第三章细菌和放线菌的遗传分析.ppt

1、第三章细菌和放线菌的遗传分析,凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移的一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传个体的方式，称为遗传重组。,基因重组,真核生物：有性杂交、准性杂交。 原核生物：转化、转导、接合、原生质体融合和溶源转变。,在原核微生物中，基因重组的方式主要有转化、转导、接合和原生质体融合几种形式。,一、原核微生物的基因重组,第一节 转化作用,转化（transformation） 受体菌直接吸收了来自供体菌的DNA片段，通过交换，把它组合到自己的基因组中，从而获得了供体菌的部分遗传性状 转化子：转化后的受体菌。 感受态：能进行转化的受体细胞必须处于感受态，即受体细胞最易接受外源DNA

2、片段并实现其转化的一种生理状态。,枯草芽孢杆菌的自然转化过程（革兰氏阳性菌的转化模型）,先从供体菌提取DNA片段，接着DNA片段与感受态受体菌的细胞表面特定位点结合，在结合位点上，DNA片段中的一条单链逐步降解为核苷酸和无机磷酸而解体，另一条链进入受体细胞，这是一个消耗能量的过程；,转化过程：,当细胞分裂时，此染色体发生分离，形成一个转化子；,进入受体细胞的DNA单链与受体菌染色体组上同源区段配对，而受体菌染色体组的相应单链片段被切除，并被进入受体细胞的单链DNA所取代，随后修复合成，连接成部分杂合双链,然后受体菌染色体进行复制，其中杂合区段被分离成2个，一个类似供体菌，另一个类似受体菌；,接

3、合(conjugation),供体菌（雄性）通过性菌毛与受体菌（雌性）直接接触，将F质粒或其携带的不同长度的核基因片断传递给后者，使后者获得若干新遗传性状的现象，称为接合。,含有F因子的细胞：“雄性”菌株（F+），其细胞表面有性菌毛,不含F因子的细胞：“雌性”菌株（F-），细胞表面没有性菌毛,在细菌中，接合现象研究得最清楚的是大肠杆菌的接合,第二节 接合作用,F+（雄性）菌株 F- （雌性）菌株 Hfr( 高频重组)菌株。 F菌株。,根据F因子在细胞中的有无和存在方式的不同，可把大肠杆菌分成4种接合型菌株。,通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的DNA小片段携带到受体细胞中，通过交换

4、和整合，从而使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。获得新遗传性状的受体细胞，就称转导子。,细菌转导的二种类型,普遍性转导,局限性转导,转导(transduction),第三节 转导作用,（1）普遍性转导 通过完全缺陷噬菌体对供体菌任何DNA小片段的“误包”，而实现其遗传性状传递至受体菌的转导现象，称为普遍性转导。,指通过部分缺陷的温和噬菌体的“误切”，把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并获得表达的转导现象。,（2）局限性转导,特点： 只能转导供体菌的个别特定基因； 该特定基因由部分缺陷的噬菌体携带； 缺陷噬菌体是由于其在形成过程中所发生的低频率“误切”， 或由于双重溶原菌的裂解而形成

5、，而后一情况下可以形成 50%缺陷噬菌体；,温和噬菌体感染,整合到细菌染色体的特定位点上宿主细胞发生溶源化,溶源菌因诱导而发生裂解时， 在前噬菌体二侧的少数宿主 基因因偶尔发生的不正常切 割而连在噬菌体DNA上。,部分缺陷的温和噬菌体,把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中,误切,误切,完全普遍性转导,流产普遍性转导,转导噬菌体转导后,外源DNA只位于受体细胞染色体组的同源区段，不进行 交换、整合和复制，只进行转录、转译和性状表达。,特点：转导的遗传物质 呈单线遗传。单线转导 可保持数代，很少为稳 定性重组子。,局限性转导,特点：1.只能转导供体菌的个别特 定基因（一般为噬菌体整合点两 侧的基因

6、）；2.该基因由部分缺 陷的噬菌体携带；3.缺陷噬菌体 形成过程是因为发生了“误切”或 双重溶源菌的裂解形成。,感染,开环，整合,不正常切离,部分缺陷噬菌体,定义：将遗传性状不同的两个细胞的原生质体通过人工方法进行融合，借已获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程，称为原生质体融合。,4.原生质体融合,原生质体融合,助融剂，聚乙二醇,第四节 细菌的遗传分析,一、细菌的生物学特征 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，因为它占据地球上大部分的生物干重。 研究细菌遗传的方法：主要是对细菌菌落形态的遗传研究

7、(如图，霉菌菌落) 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、颜色和大小等。,霉菌菌落,大肠杆菌,二、细菌的突变型 （一）营养缺陷型 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。 （二）抗药突变型 抗性突变包括：抗药性或抗感染性。,三、细菌有性杂交 1964年Ledeberg和Tatum用大肠杆菌K，证明细菌有性杂交存在。 （一）大肠杆菌杂交试验 A bio-(生物素) met-（甲硫氨酸） thr+（苏）

8、 leu+（亮） thi+（VB1） B bio+(生物素) met+（甲硫氨酸） thr-（苏） leu-（亮） thi-（VB1） A、B都为营养缺陷型，在基本培养基上不能生长。,A 、B混合培养，基本培养基上有10-710-8菌落，,1、个别细菌由营养缺陷型转变为原养型 a、基因突变 A bio- met- bio+ met+ 或 B thr- leu- thi- thr+ leu+ thi+ 但单独培养都未突变，间接说明不是。 b 、A B二细菌杂交 得 bio- met- thr+ leu+ thi+ bio+ met+ thr+ leu+ thi+ bio+ met+ thr- l

9、eu- thi- 2、营养物质互补 A 能合成B不能合成物质,而B能合成A不能合成物质，混合后二种物质被同一细菌利用，可生长。,（二）U实验 1950年Davis（戴维斯），做了U实验，在U底部中间用滤片隔开，交替吸压,证明菌落是由于AB二细胞接触杂交基因重组,（三）电境观察-接合管,证实有性杂交存在。 问题：AB二细胞遗传物质是混合，还是单向转移。,（四）遗传物质单向转移 Lederberg和Tatum认为细菌杂交似高等生物，二细胞融合基因重组，1953年Hayes(海斯)在验证杂交时偶尔发现杂交中AB细菌作用不同，遗传物质是单向转移，AB，不能BA。,结果不同，表明A、B有性杂交作用不同，

10、提出遗传物质单向转移。 供体：提供遗传物质的细菌 雄性 A 受体：接受遗传物质的细菌 雌性 B 所以 AB 不久发现导致单向转移的是细胞质中一个微小可转移因子F因子,四、大肠杆菌 F- F+ Hfr F/菌株 （一）F- F+ 菌株 1、F因子结构: 细胞质中环状DNA，分三个区段 原点：转录起点 致育基因：决定细菌的育性, 含有育性区的大肠杆菌在细胞 表面有很多毛状的性纤毛（或性伞毛）。 配对区：与细菌环状染色体配对区段相对应，通过简单的单交换可到细菌染色体上。 2、F因子存在方式 游离状态：在细胞质中 ，能自我复制独立遗传 整合状态：整合到细菌环状染色体上，与细菌染色体一起遗传。,3、F因

11、子的特性 （1）决定大肠杆菌育性 F+菌株，含游离F因子 供体 雄性 F菌株，无游离F因子 受体 雌性 （2）F因子高频率转移 当F+F, F+的F因子复制为二,通过接合管将F因子传递给F菌株,使F转变为F+,频率高达95%,即高频率的转移F因子. 接合管的形成：菌株靠近细胞膜融合两细胞间形成接合管 F因子转移：F因子从原点断裂，以原点为先导，边复制边转移（因此叫滚环复制），复制后的F因子转移到另一个细胞中。细胞分开，使F-变成F+。 (3)基因重组的频率低 当F+F, F+菌株环状DNA复制通过接合管进入F-细菌细胞，与F-细菌的基因交换，使基因重组，但频率很低1%，菌落很少。 (4)F因子

12、可以自发丧失,（二）高频重组菌株 （Hfr菌株） 1951年，卡瓦里（Cavalli）等人，1954年海斯（Hayes）先后在A菌株中分离出新的菌株。 1.特点 (1)可以作为供体，与B杂交，重组频率比AB高1000倍，称高频重组菌株。 (2)转移F因子频率低 2、Hfr形成 F因子整合到细菌环状DNA上，这种整合状态F菌株叫Hfr（高频重组）。,3、HfrF-,杂交过程也是先形成接合管，然后Hfr边复制边转移，转移的顺序：原点配对区大肠杆菌基因配对区育性基因。 整合到细菌环状染色体上的F因子容易在原点处断开，并以线性以原点为起点进入受体细胞中，将细菌环状染色体上基因带入受体细胞中，基因重组频

13、率高。但在转移过程中，结合管很易断开，这样转移到受体的部分只是靠近原点的一部分（全部转移需温和条件120分钟），形成部分二倍体。致育基因位于最后，而接合管随时可能断开，转移F因子频率低。,(三)接合生殖和交换特点 1、接合生殖 供体细菌的DNA通过接合管进入受体细菌，实现基因重组的方式。 由于Hfr或F的DNA在转移过程中，结合管很易断开，进入受体细胞的DNA仅部分，在受体细胞中染色体为部分二倍体。 2、基因重组 （1）部分二倍体：一个完整的基因组和一个不完整的基因组所构成的二倍体。其中受体的基因组叫内基因子，供体的基因组叫外基因子。 外基因子转移到受体以后，a) 以游离状态存在，随着细胞分裂

14、代数的增加被稀释，消失；b）与内基因子发生交换、重组。,(2)基因交换过程：,（3）交换特点 交换发生在完整的F环状染色体和供体线性染色体片段之间即部分二倍体 奇数交换，形成一个线状分子，在大肠杆菌中不能复制，导致细胞死亡；无效交换。偶数交换，形成环状重组体（有效）和线状分子（不能复制，消失）。 只出现一种重组子（杂交后代），无对应重组体，真核生物出现四种杂交后代。 (四) F/菌株 F因子可从Hfr脱离成为F+，通常准确脱离，偶尔不准，使F因子带有细菌的个别基因。这种带有细菌个别基因的F因子，称F/菌株。 （五）大肠杆菌的F-、F+、Hfr、F、菌株,五、细菌的遗传作图 （一）细菌的遗传重组

15、 原核生物的遗传重组实质上是指受体中插入来自供体的遗传性不同的DNA片段，并把这种DNA片段或它的复本整合为受体基因组的一部分。受体的遗传重组可以通过三种途径来实现： 1、接合 供体细菌的DNA通过接合管进入受体细菌，实现基因重组。 2、转化 游离的细菌DNA片段被不同的细菌细胞（受体）吸收. 3、转导 一种细菌的DNA片段经过温和的或有缺陷的噬菌体传递给另一种细菌,（二）利用中断杂交试验作图 人为的中断大肠杆菌杂交而进行的基因定位叫中断杂交法。 1、原理： 2、方法 沃尔曼（Wollman）、雅各布（Jacob） 叠氮化钠 噬菌体 乳糖 半乳糖 链霉素 Hfr azir tonr lac+

16、gal+ strs F-： azis tons lac- gal- strr 将 Hfr与F-同时加入装有完全培养基的大试管中，一定时间取样振荡，稀释接种至添加str的基本培养基（葡萄糖和无机盐）上，生长形成的菌落基因型为F-strr(F-或具Hfr部分基因的F-)，再把菌落分别转移到只添加azi、ton、以lac或gal为炭源的选择性培养基上。,进入F-的Hfr基因 8/ 不生长 有噬菌斑 不生长 不生长 无 9/ 生长 有噬菌斑 不生长 不生长 azir 11/ 生长 无噬菌斑 不生长 不生长 azir tonr 18/ 生长 无噬菌斑 生长 不生长 azir tonr lac+ 24/

17、生长 无噬菌斑 生长 生长 azir tonr lac+ gal+ F因子约在120分钟后进入。,（1）Hfr的基因按一定顺序和时间间隔进入F- （2）每个基因进入F-有一定频率，且在短时间内达到最高 （3）进入F-越早，频率越高 （4）F因子进入迟，频率低,3、Hfr染色体上基因排列顺序,4、细菌染色体为环状,(三) 基因重组作图 利用交换值做出连锁基因图 例如：已知lac+ 和ade+紧密连锁，由中断杂交知lac+ 比ade早进入受体。 作出两连锁基因连锁图。 选用杂交亲本为Hfr lac+ ade+ strsF- lac- ade-strR混合后接种,由于lac+ 比ade+先进入受体，此时lac+ 已进入受体但不一定重组到细菌染色体上，两种情况：,(四) 重组作图,如果两个基因间的转移时间小于2分钟，用中断杂交法所得的图距不太可靠，应采用传统的重组作图法。例如，有两个紧密连锁的基因lac-(乳糖不发酵)和ade-(腺嘌呤缺陷型)，