第五章细菌和噬菌体的遗传
1 细菌和病毒遗传研究的意义
生物的简单分类
自然界所有的生物都可以归入真核生物 (eukaryote)和原核生物(prokaryote)两大类。
细菌和蓝绿藻属于原核生物。构成原核生物的细胞是原核细胞。原核细胞最基本的特征是没有明确的核膜和核结构，也没有线粒体等细胞器，不能进行典型的有丝分裂和减数分裂，只通过简单的裂殖方式增殖。因此，它们的遗传物质传递和重组的方式与真核生物不同。
病毒是最原始的生物，没有细胞结构，甚至自己不能进行自主分裂，只能在宿主细胞内以集团形式增殖。
遗传学研究从经典水平发展到细胞水平，一个重要的条件是Morgan利用了果蝇这个模式试验材料。从细胞水平发展到分子水平，有两个必不可少的条件：（1）对基因的物理结构和化学结构的了解；（2）以微生物为研究材料。
§1 细菌和病毒遗传研究的意义
一、细菌（ Bacteria）
细菌是单细胞生物，是地球上最多的一类生物，它占据了地球上大部分的生物干重。
细菌的繁殖非常快，在适宜的条件下，每20分钟就能繁殖一代，从一个细胞裂殖变成两个细胞。假如以一个细胞为基数，繁殖一代成为2个，繁殖2代成为4个。繁殖n代，就有2n-1+1个。一昼夜以24小时计，可以繁殖72代，总个数为271+1＝2.36×1021。
细菌的基因组很小，只有一条染色体，研究起来非常方便。细菌群体大，即使突变率很低，也很易得到各种不同的生化突变型。
细菌遗传研究的方法：
用液体培养基培养细菌，待其繁殖到一定程度，用吸管吸取几滴培养液，滴到固体的琼脂糖培养基上，用一根灭菌的玻璃棒涂布均匀。若涂布的细菌浓度很低，单个细胞可以分散开来（图7－2）。由于每个细胞不移动的裂殖增生，经过大约一夜，每个细胞的后代可达107个，且集合成群，成为肉眼可见的菌落（colony），或称为克隆（clone）。
单个细菌繁殖而成的菌落中，每个细胞的遗传组成都应该是一样的，但可以发生突变，突变后所形成的菌落也会发生相应的变化。
突变有几类：形态性状突变、生理特性突变、抗性突变。
菌落形状的突变包括菌落的大小、形状和颜色。如引起小鼠肺炎的野生型肺炎双球菌本来形成大而光滑的菌落，而有一种突变形的菌落小而粗糙。
生理特性的突变主要是丧失合成某种营养物质的能力，称为营养缺陷型。如野生型细菌可以自己合成色氨酸，可能突变以后就不能合成了，若不在培养基中添加色氨酸，该菌就会死亡。营养缺陷型可以用不同的选择培养基来检测。
抗性突变主要是指抗药性的突变。在野生型细菌培养基中加入青霉素（penicillin），
可以阻止细胞壁的形成，从而杀死细菌。但有抗penicillin的菌株，记为pen r ，对penicillin 敏感的菌株(野生型)记为pen s 。
检测突变的方法——影印法（图7－3）。
①先在一个母板（master plate）上使细菌长成菌落。
②用一个比培养皿略小的木板，包上消过毒的丝绒。在母板上印一下，使菌落吸附在丝绒上，再把丝绒印到各种不同成分的培养基上。（事先应在培养皿的不同方向作好标记）
假如在缺乏色氨酸的培养板上有一个菌落不能生长，则该菌落很可能是色氨酸营养缺陷型，记为try - 。即可在母板上的对应位置挑取菌落，继续培养，供进一步研究。
若在加有penicillin的培养板上能够生长的菌落，一定是pen r 突变型，可以直接挑取，供进一步研究中。
二、病毒（ virus）
病毒比细菌更为简单，也只有一条染色体（单倍体）。
病毒的结构很简单，只有蛋白质外壳和被外壳包裹着的核酸（遗传物质），没有自身进行代谢和分裂所必须的细胞质和细胞器，必须借助宿主细胞的代谢系统才能繁殖自己。所以，病毒都是寄生性的，它们必须生活在活细胞内。
病毒按寄主可分为：动物病毒，植物病毒，细菌病毒。
病毒按遗传物质可分：RNA病毒，DNA病毒。
细菌病毒（Bacterio-phage）又称为噬菌体（phage）。噬菌体是研究得比较清楚的病毒。
噬菌体侵染细菌后，使细菌不能生长，而在均匀生长的细菌培养板上形成噬菌斑（plaque）。根据噬菌斑的形态和生长特点可以鉴别不同的噬菌体。
噬菌体按其在宿主细胞中的生活方式又可分为：温和噬菌体和烈性噬菌体两大类。
表7－1
三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性。
①世代周期短，繁殖块，繁殖系数高。大肠杆菌每20分钟繁殖一代，噬菌体每小时可扩增百倍。用它们作为研究材料，可以大大节约实验时间。
②易于管理和进行生物化学分析。
③遗传物质比较简单，用于研究基因结构、功能及表达调控机制比较方便。
细菌和病毒均只有一条染色体（DNA or RNA），结构简单，不必通过复杂的化学分析就可以对基因结构和功能进行精细的研究。
④便于研究基因的突变，因为它们是单倍体，所有的突变都能立即表现出来，没有显性掩盖隐性的问题，也不存在分离问题。而且数量庞大，突变率很低的突变都能检测到。
⑤便于研究基因的作用，代谢作用旺盛，能在短时间内积累大量代谢产物，便于对其本身及其产物进行化学分析。
⑥可用作研究高等生物的简单模型。高等生物体内机制复杂，目前还难以进行详细研究，而细菌和病毒结构简单，可作为模型研究，为开展高等生物的遗传研究奠定基础，积累资料。病毒利用寄主的代谢系统进行繁殖，势必其代谢方式与寄主有相似之处，因此可作为研究寄主的简化模型。
四、细菌和病毒的拟有性过程。
细菌和病毒的遗传物质也可以从一个个体传递到另一个个体，也能形成重组体。因为这不同于真核生物的有性生殖，被称之为拟有性过程。
实际上，所谓的拟有性过程指的是细菌或病毒获取外源遗传物质的方式或途径。
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：转化、结合、性导和转导。
§2 噬菌体的遗传分析
一、噬菌体的结构与生活周期
噬菌体(bacteriaphage or phage)是病毒的一类，结构很简单，基本上由一个蛋白质外壳包裹着一些核酸组成的。噬菌体的多样性来自于组成其外壳的蛋白质的种类，以及其染色体的类型和结构的不同。
（一）烈性噬菌体（ virulent phage）
遗传学上应用最广泛的烈性噬菌体是大肠杆菌（ E.coli ）的T偶列噬菌体。它们的结构大同小异，外貌一般呈蝌蚪状。T偶列和T奇列有些不同，以T 2 的结构最为典型（图7－4）。
T偶列噬菌体的头部为六角形，染色体为双链DNA分子。
T偶列噬菌体的尾丝附着在E.coli表面时，通过尾鞘的收缩将DNA经中空的尾部注入宿主细胞。DNA进入宿主细胞以后，随即破坏宿主的遗传物质，并借助宿主细胞的代谢系统，转而合成大量的噬菌体DNA 和蛋白质，组装成许多许多新的小噬菌体。最后使宿主细胞裂解（lysis），一下子释放出数百个子代噬菌体（图7－5）。
这样的噬菌体称为烈性的噬菌体（virulent Phage）。
（二）温和噬菌体（ temperate phage）
温和性噬菌体具有溶原性（lisogeny）的生活周期。这类噬菌体侵入细菌以后，细菌细胞并不马上裂解。
温和性噬菌体有两种类型。
（1）以λ为代表, λ噬菌体侵入细菌后，细菌并不裂解，λ噬菌体的DNA附着于E.coli染色体的gal和bio位点之间的att位点上（attachment site），并通过交换而整合到细菌染色体上。整合以后，就能阻止其它λ噬菌体的超数感染（superinfection）。整合在寄主染色体中的噬菌体称为原噬菌体（prophage）。
超数感染：一个细菌受一个以上同种噬菌体感染的现象。
λ噬菌体的DNA被整合以后，既不大量复制，亦不大量转录和翻译。往往只有一两个基因表达，表达产物作为阻遏物关闭其他基因的表达。
被溶原性噬菌体感染了的细菌称为溶原性细菌（lysogenic bacterium）。
当溶原性细菌分裂成两个子细胞时，λ噬菌体DNA随细菌染色体的复制而复制，每个细胞中有一个拷贝。
原噬菌体通过诱导（induction）可转变为烈性噬菌体，进入裂解周期。诱导可以通过不同的方式进行，如UV照射、温度改变、与非溶原性细菌的接合等，诱导使阻遏物失活，使噬菌体的其他基因得以表达，促使噬菌体繁殖并进入裂解周期。
（2）P 1 噬菌体
P 1 噬菌体感染E.coli以后，不整合到细菌DNA上，而是独立存在于寄主细胞内。P 1 DNA可以复制但不裂解宿主细胞，也不影响宿主细胞的正常代谢，但P 1 的复制可以使宿主的子细胞中也会有P 1 DNA，而且可以多于一个拷贝。
受P 1 噬菌体感染的细菌也可以因诱导而进入裂解周期。
二、噬菌体的基因重组
两个基因型不同的噬菌体同时感染一个宿主细胞，叫做混合感染（mixed infection）或双重感染（double infection）。共同生存在同一个宿主细胞中的两个噬菌体的DNA也可以发生交换，产生基因重组。
比如，一个噬菌体的基因型是a ＋ b - ，另一个噬菌体的基因型是a - b ＋，同时感染同一个宿主细胞，宿主细胞裂解以后，可能释放出基因型为a ＋ b ＋和a - b - 的重组体来。
研究最深入的噬菌体突变体是T 2 噬菌体的r - （rapid lysis速溶性）突变体。一个正常的T 2 噬菌体产生的噬菌斑小而边缘模糊，记为r ＋，突变体r - 产生的噬菌斑大而边缘清晰。正常的T 2 噬菌体能感染E.coli B株。突变型E.coli B株能抗T 2 的感染，记为B/2株，T 2 噬菌体的突变型h - 又能克服B/2株的抗性，既能侵染B株又能侵染B/2株，形成透明的噬菌斑。正常T 2 噬菌体记为h ＋，只能侵染B株，形成半透明的噬菌斑。
h - 和h ＋均能感染B株。用基因型为r ＋ h - 和r - h ＋的两种T 2 噬菌体同时感染E.coli B株。这种现象称为双重感染（double infection）。
将双重感染后释放出来的子代噬菌体接种在同时长有B株和B/2株的培养皿内，记录噬菌斑的数目和形态。
h ＋ r －半透明，大 h － r ＋透明，小，亲本型。h － r －透明，大 h ＋ r ＋半透明，小，重组型。
h － r －和h ＋ r ＋为重组型。
重组值＝（重组型噬菌斑数/总噬菌斑数）×100%
＝（h + r + + h － r －）/ ( h + r + + h － r － + h + r － + h －r + )×100％
不同速溶菌突变型的表现型不完全相同，分别记为r a 、r b 、r c 。用r －x h + × r + h －获得的试验结果如下表。表7－2
杂交组合每种基因型的％重组值
h + r － h － r + h + r + h － r －
r a -h + ×r + h - 34.0 42.0 12.0 12.0 24/100=24%
r b -h + ×r + h - 32.0 56.0 5.9 6.4 12.3/100=12.3%
r c -h + ×r + h - 39.0 59.0 0.7 0.9 1.6/99.6=1.6%
根据表 7－2的结果可以分别作出3个连锁图。P155
有四种可能的排列顺序。P155
四种顺序都是可能的，要确定到底是那一种，还缺条件。若知道r b 和 r c 之间的距离，就可
以推知r b 、r c 和h的排列顺序。
为此，需作r b +r c × r b r c + 。结果r b 与r c 之间的距离大于r b 与h之间的距离，可知h应位于r b 与r c 之间，即r b hr c 。
至于r a 位于h的哪一边，是靠近r c 还是靠近r b ？因为T 2 DNA是环状的，所以两种答案都是正确的。
§3 细菌的遗传分析
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：转化、结合、性导和转导。
一、转化（ Transformation）
细菌通过细胞膜摄取周围环境中DNA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。
当外源DNA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。
肺炎双球菌转化试验：
肺炎双球菌有两种不同的类型：
①S型，有毒，菌落光滑，又分为SI ,SⅡ,SⅢ
②R型，无毒，菌落粗糙，又分为RI RⅡ
1928年，Griffith，做了如下实验：
RⅡ SⅢ SⅢ加热后RⅡ＋杀死后的SⅢ
当时无法解释这一结果，但可以肯定，加热杀死后的SⅢ型含有某种促成RⅡ转变为有毒型的物质。
1944年，Avery不仅重复了上述试验，而且用从SⅢ型中提取DNA与RⅡ型菌混合在一起，在离体的情况下，也成功地使少数RⅡ型细菌转变为SⅢ型
经多种试验证明，导致这一转变的物质是DNA，这是细菌遗传性状定向转化的第一个实例，也是DNA作为遗传物质的最直接的证据。
但是，并非所有的细菌都能够发生转化，转化是有条件的。条件包括三个方面：
① 受体细胞的生理状态；
② DNA片段的大小，形态和浓度；
③外源DNA片段与受体DNA的同源程度。（同源是指核苷酸顺序的相似程度。这里所说的同源是指整个染色体的核苷酸顺序的近似程度，更重要的是所转化的特定范围的核苷酸的顺序。）
只有那些生理上处于感受态（competence）的细胞（决定转化因子能否进入细胞）才能吸收外源DNA。感受态与细菌细胞的生长期有关。并不是细菌在整个生长周期中都能接受外源DNA。有人认为，DNA合成结束，蛋白质合成旺盛时期的细胞易于吸收外源DNA。肺炎双球菌和枯草杆菌的感受态都出现在对数期的后期。
外源DNA片段的大小与能否转化有关。肺炎双球菌要求外源DNA长于800bp，枯草杆菌要求大于16kb。外源DNA必须是双链结构而且应达到一定的浓度。对于某一特定的DNA片段来说供体DNA 分子的数量与转化率之间有一定的相关。有实验表明，细胞壁或细胞膜上有固定数目的DNA接受座位，这些座位饱和以前，转化体的数目与DNA浓度呈正相关，一旦这些座位达到饱和状态，增加的DNA便不再影响转化体的数目。
转化过程：
① 当受体细胞处于感受态时，符合要求的外源DNA分子可结合在受体细胞表面的几个接受座位
上。最初的结合是可逆的。
稳定结合在这些座位上的DNA分子随后纵长地被细菌所吸收，这是不可逆的过程。
在外援DNA进入细胞的过程中，有核酸外切酶降解其中的一条链，并利用降解过程中产生的能量，将另一条单链拉进细胞中。
② 细菌转化过程中的重组：
a：供体片段与受体DNA联会；
b：单链的供体片段与受体DNA部分变性部位的一个单链形成双链，置换出受体的一条单链；c：完全形成新的双链，但尚有缺口或切刻；
d：被置换的受体单链被降解；。
e：杂合双链的形成（通过DNA聚合酶和连接酶）。
f：通过DNA复制产生稳定的转化子。
摘自盛祖嘉《分子遗传学》P104
供体的单链片段进入细胞后与相应的受体DNA片段联会，二者之间同源性越大，越容易形成杂交双链。
外源的单链DNA在对应位点置换受体DNA的一条链从而完成转化的全过程。在相应位置上受体的一条单链片段被置换下来，最终被降解。
整合对同源DNA具有特异性，视亲缘关系的远近，整合的频率不同。
转化以后，只有出现了遗传性状的变异，才能得知转化的发生。
由于DNA是以小片段的形式进入的，所以距离很远的两个基因很难同时存在于一个片段中，除非分别包括这两个基因的两个片断同时进入受体，它们一般是不能同时对受体进行转化的。按照概率原理，两个片断同时转化的概率应该是它们单独转化的概率的乘积，所以这种概率是很低的。但是，当两个基因密切连锁时，它们就有较多的机会包括在同一个DNA片断中同时被整合到受体染色体中。因此，密切连锁的基因可以通过转化进行作图。
Nestar等用枯草杆菌（Bacullus subtilis）的一个菌株trp 2 + his 2 + tyr 2 + 做供体，提取DNA向受体trp 2 － his 2 - tyr 2 －菌进行转化，结果列于表7－4。
从表中资料可见，经过转化的个体，即转化体（transformant）中，数目最多的是三个座位同时被转化的类别，这意味着所研究的三个座位在染色体上是靠得很近的。
计算trp 2 和his 2 之间的重组值时，685个trp 2 － his 2 —应当看成是没有机会和带有这两个基因的供体DNA片断相遇的细胞，计算时不能考虑。同理，计算trp 2 和tyr 1 的重组值时不能考虑418个trp 2 － tyr 2 －，对于his 2 和tyr 2 的重组率时则不考虑2600个his 2 － tyr 2 －。由表中的计算表明，三个基因的顺是trp 2 his 2 tyr 2 。
转化时细菌染色体的重组和接合一样，只有一种重组体，相反的重组体是不存在的，只有双交换和偶数次的多次交换才是有效的。
二、接合（conjugation）
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称为接合。
输出遗传物质的个体称为供体（donor），又称为“雄性”。接受外源遗传物质的个体称为受体（receptor），又称为雌性。
E.coli（大肠杆菌）是遗传学研究中应用最为广泛的细菌。野生型的E.coli可以在只含有盐类和葡萄糖的简单培养基上生长。
1946年，Leaderberg和Tatum发现E.coli可以通过结合交换遗传物质。选用两个不同营养缺陷型的E.coli菌株，A和B。A菌株，met － bio －，需要在基本营养培养基上补充苏氨酸（thr）
和亮氨酸（leu）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。
A和B均不能在基本培养基上生长，但若将A和B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，就能长出一些原养型（met + bio + thr + leu + ）的菌落。细菌的野生型又称为原养型。换句话说，能够在基本培养基上生长的细菌称为原养型。这种原养型菌落的出现是转化的结果呢，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？必须予以鉴别。因为在培养过程可能有部分细胞死亡放出DNA而发生转化反应。
1950年，Davis设计了一种U型管试验。在U型管两臂分别放入带有A菌株和B菌株的完全培养液，中间用过滤器隔开，过滤器的孔很小，细菌不能通过，但生物大分子，包括DNA分子可以自由往来。从U型管的一端使用加压和吸引的方法使培养液和大分子相互混合，但细菌因有滤板相阻，彼此不能直接接触。待两侧的细胞停止生长后，将它们分别涂布在基本培养基上，在任何一臂内都没有长出菌落。说明：两个菌株间的直接接触是原养型细菌出现的必要条件。这就否定了转化的可能。
1952年，Hages通过实验证明，在结合过程中，遗传物质的转移是单向的。上例中是A转向B，而不会反向转移。所以一般可将供体看成“雄性”，受体看成“雌性”。在结合过程中，到底是什么东西由雄体输入了雌体呢？
F因子。
A菌株之所以能成为供体，是因为它含有一个性因子（sex factor）又称致育因子（fertility factor），简称F因子。
携带F因子的菌株称为供体菌或雄性，用F + 表示。没有F因子的菌体称为受体菌，又称雌性，用F －表示。
F因子是双链环状DNA，分子量大约是3.5×106，是染色体外遗传物质，是质粒的一种，在分类学上属于附加体（episome）。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。F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中。F因子整合到E.coli染色体上以后，该菌株就成为高频重组株（High frequence recombination ,Hfr），以Hfr表示。F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F+细胞只有一个F因子）。据研究，F因子至少包含有15个基因，其中有的基因控制F伞毛（F pillus）的形成，F伞毛是F + 细胞表面伸出的一种长附属物。F + 与F + 之间互不理睬，但F + 和F －一旦相互接触，F伞毛就变成了两个细胞之间原生质的通道，叫做结合管（conjugation tube）。F + 细胞中的F因子由结合管向F －传递，使F －变成F + 。
转移时，F因子中的双链之一被切开，这切开的单链从3'端开始向F－转移，一旦进入F －中就以此为模板，从5'→3'的方向复制，最终形成一个完整的双连环状F因子。另一条没有切口的完整单链留在供体内作为母板，进行复制，也形成一个完整的F因子。在接合过程中，F因子的复制是按DNA复制的滚环模式进行的，两个接合产物，即接合后体（exconjugants）都成为
F+，各具备一个F因子。
在Hfr中，F因子的复制是与宿主染色体同步进行的。当Hfr×F－时，Hfr细胞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标记基因时，相互之间的重组频率很高，故而被称为Hfr（High frequence recombination）。
当Hfr与F －相互接触时，整合在宿主染色体上的F因子的复制系统首先活跃起来，由内切酶在F DNA的一端近端部切成单链缺口，细菌染色体以这一小段单链的F DNA为前导，向F －转移。若时间充裕，整个Hfr细胞的染色体（包括F因子）都可以转入受体细胞，使F －变成Hfr，但这种情况较为罕见。大多数情况下，只有一小部分细菌染色体转移，结合即行中断，受体细胞仍保持为F －，因为F DNA的绝大部分仍留在供体内，F －得到的仅仅是F因子的一小部分。值得注意的是：距离前导F DNA小片段越近的细菌染色体DNA越先转移，越远的越后转移。
当Hfr菌的部分染色体进入F －后，F －细胞中就有一段DNA具有2份拷贝，被称为部分二
倍体（partial diploid）或部分合子（mero zygote）。新转入的DNA片断称为供体外基因子（exogenote），而受体的染色体称为受体内基因子（endogenote）。
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DNA，这种细胞是不能成活的。发生偶数次交换才能产生可遗传的重组体（recombinant）和一个片断（fragment）。片断以后为酶所降解。这样，重组后的F－细菌不再是部分二倍体，而是单倍体，得到的重组体的类型只有一个，而不是两个，相反的重组体是不能存活的（例如有＋＋，没有――）。
用中断杂交试验作染色体连锁图。
Hfr中的DNA向F－转移时，是从酶切端点开始直线式进行的。为证明这一点，50年代有人设计了一个著名的中断杂交试验（interrupted mating experiment）。
将一个Hfr菌株和一个F －菌株混合在一起进行培养，使之发生接合，
Hfr： str s thr + leu + azi s tonA s galb + lac +
F －： str r thr - leu - azi r tonA r galb － lac －
str r 对链霉素有抗性
azi r 对叠氮化合物有抗性
tonA r 对T 1 噬菌体有抗性
thr + leu + galb + lac + 对苏氨酸、亮氨酸、半乳糖和乳糖为原养型
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，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Hfr 细胞，保留下来的全部为F－。然后对形成菌落的F－细胞用影印法检测其基因型。结果如下表和为图7－17。
表7－5 大肠杆菌Hfr str s thr + leu + azi s tonA s galb + lac +
× F － str r thr - leu - azi r tonA r galb － lac －的结果
标记基因转入的时间（min）频率
thr + 8 100（经选择的）
leu + 8.5 100（经选择的）
azi s 9 90
tonA s 11 70
lac + 18 40
galb + 25 25
混合培养 9分钟后取样，开始出现少量azi r 菌落，说明azi r 基因已经进入少数的F －细胞中。但对于T 1 噬菌体来说，全部F －细胞还属于敏感型，说明tonA r 基因还没有进入F －中。11分钟后才开始出现抗T 1 的菌落（colony）。18min和24min取样时，分别出现乳糖发酵和半乳糖发酵的菌落。说明Hfr的基因确实是按一定的线性顺序依次进入F －的。也就是说，是以F DNA片断上的酶切断点为原点（记做O）开始以直线方式进入F －细胞的。基因距O点越近，进入F －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O点越远的基因进入F －的机会越少。
根据上述试验结果，用 Hfr基因在F －中出现的时间为标准，可以作出大肠杆菌的遗传连锁图。
8 9 11 18 25 F
图中以接合实验的时间作为遗传距离的单位。
用不同的Hfr菌株进行中断杂交试验做出的E.coli基因连锁图，其基因向F－细胞转移的顺序大不相同。见表7-6。
表7－6 用中断杂交法确定的几个Hfr菌株的基因顺序
Hfr的类型基因转移顺序
HfrH 0 thr pro lac pur gal his gly thi
1 0 thr thi gly his gal pur lac pro
2 0 pro thr thi gly his gal pur lac
3 0 pur lac pro thr thi gly his gal
AB312 0 thi thr pro lac pur gal his gly
从表中可以看出，转移顺序的差异是由于各 Hfr之间转移的原点（O）和转移的方向不同所致。该实验进一步说明F因子和细菌DNA都是环状的，F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。
重组作图
如果两个基因间的转移时间差小于2分钟，用中断杂交法所测得的图距是不太可靠的，还须采用传统的重组作图法予以验证。
例如，lac + 和ade —紧密连锁，为了求得它们之间的准确距离，用Hfr lac + ade + × F —lac — ade —作杂交试验。杂交以后，用完全培养基但不加腺嘌呤，能使F — ade + 生长。在中断杂交试验中，ade + 基因进入F —细胞的时间较lac + 迟，可知既然ade + 基因已经进入F —，lac + 位于ade + 之前，一定也已经进入了。进一步对lac + 进行筛选，若某菌株既是ade + 又是lac + ，说明在lac—ade之间没有发生过交换，若ade + 而lac —，说明在它们之间已发生了交换。（图7-20）
lac — ade +
重组率= ———————————————— =22%
(lac + ade — + lac — ade + )
在中断杂交试验中，这两个基因进入F—细胞的时间差为1分钟，可见，一分钟大约相当于20%左右的重组率。
三、性导（sexduction）
整合到细菌中的F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误的，往往连同部分染色体片段一同离开。部分染色体DNA 与F DNA的杂合环称为F'因子。
F'所携带的细菌DNA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一半。
F'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，且整合在一定的座位上，因为它有与细菌染色体同源的区段。F因子整合在染色体上的位点不是固定不变的。
F'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。F'因子所携带的基因就可以在受体细胞中表达。
例如，某一Hfr系（ stock）的F因子在环出时带走了lac + ，当此F'转移到F— lac—以后，受体菌（receptor）成为 F + lac + 的比率很高。但lac位于染色体的远端，在中断杂交试验中，只有1/100的受体成为F+ lac+。这是因为F'携带 lac + 基因进入受体后使 lac座位成为部分二倍体F'lac + / lac —，lac + 对 lac —是显性，所以部分二倍体的表现型是 lac + 。
部分二倍体是不稳定的，F'因子可能丢失，使F'lac + / lac —回复为lac —，但F'也可以与染色体发生重组，形成稳定的lac + 菌株。
性导（sexduction）：以F'因子为媒介，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。
并发性导（Co—sexduction）：两个紧密连锁的基因，同处于一个F'因子上被转移，称为并发性导。
性导的意义：
（1）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能的途径。（2）环出时，形成大量的F'因子，不同F'因子可能携带E.coli的不同基因，因此并发性导是建立遗传图谱的重要途径。
（3）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子还是属于不同的顺反子。
四、转导（ Transduction）
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的过程叫做转导。
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。
1、普遍性转导
E．Coli可以通过细胞与细胞的接合而交换遗传物质，那么，鼠伤寒沙门氏菌是否也有同样的现象存在呢？
用沙门氏菌的两个突变株杂交，一个是phe — tr — tyr — ,另一个是met — his —。两菌株分别培养时，没有发现野生菌落。将两菌株在基本培养基上混合培养时，大约10 —5 个细胞可以得到一个原养型菌落。这似乎与E.coli的重组没有什么不同。
为了证明这一点，将两菌株放入U型管的两臂，中间用滤板隔开，以防止细胞接触，但可以允许比细胞小的生物大分子通过，也获得了野生型细胞。这说明沙门氏菌的基因重组不是通过细胞接合，而是通过过滤因子（filterable agent）而发生的。
以后发现这种过滤因子就是噬菌体P 22 。P 22 是一种沙门氏菌的噬菌体。
这一实验虽然没有证明沙门氏菌中有接合现象存在，但是却发现了噬菌体介导的基因转移过程——转导。
P 22 感染细菌细胞时，细菌染色体断裂成许多小片段。在形成子代噬菌体颗粒时，偶尔会产生错误，把细菌染色体的片段组合到头部。因为决定噬菌体感染能力的是外壳蛋白，并不是外壳所包裹的遗传物质。所以，这种假噬菌体照样可以吸附到细菌上，并注入其内含物（遗传物质）。这种内含物并不是噬菌体的遗传物质，而是细菌DNA的一部分，当然对受体细菌是无害的。这种假噬菌体称为转导颗粒（transducing particle）。
当转导颗粒将内含物注入受体细胞后，受体细胞就变成了部分二倍体。导入的基因通过重组，在整合到受体细胞的染色体上。
由于这一类噬菌体能够转移细菌染色体的任何部位，因而被称为普遍性转导。
两个基因被包装在一个转导颗粒中转导，称为共转导（cotransduction）。若两个基因共转导的频率越高，说明这两个基因在染色体上的距离愈近，连锁关系越密切，反之亦然。因此，利用普遍性转导可以测定细菌基因间的连锁关系。观察基因之间两两共转导的频率，就可以确定三个或三个以上基因在染色体上的排列顺序。
以E.coli的P1噬菌体进行下列转导：
供体 thr ＋ leu ＋ azi r 受体thr － leu － azi s
先用P1 噬菌体感染供体菌株，再用来自供体的新一代P1噬菌体感染受体菌株。然后在受体菌中选择一个或两个供体的标记基因，测定其余非标记基因的有或无。
选择标记非选择标记
1 leu + 50%azi r ，2%thr +
2 thr + 3%leu + ，0％azi r
3 thr + leu + 0%azir
以 leu + 为标记，测知被转导的供体菌染色体片断上，同时带有azi r 的占50%，同时带thr + 的占2%。表明leu座位距azi近，距thr较远。可能的排列顺序如下：
再以thr + 为选择标记，发现共转导的片断上有3%携有leu + 。表明thr距leu较近，距azi 较远。
所以，这三个基因的顺序应该是上述的第二种。
同时以leu + 和thr + 为选择标记，被转导的片断上都没有azi。这说明，转导颗粒所携带的供体菌DNA片断从thr座位开始，有时延伸到leu座位，但没有扩展到azi座位，而延长到leu 座位的频率已很低了，只有3%。可以推测，转导片段长度的极限是从thr座位到leu和azi座位之间。根据接合实验的结果，这段DNA的长度相当于细菌染色体长度的1％，大致上与噬菌体的染色体长度相当。
转导颗粒携带DNA的平均长度约为一个病毒基因组的大小。一般性转导与转化很相似，若细菌的两个基因间的距离大于病毒基因组的长度，一般不能进行共转导，除非两个转导颗粒同时感染同一个细菌细胞，这种机率是很小的。
特异性转导：
由温和噬菌体进行的转导叫做特异性转导。以λ噬菌体为例，λDNA既可以自主状态存在于细菌细胞中，也可以整合在细菌染色体中。
象这样具有两种状态的遗传因子称为附加体（episome）。
多数噬菌体当整合在细菌染色体中时都占有一个特定的位置。λ噬菌体在E.coli中的附着点（attλ）一边是半乳糖操纵子gal，另一边是指导生物素（biotin）合成的基因bio（图7－24）。原噬菌体离开细菌染色体时，偶尔可以形成某些细菌基因与某些噬菌体基因连在一起的DNA片断。这种混杂的DNA片断被错误地包装在噬菌体外壳中，就形成了特殊性转导颗粒，这种颗粒能把细菌的基因由一个细胞转移到另一个细胞。转导仅限于靠近原噬菌体附着点的基因，如λ噬菌体专门转导E.coli的gal和bio基因，所以这种转导称为特殊性转导或限制性转导（restricted transduction）。
第十章细菌和病毒的遗传 细菌属于原核生物，不进行典型的有丝分裂和减数分裂，因此，其染色体传递和重组方式与真核生物不尽相同。病毒甚至不进行分裂，它在宿主细胞内以集团形式产生。细菌和病毒的遗传分析对整个遗传学，特别是对于分子遗传学的发展具有重大作用 一、细菌和病毒遗传研究的意义 遗传学研究从细胞水平推进到分子水平，是由于两大发展： （1）对基因的化学和物理结构的了解日益深入 （2）研究材料采用了新的生物类型--细菌和病毒 1、细菌的特点及培养技术 所有细菌都是比较小的单细胞，大约1 2μm长，0.5μm宽大肠杆菌(E.coli)在细菌遗传学研究中应用十分广泛,其染色体为一条环状的裸露DNA分子。其细胞里通常还具有一个或多个小的染色体-质粒 研究细菌遗传的方法--平板培养： 细菌菌落的表现型： 原养型（野生型） 形态性状：菌落形状、颜色、大小 突变型 生理特性：营养缺陷型 抗性-抗药或抗感染 为了测定所发生的突变，Lederberg设计了影印培养法 2、病毒的特点及种类 病毒没有细胞结构，既不属于原核生物，也不属于真核生物。病毒结构十分简单，仅含DNA或RNA和一个蛋白质外壳，没有合成蛋白质外壳所必须的核糖体。所以，病毒必须感染活细胞，改变和利用活细胞的代谢合成机器，才能合成新的病毒后代。感染细菌的病毒叫噬菌体，是目前了解比较清楚的病毒，有：单链DNA、单链RNA、双链DNA和双链RNA等四种类型 3、细菌和病毒在遗传研究中的优越性
(1) 世代周期短。大肠杆菌每20分钟可繁殖一代，病毒每小时可繁殖数百个后代 (2) 易于管理和进行化学分析 (3) 遗传物质简单，便于研究基因的结构和功能 (4) 便于研究基因的突变和重组 (5) 可用作研究高等生物的简单模型 (6) 便于进行遗传操作 4、细菌和病毒的拟有性过程 细菌获取外源遗传物质的四种方式： 转化(transformation) 接合(conjugation) 性导(sexduction) 转导(transduction) 当不同的病毒颗粒同时侵染一个细菌时，它们能够在细菌体内交换遗传物质，并形成重组体 二、噬菌体的遗传分析 1、噬菌体的结构 遗传学上应用最广泛的是大肠杆菌的T噬菌体系列(T1到T7)。其结构大同小异，呈蝌蚪状。T偶列噬菌体结构 （1）烈性噬菌体 （2）温和性噬菌体 温和性噬菌体具有溶源性的生活周期，即在噬菌体侵入后，细菌并不裂解，以两种形式出现，如λ和P1 2、噬菌体的基因重组与作图 噬菌斑形态：正常r+：小、边缘模糊 噬菌体性状突变r-：大、边缘清楚 宿主范围：感染和裂解的菌株不同正常h+：B株 突变h-：B株 或B/2株由于h–和h+均能感染B株，用T2的两亲本h–r+和h+r–同时感染B株，称为双重感染 h-r+×h+r- ↓B株
第五章 细菌与噬菌体的遗传 1、利用何种实验方法可以测定细菌基因组中基因的连锁关系？ 解答： 利用中断杂交法可以测定细菌基因组中基因的连锁关系。具体方法如下： 供体与受体选用具有不同遗传标记的缺陷型品系，其中受体菌株选用抗链霉素品系，而供体菌株为相应的链霉素敏感型。这样就可以通过在鉴别培养基中添加链霉素而筛除掉供体菌株从而只考察受体菌株的基因型组成情况。我们可以每隔一定时间取样，稀释到一定浓度，涂布于不同的鉴别培养基中，判断基因的整合顺序。基因离转移原点越近，则越先进入受体细胞，若基因离原点越远，则越晚进入受体细胞，致育基因最后进入受体细胞。 同样原理，可以利用非中断杂交方法进行测验，在培养一定时间以后取样，鉴定，先进入受体细胞的基因首先发生整合，形成重组类型的重组子，这样，重组子数量多的基因最先进入受体细胞，重组子数量少的基因后进入到受体细胞中。由此可以进行判断基因的连锁关系及先后顺序。 2．现有5个Hfr品系其DNA转移到F一细菌中去的基因顺序如下： Hfr品系 转移顺序 1、BKARM 2、DLQEOC 3、OEQLDN 4、MCOEQLDN 5、RAKBN 试画出这些基因在染色体图上的顺序。 解答： 这些基因在染色体图上成环形排列，依据细菌遗传物质转移与重组的特点，可以判断各基因的顺序为：
3．由一个野生型菌株抽提DNA，用来转化一个基因型为trp 2- his 2- tyr 1-的突变型菌株。不同类转化 子的菌落数目如下： trp 2- his 2- tyr 1+ 685 trp 2- his 2+ tyr 1- 418 trp 2- his 2+ tyr 1+ 3660 trp 2+ his 2- tyr 1+ 107 trp 2+ his 2- tyr 1- 2600 trp 2+ his 2+ tyr 1- 1180 trp 2+ his 2+ tyr 1+ 11940 试计算 a) 3个基因间的遗传距离是多少？ b) 它们的连锁次序如何? 解答： a)供体DNA + + + 受体DNA trp 2- his 2- tyr 1- 转化子数目最多的是3个座位同时被转化的类型，这说明所研究的座位在染色体上是紧密连锁的。则： trp 2－his 2间重组值为： 重组值=%100×+?+?+++++?+?+=） （）（）（）（）（总数重组体数目 =%100418 3660107260011801194041836601072600×++++++++＝34% trp 2－tyr 1 间重组值为： %100685 36601180260010711940685366011802600×++++++++ ＝40% his 2－tyr 1间重组值为：
第四章细菌和噬菌体的遗传分析 例题1：酵母菌的中性小菌落的线粒体DNA有缺陷，但决定线粒体的核基因是正常的。分离性型小菌落的线粒体DNA是正常的，但带有一个决定线粒体有缺陷的隐性核基因。将这样的中性小菌落和分离型小菌落杂交。问：二倍体F1表型是什么？由二倍体细胞产生的子囊孢子发育成的单倍体世代的表型如何？（浙江大学2000年考研试题10分） 知识要点： 1．酵母菌是单细胞子囊菌，它的生活周期中具有形态上相同的 单倍体和二倍体世代交替。成熟的二倍体营养细胞可以进行出芽生 殖。但在某些环境条件下，二倍体细胞会进行减数分裂，形成单倍性 的四个子囊孢子，子囊孢子释放出来后长大形成单倍体成体细胞。 2．酵母菌二倍体细胞的形成是由两个单倍性的子囊孢子相互结 合形成，双方提供等量的核物质和细胞质。正常的核基因、正常的细胞质基因是显性3．酵母菌的小菌落类型分为分离性小菌落、中性小菌落、抑制 性小菌落。分离性小菌落是由于核基因发生了突变，表现为经典的孟德尔式遗传，与野生型大菌落杂交形成的二倍体细胞为正常的，二倍体细胞减数分裂形成的4个子囊孢子1/2发育成大菌落，1/2发育成小菌落；中性小菌落是由于细胞质中的线粒体上的基因发生了突变，大多数中性小菌落都是没有mtDNA，与野生型大菌落杂交形成的二倍体细胞为正常的，但此二倍体细胞减数分裂形成的4个子囊孢子全部发育成为大菌落；抑制性小菌落是许多突变型的表现，是由于核基因的突变或者是由于mtDNA的突变，或者两方面因素都存在。抑制性小菌落可以在二倍体中表现出来，完全抑制性的可以把二倍体细胞全部转变成小菌落的，也可以把由此产生的四个子囊孢子都转变成小菌落的。 解题思路： 1．根据知识要点1知道此二倍体F1是生活周期中的一个时期根据知识要点2知道此杂交产生的二倍体F1细胞质中有正常线粒体也有不正常线粒体，细胞核中有突变基因也有正常基因，因此，此二倍体F1的表现型为正常大菌落。 2．根据知识要点3知道此二倍体F1 减数分裂形成的四个子囊孢子的细胞质中有正常细胞质也有不正常细胞质，但是，有2个子囊孢子的核基因是突变的，有2个子囊孢子的核基因是正常的，因此，产生的4个子囊孢子的表现型为2正常大菌落，2小菌落。 标准答案： 二倍体F1表型是正常大菌落。
噬菌体的遗传分析 一、噬菌体的结构： 1.结构简单：蛋白质外壳、核酸、某些碳水化合物、脂肪等。 2.多样性的原因：外壳的蛋白质种类、染色体类型和结构。 3.两大类： ①烈性噬菌体：T噬菌体系列(T1-T7)； ②温和性噬菌体: P1和λ噬菌体。 ㈠、烈性噬菌体： 1.结构大同小异，外貌一般呈蝌蚪状： T偶列噬菌体头部：双链DNA分子的染色体；颈部：中空的针状结构及外鞘；尾部：由基板、尾针和尾丝组成。 2.T偶列噬菌体的侵染过程（如T4噬菌体）：
尾丝固定于大肠杆菌，遗传物质注入破坏寄主细 胞原有的遗传物质合成大量的噬菌体遗传物质和蛋 白质组装许多新的子噬菌体溶菌酶裂解细菌 释放出大量噬菌体。 右图为T4噬菌体侵染大肠杆菌的生活周期 ㈡、温和性噬菌体：例如λ和P1噬菌体，λ和P1各代表一种略有不同的溶源性类型。 1.溶源性噬菌体的生活周期： ①.λ噬菌体：噬菌体侵入后，细菌不裂解附在E.coli染色体上的gal和bio位点间的attλ座位上通过交换整合到细菌染色体，并能阻止其它λ噬菌体的超数感染。
λ噬菌体特定位点的整合 ②P1噬菌体：不整合到细菌的染色体上，而是独立存在于细胞质内（见左下图）。 原噬菌体：整合到宿主基因组中的噬菌体。仅少数基因活动，表达出阻碍物关闭其它基因。原噬菌体经诱导可转变为烈性噬菌体裂解途径（见右下图）。 2.P1和λ噬菌体的特性： ①P1和λ各代表不同的溶源性类型： P1噬菌体：侵入后并不整合到细菌的染色体上，独立存在于细胞质内； λ噬菌体：通过交换整合到细菌染色体上。 ②溶源性细菌分裂两个子细胞： P1噬菌体复制则使每个子细胞中至少含有一个拷贝； λ噬菌体随细胞染色体复制而复制，细胞中有一个拷贝。
第六章噬菌体的遗传分析 一、教学目的和要求： 1、掌握噬菌体的突变型及基因重组的特点； 2、掌握噬菌体的互补测验与顺反子测定； 3、掌握用两点测交与三点测交测定噬菌体交换值; 二、教学重点： 噬菌体的互补测验与顺反子测定 三、教学难点： 用两点测交与三点测交测定噬菌体交换值五、教学内容： 病毒是最原始的生物，没有细胞结构，甚至自己不能进行自主分裂，只能在宿主细胞内以集团形式增殖。 遗传学研究从经典水平发展到细胞水平，一个重要的条件是Morgan利用了果蝇这个模式试验材料。从细胞水平发展到分子水平，有两个必不可少的条件：（1）对基因的物理结构和化学结构的了解；（2）以微生物为研究材料。 §1病毒遗传研究的意义 病毒比细菌更为简单，也只有一条染色体（单倍体）。 病毒的结构很简单，只有蛋白质外壳和被外壳包裹着的核酸（遗传物质），没有自身进行代谢和分裂所必须的细胞质和细胞器，必须借助宿主细 胞的代谢系统才能繁殖自己。所以，病毒都是寄生性的，它们必须生活在活 细胞内。 病毒按寄主可分为：动物病毒，植物病毒，细菌病毒。 病毒按遗传物质可分：RNA病毒，DNA病毒。 细菌病毒（Bacterio-phage）又称为噬菌体（phage）。噬菌体是研究得比较清楚的病毒。 噬菌体侵染细菌后，使细菌不能生长，而在均匀生长的细菌培养板上形成噬菌斑（plaque）。根据噬菌斑的形态和生长特点可以鉴别不同的噬菌体。 噬菌体按其在宿主细胞中的生活方式又可分为：温和噬菌体和烈性噬菌体两大类。 三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性。 ①世代周期短，繁殖块，繁殖系数高。大肠杆菌每20分钟繁殖一代，噬菌 体每小时可扩增百倍。用它们作为研究材料，可以大大节约实验时间。 ②易于管理和进行生物化学分析。 ③遗传物质比较简单，用于研究基因结构、功能及表达调控机制比较方便。 细菌和病毒均只有一条染色体（DNA or RNA），结构简单，不必通过复杂的 化学分析就可以对基因结构和功能进行精细的研究。 ④便于研究基因的突变，因为它们是单倍体，所有的突变都能立即表现出来， 没有显性掩盖隐性的问题，也不存在分离问题。而且数量庞大，突变率很低 的突变都能检测到。 ⑤便于研究基因的作用，代谢作用旺盛，能在短时间内积累大量代谢产物，
细菌和噬菌体的遗传分析 [习题]1 一、填空题 1、F’因子是从_________细胞中不准确地切除_________时产生的。 2、F因子和温和噬菌体因为都可以__________________________________________，称为_________。 3． Hfr×F—时，为使Hfr不被选择，要使它带有__________基因，而且这个基因应位于染色体的______。 4． Hfr（λ）×F—，可使F—发生______，而Hfr×F—（λ）能产生_____，这种现象叫________。 5、原噬菌体是由温和噬菌体经______________________整合到细菌染色体形成的，这与Hfr 菌株形成过程相同。 6、F’因子是从_________细胞中不准确地切除_________时产生的。所以F’因子除了含F因子的基因外，还有部分_______的基因。 7、在Benzer的顺反测验中，当T4rIIA×T4rIIB侵染E．coli K12时，可产生______反应，再涂布到E．coli B上时，出现_________。 8、单向的同源重组常在原核生物中发生。如____________和___________。 9、大肠杆菌F+菌株与F-菌株结合，最后F+菌株变成了________,F-菌株变成了________。 二、解释下列名词： F-菌株、F+菌株、Hfr菌株、F因子、F'因子、烈性噬菌体、温和性噬菌体、溶原性细菌、部分二倍体。 三、选择题 1、某些细菌能通过其细胞膜摄取周围供体的染色体片段，并将此外源DNA片段通过重组参入到自己染色体组的过程，称为( )。 a.接合 b.性导 c.转导 d.转化 2、让Hfr arg-leu+azi s str r与F-arg+leu-azi r str s混合培养，使其发生接合。想增多F-重组型arg+leu+azi r的出现，下面哪—种培养基将完成这个选择( )。
第六章细菌和噬菌体的遗传 一、名词解释 1、菌落：单个微生物生长繁殖到一定程度可以形成肉眼可见的、有一定形态结构的子细胞生长群体. 2、噬菌体:指侵染细菌、放线菌以及真菌的病毒。包括温和、烈性两种，单一核酸分子（DNA 或RNA）称为基因带或染色体。 3、中断杂交技术：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。 4、重组作图：指根据基因之间重组率进行基因定位的作图方法。 5、性导：F-细菌通过获得F′因子而改变遗传性状的过程。 6、F′因子（F′质粒）：当F因子从主染色体切除出来时，如果不是以原来的位置切除，而是将供体菌（Hfr）的主染色体上的个别基因切除，成为F因子的一部分，这种质粒称F′因子。 7、F′菌株：含有F′因子的菌株。 8、双重感染（混合感染、复感染）：是指用两种噬菌体同时感染某一菌株。 9、溶源性细菌：细菌体内已含有噬菌体，但噬菌体并不裂解细菌的菌株，又称溶源菌。这种现象称为溶源性。 10、原噬菌体：溶源性细菌所携带的无感染能力的噬菌体。有2种存在方式：一种是游离状态，一种是整合状态。 11、合子诱导：带有原噬菌体的Hfr菌株与敏感性的F-菌株杂交后，由于噬菌体在受体菌中随即复制，诱导受体菌裂解，这种现象称合子诱导。 12、转导：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），中进行基因重组的过程叫转导。 13、共转导（并发转导）：两个紧密连锁的基因往往可以一起被转导，这种结合转导现象叫共转导。 14、流产转导：转导DNA进入受体细胞后，不与受体基因组交换，也不进行DNA复制，稳定独立存在与细胞中。使后代细胞中只有一个细胞具有转导DNA，其他细胞不含转导DNA ，后代细胞发生分离。 15、附加体: 质粒可以独立存在与细胞质中,也可以整合到主染色体上,,成为染色体的一部分,这样的质粒特成为附加体 16、转导噬菌体：携带了供体DNA（遗传物质）、并且能把它转移到受体中的噬菌体。 二、填空 1、一个噬菌斑通常含有（107——108）个噬菌体。一个噬菌斑是由（1）个噬菌体引起的， 所以，一个噬菌斑中的噬菌体在遗传上是均一的，相当于一个（克隆）。 2、（温和性噬菌体）侵染细菌后，并不使细菌很快裂解，而是存活或潜伏较长的时期。而是在（特定）的条件下才使细菌裂解。如有（紫外线照射或温度）刺激，就可使原来（温和性噬菌体）改变成（烈性噬菌体），使细菌裂解。 3、F因子的结构是由（原点）（可育基因（性伞毛基因群））（复制区DNA复制酶基因）（重组区（插入序列；插入区））组成。 4、Hfr细菌又称（高频重组菌株），其细菌含有（F）因子，并且（F）因子通过交换整合到（主染色体）上，在细菌杂交中相当于（雄）性。 三、选择填空 1、下列（A）因子属于附加体。A F因子B col因子C R因子 D 分解因子 2、F+与F-杂交，F因子通过（B）进入F-。 A 接触 B 接合管 C 性伞毛 D 复制 3、F+与F-杂交，F因子通过（C）复制方式进行复制。
细菌与噬菌体遗传 (总分：322.00，做题时间：90分钟) 一、填空题(总题数：15，分数：57.00) 1.F因子在细胞中的存在状态有两种，分别是______状态和______状态。 （分数：3.00） 填空项1:__________________ 2.当F+或Hfr细菌染色体进入F-后，在一个短时期内，F-细胞中对若干基因座来说总有一段______体的DNA，这样的细菌称为______。 （分数：3.00） 填空项1:__________________ 3.大肠杆菌基因重组的特点有______、______、______。 （分数：4.50） 填空项1:__________________ 4.大肠杆菌F+菌株与F-菌株结合，最后F+菌株变成了______，F-菌株变成了______。 （分数：3.00） 填空项1:__________________ 5.噬菌体将供体菌的某些基因带入受体菌的过程称为______，通过原噬菌体的不规则交换脱离细菌染色体时带出临近少数供体基因并传给受体菌的过程称为______。 （分数：3.00） 填空项1:__________________ 6.大肠杆菌中含有独立而且完整F因子的菌株是______，不含有F因子的菌株是______，F因子组合进入到染色体上的菌株是______，F因子带有少量染色体基因的菌株是______。 （分数：6.00） 填空项1:__________________ 7.细菌转化过程包括有转化能力的染色体DNA片段的______、______和______三个阶段。 （分数：4.50） 填空项1:__________________ 8.T4快速溶菌突变型有______、______和______三类，通过对T4rⅡ区突变型间的重组实验可以确定 ______，通过互补实验可以确定______。 （分数：7.50） 填空项1:__________________ 9.一个Hfr菌株染色体上的基因顺序为转移原点—X—Y—Z—S—P—Q，为了得到一个最高比例的重组子，在接合后应该在受体中选择 1作为供体的标记基因。 （分数：1.50） 填空项1:__________________ 10.F因子由三个区域组成，它们是______、______和______。 （分数：4.50）
第十章细菌和病毒的遗传 第一节细菌和病毒遗传研究的意义 本章教学时数：4-6学时。 本章重点：低等生物的拟有性过程。 本章难点：利用拟有性过程绘制遗传连锁图。 第一节细菌和病毒遗传研究的意义 自然界所有的生物都可以归入真核生物(eukaryote)和原核生物(prokaryote)两大类。 细菌和蓝绿藻属于原核生物。构成原核生物的细胞是原核细胞。原核细胞最基本的特征是没有明确的核膜和核结构，也没有线粒体等细胞器，不能进行典型的有丝分裂和减数分裂，只通过简单的裂殖方式增殖。因此，它们的遗传物质传递和重组的方式与真核生物不同。 病毒是最原始的生物，没有细胞结构，甚至自己不能进行自主分裂，只能在宿主细胞内以集团形式增殖。 遗传学研究从经典水平发展到细胞水平，一个重要的条件是Morgan利用了果蝇这个模式试验材料。从细胞水平发展到分子水平，有两个必不可少的条件：（1）对基因的物理结构和化学结构的了解；（2）以微生物为研究材料。 基因的物理结构和化学结构已经在第三章讲过了，本章主要讨论与细菌和病毒有关的一些问题。 一、细菌（Bacteria） 细菌是单细胞原核生物，是地球上生物量最大的一类生物，它占据了地球上大部分的生物干重。 细菌的繁殖非常快，在适宜的条件下，每20分钟就能繁殖一代，从一个细胞裂殖变成两个细胞。假如以一个细胞为基数，繁殖一代成为2个，繁殖2代成为4个。繁殖n代，就有2n-1+1个。一昼夜以24小时计，可以繁殖72代，总个数为271+1＝2.36×1021。 细菌的基因组很小，只有一条染色体，研究起来非常方便。细菌群体大，即使突变率很低，也很容易得到各种不同的生化突变型。 细菌遗传研究的方法： 用液体培养基培养细菌，待其繁殖到一定程度，用吸管吸取几滴培养液，滴到固体的琼脂糖培养基上，用一根灭菌的玻璃棒涂布均匀。若涂布的细菌浓度很低，单个细胞可以分散开来（图7－2）。由于每个细胞不移动的裂殖增生，经过大约一夜，每个细胞的后代可达107个，且集合成群，成为肉眼可见的菌落（colony），或称为克隆（clone）。
第七章细菌和噬菌体的遗传学分析 1、一个基因型为a+b+c+d+e+并对链霉素敏感的E.coliHfr菌株与基因型为a-b-c-d-e-并对链霉素耐性的F-菌株接合，30分钟后，用链霉素处理，然后从成活的受体中选出e+型的原养型，发现它们的其它野生型（+）基因频率如下：a+70％，b+-，c+85％，d+10％。问a，b，c，d四个基因与供体染色体起点（最先进入F-受体之点）相对位置如何？ 解：根据中断杂交原理，就一对接合个体而言，某基因自供体进入受体的时间，决定于该基因同原点的距离。因此，就整个接合群体而论，在特定时间内，重组个体的频率反映着相应基因与原点的距离。 报据题目给定的数据，a、b、c、d与供体染色体的距离应该是： 是： 2、为了能在接合后检出重组子，必须要有一个可供选择用的供体标记基因，这样可以认出重组子。另一方面，在选择重组子的时候，为了不选择供体细胞本身，必须防止供体菌株的继续存在，换句话说，供体菌株也应带有一个特殊的标记，能使它自己不被选择。例如供体菌株是链霉素敏感的，这样当结合体（conjugants）在含有链霉素的培养基上生长时，供体菌株就被杀死了。现在要问：如果一个Hfr菌株是链霉素敏感的，你认为这个基因应位于染色体的那一端为好，是在起始端还是在末端？ 解：在起始端 3、有一个环境条件能使T偶数噬菌体（T-even phages）吸附到寄主细胞上，这个环境条件就是色氨酸的存在。这种噬菌体称为色氨酸需要型（C）。然而某些噬菌体突变成色氨酸非依赖型（C+）。有趣的是，当用C和C+噬菌体感染细菌时，将近一半的色氨酸非依赖型子代在进一步的实验中表现为基因型C。你如何解释这个发现？ 解： 首先，这不可能是回复突变，因为这里的频率是1／2。 应该注意的是，这里进行的是C和C+对寄主的混合感染。当两种类型噬菌体同时感染同一寄主细胞时，两者在同一寄主细胞中增殖，同时，各自按照本身的遗传组成指导合成其外壳蛋白质，以便组装成成熟的噬菌体颗粒。也就是说，在寄主细胞中，同时存在两种类型的噬菌体染色体和可以包装其染色体的两类型噬菌体的所需蛋白质。
一、转化（transformation）： 概念：某些细菌通过其细胞膜摄取周围供体的染色体片段，将此外源DNA片段通过重组整合到自己染色体组的过程。 1928年，格里费斯(Griffith F.)在肺炎双球菌中发现转化现象。 1944年，阿委瑞(Avery O. T.) 进行肺炎双球菌转化试验； 证实遗传物质是DNA； 转化是细菌交换基因的方法之一。 转化的条件：细菌活跃摄取外源DNA分子；具备重组程序所必需的酶。 转化三种细菌：肺炎双球菌；枯草杆菌；流感嗜血杆菌。 转化的两个例子： ①.用两个带有不同抗性的肺炎双球菌群体混合可以发现带有双抗性的细菌。 细菌裂解DNA残留其它细菌摄取转化。 ②.枯草杆菌活细胞表面分泌DNA，可被其它细胞摄取。 ㈠、供体与受体的互作： ①.转化片断的大小： 肺炎双球菌转化：DNA片断至少有800个碱基对； 枯草杆菌的转化：DNA片断至少有16000个碱基对。 ②.供体DNA分子存在的数目：
供体DNA分子数目与特定基因的成功转化有关。 链霉素抗性基因转化：每个细胞含有10个DNA分子之前，抗性转化体数目一直与DNA分子存在数目成正比。 原因：细菌的细胞壁或细胞膜上有固定数量的DNA接受座位，故一般细菌摄取的DNA分子数<10个。 ③．受体的生理状态： 感受态是处于刚停止DNA合成、而蛋白质合成继续活跃进行时的状态。 活跃合成的蛋白质可使细菌细胞壁易于接受转化DNA。 只有感受态受体细胞才能摄取并转化外源DNA，而这种感受态也只能发生在细菌生长周期的某一时间范围内。 ㈡、转化DNA的摄取和整合过程： ①.结合与穿入： DNA分子结合在接受座位上(可逆)，可被DNA酶降解；接受座位饱和性。 DNA摄取(不可逆)，不受DNA酶破坏。 穿入后，由外切酶或DNA移位酶降解其中一条链。 ②.联会： 按各个位点与其相应的受体DNA片段联会。亲缘关系越远，联会越小、转化的可能性越小。 ③．整合(重组)： 是指单链的转化DNA与受体DNA对应位点的置换稳定地进入到受体DNA。 对同源DNA具有特异性。
第八章细菌和噬菌体的重组和连锁 1、为什么说细菌和病毒是遗传学研究的好材料？ 答：因为它们具有以下几个特点： 1）繁殖快，世代短，容易操作和分析； 2）遗传物质简单，只含裸露DNA或RNA，适于作基因结构和功能研究； 3）便于筛选突变基因和研究基因的功能； 4）可用作研究高等生物的简单模型。 2、大肠杆菌的遗传物质传递方式与典型减数分裂过程的生物有什么不同？答：大肠杆菌的繁殖方式是一种简单的无性繁殖，亲代细胞遗传物质复制后传递给子代细胞；典型减数分裂过程的生物是有性繁殖，需要经过减数分裂形成生殖细胞，在这个过程中发生遗传物质的重组、染色体数目减半，通过精卵结合传递给子代细胞。 3、解释下列名词 （1）F－菌株，F+菌株，Hfr菌株 答：携带F因子（游离于宿主基因组DNA）大肠杆菌株称为F+菌株；携带有整合于宿主基因组DNA中的F因子的菌株称为Hfr菌株；不携带F因子菌株称为F－菌株。 （2）F因子，F’因子，质粒，附加体 答：F因子是存在于大肠杆菌细胞内的一种共价闭合环状双链DNA分子，F 因子赋予宿主细胞具备能与F－细胞接合的特征；F’因子是携带部分宿主基因的F因子；质粒是细胞中染色体外能进行自主复制的遗传单位，非细胞必须组分；附加体是一种既可以游离于宿主基因组外独立存在、又可以整合（插入）宿主基因组中的质粒。 （3）溶原性细菌，非溶原性细菌 答：溶源性细菌是指细胞内携带有温和性噬菌体基因组而又不产生噬菌体粒子的细菌。非溶原性细菌是细胞既无温和性噬菌体基因组、又没有噬菌体粒子的细菌。 （4）烈性噬菌体，温和噬菌体，原噬菌体 答：噬菌体侵入宿主细胞后，进入裂解途径，大量合成自身的遗传物质和蛋白
细菌和噬菌体的遗传分析 习题一 一、填空题 1、Hfr,F因子 2、整合或游离于细菌染色体上或之外附加体 3．末端 4．裂解重组体合子诱导 5、一次单交换 6、Hfr,F因子，细菌 7、溶菌，r＋斑、r斑 8、高频重组，广泛性转导 9、F+ F+ 二、解释下列名词： F-菌株：未携带F因子的大肠杆菌菌株。 F+菌株：包含一个游离状态F因子的大肠杆菌菌株。 Hfr菌株：包含一个整合到大肠杆菌染色体组内的F因子的菌株。 F因子：大肠杆菌中的一种附加体，控制大肠杆菌接合过程而使其成为供体菌的一种致育因子。 F'因子：整合在宿主细菌染色体上的F因子，在环出时不够准确而携带有染色体一些基因的一种致育因子。 烈性噬菌体：侵染宿主细胞后，进入裂解途径，破坏宿主细胞原有遗传物质，合成大量的自身遗传物质和蛋白质并组装成子噬菌体，最后使宿主裂解的一类噬菌体。 温和性噬菌体：侵染宿主细胞后，并不裂解宿主细胞，而是走溶原性生活周期的一类噬菌体。 溶原性细菌：含有温和噬菌体的遗传物质而又找不到噬菌体形态上可见的噬菌体粒子的宿主细菌。 部分二倍体：当F+和Hfr的细菌染色体进入F-后，在一个短时期内，F-细胞中对某些位点来说总有一段二倍体的DNA状态的细菌。
三、选择题 1-5、d b d b c 6-10、A C A B A 四、问答题 2．为什么说细菌和病毒是研究遗传学的好材料？ 答：与其他生物体相比，细菌和病毒能成为研究遗传学的好材料，具有以下7个方面的优越性： （1）世代周期短：每个世代以min或h计算，繁殖速度快，大大缩短了实验周期。 （2）易于管理和进行化学分析个体小，繁殖方便，可以大量节省人力、物力和财力；且代谢旺盛，繁殖又快，累积大量的代谢产物。 （3）便于研究基因的突变细菌和病毒均属于单倍体，所有突变都能立即表现出来，不存在显性掩盖隐性的问题。 （4）便于研究基因的作用通过基本培养基和选择培养基的影印培养，很容易筛选出营养缺陷型，利于生化[研究。 （5）便于基因重组的研究通过细菌的转化、转导和接合作用，在一支试管中可以产生遗传性状不相同的后代。 （6）便于用于研究基因结构、功能及调控机制的材料细菌和病毒的遗传物质简单，基因定位和结构分析等易于进行且可用生理生化方法进行基因的表达和调控分析。 （7）便于进行遗传操作细菌质粒和病毒作为载体，已成为高等生物的分子遗传学研究和生物工程的重要工具。 3．试比较大肠杆菌和玉米的染色体组。 答：大肠杆菌属于原核生物、而玉米是真核生物，二者基因组存在很大的区别： ⑴.基因组大小不同：大肠杆菌DNA以单个染色体的形式存在，长约1100μm，分子量约为2.6×109；玉米以10对染色体存在（n=10），基因组非常庞大。
第五章细菌和噬菌体的遗传 1 细菌和病毒遗传研究的意义 生物的简单分类 自然界所有的生物都可以归入真核生物 (eukaryote)和原核生物(prokaryote)两大类。 细菌和蓝绿藻属于原核生物。构成原核生物的细胞是原核细胞。原核细胞最基本的特征是没有明确的核膜和核结构，也没有线粒体等细胞器，不能进行典型的有丝分裂和减数分裂，只通过简单的裂殖方式增殖。因此，它们的遗传物质传递和重组的方式与真核生物不同。 病毒是最原始的生物，没有细胞结构，甚至自己不能进行自主分裂，只能在宿主细胞内以集团形式增殖。 遗传学研究从经典水平发展到细胞水平，一个重要的条件是Morgan利用了果蝇这个模式试验材料。从细胞水平发展到分子水平，有两个必不可少的条件：（1）对基因的物理结构和化学结构的了解；（2）以微生物为研究材料。 §1 细菌和病毒遗传研究的意义 一、细菌（ Bacteria） 细菌是单细胞生物，是地球上最多的一类生物，它占据了地球上大部分的生物干重。 细菌的繁殖非常快，在适宜的条件下，每20分钟就能繁殖一代，从一个细胞裂殖变成两个细胞。假如以一个细胞为基数，繁殖一代成为2个，繁殖2代成为4个。繁殖n代，就有2n-1+1个。一昼夜以24小时计，可以繁殖72代，总个数为271+1＝2.36×1021。 细菌的基因组很小，只有一条染色体，研究起来非常方便。细菌群体大，即使突变率很低，也很易得到各种不同的生化突变型。 细菌遗传研究的方法： 用液体培养基培养细菌，待其繁殖到一定程度，用吸管吸取几滴培养液，滴到固体的琼脂糖培养基上，用一根灭菌的玻璃棒涂布均匀。若涂布的细菌浓度很低，单个细胞可以分散开来（图7－2）。由于每个细胞不移动的裂殖增生，经过大约一夜，每个细胞的后代可达107个，且集合成群，成为肉眼可见的菌落（colony），或称为克隆（clone）。 单个细菌繁殖而成的菌落中，每个细胞的遗传组成都应该是一样的，但可以发生突变，突变后所形成的菌落也会发生相应的变化。 突变有几类：形态性状突变、生理特性突变、抗性突变。 菌落形状的突变包括菌落的大小、形状和颜色。如引起小鼠肺炎的野生型肺炎双球菌本来形成大而光滑的菌落，而有一种突变形的菌落小而粗糙。 生理特性的突变主要是丧失合成某种营养物质的能力，称为营养缺陷型。如野生型细菌可以自己合成色氨酸，可能突变以后就不能合成了，若不在培养基中添加色氨酸，该菌就会死亡。营养缺陷型可以用不同的选择培养基来检测。 抗性突变主要是指抗药性的突变。在野生型细菌培养基中加入青霉素（penicillin），
第6章细菌和病毒的遗传 1．解释下列名词：F-菌株、F+菌株、Hfr菌株、F因子、F'因子、烈性噬菌体、温和性噬菌体、溶原性细菌、部分二倍体。 F-菌株：未携带F因子的大肠杆菌菌株。 F+菌株：包含一个游离状态F因子的大肠杆菌菌株。 Hfr菌株：包含一个整合到大肠杆菌染色体组内的F因子的菌株。 F因子：大肠杆菌中的一种附加体，控制大肠杆菌接合过程而使其成为供体菌的一种致育因子。 F'因子：整合在宿主细菌染色体上的F因子，在环出时不够准确而携带有染色体一些基因的一种致育因子。 烈性噬菌体：侵染宿主细胞后，进入裂解途径，破坏宿主细胞原有遗传物质，合成大量的自身遗传物质和蛋白质并组装成子噬菌体，最后使宿主裂解的一类噬菌体。 温和性噬菌体：侵染宿主细胞后，并不裂解宿主细胞，而是走溶原性生活周期的一类噬菌体。 溶原性细菌：含有温和噬菌体的遗传物质而又找不到噬菌体形态上可见的噬菌体粒子的宿主细菌。 部分二倍体：当F+和Hfr的细菌染色体进入F-后，在一个短时期内，F-细胞中对某些位点来说总有一段二倍体的DNA状态的细菌。 2．为什么说细菌和病毒是研究遗传学的好材料？ 答：与其他生物体相比，细菌和病毒能成为研究遗传学的好材料，具有以下7个方面的优越性：（1）世代周期短：每个世代以min或h计算，繁殖速度快，大大缩短了实验周期。 （2）易于管理和进行化学分析个体小，繁殖方便，可以大量节省人力、物力和财力；且代谢旺盛，繁殖又快，累积大量的代谢产物。 （3）便于研究基因的突变细菌和病毒均属于单倍体，所有突变都能立即表现出来，不存在显性掩盖隐性的问题。 （4）便于研究基因的作用通过基本培养基和选择培养基的影印培养，很容易筛选出营养缺陷型，利于生化[研究。 （5）便于基因重组的研究通过细菌的转化、转导和接合作用，在一支试管中可以产生遗传性状不相同的后代。 （6）便于用于研究基因结构、功能及调控机制的材料细菌和病毒的遗传物质简单，基因定位和结构分析等易于进行且可用生理生化方法进行基因的表达和调控分析。 （7）便于进行遗传操作细菌质粒和病毒作为载体，已成为高等生物的分子遗传学研究和生物工程的重要工具。 3．试比较大肠杆菌和玉米的染色体组。 答：大肠杆菌属于原核生物、而玉米是真核生物，二者基因组存在很大的区别： ⑴基因组大小不同：大肠杆菌DNA以单个染色体的形式存在，长约1100μm，分子量约为2.6×109；玉米以10对染色体存在（n=10），基因组非常庞大。 ⑵染色体组成不同：大肠杆菌DNA不与组蛋白结合，也不形成核小体结构，是一个封闭的大环结构；而玉米DNA与组蛋白结合，形成典型的核小体结构，呈直线排列，并多级折叠成光学显微镜下可见的染色体结构。 ⑶大肠杆菌的基因发生突变，在当代个体中即可表现出来，而在玉米中基因组中则存在基因的显隐性关系。 ⑷ DNA合成时期不同：大肠杆菌DNA在整个细胞生长过程中都可进行，而玉米DNA只在细胞周期的S期合成。 ⑸复制起点不同：大肠杆菌只有一个复制起点，在而玉米存在多个复制起点。