7 细菌的遗传分析主要内容 :

1 、细菌的细胞和染色体的特征；

2 、大肠杆菌的突变型、筛选；

3 、大肠杆菌的性别特征和重组特征；

4 、中断杂交实验作图及重组作图的方法及原理；

5 、性导、转导、转化的概念，转化作图和转导作图的方法。

7.1 细菌的细胞和基因组

7.1.1 细菌的细胞

细菌细胞的结构：基本结构为细胞壁、细胞膜、拟核、核糖体、细胞质及内含物。特殊结构如荚膜、鞭毛等。

细菌的繁殖方式：二裂式均等分裂， 1代/20min。

7-2 细菌染色体的复制和细胞分裂

7.1.2 细菌的基因组

染色体：环状裸露的双链 DNA分子，长度为250～ 35000um, ，以折叠或螺旋状态存在；每个细胞中有 1 ～２个染色体，染色体附着于细胞膜的一定区域。

细菌染色体的遗传特征：１）通过杂交使细菌将一部分遗传物质传递给另一细菌，无细胞融合过程；２）杂交子代中含有受体菌的部分遗传物质和共体菌的全套遗传物质，称为部分二倍体。

7-3

7-4

7.2 　大肠杆菌的突变型及其筛选

7.2.1 大肠杆菌的突变类型

⑴ 合成代谢功能的突变型：由于合成代谢功能相关的基因发生了突变，阻碍了整个合成代谢功能的实现，从而不能合成细菌生长所需的物质。

表型表示： 以不能合成的物质命名， Met-

甲硫氨酸缺陷型 , Bio- 生物素缺陷型 , Thr- 苏氨酸缺陷型。 metA和 metB表型都是 Met- 。

⑵ 分解代谢功能的突变型：不能利用比葡萄糖更为复杂的糖如乳糖、甘露糖、木糖等 ,或者不能将一些复杂的分子如氨基酸或脂肪酸等降解为乙酸或三羧酸循环的中间物。

表型表示：以不能分解或利用的物质命名。 Lac- 乳糖不能利用， Gal- 半乳糖不能利用。

⑷ 抗噬菌体突变型　　原理：改变细菌膜蛋白 , 噬菌体不能吸附或吸附能力降低。 表型表示： T1噬菌体 Tonr Tons

　　　　　　 T2噬菌体 Ttor Ttos

⑶ 抗药型突变型抗药机理：核糖体 30S亚基 S12蛋白变异，不能和链霉素结合。青霉素不能抑制细胞壁的形成。　表型表示：药物敏感型，如 pens ， strs 。　　　　　抗药型：如 penr, strr,

7.2.2 细菌的培养和突变型筛选

细菌的培养 : 液体培养和固体培养。

细菌突变体的筛选：影印培养法，先在一个母板上使细菌长成菌落，然后用一个比培养皿略小、包裹一层消过毒的丝绒木板，印在母板上，将菌落吸附在丝绒上，再将这块丝绒印到含有各种不同成分的培养基上。凡不能出现在影印培养基上的菌落，说明缺乏合成某一物质的能力，或对某类药物等有抗性，是突变的菌落。

细菌的培养

细菌突变体的筛选

菌株 A 菌株B

Met-bio-thr+leu+thi+ × Met+bio+thr-leu-

thi-

7.3 细菌的接合与染色体作图7.3.1 细菌接合现象的发现

无菌落　　 10-7 无菌落Met+bio+ thr+ leu+thi+

推测： 1 回复突变； 2 遗传转导； 3 营养互补； 4 遗传重组。

？

7.3.2 U 型管试验 (Davis,1950)

菌株 A 菌株B

结论 : 1 两菌株细胞直接接触对野生型的产生是必要的。 2 细菌发生了基因重组，产生了原养型 ： Met+bio+ thr+ leu+thi+问题：细菌间基因重组如何进行？

7.3.3 F 因子及其转移

A: met-bio-thr+leu+thi+strs

× 加链霉素B: met+bio+thr-leu-thi-strr

↓ 基本培养基:出现菌落

正交met-bio-thr+leu+thi+ strr

× 加链霉素met+bio+thr-leu-thi-strs

↓ 无菌落

反交

解释 :

1) E-coli的遗传物质单向传递的。

2) 菌株 A 和菌株 B 在杂交中的作用不同 , Ａ为供体（♂），菌株Ｂ为受体（♀）。

F 因子 (F factor or Felement):即可育因子(fertility factor) 、性因子 (sex factor) ，是细菌的一种附加体，是环状的 DNA分子，它的存在使宿主具有供体的能力。

附加体 : 既可存在于染色体外作为一个独立的复制子 , 也可整合到细菌染色体作为细菌复制子的一部分的遗传因子。

质粒（ plasmid)：染色体外能进行自主复制的遗传单位，专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中染色体以外的 DNA分子。

F+菌株：带有 F 因子的菌株，作为供体提供遗传物质。

Hfr菌株：高频重组菌株， F 因子通过配对交换，整合到细菌染色体上的菌株。

F-菌株：不带有 F 因子的菌株，作为受体接受遗传物质。

F+×F- 的特点： 1 ） F 因子转移的频率很高（ 1/10）。 2 ）染色体转移频率很低（ 10-

7 ）。 F ＋品系为低频重组品系。

Hfr×F- 转移特点 : (1) F 整合后呈线状； (2) 转移起点（原点）位于中间； (3) 首先转移 F 因子的一部分 ,再转移细菌染色体 ,F因子的剩余部分最后转移。

(4) 细菌染色体转移频率很高， F 质粒转移频率低。 Hfr为高频重组品系。

7.3.4 细菌基因重组的特点

1) F- 细胞得到的只是 F 因子的一部分 , 因此 , Hfr×F- 选出的大多数重组子仍为 F- 。2)F- 受体细胞只接受部分的供体染色体 , 这样的细胞为部分二倍体或半合子 , 也称局部融合 .部分二倍体 :指含有一个完整基因组和部分基因组的细胞 .(半合子 )。

3) 内、外基因子之间发生单交换 , 不能产生

重组子。

4 ）偶数次的交换才能产生有活性的重组

子，且相反的重组子不出现。

内基因子 :受体完整基因组。

外基因子 :供体部分基因组。

7.4 中断杂交与重组作图7.4.1 中断杂交实验原理1 中断杂交实验Hfr ： thr+ leu+ azir tonr lac+ gal+ strs

×F- ： thr- leu- azis tons lac- gal- strr问题 1 ：如何确定基因转移的顺序和时间？问题 2 ：如何检出某一基因的重组子？问题 3 ：在发生重组的菌落中，如何检出非选择 标记基因？

中断杂交实验：混合培养液进行通气培养 , 每隔一定时间取样 , 把菌液放入搅拌器内以打断配对的接合管 , 使接合的细胞分开以中断杂交 , 然后检查某一基因是否发生重组 , 这种用来研究细菌接合过程中基因转移顺序和时间的实验即中断杂交实验。

问题 1 ：如何确定基因转移的顺序和时间？

Hfr ： thr+ leu+ azir tonr lac+ gal+ strs

×F- ： thr- leu- azis tons lac- gal- strr

问题 2 ：如何检出某一基因的重组子？

用 thr+ 、 leu+ 和 strr 这三个基因作为选择标记，把中断杂交的细菌稀释接种到含有链霉素的基本培养基上 , 如能形成菌落 , 它的基因型必定为 thr+ leu+ strr , 说明 thr+ leu+已经进入受体并发生重组。

Hfr ： thr+ leu+ azir tonr lac+ gal+ strs

×F- ： thr- leu- azis tons lac- gal- strr

对每一时刻的重组 thr+ leu+ strr 的菌落影印培养到不同的培养基上，如接种在含叠氮化钠，含噬菌体 T1、含乳糖无葡萄糖，含半乳糖无葡萄糖的培养基上，记录重组子中每一非选择标记基因出现的时间、出现的频率和持续时间。

问题 3 ：在发生重组 (thr+ leu+ strr) 的菌落中，如何检出非选择标记基因？

Hfr ： thr+ leu+ azir tonr lac+ gal+ strs

×F- ： thr- leu- azis tons lac- gal- strr

10

Hfr 的未选择性标记基因进入 F- 所需时间：

基因 转入时间 /min 频率 /% thr+ 8 100

leu+ 8.5 100

azir 9 90

tonr 11 70

lac+ 18 40

gal+ 25 25

7.4.2 中断杂交作图

中断杂交作图 : 利用中断杂交实验方法，以Hfr菌株基因出现在Ｆ - 的时间（ min)为图距单位 , 对大肠杆菌染色体基因作图的方法。

作图原理：离原点愈近的基因进入 F-愈早 , 出现在 F- 中的比例愈大 ,反之 ,则愈小。

0 5 10 15 20 25 （ min)

( 原点 ) azi ton lac gal

Hfr菌株

转移起点及顺序

H

1

2

3

0 thr azi ton lac pur gal his gly thi

0 thr thi gly his gal pur lac ton azi

0 azi thr thi gly his gal pur lac ton

0 pur lac ton azi thr thi gly his gal

不同 Hfr 品系中基因转移的顺序

原因： F 因子在不同的位点插入细菌染色体 , 且配对方向不同。

结论：大肠杆菌染色体呈环状。

Hfr3

Hfr2

thr

lac his

gal pur

thi azi

gly

HfrH Hfr1

ton

大肠杆菌染色体呈环状

7.4.3 重组作图

1 条件1 ）已知两个基因紧密连锁 ; 2 ）已知两个基因进入受体菌的先后顺序。

2 原理 部分二倍体内如果不发生重组，无法鉴别。只有最后一个基因进入受体细胞，且两基因间发生了重组才能鉴别。即最后一个基因发生重组的条件下，计算两基因间的重组率。

3 杂交实验Hfr ： lac+ ade+ X F- ： lac- ade-

lac- ade-

lac+ ade+

①②

③

⑴ 在缺乏腺嘌呤的培养基上，表型为 lac+ade+,

交换发生在两个基因之外。

⑵ 表型 lac+ade-, 交换发生在①②间， lac+进入，而 ade+未进入。⑶ 表型为 lac-ade+ ，交换发生在②③间，这是真正的重组子。

4 计算重组率

重组作图与中断杂交作图的图距关系 :

1 分钟图距 ≈ 20% 重组值Ecoli染色体全长： 100 min, 含有 4×106bp

20×100 ≈ 2000 cM

7.5 F‘ 因子与性导

7.5.1 F’ 因子与 F’ 菌株 F’ 因子：整合态的 F 因子从 Hfr上错误切割下来，且带有细菌个别基因的 F 因子。 F‘ 菌株：指带有 F`因子的细菌。7.5.2 性导 利用 F’因子将供体菌的基因导入受体形成部分二倍体的过程。 Hfr × F- → F- F` × F- → F`

图 7-12 图 7-13

7.5.3 F+ 、 F- 、 F’、 Hfr的关系

1 、 F+菌株是带有 F 因子的细菌 ,F因子存在于细胞质中。 F+菌株能以很高的频率转移F 因子，但转移细菌染色体的频率很低。

2 、 F-菌株是不带有 F 因子的菌株，可以与 F+、 F‘、 Hfr 菌株接合，接受遗传物质。

4 、 Hfr菌株是 F 因子整合到细菌染色体上的菌株，能以很高的频率转移细菌染色体，而F 因子很少进入。

3 、 F’菌株是带有 F‘因子的菌株。整合到Hfr染色体上的 F 因子不规则的脱落，导致 F因子丢失自身的 DNA片段而带有染色体的片段。 F’因子可转移部分细菌染色体，转移顺序和方向与原来的 Hfr一样。

7.6 细菌的转化与转导作图

7.6.1 细菌的转化与作图

1 概念

转化：游离的细菌 DNA片段被吸收到不同的细

菌细胞内（受体），并整合到受体基因组中。

转化子：通过转化而形成的重组体。

共转化：同时转化细菌的两个或两个以上的标

记基因。

2 转化的条件1 ）受体细胞的生理状态（是否为感受态）； 感受态细胞：能接受外源 DNA分子并被转化的细菌细胞。 感受态因子：促进转化作用的酶或蛋白质分子。2 ）细胞壁或细胞膜上有固定数目的 DNA受体部位。 3 ） DNA片段的大小等； 如肺炎双球菌要求外源 DNA大于 800bp，枯草杆菌要求大于 16kb。4 ）外源 DNA片段与受体 DNA的同源程度。

3 细菌转化的机制

1 ）双链 DNA分子和细胞表面受体部位可逆性结合。

2 ）供体 DNA片段被吸入受体细胞，并要防止受体 DNA酶的破坏。

3 ）供体 DNA进入受体后，立即从双链转变成单链，其中一条链被降解。

4 ）未被降解的一条单链 DNA插入受体 DNA链中，与同源区段结合形成杂合的 DNA分子。

5 ）杂合 DNA经细胞内的修复系统校正，复制、分离后，形成各种类型的转化子。

基因 转化子类型

trp2 + - - - + + +

his2 + + - + - - +

tyr1 + + + - - + -

1194

0

366

0

68

5

418 260

0

107 1180

表 7-4 trp2+his2

+tyr1+×trp2

-his2-tyr1

- 结果分析

4 细菌的转化作图

基因间的重组

亲本型（ + +）

重组型（ + -）和（ - +）

RF

trp2-

his2

11940+1180=13

120

2600+107+3600+418=6

785

0.3

4

trp2-

tyr1

11940+107=120

47

2600+1180+3660+685=

8125

0.4

0

his2-

tyr1

11940+3600=15

600

418+1180+685+107=23

90

0.1

3

trp2 his2 tyr1

34 13

40

转导：以病毒为载体把遗传信息从一个细菌细胞传递到另一个细菌细胞。即细菌的一段染色体被错误地包装在噬菌体的蛋白质外壳内，通过感染转移到另一受体菌中。

3 ）与转导有关的概念

转导子：通过转导形成的重组体细菌细胞。

转导噬菌体：携带供体细菌染色体片段的噬菌体。

原噬菌体：温和噬菌体侵入细菌后通过交换整合到细菌染色体上，随细菌染色体一起复制和遗传的噬菌体。即溶源性细菌所携带的噬菌体。

溶源性：噬菌体在细菌体内通过整合酶的作用而整合到寄主染色体上成为原噬菌体状态，并与寄主染色体一起复制，这种现象即细菌的溶源性。

溶源性细菌：细胞中含有原噬菌体的细菌。

4 ）细菌的普遍性转导与作图

①普遍性转导：转导噬菌体携带的供体染色体片段是完全随机的，即能够转导细菌染色体上的任何基因。

流产转导 : 转导 DNA分子进入受体细胞后 ,既不与受体基因组发生基因交换 , 又不随细胞DNA复制而复制 , 而是稳定地存在于细胞之中的现象。

②普遍性转导特点： a 频率很低。转导每一个基因的频率约为 3×10-5 。 b 两个基因始终是一起被转导或同时被转导频率较高，则两基因是连锁的。 共转导（并发转导）：两个基因同时被转导的现象。

③普遍性转导作图原理：两基因的共转导率愈大相距愈近，反之则愈远。

a 双因子转导作图 如：确定 abc三个基因在染色体上的顺序，分别测定 a-b、 a-c、 b-c 的共转导率；如果： a-b的共转导率最大， a-c较大，而 b-c的最小，

则顺序为： b a c

7.6.2 细菌的转导与作图1 ）细菌转导的发现LT22 phe- trp- tyr- his+× LT2 phe+ trp+ tyr+ his-

2) 产生上述结果的原因

这种过滤性因子为 P22， LT22是携带了P22 的溶源性细菌， LT2是对 P22 敏感的非溶源性细菌。

④ 唯一可能的是：通过一种过滤性因子而实现。

③ 转化？表现为不受 DNA酶的影响，排除了由于 DNA片段通过滤片经转化实现基因重组的可能性。

② 接合、性导？ U 形管试验防止细胞直接接触，获得了野生型重组体，排除了接合和性导。

① 回复突变 ? 高频率的出现不可能是回复突变。

b 三因子转导作图

例 1 ：用大肠杆菌 P1噬菌体进行转导实验：供体 thr+ leu+ azis ×受体 thr- leu- azir

转导子基因型 共转率 thr+ leu+ 3% thr+ azir 0% leu+ azir 50%

则基因顺序为 : thr leu azi

例 2 ：用大肠杆菌 P1噬菌体介导的转导实验 :

供体 supC+trpA+pyrF+×受体 supC-trpA-

pyrF-

(1) supC+trpA+pyrF+ 36

(2) supC+trpA+pyrF- 114

(3) supC+trpA-pyrF+ 0

(4) supC+trpA-pyrF- 453

供体　受体　供体基因　基因　基因

１ ２

7-16

基因顺序是 : supC—trpA— pyrF

共转率与图距关系： d—图距 L—转导 DNA的平均长度 X—两个基因的共转导频率

)1( 3 xLd

supC+ 、 trpA+ 共转导的概率：

（ 36+114 ） /603=0.25 ；

supC+ 、 pyrF+ 共转导的概率：

36/603=0.06

4) 局限性转导与作图

局限性转导：只转导供体基因组中的特定基因。如以 λ噬菌体为介导的转导 , 可被转导的只是λ噬菌体在细菌染色体上插入位点两侧的 gal和 bio基因。

特点：转导仅局限于靠近噬菌体附着点基因。

高频转导：用紫外线诱导 gal+/gal- 细胞（双重溶源性）裂解，所产生的溶菌产物将包含一半 λ噬菌体和一半 λ gal+ 转导噬菌体。这种溶菌产物进行转导的频率较高。

低频转导：有缺陷的 λ噬菌体转导后， gaL+

菌株在裂解时也不产生成熟的 λ颗粒，而且局限性转导颗粒发生的频率很低，故用这种噬菌体群体（ λ gal+ ）感染非溶源性的 gal- 的受体后，转导子出现的频率很低。

7.7 细菌同源重组机制

环状双螺旋 DNA与双链或单链 DNA片段之间的重组；

7.7.1 细菌同源重组的特点

1) 转化中重组特点 实质是单链 DNA片段 ( 供体 ) 与完整DNA(受体 ) 之间的重组。 ①切除外源 DNA——无重组 ②切除受体 DNA——发生重组 ③无修复作用 ——子代细胞出现两种基因型（受体基因型和重组体基因型）。

接合重组（ Hfr与 F-之间进行） : 部分 DNA

进入细胞，且只有其中的部分参与重组，机制与转化重组相似。

转导重组 : 双链 DNA与完整双链 DNA之间的重组，供体 DNA以双链进入受体细胞，并且以双链形式整合进入染色体。

2 ）接合和转导重组的特点

7.7.2 细菌同源重组的分子基础

1 ） RecBCD识别 chi序列引发重组

5‘ GCTGGTGG3’

3‘ CGACCACC5’

RecBCD酶复合体的活性作用： ① 核酸酶的作用； ② 解旋酶的作用； ③ ATP酶活性。

① RecBCD结合到chi右侧并沿 DNA移动 , 使 DNA解链 , 降解释放含 3’端的单链 ; ② 在距 chi 位点右侧 4-6个碱基处切开 DNA链 , 以单链形式被识别 ;

RecD③ 亚基解离或失活 ,RecBC 酶继续解旋 .

2 ） RecA 催化单链同化

RecA蛋白的活性作用：① 蛋白酶活性；② 促进 DNA单链与双链 DNA分子中的互补链间的碱基配对。

单链同化：在 RecA的作用下，使一条 DNA

单链置换一条双链 DNA分子中同源链的反应。

图 7-19 RecA 催化单链同化

3 ） Ruv系统解离 Holliday连接点

大肠杆菌 ruc基因的产物： RuvA、 RuvB和 RuvC。

RuvA识别 Holliday连接点的结构；

RuvB有 ATP酶的活力，为分支迁移提供动力；

RuvC具核酸内切酶的活性 , 转一性的识别Holliday连接点 .

图 7-21 RuvAB催化分支迁移

图 7-22 细菌的酶催化重组过程