第十二章 细菌和病毒的遗传分析

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微生物菌株的命名
一般由描述基因功能的文字来命名，取英文词的前三 个字母，右上角写上“－”、“＋”，或“s”、“r”。 如：丝氨酸缺陷型为ser－, 野生型为ser+。 生物素缺陷型为bio－，野生型为bio+。
将基因符号的第一个字母大写可表示相应的表型。
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E.coli基因组概况
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F因子
又称性因子(sex factor)或致育因子(fertility factor) ，是存在于细菌细胞中，赋予细菌以性 别的并能独立增殖的环状DNA分子。
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F因子的组成如图：
① 原点：转移的起始位点 ② 致育基因群：包括性伞 毛基因、转移基因等。 ③ 复制酶基因 ④ 配对区： 与染色体配 对交换后插入染色体。
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互养作用及其排除
试验材料 A品系：A-B+ T1S(met-bio-thr+leu+T1S)； B品系：A+B- T1R(met+bio+thr-leu-T1R)。 试验方法
将A、B品系混合接种在基本培养基表面；
短时间后喷噬菌体T1杀死A品系，使其不能持续产 生thr与leu供B品系持续生长。
复制酶 区域
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据此，我们可将大肠杆菌分为两类：
F－菌：无F因子的细菌。在杂交中是受体（receptor）菌。 F＋菌：含F因子的细菌。在杂交中是供体（donor）菌。
表面有性伞毛，据此与F－菌接合并使F因子从F＋转 移到F－而使F－转变为F＋。 F＋菌用吖黄素处理可使菌体丢失F因子而成F－菌。
接合：通过细菌细胞的直接接触而将一个细菌（供体，
donor）的遗传物质传递给另一个细菌（受体， receptor），从而实现遗传物的重组的遗传现象。
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杂交特点：
① 在F＋ × F－中
接合完毕后，大约有70％以上的F－转变为 F＋ ， 而F＋在转移F因子的过程中本身并不丢失F因子，它一边 复制一边转移，故杂交完毕后F＋菌仍met＋ bio＋ thr＋ leu＋ thi＋
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几种可能解释及其分析
上述试验结果原养型菌落可能产生于： ① 亲本菌株A或B发生了回复突变； ② 两品系细胞通过培养基交换养料—互养作用；
③ 两品系间发生了转化作用；
④ 发生细胞融合，形成了异核体或杂合二倍体。 为了验证这些原养型菌落产生的可能性而进行的研究最 终表明：这些解释均不成立。
b 基因型和表型的表示 –用它们不能合成的物质的前三个字母来表示。
甲硫氨酸
生物素
bio－ / Bio－
bio＋ / Bio＋
缺陷型
原养型
met－ /Met－
met＋ / Met＋
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② 分解代谢缺陷型
不能降解某些复杂的化合物。如不能发酵乳糖,阿拉 伯糖,甘露糖,木糖,麦芽糖。 a 鉴别：使用鉴别培养基 – 如乳糖发酵缺陷型， 用EMB培养基(加伊红和 美蓝)鉴别，原养型菌落是紫红色菌落，缺陷型 为粉红色菌落。 b 基因型和表型的表示： – lac- /Lac-乳糖不能利用; gal- / Gal-半乳糖不能 利用。
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杂交特点：
② F因子转移过程中
染色体通过接合而转移到F－细菌的可能性极小，
少量转移到F－中的供体DNA通过交换（偶数次）与受体 染色体重组，产生重组子（通过接合作用及重组作用而 获得了供体DNA的受体菌）。
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三、高频重组与中断杂交技术
Hfr × F－特点：
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细菌的染色体（电镜照片）
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细菌通过裂殖法而繁殖，单一细菌可 在固体培养基上形成一个菌落（clone）。
野生型菌株叫做原养型（prototroph）。 经突变而丧失某种营养物质产生能力 的菌株叫做营养缺陷型（auxotroph）。
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细菌的菌落
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大肠杆菌的电子显微镜照片
结果与结论
仍然出现原养型菌落。 从而表明互养并非原养型菌落出现的原因，而可能 发生了遗传重组。
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转化作用及其排除
① Lederbery和Tatum曾把品 系A的培养液经加热灭菌，加入 到B品系的培养物中，未得到原 养型菌落，表明原养型菌落可能 不是由转化作用产生。
② 戴维斯(Dawis, 1950)的U型 管试验(结果没有得到原养型细 菌 )。
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二、细菌是单细胞原核生物
其遗传物质是一个大形的环状核酸分子，为方便也 常常简称为染色体。 请注意，这是从真核生物引用过来的名称，严格说 来，它并非细胞学上的染色体，只是为了表达方便而用于 细菌，一般用于细菌时无非指细菌的类似于真核生物染色 体的起主要遗传作用的遗传物质，而没有结构上（真核生 物染色体的结构）的意义。
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现已证明，在以无性繁殖为主的细菌和 病毒的繁殖过程中，也有类似于真核生物有 性生殖的过程，存在着遗传物质的交换。 微生物由于其自身的生理生化特点使其 在遗传学研究中有其不可替代的优越性。
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1. 细菌繁殖快
可在短时间内繁殖大量个体（大肠杆菌繁殖一代只 需20分钟），便于建立纯系，保持大量菌体。
2. 细菌一般能合成全部AA和vitamin，可在一定成 分的简单的培养基上生长，较易得到各种营养缺 陷型
营养缺陷型的获得，可以说是对现代遗传学和生物 化学的一大贡献，几乎所以的遗传学内容和生化代谢研 究都离不开缺陷型。而真核生物体制复杂，难以获得营 养缺陷型。
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3. 便于精细结构的研究：
杂交完毕后， F－几乎仍为F－ ，但染色体基 因的重组频率几乎比F＋× F－提高一千倍达10－4， 所以Hfr菌株称为高频重组菌：High frequency of recombination。 Hfr菌（高频重组菌）：
F因子通过重组而整合到染色体上的菌株。
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①在Hfr×F－交配中，供体菌染色体的一条链首先在染色体 与F因子接合处断裂（F因子有方向性，断裂处恒定在F因 子的某一端），这一染色体断裂点称为原点或O，从原点 开始以线性方式进入受菌体，基因离原点越远，进入F－细 胞越迟，F因子在最后才进入F－。 由于染色体的全程转移约2小时左右，而这2小时的过 程中由于细胞位置的游动或液体的流动等原因，两细胞间 的结合随时可能中断，故越后面的基因不但在F－中出现的 时间越晚，而且所能得到的重组子的比例也越低，所以杂 交后F－往往仍是F－ 。
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2. 细菌的接合实验
1946年，Lederberg和Tatum 做了如下实验
菌株A met－bio－ thr+ leu+ thi－ 2×108 108
含五种菌 种所缺的 营养物质 几小时后， 洗净菌体 无菌落 若干原养型菌落
菌株B met+ bio＋ thr－ leu－ thi＋ 108
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回复突变可能性的排除
Lederbery和Tatum利用的双营养缺陷型菌株进行试验， 已基本排除A或B品系发生回复突变产生原养型细菌的可能。 因为：
单基因回复突变的频率约为10-7；
双基因回复突变的频率则为10-14，频率很低。 但试验中产生原养型菌落产生的频率非常高（10-7）， 因此基本可以排除回复突变的可能。
结论：细胞直接接触是原养型细 菌产生的必要条件，从而否定了 转化。
a
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异核体和杂合二倍体的可能性
出现原养型菌落的另一种可能是细菌细胞发生融合，
产生异核体或双杂合二倍体。这两种情况类似于二倍体生 物的杂合体, 将产生原养型菌落。 异核体：由于细胞融合而在细胞内含有遗传组成不同的两 个或多个细胞核。
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细菌接合（conjugation）的电子显微镜照片
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那么，这种行为的不同是由什么因素引起的 呢？研究证明，它是由一种叫作F因子（sex or fertility factor, 即性因子或致育因子）的质粒 （plasmid）所决定的。 F因子是一种质粒（细菌中染色体以外的能 独复制的环状DNA），其上有一些基因控制致育 性。
第二节 细菌的遗传分析
一、细菌的杂交（接合重组）
1.大肠杆菌的突变类型
（1）营养缺陷型
① 合成代谢缺陷型
② 分解代谢缺陷型 （2）抗性突变型
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（1）营养缺陷型
在营养代谢上是有缺陷的菌株，统称为营养缺陷型， 而把正常的野生型叫做原养型。 –基本培养基：能满足野生型菌株营养要求的最低成分 的组合培养基。 –补充培养基：在基本培养基中有针对性地加上某一种
二倍体：异核体进一步发生核融合，形二倍体细胞核，核 内含有两种遗传物质。
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异核体和杂合二倍体的可能性
细菌为单倍配子体生物，异核体和二倍 体只能暂存在。培养繁殖过程中必将发生分 离，产生各种缺陷型菌落。 对试验中得到的原养型菌落的后代所进 行研究表明：后代没有出现预期的性状分离 现象。
E.coli的染色体为闭合双链环状DNA，长约 1333um。
2001年10月15日完成了E.coli K12菌株的基 因组全序列测定。总共4639221 bp， 4279个蛋 白质编码基因，115个编码rRNA和tRNA的基因。 （GenBank编号:U00096）
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A map of the E. coli genome, showing selected genes.
由于个体小、繁殖迅速，我们能在选择性培养基上 检查上亿个个体，检出少数的突变型和紧密连锁的突变 位点的重组，而这在高等生物中是不可能的。