第四章 细菌的遗传分析
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混合作用60min 在含链霉素的基本培养基上涂板 只有重组子能够存活：
F-: ade+strr 1000
影印到EMB培养基上
紫红色菌落：lac+ade+ 780（亲本型） 白色或粉红色菌落：lac- ade+ 220（重组型）
1. 重组子的产生
Lac+ ade+ strs Lac- ade- strr
细胞壁(cell wall) 细胞膜(plasma membrane) 鞭毛(Flagella)
性纤毛(pili) 拟核(Nucleoid) 核糖体(Ribosome)
细菌染色体的着膜复制
二、细菌的染色体： 细菌为单倍体，其染色体为环形双链DNA 分子，不形成核小体结构。（P146图） 三、细菌是遗传学研究的好材料： 1. 结构简单； 2. 世代时间短； 3. 后代个体多； 4. 各种突变类型多。
2. 分解代谢功能突变型（catabolic functional mutant): lac- 乳糖突变型， 野生型为lac+
3. 抗性突变型（resistance mutant): Strr （ Str- ）抗链霉素突变型, Strs （Str+ ）链霉素敏感型 Penr （ Pen-）抗青霉素突变型, Pens （Pen+）青霉素敏感型 T1r 抗T1噬菌体， T1s 对T1噬菌体敏感
F因子的结构
配对区域(pairing region) 原点(origin) 致育基因 (fertility gene)
F因子由3个区域组成： 1)原点(origin)：转移的起点； 2)配对区域(pairing region)：与整合有关； 3)致育基因(fertility gene)：使细菌具有感 染力，其中有编码性纤毛的基因。
苏 氨 酸 合 成 能 力 亮 氨 酸 合 成 能 力 叠 氮 化 钠 抗 性 Tl 噬 菌 体 抗 性 乳 糖 能 否 利 用 半 乳 糖 能 否 利 用 链 霉 素 抗 性
Thr
leu
T1
azi
lac
出现重组子菌落
混合培养,细菌开始杂交每隔一定时间取样，用搅拌器搅拌打 断结合管，使配对的细菌分开，中断杂交，稀释菌液。
F+ × F-
F+
（2） 细菌基因的转移－高频重组 (P149图B)
高频重组(High frequency recombination，Hfr)：
如果F因子整合到细菌染色体上，这种染色体上带有 一个整合的F因子的品系，与F-细胞结合后可将供体染色 体的一部分或全部传递给F-受体，当供体和受体的等位基 因带有不同的遗传标记时，可以观察到它们之间发生重组， 重组频率可达到10-2以上，称为高频重组品系（菌株）。 Hfr × F-
二、 突变型筛选：
1. 根据菌落特点筛选：如Lac-突变菌株在伊红-美蓝培 养基（EMB）上形成白色或粉红色菌落，而lac+ 菌落为有金属光泽的紫色菌落。 2. 抗性突变型的筛选：将细菌涂布在含有某种抗生素 或噬菌体的培养基上，能形成菌落的就是抗性突变 菌株。 3. 营养缺陷型的筛选：用印迹法(replica-plated method) 把在完全培养基上生长的菌落影印到基本培养基上， 鉴别出不能生长的克隆。再把它们转移到含有单一 营养物质的培养基上，判定该突变型需要哪一种营 养物质。
=
× 100%=22%=22cM
用重组频率（RF）所测得的基因距离与用中断 杂交技术以时间为单位的基因距离基本上是成正比的， 大致是1分钟相当于20%重组值，即：1min=20cM
第五节 F’因子和性导
一、 F’因子
Hfr 准确切割 Hfr 不准确切割 F因子 F’
F’因子(F-primer factor)： 是一种新的F因子，是带 有插入细菌基因的环状F 因子，即带有部分供体 的F因子。 F’因子的产 生缘于一种错误的切割。 • 由于各自携带的基因不 同，从而可以形成不同 的F’因子。
2.低频重组和高频重组:
(1) F因子的转移－低频重组
a. F+细胞与F-细胞接触并结 合，形成细胞质桥 (cytoplasm bridge)，即 结合管(conjugation tube)。 b. F因子进行滚环复制，通 过结合管转移到F- 细胞。
F+lac+
F-lac-
F+lac+
F-lac-
Hfr: thr+ leu+ azis tons lac+ gal+ strs × F-: thr- leu- azir tonr lac- gal- strr
混合
完全培养基
中断杂交
一定时间
含str的选择性培养基 （ 基本培养基 + str） 选择到的重组子：thr+ leu+ strr （选择标记）
三、细菌重组的特点
真核生物：完全合子 原核生物：部分二倍体（部分合子），含有一个亲本的 全部基因组和另一亲本的部分基因组。 外基因子：供体Hfr提供的部分基因组； 内基因子：受体F- 提供的完整基因组。 供体的外基因子 F-的内基因子 原核生物的遗传重组实质上是指受体中插入来自供体的 遗传性不同的DNA片段，并把这种DNA片段或它的复 本整合为受体基因组的一部分。
当基因距离较近时，转移时间的间隔在两分钟之内， 用中断杂交作图就不可靠，而必须用传统的重组作图 (recombination mapping)与中断杂交技术相互对照和补 充，提高作图精度。如根据中断杂交，知道lac比ade先 进入受体，距离约为1分钟，则可进行以下杂交： Hfr: lac+ade+strs × F-: lac-ade-strr
三、 三种致育因子的相互关系
三种致育因子F、F’、Hfr的关系是： 1. 有F因子的细菌为F+，没有F因子的为F-，具有致育因子 （F, F’或Hfr）的菌株就是雄性菌株(male strains) 。 2. F因子可以整合到细菌染色体上，形成Hfr染色体。不同的 Hfr菌株是因为F因子的整合位点或方向不同。 3. F因子又可以从Hfr染色体上剪切下来，产生F因子。如果 剪切不准确而带有一段细菌染色体，则称为F’因子。 4. F因子很容易转移到F-细胞中， F+ × F-F+，但是供体 染色体的转移频率则很低，重组频率很低。 5. Hfr能以高频率把细菌染色体基因转移到F-细菌中，却极 少使F-变为F+（因为F因子位于Hfr染色体的最末端）； 6. F’因子的性质介于F+和Hfr之间，即可转移自身，又可以 转移细菌基因，但频率较低。
A
B
完全液体培养基
基本固体培养基平皿
出现若干原养型菌落， 频率为10-7
2. U形管实验
）
3. 菌株A: met- thr+ leu+ thi+ （需甲硫氨酸） 菌株B: met+ thr- leu- thi- （需苏氨酸，亮氨酸和硫胺）
A Strs B Strr A Strr B Strs
含有链霉素的 基本培养基
c. F- 细菌转变成F+细菌。
F+lac+
F+lac+
低频重组(low frequency recombination，Lfr)：
F+与F- 之间的杂交只有F因子的转移，因此尽管F因子的 转移频率很高，但是供受体细菌染色体的重组频率却很低， 约为10-6，因此F+品系称低频重组品系(菌株)。(P149图A)
Lac+ ade+
strr Lac- ade- strs
Lac+ ade+ strs Lac- ade- strr
Lac- ade+
strr Lac+ ade- strs
2. 重组频率的计算
RFlac-ade =
lac-ade+ lac+ade+ + lac-ade+ 220 1000
× 100%
第四章 细菌的遗传分析
• • • • • •
第一节 细菌的细胞和染色体 第二节 大肠杆菌的突变型及筛选 第三节 细菌的杂交和性别 第四节 中断杂交与重组作图 第五节 F’因子和性导 第六节 转化与转导作图
第一节
细菌的细胞和染色体
一、 细菌的细胞： 真核生物（eukaryotes) 细胞有细胞核，进行减数分裂 和有丝分裂；细菌是原核生物（prokaryotes)，没有细 胞核，不进行减数分裂和有丝分裂。而是简单地复制和 一分为二。
二、性导
利用F’因子将供体细胞的基因导入受体形成部分二倍 体的过程，叫做性导(sex-duction or F’-duction)。 F’因子转移细菌基因不同于Hfr菌株： 1. Hfr: thr+ leu+ strs × F- : thr- leu- strr
重组子： F- ( thr+ leu+strr )，不能将thr+ leu+ 再转入其它F2. F’: thr+ leu+ strs × F- : thr- thr- strr 重组子： F’ ( thr+ leu+ strr )，能与其它F- 杂交，并将thr+ leu+ 转入其他F- ，同时使其也具有F因子，成为F+。
出现原养型菌落
不出现原养型菌落
说明菌株A和B在杂交中的作用不同，A为遗传物质的供体 (donor)，相当于雄性；而B为受体(recipient)，相当于雌性。
二、 F因子与高频重组
1. F因子（F-factor) ：又称性因子或致
育因子。它是能独立增殖的环状DNA分子。 供体细菌：细胞质中具有F因子（F+，♂)。 F+细菌表面有性伞毛(sex pili)，即F纤毛。 受体细菌：不含F因子(F-， ♀) 。
1.只有偶数次交换才能保证细菌染色体的完整性，产 生平衡的有活性的重组子；
2.重组子只有一种类型， 相反的重组子(reciprocal recombinant)不会出现。
第四节 中断杂交与重组作图
一、中断杂交实验作连锁图：
Hfr F-
Hfr × FHfr: thr+ leu+ azis tons lac+ gal+ strs F-: thr- leu- azir tonr lac- gal- strr
第二节 大肠杆菌的突变型及筛选
一、大肠杆菌的突变类型:
1. 合成代谢功能突变型（anabolic functional mutant):Biblioteka Baidu
基本培养基 完全培养基 营养缺陷型（auxotroph) 缺陷型（deficient) Met- 甲硫氨酸突变型 Thi- 硫胺突变型 Pur- 嘌呤突变型 野生型（wild type) 原养型（prototroph) Met+ Thi+ Pur+
2. 中断杂交技术作图
根据供体基因进入受体细胞的时间顺序可以 绘制连锁图，这就是中断杂交技术（interrupted mating technique)。根据中断杂交绘制的基因连 锁图，基因距离的单位是分钟而不是厘摩。
0
8 8.5 9 thr leu Az
11 T1
18 lac
25 gal
二、 重组作图
第六节 转化与转导作图
细菌的遗传重组：实质上指受体中插入来自供 体的遗传性不同的DNA片断，并使其整合为受 体基因组的一部分。
第三节 细菌的杂交和性别
（大肠杆菌的性别）
一、细菌的杂交 二、F因子和高频重组 三、细菌重组的特点
一、细菌的杂交
（3个经典实验）
1. 菌株A: met- bio- thr+ leu+ thi+ （需甲硫氨酸和生物素） 菌株B: met+ bio+ thr- leu- thi- （需苏氨酸，亮氨酸和硫胺）
1. 中断杂交实验结果
时间（分钟） 〈9 9 11 18 24 转移的基因 azir azir tonr azir tonr lac+ azir tonr lac+ gal+
1) T=0：杂交开始； 2) T=8分钟内，无重组菌落出现； 3) T=9分钟，出现少量叠氮化钠抗性菌落，但对T1噬菌体还是敏感的。 说明azi r 基因已经进入F-细菌，而tonr 基因尚未进入。 4) T=11分钟时，开始出现对T1噬菌体有抗性的菌落（tonr）； 5) T=18分钟时，出现能利用乳糖的菌落(lac+)； 6) T=25分钟时，出现能利用半乳糖的菌落(gal+)。
F- （重组型）
F因子特点
• F＋细菌可以把F因子传给后代； • F＋细菌经吖啶橙处理F因子丢失，丢失后不再 出现； • F＋可以和F－杂交，给其复制后的F因子，使F－ 变为F＋ ； • F因子还可以改变细胞表面的构造，以防止F＋ 细菌间的接合； • Hfr 和F－杂交时，F-受体很少得到完整的F因 子，因此大多数重组子仍为F-。
F-: ade+strr 1000
影印到EMB培养基上
紫红色菌落：lac+ade+ 780（亲本型） 白色或粉红色菌落：lac- ade+ 220（重组型）
1. 重组子的产生
Lac+ ade+ strs Lac- ade- strr
细胞壁(cell wall) 细胞膜(plasma membrane) 鞭毛(Flagella)
性纤毛(pili) 拟核(Nucleoid) 核糖体(Ribosome)
细菌染色体的着膜复制
二、细菌的染色体： 细菌为单倍体，其染色体为环形双链DNA 分子，不形成核小体结构。（P146图） 三、细菌是遗传学研究的好材料： 1. 结构简单； 2. 世代时间短； 3. 后代个体多； 4. 各种突变类型多。
2. 分解代谢功能突变型（catabolic functional mutant): lac- 乳糖突变型， 野生型为lac+
3. 抗性突变型（resistance mutant): Strr （ Str- ）抗链霉素突变型, Strs （Str+ ）链霉素敏感型 Penr （ Pen-）抗青霉素突变型, Pens （Pen+）青霉素敏感型 T1r 抗T1噬菌体， T1s 对T1噬菌体敏感
F因子的结构
配对区域(pairing region) 原点(origin) 致育基因 (fertility gene)
F因子由3个区域组成： 1)原点(origin)：转移的起点； 2)配对区域(pairing region)：与整合有关； 3)致育基因(fertility gene)：使细菌具有感 染力，其中有编码性纤毛的基因。
苏 氨 酸 合 成 能 力 亮 氨 酸 合 成 能 力 叠 氮 化 钠 抗 性 Tl 噬 菌 体 抗 性 乳 糖 能 否 利 用 半 乳 糖 能 否 利 用 链 霉 素 抗 性
Thr
leu
T1
azi
lac
出现重组子菌落
混合培养,细菌开始杂交每隔一定时间取样，用搅拌器搅拌打 断结合管，使配对的细菌分开，中断杂交，稀释菌液。
F+ × F-
F+
（2） 细菌基因的转移－高频重组 (P149图B)
高频重组(High frequency recombination，Hfr)：
如果F因子整合到细菌染色体上，这种染色体上带有 一个整合的F因子的品系，与F-细胞结合后可将供体染色 体的一部分或全部传递给F-受体，当供体和受体的等位基 因带有不同的遗传标记时，可以观察到它们之间发生重组， 重组频率可达到10-2以上，称为高频重组品系（菌株）。 Hfr × F-
二、 突变型筛选：
1. 根据菌落特点筛选：如Lac-突变菌株在伊红-美蓝培 养基（EMB）上形成白色或粉红色菌落，而lac+ 菌落为有金属光泽的紫色菌落。 2. 抗性突变型的筛选：将细菌涂布在含有某种抗生素 或噬菌体的培养基上，能形成菌落的就是抗性突变 菌株。 3. 营养缺陷型的筛选：用印迹法(replica-plated method) 把在完全培养基上生长的菌落影印到基本培养基上， 鉴别出不能生长的克隆。再把它们转移到含有单一 营养物质的培养基上，判定该突变型需要哪一种营 养物质。
=
× 100%=22%=22cM
用重组频率（RF）所测得的基因距离与用中断 杂交技术以时间为单位的基因距离基本上是成正比的， 大致是1分钟相当于20%重组值，即：1min=20cM
第五节 F’因子和性导
一、 F’因子
Hfr 准确切割 Hfr 不准确切割 F因子 F’
F’因子(F-primer factor)： 是一种新的F因子，是带 有插入细菌基因的环状F 因子，即带有部分供体 的F因子。 F’因子的产 生缘于一种错误的切割。 • 由于各自携带的基因不 同，从而可以形成不同 的F’因子。
2.低频重组和高频重组:
(1) F因子的转移－低频重组
a. F+细胞与F-细胞接触并结 合，形成细胞质桥 (cytoplasm bridge)，即 结合管(conjugation tube)。 b. F因子进行滚环复制，通 过结合管转移到F- 细胞。
F+lac+
F-lac-
F+lac+
F-lac-
Hfr: thr+ leu+ azis tons lac+ gal+ strs × F-: thr- leu- azir tonr lac- gal- strr
混合
完全培养基
中断杂交
一定时间
含str的选择性培养基 （ 基本培养基 + str） 选择到的重组子：thr+ leu+ strr （选择标记）
三、细菌重组的特点
真核生物：完全合子 原核生物：部分二倍体（部分合子），含有一个亲本的 全部基因组和另一亲本的部分基因组。 外基因子：供体Hfr提供的部分基因组； 内基因子：受体F- 提供的完整基因组。 供体的外基因子 F-的内基因子 原核生物的遗传重组实质上是指受体中插入来自供体的 遗传性不同的DNA片段，并把这种DNA片段或它的复 本整合为受体基因组的一部分。
当基因距离较近时，转移时间的间隔在两分钟之内， 用中断杂交作图就不可靠，而必须用传统的重组作图 (recombination mapping)与中断杂交技术相互对照和补 充，提高作图精度。如根据中断杂交，知道lac比ade先 进入受体，距离约为1分钟，则可进行以下杂交： Hfr: lac+ade+strs × F-: lac-ade-strr
三、 三种致育因子的相互关系
三种致育因子F、F’、Hfr的关系是： 1. 有F因子的细菌为F+，没有F因子的为F-，具有致育因子 （F, F’或Hfr）的菌株就是雄性菌株(male strains) 。 2. F因子可以整合到细菌染色体上，形成Hfr染色体。不同的 Hfr菌株是因为F因子的整合位点或方向不同。 3. F因子又可以从Hfr染色体上剪切下来，产生F因子。如果 剪切不准确而带有一段细菌染色体，则称为F’因子。 4. F因子很容易转移到F-细胞中， F+ × F-F+，但是供体 染色体的转移频率则很低，重组频率很低。 5. Hfr能以高频率把细菌染色体基因转移到F-细菌中，却极 少使F-变为F+（因为F因子位于Hfr染色体的最末端）； 6. F’因子的性质介于F+和Hfr之间，即可转移自身，又可以 转移细菌基因，但频率较低。
A
B
完全液体培养基
基本固体培养基平皿
出现若干原养型菌落， 频率为10-7
2. U形管实验
）
3. 菌株A: met- thr+ leu+ thi+ （需甲硫氨酸） 菌株B: met+ thr- leu- thi- （需苏氨酸，亮氨酸和硫胺）
A Strs B Strr A Strr B Strs
含有链霉素的 基本培养基
c. F- 细菌转变成F+细菌。
F+lac+
F+lac+
低频重组(low frequency recombination，Lfr)：
F+与F- 之间的杂交只有F因子的转移，因此尽管F因子的 转移频率很高，但是供受体细菌染色体的重组频率却很低， 约为10-6，因此F+品系称低频重组品系(菌株)。(P149图A)
Lac+ ade+
strr Lac- ade- strs
Lac+ ade+ strs Lac- ade- strr
Lac- ade+
strr Lac+ ade- strs
2. 重组频率的计算
RFlac-ade =
lac-ade+ lac+ade+ + lac-ade+ 220 1000
× 100%
第四章 细菌的遗传分析
• • • • • •
第一节 细菌的细胞和染色体 第二节 大肠杆菌的突变型及筛选 第三节 细菌的杂交和性别 第四节 中断杂交与重组作图 第五节 F’因子和性导 第六节 转化与转导作图
第一节
细菌的细胞和染色体
一、 细菌的细胞： 真核生物（eukaryotes) 细胞有细胞核，进行减数分裂 和有丝分裂；细菌是原核生物（prokaryotes)，没有细 胞核，不进行减数分裂和有丝分裂。而是简单地复制和 一分为二。
二、性导
利用F’因子将供体细胞的基因导入受体形成部分二倍 体的过程，叫做性导(sex-duction or F’-duction)。 F’因子转移细菌基因不同于Hfr菌株： 1. Hfr: thr+ leu+ strs × F- : thr- leu- strr
重组子： F- ( thr+ leu+strr )，不能将thr+ leu+ 再转入其它F2. F’: thr+ leu+ strs × F- : thr- thr- strr 重组子： F’ ( thr+ leu+ strr )，能与其它F- 杂交，并将thr+ leu+ 转入其他F- ，同时使其也具有F因子，成为F+。
出现原养型菌落
不出现原养型菌落
说明菌株A和B在杂交中的作用不同，A为遗传物质的供体 (donor)，相当于雄性；而B为受体(recipient)，相当于雌性。
二、 F因子与高频重组
1. F因子（F-factor) ：又称性因子或致
育因子。它是能独立增殖的环状DNA分子。 供体细菌：细胞质中具有F因子（F+，♂)。 F+细菌表面有性伞毛(sex pili)，即F纤毛。 受体细菌：不含F因子(F-， ♀) 。
1.只有偶数次交换才能保证细菌染色体的完整性，产 生平衡的有活性的重组子；
2.重组子只有一种类型， 相反的重组子(reciprocal recombinant)不会出现。
第四节 中断杂交与重组作图
一、中断杂交实验作连锁图：
Hfr F-
Hfr × FHfr: thr+ leu+ azis tons lac+ gal+ strs F-: thr- leu- azir tonr lac- gal- strr
第二节 大肠杆菌的突变型及筛选
一、大肠杆菌的突变类型:
1. 合成代谢功能突变型（anabolic functional mutant):Biblioteka Baidu
基本培养基 完全培养基 营养缺陷型（auxotroph) 缺陷型（deficient) Met- 甲硫氨酸突变型 Thi- 硫胺突变型 Pur- 嘌呤突变型 野生型（wild type) 原养型（prototroph) Met+ Thi+ Pur+
2. 中断杂交技术作图
根据供体基因进入受体细胞的时间顺序可以 绘制连锁图，这就是中断杂交技术（interrupted mating technique)。根据中断杂交绘制的基因连 锁图，基因距离的单位是分钟而不是厘摩。
0
8 8.5 9 thr leu Az
11 T1
18 lac
25 gal
二、 重组作图
第六节 转化与转导作图
细菌的遗传重组：实质上指受体中插入来自供 体的遗传性不同的DNA片断，并使其整合为受 体基因组的一部分。
第三节 细菌的杂交和性别
（大肠杆菌的性别）
一、细菌的杂交 二、F因子和高频重组 三、细菌重组的特点
一、细菌的杂交
（3个经典实验）
1. 菌株A: met- bio- thr+ leu+ thi+ （需甲硫氨酸和生物素） 菌株B: met+ bio+ thr- leu- thi- （需苏氨酸，亮氨酸和硫胺）
1. 中断杂交实验结果
时间（分钟） 〈9 9 11 18 24 转移的基因 azir azir tonr azir tonr lac+ azir tonr lac+ gal+
1) T=0：杂交开始； 2) T=8分钟内，无重组菌落出现； 3) T=9分钟，出现少量叠氮化钠抗性菌落，但对T1噬菌体还是敏感的。 说明azi r 基因已经进入F-细菌，而tonr 基因尚未进入。 4) T=11分钟时，开始出现对T1噬菌体有抗性的菌落（tonr）； 5) T=18分钟时，出现能利用乳糖的菌落(lac+)； 6) T=25分钟时，出现能利用半乳糖的菌落(gal+)。
F- （重组型）
F因子特点
• F＋细菌可以把F因子传给后代； • F＋细菌经吖啶橙处理F因子丢失，丢失后不再 出现； • F＋可以和F－杂交，给其复制后的F因子，使F－ 变为F＋ ； • F因子还可以改变细胞表面的构造，以防止F＋ 细菌间的接合； • Hfr 和F－杂交时，F-受体很少得到完整的F因 子，因此大多数重组子仍为F-。