第六章细菌和噬菌体的遗传

第六章细菌和噬菌体的遗传 第一节细菌和噬菌体的遗传基础第二节细菌的遗传分析* 第三节噬菌体的遗传分析

第一节细菌和噬菌体的遗传基础 一、细菌二、噬菌体三、细菌和病毒是遗传研究的好材料 T4

一、细菌 • 特点:单细胞生长速度快，单倍体，环状裸露双链DNA(基因带或主染色体)。无性繁殖（无丝分裂），易培养，易突变。 • 质粒:1～n个独立于染色体存在，并能独立自我复制和决定某些性状的环状DNA。 • 菌落：单个微生物生长繁殖到一定程度可以形成肉眼可见的、有一定形态结构的子细胞生长群体. • 营养缺陷型：由于在营养代谢上有缺陷而不能利用某种营养物质的类型，称营养缺陷型。（Met-）。 • 野生型：能利用某种营养物质的类型（Met+）。 • 敏感型：对某种药物缺乏耐受能力的类型。链霉素敏感（Strs）。 • 抗性型：对某种药物有耐受能力的类型（Strr）。

二、噬菌体 • 噬菌体:指侵染细菌、放线菌以及真菌的病毒。包括温和、烈性两种，单一核酸分子（DNA或RNA）称为基因带或染色体。 • 病毒分三类：植物病毒、动物病毒和噬菌体。

病毒

三、细菌和病毒是遗传研究的好材料 1、繁殖快, 世代短：细菌20分钟一代，病毒一小时可繁殖百个。 2、便于基因作用的研究：显隐性都表现，可设计各种营养缺陷型，来对应基因的功能。 3、便于研究基因突变：首先是单倍体易于表现（隐性和显性都表现）。虽然突变率<10-5, 至少需上百个培养皿，但只要培养基上加所希望突变的抗性物质，就有望短期鉴定出来。 4、便于研究基因的精细结构：遗传物质简单, 只含裸露DNA或RNA。 5、易管理和化学分析。一个试管可装很多; 易于获得大的数量用于分析。 6、可用作研究高等生物的简单模型。高等生物复杂，可用细菌来代替某种研究。

第二节细菌的遗传分析* 一、细菌的质粒二、细菌的杂交三、细菌的基因定位四、性导

一、细菌的质粒 （一）质粒的种类（二）质粒的性质（三）大肠杆菌质粒

一、细菌的质粒 质粒：细菌中除主染色体之外，能进行自主复制的遗传单位。可随细胞分裂分配到子细胞中。（一）质粒的种类 1、根据质粒在细菌间能否传递分二类：（1）感染性质粒：能从一个细菌体内转移到另一个细菌体内。（2）非感染性质粒：不能从一个细菌体内转移到另一个细菌体内。 2、根据质粒存在的状态分（1）自主复制型质粒：独立于主染色体之外。F因子（2）结合态质粒：能插入（整合）到主染色体上，并成为主染色体的一部分。当环境改变时，结合态质粒还能脱离主染色体形成自主复制型质粒。F因子 3、根据质粒的功能分（1）致育质粒：决定细菌的交配状态。F因子（2）抗性质粒：决定细菌的抗药性，抗某些金属等属性。大肠杆菌中的R因子。（3）分解性质粒等。

一、细菌的质粒 （二）质粒的性质 1、复制作用：质粒为分子量较小的环状双链DNA分子，能够自我复制。 2、与染色体的结合作用：质粒可以独立存在于细胞质中，也可以整合到主染色体上，成为染色体的一部分，这样的质粒特称为附加体。 3、质粒的不配合性：通常含有相同基因的质粒不能稳定地存在于一个细菌中。 4、消失作用：质粒在寄主细胞内，有时会自行消失。吖黄素处理可使F+变成F-。 5、质粒移动性：在同种个体间移动（F因子），也可以在种间转移（R因子）。 6、每个质粒的结构中都含有与自主复制有关的区域。可转移的质粒具有与转移有关的基因。

一、细菌的质粒 （三）大肠杆菌质粒 E.coli质粒有F因子、R因子和col因子等。 1、F因子（性因子、F质粒）：F因子属于致育质粒，为附加体。可使细菌产生管状的性纤毛（性伞毛），决定细菌的交配状态。具F因子的细菌相当于雄性（供体），用F+表示，不具有F因子的大肠杆菌相当于雌性（受体），用F-表示。 F因子的结构：原点（O）：转移的起点可育基因：（性伞毛基因群）复制区：DNA复制酶基因重组区：（插入序列；插入区），IS有极性！ 2、R因子：是一种抗性质粒，几乎存在于所有细菌中，多数R因子不整合，而保持自主复制。这类质粒对许多抗生素有抗性，可以在基因工程中用作基因载体的标记，以便筛选。 3、col因子：（大肠杆菌素原因子）与产生大肠杆菌素有关，杀死其它肠道细菌。

F因子 (F-factor) 复重制 IS3 组区 IS3 区可育基因 IS2 OriT(原点)

二、细菌的杂交 （一）典型的细菌杂交实验 ★ 1946 大肠杆菌K12的两个不同菌株杂交 ★ 1950年戴维斯U型管实验 ★ 1953年海斯链霉素处理菌株的杂交实验（二）F+、Hfr菌株与F-菌株的杂交

二、细菌的杂交 （一）典型的细菌杂交实验证明：细菌也能进行杂交，进行遗传物质交换。 1、1946 Lederberg和Tatum选用大肠杆菌K12的两个不同菌株杂交： A菌株： met-bio- thr+leu+thi+，蛋氨酸和生物素缺陷型 B菌株： met+bio+thr-leu-thi-，苏氨酸和亮氨酸硫胺素缺陷型混合培养A和B菌株涂布在基本培养基上原养型（ met+bio+thr+leu+thi）菌落。说明A和B能够互补，但是不能确定：是A和B菌株杂交了呢？还是A与 B之间泄露了物质相互吸收？

二、细菌的杂交 A A+B B A品系：met－ bio－ thi＋ leu＋ thr＋（thi：硫胺素B1） B品系：met＋ bio＋ thi－ leu－ thr－基本培养基 met＋ bio＋thi＋ leu＋thr＋

（一）典型的细菌杂交实验 2、1950年戴维斯（Davis）设计了一种U型管实验，证实了A和B菌株之间确实是发生了杂交。先在U管底部放入滤片，该滤片可阻止细菌通过，但不影响大分子（DNA）流过。左管加入A菌株，右管加入B菌株。待两臂细胞在完全培养基中停止生长后，将它们分别涂布在基本培养上，结果都没有出现原养型，说明直接接触是必要条件。但是不能说明遗传物质的交换是否是相互的呢？

U型管实验

说明遗传物质的交换不是相互的，而是单方向 （一）典型的细菌杂交实验 3、1953年海斯（W.Hayes）做了一个杂交实验：链霉素处理的菌株不分裂（不杀死）。 ★实验1：A菌株（链霉素处理）×B菌株（可分裂）基本培养基 ↓ 出现菌落（B形成的菌落） ★实验2： B菌株（链霉素处理）×A菌株 ↓ 基本培养基 ↓ 未出现菌落（A未形成菌落）

（二）F+、Hfr菌株与F-菌株的杂交 1、F+×F-→1小时后→95%F-→F+主染色体进入的频率小于1/100万。接合管的形成：菌株靠近→细胞膜融合→两细胞间形成接合管 F因子转移：F因子从原点断裂，以原点为先导，边复制边转移（因此叫滚环复制），复制后的F因子转移到另一个细胞中。细胞分开，使F-变成F+。（1）F+细菌通过纤毛与F-细菌接触并发生相互作用形成接合管。（2）F+细菌出现缺口，双链之一被切断，从断端转移F因子的一条链到F-细菌中。（3）F因子的一条链一进入F-细菌中，就在F-细菌中复制新的 F因子。（4）复制完成后， F-细菌变成F+，同时原有F+细胞也完成F因子另一条链的复制，所以转移是 F+的拷贝。

接合管的形成

F+×F-→1小时后→95%F-→F+

（二）F+、Hfr菌株与F-菌株的杂交 2、Hfr×F- Hfr细菌（高频重组菌株）：细菌含有F因子，并且F因子通过交换整合到主染色体上，这样的细菌叫Hfr细菌。 Hfr的主染色体进入F-中的频率高，比F+×F-高1000倍。

F+、F-和Hfr菌株

（二）F+、Hfr菌株与F-菌株的杂交 ◆ 2、Hfr×F-杂交过程：形成接合管，Hfr的染色体定向转移，转移的顺序：原点—配对区—大肠杆菌基因—配对区—育性基因。 F因子的主要部份在最后进入受体。最终F-细菌没有变成F+细菌，只是形成部分二倍体。 ◆部分二倍体：一个完整的基因组和一个不完整的基因组所构成的二倍体。其中受体的基因组叫内基因子，供体的基因组叫外基因子。 ◆外基因子转移到受体以后，只有内基因子发生双交换形成环状分子（稳定的重组子）。

Hfr菌株与F-菌株的杂交

三、细菌的基因定位 （一）F因子的插入与Hfr染色体的极性 F因子与细菌主染色体交换整合时，F因子IS与主染色体的IS配对，由于主染色体的IS有多个，这样F因子的IS与主染色体的哪个IS配对时就导致该处主染色体上的基因首先进入F-，即由于F因子的插入，使主染色体具有了极性（即基因转移的方向发生变化）[模型]。 F因子的IS的极性，不仅决定F因子插入的位置，还决定主染色体转移的方向。大肠杆菌的染色体是环形的，但在Hfr×F-中，转移基因的顺序（进入F-的顺序）是不一样的。

F因子的插入与Hfr染色体的极性

三、细菌的基因定位 （二）中断杂交作图中断杂交技术：根据供体基因进入受体细胞的顺序和时间绘制连锁图的技术。1957年沃尔曼（wollman）和雅各布（Jacob）想了解Hfr×F-交配中，什么时候把基因转移给F-细菌，设计了著名的中断杂交试验：涂布

影印法

原点 9 11 18 25 F （二）中断杂交作图例如:苏氨酸亮氨酸叠氮化钠噬菌体乳糖半乳糖链霉素 Hfr： thr+ leu+ azir tonr lac+ gal+ strs F-： thr- leu- azis tons lac- gal- strr 结果如下: azi T1 lac+ gal 8min －－－－ 9min ＋－－－ 11min ＋＋－－ 18min ＋＋＋－ 25min ＋＋＋＋

三、细菌的基因定位 （三）重组作图指根据基因之间重组率进行基因定位的作图方法。 • 如果两个基因越近，在重组体中同时出现的机会就越多，距离越远，在重组体中同时出现的机会就越少，那么就可以根据重组体中某一性状单独出现的频率作为两个基因的交换率或图距，进行基因定位，比较精确。 • 例如：两个紧密连锁的基因lac和ade，且lac在前，ade在后，根据中断杂交实验知道的。

（三）重组作图 Hfr lac+ade + strS × F-lac- ade-strr ↓ 混合60分钟 ↓ 含G、str、不含ade的基本培养基 lac+ ade-strr类型死，忽略不计 Hfr死 F-死含ade+strr的F-重组子(活) EMB培养基（含伊红、美蓝）含lac+能利用乳糖不含lac+不能利用乳糖 ↓↓ 菌落紫红色菌落粉红色 lac+ade +strrlac-ade +strr （相当于lac+和ade +之间未交换）（相当于lac+和ade +之间发生交换）

lac+ lac- ade+ ade- lac- lac+ ade- ade+ lac+ lac- ade- ade+ （三）重组作图 ※lac+ade +同时进入受体后，要与受体基因组发生双交换，才能形成稳定有活性的重组子。这时lac+ade +之间是否分开，可以检测到。 ※如果选出ade+同时也选出lac+，说明lac-ade 间没有发生过交换；如果选出ade+同时也有lac-，说明lac- ade 间发生了交换。

（三）重组作图 ※重组率= =粉红菌落数/（粉红菌落+紫红色菌落）×100% =20% ※中断杂交实验已经证明，两个lac- ade位点之间的距离约为1min，用重组作图法算出的重组值是20%。可见1个时间单位（1分钟）大约相当于20%的重组值。根据中断杂交实验和基因重组作图法以及其他基因定位实验结果，已绘制出大肠杆菌环状染色体遗传学图。P152页图7-26

四、性导 ※ 性导：F-细菌通过获得F′因子而改变遗传性状的过程。 ※ F′因子（F′质粒）：当F因子从主染色体切除出来时，如果不是以原来的位置切除，而是将供体菌（Hfr）的主染色体上的个别基因切除，成为F因子的一部分，这种质粒称F′因子。 F′菌株：含有F′因子的菌株。 F′因子可通过细菌的有性接合转移进入F-受体菌中，进入F-受体菌后，F′因子可能是游离的，也可能以结合态插入F-受体细菌的主染色体中，使受体细菌构成部分二倍体。实现了通过F′因子对遗传物质的转移的意图。 ※ 例如：lac+乳糖发酵基因的转移

lac+乳糖发酵基因的转移 F′因子

lac+ lac- lac+ lac- lac- lac+ F′菌株 F- 性导过程 F ′因子部分二倍体 Hfr、F+、F-、 F′的关系 F+F- HfrF+ HfrF′

第三节噬菌体的遗传分析 • 一、噬菌体的类型及特点 • 二、噬菌体的突变型 • 三、烈性噬菌体与基因定位 • 四、温和性噬菌体与溶源性周期 • 和溶菌周期 • 五、转导 *

一、噬菌体的类型及特点 噬菌体分成两类:烈性噬菌体和温和性噬菌体。（一）烈性噬菌体：侵入细菌细胞后，使寄主细胞裂解的噬菌体。如大肠杆菌的T噬菌体T1→T7。子代噬菌体感染邻近的细胞，这样不断地侵染，最后形成一个圆形的透明区—噬菌斑。一个噬菌斑通常含有107——108个噬菌体。一个噬菌斑是由一个噬菌体引起的，所以，一个噬菌斑中的噬菌体在遗传上是均一的，相当于一个克隆。

烈性噬菌体生活周期

温和性噬菌体溶源性生活周期

二、噬菌体的突变型 噬菌体有很多性状可以产生各种突变型，常用于遗传研究的有以下几类。（一）快速溶菌突变型（r）由于基因突变能快速复制，并裂解细菌的噬菌体类型。 r+—野生型，r—突变型。 r+—小噬菌斑，r—大噬菌斑且边缘清晰。（二）宿主范围突变型（h）指由于基因突变能感染两个品系细菌的突变型噬菌体。

二、噬菌体的突变型 （二）宿主范围突变型（h） h能感染野生型细菌和突变型细菌。野生型噬菌体用h+表示，只能侵染野生型菌株。例如： T2噬菌体野生型（ h+）—感染B 突变型（h）—感染B，和B/2。若将B和B/2同时混合培养在平板上，用h+和h的T2噬菌体感染，h—噬菌斑透明的， h+—噬菌班半透明的。

三、烈性噬菌体与基因定位 双重感染（混合感染、复感染）：是指用两种噬菌体同时感染某一菌株。例如：噬菌体Ⅰ：hr+即能感染B和B/2菌株产生噬菌斑小而边缘模糊，即透明、小噬菌斑。噬菌体Ⅱ：h+r能感染B株，产生约大两倍的边缘清楚的噬菌斑，即为半透明、大的噬菌斑。用hr+和h+r两种噬菌体同时感染B株，进行双重感染。在双重感染（相当hr+ ×h+r）的过程中，hr+和h+r相互作用（即基因可以发生交换），所以在其子代中可以得到hr和h+r+的重组体和hr+ 及h+r4种噬菌体。

双重感染

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