第八章 细菌和病毒的遗传教学目的和要求

1. 理解细菌影印法研究2. 掌握细菌和病毒的四种遗传分析方法：转化、接合、性导、转导3. 掌握 F+ 、 F- 、 F’ 、 Hfr× F+ 的特点4. 掌握中断杂交和重组作图的原理5. 掌握噬菌体结构和基因重组特点

二十世纪四十年代以后，人们普遍以微生物作为研究对象来代替过去常用的动、植物。 细菌和病毒作为实验材料的优越性（见下） 1928 年，格里菲斯 肺炎双球菌 “转化现象” 1941 年，比德尔 红色面包霉“一个基因一种酶” 1944 年，艾弗里证明了 DNA 是遗传物质 1946 年，莱德伯格等用大肠杆菌 K12 菌株的两个营养缺陷型菌株的遗传重组。 基因化学本质的确定——分子遗传学

发展简史：

细菌、病毒作为实验材料的优越性 便于找出营养缺陷型 便于基因作用的研究 便于研究基因突变 便于研究基因的精细结构 便于用作研究复杂体制的生物的简单模型（可作为模式生物） 另：遗传物质含量少； DNA 结构简单； DNA是单倍体；代谢过程易于控制和鉴别；便于建立纯系；便于长期保藏等。

细菌的遗传分析 以大肠杆菌为例：细胞长约 2 ㎛，直径 1 ㎛

呈直棒状。 细胞壁： 细胞膜： 细胞质： 细胞核：结构简单，是“裸露”的 DNA ，

呈环状，其长度达 1100—1400 ㎛，在细胞内高度折叠盘绕、综错复杂，对遗传性状的传递起着重要作用。

质粒（ Plasmid ） 位于大肠杆菌细胞质中，是染色体以外的遗传

物质。 是微小的、环形的双链 DNA 分子 ，携带复制

自己的基因，有时还携带一些其它基因，因而能赋予寄主某些新的属性。

质粒的类型：感染性质粒和非感染性质粒；自主复制型质粒和结合型质粒； R 质粒（抗重金属盐和对抗菌素有抗性）； Col 质粒（合成大肠杆菌素质粒）等。

大肠杆菌的有性生殖和基因重组 大肠杆菌的繁殖方式主要为裂殖，其有性生殖

过程与真核生物不同，并不形成两个细胞的真正融合，而是给体细胞的一部分基因物质被转移到受体细胞，与受体细胞的内在基因形成重组的染色体。

细菌的交配结合 1946 年， J.Lederberg 和 E.L.Tatum 用大肠杆

菌进行实验 通过诱变实验 ,获得 E.ColiK12 的两个营养缺陷

型菌株亲本Ⅰ： bio-met-thr+leu+thi+

亲本Ⅱ： bio+met+thr-leu-thi-

注： bio 生命素； met蛋氨酸； thr苏氨酸； leu亮氨酸； thi硫氨素。“ +”号表示野生型；“ -”表示缺陷型。

E.coli 重组的证明met-bio-thr+leu+thi+ met+bio+thr-leu-thi

2×108 108 108 2×108

 

无菌落 无菌落

若干原养型菌落 met+bio+thr+leu+thi+

著名的 U 形管实验 The U-tube experiment of B.Davis. Alternating suction

and pressure force liquid and macromolecules back and forth across the filter.

 

StrainA StrainB

Filter

解释 Lederberg 和 Tatum 的解释：亲本Ⅰ met-bio-thr+leu+thi+

亲本Ⅱ met+bio+thr-leu-thi-

met+bio+thr+leu+thi+

met-bio-thr-leu-thi-

证明 Davis 的 U 形管实验形象、有力地证明了原养型菌落的出现必需要细菌间的直接接触。后来，电镜观察发现细菌间确实存在着有性结合过程。

F-

F+

Electron micrograph of conjugation between an F+ （ upper rigbt ） and F- （ lower left ） cell with the F-pilus （菌毛、伞毛） between them.

遗传物质的单向转移 细菌的结合是一种普遍现象 一个只作为给体（父体），另一个只作为基因受体或母体。 1952 年，威廉 .H 用链霉素处理父本，菌株丧失其分裂能力，但仍然保持其功能；同样处理母本，再与父本混合，二者之间无遗传物质转移。由此看来，父本的功能只在于交付某些 DNA ，并不需要保持全部活力，而母体则必须保持活力，使结合子能够发育形成。

F 因子（ fertility ） 细菌的父性是由一种可转移的遗传物质决定的； 父性与母性细胞交配结合后，母性细胞全部变

成了父性； 决定父性属性的遗传物质被称为 F 因子； F 因子只能由两细胞直接接触而转移，即单向

转移。

中断杂交图 Wollman and Jacob

分析 8 分钟取样，所得菌落标记基因完全与 F-相同，说明 Hfr 的基因还没有进入 F- 细胞

9 分钟取样，开始出现少量 azir 菌落，说明叠氮化钠基因已经进入 F- 细胞

11 分钟后取样，开始出现 azirtonr 型的 F- 菌落 混合 18 分钟和 24 分钟取样时，又分别出现 az

ir 、 tonr 、 lac+ 和 azirtonrlac+gal+ 的菌落。

进一步分析 Hfr上的基因在一定时间内以一定的顺序先后进入 F- 细菌中

某一基因进去的时间愈早，它所达到的百分率也愈高。例如， azir 基因在 24 分钟时就达到大约 90% ； gal+ 基因最高也不超过 30%

由此推断， Hfr 的染色体从原点 O （ origin ）开始，以线性的方式进入 F- 细胞，其上的基因离 O 点愈近，进入 F- 细胞就愈早。反应在曲线上，表现在前者斜率高，最高值也大；后者斜率低，最高值也小。

作图 根据中断杂交实验，以每一基因转移的时间

（分钟）作为基因距离的单位，即可作出 Hfr

细菌的线性 基因连锁图如下： 0 9 11 18 25 0 azi ton lac gal F 0 9 11 18 25

几个 Hfr 菌株的基因顺序菌株 基 因 转 移 顺 序

Hfr H 0 thr pro lac pur gal his gly thi1 0 thr thi gly his gal pur lac pro2 0 pro thr thi gly his gal pur lac

3 0 pur lac pro thr thi gly his galAB 312 0 thi thr pro lac pur gal his gly

分析 乍一看，上表中 Hfr品系的基因转移顺序都各

不相同，那么，基因转移的顺序是不是随机的呢？

如 his 基因，不管位置如何变化，总是 gal 在一边， gly 在一边，其它基因也如此。

基因在染色体上的位置是排定的 不同的是 0 点的位置在不断变化，即看 0 点究竟在那两个基因之间。

解释 Alan Campbell 认为 F 是一个小的细胞质成分，

F+雄性的染色体是环状的，线性的 Hfr 染色体可以由 F 插在 环状染色体的不同部位而得到。 •关于 F 的整合： Campbell提出 F 也是环状的，包括三个不同区段。细菌染色体有几个与 F 同源的配对区段，由于在这些不同位点上交换而产生不同的 Hfr 染色体。

Wollman 和 Jacob假说 大肠杆菌的 染色体为环状， F 因子可插入到环状染色体的某些特定部位，将来染色体就在 F 因子处断开成为线状， F 因子为末端，与之相对的一端为 0 点。这样就解释了上表 Hfr 菌株基因转移的不同情况。

大肠杆菌环状染色体的基因分布图

F 因子整合到染色体的过程 F 因子是质粒的一种，也为环状 DNA 分子，可分

为四个部分： 原点（ 0 ）是染色体转移的起始点育性基因，也叫形成性伞毛的基因群（ gene famil

y ），可使 F- F⇒ +

DNA 复制酶基因，与 F 因子复制有关插入序列（ insertion sequence ， IS ），也是配对区段。与主染色体的某些区段相对应。

F 因子图解 环状 原点（ 0 ）

育性基因 复制 F

配对区

附加体（ episome ） 概念：象 F 因子这样既能独立存在，又能整

合到染色体上成为染色体一部分而进行复制和传递，这样的质粒称为附加体。 F 质粒是附加体的一种。

注： IS具极性，可决定 F 因子的整合位点和转移方向。见刘祖洞 P226 图 7-8

交换过程 即 Hfr 转移过去的基因与 F- 基因的重组

特别说明 由于在以上交配结合中，受体细胞只能得到供

体细胞的部分染色体，因而只有部分染色体是二倍性的，称为部分二倍体（ partial dip-oid ）或部分合子（ merozygote ）

注：①只有偶数交换才能产生有活性的重组子和片断

②由于片断在以后的细胞分裂中丢失，所以，相反的重组子不出现。

重组作图 如果时间单位接近两分钟，得到的图距很不可靠，这时要用传统作图法。 如： lac 和 ade 两个基因紧密连锁 Hfr lac+ade+strs X F- lac-ade-strr

重组子 lac+ade+strr lac-ade+strr

（无交换） （交换） 重组率 =lac-ade+/ （ lac+ade+ ） + （ lac-ade+ ）ⅹ 100% ≌22%☞根据作图法得 lac 与 ade之间为 1 分钟，相当于 20% 的重组值，数据基本吻合。

F' 菌株的来源与习性 ----- 性导 一种新的 F 因子（ Adelberg ， 1959 ） 携带有主体 DNA 的质粒叫 F’ 质粒（ F’ —Pr

ime ）。含有 F’ 质粒的细胞叫 F’ 细胞（或 F' 菌株）

相当于细胞的第二染色体，不能丢失，一旦丢失，很可能会造成细胞的死亡。

与 F 质粒一样，通过与 F- 菌株的结合而转移，也能与主体 DNA整合。如下图所示

F′ 因子

性导示意图 通过 F’ 因子将供体主染色体上的基因导入受体细菌，使受体细菌构成部分二倍体的过程称为性导（ Sexducti

on ）或 F—duction

F+ 、 F- 、 Hfr 、 F'之间的关系 F+

获得 丢失 脱离 整合 F- Hfr

丢失 整合 脱离 整合 F'

噬菌体遗传学 噬菌体杂交 裂解 (lysis) ：噬菌体附着到细菌体表，将它的遗传物质注入细菌细胞质中，利用细菌作为它的基质，合成更多的噬菌体，细菌细胞壁破裂后，大量噬菌体被释放出，这一过程称为裂解。1 、噬菌体杂交：当用两种不同的噬菌体株系共同侵染一种细菌时，会发现两种亲本噬菌体基因间发生重组，这种现象称为噬菌体重组。2 、根据噬菌体杂交后代基因型是亲本组合还是重组合，计算出 RF 值，进一步可以绘出连锁图。

溶源性 噬菌体原 (prophage) ：在细菌染色体的特异位点整合进整个噬菌体基因组，整合进细菌基因组中的噬菌体称为噬菌体原。

温和性噬菌体和溶源性细菌 溶源菌 (lysogenic bacterium) ：含有噬菌体原的细菌具有产生和释放噬菌体的潜力，这种细菌称为溶源菌。

溶源菌具有抗某些噬菌体侵染的能力，但是它可产生噬菌体侵染其它非溶源菌。

烈性噬菌体 (virulent phage) ：不能溶源化细菌的噬菌体称为烈性噬菌体。

温和噬菌体 (temperate phage) ：能够溶源化细菌的噬菌体称为温和噬菌体。

转导 转导 (transduction) ：通过噬菌体将一个细菌的基因带入

另一个细菌中的过程。转导分为一般性转导和特异性转导一般性转导

1965 年 K. lkeda 和 J. Tomizawa 在大肠杆菌噬菌体 P1 上的研究发现，当一个非溶源的供体细胞被 P1 裂解时，细菌染色体被打成小段，在形成噬菌体时，偶尔将一长段细菌 DNA 结合进噬菌体的头部。当该噬菌体侵染其它细菌时，可将这部分 DNA 注入受体细胞中，形成部分二倍体，所转导的基因可被重组。利用部分二倍体可以得出基因座之间的连锁关系。

在这种转导中，每个寄主标记都可能被转导，所以称为一般性转导。

特异性转导 噬菌体在转导时，只携带细菌染色体的限定部分，这种转导称为特异性转导。以 λ 噬菌体为例，说明特异性转导。 λ 噬菌体原经常插入 E.

coli 寄主染色体邻近 gal （半乳糖苷酶）区段。

上述溶源菌以两种方式重新产生噬菌体 1 、噬菌体原区段形成一个外环，在两对噬菌体和细菌整合位点间产生一个交换，其结果重又产生一个正常的 λ 噬菌体，它的整合位点是完整的，有再次侵染能力，见图（一）。

2 、有时以非常低的频率形成一个异常的外环，在非原整合位点产生一个交叉，重新形成一个带有 gal 基因的噬菌体颗粒。该颗粒是不完整的，其中一些基因被留在寄主中，这些噬菌体被称为 λdgal 。

它们的整合位点是有缺陷的，混合位点不能给催化噬菌体和细菌重组的酶提供正确的底物，因此单独侵染细菌时不能整合。必须与野生型噬菌体共侵染，与 λdgal 共侵染的噬菌体称为助噬菌体 (helper phage) 。

用 λdgal+  共侵染受体 gal- 时，结果会有以下两种结果：

1 、侵染后，在无机培养基上可以见到少数 gal+

转导细胞生长并形成菌落。

2 、大部分会形成双溶源菌。如果把双溶源菌裂解，在转导中做为供体，将会得到很高的转导频率。该裂解物称为高频转导 (hight-frequency

transduction, HFT) 裂解物。因为在该裂解物中既包含 λdgal ，也包含野生型 λ ，不需添加助噬菌体，因而提高了转导频率。

本章小结1. 细菌研究的影印培养法2. 噬菌体的类型 裂型噬菌体、温和噬菌体、噬菌体的基

因重组与作图3. 细菌遗传分析中的基因转移 性导和转导