第六章细菌的遗传分析

1、细菌的细胞细菌的细胞Cell WallCytoplasmCell MembraneTermination ofReplicationOrigin ofReplicationChromosome细菌染色体的复制细菌染色体的复制一大肠杆菌结合现象的发现一大肠杆菌结合现象的发现1946年，年，J.Lederberg和和E.Tatum大肠杆菌杂大肠杆菌杂交试验：交试验：材料：大肠杆菌材料：大肠杆菌(Escherichia coli)K12菌株的菌株的两个营养缺陷型品系：两个营养缺陷型品系：品系品系A基因型基因型: met-bio-thr+leu+thi+品系品系B基因型基因型: met+bio+thr

2、-leu-thi-. l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或或B发生了发生了回复突变回复突变；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养互养作用；作用；两品系间发生了两品系间发生了转化作用转化作用；发生细胞融合，形成了发生细胞融合，形成了异核体或杂合二倍异核体或杂合二倍体体。l为了验证这些原养型菌落产生的可能而进为了验证这些原养型菌落产生的可能而进行的研究最终表明：行的研究最终表明：这些解释均不成立这些解释均不成立。l1950 年年B.Dawis的的U型型管试验管试验:滤片孔径很小，滤片孔径很小，可让可让DNA、0.1m

3、 的游离的游离分子和更小的分子和更小的营养物通过，营养物通过，但细胞不能直但细胞不能直接接触。接接触。 (结结果没有得到原果没有得到原养型细菌养型细菌) Amet-bio-strs 加链霉素加链霉素 Bthr-leu-thi-strr 基本培养基基本培养基+str: 出现菌落出现菌落 2 结果得出结论结果得出结论: (1) E.coli有相当于高等生物的性别有相当于高等生物的性别? (2) E.coli的遗传物质是由的遗传物质是由单向传递的。单向传递的。1. 细菌细菌“性别性别”的发现：的发现： W.Hayes 的实的实验验二二F因子与高频重组因子与高频重组 Amet-bio-strr 加链霉

4、素加链霉素 Bthr-leu-thi-strs 基本培养基基本培养基+str: 没出现菌落没出现菌落2. F因子及其转移因子及其转移F因子、致育因子、因子、致育因子、F质粒、性因子、附加体质粒、性因子、附加体质粒质粒(plasmid): 指任何染色体以外的稳定遗指任何染色体以外的稳定遗传的遗传结构。传的遗传结构。附加体附加体(episome):在细胞中或以游离状态或在细胞中或以游离状态或与染色体以相合状态存在的可稳定遗传的遗与染色体以相合状态存在的可稳定遗传的遗传结构传结构,它的存在给细胞带来一定的遗传性状，它的存在给细胞带来一定的遗传性状，但它们的缺失并不会造成细胞的死亡。但它们的缺失并不会

5、造成细胞的死亡。 F因子的结构因子的结构配对区配对区致育基因致育基因原点原点F+与与F-的结合的结合Hfr与与F-的结合的结合三细菌重组的特点三细菌重组的特点（1）基因重组发生在部分二倍体中（自然状）基因重组发生在部分二倍体中（自然状态下很难把供体基因全部转移过来）。态下很难把供体基因全部转移过来）。（2）奇数交换无效，偶数交换有效。）奇数交换无效，偶数交换有效。（3）只出现一种重组子（杂交后代），真核）只出现一种重组子（杂交后代），真核生物出现四种杂交后代。生物出现四种杂交后代。（4）在）在F+F-中，结果使中，结果使F-变为变为F+，很少发生，很少发生基因重组（供体与受体之间）。基因重组（

6、供体与受体之间）。（5）在）在HfrF-中，中，F-很少变成很少变成F+，基因重组，基因重组频率比较高。杂交后，育性基因没有转移。频率比较高。杂交后，育性基因没有转移。细菌重组的特细菌重组的特点点一中断杂交实验原理一中断杂交实验原理基因从基因从Hfr细胞按次序转入细胞按次序转入F-细胞，可细胞，可根据基因进入根据基因进入F-细胞的时间和次序制细胞的时间和次序制作基因图谱。作基因图谱。 Wollman和和Jacob于于1954年在大肠杆菌年在大肠杆菌中曾进行了以下杂交实验。中曾进行了以下杂交实验。 中断杂交实验中断杂交实验二中断杂交作图二中断杂交作图选出的选出的thr+leu+strr重组中非选

7、择标记与结合时间作图重组中非选择标记与结合时间作图根据中断杂交实验结果，确定基因间的图根据中断杂交实验结果，确定基因间的图距（单位为时间距（单位为时间min）E.coli 染色体为环形染色体为环形三三. 重组作图重组作图在中断杂交中，根据基因转移的先后次序，在中断杂交中，根据基因转移的先后次序，以时间为单位求出各基因间的距离，叫做以时间为单位求出各基因间的距离，叫做时间作图法。如果基因间转移的时间在两时间作图法。如果基因间转移的时间在两分钟以内，用这种方法求得的基因间距离分钟以内，用这种方法求得的基因间距离就不很精确可靠，它为重组作图提供某些就不很精确可靠，它为重组作图提供某些基因之间连锁关系

8、及其前后次序的依据。基因之间连锁关系及其前后次序的依据。重组作图是根据基因间重组率进行定位的。重组作图是根据基因间重组率进行定位的。 例如根据中断杂交试验知例如根据中断杂交试验知lac和和ade基因是紧密基因是紧密连锁的而且连锁的而且lac比比ade先进入受体。先进入受体。试验试验 ：Hfr lac+ade+strs F- lae-ade-strr lacade 间重组率：间重组率：=lac-ade+ lac+ade+lac-ade+用时间单位法用时间单位法lac-ade的图距是一分钟，所的图距是一分钟，所以时间单位和重组值的关系大致是以时间单位和重组值的关系大致是1 min = 20%重组值

9、重组值=20 cM = 20%一一F因子因子二性导二性导性导在大肠杆菌的遗传学研究中的作用性导在大肠杆菌的遗传学研究中的作用(1) F因子可自主复制；因子可自主复制；(2) 形成部分二倍体可用作互补试验测定两形成部分二倍体可用作互补试验测定两突变的关系；突变的关系；(3) 确定部分二倍体中两基因的显隐关系；确定部分二倍体中两基因的显隐关系；(4) 利用两基因的利用两基因的“共性导率作图共性导率作图”。一细菌的转化与遗传作图一细菌的转化与遗传作图转化：转化：指外源指外源DNA片段不经中间媒介体片段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直接进入感受态细胞进行基因重组形成重组体的过程。组

10、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。感受态细胞：感受态细胞：能接受外源能接受外源DNA分子并被分子并被转化的细菌细胞。转化的细菌细胞。感受态因子：感受态因子：促进转化作用的酶或蛋白质分子。促进转化作用的酶或蛋白质分子。转化机制：转化机制：转化基因间关系及其确定（共转化）转化基因间关系及其确定（共转化）DNA低浓度时，转化频率与转化的低浓度时，转化频率与转化的DNA浓浓度呈正比关系度呈正比关系DNA浓度浓度下降比率下降比率A转化率转化率下降比率下降比率B转化率转化率下降比率下降比率A与与B共转化共转化率下降比率率下降比率A与与B关系关系1/21/21/21/

11、2连锁连锁1/21/21/21/4不连锁不连锁Nester等用枯草杆菌进行了如下实验：等用枯草杆菌进行了如下实验： trp2+ his+ tyr1+ trp2- his- tyr1-二细菌的转导与遗传作图二细菌的转导与遗传作图LT22 phe-trp-tyr-his+ LT2 phe+trp+tyr+his- 1、转导的发现、转导的发现 1952年年 J.Lederberg ，N. Zinder实验实验结果结果10-5频率出现频率出现野生型菌野生型菌株。（基株。（基本培养基）本培养基） LT22菌液涂布在基菌液涂布在基本培养基上出现野生本培养基上出现野生型菌落型菌落某种滤过因子将某种滤过因子将

12、LT-2的基因传递给的基因传递给LT-22， 后来的一系列实验证明该滤过因子为后来的一系列实验证明该滤过因子为P22噬噬菌体。菌体。Lederber 实验的解释：实验的解释：LT22是携带了是携带了P22原噬菌体的溶源性细菌，原噬菌体的溶源性细菌，LT2是对是对P22敏感的非溶源性细菌。敏感的非溶源性细菌。转导：转导：以噬菌体作为媒介，把一个细菌（供以噬菌体作为媒介，把一个细菌（供体）的遗传物质转移到另一细菌（受体），体）的遗传物质转移到另一细菌（受体），中进行基因重组的过程叫转导。中进行基因重组的过程叫转导。转导分为转导分为普遍性转导普遍性转导和和局限性转导局限性转导两类。两类。2、普遍性转

13、导、普遍性转导普遍性转导：普遍性转导：供体细菌的任何一个基因都可能供体细菌的任何一个基因都可能被转移，且几率相等，这种转导为普遍性转导。被转移，且几率相等，这种转导为普遍性转导。转导颗粒：转导颗粒：将细菌染色体片段包装在噬菌体蛋将细菌染色体片段包装在噬菌体蛋白质外壳内而产生的假噬菌体（不包含噬菌体白质外壳内而产生的假噬菌体（不包含噬菌体的遗传物质）。的遗传物质）。转导体：转导体：由转导颗粒形成的具有重组遗传结构由转导颗粒形成的具有重组遗传结构的细菌细胞叫做转导体。的细菌细胞叫做转导体。共转导（并发转导）：共转导（并发转导）：两个紧密连锁的基因往两个紧密连锁的基因往往可以一起被转导，这种结合转导

14、现象叫共转往可以一起被转导，这种结合转导现象叫共转导。导。应用普遍性转导作图应用普遍性转导作图 例：例：P1供体：供体：thr+ leu+ azir thr- leu- azis 受体受体无无leu leu 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% 供体菌供体菌 受体受体共转率共转率 各种选择各种选择性培养基性培养基转导子转导子基因型基因型可确定基因排列：可确定基因排列：thr+Leu+azir P1 供

15、体菌：供体菌：supC+ trpA+ pyrF+ 受体菌：受体菌：supC- trpA- pyrF- 转导子转导子 （1）supC+ trpA+ pyrF+ 36（双交换）（双交换） （2）supC+ trpA+ pyrF- 114（双交换）（双交换） （3）supC+ trpA- pyrF+ 0（四交换）（四交换） （4）supC+ trpA- pyrF- 453（双交换）（双交换）603基因顺序是基因顺序是: supC trpA pyrF 如何用共转导率判断基因间的顺序？如何用共转导率判断基因间的顺序？supC-trpA =(36+114)/(36+114+453)= 0.25trpA-p

16、yrF=36/605 = 0.06supC-pyrF=36/605 = 0.06如果把三个基因中每两个基因的共转导频如果把三个基因中每两个基因的共转导频率算出来，还可根据这一频率推算出三个率算出来，还可根据这一频率推算出三个基因之间的物理距离：基因之间的物理距离： d=同一染色体上两基因之间的物理距离同一染色体上两基因之间的物理距离L=转导转导DNA的平均长度（约为一噬菌体基的平均长度（约为一噬菌体基因组大小）因组大小）X=两个基因共转导的频率两个基因共转导的频率稳定转导与流产转导：稳定转导与流产转导：稳定转导：稳定转导：指外基因子重组到受体菌基因组中指外基因子重组到受体菌基因组中获得能稳定遗

17、传的转导子。获得能稳定遗传的转导子。流产转导：流产转导：转导转导DNA进入受体细胞后，不与进入受体细胞后，不与受体基因组交换，也不进行受体基因组交换，也不进行DNA复制，稳定复制，稳定独立存在于细胞中。使后代细胞中只有一个细独立存在于细胞中。使后代细胞中只有一个细胞具有转导胞具有转导DNA，其他细胞不含转导，其他细胞不含转导DNA，后代细胞发生分离。由于细菌不断增殖，故该后代细胞发生分离。由于细菌不断增殖，故该转导类型的细菌所占比例越来越少，以至最终转导类型的细菌所占比例越来越少，以至最终消失，故称为流产转导。消失，故称为流产转导。 3、局限性转导、局限性转导概念：又称概念：又称专一性转导专一

18、性转导（specialized transduction）是指噬菌体只把细菌基因组中）是指噬菌体只把细菌基因组中特定部分的基因整合到自己的特定部分的基因整合到自己的DNA中，然后转中，然后转移给受体细菌的过程。移给受体细菌的过程。 低频转导：低频转导：溶源性细溶源性细菌中菌中原噬菌体原噬菌体异常解异常解离形成转导噬菌体离形成转导噬菌体（dgal 或或 dbio）是）是缺陷噬菌体，感染缺陷噬菌体，感染gal-或或bio-受体菌转导受体菌转导子频率很低，且转导子频率很低，且转导子还不能产生噬菌体子还不能产生噬菌体颗粒，这种转导叫低颗粒，这种转导叫低频转导。频转导。高频转导高频转导（High-fee

19、quency transduction, HFT）：用双重溶源菌作为转导的供体而进行用双重溶源菌作为转导的供体而进行的转导，释放出的转导噬菌体频率比低频转导的转导，释放出的转导噬菌体频率比低频转导高，可达到高，可达到50%。双重溶源菌：双重溶源菌：入噬菌体和转导噬菌体入噬菌体和转导噬菌体同时同时侵染侵染寄主菌，同时进入寄主菌体内而形成的溶源菌。寄主菌，同时进入寄主菌体内而形成的溶源菌。1、供体菌株为、供体菌株为Hfr arg-leu+aziSstrR，受体菌株，受体菌株F-arg+leu-aziRstrS。为了检出和收集重组体。为了检出和收集重组体F-arg+leu+aziR，应用下列哪一种培

20、养基可以完成这，应用下列哪一种培养基可以完成这一任务，为什么其他的培养基不可以？一任务，为什么其他的培养基不可以？（1）基本培养基加链霉素）基本培养基加链霉素（2）基本培养基加叠氮化钠和亮氨酸）基本培养基加叠氮化钠和亮氨酸（3）基本培养基加叠氮化钠）基本培养基加叠氮化钠（4）在选择培养基中不加精氨酸和亮氨酸，加链霉）在选择培养基中不加精氨酸和亮氨酸，加链霉素素（5）基本培养基加链霉素和叠氮化钠）基本培养基加链霉素和叠氮化钠2. 假定你证明对过去一个从未描述过的细菌假定你证明对过去一个从未描述过的细菌种有遗传重组，如使种有遗传重组，如使ab+菌株与菌株与a+b菌株混合菌株混合培养，形成培养，形成a+b+、ab的重组类型，试说明将的重组类型，试说明将采用哪种方式来确定这种重组是转化、转导采用哪种方式来确定这种重组是转化、转导还是接合的结果。还是接合的结果。 3在普遍性转导中，供体大肠杆菌细胞的基因型是在普遍性转导中