細(xì)菌和噬菌體的遺傳分析優(yōu)秀課件

第六章 細(xì)菌和噬菌體的遺傳分析1第一節(jié)細(xì)菌的遺傳分析

一、細(xì)菌的生物學(xué)特征

細(xì)菌是單細(xì)胞生物，完成每個(gè)世代只需20分鐘，而且容易得到它的生化突變型，它不僅在醫(yī)學(xué)上和農(nóng)業(yè)上重要，而且從進(jìn)化角度上也是異常成功的，因?yàn)樗紦?jù)地球上大部分的生物干重。研究細(xì)菌遺傳的方法：主要是對(duì)細(xì)菌菌落形態(tài)的遺傳研究(如圖，霉菌菌落)原則上說(shuō)，培養(yǎng)皿中每個(gè)細(xì)菌長(zhǎng)成的菌落應(yīng)具有共同的遺傳組成，但是由于偶然發(fā)生的突變：形態(tài)性狀的突變，生理特性的突變或抗性的突變，而使這些突變后的細(xì)菌所形成的菌落與其他的菌落有所不同。菌落形態(tài)性狀的突變包括：菌落的形狀、顏色和大小等。2霉菌菌落3二、細(xì)菌的突變型

（一）營(yíng)養(yǎng)缺陷型

生理特性的突變包括：?jiǎn)适Ш铣赡撤N營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能力的營(yíng)養(yǎng)缺陷型。（二）抗藥突變型

抗性突變包括：抗藥性或抗感染性。

5三、細(xì)菌有性雜交

1964年Ledeberg和Tatum用大腸桿菌K，證明細(xì)菌有性雜交存在。

（一）大腸桿菌雜交試驗(yàn)Abio-(生物素)met-（甲硫氨酸）thr+（蘇）leu+（亮）thi+（VB1）Bbio+(生物素)met+（甲硫氨酸）thr-（蘇）leu-（亮）thi-（VB1）A、B都為營(yíng)養(yǎng)缺陷型，在基本培養(yǎng)基上不能生長(zhǎng)。A、B混合培養(yǎng)，基本培養(yǎng)基上有10-7－10-8菌落，61、個(gè)別細(xì)菌由營(yíng)養(yǎng)缺陷型轉(zhuǎn)變?yōu)樵B(yǎng)型a、基因突變Abio-met-bio+met+或Bthr-leu-thi-thr+leu+thi+但單獨(dú)培養(yǎng)都未突變，間接說(shuō)明不是。b、AB二細(xì)菌雜交得bio-met-thr+）leu+thi+bio+met+thr+leu+thi+bio+met+thr-leu-thi-2、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)互補(bǔ)A能合成B不能合成物質(zhì),而B(niǎo)能合成A不能合成物質(zhì)，混合后二種物質(zhì)被同一細(xì)菌利用，可生長(zhǎng)。7（三）電境觀察--接合管證實(shí)有性雜交存在。問(wèn)題：AB二細(xì)胞遺傳物質(zhì)是混合，還是單向轉(zhuǎn)移。

（四）遺傳物質(zhì)單向轉(zhuǎn)移

Lederberg和Tatum認(rèn)為細(xì)菌雜交似高等生物，二細(xì)胞融合基因重組，1953年Hayes(海斯)在驗(yàn)證雜交時(shí)偶爾發(fā)現(xiàn)雜交中AB細(xì)菌作用不同，遺傳物質(zhì)是單向轉(zhuǎn)移，A→B，不能B→A。9結(jié)果不同，表明A、B有性雜交作用不同，提出遺傳物質(zhì)單向轉(zhuǎn)移。供體：提供遺傳物質(zhì)的細(xì)菌雄性A受體：接受遺傳物質(zhì)的細(xì)菌雌性B所以A→B不久發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致單向轉(zhuǎn)移的是細(xì)胞質(zhì)中一個(gè)微小可轉(zhuǎn)移因子——F因子

10四、大腸桿菌F-F+HfrF/菌株

（一）F-F+菌株1、F因子結(jié)構(gòu):細(xì)胞質(zhì)中環(huán)狀DNA，分三個(gè)區(qū)段原點(diǎn)：轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)致育基致育基因：決定細(xì)菌的育性,含有育性區(qū)的大腸桿菌在細(xì)胞表面有很多毛狀的性纖毛（或性傘毛）。配對(duì)區(qū)：與細(xì)菌環(huán)狀染色體配對(duì)區(qū)段相對(duì)應(yīng)，通過(guò)簡(jiǎn)單的單交換可到細(xì)菌染色體上。2、F因子存在方式游離狀態(tài)：在細(xì)胞質(zhì)中，能自我復(fù)制獨(dú)立遺傳整合狀態(tài)：整合到細(xì)菌環(huán)狀染色體上，與細(xì)菌染色體一起遺傳。113、F因子的特性（1）決定大腸桿菌育性F+菌株，含游離F因子供體雄性F－菌株，無(wú)游離F因子受體雌性（2）F因子高頻率轉(zhuǎn)移當(dāng)F+×F－,F+的F因子復(fù)制為二,通過(guò)接合管將F因子傳遞給F－菌株,使F－轉(zhuǎn)變?yōu)镕+,頻率高達(dá)95%,即高頻率的轉(zhuǎn)移F因子.接合管的形成：菌株靠近→細(xì)胞膜融合→兩細(xì)胞間形成接合管F因子轉(zhuǎn)移：F因子從原點(diǎn)斷裂，以原點(diǎn)為先導(dǎo)，邊復(fù)制邊轉(zhuǎn)移（因此叫滾環(huán)復(fù)制），復(fù)制后的F因子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞中。細(xì)胞分開(kāi)，使F-變成F+。(3)基因重組的頻率低當(dāng)F+×F－,F+菌株環(huán)狀DNA復(fù)制通過(guò)接合管進(jìn)入F-細(xì)菌細(xì)胞，與F-細(xì)菌的基因交換，使基因重組，但頻率很低＜1%，菌落很少。(4)F因子可以自發(fā)喪失13（二）高頻重組菌株（Hfr菌株）1951年，卡瓦里（Cavalli）等人，1954年海斯（Hayes）先后在A菌株中分離出新的菌株。1.1.特點(diǎn)(11)可以作為供體，與B雜交，重組頻率比A×B高1000倍，稱高頻重組菌株。(2)轉(zhuǎn)移F因子頻率低2、2.Hfr形成F因子整合到細(xì)菌環(huán)狀DNA上，這種整合狀態(tài)F＋菌株叫Hfr（高頻重組）。143、Hfr×F-

雜交過(guò)程也是先形成接合管，然后Hfr邊復(fù)制邊轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的順序：原點(diǎn)→配對(duì)區(qū)→大腸桿菌基因→配對(duì)區(qū)→育性基因。整合到細(xì)菌環(huán)狀染色體上的F因子容易在原點(diǎn)處斷開(kāi)，并以線性以原點(diǎn)為起點(diǎn)進(jìn)入受體細(xì)胞中，將細(xì)菌環(huán)狀染色體上基因帶入受體細(xì)胞中，基因重組頻率高。但在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，結(jié)合管很易斷開(kāi)，這樣轉(zhuǎn)移到受體的部分只是靠近原點(diǎn)的一部分（全部轉(zhuǎn)移需溫和條件120分鐘），形成部分二倍體。致育基因位于最后，而接合管隨時(shí)可能斷開(kāi)，轉(zhuǎn)移F因子頻率低。1517（3）交換特點(diǎn)①交換發(fā)生在完整的F－環(huán)狀染色體和供體線性染色體片段之間即部分二倍體②奇數(shù)交換，形成一個(gè)線狀分子，在大腸桿菌中不能復(fù)制，導(dǎo)致細(xì)胞死亡；無(wú)效交換。偶數(shù)交換，形成環(huán)狀重組體（有效）和線狀分子（不能復(fù)制，消失）。③只出現(xiàn)一種重組子（雜交后代），無(wú)對(duì)應(yīng)重組體，真核生物出現(xiàn)四種雜交后代。(四)F/菌株F因子可從Hfr脫離成為F+，通常準(zhǔn)確脫離，偶爾不準(zhǔn)，使F因子帶有細(xì)菌的個(gè)別基因。這種帶有細(xì)菌個(gè)別基因的F因子，稱F/菌株。（五）大腸桿菌的F-、F+、Hfr、F、菌株

18五、細(xì)菌的遺傳作圖（一）細(xì)菌的遺傳重組

原核生物的遺傳重組實(shí)質(zhì)上是指受體中插入來(lái)自供體的遺傳性不同的DNA片段，并把這種DNA片段或它的復(fù)本整合為受體基因組的一部分。受體的遺傳重組可以通過(guò)三種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：1、接合供體細(xì)菌的DNA通過(guò)接合管進(jìn)入受體細(xì)菌，實(shí)現(xiàn)基因重組。2、轉(zhuǎn)化游離的細(xì)菌DNA片段被不同的細(xì)菌細(xì)胞（受體）吸收.3、轉(zhuǎn)導(dǎo)一種細(xì)菌的DNA片段經(jīng)過(guò)溫和的或有缺陷的噬菌體傳遞給另一種細(xì)菌19

進(jìn)入F-的Hfr基因8/

不生長(zhǎng)有噬菌斑不生長(zhǎng)不生長(zhǎng)無(wú)9/生長(zhǎng)有噬菌斑不生長(zhǎng)不生長(zhǎng)azir11/生長(zhǎng)無(wú)噬菌斑不生長(zhǎng)不生長(zhǎng)azirtonr

18/生長(zhǎng)無(wú)噬菌斑生長(zhǎng)不生長(zhǎng)azirtonrlac+24/生長(zhǎng)無(wú)噬菌斑生長(zhǎng)生長(zhǎng)azirtonrlac+gal+F因子約在120分鐘后進(jìn)入。

21（1）Hfr的基因按一定順序和時(shí)間間隔進(jìn)入F-（2）每個(gè)基因進(jìn)入F-有一定頻率，且在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高（3）進(jìn)入F-越早，頻率越高（4）F因子進(jìn)入遲，頻率低3、Hfr染色體上基因排列順序224、細(xì)菌染色體為環(huán)狀23(四)重組作圖

如果兩個(gè)基因間的轉(zhuǎn)移時(shí)間小于2分鐘，用中斷雜交法所得的圖距不太可靠，應(yīng)采用傳統(tǒng)的重組作圖法。例如，有兩個(gè)緊密連鎖的基因lac-(乳糖不發(fā)酵)和ade-(腺嘌呤缺陷型)，為了求得兩個(gè)基因間的距離，可采用Hfrlac+ade+和F-lac-ade-的雜交實(shí)驗(yàn)。用完全培養(yǎng)基但不加腺嘌呤，可以選出F-ade+的菌落。25檢測(cè)：

26一噬菌體結(jié)構(gòu)和類型（一）結(jié)構(gòu)

病毒是比細(xì)菌更為簡(jiǎn)單的生物，它們也只有一條染色體，即單倍體。有些病毒的染色體是DNA，還有一些病毒是RNA。病毒主要是由蛋白質(zhì)外殼及其包被的核酸所組成的顆粒。病毒可根據(jù)宿主(動(dòng)物、植物、細(xì)菌)或遺傳物質(zhì)(DNA或RNA)來(lái)分類。細(xì)菌病毒(Bacterialphage)，稱為噬菌體(phage)(如圖)，是目前經(jīng)過(guò)廣泛研究，了解比較清楚的一種病毒噬菌體是指浸染細(xì)菌、放線菌以及真菌的病毒。都沒(méi)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，由一個(gè)蛋白質(zhì)外殼包圍一段DNA或RNA（煙草花葉病毒為RNA病毒）。第二節(jié)噬菌體的遺傳分析29噬菌體30(二)類型１．烈性噬菌體

遺傳學(xué)上應(yīng)用較廣泛的是大腸桿菌的T偶數(shù)系列噬菌體。它們的外貌都象蝌蚪狀(如圖)。T偶數(shù)系列噬菌體具有六角形的頭部，其內(nèi)部含有雙鏈DNA分子，尾部包括一個(gè)中空的針狀結(jié)構(gòu)及外鞘。末端是基板，由尾絲及尾針組成。T偶數(shù)系列噬菌體的尾絲附著在大腸桿菌表面時(shí)，通過(guò)尾鞘的收縮將噬菌體DNA經(jīng)中空尾部注入寄主細(xì)胞，破壞寄主細(xì)胞的遺傳物質(zhì)，并合成大量的噬菌體DNA和蛋白質(zhì)，組成許多新的子噬菌體，最后使細(xì)菌裂解，釋放出無(wú)數(shù)個(gè)子噬菌體。所以這樣的T偶數(shù)系列噬菌體稱為烈性噬菌體。3132２．溫和噬菌體

溫和噬菌體侵入細(xì)菌后，細(xì)菌并不裂解，即它們有溶源性的生活周期。例如λ和P1噬菌體可代表略有不同的溶原性類型。λ噬菌體附著在大腸桿菌染色體的gal和bio位點(diǎn)之間的attλ座位上，它能通過(guò)交換而整合到細(xì)菌染色體上，整合的噬菌體稱為原噬菌體(圖)。3334原噬菌體35P1噬菌體不整合到細(xì)菌的染色體上，而是獨(dú)立地存在大腸桿菌的細(xì)胞內(nèi)。原噬菌體通過(guò)紫外線照射，或溫度改變可轉(zhuǎn)變?yōu)榱倚允删w。P1噬菌體36二、噬菌體的突變型

１．快速溶菌突變型

少量T系列噬菌體（如T2）和大量大腸桿菌混合，涂于固體平板，噬菌體裂解速度越快，出現(xiàn)的噬菌斑越大。野生型r+噬菌斑小，邊緣模糊快速生長(zhǎng)突變型r噬菌斑大，邊緣整齊基因型r+r-表現(xiàn)型噬菌斑小噬菌斑大溶菌時(shí)間30‘’20‘’２．寄主范圍突變型野生型T2（用h+表示）：只能浸染B菌株（對(duì)T2敏感的細(xì)菌），不能感染B2菌株（抗T2的細(xì)菌）；T2突變型（用h表示）：既能浸染B菌株，也能浸染B2菌株。當(dāng)在含有B/B2的固體培養(yǎng)基上接種h+后，出現(xiàn)半透明的噬菌斑；而接種h后，出現(xiàn)透明的噬菌斑。37三、噬菌體的基因重組和遺傳作圖h+r×hr+子代噬菌體基因型h+rhr+h+r+hr含B/B2培養(yǎng)基上噬菌斑大半透明小透明小半透明大透明交換值＝重組型噬菌體數(shù)/總噬菌斑數(shù)×100%=h+r++hr/總×100%=小半透明+大透明/總×100%（二）連鎖圖T2快速溶菌突變型有多種，如ra、rb、rc都形成大噬菌斑，用不同類型快速溶菌突變型與宿主范圍突變型雜交，結(jié)果如下：雜交組合h+rhr+h+r+hr重組值h－r圖距h+ra×hr+34.0%42%12%12%24%24h+rb×hr+32.0%56%5.9%6.4%12.3%12.3h+rc×hr+39.0%59%0.7%0.9%1.6%1.6按圖距h、ra、rb、rc有4種排列38求drb-rcB型快速溶菌rbrc+×C型快速溶菌rb+rc混合感染大腸桿菌B，子代噬菌體rbrc+rb+rcrb+rc+rbrc噬菌斑大大小大交換值＝

rb+rc+＋rbrc/總×100%＝2×小噬菌斑/總×100%求出drb-rc＜drb-h，rbrc在同側(cè)實(shí)驗(yàn)表明（1）（2）都成立，提出連鎖圖為環(huán)狀如（1）（2）rb、rc同側(cè)，則drb-rc＜drb-h如（3）