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1、第七章第七章 细菌和病毒的遗传细菌和病毒的遗传 第一节第一节 细菌和病毒的遗传研究方法及细菌和病毒的遗传研究方法及意义意义第二节第二节 噬菌体的遗传分析噬菌体的遗传分析第三节第三节 细菌的遗传分析细菌的遗传分析小小 结结 本章重点：细菌四种拟有性生殖的区别 F、F，和Hfr的异同点 部分二倍体交换重组作图本章难点：噬菌体遗传分析 利用并发转导基因定位 重组作图第一节第一节 细菌和病毒的遗传研究细菌和病毒的遗传研究 方法及意义方法及意义 一、细菌的研究方法一、细菌的研究方法 1单胞分离 菌液菌液 稀释稀释 涂布在固体涂布在固体培基培基 单个细胞分离单个细胞分离形成肉眼可见菌落形成肉眼可见菌落细菌
2、单胞分离细菌单胞分离2 2影印法测定变异影印法测定变异 采用影印法测定细菌是否发生变异以及发生何采用影印法测定细菌是否发生变异以及发生何种变异。种变异。 细菌变异主要有细菌变异主要有形态特征形态特征变异和变异和生理特性生理特性变异。变异。 形态特征变异：形态特征变异：菌落大小、形状、颜色菌落大小、形状、颜色 生理特性变异：生理特性变异： （1）营养缺陷型：）营养缺陷型：丧失合成某种营养物质的能力，丧失合成某种营养物质的能力，在基本培养基上不能生长。在基本培养基上不能生长。 原养型（野生型）：原养型（野生型）：能够在基本培养基上生长。能够在基本培养基上生长。（2）抗性突变：）抗性突变：抗药性和抗
3、感染型。抗药性和抗感染型。影印法测定细菌变异（引自李惟基等，（引自李惟基等，2007）影印法过程示意图影印法过程示意图二、病毒的研究方法二、病毒的研究方法1. 获得变异获得变异 亚硝酸、羟胺、乙基黄酸乙酯（EES）等化学药剂诱导发生变异。常见变异：常见变异：寄主范围变异寄主范围变异：野生型（h）、突变型（h）噬菌斑突变：噬菌斑突变：野生型（r）、突变型（r）2杂交试验杂交试验 双重感染分析子代噬菌体中重组型的频率。三、细菌和病毒遗传研究的优越性三、细菌和病毒遗传研究的优越性 1世代周期短。细菌每20分钟可繁殖一代，病毒每小时上百几何级数繁殖增加。2便于管理和生化分析。个体小，操作管理方便，在一
4、个小试管中可得到大量群体。3.遗传物质简单，便于遗传研究。仅有一条染色体。4.便于研究基因突变。群体大容易检测到，无显隐性，基因都能表现性状。5便于研究基因作用。容易获得营养缺陷型。第二节第二节 噬菌体的遗传分析噬菌体的遗传分析 一、噬菌体的繁殖一、噬菌体的繁殖 1烈性噬菌体 2. 温和性噬菌体侵染细菌侵染细菌 溶源阶段溶源阶段 稳定遗传稳定遗传 理化因素作用理化因素作用 进入溶菌阶段进入溶菌阶段 裂解寄主而释放裂解寄主而释放 二、噬菌体的重组二、噬菌体的重组 T T2 2噬菌体噬菌体 h h+ +感染B菌株，产生半透明斑。 h h感染B和B/2菌株，产生透明斑 r r+ +产生正常斑：小而边
5、缘模糊 r r产生突变斑：大而边缘清楚 h h+ +r r感染B菌株产生半透明大斑 hrhr+ +感染B和B/2菌株，产生透明小斑 h+rhr+ 亲 型 重组型 h h+ +r hrr hr+ + hr hhr hr r+ + 半透明 透明 透明 半透明 大斑 小斑 大斑 小斑 rah+r+h rbh+r+h rch+r+h 24% 12.3% 1.6% ra-h rb-h rc-h 根据上述实验结果，有四种排列：进一步试验rcrbrcrb结果，rcrbrbh和rch ，可知，h在rb和rc中间。即第2和第3种排列是正的。 （1）（2）（3）（4）第三节第三节 细菌的遗传分析细菌的遗传分析一、
6、转化一、转化 细菌细胞通过其细胞膜摄取周围供体细菌细胞通过其细胞膜摄取周围供体DNADNA片段，并通过重组整合到自己染色体中片段，并通过重组整合到自己染色体中的过程。的过程。转化过程：转化过程：（一）供体（一）供体DNADNA附着附着 在受体细胞表面在受体细胞表面影响因素：影响因素： 供体供体DNA片段大小片段大小 不同细菌要求转化的片不同细菌要求转化的片段大小不同。肺炎双球菌要求段大小不同。肺炎双球菌要求800核苷酸对以核苷酸对以上；枯草杆菌要求上；枯草杆菌要求1600核苷酸对以上。核苷酸对以上。供体供体DNA片段形态片段形态 供体供体DNA必需是双链。必需是双链。供体供体DNA片段浓度片段
7、浓度 供体供体DNA片段数目越多片段数目越多越容易发生转化，但不同细菌只能与特定数量越容易发生转化，但不同细菌只能与特定数量DNA片段结合片段结合 取决于细胞上接受座位数。取决于细胞上接受座位数。受体细胞生理状态受体细胞生理状态 感受状态细胞才能发生感受状态细胞才能发生转化转化 DNA合成刚结束，蛋白质合成仍在进合成刚结束，蛋白质合成仍在进行时的细胞。行时的细胞。（二）供体DNA进入受体细胞体内外切酶或DNA移位酶降解其中一条单链，并释放能量，将另一条单链拉入细胞体内。（三）联会与整合联会：联会：外源外源DNADNA进入受体细胞后与受体细菌进入受体细胞后与受体细菌DNADNA的同源区段发生联会
8、，形成部分二倍体。的同源区段发生联会，形成部分二倍体。部分二倍体：部分二倍体：细菌拟有性生殖过程中，外源细菌拟有性生殖过程中，外源DNADNA与受体与受体DNADNA同源区段联会，使受体细胞部分同源区段联会，使受体细胞部分DNADNA形成二倍体。形成二倍体。供体外基因子：供体外基因子：部分二倍体中的外源部分二倍体中的外源DNADNA。 受体内基因子：受体内基因子：部分二倍体中受体细胞的部分二倍体中受体细胞的DNADNA。整合（重组）：整合（重组）：部分二倍体发生交换，部分二倍体发生交换，将外源将外源DNADNA置换到受体染色体中。置换到受体染色体中。部分二倍体发生交换只有偶数（双交换、四部分二
9、倍体发生交换只有偶数（双交换、四交换）交换才有意义，既不破坏受体交换）交换才有意义，既不破坏受体DNADNA的环的环状结构，又将外源状结构，又将外源DNADNA置换到受体染色置换到受体染色体中。而奇数交换体中。而奇数交换将受体环状将受体环状DNADNA打开打开成线性成线性DNADNA，重组转，重组转化子不能成活。化子不能成活。 细菌转化过程示意图转化过程动态图转化过程动态图转化重组作图转化重组作图： 用一野生型细菌菌株提取出来的DNA转化一个不能合成丙氨酸（ala）、脯氨酸（pro）、精氨酸（arg）的突变菌株，获得下列结果： alaala+ + pro pro+ + arg arg+ + 8
10、400 8400 ala ala+ + pro pro argarg+ + 2100 2100 ala ala+ + pro pro argarg 840840 ala ala+ + pro pro+ + argarg 420420 ala ala propro+ + arg arg+ + 14001400 ala ala propro argarg+ + 840840 ala ala propro+ + argarg 840840 重组率重组型转化子/转化子总数100 alaalapropro间的重组率间的重组率(2100+840+1400+840)/(2100+840+1400+840+8
11、400+420)(2100+840+1400+840)/(2100+840+1400+840+8400+420) 3737 alaalaargarg间的重组率间的重组率(840+420+1400+840)/ (840+420+1400+840+8400+2100)(840+420+1400+840)/ (840+420+1400+840+8400+2100) 2525 proproargarg间的重组率间的重组率(2100+420+840+840)/(2100+420+840+840+8400+1400)(2100+420+840+840)/(2100+420+840+840+8400+140
12、0) 30%30% 所以，三基因间的距离和顺序为：所以，三基因间的距离和顺序为： ala25arg30proala25arg30pro 二、接合二、接合 两个细菌细胞发生接触后遗传物质从供体向受体转两个细菌细胞发生接触后遗传物质从供体向受体转移的过程。移的过程。两个不同缺陷型大肠杆菌：两个不同缺陷型大肠杆菌：A菌株：菌株：metbiothrleuB菌株：菌株：metbiothrleuA和和B都不能在基本培养基都不能在基本培养基上生长。上生长。AB混合培养在完全培养混合培养在完全培养基基 转移至基本培养基转移至基本培养基 出现菌落，即产生了原出现菌落，即产生了原养型（养型（metbiothrle
13、u）为什么会出现原养型？为什么会出现原养型？（1）是否是自然回复突变？）是否是自然回复突变？ 实验中原养型出现的频率（实验中原养型出现的频率（105）远远高于）远远高于A或或B自然回复突变频率（自然回复突变频率（10121014），且），且A或或B单独培养不能产生原养型。单独培养不能产生原养型。（2）是否是发生了转化？）是否是发生了转化？U型管实验不能产生原养型型管实验不能产生原养型，说明，说明细菌细胞直接接触细菌细胞直接接触是原养型细胞产生的必要是原养型细胞产生的必要条件。条件。进一步研究发现，遗传物质是从A向B转移，即A是供体，B是受体。为什么？ （一）F因子之所以A是供体，B是受体，是因
14、为A体内含有致育因子（F因子）。含有F因子的菌株称为F菌株，作为供体；不含F因子的菌株称为F菌株，作为受体。uF F因子的实质因子的实质F factor：是一种质粒，有独立自主复制和转移到其他细：是一种质粒，有独立自主复制和转移到其他细胞中去的能力。共价闭合环状胞中去的能力。共价闭合环状DNADNA，全长，全长94.5kb94.5kb。 质粒质粒（plasmidplasmid）: :存在于细菌染色体以外的存在于细菌染色体以外的DNADNA。对细菌的生存并非必须，但能给细菌带来一些额外的对细菌的生存并非必须，但能给细菌带来一些额外的功能（如抗菌素抗性等）。功能（如抗菌素抗性等）。F因子的结构因子
15、的结构（引自李惟基等，2007）（1 1）不含）不含F F因子，即因子，即F F； （2 2）F F因子独立于细菌染色体以外的自主因子独立于细菌染色体以外的自主F F因子，即因子，即F F； （3 3）F F因子直接整合在细菌染色体上，即因子直接整合在细菌染色体上，即HfrHfr（高频重组型）。（高频重组型）。uF F因子的存在状态因子的存在状态F因因子子的的环环出出和和整整合合是是可可逆逆的的Hfr菌株菌株F菌株菌株 FF F Fu细菌的接合方式细菌的接合方式(1)F+(1)F+与与F-F-混合培养相互接触，混合培养相互接触，F+F+供体菌上供体菌上的性伞毛形成两细胞之间的接合管的性伞毛形成
16、两细胞之间的接合管(2)(2)核酸内切酶在核酸内切酶在F F因子的转移起点（因子的转移起点（oriToriT）的一）的一条链上产生一个缺口，然后条链上产生一个缺口，然后5 5末端单链通过接末端单链通过接合管进入受体细胞合管进入受体细胞(3)F(3)F因子上的单链因子上的单链DNADNA和正在转移的单链和正在转移的单链DNADNA，各，各自为模板，在自为模板，在DNADNA聚合酶的作用下合成双链聚合酶的作用下合成双链DNADNA(4) (4) 完成完成F F因子向受体细胞转移以及因子向受体细胞转移以及DNADNA的合的合成成(5)(5)在在DNADNA连接酶的作用下完成接合，形成两连接酶的作用下
17、完成接合，形成两个个F+F+细胞细胞F F因子转移频因子转移频率很高，细菌率很高，细菌DNADNA转移频率转移频率极低。极低。 HfrF Hfr FF F因子整合到因子整合到细菌染色体上细菌染色体上形成形成HfrHfr菌株菌株接合时，细菌接合时，细菌DNADNA以一小段以一小段F FDNADNA作为前导向受体作为前导向受体F F转移。一转移。一般仅小部分细菌般仅小部分细菌DNADNA发生转移就发生转移就中断接合，所以，只转移小部分中断接合，所以，只转移小部分细菌细菌DNADNA，F FDNADNA仍留在供体内。仍留在供体内。由此，由此，细菌细菌DNADNA转移率很高，转移率很高，F F因因子转
18、移率很低。子转移率很低。（二）中断杂交实验染色体作图二）中断杂交实验染色体作图作图原理：作图原理：越是靠近转移起点（原点）的基因越是靠近转移起点（原点）的基因越早发生转移，混合培养时间越少。越早发生转移，混合培养时间越少。Hfr：strs、a+、b+、c+、d+a+抗叠N化合物(azi)； b+抗T1噬菌体(ton)c+半乳糖原养型(gal)；d+乳糖原养型(lac)Strs链霉素敏感。F：strr、a、b、c、dArg基因转移仅需基因转移仅需9分钟，分钟，trp基因转移需要基因转移需要30分钟分钟Hfr与F混合培养不同时间取样 搅拌中断杂交 稀释 含链霉素完全培养基 杀死Hfr 抗str菌落
19、 影印培养鉴定abcd各基因转移时间。混合培养混合培养9 9分钟，出现分钟，出现a a；混合培养混合培养1111分钟，出现分钟，出现a a和和b b；混合培养混合培养1818分钟，出现分钟，出现a a、b b和和d d；混合培养混合培养2424分钟，分钟，4 4种原养型都出现种原养型都出现。 o a b d c F 9 11 18 24不同的不同的HfrHfr菌株转移菌株转移的起点和的起点和转移方向转移方向不同，但不同，但细菌基因细菌基因顺序是相顺序是相同的。同的。利利用用中中断断杂杂交交绘绘制制的的大大肠肠杆杆菌菌连连锁锁图图（三）重组作图（三）重组作图基因间重组率基因间重组率 lacade
20、 （lacade）（）（lacade）为什么要先选择为什么要先选择ade？ 根据中断杂交实验，根据中断杂交实验，ade转移顺序在转移顺序在lac之后，之后，但选择但选择ade时，时，lac也肯定发生了转移，也肯定发生了转移，lacade必然是两基因间交换后的重组型接合子。反之，如必然是两基因间交换后的重组型接合子。反之，如果先选择果先选择lac，lacade不一定是部分二倍体在两不一定是部分二倍体在两基因间发生交换后的重组型接合子，也可能是基因间发生交换后的重组型接合子，也可能是ade基因就没有转移。基因就没有转移。10022三、性导三、性导利用利用F因子实现细菌间遗传物质转移的过程。因子实现
21、细菌间遗传物质转移的过程。F因子从细菌染色体上因子从细菌染色体上环出时，偶尔不够准确环出时，偶尔不够准确，携带有细菌部分，携带有细菌部分DNA，这种性因子称为这种性因子称为F因因子。子。F F菌株特点：菌株特点：转移转移F F因子和细菌因子和细菌DNADNA的频率都很高。的频率都很高。性导产生部分二倍体。性导产生部分二倍体。 1 1、部分二倍体不发生重组，那么、部分二倍体不发生重组，那么FF因子可因子可在细菌细胞中自主的延续下去；在细菌细胞中自主的延续下去； 2 2、发生重组，即、发生重组，即FF因子所携带的供体细菌因子所携带的供体细菌染色体同受体细菌染色体之间发生了同源重染色体同受体细菌染色
22、体之间发生了同源重组：组： 1 1）如果发生单交换，会导致）如果发生单交换，会导致FF因子整合到因子整合到受体染色体上而形成受体染色体上而形成HfrHfr品系，同时品系，同时FF因子因子上所携带的供体基因整合到受体染色体上；上所携带的供体基因整合到受体染色体上； 2 2）如果发生双交换，使）如果发生双交换，使FF因子上的细菌基因子上的细菌基因与受体染色体上等位基因之间发生互换，因与受体染色体上等位基因之间发生互换，形成形成FF品系和重组的细菌染色体。品系和重组的细菌染色体。 四、转导四、转导( (一）转导的发现：一）转导的发现：19521952年，年，J. LederbergJ. Lederb
23、erg和他的学生和他的学生N.ZinderN.Zinder研研究鼠伤寒沙门氏杆菌：究鼠伤寒沙门氏杆菌：A A菌株：菌株：phephetrptrptyrtyr 苯丙氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪酪氨酸缺陷型氨酸缺陷型B B菌株：菌株：metmethishis 甲硫氨酸、组氨酸缺陷型甲硫氨酸、组氨酸缺陷型A AB B混合培养混合培养 基本培养基基本培养基 原养型菌原养型菌落。落。 原养型菌落频率为原养型菌落频率为10105 5原养型产生的原因：原养型产生的原因： （1）是否是自然）是否是自然回复突变回复突变？ 根据其频率不可能是自然回复突变。根据其频率不可能是自然回复突变。（2）是否是）是否是
24、接合、性导接合、性导？戴维斯戴维斯U型管实验型管实验 仍产生原养型。排除接仍产生原养型。排除接合或性导的可能。合或性导的可能。（3）是否是）是否是转化转化？培养基中加入培养基中加入DNA降解酶降解酶 出现原养型。排出现原养型。排除转化的可能。除转化的可能。进一步研究发现，原养型是通过一种进一步研究发现，原养型是通过一种过滤性因过滤性因子子FA（转导颗粒）（转导颗粒）实现的。实现的。该转导颗粒的特性与该转导颗粒的特性与P P2222噬菌体极其相似，用抗噬菌体极其相似，用抗P P2222血清处理后不能产生原养型细菌。血清处理后不能产生原养型细菌。结论：结论：该转导颗粒就是该转导颗粒就是P P222
25、2噬菌体。噬菌体。噬菌体浸染细菌后形成子噬菌体时，将细菌噬菌体浸染细菌后形成子噬菌体时，将细菌DNADNA片段片段包裹在噬菌体蛋白质外壳内，而没有噬菌体包裹在噬菌体蛋白质外壳内，而没有噬菌体DNA DNA 转导颗粒。转导颗粒。以噬菌体为媒介实现细菌将遗传物质的转移以噬菌体为媒介实现细菌将遗传物质的转移转导转导 P P2222可以转导沙门氏杆菌的任何可以转导沙门氏杆菌的任何DNADNA片段，称为普片段，称为普遍性转导。遍性转导。 两个基因间的距离越近，越容易被包裹在一个转两个基因间的距离越近，越容易被包裹在一个转导颗粒内，其并发转导率越高。导颗粒内，其并发转导率越高。噬菌体吸附噬菌体吸附并注入并
26、注入DNADNA噬菌体噬菌体DNADNA复制、蛋白质复制、蛋白质合成，宿主染色体降解成合成，宿主染色体降解成小片段小片段错误包装，形成错误包装，形成转导噬菌体转导噬菌体转导噬菌体吸附并将细转导噬菌体吸附并将细菌菌DNADNA注入注入 形成部分二倍体形成部分二倍体, ,发发生偶数次交换生偶数次交换基因整合到受体基因整合到受体染色体上染色体上, ,形成形成稳定的转导子稳定的转导子（二）并发转导与染色体作图（二）并发转导与染色体作图两个基因相距越近，越容易被包裹在一个转导两个基因相距越近，越容易被包裹在一个转导颗粒内，同时发生转导。一次同时转导颗粒内，同时发生转导。一次同时转导2 2个或个或2 2个
27、以上基因称为个以上基因称为并发转导并发转导。两个基因间遗传距离越小，其并发转导率越高两个基因间遗传距离越小，其并发转导率越高 实实 验验 选择的标记基因选择的标记基因 未选择的标记基因未选择的标记基因 1 leu1 leu+ + 50%azi 50%azi+ + 2%thr 2%thr+ + 2 thr2 thr+ + 3%leu 3%leu+ + 0%azi 0%azi+ + 3 leu 3 leu+ +thrthr+ + 0%azi 0%azi+ + 实验实验1 1说明：说明：leuleuazileuazileuthrthr 基因有两种可能的排列基因有两种可能的排列 （1 1） azi l
28、eu thrazi leu thr （2 2） leu azi thrleu azi thr 实验实验2 2说明说明thrthrleuthrleuthraziazi 据此，第据此，第1 1种排列是正确的。种排列是正确的。 实验实验3 3说明说明thrthrleuleu转导片段内不含转导片段内不含aziazi基因，基因，进一步证实排列（进一步证实排列（1 1）正确。同时说明转导片）正确。同时说明转导片段的极限长度为段的极限长度为thrthrleuleu。（引自石春海等，（引自石春海等，2008）（引自石春海等，（引自石春海等，2008） 小 结 病毒和细菌的遗传分析对建立和发展分子遗传学及遗传工
29、程具有重要的意义。噬菌体的遗传分析主要是通过噬菌斑形态、寄主范围变异进行分析。细菌是通过分析其拟有性生殖过程来进行遗传分析。转化是通过细胞膜摄取供体DNA片断，转导是利用噬菌体为媒介细菌间遗传物质的转移，接合和性导都是利用性因子，细菌细胞接触后遗传物质从供体向受体转移。通过U型管试验、DNA霉处理、抗噬菌体血清处理等将各种拟有性生殖区分开来。利用拟有性生殖过程中形成的部分二倍体发生交换重组进行细菌基因的定位，也可利用中断杂交以时间为标准从事染色体作图。 测验题（2）1. 假定某染色体的正常顺序为ABCDEFGHI（“”代表着丝粒），发生倒位后形成ABCFEDGHI染色体。请图解说明该倒位杂合体
30、减数分裂时B与C和D与E间发生三线双交换的联会分离，并指出所产生的配子的育性。2. 有一AAa复式三体，且Aa基因离着丝粒较远。假定在参与受精的配子中n1雌配子占25，n1雄配子都不能参与受精，试分析该三体自交后代的表现型比例。3. 为什么相互易位杂合体表现出半不育？相互易位杂合体自交后代的育性表现如何？4. 假定烟草甲品种综合性状好但不抗病，乙品种综合性状不好但抗病性突出，已知抗病基因R位于B染色体上，请设计一个试验方案将甲品种的B染色体更换成乙品种的B染色体，但保留甲品种的综合性状。5. 大肠杆菌A和B是两种不同的突变型菌株，将A和B混合培养出现了野生型，如何证明该野生型的出现是由于发生了转化、接合、性导拟或转导？
