细菌和病毒的遗传

第十章细菌和病毒的遗传第一节细菌和病毒遗传研究的意义本章教学时数：4-6学时。

本章重点：低等生物的拟有性过程。

本章难点：利用拟有性过程绘制遗传连锁图。

第一节细菌和病毒遗传研究的意义自然界所有的生物都可以归入真核生物(eukaryote)和原核生物(prokaryote)两大类。

细菌和蓝绿藻属于原核生物。

构成原核生物的细胞是原核细胞。

原核细胞最基本的特征是没有明确的核膜和核结构，也没有线粒体等细胞器，不能进行典型的有丝分裂和减数分裂，只通过简单的裂殖方式增殖。

因此，它们的遗传物质传递和重组的方式与真核生物不同。

病毒是最原始的生物，没有细胞结构，甚至自己不能进行自主分裂，只能在宿主细胞内以集团形式增殖。

遗传学研究从经典水平发展到细胞水平，一个重要的条件是Morgan利用了果蝇这个模式试验材料。

从细胞水平发展到分子水平，有两个必不可少的条件：（1）对基因的物理结构和化学结构的了解；（2）以微生物为研究材料。

基因的物理结构和化学结构已经在第三章讲过了，本章主要讨论与细菌和病毒有关的一些问题。

一、细菌（Bacteria）细菌是单细胞原核生物，是地球上生物量最大的一类生物，它占据了地球上大部分的生物干重。

细菌的繁殖非常快，在适宜的条件下，每20分钟就能繁殖一代，从一个细胞裂殖变成两个细胞。

假如以一个细胞为基数，繁殖一代成为2个，繁殖2代成为4个。

繁殖n代，就有2n-1+1个。

一昼夜以24小时计，可以繁殖72代，总个数为271+1＝2.36×1021。

细菌的基因组很小，只有一条染色体，研究起来非常方便。

细菌群体大，即使突变率很低，也很容易得到各种不同的生化突变型。

细菌遗传研究的方法：用液体培养基培养细菌，待其繁殖到一定程度，用吸管吸取几滴培养液，滴到固体的琼脂糖培养基上，用一根灭菌的玻璃棒涂布均匀。

若涂布的细菌浓度很低，单个细胞可以分散开来（图7－2）。

由于每个细胞不移动的裂殖增生，经过大约一夜，每个细胞的后代可达107个，且集合成群，成为肉眼可见的菌落（colony），或称为克隆（clone）。

单个细菌繁殖而成的菌落中，每个细胞的遗传组成都应该是一样的，但可以发生突变，突变后所形成的菌落也会发生相应的变化。

突变有几类：形态性状突变、生理特性突变、抗性突变。

菌落形状的突变包括菌落的大小、形状和颜色。

如引起小鼠肺炎的野生型肺炎双球菌本来形成大而光滑的菌落，而有一种突变形的菌落小而粗糙。

生理特性的突变主要是丧失合成某种营养物质的能力，称为营养缺陷型。

如野生型细菌可以自己合成色氨酸，可能突变以后就不能合成了，若不在培养基中添加色氨酸，该菌就会死亡。

营养缺陷型可以用不同的选择培养基来检测。

抗性突变主要是指抗药性的突变。

在野生型细菌培养基中加入青霉素（penicillin），可以阻止细胞壁的形成，从而杀死细菌。

但有抗penicillin的菌株，记为penr，对penicillin敏感的菌株(野生型)记为pens。

检测突变的方法——影印法（图7－3）。

①先在一个母板（master plate）上使细菌长成菌落。

②用一个比培养皿略小的木板，包上消过毒的丝绒。

在母板上印一下，使菌落吸附在丝绒上，再把丝绒印到各种不同成分的培养基上。

（事先应在培养皿的不同方向作好标记）假如在缺乏色氨酸的培养板上有一个菌落不能生长，则该菌落很可能是色氨酸营养缺陷型，记为try-。

即可在母板上的对应位置挑取菌落，继续培养，供进一步研究。

若在加有penicillin的培养板上能够生长的菌落，一定是penr突变型，可以直接挑取，供进一步研究中。

二、病毒（virus）病毒比细菌更为简单，也只有一条染色体（单倍体）。

病毒的结构很简单，只有蛋白质外壳和被外壳包裹着的核酸（遗传物质），没有自身进行代谢和分裂所必须的细胞质和细胞器，必须借助宿主细胞的代谢系统才能繁殖自己。

所以，病毒都是寄生性的，它们必须生活在活细胞内。

病毒按寄主可分为：动物病毒，植物病毒，细菌病毒。

病毒按遗传物质可分：RNA病毒，DNA病毒。

细菌病毒（Bacterio-phage）又称为噬菌体（phage）。

噬菌体是研究得比较清楚的病毒。

噬菌体侵染细菌后，使细菌不能生长，而在均匀生长的细菌培养板上形成噬菌斑（plaque）。

根据噬菌斑的形态和生长特点可以鉴别不同的噬菌体。

噬菌体按其在宿主细胞中的生活方式又可分为：温和噬菌体和烈性噬菌体两大类。

表7－1三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性。

①世代周期短，繁殖块，繁殖系数高。

大肠杆菌每20分钟繁殖一代，噬菌体每小时可扩增百倍。

用它们作为研究材料，可以大大节约实验时间。

②易于管理和进行生物化学分析。

③遗传物质比较简单，用于研究基因结构、功能及表达调控机制比较方便。

细菌和病毒均只有一条染色体（DNA or RNA），结构简单，不必通过复杂的化学分析就可以对基因结构和功能进行精细的研究。

④便于研究基因的突变，因为它们是单倍体，所有的突变都能立即表现出来，没有显性掩盖隐性的问题，也不存在分离问题。

而且数量庞大，突变率很低的突变都能检测到。

⑤便于研究基因的作用，代谢作用旺盛，能在短时间内积累大量代谢产物，便于对其本身及其产物进行化学分析。

⑥可用作研究高等生物的简单模型。

高等生物体内机制复杂，目前还难以进行详细研究，而细菌和病毒结构简单，可作为模型研究，为开展高等生物的遗传研究奠定基础，积累资料。

病毒利用寄主的代谢系统进行繁殖，势必其代谢方式与寄主有相似之处，因此可作为研究寄主的简化模型。

四、细菌和病毒的拟有性过程。

细菌和病毒的遗传物质也可以从一个个体传递到另一个个体，也能形成重组体。

因为这不同于真核生物的有性生殖，被称之为拟有性过程。

实际上，所谓的拟有性过程指的是细菌或病毒获取外源遗传物质的方式或途径.第二节噬菌体的遗传分析一、噬菌体的结构与生活周期噬菌体是病毒的一类，结构很简单，基本上由一个蛋白质外壳包裹着一些核酸组成的。

噬菌体的多样性来自于组成其外壳的蛋白质的种类，以及其染色体的类型和结构的不同。

（一）烈性噬菌体（virulent phage）遗传学上应用最广泛的烈性噬菌体是大肠杆菌（E.coli）的T偶列噬菌体。

它们的结构大同小异，外貌一般呈蝌蚪状。

T偶列和T奇列有些不同，T4是比较典型的T偶列噬菌体（图7－4）。

T4噬菌体T偶列噬菌体的头部为六角形，染色体为双链DNA分子。

T偶列噬菌体的尾丝附着在E.coli表面时，通过尾鞘的收缩将DNA经中空的尾部注入宿主细胞。

DNA进入宿主细胞以后，随即破坏宿主的遗传物质，并借助宿主细胞的代谢系统，转而合成大量的噬菌体DNA 和蛋白质，组装成许多许多新的小噬菌体。

最后使宿主细胞裂解（lysis），一下子释放出数百个子代噬菌体（图T4生活周期）。

这样的噬菌体称为烈性的噬菌体（virulent phage）。

T4噬菌体的生活周期（二）温和噬菌体（temperate phage）温和性噬菌体具有溶原性（lisogeny）的生活周期。

这类噬菌体侵入细菌以后，细菌细胞并不马上裂解。

温和性噬菌体有两种类型。

（1）以λ为代表, λ噬菌体侵入细菌后，细菌并不裂解，λ噬菌体的DNA附着于E.coli染色体的gal和bio位点之间的att位点上（attachment site），并通过交换而整合到细菌染色体上。

整合以后，就能阻止其它λ噬菌体的超数感染（superinfection）。

整合在寄主染色体中的噬菌体称为原噬菌体（prophage）。

超数感染：一个细菌受一个以上同种噬菌体感染的现象。

λ噬菌体的DNA被整合以后，既不大量复制，亦不大量转录和翻译。

往往只有一两个基因表达，表达产物作为阻遏物关闭其他基因的表达。

被溶原性噬菌体感染了的细菌称为溶原性细菌（lysogenic bacterium）。

当溶原性细菌分裂成两个子细胞时，λ噬菌体DNA随细菌染色体的复制而复制，每个细胞中有一个拷贝。

原噬菌体通过诱导（induction）可转变为烈性噬菌体，进入裂解周期。

诱导可以通过不同的方式进行，如UV照射、温度改变、与非溶原性细菌的接合等，诱导使阻遏物失活，使噬菌体的其他基因得以表达，促使噬菌体繁殖并进入裂解周期。

（2）P1 噬菌体P1 噬菌体感染E.coli以后，不整合到细菌DNA上，而是独立存在于寄主细胞内。

P1 DNA可以复制但不裂解宿主细胞，也不影响宿主细胞的正常代谢，但P1 的复制可以使宿主的子细胞中也会有P1 DNA，而且可以多于一个拷贝。

受P1 噬菌体感染的细菌也可以因诱导而进入裂解周期。

二、噬菌体的基因重组两个基因型不同的噬菌体同时感染一个宿主细胞，叫做混合感染（mixed infection）或双重感染（double infection）。

共同生存在同一个宿主细胞中的两个噬菌体的DNA也可以发生交换，产生基因重组。

比如，一个噬菌体的基因型是a＋b-，另一个噬菌体的基因型是a-b＋，同时感染同一个宿主细胞，宿主细胞裂解以后，可能释放出基因型为a＋b＋和a-b-的重组体来。

研究最深入的噬菌体突变体是T2 噬菌体的r-（rapid lysis速溶性）突变体。

一个正常的T2噬菌体产生的噬菌斑小而边缘模糊，记为r＋，突变体r-产生的噬菌斑大而边缘清晰（图T2噬菌斑）。

正常的T2 噬菌体能感染E.coli B株。

突变型E.coli B株能抗T2的感染，记为B/2株，T2 噬菌体的突变型h-又能克服B/2株的抗性，既能侵染B株又能侵染B/2株，形成透明的噬菌斑。

正常T2噬菌体记为h＋，只能侵染B株，形成半透明的噬菌斑。

h-和h＋均能感染B株。

用基因型为r＋h-和r-h＋的两种T2 噬菌体同时感染E.coli B株。

这种现象称为双重感染（double infection）。

将双重感染后释放出来的子代噬菌体接种在同时长有B株和B/2株的培养皿内，记录噬菌斑的数目和形态。

h ＋r －半透明，大h －r ＋透明，小————亲本型h －r －透明，大h ＋r ＋半透明，小————重组型h－r－和h＋r＋为重组型。

重组值＝（重组型噬菌斑数/总噬菌斑数）×100%＝（h+r+ + h－r－）/ ( h+r+ + h－r－+ h+r－+ h－r+)×100％不同速溶菌突变型的表现型不完全相同，分别记为ra、rb、rc。

用r－xh+ ×r+h－获得的试验结果如下表。

表7－2杂交组合每种基因型的％重组值h + r －h －r +h + r +h －r －r a - h + × r + h -34.042.012.012.024/100=24%r b - h+ × r + h -32.056.05.96.412.3/100=12.3%r c - h + × r + h -39.059.00.70.91.6/99.6=1.6%根据表7－2的结果可以分别作出3个连锁图。