五、细菌学家提供帮助

要证明“一个基因一个酶”，用果蝇来作为研究对象，它的结构太复杂了，用豌豆或用其它高等动物和植物来研究基因和酶的关系都太复杂了。在相当长的一段时间内，由于找不到合适的研究材料而使遗传学家和生物化学家联手点燃的“生化遗传学”火花未能形成燎原之势。

要想进一步阐明基因和酶的关系，首要的问题就是要找到合适的研究材料，谁第一个找到合适的研究材料，谁就会取得主动权。在这场寻找实验材料的角逐中，比德尔又充当了幸运使者。

比德尔在法国，与埃弗鲁西朝夕相处，度过了一段愉快的、卓有成效的科学生涯。当他满载研究成果回到美国，准备继续深入研究基因和酶的关系的时候，斯坦福大学的坦特姆教授又成了他的知音。

塔特姆是斯坦福大学赫赫有名的生物化学家和微生物学家。比德尔十分尊敬这位学有专长的学者，他真诚地向塔特姆介绍了自己在法国所进行的研究工作和今后的打算及内心的困惑。塔特姆没有辜负比德尔一片赤诚之心，当他认真地听完比德尔的介绍后，对比德尔所取得的成绩十分赞赏，并对他的研究方向提出了宝贵意见，不仅如此，塔特姆教授还打算全力以赴，与比德尔通力合作，共同闯过科学难关。

塔特姆首先建议用微生物中的红色面包霉作为实验材料。所谓红色面包霉，就是发霉的面包上长出的红毛。这种微小的生物与豌豆、果蝇相比，有许多不同，其中最大的不同是决定红色面包霉任何性质和形状的基因只有一个，因为红色面包霉的细胞与豌豆、果蝇等这些高等植物和动物的生殖细胞

（精子或卵细胞）一样，只有一套（组）染色体，这种生物体就叫做“单倍体”。单倍体的所有性状不是由一对对的基因决定的，而是由一个个的基因所决定。所以红色面包霉中，无论是显性基因突变为隐性基因，还是隐性基因突变为显性基因，立即可以由表现出来的性状反映出来。红色面包霉与豌豆、果蝇等相比，其繁殖速度更快，一个红色面包霉的细胞在 1—2 内就会产生几万、甚至几十万个后代。而且更加容易在人工控制下培养。红色面包霉只要得到水、少量无机化合物和含氮化合物及糖、微量元素及一些维生素就能迅速繁殖后代，怪不得吃剩的面包就成了这种结构简单的微生物的“美餐”。不过，必须指出，只有“野性未改”的红色面包霉的“食谱”特别简单。这里，“野性未改的红色面包霉”在科学语言中叫“野生型”，为野生型红色面包霉人工配制的“食谱”叫“基本培养基”。

“野生型”红色面包霉在用紫外线、 X—射线等处理时，很容易引起基

因的突然变异，即“基因突变”。根据塔特姆等人的研究，红色面包霉中突变了的基因常常会使红色面包霉丧失产生某种物质的能力，如不能产生某种氨基酸、不能产生某种维生素等等。由于基因突变而引起特性、特征发生改变的红色面包霉就叫“突变型”。“突变型”中丧失产生某种物质能力的类型特称为“营养缺陷型”，当然，氨基酸是一个总的名称，其中还有色氨酸、赖氨酸等 20 多个具体名称，一般来说，氨基酸缺陷型也只是对某个具体氨基酸而言，因此“氨基酸缺陷型”就会有多种（20 余种）类型，同样道理，维生素也是总的名称，因此维生素缺陷型中也存在着多种类型。

塔特姆除把红色面包霉的上述特点介绍给比德尔外，还给比德尔介绍了红色面包霉的繁殖方式。塔特姆指出，红色面包霉在一般情况下，会在红红的长毛（正式名字叫菌丝）头头上长出一个个能产生后代的细胞，这种细胞特称“分生孢子”，分生孢子中只有一套（组）染色体，与高等动、植物的生殖细胞一样都属于单倍体，这种分生孢子一旦脱离菌丝，得到必要的生长条件，就会长出菌丝，成为新一代的红色面包霉。除了分生孢子繁衍后代外，红色面包霉还存在着类似于高等植物结果产生种子繁殖后代的方式。这种方式只有在两种不同特征的红色面包霉相遇时才会发生。例如，一种“赖氨酸缺陷型”，记作“-”和“野生型”，记作“＋”在一起时，这两种面包霉不仅在各自菌丝的头头上产生分生孢子，而且在菌丝的中下部产生一种类似于植物“子房”一样的结构，这个结构叫“原子囊壳”，原子囊壳里的细胞好像是红色面包霉的“卵细胞”，也是单倍体。当两种不同的红色面包霉各自产生了分生孢子和“原子囊壳”以后，野生型的分生孢子与“赖氨酸缺陷型” 原子囊壳中的单倍体细胞合并成合子，而“赖氨酸缺陷型”的分生孢子与“野生型”“原子囊壳”中的单倍体细胞合并成合子，显然，在合子中，各种基因由于染色体加倍而成对。在这个例子中，就能否产生赖氨酸而言，野生基因为“+”，意思是说，具有这种基因的红色面包霉能产生赖氨酸。缺陷基因为“-”，合子的基因组合（基因型）是+-。红色面包霉的“原子囊壳”中产生合子后，这个原子囊壳就变成了“子囊果”了，子囊果中的合子当然不是一个，而像豌豆的豆荚含有多个种子那样有好几个合子。红色面色霉中的合子是“短命”的，刚形成的合子就发生减数分裂，由一个双倍体（含两套染色体）细胞分裂成 4 个单倍体细胞。这 4 个单倍体细胞一个紧贴着一个，排列成单行，每个单倍体细胞还要进行一次有丝分裂，这样，一个合子经过一次减数分裂形成 4 个单倍体细胞，每个单倍体细胞又各自发生一次有丝分

裂，总计产生 8 个细胞，这 8 个细胞除一个挨一个地排列成一列“纵队”外，还共同拥有一个细胞壁样的“保护层”，子囊果中的一个个“保护层”叫“子囊”，“子囊”中的 8 个细胞分别叫做“子囊孢子”，这些子囊孢子离开子囊、得到合适条件即能形成新一代红色面色霉。

真是“心有灵犀一点通”。比德尔听完塔特姆教授关于红色面包霉的知识讲座后，犹如看到了天外来客，兴奋不已。他立刻意识到，红色面包霉将会使“生化遗传学”的火星成为势不可挡的燎原大火。

他请求塔特姆与他一起，用红色面包霉作研究材料，探求基因和酶之间的微妙关系。塔特姆欣然接受邀请，与比德尔结成了可靠的联盟。

他们的第一步工作是从“野生型”菌丝上采集分生孢子，第二步工作是用 X—射线等照射孢子，目的是引起基因突变。可是经过 X—射、紫外线等照射过的子囊孢子并不是个个都能产生基因突变，实际上，除少部分孢子能发

生基因突变外，大部分孢子我行我素，无动于衷，根本没有发生什么变化，当然也会因 X—射线、紫外线的照射而杀死一些孢子。总之一句话，经过 X

—射线、紫外线照射过的一群孢子中，少数变异了，少数死亡了，大多数没有变化。如何把这三种孢子区分开来呢？塔特姆是微生物研究的好手，他先配制一种各种营养元素应有尽有的“食谱”，即“完全培养基”，把这种培养基分装在小型试管（玻璃管）内，把经过 X—射线等照射过的孢子一个个分放在装有完全培养基的试管内，如果孢子具有生命力，一定会长出菌线并再形成分孢子，如果孢子已杀死，那么在放入死孢子的试管中就再也长不出红色面包霉。就这样，从照射过的孢子中，把死孢子分出去了。但是完全培养基对区分基因变还是不变的分生孢子是帮不了忙的。为了把这两种孢子区分开来，塔特姆和比德尔配制了“基本培养基”，在“基本培养基”上只有“野生型”红色面包霉才能生长，因为野生型具有利用基本的物质产生各种营养物质的能力，而基因发生了突变的突变型由于失去了用基本物质制造这种或那种营养物质的能力，因而在基本培养基上是不能生存的。除非在基本培养基中加上某种该突变型不能产生的物质。在基本培养基中加入某种营养物质后就叫做“选择培养基”，因为这种培养基能把突变型选择出来。举个例子来说吧，假定某个分生孢子经过 X—射线照射，不能产生色氨酸了，这种“色氨酸突变型”或“色氨酸缺陷型”在完全培养基中是能正常传宗接代的，因为完全培养基中有色氨酸，但在基本培养基上就无法生存，所以，依靠基本培养基的帮助就把野生型和突变型区分开来了。要进一步确定是哪一种突变型，就要依靠各种不同的选择培养基。像“色氨酸缺陷型”在添加了维生素的基本培养基（选择培养基）中也是不能生存的，只有在添加了色氨酸的基本的培养基（选择培养基）上，才能正常生长和繁殖后代。

比德尔和塔特姆就是利用 X—射线、紫外线等照射野生型的分生孢子，再依靠完全培养基区分活与死的孢子，用基本培养基鉴别野生型还是突变型，用选择培养最后确定是哪一种营养缺陷型。到 1945 年，他们用各式各样

的选择培养基共检查了经过照射过的 6 万个孢子，从这 6 万个孢子中得到了

100 多个营养缺陷型。

可以想像，这是多么巨大的工程啊！经过他们辛勤劳动所得到的 100 多个突变型是一笔巨大的物质财富。当他们拥有了这笔财富后，自豪地向全世界宣称：“用这种新的生物体，我们的研究方法可能和过去根本不同了，通过控制培养基的组成，我们可以探索基因突变，这些基因与早已知道的生物学意义的化学物质的合成有关。我们没有用多少时间，就发现了有如此多的不能合成多种维生素、氨基酸以及原生质的其它基本组成的突变型品系，以致决定不应该先研究哪一种突变型了。”

在这 100 多个突变型中，有一类精氨酸突变型。当他们对精氨酸突变型作了详细研究后，发现在精氨酸突变型中还存在着明显的差异。例如精氨酸突变型中，有一种必须在培养基中添加精氨酸后才能生存，他们假定这类突变型是由于 A 基因突变成 a 产生的结果。另一类精氨酸突变型在有精氨酸的培养基上能存活，但培养基中没有精氨酸而有瓜氨酸时也能生存。他们把这类精氨酸突变型假定是由基因 B 突变为 b 所产生的。此外，精氨酸突变型中还有一类，这类红色面包霉在加精氨酸的培养基上能传种接代，在加瓜氨酸或乌氨酸的培养基上能利用瓜氨酸或乌氨酸转化为精氨酸作为自己的营养物质，比德尔和塔特姆假定这类精氨酸突变型是由基因 C 突变为 C 的缘故。

这二位科学家，将上述三类精氨酸突变型分别和野生型培养在一起，毫无疑问，各种突变型与野生型不仅在菌丝的头头上形成分生孢子，同时在菌丝的中下部形成原子囊壳，野生型的分生孢子与突变型原子囊壳里的细胞结合，而突变型的分生孢子与野生型原子囊壳里的细胞结合，三类精氨酸突变型的单倍体细胞与野生型的单倍体细胞结合而成的合子，立即经过减数分裂和一次有丝分裂而形成了 8 个排成一列的子囊孢子，这 8 个细胞中，4 个子

囊孢子被鉴定为野生型（在基本培养基上能生存），另外 4 个是突变型（只能在选择培养基或完全培养基上生存），即出现了 1：1 的分离。孟德尔时代已证明，合子产生的两类生殖细胞呈 1：1 的分离就表示这个合子是一对基因的杂合体。因此，比德尔等的试验结果表明，各类精氨酸缺陷型与野生型相比，只有一个基因的差别，正因为这个原因，三类合子所产生的子囊孢子都出现 1：1 分离。这个结果雄辩地证明了他们的假设是正确的，即各类精氨酸突变型是由野生型中某个基因（这里是 A、B 和 C）突变的结果。当他们在遗传学上说明三类精氨酸突变型的产生原因时，生物化学家从生物体内物质转化的角度已把精氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸之间的关系研究清楚了。具体点说，就是鸟氨酸转变成瓜氨酸，瓜氨酸再转变为精氨酸，氨基酸的关键是酶，没有酶就不能转变，而且鸟氨酸转变为瓜氨酸所需要的酶不同于瓜氨酸转变为精氨酸的酶。

生物化学家所阐明的上述三种氨基酸的前后次序及每一转化步骤都要一种特殊酶的结论是对比德尔和塔特姆的有力支持，他们在综合分析了自己在红色面包霉精氨酸突变型方面所取得的结果和生物化学家阐明的三种氨基酸的转化次序后，立即作出了这样的推断，即由 A 基因突变成 a 所产生精氨酸突变型是由于没有酶Ⅰ的缘故，因为没有酶Ⅰ，所以在培养基中加上鸟氨酸或瓜氨酸时，都不会转化为精氨酸，最终就不能合成红色面包霉的蛋白质，就这意味着 A 基因能合成酶Ⅰ，而突变为 a 基因后，就无法合成酶Ⅰ了。以此类推，由 B 基因突变为 b 精氨酸突变型，在加有精氨酸和瓜氨酸的培养基中均能生存是由于 B 基因控制酶Ⅱ的合成，B 变成了 b，只是不能将鸟氨酸转变为瓜氨酸而已，而因为这种突变型的 A 基因没有变化，所以酶Ⅰ是正常的，当然就能把瓜氨酸转化为精氨酸了。加入鸟氨酸也能生存的精氨酸突变型是由 C 基因突变为 c 造成的，C 基因控制着酶Ⅲ的合成。这样的推断是非常合理的。比德尔和塔特姆教授的爱徒霍罗维兹及利奥波尔德简单明了地把上述推断归结为一句话：“一个基因一个酶。”

这样简单明了的结论，是遗传学家和生物化学家共同劳动的结晶，其中包含着极其丰富的科学内涵，这个结论是“生化遗传学”的奠基石。由于比德尔和塔特姆为寻找这块基石所付出的辛勤劳动和取得的辉煌而分享了1958 年的诺贝尔医学与生理学奖。