中国农业大学课程论文（ 2012-2013 学年秋季学期）论文题目：浅谈细菌转导实验及应用研究课程名称：遗传学任课教师：郭岩朱登云班 级：生物 111 班学 号： 1102040128 姓 名：杨明轩成绩浅谈细菌转导实验及应用研究摘要： 转导（ transduction ）是指以噬菌体为媒介， 由噬菌体将一个细胞的基因传递给另一细胞的过程 其具体含义是指一个细胞的 DNA或 RNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中大致上转导可以分为一般性转导或普遍性转导（ generalized transduction ）和特异性转导（ specialized transduction ）或局限性转导（ restricted transduction ） 本文阐述了转导现象的发现实验过程， 简单概括了转导类型及其一般特征， 介绍了转导机理模型； 同时，转导常常应用于细菌的基因分析，如通过细菌共转导可以用于基因排列次序的确定等关键字： 噬菌体 转导 三因子转导 转导机理模型 互补实验1 转导现象的发现1.1 发现背景在细菌转化现象被科学家发现并得到检验之后的 1946 年， Lederberg 和Tatum 在耶鲁大学发现了细菌还可以通过接合（ conjugation）的方式完成基因的传递，在此之后人们继续研究细菌的相关基因的传递方式。
1951 年由 Lederberg和其学生 Zinder N 试图验证鼠伤寒沙门氏菌（ Salomcnellatyphimurium）是否存在类似于大肠杆菌的接合现象在实验中，其用沙门氏菌的 2 个营养缺陷型杂交，菌株 LA-2 不能合成甲硫氨酸和组氨酸 （即 phe+trp + met- his-） ， 菌株 LA-22不能合成苯丙氨酸和色氨酸 （即phe-trp- met+ his+） ，结果在基本培养基上以 10-5 的频率出现原养型的菌落（ phe+trp+ met+ his+） 这与大肠杆菌的接合实验相似，但原养型菌落出现的频率要比大肠杆菌高 100 倍 这样的结果不符合接合的概率， 因此他们做出假设， 遗传物质的交换不一定需要细胞间直接接触 为了确定遗传物质的交换是否一定需要互补基因型细胞间的直接接触，其利用 U 形管设计了经典的鼠伤寒沙门氏菌验证实验， 其内的微孔滤片可以隔离 A、 B 培养物但不隔离培养液和 DNA 等大分子物质 [1]，这个实验进一步对营养物质交换的假设可能性进行检验，从而对“遗传物质交换不一定需要细胞间直接接触”的正确性进行判断1.2 Zinder U形管验证实验1.2.1 实验材料菌株 LA-2（ phe+trp+ met- his-）菌株 LA-22（ phe-trp - met+ his+）固体平板基本培养基 *2 带有微孔滤片的 U 形管（防止细胞直接接触，仅容比细菌小的物质通过）U 形管实验装置1.2.2 实验方法（ 1） 在 U形管左右两臂内分别放入菌株 LA-2（ phe+ trp+ met- his-） 和菌株 LA-22（ phe- trp- met+ his+）的液体培养物，底部中间用微孔滤片将两个菌株液体机械地隔离开，微孔滤片保证细菌不能通过微孔滤片，但培养液和DNA 等大分子物质可以透过。
2）在 U 形管一侧用棉球封口， 另一侧交替地抽气和加压，使两臂内液体及大分子在两臂间流动、充分地混合；（ 3） 待 U 形管两臂内的细胞停止生长后， 将其分别涂布在两个固体平板的基本培养基上，观察是否产生原养型菌株1.2.3 实验结果菌株 LA-2（ phe+ trp+ met- his-） 一侧的液体培养物涂布的培养基上均未出现原养型菌株，但菌株 LA-22（ phe- trp- met+ his+ ）的液体培养物涂布的培养基上获得了原养型菌落以上结果说明， 沙门氏菌中原养型菌落的出现不同于大肠杆菌的接合， 其并不需要细胞间的直接接触1.2.4 结果分析及推论Lederberg 根据以上结果判断，一种可以通过细菌滤片的因子将遗传信息从LA-2传递给了 LA-22其将这种因子定为滤过因子（ FA， filterable agent） 进一步实验发现， LA-2产生 FA需要 LA-22的存在此外更多的实验证明，① FA不是裸露的 DNA， 加入 DNA酶并不会使 FA效力减弱； ② FA能够穿过微孔滤片； ③ FA与从溶源性细菌中分离得到的温和噬菌体 P22 质量大小相同；④用抗 P22 血清或加热处理， P22 的感染性和 FA功能失活速率相同；⑤抗噬菌体 P22 的伤寒沙门氏菌对 FA表现为抗性。
以上结果进一步的证明， FA是由溶源性菌 LA-22的原噬菌体自发诱导后产生的 P22 噬菌体同时根据上述实验结果， Lederberg做出如下推论： LA-22菌株是溶源性的，LA-22 是非溶源性的在培养过程中，LA-22 中的原噬菌体 P22 偶然裂解，穿过滤片感染裂解 LA-2， 包装 LA-2 基因，再次返回滤片感染 LA-22并溶源化， 给LA-22 带入 phe+trp +基因，从而形成原养型菌落此过程即为转导2 转导类型及机理模型2.1 转导类型噬菌体分为烈性噬菌体和温和噬菌体用于转导的一般为温和噬菌体任何温和噬菌体感染一个敏感细胞有两种可能： （ 1）裂解； （ 2）非裂解，以溶源化复合体而存在原则上根据噬菌体—细菌体系所能传递细菌遗传标记的范围， 转导分为两大类型： 1、普遍性转导（ generalized transduction ） 2、局限性转导（ specialized transduction） 2.1.1 普遍性转导普遍性转导是由完全缺陷噬菌体将供体菌染色体的任何 DNA片段转移到受体菌中，并发生基因重组其具体过程是： ①当噬菌体感染供体菌， 供体菌内染色体 DNA发生断裂，当噬菌体组装时，极少数噬菌体的衣壳随机错包了供体菌的 DNA片段，成为完全缺陷噬菌体。
②当噬菌体裂解时，这种完全缺陷噬菌体感染受体菌，把供体菌 DNA 片段转移到受体菌中，并与其染色体发生重组2.1.2 局限性转导局限性转导是由部分缺陷性噬菌体将供体噬菌体染色体上的特定 DNA 片段转移到受体噬菌体中，并发生基因重组其具体过程为： ①当溶源菌 （ E.coli） 被诱导裂解时， 有极少数的原噬菌体 （ λ ）发生不正常的切割，结果是将原噬菌体两侧宿主（供体菌）的染色体基因（ gal或 bio 基因） 同噬菌体基因连在一起被切割下来， 包装并形成部分缺陷噬菌体 （ λdgal 或 λ dbio）②此部分缺陷噬菌体感染受体菌时，把带有特定基因的供体菌DNA片段转移给受体菌， 并与其染色体发生遗传重组， 使原来不能利用乳糖或合成生物素的受体菌变为能够利用乳糖和能合成生物素的转导子2.2 转导机理模型细菌染色体一小片段在进入噬菌体外壳而形成转导噬菌体的过程是复杂的Ozeki等人通过研究表明， 提出了两个不同的转导机理模型： ① （ Wrapping choice model） 和 “杂种形成” 模型 （ Hybrid formation model ） 通过实验表明， 完成 “包裹选择”的噬菌体才能进行普遍性转导，其类似于表型混杂。
而“杂种形成”模型则形成专一性转导颗粒，此类型发生在 DNA 分子水平，类似于基因重组总的来说， “杂种形成” 模型是研究较为透彻的模型， 故主要以 “杂种形成”模型为讨论对象进行阐述普遍性转导过程2.2.1 转导机理模型之“杂种形成”模型2.2.1.1“杂种形成”模型的假设前提① gal+标记不稳定， 每个细胞每一世代以 10-3的速度分离出非溶源性 gal-后代②用 U.V诱导杂基因子培养物后，产生的噬菌体裂解物中，约 50%的噬菌体有能力将 gal+传递给 gal-2.2.1.2 模型构建如右图所示，在原始溶源性细胞群体中，平均每 106 细胞中有一个细胞的染色体 gal 段组至噬菌体基因组中去（ B） 这样使得噬菌体基因组与组进去的 gal 段能够以相同的整体一同复制在诱导时，子代的噬菌体颗粒中含有 λ -gal 噬菌体如果这样的颗粒去感染 gal-受菌体，由噬菌体所注入的 λ -gal+与受菌体染色体同源区配对，便形成了杂基因子 gal-/λ -gal+（ C） 如果用 U.V.诱导，那么就不是 106细胞中的一个细胞，而是每一个细胞均能够释放 λ -gal+s 噬菌体颗粒当 λ 原噬菌体的染色体组入细菌染色体时，在噬菌体营养繁殖阶段其染色体为线状。
当发育到一定阶段， λ 原噬菌体的 DNA环状化 λ原噬菌体的特殊区域与细菌染色体的特定区域配对，并进行交换重组这样， λ 噬菌体的染色体便直接组入细菌染色体中，成为细菌染色体的一部分3 转导的应用细菌转导常用于细菌基因的分析3.1 转导作图3.1.1 原理利用普遍性转导， 确定细菌基因之间的排列顺序和距离， 构建其遗传图 转导颗粒能够随机包裹细菌 DNA 片段，只要改片段不超过大肠杆菌遗传图谱的2min 距离，即有可能一起被转导这种两个基因同时被转导的现象称为共转导（ cotransduction） 3.1.2 方法通过计算和比较 2 个基因之间的共转导频率， 可以确定 3 个或 3 个以上基因在染色体上的排列顺序以及其之间的距离2 个标记基因之间距离公式：d = L(1 - ??3 )其中， d—— 2 个标记基因间距离（单位： min）X —— 2 个基因的共转导率（ %）L ——转导 DNA的最大长度，相当于噬菌体染色体长度（取 2min）3.1.3 三因子转导（ three-factor transduction）试验利用普遍性转导噬菌体 P1，侵染基因型为 ilv+ leu+ara+的大肠杆菌，收集所得到的噬菌体裂解液再去侵染 ilv- leu- ara-的受菌体，然后把受菌体接种在选择培养基上，选择标记基因 ilv+ （在该培养基上只有 ilv+ 转导才能生长） 。
然后用影印法测定其余 2 个非选择标记基因以及它们的菌落数，得到如下图结果通过统计试验中各组菌落数，可以得出各组基因之间的共转导频率计算公式同上述 2 个标记基因间距离公式如：Ilv-leu 的共转导率 =（ ilv+ leu+ara+） +（ ilv+ leu+ara-） / 总转导子数4 结语转导是指以噬菌体为媒介，将一个细菌的遗传物质导入到另一细菌的过程由于转导所传递的片段较小， 在遗传的细微结构分析方面是常用的工具 随着分子遗传学的发展， 应用转导噬菌体已成功的分离基因等结构， 并通过引入外源基因， 矫正所需细胞的基因缺陷 可以设想的是， 未来在定向改变现有生物的遗传特性上，转导将继续发挥其重要的作用参考文献【 1】李惟基 . 遗传学，中国农业大学出版社 .2007 【 2】 L.S. Frost.Conjugation,Bacterial.Encyclopedia of Microbiology (Third Edition), 2006 【 3】 Jocelyn E.KrebsElliott S.GoldsteinStephen T.Kilpatrick ， Lewin's Genes X ， 2011, 【 4】楼士林杨盛昌等，基因工程科学出版社 2004.8 【 5】吴光耀等，精英教案基础生物教程 [下 ] 军事谊文出版社 2007.8 【 6】范云六姜书勤王清海，关于细菌转导的理论及其应用研究进展中国科学院微生物研究所【 7】方福德，转导 转染 转化，中国医学科学院基础医学研究所写在最后——关于遗传学课的反思遗传学可以说是我目前在农大生院上课上的最为有兴趣的一门课， 原因就是朱老师那种独特的授课方式，没有板书， PPT也不是照本宣科，用一个个故事的形式将遗传学的知识传授给我们。
很欣赏很喜欢这种方式， 尤其是一。