第二节第二节 细菌的遗传分析细菌的遗传分析一、转化一、转化二、接合（杂交）二、接合（杂交）三、性导三、性导四、转导四、转导 细菌与细菌之间的遗传物质的交流细菌与细菌之间的遗传物质的交流（拟有性过程）有四种不同的方式：（拟有性过程）有四种不同的方式：9/2/20249/2/20241 1一、转化一、转化（Transformation）细菌通过细胞膜摄取周围环境中细菌通过细胞膜摄取周围环境中DNA片片段，并通过重组将其整合到自身染色体段，并通过重组将其整合到自身染色体中的过程，称为转化。中的过程，称为转化。 当外源当外源DNA进入宿主后，使宿主产进入宿主后，使宿主产生新的表现型时就能测知转化的发生。生新的表现型时就能测知转化的发生。 关于转化关于转化, ,将在遗传的分子基础中讲将在遗传的分子基础中讲解。解。 9/2/20249/2/20242 2二、接合（二、接合（conjugation）在原核生物中，两个细胞在相互接触过程中，在原核生物中，两个细胞在相互接触过程中，遗传物质从一个个体转移到另一个个体的现象遗传物质从一个个体转移到另一个个体的现象称为接合。称为接合。 输出遗传物质的个体称为供体（输出遗传物质的个体称为供体（donor），），又称为又称为“雄性雄性”。接受外源遗传物质的个体称。接受外源遗传物质的个体称为受体（为受体（receptor），），又称为雌性。又称为雌性。 E.coli（大肠杆菌）是遗传学研究中应用最大肠杆菌）是遗传学研究中应用最为广泛的细菌。野生型的为广泛的细菌。野生型的E.coli可以在只含有盐可以在只含有盐类和葡萄糖的简单培养基上生长。类和葡萄糖的简单培养基上生长。9/2/20249/2/20243 3（一）杂交实验（一）杂交实验1946年，年，Leaderberg和和Tatum发现发现E.coli可以通过接合交换遗传物质。选用两个不可以通过接合交换遗传物质。选用两个不同营养缺陷型的同营养缺陷型的E.coli菌株，菌株，A和和B。A菌株菌株需要在基本培养基中补充甲硫氨酸（需要在基本培养基中补充甲硫氨酸（met）和生物素（和生物素（bio） ，B菌株需要在基本营养菌株需要在基本营养培养基上补充苏氨酸（培养基上补充苏氨酸（thr）和亮氨酸和亮氨酸（leu）才能生长。采用多营养缺陷型是为）才能生长。采用多营养缺陷型是为了防止回复突变干扰试验结果。了防止回复突变干扰试验结果。9/2/20249/2/20244 4黎德伯格和塔特姆接合试验9/2/20249/2/20245 5A和和B均不能在基本培养基上生长，但若将均不能在基本培养基上生长，但若将A和和B在完全液体培养基上培养几个小时以在完全液体培养基上培养几个小时以后再涂布在基本培养基上，就能长出一些后再涂布在基本培养基上，就能长出一些原养型（原养型（met+bio+thr+leu+）的菌落。细菌的菌落。细菌的野生型又称为原养型。的野生型又称为原养型。这种原养型菌落的出现是由于营养上的互这种原养型菌落的出现是由于营养上的互补，还是由于两种不同类型细胞直接接触补，还是由于两种不同类型细胞直接接触而交换了遗传物质的结果呢？而交换了遗传物质的结果呢？黎德伯格和塔特姆接合试验9/2/20249/2/20246 6U型管试验型管试验1950年，年，Davis设计了设计了一种一种U型管试型管试验。验。试验说明：试验说明：两个菌株间两个菌株间的直接接触的直接接触是原养型细是原养型细菌出现的必菌出现的必要条件。要条件。9/2/20249/2/20247 7（二）（二）F因子因子1952年，年，Hages通过实验证明，在结合过程中，通过实验证明，在结合过程中，遗传物质的转移是单向的。一个菌株（如遗传物质的转移是单向的。一个菌株（如A菌菌株）是供体，而另一菌株（如株）是供体，而另一菌株（如B菌株）是受体。菌株）是受体。A菌株之所以能成为供体，是因为它含有一个菌株之所以能成为供体，是因为它含有一个性因子（性因子（sex factor）又称致育因子（又称致育因子（fertility factor），），简称简称F因子。因子。 携带携带F因子的菌株称为供体菌或雄性，用因子的菌株称为供体菌或雄性，用F+表示。没有表示。没有F因子的菌体称为受体菌或雌性，因子的菌体称为受体菌或雌性，用用F表示。表示。9/2/20249/2/20248 8（二）（二）F因子因子F因子是一个小型的双链环状因子是一个小型的双链环状DNA分子分子，是染，是染色体外遗传物质，是质粒的一种，在分类学上色体外遗传物质，是质粒的一种，在分类学上属于附加体（属于附加体（episome）。）。 它既能以自主状态存在于细胞质中，又能它既能以自主状态存在于细胞质中，又能整合到细菌的染色体内。整合到细菌的染色体内。F小环与主染色体大小环与主染色体大环之间发生一次交换就可以插入到宿主染色体环之间发生一次交换就可以插入到宿主染色体中。中。F因子整合到因子整合到E.coli染色体上以后，该菌染色体上以后，该菌株就成为高频重组株（株就成为高频重组株（High frequence recombination ,Hfr），以），以Hfr表示。表示。9/2/20249/2/20249 9F因子因子9/2/20249/2/20241010F 因子的存在状态因子的存在状态9/2/20249/2/20241111（二）（二）F因子因子F因子处于自主状态时，可以不依赖宿主细胞因子处于自主状态时，可以不依赖宿主细胞的染色体而独立复制（每个的染色体而独立复制（每个F+细胞只有一个细胞只有一个F因子）。据研究，因子）。据研究，F因子至少包含有因子至少包含有15个基因，个基因，其中有的基因控制其中有的基因控制F（或性）（或性）伞毛（伞毛（F pillus）的形成，的形成，F伞毛是伞毛是F+细胞表面伸出的一种长附细胞表面伸出的一种长附属物。属物。F+与与F+之间互不理睬，但之间互不理睬，但F+和和F一旦相一旦相互接触，互接触，F伞毛就变成了两个细胞之间原生质伞毛就变成了两个细胞之间原生质的通道，叫做结合管（的通道，叫做结合管（conjugation tube）。）。F+细胞中的细胞中的F因子由结合管向因子由结合管向F传递，使传递，使F变变成成F+。9/2/20249/2/20241212F 因子及因子及其在杂交其在杂交中的行为中的行为9/2/20249/2/20241313（三）高频重组（三）高频重组高频重组菌株（高频重组菌株（Hfr）与）与F杂交时，重杂交时，重组频率很高，而组频率很高，而F很少转变为很少转变为F+。后来发现，后来发现， Hfr中中F因子整合到细菌染因子整合到细菌染色体上了。色体上了。9/2/20249/2/20241414（三）高频重组（三）高频重组在在Hfr中，中，F因子的复制是与宿主染色因子的复制是与宿主染色体同步进行的。当体同步进行的。当HfrF时，时，Hfr细胞细胞可以把部分甚至全部染色体传递给可以把部分甚至全部染色体传递给F 受体，而且当供体和受体带有不同的受体，而且当供体和受体带有不同的标记基因时，相互之间的重组频率很标记基因时，相互之间的重组频率很高，故而被称为高，故而被称为Hfr（High frequence recombination）。）。9/2/20249/2/20241515（三）（三）高频重组高频重组9/2/20249/2/20241616（四）细菌的交换过程（四）细菌的交换过程 当当Hfr菌的部分染色体进入菌的部分染色体进入F后，后，F细细胞中就有一段胞中就有一段DNA具有具有2份拷贝，被称为部份拷贝，被称为部分二倍体（分二倍体（partial diploid）或部分合子或部分合子（mero zygote）。）。新转入的新转入的DNA片断称片断称为供体外基因子（为供体外基因子（exogenote），），而受体而受体的染色体称为受体内基因子的染色体称为受体内基因子（endogenote）。）。9/2/20249/2/20241717细菌的交换过程细菌的交换过程9/2/20249/2/20241818（四）细菌的交换过程（四）细菌的交换过程外基因子和内基因子可以发生交换而产外基因子和内基因子可以发生交换而产生基因重组。部分二倍体中，若发生单生基因重组。部分二倍体中，若发生单数交换是没有意义的，因为单交换使环数交换是没有意义的，因为单交换使环状的内基因子打开成为线性状的内基因子打开成为线性DNA，这种，这种细胞是不能成活的。发生偶数次交换才细胞是不能成活的。发生偶数次交换才能产生可遗传的重组体能产生可遗传的重组体（recombinant）和一个片断）和一个片断（fragment）。片断以后为酶所降解。）。片断以后为酶所降解。9/2/20249/2/20241919（四）细菌的交换过程（四）细菌的交换过程这样，重组后的这样，重组后的F细菌不再是部分二细菌不再是部分二倍体，而是单倍体，得到的重组体的倍体，而是单倍体，得到的重组体的类型只有一个，而不是两个，相反的类型只有一个，而不是两个，相反的重组体是不能存活的（例如有，重组体是不能存活的（例如有，没有没有）。）。9/2/20249/2/20242020（五）用中断杂交技术作连锁图（五）用中断杂交技术作连锁图Wollman和Jacob用中断杂交实验了解用中断杂交实验了解接合过程中基因转移的顺序和时间，接合过程中基因转移的顺序和时间，从而绘制出连锁图。从而绘制出连锁图。根据供体基因进入受体细胞的顺序和根据供体基因进入受体细胞的顺序和时间绘制连锁图的技术，称为中断杂时间绘制连锁图的技术，称为中断杂交技术。交技术。 9/2/20249/2/20242121（五）用中断杂交技术作连锁图（五）用中断杂交技术作连锁图杂交组合为：杂交组合为： Hfr thr+leu+azirtonrlac+gal+strs F thr-leu-azistonslac-gai-strr将将Hfr菌株和菌株和F菌株混合在一起进行培养，使之菌株混合在一起进行培养，使之发生接合，每隔一定时间吸取部分营养液放入发生接合，每隔一定时间吸取部分营养液放入食品搅拌器内搅拌，以中断杂交。经过稀释，食品搅拌器内搅拌，以中断杂交。经过稀释，接种到含有链霉素的完全培养板上，在培养过接种到含有链霉素的完全培养板上，在培养过程中杀死所有程中杀死所有Hfr 细胞，保留下来的全部为细胞，保留下来的全部为F。然后对形成菌落的然后对形成菌落的F 细胞用影印法检测其基因细胞用影印法检测其基因型。型。 9/2/20249/2/20242222中中断断杂杂交交试试验验9/2/20249/2/20242323试验结果大肠杆菌Hfr strs thr+ leu+ azirtonr gal+ lac+ Fstrr thr- leu- azis tons gal lac 的结果 标记基因 转入的时间（min） thr+ 8 leu+ 8.5 azir 9 tonr 11 lac+ 18 galb+ 259/2/20249/2/20242424中中断断杂杂交交试试验验9/2/20249/2/20242525（五）用中断杂交技术作连锁图（五）用中断杂交技术作连锁图结果说明结果说明HfrHfr的基因确实是按一定的线性顺的基因确实是按一定的线性顺序依次进入序依次进入F F的。也就是说，是以的。也就是说，是以F DNAF DNA片片断上的酶切断点为原点（记做断上的酶切断点为原点（记做O O）开始以直开始以直线方式进入线方式进入F F 细胞的。基因距细胞的。基因距O O点越近，进点越近，进入入F F 越早，反之越晚。由于在自然状态下越早，反之越晚。由于在自然状态下不经搅拌也能中断杂交，因此，距不经搅拌也能中断杂交，因此，距O O点越远点越远的基因进入的基因进入F F 的机会越少。的机会越少。9/2/20249/2/20242626（五）用中断杂交技术作连锁图（五）用中断杂交技术作连锁图根据上述试验结果，用根据上述试验结果，用HfrHfr基因在基因在F F 中出中出现的时间为标准，可以作出大肠杆菌的遗现的时间为标准，可以作出大肠杆菌的遗传连锁图（见图传连锁图（见图7-57-5）。）。图中以接合实验的时间（分）作为遗传距图中以接合实验的时间（分）作为遗传距离的单位。离的单位。 用不同的用不同的Hfr菌株进行中断杂交试验做菌株进行中断杂交试验做出的出的E.coli基因连锁图，其基因向基因连锁图，其基因向F细胞转细胞转移的顺序大不相同。移的顺序大不相同。 9/2/20249/2/20242727（六）大肠杆菌的染色体呈环状（六）大肠杆菌的染色体呈环状 用中断杂交法确定的几个用中断杂交法确定的几个HfrHfr菌株的基因顺序菌株的基因顺序HfrHfr的类型的类型 基基 因因 转转 移移 顺顺 序序HfrHHfrH 0 0 thrthr pro pro laclac purpur gal his gal his glygly thithi1 0 1 0 thrthr thithi glygly his gal his gal purpur laclac pro pro2 0 pro 2 0 pro thrthr thithi glygly his gal his gal purpur laclac3 0 3 0 purpur laclac pro pro thrthr thithi glygly his gal his galAB312 0 AB312 0 thithi thrthr pro pro laclac purpur gal his gal his glygly9/2/20249/2/20242828（六）大肠杆菌的染色体呈环状（六）大肠杆菌的染色体呈环状从上表中可以看出，转移顺序的差异是由从上表中可以看出，转移顺序的差异是由于各于各HfrHfr之间转移的原点（之间转移的原点（O O）和转移的方和转移的方向不同所致。向不同所致。 该实验说明该实验说明F F因子和细菌因子和细菌DNADNA都是环状都是环状的，的，F F因子插入环状染色体的不同位置形成因子插入环状染色体的不同位置形成不同的转移原点和转移方向。不同的转移原点和转移方向。9/2/20249/2/20242929（六）大肠杆菌的染色体呈环状（六）大肠杆菌的染色体呈环状9/2/20249/2/20243030三、性导（三、性导（sexduction）（一）（一）F因子整合到细菌中的整合到细菌中的F因子也可以重新离开染色因子也可以重新离开染色体，成为独立的环。这个过程是整合的逆体，成为独立的环。这个过程是整合的逆过程，称为环出（过程，称为环出（looping out）。）。 F因子在环出过程中并不是完全准确无因子在环出过程中并不是完全准确无误的，往往连同部分染色体片段一同离开。误的，往往连同部分染色体片段一同离开。部分染色体部分染色体DNA与与F DNA的杂合环称为的杂合环称为F因子。因子。9/2/20249/2/20243131（二）（二）F因子的形成9/2/20249/2/20243232（三）（三）F因子的特点F所携带的细菌所携带的细菌DNA片段的大小不等，可片段的大小不等，可以是一个基因，也可以长达细菌染色体的以是一个基因，也可以长达细菌染色体的一半。一半。F因子以极高的频率转移它所携带的基因。因子以极高的频率转移它所携带的基因。F因子有极高的自整合率，且整合在一定的因子有极高的自整合率，且整合在一定的座位上，因为它有与细菌染色体同源的区座位上，因为它有与细菌染色体同源的区段。而段。而F因子整合在染色体上的位点不是固因子整合在染色体上的位点不是固定不变的。定不变的。9/2/20249/2/20243333（四）（四）性导过程性导过程 F因子进入受体细胞以后，在整合以前，受体细胞因子进入受体细胞以后，在整合以前，受体细胞就成为部分二倍体。就成为部分二倍体。F因子所携带的基因就可以在受体因子所携带的基因就可以在受体细胞中表达。细胞中表达。例如，某一例如，某一Hfr系（系（ stock）的）的F因子在环出时带走了因子在环出时带走了lac+，当此当此F转移到转移到F lac以后，受体菌以后，受体菌（receptor）成为成为 F+ lac+的比率很高。但的比率很高。但lac位于染色位于染色体的远端，在中断杂交试验中，只有体的远端，在中断杂交试验中，只有1/100的受体成为的受体成为F+ lac + 。这是因为。这是因为F携带携带 lac+ 基因进入受体后使基因进入受体后使 lac座位成为部分二倍体座位成为部分二倍体Flac+ / lac，lac+对对 lac是显性，是显性，所以部分二倍体的表现型是所以部分二倍体的表现型是 lac+ 。9/2/20249/2/20243434 部分二倍体是不稳定的，部分二倍体是不稳定的，F因子可能因子可能丢失，使丢失，使Flac+ / lac回复为回复为lac，但，但F也也可以与染色体发生重组，形成稳定的可以与染色体发生重组，形成稳定的lac+菌菌株。株。性导（性导（sexduction）：以）：以F因子为媒介，因子为媒介，将供体细胞的部分遗传物质导入受体细胞将供体细胞的部分遗传物质导入受体细胞形成部分二倍体的过程称为性导。形成部分二倍体的过程称为性导。（四）（四）性导过程性导过程9/2/20249/2/20243535（五）性导的意义：（五）性导的意义：（1 1）性导产生部分二倍体，为研究单倍体）性导产生部分二倍体，为研究单倍体细菌中等位基因间的显隐性关系提供了可细菌中等位基因间的显隐性关系提供了可能的途径。能的途径。（2 2）环出时，形成大量的）环出时，形成大量的FF因子，不同因子，不同FF因子可能携带因子可能携带E.coliE.coli的不同基因，性导的不同基因，性导是建立遗传图谱的重要途径。是建立遗传图谱的重要途径。（3 3）性导形成的部分二倍体也可用作互补）性导形成的部分二倍体也可用作互补试验，确定两个突变型是属于同一个顺反试验，确定两个突变型是属于同一个顺反子还是属于不同的顺反子。子还是属于不同的顺反子。9/2/20249/2/20243636四、转导（四、转导（Transduction） 以噬菌体为媒介，将细菌的小片段染色体或以噬菌体为媒介，将细菌的小片段染色体或基因从一个细菌细胞转移到另一个细菌细胞基因从一个细菌细胞转移到另一个细菌细胞的过程叫做转导。的过程叫做转导。 转导是细菌遗传物质传递和交换的又一转导是细菌遗传物质传递和交换的又一重要方式，它与转化、转导、接合的主要不重要方式，它与转化、转导、接合的主要不同之处在于是以噬菌体为媒介的。同之处在于是以噬菌体为媒介的。转导分为两种：普遍性转导和特异性转导，转导分为两种：普遍性转导和特异性转导， 详细过程见第三节。详细过程见第三节。 9/2/20249/2/20243737