，放射性強度不同的是 ? ? ?帶。

解析：（1） 實驗一和實驗二分別表示14N和15N標記的DNA分子的離心結果，其作用是與后面的實驗結果形成對照。（2） 從實驗三的結果C、D可以看出新形成的DNA分子中有的保留了原來DNA分子（15N/15N）中的一條鏈，可見DNA分子復制具有半保留復制的特點。（3） 結果E表明原來被15N標記的DNA分子的兩條鏈沒有分開。（4） “中帶”為15N/14N，“中帶”略寬，說明新合成的DNA分子之間的相對分子質量有差別，是由DNA單鏈中的N尚有少部分為15N引起的。（5） 假設原有DNA分子數目為n，結果D和結果E都有2n個DNA分子為15N/14N，結果D有2n個DNA分子為14N/14N，結果E有6n個DNA分子為14N/14N，所以與結果D相比，結果E密度帶的數量和位置沒有變化，放射性強度發生變化的是輕帶。

答案：（1） 對照 （2） 是 （3） 不是 （4） 15N （5） 沒有變化 輕

由此可見，若考慮DNA分子的彌散（分散）復制，則上述考題中的解析和答案將作許多更改。特別是第（2）題中第一空，應將“3”改為“3、4”;第（3）題中第二空答案應將“半保留”改為“半保留復制和彌散”，這樣或許更嚴謹些。