第七章细菌遗传分析

1、学习要点：学习要点： 名词概念名词概念 转化、转染、转导、质粒、性导、转化、转染、转导、质粒、性导、F F因子、因子、HfrHfr、转、转化子、转导子、半合子、附加体、高频转导、低频转化子、转导子、半合子、附加体、高频转导、低频转导、感受态因子、特异性转导、合子诱导导、感受态因子、特异性转导、合子诱导 2 2 了解细菌染色体大小与结构；了解细菌染色体大小与结构； 3 3 细菌的突变型的类型；细菌的突变型的类型； 4 4 细菌菌株的类型、接合的组合方式与重组特点；细菌菌株的类型、接合的组合方式与重组特点； 5 5 中断杂交实验作图的原理与方法；中断杂交实验作图的原理与方法； 6 6 细菌基因重组

2、的特点；细菌基因重组的特点； 7 7 转化、转导转移遗传物质的特点与共转率作图。转化、转导转移遗传物质的特点与共转率作图。 基本概念：1、转化：从细菌培养物提取DNA可以在体外转移到受体菌中，该过程称为转化。2、转染：人工利用噬菌体进行外源DNA的重组拼接，同时利用细菌对外源DNA的吸收过程，转移目的基因的过程。供体DNA共培养+E.coli BE.coli B基因组细菌需具备感受态：氯化钙和低温处理3、转导：利用噬菌体感染细菌的特性，将外源DNA整合至噬菌体基因组，并随噬菌体感染细菌过程，导入至受体细菌中的过程+噬菌体基因组大肠杆菌基因组4、性导：细菌之间通过有性接合，转移遗传因子的过程，是

3、通过致育因子F因子介导将供体细菌DNA片段输入到受体细菌中而形成一个部分二倍体的过程。一一 细菌细胞细菌细胞 大小：大小：1-2 1-2 m m； 繁殖方式：二裂式均等分裂，繁殖方式：二裂式均等分裂，1 1代代/20min/20min。二二 细菌染色体细菌染色体 P P156156 表表7 7-1-1 1 1 结构结构: : 环状双链环状双链DNADNA，单倍性，以折叠或螺旋状态存在；，单倍性，以折叠或螺旋状态存在； 2 2 大小大小：长约：长约250-35000250-35000 m(m(未螺旋未螺旋) )； 3 3 复制方式：复制方式：着膜式复制。着膜式复制。 分裂特点分裂特点：均等分裂，

4、无基因重组。：均等分裂，无基因重组。一一 细菌作遗传研究材料的优点细菌作遗传研究材料的优点 1 1 有许多营养缺陷型有许多营养缺陷型 , ,且易于选择和鉴定且易于选择和鉴定基本培养基基本培养基补充培养基补充培养基 完全培养基完全培养基 选择培养基选择培养基2 2 生活周期短生活周期短: : 繁殖快繁殖快, ,积累代谢物质多；积累代谢物质多；3 3 繁殖快繁殖快, ,数量大数量大, ,易发现和鉴定突变型；易发现和鉴定突变型； 4 4 结构简单结构简单: : DNADNA裸露裸露, ,单倍性单倍性, ,利于基因精利于基因精 细结构和基因功能表达调控的研究细结构和基因功能表达调控的研究( (一一)

5、)合成代谢功能的突变型合成代谢功能的突变型: :（营养缺陷型）（营养缺陷型）( (二二) )分解代谢功能的突变型：分解代谢功能的突变型：( (三三) )抗药性突变型抗药性突变型: : 青霉素青霉素: pen: penr r, , penpens s 链霉素链霉素: str: strr r, str, strs s penpenicillinicillinStrStreptomycineptomycin抗性抗性: : r resistance esistance 敏感敏感: : s sensitiveensitive （四）抗噬菌体突变型（四）抗噬菌体突变型 T T1 1噬菌体噬菌体 TonTo

6、nr r Ton Tons s T T2 2噬菌体噬菌体 TtoTtor r Tto Ttos s例如：例如： 营养缺陷型的筛选营养缺陷型的筛选: u.v : u.v 野生型细菌野生型细菌 完全培养基：完全培养基： 影印培养影印培养基本培养基：基本培养基： 补充培养基补充培养基 ： 氨基酸类氨基酸类 维生素类维生素类 系列氨基酸系列氨基酸补充培养基：赖氨酸补充培养基：赖氨酸 脯氨酸脯氨酸 精氨酸精氨酸. . 一一 细菌的接合细菌的接合 经典的杂交实验经典的杂交实验 19461946年年 Lederberg; Tatum Lederberg; Tatum 品系品系A A 品系品系B B 基因型基

7、因型: met: met- -biobio- -thrthr+ +leuleu+ +thithi+ + X metX met+ +biobio+ +thrthr- -leuleu- -thithi- - 基本培养基基本培养基: :无菌落无菌落 有有1010-7-7 无无菌落菌落2 出现野生型菌落的可能原因：出现野生型菌落的可能原因： 回复突变；转化；互养；回复突变；转化；互养； 细菌间发生了基因重组细菌间发生了基因重组3 转化、互养的排除转化、互养的排除U 型管试验型管试验 无无 无无结论结论: :1: 1: 野生型不是转化或互养产生的野生型不是转化或互养产生的; ; 2: 2:两菌株细胞的直

8、接接触对野生型的产生是必要的两菌株细胞的直接接触对野生型的产生是必要的. . 菌株菌株A B菌株菌株基本培养基基本培养基证明：证明：细菌发生了基因重组细菌发生了基因重组 1 Hayes 1 Hayes 的实验的实验A: metA: met- -biobio- -thrthr+ +leuleu+ +thithi+ +strstrs s X X 加链霉素加链霉素B:B: metmet+ +biobio+ +thrthr- -leuleu- -thithi- -strstrr r 基本培养基基本培养基: :出现菌落出现菌落 metmet- -biobio- -thrthr+ +leuleu+ +th

9、ithi+ + strstrr r X X 加链霉素加链霉素 metmet+ +biobio+ +thrthr- -leuleu- -thithi- -strs strs 无菌落出现无菌落出现 2 2 结果得出结论结果得出结论: : (1)(1) EcoliEcoli有相当于高等生物的性别有相当于高等生物的性别 (2)(2) EcoliEcoli的遗传物质是由的遗传物质是由单向传递的单向传递的. . ）HayesHayes实验实验 品系品系A strA strs s 突变突变 品系品系B strB strr r X X A str A strS S 突变型突变型 “ 加链霉素加链霉素 不育不育

10、 AstrAstrr r “” X X A A strstrs s 加链霉素加链霉素 品系品系B strB strr r X X A str A strr r 重组体重组体(- F)(F-)(+F)（1 1）细菌是有性别的细菌是有性别的, ,细菌的性别是由性因子细菌的性别是由性因子(F)(F) 决定的决定的, F, F+ +, F- , F- （2 2）F F因子可以自发地丢失或者得到因子可以自发地丢失或者得到, , F F+ + - -+ + F- F- （3 3）杂交时产生重组体杂交时产生重组体, ,双亲之一必需是双亲之一必需是F F+ +; ; F F+ + X X F- F- 重组体重

11、组体质质 粒粒: : 指任何染色体以外的遗传结构。指任何染色体以外的遗传结构。附加体附加体: : 在细胞中或以游离状态或与染色体相结在细胞中或以游离状态或与染色体相结 合状态存在的遗传结构。合状态存在的遗传结构。 三三 因子与高频重组因子与高频重组1 1 F F基因子的结构基因子的结构因子的整合与切割因子的整合与切割 不能进行不能进行极少转移极少转移因子因子, ,大量大量转移细菌基转移细菌基因。因。转移因转移因子，还转子，还转移细菌个移细菌个别基因。别基因。因子状态因子状态 游离游离 整合整合菌株类型菌株类型 + F+ F f rf r - - 菌株性别菌株性别 杂交类型杂交类型 + +- F

12、- F- - frfr- - - - - 传递特点传递特点 只转移只转移 因子不转因子不转 移细菌基因。移细菌基因。HfrHfr的因子转移特点的因子转移特点: : (1)(1)F F整合后呈线状；整合后呈线状； (2) (2)转移起点转移起点0 0位于中间；位于中间； (3) (3)先转移先转移F F因子的一部分因子的一部分, , F F的后面部分最后转移。的后面部分最后转移。 部分二倍体部分二倍体: :指含有一个指含有一个完整基因组和部分基因组完整基因组和部分基因组的细胞的细胞.(.(半合子半合子) ) 内基因子内基因子: : 外基因子外基因子: : 细菌基因重组的特点细菌基因重组的特点:

13、: (1) (1)细菌基因重组是在部分细菌基因重组是在部分 二倍体中进行二倍体中进行; ; (2) (2)只有偶数交换才产生有只有偶数交换才产生有 活性的重组体活性的重组体; ; (3)(3)相反的重组体不出现相反的重组体不出现. .一一 中断杂交实验作图中断杂交实验作图 1 1中断杂交实验中断杂交实验 Hfr thr+ leu+ aziHfr thr+ leu+ azir r Ton Tonr r lac+ gal+ strlac+ gal+ strs s X X F F- - thrthr- - leu leu- - azi azis s ton tons s lac- gal- strl

14、ac- gal- strr r 选择培养基选择培养基 9 11 18 25 9 11 18 25 加加str str 无无thr,leu thr,leu 影印接种影印接种 azi Ton lac gal azi Ton lac gal 转入时间转入时间 转移的转移的HfrHfr基因基因 出现在出现在F-F-中的频率中的频率（分钟）（分钟） 8 thr+(8 thr+(选择性标记选择性标记) 100%) 100%8.5 leu+(8.5 leu+(选择性标记选择性标记) 100%) 100% 9 azi 9 azir r开始出现在开始出现在F-F- 11 ton 11 tonr r开始出现在开始

15、出现在F- aziF- azir r已达已达30%30% 18 lac 18 lac+ +开始出现在开始出现在F- aziF- azir r达达90%90%，tontonr r达达75% 75% 25 gal 25 gal+ +开始出现在开始出现在F- aziF- azir r达达95%95%，tontonr r达达80% lac80% lac+ +达达30%30% A A： Hfr Hfr染色体上的基因是从某一点开始染色体上的基因是从某一点开始, ,以线性以线性 方式进入方式进入- -的的, ,B B：离原点愈近的基因进入离原点愈近的基因进入- -愈早愈早, ,出现在出现在- - 中的比例愈

16、大中的比例愈大, ,反之反之, ,则愈小则愈小. . 3 3 中断杂交作图中断杂交作图: : 指在指在HfrXF-HfrXF-杂交中杂交中, ,把接合中的细把接合中的细菌在不同时间取样菌在不同时间取样, ,搅拌中断杂交搅拌中断杂交, , 分析受体菌基分析受体菌基因型因型, ,以以HfrHfr基因出现在基因出现在- -中的先后为顺序中的先后为顺序, ,以转移以转移的时间的时间( (分钟分钟) )为图距单位进行基因作图的方法为图距单位进行基因作图的方法. . 4 4 作图作图 ( (原点原点) ) aziTon lac gal FaziTon lac gal F 0 9 11 18 25min 0

17、 9 11 18 25minP1P16666表表7 7-4 -4 几个几个HfrHfr菌株的基因顺序菌株的基因顺序菌菌 株株转转 移移 顺顺 序序HfrH HfrH Hfr1Hfr1Hfr2Hfr2Hfr3Hfr3 312 312 O thr pro lac pur gal his gly thi O thr pro lac pur gal his gly thi O thr thi gly his gal pur lac pro O thr thi gly his gal pur lac pro 0 pro thr thi gly his gal pur lac 0 pro thr thi

18、gly his gal pur lac 0 pur lac pro thr thi gly his gal 0 pur lac pro thr thi gly his gal 0 thi thr pro lac pur gal his gly 0 thi thr pro lac pur gal his gly1)1)不同的不同的HfrHfr品系转移的起始基因是不同的品系转移的起始基因是不同的; ; 说明：因子可以在不同的位点插入细菌染色体说明：因子可以在不同的位点插入细菌染色体; ;2)2)与同一基因相邻的基因是相同的与同一基因相邻的基因是相同的; ; 说明：不同品系细菌的基因顺序是相同的说明

19、：不同品系细菌的基因顺序是相同的; ;3)Hfr3)Hfr基因可以两个不同方向转移基因进入基因可以两个不同方向转移基因进入-;-;4)4)一个一个HfrHfr转移的起始基因是另一个转移的起始基因是另一个HfrHfr最后转移的基因最后转移的基因 说明：细菌的染色体是环状的说明：细菌的染色体是环状的. . thrthr laclac hishis galgalpurpurthithipropro2 2glyglyHfrHHfrH3 33123121 细菌的重组作图的前提细菌的重组作图的前提(1)(1) 两个基因紧密连锁两个基因紧密连锁; ; (2)(2) 两个基因进入受体菌的先后两个基因进入受体菌

20、的先后; ;例：已知例：已知lac lac 和和adeade紧密连锁紧密连锁; lac+; lac+比比ade+ade+先进入先进入-;-; 杂交、选择、统计重组体杂交、选择、统计重组体Hfr lac+ ade+ strHfr lac+ ade+ strs s X F- lac- ade- str X F- lac- ade- strr r 选择培养基选择培养基 加加str,str,无无ade ade -ade+str-ade+strr r 伊红美兰培养基伊红美兰培养基 紫红色菌落紫红色菌落ade+ lac+ade+ lac+粉红色菌落粉红色菌落ade+ lac-ade+ lac- P1 P1

21、6767图图7-11 7-11 B: lac+ ade+ B: lac+ ade+ A:lac+ ade+A:lac+ ade+ C: lac+ ade+C: lac+ ade+ F- lac+ ade+ F- lac+ ade+ 亲组合亲组合 52 52 F- lac- ade+ F- lac- ade+ 重组合重组合 15 153 3 计算重组体计算重组体 重组值重组值= =重组菌落数重组菌落数/ /总菌落数总菌落数X100 % X100 % =(lac- ade+)/(lac+ ade+ )+(lac- ade+)X100% =(lac- ade+)/(lac+ ade+ )+(lac-

22、 ade+)X100% = 15/(52+15)X100% 20% = 15/(52+15)X100% 20% 已知中断杂交实验该两个基因相距已知中断杂交实验该两个基因相距1 1分钟分钟, , 重组作图与中断杂交作图的图距关系重组作图与中断杂交作图的图距关系: : 1 1分钟图距分钟图距 20% 20% 重组值重组值4 Ecoli4 Ecoli染色体全长染色体全长： 9090分钟；含有：分钟；含有：3.6X103.6X106 6bpbp 20X90 1800 cM 20X90 1800 cM一一 F因子与因子与F菌株菌株 F因子因子：指整合态的：指整合态的F因子从因子从Hfr上错误切割下来，上

23、错误切割下来， 且带有细菌个别基因的且带有细菌个别基因的F因子。因子。 F菌株菌株：指带有：指带有F因子的细菌。因子的细菌。二二 性导性导: P168 指利用因子将供体菌的基因导入受体形成指利用因子将供体菌的基因导入受体形成部部 分二倍体的过程。分二倍体的过程。 Hfr X F- Hfr + F- FX F- F+ F 1 性导的特点性导的特点:只能转移因子插入位点附近的基因。只能转移因子插入位点附近的基因。 2 性导在遗传分析中的应用性导在遗传分析中的应用：(1) F因子可自主复制；因子可自主复制；(2) 性导所形成的部分二倍体可用作测定两突变形间的互补试验；性导所形成的部分二倍体可用作测定

24、两突变形间的互补试验；(3) 确定部分二倍体中两基因的显隐性；确定部分二倍体中两基因的显隐性；(4) 利用两基因的共性导率作图利用两基因的共性导率作图. 一一 细菌的转化与作图细菌的转化与作图 （一）转化：（一）转化：指外源指外源DNADNA片断不经中间媒介体直接进片断不经中间媒介体直接进 入感受态细胞进行基因重组形成重组体的过程。入感受态细胞进行基因重组形成重组体的过程。 转化子：转化子：通过转化而形成的重组体通过转化而形成的重组体. . （二）转化作图（二）转化作图 1 1 转化作图的条件转化作图的条件: : 2 2 转化基因间关系及其确定转化基因间关系及其确定DNADNA浓度浓度下降比率

25、下降比率A A转化率下转化率下降比率降比率B B转化率转化率下降比率下降比率A A与与B B共转化共转化率下降比率率下降比率A A与与B B关系关系1/21/21/21/21/21/21/21/2连锁连锁1/21/21/21/21/21/21/41/4不连锁不连锁 转化子数转化子数( (重组体数重组体数) ) 亲组合数亲组合数+ +转化子数转化子数例例: :供体供体 trptrp2 2+ his+ his2 2+ tyr+ tyr1 1+ +trptrp2 2- his- his2 2- tyr- tyr1 1- - P P170170 表表7-47-4的重组值的重组值 trp trp2 2h

26、ishis2 2的重组值的重组值=34%=34% trp trp2 2tyrtyr1 1的重组值的重组值=40%=40% his his2 2tyrtyr1 1的重组值的重组值=13%=13% 根据重组值作图：根据重组值作图： trp trp2 2 3434 his his2 2 13 tyr 13 tyr1 1重组值重组值= = = = (+ -)+(- +)(+ -)+(- +)(+ +)+(+ -)+(- +)(+ +)+(+ -)+(- +) ( (一一) )普遍性转导与作图普遍性转导与作图 1 1 普遍性转导：普遍性转导： (1)(1)普遍性转导的机制普遍性转导的机制 (2)(2)普

27、遍性转导特点普遍性转导特点: : 2 2 普遍性转导作图普遍性转导作图 (1)(1) 作图原理作图原理: :两基因的共转率愈大相距愈近，反之则愈远两基因的共转率愈大相距愈近，反之则愈远 (2(2）双因子转导作图）双因子转导作图 例如：确定例如：确定abcabc三个基因在染色体上的顺序，三个基因在染色体上的顺序， 分别测定分别测定a-ba-b、 a-ca-c、 b-c b-c 的共转导率；的共转导率； 如果：如果：a-ba-b的共导率最大，的共导率最大，a-ca-c较大，而较大，而b-cb-c的最小，的最小， 则顺序为：则顺序为：b a cb a c(1) (1) 杂交测定三个共转率杂交测定三个

28、共转率: :例：例：P1P1供体供体 thr+ leu+ azithr+ leu+ azir r X X 受体受体 thr- leu- azithr- leu- azis s转导子基因型转导子基因型 共转率共转率 leu+ azileu+ azir r 50 % 50 % leu+ thr+ 2 %leu+ thr+ 2 %thr+ leu+ 3 %thr+ leu+ 3 %thr+ azithr+ azir r 0 % 0 % 基因可能顺序基因可能顺序 thr thr azi leu azi leu或或 thr leu azithr leu azi基因顺序是基因顺序是: : thr leu

29、azi thr leu azi 例：例：P1P1供体供体 thr+ leu+ azithr+ leu+ azir r X X 受体受体 thr- leu- azithr- leu- azis s 各种选择性培养基各种选择性培养基 转导子基因型转导子基因型 共转率共转率 P1+P1+供体菌供体菌 受体受体 leuleu 加加azi azi thrthr 无无leuleu 无无thrthrthr+ leu+ thr+ leu+ 3%3%r r0%0%leu+ azileu+ azir r 50% 50%leu+ thr+ leu+ thr+ 2%2%(2)(2)中间位点法中间位点法 供体菌：供体菌

30、：supC+ trpA+ pyrF+ supC+ trpA+ pyrF+ X X 受体菌：受体菌：supC- trpA- pyrF-supC- trpA- pyrF- 基因顺序是基因顺序是: : supC trpA pyrFsupC trpA pyrF 转导子转导子 （1 1）supC+ trpA+ pyrF+ 36supC+ trpA+ pyrF+ 36（双交换）（双交换） （2 2）supC+ trpA+ pyrF- 114supC+ trpA+ pyrF- 114（双交换）（双交换） （3 3）supC+ trpA- pyrF+ 0supC+ trpA- pyrF+ 0（四交换）（四交换） （4 4）supC+ trpA- pyrF- 453supC+ trpA- pyrF- 453（双交换（双交换）关系公式关系公式: : d d( (图距图距) )=L(1-x)=L(1-x)L L：转导：转导DNADNA的平均长度的平均长度X: X: 两个基因的共转导频率两个基因的共转导频率33 3 稳定转导与流产转导