第五章 细菌和噬菌体遗传

部分二倍体中发生交换： 单数交换：打开环状染色 体，产生一个线性染色体， 这种细胞是不能成活的。 偶数交换：产生可遗传的 重组体和片段
细菌部分二倍体的形成方式
转化
转导
接合
接合（conjugation）
接合过程由性纤毛介导，需要静止
转化（transformation）
转化：细菌细胞摄取周围 游离的外源DNA片段， 通过同源区段的交换而实 现基因重组 必须是感受态细胞 外源DNA片段被细菌吸附， 单链进入细菌细胞并与细 菌染色体发生重组



侵入后并不使细菌裂解，而是以原噬菌体或质 粒的形式存在的一类噬菌体称为温和性噬菌体。 λ P1 噬菌体 温和噬菌体侵染宿主菌后仅有少数基因活动， 表达出阻遏物关闭其它基因从而使该噬菌体不 具有感染能力。这种无感染能力的噬菌体称为原 噬菌体 (prophage) 原噬菌体经诱导可转变为烈性噬菌体
中断杂交实验
1957年E.Wollman和E.Jacob设计完成
中断杂交作图：指在Hfr×F-杂交中，把接合中的细 菌在不同时间取样，搅拌中断杂交，分析受体菌基因 型，以Hfr基因出现在F-中的先后顺序，以转移时间 为图距单位进行基因作图的方法
用一种大肠杆菌的不同Hfr菌株进行中断杂交实验， 作出连锁图，其基因向F-细胞转移的顺序不同





细菌包括真细菌和古细菌。形态多种多样，主要 有杆菌、球菌、螺旋菌等。 基本结构包括：细胞壁、细胞膜、拟核、核糖体、 细胞质及内含物，有些细菌具有鞭毛。 遗传物质包括一条主染色体，通常为环形双链DNA 分子，另外包含一个或多个小染色体（质粒）
1-5μm长，0.5-1 μm宽
直径0.5-1 μm


溶源菌：含有温和噬菌体的寄主细菌称为溶源 菌 溶源免疫：含有原噬菌体的细菌具有抵抗同种 噬菌体超感染的能力，称为溶源免疫
温和噬菌体的溶菌周期和溶源周期
合子诱导（zygotic induction）


雅可布和沃尔曼（1956年）发现了合子诱导现象。 含有原噬菌体（λ）的Hfr×F－ 很难得到重组子， 而Hfr×F－（λ）或Hfr（λ）×F－（λ）却可以得 到重组子。 这是由于在Hfr（λ）×F－的杂交中，原噬菌体进 入无阻遏物的受体细胞质中进行大量复制使受体细 胞裂解，因此不易得到重组子，此现象就称为合子 诱导。
第五章 细菌和噬菌体遗传



动物、植物等真核生物的遗传规律 遗传学三大定律： 分离定律 自由组合定律 连锁交换定律 依赖有丝分裂及减数分裂过程
细菌、噬菌体等低等生物没有有丝分裂及减数 分裂过程，其遗传规律具有特殊性 1940-1960 period of microbial genetics
附加体：F因子既可以以游离状态存在于细胞内，
也可以整合到细菌的染色体上，称为附加体
Hfr×F
-
致育基因在最后，很难进入受 体细胞，不能使F-变成F+，细 菌的遗传重组频率很高
F 因 子 和 Hfr 的 关 系
部分二倍体

部分二倍体（partical diploid）：既带有自身 完整的基因组，又有外源DNA片段的细胞， 也称为部分合子（merozygote）。
Hfr (λ) × F－
Hfr ×F－(λ) Hfr (λ) × F－ (λ)
无重组子
有重组子 有重组子
利用合子诱导可以确定噬菌体在细菌染色体上的整合位点
噬菌体基因重组
T2噬菌体突变型
快速溶菌突变型： 正常噬菌体，r+，产生的菌斑小而边缘模糊 突变噬菌体，r-，产生的菌斑大两倍而边缘清晰
宿主范围突变体： 正常噬菌体，h+，只能以大肠杆菌B株为宿主 突变噬菌体，h-，能以B株和B/2株为宿主 h+r+：产生半透明的小菌斑 h-r+：产生透明的小菌斑 h+r-：产生半透明的大菌斑 h-r-：产生透明的大菌斑



便于研究基因重组 细菌具有转化、转导和接合作用，可以进行 精密的遗传分析 便于研究基因结构、功能及调控机制 细菌和病毒遗传物质简单，易于进行基因定 位、结构分析和分离，基因的表达调控也适于 采用生理生化的方法进行深入研究 便于进行遗传操作 染色体结构简单，没有组蛋白和其它蛋白的 结合，更宜于进行遗传工程的操作
rI
rII rIII
大噬菌斑
大噬菌斑 小噬菌斑
大噬菌斑
无噬菌斑（致死） 大噬菌斑
大噬菌斑
小噬菌斑 大噬菌斑
T4噬菌体野生型和突变型的区别
重组子r47r104不能生长， 无法检出，但其频率与 ++相等
2×rII+噬菌斑数 100 % 重组值 × 总噬菌斑数 2×K(λ)菌株噬菌斑数 B菌株噬菌斑数
- h-r+ h r
h+r+ h+r-
(半透明，大)
(+ 透明，小) h+r-×h-r 接种在同时长有B和B/2 株的培养基上
h+rh-r+ 半透明，大 透明，小
h+r+ 半透明，小
h-r透明，大
重组噬菌斑数 重组值( Rf ) 100% 总噬菌斑数
T4噬菌体重组测验与基因结构分析
类型 野生型 不同大肠杆菌菌斑平板上表型 B K(λ) S 小噬菌斑 小噬菌斑 小噬菌斑
性导（sexduction）：利用F′因子将供体细胞基
因导入受体形成部分二倍体的过程称为性导
三种致育因子的关系



F-菌株：缺乏F因子 F+菌株：具有游离的F因子 Hfr菌株：F因子整合到宿主染色体上 F′菌株：含带有部分宿主染色体的游离F因子 F+×F-：能使F-变成F+，细菌的遗传重组频率很低 Hfr×F-:不能使F-变成F+，细菌的遗传重组频率 很高 F′×F-:能使F-变成F′, 所携带细菌基因的遗传重组 频率很高
第一节 细菌与噬菌体的突变型

细菌的突变型：
①合成代谢突变型： 也称为营养缺陷型，即丧失合成某种营养物质的能力， 不能在基本培养基上生长； 原养型：野生菌株可以在基本培养基上生长 如Met-、Thi-、Pur-分别表示这些突变株系需要甲硫氨 酸（methionine）、硫胺(thiamin)和嘌呤(purine) ②分解代谢突变型： 如Lac-菌株不能分解乳糖，无法在以乳糖为唯一碳源的 基本培养基中生长。 ③抗性突变型： 包括抗药突变型和抗噬菌体突变型 如Strr表示对链霉素抗性表型，Strs表示对链霉素敏感 T1r表示菌株对T1噬菌体表现抗性

细菌突变型筛选：
噬菌体突变型

噬菌斑突变型：如T2、T4噬菌体的r-突变体 正常噬菌体，r+，产生的菌斑小而边缘模糊
突变噬菌体，r-，产生的菌斑大两倍而边缘清晰

宿主范围突变体： T2噬菌体的h-突变体 正常噬菌体，h+，只能以大肠杆菌B株为宿主 突变噬菌体，h-，能以B株和B/2株为宿主 条件致死突变体： 温度敏感突变体，ts 抑制因子敏感突变体，sus（UAG、UAA、UGA） 在含有抑制基因su+的宿主中可产生后代 在su-宿主中不能产生后代
F ×F
+
-
F因子双链DNA分子中一条链打开一个缺口，该链从5’ 端开始进入F-细胞，在F-中复制形成一个完整的F因子
能使F-变成F+，细菌的遗传重组频率很低
Hfr品系（High Frequency Recombination）
Hfr品系：含F因子菌株 与F-细胞接合后可以将供 体染色体的一部分或全部 传递给F-受体，重组频率 高达10-2以上，称为高频 重组品系（Hfr） F因子整合到细菌染色体 上，伴随着细菌染色体的 复制同步增殖。
转移的顺序是不是随机的？比如：thr thi gly
大肠杆菌K12菌株部分遗传图，整个环状基因组约100min
重组作图

两基因转移时间间距小于2min时，中断杂交 法的图距不够精确，应采用重组值测定
例：两个紧密连锁基因： lac-（乳糖不发酵）ade-（腺嘌呤缺陷型）
Hfr（lac+ade+strs）×F已知ade+在lac+之后进入F-
1-50μm长，0.5-1 μm宽

病毒是由蛋白质外壳和核酸组成的非细胞生物， 在体外以无生命的化学大分子状态存在。
依据宿主的不同可以分为植物病毒、动物病毒和 细菌病毒，细菌病毒又称为噬菌体（phage） 遗传物质为DNA或RNA 噬菌体核酸多为DNA，植物病毒核酸多数为RNA， 动物病毒核酸部分为DNA，部分为RNA
= 15 ×100% 15+52
=22%
1min大约相当于 20%重组值 52 15
大肠杆菌染色体 全长100min，约 2000cM， 1cM=2000bp
F′ ：Hfr菌株的F因子不正常环出，可能会包
含部分细菌的染色体片段，称为F′因子
F′ ×FHfr F′
能使F-变成F′，细菌的遗传重组频率很高

第二节 细菌的遗传重组
接合（conjugation）
细菌的杂交试验
1946年，J.Lederberg的大肠杆菌杂交试验： 材料：大肠杆菌(E.coli)K12菌株的两个营养缺陷型品系： 菌株A—甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型bio-； 菌株B—苏氨酸缺陷型thr-、亮氨酸缺陷型leu-、硫胺缺陷型thi-
(lac-ade-strr)
将两型细菌混合互作60min，在含str无ade的选择 培养基上筛选ade+菌株，菌落克隆影印至伊红美蓝 培养基确定其乳糖基因型，计算lac与ade的重组值
粉红色菌落：lac- 紫红色菌落：lac+
Rf(ade-lac)= lac-ade+
lac-ade++lac+ade+


细菌和病毒在遗传研究中的优越性




世代周期短： 大肠杆菌（E.coli）20分钟可繁殖一代 便于管理和生化分析 个体小，一般在1μ至几个μ之间，操作管理方便 便于研究基因突变 裸露的DNA分子，容易受环境条件的影响而发 生突变；单倍体生物，不存在显隐性问题 便于研究基因的作用 影印培养，易检出营养缺陷型突变，有利于从 生化角度研究基因的作用

第三节 噬菌体的遗传分析

烈性噬菌体（virulent phage）

侵入宿主细胞后，利用宿主细胞内的物质进行自 身遗传物质和蛋白质的合成，组装出子噬菌体， 使宿主细胞裂解而释放子噬菌体，这类噬菌体称 为烈性噬菌体。T系列噬菌体
烈性噬菌体侵 染过程

温和噬菌体（temperate phage）：
×100%
两种rII突变型双重感染重组
基本培养基不生长
结论： 1.野生型不是互养或转化产生的 2.两菌株细胞的直接接触对野生型产生是必要的 3.AB两菌株进行了重组
细菌的性别
链霉素处理A菌
B菌 链霉素处理B菌 完全培养基培养 洗涤离心
重组体未减少 A菌
完全培养基培养 无重组体产生
基本培养基
洗涤离心 基本培养基
链霉素不阻止遗传物质转移和复制，但是可以阻止 细胞分裂 该实验说明细菌接合过程中遗传物质的转移是单向 的，即遗传物质从A株转移到了B株。A为雄性菌株， B为雌性菌株
来自百度文库
转导（transduction）
转导：以噬菌体为载体将遗传信息从一个细菌细 胞传递到另一个细菌细胞，包括普遍性转导和特 异性转导 噬菌体头部可能 会包裹进细菌的 部分DNA，再 侵染另外的细菌 时介导了DNA 的转移
细菌遗传重组与高等生物的不同



高等生物的遗传重组在 两个完整的染色体之间 进行，而细菌的遗传重 组在完整的染色体和DNA 片段之间进行 高等生物单交换产生重 组，细菌中双交换产生 重组 高等生物中遗传重组产 生一对相反的重组子， 而细菌中遗传重组不产 生相反的重组子
原养型出现频率10-7
原养型是怎样产生的？




几种可能性： 1. 某个菌株发生基因突变 2. AB菌株合成产物互相供给（互养） 3. 转化 4. 两个菌株发生遗传重组
细菌自然突变概率大约10-6，两个基因同时突变 概率10-12，远低于实际观察到的频率，不可能是 由突变造成的
U型管试验
基本培养基不生长
F因子（F factor）

雄性菌株中存在F因子，介导遗传物质转移

细菌染色体外的一个决定细菌雄性性别的共价 环状DNA分子，称为致育因子 (fertility factor)，又称为F因子或F质粒。大小大约是细 菌染色体的2%
F因子结构
原点（origin）：转移的起点 致育基因（fertility gene）:使其具有感染性，一些 基因控制菌毛（接合管）生成 配对区（pairing region）：包含与细菌染色体同源配 对及整合所需序列