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1、2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,1,第七章细菌和噬菌体 的重组和连锁,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,2,第一节 细菌和病毒遗传研究的意义,一、细菌的生物学特征 二、病毒的生物学特征 三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性 四、细菌和病毒的拟有性过程 五、细菌遗传的实验研究方法,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,3,一、细菌的生物学特征,细菌是单细胞生物，完成每个世代只需20分钟，而且容易得到它的生化突变型，它不仅在医学上和农业上重要，而且从进化角度上也是异常成功的，因为它占据地球上大部分的生物干重。 研究细菌遗传的方法：主要是对细菌菌落形态的遗传研究
2、 (如图，霉菌菌落),2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,4,霉菌菌落,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,5,大肠杆菌,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,6,一、细菌的生物学特征,原则上说，培养皿中每个细菌长成的菌落应具有共同的遗传组成，但是由于偶然发生的突变：形态性状的突变，生理特性的突变或抗性的突变，而使这些突变后的细菌所形成的菌落与其他的菌落有所不同。 菌落形态性状的突变包括：菌落的形状、颜色和大小等。 生理特性的突变包括：丧失合成某种营养物质能力的营养缺陷型。 抗性突变包括：抗药性或抗感染性。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,7,
3、二、病毒的生物学特征,病毒是比细菌更为简单的生物，它们也只有一条染色体，即单倍体。有些病毒的染色体是DNA，还有一些病毒是RNA。 病毒主要是由蛋白质外壳及其包被的核酸所组成的颗粒。病毒可根据宿主(动物、植物、细菌)或遗传物质(DNA或RNA)来分类。细菌病毒(Bacterial phage)，称为噬菌体(phage)(如图)，是目前经过广泛研究，了解比较清楚的一种病毒。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,8,噬菌体,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,9,三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性,细菌和病毒在遗传研究中的优越性可以归纳为： 世代周期短，繁殖世代所需时间短；
4、 易于操作管理和进行化学分析(纯培养与代谢产物累积)； 便于研究基因的突变(表现与选择)； 便于研究基因的作用(突变型生长条件与基因作用)； 便于研究基因的重组(重组群体大、选择方法简便有效)； 遗传物质比较简单，可作为研究高等生物的简单模型；,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,10,四、细菌和病毒的拟有性过程,虽然细菌和病毒不具备象真核生物配子进行融合的有性过程，但它们的遗传物质也能从一个细胞传递到另一个细胞，并且也能形成重组体。 细菌获取外源遗传物质有四种不同的方式：转化，接合，转导和性导。当一个细菌被一个以上的病毒粒子所侵染时，噬菌体也能在细菌体内交换遗传物质。如果两个噬菌
5、体属于不同品系，它们之间可以发生遗传物质的部分交换(重组)。 下面将叙述细菌和噬菌体遗传物质的交换过程，并且将利用这些方法作出细菌和噬菌体的染色体图。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,11,五、细菌遗传的实验研究方法,(一) 细胞计数(培养物细胞浓度) (二) 建立纯系的方法 (三) 选择培养法鉴定突变型与重组型 (四) 突变型与重组型的批量筛选方法,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,12,细菌培养,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,13,(一) 细胞计数(培养物细胞浓度),培养物中微生物计数方法是微生物学的基本实验技术，其基本思路是： 对原培养物进
6、行连续稀释； 进行平板涂抹培养； 由于每个细胞形成一个菌落，计数菌落数； 根据稀释倍数计算原培养物中的细胞浓度。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,14,细胞计数(培养物细胞浓度),2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,15,(二) 建立纯系的方法纯培养,挑取由单个细胞繁殖而来的菌落进行培养就可以获得由一个细胞繁殖而来的纯系。 通常采用平板表面涂布法或划线法可以获得单菌落。这种方法获得的纯系，称为“菌种纯”。 有时采用显微操纵器进行菌丝尖端切割等方法从单个细胞直接培养建立纯系。采用这种方法获得的纯系称为“菌株纯”。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,16,
7、建立纯系的方法纯培养,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,17,(三) 选择培养法鉴定突变型与重组型,许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关。 营养缺陷型的筛选、鉴定： 选择培养法是根据菌株在基本培养基和营养培养基上的生长表现将菌株分为原养型(也称为原生营养型)与营养缺陷型(在基本培养基上不能正常生长，只能在相应的营养培养基上生长)。 营养突变型的筛选、鉴定方法与红色面包霉生化突变型的鉴定方法基本一致。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,18,(三) 选择培养法鉴定突变型与重组型,许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关。 其它突变类型的筛选、鉴定： 对
8、于其它的突变类型(如温度敏感型)，也可以通过培养条件的选择培养来筛选与鉴定。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,19,(四) 突变型与重组型的批量筛选方法,选择培养法一次可鉴定、筛选一种突变型，但要检测分离含有多种突变型的混和菌株，仅采用选择培养法要进行多次试验才能够达到目的、效率太低。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,20,(四) 突变型与重组型的批量筛选方法,为高效检测、分离混和群体中不同突变型，黎德伯格夫妇设计了影印培养法。 该方法原理与选择培养法一致，但是采用影印法将在完全培养基上单菌落同时接种到不同选择培养基上同时对所有菌落进行选择培养，鉴定效率大大提高
9、。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,21,影印培养法,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,22,影印培养法,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,23,(四) 突变型与重组型的批量筛选方法,注意： (1)最初的培养基必须是非选择性的，即各种突变型都能够在其上生长； (2)必须采用适当的方法如涂布或划线法，以使培养物菌落之间要分开。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,24,第二节 细菌的遗传重组,一、转化 二、接合 三、性导,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,25,一、转化(transformation),(一)、细菌转化实验 (
10、二)、转化过程 *(三)、共同转化与遗传图谱绘制,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,26,(一)、细菌转化实验,1. 基础知识 野生型肺炎双球菌(Strep-tococcus pneumoniae)菌落为光滑型，一种突变型为粗糙型，两者根本差异在于荚膜形成； 荚膜的主要成分是多糖，具特殊的抗原性； 不同抗原型是遗传的、稳定的，一般情况下不发生互变。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,27,2. Griffith转化研究(1928),2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,28,Griffith对其试验结论及发展,根据上述研究结果Griffith认为： (有毒
11、)死细菌中的某种物质转移到(无毒)活细菌中，并使之具有毒性，导致小家鼠死亡。 他将这种细菌遗传类型的转变称为转化，并将引起转化的物质称为转化因子(tranforming principle)。 但是当时的化学与生化分析技术还无法鉴定杀死细菌中的成分，因而不知转化因子为何物。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,29,Griffith对其试验结论及发展,以后一些研究者重复上述试验，并且加入了体外培养试验，即：将加热杀死的SIII细菌与无毒RII细菌混合培养，然后注入小家鼠体内，同样导致家鼠死亡。表明： 细菌在培养条件下也能够实现遗传类型间的定向转化。,2020/9/6,湖北大学生命科
12、学学院 陈建国,30,3. 阿维利(Avery)等的转化实验(1944),2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,31,实验结论,上述实验结果表明：来源于加热杀死的SIII细菌，并使 RII细菌转化成为SIII型细菌的转化因子是DNA。 正是在这一认识的基础上，将转化定义为： 某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型的DNA而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,32,实验结论,Avery等人的实验实际上也表明：决定细菌遗传类型的物质是DNA，即证明了DNA就是遗传物质。 但由于他们采用的实验方法当时不被人们广泛接受，而且得出的
13、结论与当时人们的传统观念(认为蛋白质是遗传物质)不符合，而长期没有得到人们的承认。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,33,(二)、转化过程,转化现象在细菌中是一种普遍现象。不同细菌转化过程有一定差异，但是它们都存在几个共同特征，即： 1. 感受态与感受态因子： 感受态指细菌能够从周围环境中吸收DNA分子进行转化的生理状态。 感受态主要受一类蛋白质(感受态因子)影响，感受态因子可以在细菌间进行转移，从感受态细菌中传递到非感受态细菌中，可以使后者变为感受态。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,34,(二)、转化过程,转化现象在细菌中是一种普遍现象。不同细菌转化过程有一
14、定差异，但是它们都存在几个共同特征，即： 1. 感受态与感受态因子： 一般认为感受态出现在细菌对数生长后期，并且某些处理过程可以诱导或加强感受态，以大肠杆菌为例，用Ca2+处理对数生长后期的大肠杆菌可以增强其感受能力。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,35,(二)、转化过程,2.供体(donor)DNA与受体(receptor)细胞结合(binding)： 结合发生在受体细胞特定部位(结合点)； 对供体DNA片段有一定要求； 结合过程是一个可逆过程。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,36,(二)、转化过程,3.DNA摄取： 当细菌结合点饱和之后，细菌开始摄取外源
15、DNA； 细菌在摄取外源DNA时，由DNA移位酶降解其中一条链，并利用降解这条链产生的能量，将另一条链拉进细胞中。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,37,(二)、转化过程,4.联会(synapsis)与外源DNA片段整合(integration)： 整合就是指单链的转化DNA与受体DNA对应位点的置换，从而稳定地掺入到受体DNA中的过程。 实际上就是一个遗传重组的过程。因而研究整合的分子机制事实上也为遗传重组的分子机制作出了贡献。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,38,细菌转化过程,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,39,细菌转化过程,2020/9
16、/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,40,*(三)、共同转化与遗传图谱绘制,利用共同转化绘制细菌连锁遗传图谱的基本原理： 相邻基因发生共同转化的概率与两者的距离间成正向关系，基因间距离越近，发生共同转化的频率越高，反之越低。 因此可能通过测定两基因共同转化的频率来指示基因间的相对距离。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,41,二、接合,(一)、接合现象的发现和证实 (二)、F因子及其在杂交中的行为 *(三)、中断杂交试验作图,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,42,(一)、接合现象的发现和证实,黎德伯格(Lederberg)和塔特姆(Tatum)大肠杆菌杂交试验： 材料：大肠杆菌(Escherichia coli)K12菌株的两个营养缺陷型品系： A甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型bio-； B苏氨酸缺陷型thr-和亮氨酸缺陷型leu-。 方法： 将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养。 结果： 平板上长出原养型菌落(+)。,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,43,2020/9/6,湖北大学生命科学学院 陈建国,44
