1、细菌遗传学（优选）细菌遗传学图细菌染色体的着膜复制图细菌染色体的着膜复制第七章第七章 细菌和噬菌体的重组和连锁细菌和噬菌体的重组和连锁连锁与交换连锁与交换，真菌的遗传学分析 减数分裂减数分裂和分离的关系 交叉和重组的关系 真核类生物真核类生物的基因传递方式细菌原核生物细菌原核生物 噬菌体病毒噬菌体病毒 遗传物质如何传递的？遗传物质如何传递的？主要内容主要内容第一节第一节 细菌和病毒的一些特点细菌和病毒的一些特点第二节第二节 细菌的遗传分析（重点）细菌的遗传分析（重点）第三节第三节 噬菌体的遗传分析噬菌体的遗传分析第一节第一节 细菌和病毒的一些特点细菌和病毒的一些特点一、细菌和病毒一、细菌和病毒
2、（一）细菌细胞（一）细菌细胞 细菌的结构细菌的结构细菌的生物学特征细菌的生物学特征 细菌是单细胞生物，完成每个世代只需细菌是单细胞生物，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，因为它占据地球角度上也是异常成功的，因为它占据地球上大部分的角落。上大部分的角落。研究细菌遗传的方法主要是对细菌菌落形研究细菌遗传的方法主要是对细菌菌落形态的遗传研究态的遗传研究(如图，霉菌菌落如图，霉菌菌落)霉菌菌落霉菌菌落大肠杆菌（E.coli）细菌的生物学特征 原则上说，
3、培养皿中每个细菌长成的菌落应原则上说，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、颜色菌落形态性状的突变包括菌落的形状、颜色和大小等。和大小等。生理特性的突变包括丧失合成某种营养物质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。能力的营养缺陷型。抗性突变包括抗药性或抗感染性。抗性突变包括抗药
4、性或抗感染性。一、细菌和病毒一、细菌和病毒（二）病毒（二）病毒 非细胞形态的生命非细胞形态的生命 病毒的生物学特征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。有些病毒的有一条染色体，即单倍体。有些病毒的染色体是染色体是DNA，还有一些病毒是，还有一些病毒是RNA。病毒的生物学特征病毒的生物学特征 病毒主要是由蛋白质外壳及其包被的病毒主要是由蛋白质外壳及其包被的y一种核酸所组成的颗粒。病毒可根据一种核酸所组成的颗粒。病毒可根据宿主宿主(动物、植物、细菌动物、植物、细菌)或遗传物质或遗传物质(DNA或或RNA)来分类。细菌病毒来分
5、类。细菌病毒(Bacterial phage)，称为噬菌体，称为噬菌体(phage)，是目前经过广泛研究，了解比较清楚是目前经过广泛研究，了解比较清楚的一种病毒。的一种病毒。细菌病毒细菌病毒(Bacterial phage)噬菌体噬菌体(phage)的结构的结构头部头部颈部颈部外鞘外鞘尾丝尾丝T4噬菌体疱疱疹疹病病毒毒 人类天花人类天花病毒病毒（图中深染图中深染的颗粒）的颗粒）温和噬菌体侵入细菌后，细菌并不裂解，即它们有溶源性的生活周期。未得到供体基因的细胞不能合成相应的酶，但仍含有母细胞残留的酶，可供这些细胞继续分裂一两次，这些细胞形成小菌落。h+r 半透明，大其它突变类型的筛选、鉴定细菌在
6、培养条件下也能够实现遗传类型间的定向转化。当F+细菌和F细菌接合时(F+F)，F因子的新拷贝能在接合过程中转移到F细胞中去，使F细胞转变成F+细胞，在接合管形成后，F因子DNA双链之一被切断，从断端转移到F细胞，在那里发生DNA复制。真核类生物的基因传递方式hr 12 半透明，小转导是指以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质的重组过程。细胞不裂解，形成溶源性细菌或溶源菌/体，进入溶源周期(3)有F 因子的细胞是F+细胞，无F因子的细胞是F细胞。为了验证这些原养型菌落产生的可能，设计了很多试验。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。F因子和F因子很容易转移到F细胞中
7、，但供体染色体的转移率很低。菌落形态性状的突变包括菌落的形状、颜色和大小等。Hayes）在重复细菌杂交(A x B)实验之前，分别用高剂量的链霉素来处理A品系和B品系:大肠杆菌两个品系在杂交的过程中作用是不相同的，两种不同菌株(品系)接合过程中遗传物质的转移是单向的；Hfr F接合时，F细菌很少转变成Hfr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。P22侵染细菌后，细菌染色体断裂成片段，在形成噬菌体颗粒时，偶尔错误地把细菌染色体片段包装在噬菌体蛋白质外壳内，其中并不包含有噬菌体的遗传物质，这种假噬菌体称为转导颗粒。病毒衣壳的排列方式
8、病毒衣壳的排列方式二、细菌和病毒是遗传学研究的好材料二、细菌和病毒是遗传学研究的好材料（1）结构简单。繁殖力强，世代时间短，容易）结构简单。繁殖力强，世代时间短，容易人工培养。便于研究基因的作用；人工培养。便于研究基因的作用；（2）容易筛选营养缺陷型）容易筛选营养缺陷型,研究基因的作用研究基因的作用(突变型生长条件与基因作用突变型生长条件与基因作用)。（3）便于研究基因的突变）便于研究基因的突变,容易筛选不同的突容易筛选不同的突变型。变型。（4）便于研究基因精细结构研究基因的重组）便于研究基因精细结构研究基因的重组(重组群体大、选择方法简便有效重组群体大、选择方法简便有效)。（5）便于研究基因
9、表达调节。）便于研究基因表达调节。遗传物质比较简单，可作为研究高等生物遗传物质比较简单，可作为研究高等生物的简单模型的简单模型二、细菌和病毒是遗传学研究的好材料二、细菌和病毒是遗传学研究的好材料 同时微生物的应用领域日益扩大、成就突出同时微生物的应用领域日益扩大、成就突出(微生物工程微生物工程)；在遗传工程；在遗传工程(包括动植物包括动植物)中，中，作为重要研究材料、工具，也具有决定性作作为重要研究材料、工具，也具有决定性作用。用。细菌和病毒作为遗传研究材料具有独特优势，细菌和病毒作为遗传研究材料具有独特优势，了解微生物遗传研究有助于理解多年来分子了解微生物遗传研究有助于理解多年来分子生物学、
10、分子遗传学理论发展。生物学、分子遗传学理论发展。细菌和病毒的拟有性过程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，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。并且也能形成重组体。无性生殖无性生殖 1946年莱德伯格和塔特姆年莱德伯格和塔特姆 发现在细菌之发现在细菌之间可以通过接合转移遗传物质（有性过间可以通过接合转移遗传物质（有性过程）。程）。细菌和病毒的拟有性过程细菌和病毒的拟有性过程 细菌获取外源遗传物质有四种不同的方细菌获取外源遗
11、传物质有四种不同的方式转化，接合，性导和转导。当一个细式转化，接合，性导和转导。当一个细菌被一个以上的病毒粒子所侵染时，噬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。如菌体也能在细菌体内交换遗传物质。如果两个噬菌体属于不同品系，它们之间果两个噬菌体属于不同品系，它们之间可以发生遗传物质的部分交换可以发生遗传物质的部分交换(重组重组)。下面将叙述细菌和噬菌体遗传物质的交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。和噬菌体的染色体图。三、细菌遗传的实验研究方法三、细菌遗传的实验研究方法*(一一)细胞
12、计数细胞计数(培养物细胞浓度培养物细胞浓度)(二二)建立纯系的方法建立纯系的方法(三三)选择培养法鉴定突变型与重组型选择培养法鉴定突变型与重组型(四四)突变型与重组型的批量筛选方法突变型与重组型的批量筛选方法细菌培养细菌培养(一一)细胞计数细胞计数(培养物细胞浓度培养物细胞浓度)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，其基本思路是验技术，其基本思路是 对原培养物进行连续稀释；对原培养物进行连续稀释；进行平板涂抹培养；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；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。
13、根据稀释倍数计算原培养物中的细胞浓度。细胞计数细胞计数(培养物细胞浓度培养物细胞浓度)(二二)建立纯系的方法建立纯系的方法纯培养纯培养 挑取由单个细胞繁殖而来的菌落进行培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养就可以获得由一个细胞繁殖而来的纯系。系。通常采用平板表面涂布法或划线法可以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，称获得单菌落。这种方法获得的纯系，称为为“菌种纯菌种纯”。有时采用显微操纵器进行菌丝尖端切割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。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
14、采用这种方法获得的纯系称为“菌株菌株纯纯”。建立纯系的方法建立纯系的方法纯培养纯培养(三三)选择培养法鉴定突变型与重组型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许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关。条件有关。营养缺陷型的筛选、鉴定营养缺陷型的筛选、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培养基上的生长表现将菌株分为原养型(也称也称为原生营养型为原生营养型)与营养缺陷型与营养缺陷型(在基本培养基上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不能正常生长，只能在相应的营养培养基
15、上生长生长)。营养突变型的筛选、鉴定方法与红色面包霉营养突变型的筛选、鉴定方法与红色面包霉生化突变型的鉴定方法基本一致。生化突变型的鉴定方法基本一致。(三三)选择培养法鉴定突变型与重组型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许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关。分及培养条件有关。其它突变类型的筛选、鉴定其它突变类型的筛选、鉴定 对于其它的突变类型对于其它的突变类型(如温度敏感型如温度敏感型)，也可以通过培养条件的选择培养来也可以通过培养条件的选择培养来筛选与鉴定。筛选与鉴定。亲本细菌A或B发生了回复突变；1、产生重组子频率不同，HfrF104，两基因距离越近，共
16、转导频率越高细菌染色体作图四、噬菌体的遗传重组转导两品系细胞通过培养基交换养料互养作用；F因子整合到宿主细菌染色体上的一种可逆过程，能够低频被切除。coli K12多重突变品系第一节 细菌和病毒的一些特点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。1、接合是指通过细胞的直接接触，遗传信息从供体单向转移到受体的过程。F-lac+ade+细胞不裂解，形成溶源性细菌或溶源菌/体，进入溶源周期菌落形态性状的突变包括菌落的形状、颜色和大小等。F-lac-ade+总之F因子是一种质粒（plasmid）Wollma
17、n和Jacob等人想了解Hfr细菌在交配中，什么时候把基因转移给F细菌的，于是设计了中断杂交试验，用以证明接合时遗传物质从供体细胞的转移是直线式进行的，他们把Hfr菌株与F菌株混合在一起进行杂交培养。很低（105），一般0.结合发生在受体细胞特定部位(结合点)；图 高频转导Hfr x F以后的研究工作表明，这种过滤性因子是噬菌体P22。U形管实验在U形管中培养一定时间后，再测定每一臂的细菌，没有一个能在基本培养基上生长。(四四)突变型与重组型的批量筛选方法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变型，但要检测
18、分离含有多种突变型的混和菌株，仅采用选择培养法要进的混和菌株，仅采用选择培养法要进行多次试验才能够达到目的、效率太行多次试验才能够达到目的、效率太低。低。高效检测、分离混和群体用影印培养高效检测、分离混和群体用影印培养法法(四四)突变型与重组型的批量筛选方法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。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同时接种到不同选
19、择培养基上同时对所有菌落进行选择培养，鉴定效率大所有菌落进行选择培养，鉴定效率大大提高。大提高。(四四)突变型与重组型的批量筛选方法突变型与重组型的批量筛选方法 注意注意(1)最初的培养基必须是非选择性的，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；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。法，以使培养物菌落之间要分开。第二节第二节 细菌的遗传重组细菌的遗传重组 1 1、接合是指通过细胞的直接接触，接合是指通过细胞的直接接触，遗传信息从供体单向转移到受体的过程。遗传信息从供体单向转移到受体的过程
20、。2 2、性导是指接合时由性导是指接合时由FF因子所携因子所携带的外源带的外源DNADNA整合到细菌染色体的过程。整合到细菌染色体的过程。3 3、转化某一基因型的细胞从周围转化某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型的介质中吸收来自另一基因型的DNADNA而使它而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象。的基因型和表现型发生相应变化的现象。转导是指以噬菌体为媒介所进行的细转导是指以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质的重组过程。菌遗传物质的重组过程。第二节第二节 细菌的遗传分析细菌的遗传分析一、细菌染色体一、细菌染色体 细菌染色体大多为裸露细菌染色体大多为裸露 的环状的环状 闭合闭合DNADN
21、A双链，没有组蛋白和其他蛋双链，没有组蛋白和其他蛋白质结合，也不形成核小体结构。白质结合，也不形成核小体结构。（这种结构有利于外源（这种结构有利于外源DNADNA的插入。）的插入。）细菌染色体细菌染色体 1000um1000um 细菌直径细菌直径0.55um0.55um图大肠杆菌染色体的基本结构特征图大肠杆菌染色体的基本结构特征二、二、E.coliE.coli基因组概况基因组概况 E.coli的染色体为闭合双链环状DNA，长约1333um.20012001年年1010月月1515日完成了日完成了E.coli K12E.coli K12菌菌株的基因组全序列测定。株的基因组全序列测定。总共4639
22、221 bp，4279个蛋白质编码基因，115个编码rRNA和tRNA的基因。（GenBank编号:U00096）三、细菌的杂交三、细菌的杂交接接 合合 A A 接合现象的发现和证实接合现象的发现和证实B FB F因子及其在杂交中的行为因子及其在杂交中的行为C C 中断杂交试验作图中断杂交试验作图三、细菌的杂交三、细菌的杂交A A 接合现象的发现和证实接合现象的发现和证实 1946年莱德伯格年莱德伯格(Lederberg,J.)和塔特姆和塔特姆(Tatum)发现在细菌之间可以通过接合发现在细菌之间可以通过接合（conjugation）转移遗传物质。）转移遗传物质。细菌接合细菌接合 是指通过细胞
23、的直接接触，遗传信是指通过细胞的直接接触，遗传信息从供体单向转移到受体的过程。息从供体单向转移到受体的过程。三、细菌的杂交三、细菌的杂交A 接合现象的发现和证实接合现象的发现和证实他们选用两个他们选用两个E.coli K12多重突变品系多重突变品系A甲硫氨酸缺陷型甲硫氨酸缺陷型met和生物素缺陷型和生物素缺陷型bioB苏氨酸缺陷型苏氨酸缺陷型thr和亮氨酸缺陷型和亮氨酸缺陷型leu A品系品系met bio thi leu thr(硫胺素）硫胺素）B品系品系met bio thi leu thr细菌的杂交细菌的杂交 将将A品系、品系、B品系分别接种于基本培品系分别接种于基本培养基上都不能生长。
24、养基上都不能生长。若将若将A、B混和后，经离心洗涤，混和后，经离心洗涤，除去完全培养基，再制成悬液以对照除去完全培养基，再制成悬液以对照组相同的浓度接种于基本培养基组相同的浓度接种于基本培养基(固体固体)，涂布培养。结果平板上长出野生型涂布培养。结果平板上长出野生型/原原养型菌落养型菌落(+)，其出现的频率为，其出现的频率为107。1、F因子可以自主复制a b c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F因子可以在细菌细胞间进行转移并传递遗传物质。亲本细菌A或B发生了回复突变；利用F 可以形成部分二倍体，进行重组研究。T偶数系列噬菌体的尾丝附着在大肠杆菌表面时，通过尾鞘的收缩
25、将噬菌体DNA经中空尾部注入寄主细胞，破坏寄主细胞的遗传物质，并合成大量的噬菌体DNA和蛋白质，组成许多新的子噬菌体，最后使细菌裂解，释放出无数个子噬菌体。两基因间的重组值约等于22%。(3)有F 因子的细胞是F+细胞，无F因子的细胞是F细胞。F因子和细菌染色体都是环状的F因子及其在杂交中的行为A品系met bio thi leu thr(硫胺素）2、选出的lac-ade+类型即是重组子，因为ade+已进入，表明lac+也已进入，而lac-ade+表型就是供体受体lac、ade两个基因间发生交换的结果。（2）容易筛选营养缺陷型,研究基因的作用(突变型生长条件与基因作用)。Hfr lac+ade
26、+strs X F lac adestrr莱德伯格(Lederberg,J.将A品系、B品系分别接种于基本培养基上都不能生长。图 细菌的杂交1基本培养基基本培养基完全培养基完全培养基10-7基本培养基基本培养基基本培养基基本培养基莱德伯格莱德伯格(Lederberg,J.)和塔特姆和塔特姆(Tatum)细菌的杂交图1几种可能解释及其分析几种可能解释及其分析 对上述试验结果原养型菌落可能产生于对上述试验结果原养型菌落可能产生于 亲本细菌亲本细菌A A或或B B发生了回复突变；发生了回复突变；(X)(X)两品系细胞通过培养基交换养料两品系细胞通过培养基交换养料互互养作用；养作用；两品系间发生了转化
27、作用；两品系间发生了转化作用；发生细胞融合，形成了异核体或杂合二发生细胞融合，形成了异核体或杂合二倍体。倍体。(X)(X)三、细菌的杂交三、细菌的杂交 A 接合现象的发现和证实接合现象的发现和证实 为了验证这些原养型菌落产生的可为了验证这些原养型菌落产生的可能，设计了很多试验。其中能，设计了很多试验。其中 野生型的出现是由于营养上的互补野生型的出现是由于营养上的互补还是由于杂交引起了遗传物质的交还是由于杂交引起了遗传物质的交换？换？1950年戴维斯（年戴维斯（B.D.Davis）设计了设计了U形管实验。形管实验。菌株A菌株BU形管实验形管实验在在U形管中培养一形管中培养一定时间后，再测定定时间
28、后，再测定每一臂的细菌，没每一臂的细菌，没有一个能在基本培有一个能在基本培养基上生长。养基上生长。细菌不能通过，培养液和营养物质能通过细菌不能通过，培养液和营养物质能通过过滤器过滤器细菌的杂交细菌的杂交 实验说明了菌株通过接触以后，就象高实验说明了菌株通过接触以后，就象高等生物的有性生殖一样，发生了杂交，等生物的有性生殖一样，发生了杂交，遗传物质有了交换，产生了野生型遗传物质有了交换，产生了野生型met+bio+thi leu thr，即原养型菌落。，即原养型菌落。说明在说明在Lederbery和和Tatum及其它类似试验及其它类似试验中，细菌发生了某种的遗传重组方式，中，细菌发生了某种的遗传
29、重组方式，称之为接合称之为接合。所以，接合是。所以，接合是指通过细胞指通过细胞的直接接触，遗传信息从供体单向转移的直接接触，遗传信息从供体单向转移到受体的过程。到受体的过程。细菌的杂交细菌的杂交 B F因子及其在杂交中的行为因子及其在杂交中的行为四、单向转移与四、单向转移与F因子因子1952年海斯年海斯（W.Hayes）在重复细菌杂交在重复细菌杂交(A x B)实验之前，分别用高剂量的链霉素来处理实验之前，分别用高剂量的链霉素来处理A品系和品系和B品系品系:链霉素处理链霉素处理A品系品系 x B品系品系 有有 杂交杂交 链霉素处理链霉素处理B品系品系 xA品系品系 没有杂交发生没有杂交发生Ha
30、yes(1952)研究表明研究表明大肠杆菌两个品系在杂交的过程中作用大肠杆菌两个品系在杂交的过程中作用是不相同的，两种不同菌株是不相同的，两种不同菌株(品系品系)接接合过程中遗传物质的转移是单向的；合过程中遗传物质的转移是单向的；意味着两个亲本在杂交中有供体和受体意味着两个亲本在杂交中有供体和受体之分，相当于雄性和雌性。之分，相当于雄性和雌性。接合接合(conjugation)遗传物质从供体遗传物质从供体(donor)(“雄性雄性”)转移转移到受体到受体(receptor)(“雌性雌性”)的重组过程。的重组过程。接合管B、F因子及其在杂交中的行为因子及其在杂交中的行为F F因子因子/致育因子致
31、育因子 /性因子性因子HayesHayes等进一步研究发现，大肠杆菌在接合等进一步研究发现，大肠杆菌在接合中作供体的能力受细胞内一种致育因子中作供体的能力受细胞内一种致育因子(F(F因子因子,fertility factor;,fertility factor;性因子性因子sex sex factor)factor)控制。携带控制。携带F F因子的菌株称供体因子的菌株称供体菌或雄性，用菌或雄性，用F+F+表示，没有表示，没有F F因子的菌株因子的菌株称为雌性，用称为雌性，用F F表示。表示。F因子因子 后来发现供体和受体的区别是由于一种后来发现供体和受体的区别是由于一种可转移的因子引起的。可转
32、移的因子引起的。F因子可以在细因子可以在细菌细胞间进行转移并传递遗传物质。菌细胞间进行转移并传递遗传物质。F因子的化学本质是因子的化学本质是DNA，可以自主状，可以自主状态存在于细胞质中或整合到细菌的染色态存在于细胞质中或整合到细菌的染色体上。体上。F因子及其在杂交中的行为因子及其在杂交中的行为 当当F+细菌和细菌和F细菌接合时细菌接合时(F+F)，F因子的新拷贝能在接合过程中转移到因子的新拷贝能在接合过程中转移到F细胞中去，使细胞中去，使F细胞转变成细胞转变成F+细胞，在细胞，在接合管形成后，接合管形成后，F因子因子DNA双链之一被双链之一被切断，从断端转移到切断，从断端转移到F细胞，在那里
33、发细胞，在那里发生生DNA复制。当复制。当F因子复制完成后，因子复制完成后，F变成变成F+(图）。图）。图图1、FF的杂交后代皆为的杂交后代皆为F图图1 FF的杂交的杂交后代皆后代皆为为F总之总之F F因子是一种质粒（因子是一种质粒（plasmidplasmid）由共价环状闭合DNA双链构成，全长94.5 Kb。（1）有）有F因子的细菌称为因子的细菌称为F，细菌增殖时可把，细菌增殖时可把F因子传递给后代；因子传递给后代；（2）没有）没有F因子的细菌称为因子的细菌称为F，F细菌经吖啶细菌经吖啶橙处理而丢失，成为橙处理而丢失，成为F。F因子一经丢失，细因子一经丢失，细胞中便不再出现；胞中便不再出现
34、；（3）F可以和可以和F杂交，而不能和杂交，而不能和F杂交；杂交；（4）FF的杂交后代皆为的杂交后代皆为F，而且可，而且可 以以10107 7频率频率获得重组体后代。获得重组体后代。F因子的存在状态因子的存在状态以大肠杆菌为例，以大肠杆菌为例，F因子能够以三种状因子能够以三种状态存在态存在没有没有F因子，即因子，即F；包含一个自由状态的包含一个自由状态的F因子，即因子，即F+；包含一个整合到自己染色体组内的包含一个整合到自己染色体组内的F因因子，即子，即Hfr(如图如图)。图、图、F因子的存在状态因子的存在状态图图 F因子的整合形成高频重组菌株因子的整合形成高频重组菌株Hfr 有一类菌株，与有
35、一类菌株，与F F-杂交时，出现重组子的频率杂交时，出现重组子的频率很高，几乎比很高，几乎比 F F+x Fx F-杂交高一千倍，这种新的菌株杂交高一千倍，这种新的菌株叫做高频重组菌株叫做高频重组菌株 ,Hfr,Hfr菌株。菌株。Hfr Hfr实际上是由于实际上是由于F F因子整合到细菌的染色体上，因子整合到细菌的染色体上，具有较高频率的重组能力。但在具有较高频率的重组能力。但在 Hfr X FHfr X F 杂交中，杂交中，F F 细菌很少转变为细菌很少转变为F F+。高频转导：Hfr x F-五、高频重组菌株五、高频重组菌株HfrHfr F接合时，接合时，F细菌很少转变成细菌很少转变成Hf
36、r 当当Hfr F接合时，接合时，F细菌很少转变成细菌很少转变成Hfr，这是因为当，这是因为当Hfr与与F 接合时，整合接合时，整合的的FDNA从一端被内切酶切成单链切口，从一端被内切酶切成单链切口，细菌染色体由这一小段单链的细菌染色体由这一小段单链的F因子作因子作为前导转移到为前导转移到F受体，一边进入一边合受体，一边进入一边合成，在大多数情况下，只有一小部分细成，在大多数情况下，只有一小部分细菌染色体转移，接合即出现中断，受体菌染色体转移，接合即出现中断，受体细胞仍保持为细胞仍保持为F，因为，因为F因子仍留在供体因子仍留在供体内。内。图 高频转导Hfr x F大肠杆菌大肠杆菌Hfr的形成及
37、其染的形成及其染色体向色体向F细胞细胞的转移图解的转移图解图图 Hfr的形成，的形成，很少情况下很少情况下F细菌转变转化细菌转变转化为为F+相同相同1 1、都能和、都能和F F杂交。杂交。2 2、杂交都要通过接合管和受体菌相联接。、杂交都要通过接合管和受体菌相联接。3 3、高剂量链霉素处理后都不影响杂交，说明它、高剂量链霉素处理后都不影响杂交，说明它们都是作为一种供体。们都是作为一种供体。不同不同1 1、产生重组子频率不同，、产生重组子频率不同，HfrHfrF F10104 4，F F F F10107 7。2 2、F FF F后代后代F F，HfrHfrF F后代后代F F。3 3、F F细
38、菌经吖啶橙处理变成细菌经吖啶橙处理变成F F，HfrHfr经吖啶橙经吖啶橙处理仍为处理仍为HfrHfr。F因子及其在杂交中的行为因子及其在杂交中的行为 七、细菌的交换过程七、细菌的交换过程 当当F+或或Hfr的细菌染色体进入的细菌染色体进入F后，在一个短后，在一个短时期内，时期内，F细胞中对某些位点来说总有一段细胞中对某些位点来说总有一段二倍体的二倍体的DNA。这样的细菌称为部分二倍体。这样的细菌称为部分二倍体或部分合子。新染色体的或部分合子。新染色体的DNA称为供体外基称为供体外基因子，而宿主的染色体则称为受体内基因子，因子，而宿主的染色体则称为受体内基因子，部分二倍体中发生单数交换，可使环
39、状染色部分二倍体中发生单数交换，可使环状染色体打开，产生一个线性染色体，这种细胞不体打开，产生一个线性染色体，这种细胞不能成活，只有发生偶数的交换，才能产生遗能成活，只有发生偶数的交换，才能产生遗传的重组体和片段。传的重组体和片段。(图图)图711单交换,712双交换部分二倍体中发部分二倍体中发生单数交换，可生单数交换，可使环状染色体打使环状染色体打开，产生一个线开，产生一个线性染色体，这种性染色体，这种细胞不能成活，细胞不能成活，只有发生偶数的只有发生偶数的交换，才能产生交换，才能产生遗传的重组体和遗传的重组体和片段（图解）片段（图解）六、用中断杂交实验作染色体连锁图六、用中断杂交实验作染色
40、体连锁图 Wollman和和Jacob等人想了解等人想了解Hfr细菌在交配中，细菌在交配中，什么时候把基因转移给什么时候把基因转移给F细菌的，于是设计了细菌的，于是设计了中断杂交试验，用以证明接合时遗传物质从供中断杂交试验，用以证明接合时遗传物质从供体细胞的转移是直线式进行的，他们把体细胞的转移是直线式进行的，他们把Hfr菌菌株与株与F菌株混合在一起进行杂交培养。菌株混合在一起进行杂交培养。Hfr菌株的基因型是菌株的基因型是strs azir tonAr galb+lac+F 菌株的基因型是菌株的基因型是strr azis tonAs galb lac str代表链霉素，代表链霉素，s代表敏感
41、性，代表敏感性，r代表抗性，代表抗性，+代表原养型或抗性，代表原养型或抗性，代表营养缺陷型。代表营养缺陷型。（P220）六、用中断杂交实验作染色体连锁图六、用中断杂交实验作染色体连锁图 每隔一定时间取样，把菌液放在食物搅每隔一定时间取样，把菌液放在食物搅拌器内搅拌，以中断杂交。经过稀释，拌器内搅拌，以中断杂交。经过稀释，接种到含有链霉素的完全培养基上，这接种到含有链霉素的完全培养基上，这样将杀死所有样将杀死所有Hfr细胞，然后对形成菌细胞，然后对形成菌落的落的F细胞用影印培养法测试其基因型，细胞用影印培养法测试其基因型，以便确定每个基因转移到以便确定每个基因转移到F细胞的时间细胞的时间(如图如
42、图)。影印培养法包有灭菌丝绒包有灭菌丝绒布的圆木柱布的圆木柱选择培养基选择培养基非选择性培养基非选择性培养基六、中断杂交试验作图图74杂交中断后对标记基因的鉴定六、用中断杂交实验作染色体连锁图六、用中断杂交实验作染色体连锁图 上图表示利用这个方法所获得的结果，混合上图表示利用这个方法所获得的结果，混合9分钟后取样时，开始出现少量对叠氮化物有分钟后取样时，开始出现少量对叠氮化物有抗性的菌落，说明抗叠氮化物的基因此时已抗性的菌落，说明抗叠氮化物的基因此时已进入进入F细胞中，但对细胞中，但对T1噬菌体来说，全部噬菌体来说，全部F细细胞还属于敏感型，说明胞还属于敏感型，说明tonA基因还没有进入基因还
43、没有进入F细胞中。混合细胞中。混合11分钟后，才开始出现抗噬菌分钟后，才开始出现抗噬菌体体T1的的F细菌。混合细菌。混合18分钟和分钟和24分钟取样时，分钟取样时，又分别出现乳糖发酵和半乳糖发酵的基因。又分别出现乳糖发酵和半乳糖发酵的基因。这说明这说明Hfr菌株的基因是按一定的线性顺序依菌株的基因是按一定的线性顺序依次进入次进入F菌株，也就是说，染色体从原点开始菌株，也就是说，染色体从原点开始以直线方式进入以直线方式进入F细胞的。细胞的。基因基因 转入时间转入时间thrthr+8 8 leuleu+8.58.5AziAzir r 9 9 TonTonr r 1111 laclac+18 18
44、galgal+25 25 0Thr+TonTons slaclac+galgal+Fleuleu+AziAzis s中断杂交的实验结果中断杂交的实验结果六、用中断杂交实验作染色体连锁图六、用中断杂交实验作染色体连锁图 根据中断杂交的实验，以根据中断杂交的实验，以Hfr基因在基因在F细细胞中出现的时间为标准，可以作出大肠胞中出现的时间为标准，可以作出大肠杆菌的连锁遗传图。杆菌的连锁遗传图。根据供体基因进入受体细胞的顺根据供体基因进入受体细胞的顺序和时间绘制连锁图的技术，称为中断序和时间绘制连锁图的技术，称为中断杂交技术。杂交技术。表表73 :用不同的用不同的Hfr菌株进行中断杂交菌株进行中断杂交
45、实验实验F因子和细菌染色体都是环状的因子和细菌染色体都是环状的 用不同的用不同的Hfr菌株进行中断杂交实验所菌株进行中断杂交实验所作出的大肠杆菌基因连锁图，其基因作出的大肠杆菌基因连锁图，其基因进入进入F细胞的转移的顺序不大相同。这细胞的转移的顺序不大相同。这个实验进一步说明个实验进一步说明F因子和细菌染色体因子和细菌染色体都是环状的，而都是环状的，而Hfr细胞染色体的形成，细胞染色体的形成，则因则因F因子插入环状染色体的不同位置，因子插入环状染色体的不同位置，因而形成了不同的转移原点和转移方因而形成了不同的转移原点和转移方向向(如图如图)。F因子插入环状染色体的不同位置，因子插入环状染色体的
46、不同位置，因而形成了不同的转移原点和转移方向因而形成了不同的转移原点和转移方向不同Hfr中，F因子插入位置与方向不同F因子因子 一种质粒一种质粒（plasmid）一种）一种附加体（整合到染附加体（整合到染色体上）色体上）F因子的结构因子的结构 1、原点、原点2、形成性伞毛的、形成性伞毛的基因群基因群3、DNA复制酶基复制酶基因因4、插入序列、插入序列 IS（P225）4七、细菌的交换过程七、细菌的交换过程 前面，讨论的是杂交中遗传信息的转移过程，这是根据杂交前面，讨论的是杂交中遗传信息的转移过程，这是根据杂交中产生的重组子推论出来的，然而重组子被检出之前，转移中产生的重组子推论出来的，然而重组
47、子被检出之前，转移的基因如何通过交换过程整合到受体的基因组的呢？的基因如何通过交换过程整合到受体的基因组的呢？真核生物的遗传交换发生在两套基因组之间，而原核类中遗真核生物的遗传交换发生在两套基因组之间，而原核类中遗传物质的交换是在一完整的基因组（传物质的交换是在一完整的基因组（F内基因子）与一不完内基因子）与一不完整的基因组（供体外基因子）之间进行的是在部分二倍体或整的基因组（供体外基因子）之间进行的是在部分二倍体或部分合子间进行的。部分合子间进行的。F因子和细菌染色体都是环状的因子和细菌染色体都是环状的单交换单交换部分二倍体（部分合子）的概念部分二倍体（部分合子）的概念 F F染色体与染色体
48、与HfrHfr染色体之间染色体之间发生单交换没有意义，只产生不平衡的发生单交换没有意义，只产生不平衡的部分二倍体线形染色体；二者之间只有部分二倍体线形染色体；二者之间只有发生双交换才能产生有活性的重组子。发生双交换才能产生有活性的重组子。供体外基因子供体外基因子F-内基因子内基因子部分二倍体或部分合子模式图部分二倍体或部分合子模式图双交换双交换双交换双交换双交换双交换只有发生双交换才能产生有活性的重组子只有发生双交换才能产生有活性的重组子图711单交换，712双交换八、重组作图八、重组作图 在中断杂实验中，可以根据基因转移的先后在中断杂实验中，可以根据基因转移的先后顺序，以时间为单位，得到基因
49、的连锁关系。顺序，以时间为单位，得到基因的连锁关系。如果两个基因间的转移时间小于如果两个基因间的转移时间小于2分钟，用中分钟，用中断杂交法所得的图距不太可靠，应采用传统断杂交法所得的图距不太可靠，应采用传统的重组作图法。的重组作图法。例如，有两个紧密连锁的基因例如，有两个紧密连锁的基因lac(乳糖不发乳糖不发酵酵)和和ade(腺嘌呤缺陷型腺嘌呤缺陷型)，为了求得两个基因，为了求得两个基因间的距离，可采用间的距离，可采用Hfr lac+ade+和和F lac ade的杂交实验。的杂交实验。八、重组作图八、重组作图（P229）Hfr lac+ade+strs X F lac adestrr lac
50、(乳糖不发酵)ade(腺嘌呤缺陷型）str代表链霉素，s敏感性，r抗性由于ade进入F细胞的顺序较lac为晚，因此只要ade进入F细胞，lac自然也已经进入。如果选出ade+同时也是lac+，说明lac和ade间没有发生过交换。如果是lac，说明两者之间发生过交换。根据中断杂交法根据中断杂交法用完全培养基但不加腺嘌呤，可以选出用完全培养基但不加腺嘌呤，可以选出F-ade+F-ade+的菌落。的菌落。Hfr lac+ade+strs X F lac adestrr混合混合60分钟，至含链霉分钟，至含链霉素的基本培养基，素的基本培养基，Hfr 死，未杂交的死，未杂交的F 死。选死。选出出ade+F
