备课素材：烟草花叶病毒的研究-高一下学期生物人教版必修2

烟草花叶病毒的研究

2019版高中生物学必修二简单提到，烟草花叶病毒中RNA是遗传物质：

那么，烟草花叶病毒是什么？如何证明它的遗传物质是RNA？

在病毒大家庭中，有一种病毒有着特殊的地位，这就是烟草花叶病毒（TMV）。

烟草花叶病毒结构包含单链RNA，约6400个核苷酸，外壳蛋白有2130个亚基，每个亚基有158个氨基酸，绕RNA分子螺旋状排列。

无论是病毒的发现，还是后来对病毒的深入研究，烟草花叶病毒都是病毒学工作者的主要研究对象，起着与众不同的作用。

烟草花叶病毒（TMV）

烟草花叶病毒的发现

1886年，在荷兰工作的德国人麦尔（Mayer）把患有花叶病的烟草植株的叶片加水研碎，取其汁液注射到健康烟草的叶脉中，能引起花叶病，证明这种病是可以传染的。通过对叶子和土壤的分析，麦尔指出烟草花叶病是由细菌引起的。

1892年，俄国的伊万诺夫斯基（Ivanovski）重复了麦尔的试验，证实了麦尔所看到的现象，而且进一步发现，患病烟草植株的叶片汁液，通过细菌过滤器后，还能引发健康的烟草植株发生花叶病。这种现象起码可以说明，治病的病原不是细菌，但伊万诺夫斯基将其解释为是由于细菌产生的毒素而引起。生活在巴斯德的细菌致病说的极盛时代，伊万诺夫斯基未能做进一步的思考，从而错失了一次获得重大发现的机会。

1898年，荷兰细菌学家贝杰林克（Beijerinck）同样证实了麦尔的观察结果，并同伊万诺夫斯基一样，发现烟草花叶病病原能够通过细菌过滤器。但贝杰林克想得更深入。他把烟草花叶病株的汁液置于琼脂凝胶块的表面，发现感染烟草花叶病的物质在凝胶中以适度的速度扩散，而细菌仍滞留于琼脂的表面。

从这些实验结果，贝杰林克指出，引起烟草花叶病的致病因子有三个特点：（1）能通过细菌过滤器；（2）仅能在感染的细胞内繁殖；（3）在体外非生命物质中不能生长。

根据这几个特点，他提出这种致病因子不是细菌，而是一种新的物质，称为“有感染性的活的流质”，并取名为病毒，拉丁名叫“Virus”。

几乎是同时，德国细菌学家勒夫勒（Loeffler）和费罗施（Frosh）发现引起牛口蹄疫的病原也可以通过细菌滤器，从而再次证明伊万诺夫斯基和贝杰林克的重大发现。

烟草花叶病毒的结晶和化学本质认识

温德尔·斯坦利（Stanley）（1904-1971），美国生物化学家，1904年8月16日生于美国印第安纳州。曾任洛克菲勒医学研究院院士，加利福尼亚大学教授。

1935年，温德尔·斯坦利发现烟草花叶病毒的侵染性能被胃蛋白酶破坏，在这一现象的启示下，他几乎磨了上吨重的感染花叶病的烟叶，企图用提酶的方法把病毒提纯出来。他得到了一小

匙在显微镜下看来是针状结晶的东西，把结晶物放在少量水中，水就出现乳光了，用手指沾一点这溶液，在健康烟叶上磨擦几下，一星期以后这棵烟草也得了同样类型的花叶病。可见提纯的东西的确是有侵染性的烟草花叶病毒。

今天在美国加州大学的原来斯坦利实验室里，仍然保留着一个标注着“Tob. Mos.”字样的瓶子，其中就盛着当年第一次提纯的烟草花叶病毒（简称TMV）。

根据各种试验结果，证明这种结晶物质是蛋白质，初步的渗透压和扩散测定表明，这种蛋白质的分子量高达几百万。其结晶制品的侵染性依赖于蛋白质的完整性，侵染性被认为是病毒蛋白质的一种性质。

Stanley 的研究论文1953年发表在Science杂志上，他在论文中写道：“烟草花叶病毒是一种具有自我催化能力的蛋白质，它的增殖需要活体细胞的存在”。

在获得TMV结晶之后的将近20年时间里，许多其他病毒也相继被结晶出来，1955年，Scaffer和Schwerdt成功地结晶了脊髓灰质炎病毒，它是第一个被结晶出来的动物病毒。然而，Stanley在他的结晶工作中，并未注意到病毒的含磷组分，1936年Bawden和Pirie 等在纯化的TMV中发现了含磷和糖类的组分，它们以核糖核酸的形式存在，通过热变化，这种核酸可以从病毒粒子中释放出来，这一发现也被Stanley不久证实，Stanley及其同事证实几种不同植物病毒的核酸也能从核蛋白的形式中被分离出来。

TMV的结晶及其化学本质的发现是对医学和生物科学的巨大贡献，它不仅引导人们从分子水平去认识生命的本质，而且为分子病毒学和分子生物学的诞生奠定了基础。鉴于Stanley在TMV研究中的突出贡献，1946年他被授予诺贝尔奖，这是病毒学领域第一个获此殊荣的科学家。（摘自《生物化学》）

烟草花叶病毒

烟草花叶病毒的感染和重建实验

烟草花叶病毒进（TMV）是一种RNA病毒，它有一圆筒状的蛋白质外壳，内有一单链RNA分子，沿着内壁在蛋白质亚基间盘旋着。这种RNA病毒中遗传信息在RNA上，还是在蛋白质呢？

1956年，美国学者弗伦克尔·库兰特（Fraemkel-Courat）用烟草花叶病毒（TMV）的感染和重建实验证明了RNA也是遗传的物质。

1．感染实验

把TMV在水和苯酚中震荡，把病毒的RNA和蛋白质分开，分别去感染烟草，单是病毒的蛋白质，不能使烟草感染，单是病毒的RNA，可以使烟草感染，病毒RNA进入叶子细胞，进行繁殖，产生正常的病毒后裔。单是RNA感染效率很差，可能因为RNA裸露，在感染过程中容易被酶所降解。用RNA酶处理RNA，就完全失去感染力。

烟草花叶病毒的感染实验

2．重建实验

TMV很多株系，他们可以根据寄主植物不同和在寄主植物中地片上形成一病斑的差异来加以区别。

例如，有两株系，它们的外壳蛋白就不同：S株系的外壳蛋白不是具有组氨酸和甲硫氨酸，而HR株系含有这两种氨基酸。

弗伦克尔·库兰特利用分离而后聚合的方法先取得S株系的蛋白质外壳和HR株系的RNA，然后把它们结合起来，形成杂种病毒，当杂种病毒用来感染烟草时，病斑总是跟RNA授体的病斑一样，子代病毒颗粒具有HR株系的RNA和HR株系的蛋白质外壳。

把HR株蛋白质和S株系的RNA结合起来，形成杂种病毒，把重建的病毒来感染烟草也得到了类似的结果。

所以我们可以这样说，在不含有DNA的病毒中，复制和形成新病毒的颗粒所必需的遗传信息是携带在RNA上。

烟草花叶病毒重建实验