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第六章 细菌和噬菌体的遗传 第一节 细菌和噬菌体的遗传基础 一、细菌
单细胞原核生物，结构简单，生长速度快，周期短，20分钟一个世代。染色体单倍体，为环状裸露的双链DNA分子，称之为基因带或主染色体。无性繁殖（无丝分裂），易培养，易突变。此外还有1～n个独立于染色体而存在，并能独立自我复制和决定某些性状的环状DNA即质粒。
菌落：在固体培养基的表面或内部，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。
营养缺陷型：由于在营养代谢上有缺陷而不能利用某种营养物质的类型，称营养缺陷型。（Met-）。
野生型：能利用某种营养物质的类型（Met+）。
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敏感型：对某种药物缺乏耐受能力的类型。链霉素敏感（Str）。 抗性型：对某种药物有耐受能力的类型（Strr）。 二、噬菌体
噬菌体是指侵染细菌、放线菌以及真菌的病毒。包括温和、烈性两种，都没有细胞结构，由一个蛋白质外壳包围的单一核酸分子（DNA或RNA）。单链或双链，称之为基因带或染色体，病毒自身没有代谢机能，不能单独生长和繁殖。必需寄生在活细胞中，利用或细胞的代谢机器来进行增殖。
病毒分三类：植物病毒、动物病毒和噬菌体。 三、细菌和病毒是遗传研究的好材料
1、繁殖快, 世代短： 细菌20分钟一代，病毒一小时可繁殖百个。
2、便于基因作用的研究：显隐性都表现，可设计各种营养缺陷型，来对应基因的功能。
3、便于研究基因突变：首先是单倍体易于表现（隐性和显性都表现）。虽然突变率<105, 至少需上百个培养皿，但只要培养基上加所希望突变的抗性物质，就有望短期鉴定出来。
4、便于研究基因的精细结构：遗传物质简单, 只含裸露DNA或RNA。
5、易管理和化学分析。 一个试管可装很多; 易于获得大的数量用于分析。 6、可用作研究高等生物的简单模型。高等生物复杂，可用细菌来代替某种研究。 第二节 细菌的遗传分析* 一、细菌的质粒
质粒：细菌中除主染色体之外，能进行自主复制的遗传单位。可随细胞分裂分配到子细胞中。
（一）质粒的种类
1、根据质粒在细菌间能否传递分二类：
（1）感染性质粒：能从一个细菌体内转移到另一个细菌体内。 （2）非感染性质粒：不能从一个细菌体内转移到另一个细菌体内。 2、根据质粒存在的状态分
（1）自主复制型质粒：独立于主染色体之外。F因子
（2）结合态质粒：能插入（整合）到主染色体上，并成为主染色体的一部分。当环境改变时，结合态质粒还能脱离主染色体形成自主复制型质粒。F因子 3、根据质粒的功能分
（1）致育质粒：决定细菌的交配状态。F因子
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（2）抗性质粒：决定细菌的抗药性，抗某些金属等属性。大肠杆菌中的R因子。 （3）分解性质粒等。 （二）质粒的性质
1、复制作用：质粒为分子量较小的环状双链DNA分子，能够自我复制，复制时DNA必须附着于细胞膜上的唯一接触点。
2、与染色体的结合作用：质粒可以独立存在于细胞质中，也可以整合到主染色体上，成为染色体的一部分，这样的质粒特称为附加体。
3、质粒的不配合性：通常含有相同基因的质粒（具有相当同源性的两个质粒）不能稳定地存在于一个细菌中。
4、消失作用：质粒在寄主细胞内，有时会自行消失。这种现象有时还受环境影响。吖黄素处理可使F+变成F-
5、质粒可以在同种个体间移动（F因子），也可以在种间转移（R因子）
6、每个质粒的结构中都含有与自主复制有关的区域。可转移的质粒具有与转移有关的基因。
（三）大肠杆菌质粒
E.coli质粒有F因子、R因子和col因子等。 1、F因子（性因子、F质粒）：F因子属于致育质粒，为附加体。可使细菌产生管状的性纤毛（性伞毛），决定细菌的交配状态。具F因子的细菌相当于雄性（供体），用F+表示，不具有F因子的大肠杆菌相当于雌性（受体），用F-表示。 F因子的结构：原点（O）：转移的起点
可育基因（性伞毛基因群）：使细菌表面出现一至若干性伞毛。 DNA复制酶基因：（复制区）F因子本身复制有关。 插入序列（插入区）：即IS插入序列，与F因子插入细菌染色体过程有关。IS有极性！
2、R因子：是一种抗性质粒，几乎存在于所有细菌中，多数R因子不整合，而保持自主复制。这类质粒对许多抗生素有抗性，可以在基因工程中用作基因载体的标记，以便筛选。 3、col因子：（大肠杆菌素原因子）与产生大肠杆菌素有关，杀死其它肠道细菌。 二、细菌的杂交
（一）典型的细菌杂交实验
过去曾经在相当长时间里，认为细菌是无性生殖的，各细菌间没有遗传物质的交换。直到1946年和1950年的两个实验的结果，无可辩驳地证明，细菌也象高等生物的有性过程一样，也能进行杂交，进行遗传物质交换。
1、1946 Lederberg和Tatum在大肠杆菌细胞之间发现通过接合可以交换遗传物质。选用大肠杆菌K12的两个不同菌株杂交：
A菌株： met-bio-thr+leu+thi+ ，蛋氨酸和生物素缺陷型
B菌株： met+bio+thr-leu-thi- ，苏氨酸和亮氨酸硫胺素缺陷型
混合培养A和B菌株。在完全的培养基上培养数小时。 培养物离心，涂布在基本培养基上培养，结果发现长出了一些原养型（met+，bio+，thr+，leu+ thi+）的菌落。说明A和B能够互补，但是不能确定：是A和B菌株杂交了呢？还是A与B之间泄露了物质相互吸收？
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2、1950年戴维斯（Davis）设计了一种U型管实验，证实了A和B菌株之间确实是发生了杂交。先在U管底部放入滤片，该滤片可阻止细菌通过，但不影响大分子（DNA）流过。左管加入A菌株，右管加入B菌株。左管用棉塞紧，右管加抽进气管。右管抽进气轮流加压或抽气吸引使左右大分子完全混合。待两臂细胞在完全培养基中停止生长后，将它们分别涂布在基本培养上，结果都没有出现原养型，说明直接接触是必要条件。但是不能说明遗传物质的交换是否是相互的呢？
3、1953年海斯（W.Hayes）做了一个杂交实验：链霉素处理的菌株不分裂（不杀死）。
实验1：A菌株（链霉素处理）×B菌株 （可分裂） ↓
基本培养基
↓
出现菌落（B形成的菌落） 实验2：B菌株（链霉素处理）×A菌株 ↓
基本培养基
↓
未出现菌落（A未形成的菌落）
说明接合中的遗传物质转移是一种单向过程。A和B的性行为不同，其中一个是供体，一个是受体，在这里A是供体 上述实验1中，A处理了其不能分裂，但是同样可以将遗传物质转移给受体B，而B未处理，接受A的基因后，可以分裂并在培养基中形成菌落。
实验2中B处理后，其可以接受A的基因，但是B本身不能分裂，所以在培养基上不能形成菌落，同时可以看到，B没有遗传物质给A。 后来发现，细菌菌株之间的差异是由于F因子引起的，具有F因子的为供体，相当于雄性（A菌株），F+表示。不具有F因子的菌株为受体，相当于雌性（B菌株），F-表示。
F+与F-接触后，F因子滚环式方式复制1份，并通过结合管（细胞质桥）进入F-中。
（二）F+、Hfr菌株与F-菌株的杂交
1、F+×F-→1小时后→95%F-→F+ 主染色体进入的频率小于1/100万。
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+。 （1）F+细菌通过纤毛与F-细菌接触并发生相互作用 。
（2）F+细菌出现缺口，双链之一被切断，从断端转移F因子的一条链到F-细菌中。
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（3）F因子的一条链一进入F-细菌中，就在F-细菌中复制新的 F因子。 （4）复制完成后， F-细菌变成F+ ，同时原有F+细胞也完成F因子另一条链的复制，所以转移是 F+的拷贝。
所以最终是F-细菌变成F+细菌，而原有的F+细菌则不变。 2、Hfr×F-
Hfr细菌（高频重组菌株）：细菌含有F因子，并且F因子通过交换整合到主染色体上，这样的细菌叫Hfr细菌。
F因子可整合在大肠杆菌不同的部位，由于整合的部位不同，方向不同，则形成了不同的Hfr（DNA进入F-的顺序不同）。Hfr的主染色体进入F-中的频率高，比F+×F高1000倍。
杂交过程也是先形成接合管，然后Hfr的染色体，按定向和均匀速度边复制边转移，DNA转移是从oriT起始，转移的顺序：原点—配对区—大肠杆菌基因—配对区—育性基因。
但在转移过程中，结合管很易破裂，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），F因子的主要部份在最后进入受体。所以大部分F因子并没有进入受体，中途断开，最终F-细菌没有变成F+细菌，只是形成部分二倍体。
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。
供体的DNA（外基因子）转移到受体以后，只有与受体菌完整的基因组（内基因子）发生双交换形成环状分子（稳定的重组子）。 三、细菌的基因定位
（一）F因子的插入与Hfr染色体的极性
F因子与细菌主染色体交换整合时，F因子IS与主染色体的IS配对，由于主染色体的IS有多个，这样F因子的IS与主染色体的哪个IS配对时就导致该处主染色体上的基因首先进入F-，即由于F因子的插入，使主染色体具有了极性（即基因转移的方向发生变化）[模型]。
可见F因子的IS的极性，不仅决定F因子插入的位置，还决定主染色体转移的方向。因此，大肠杆菌的染色体虽然是环形的，但是在Hfr×F-中，转移基因的顺序（进入F-的顺序）是不一样的。 （二）中断杂交作图
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。1957年沃尔曼（wollman）和雅各布（Jacob）想了解Hfr×F-交配中，什么时候把基因转移给F-细菌，设计了著名的中断杂交试验：
苏氨酸 亮氨酸 叠氮化钠 噬菌体 乳糖 半乳糖 链霉素 Hfr： thr+ leu+ azir tonr lac+ gal+ strs F-： thr- leu- 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混合培养，每隔一定时间取样，把取样的菌在搅拌器内搅拌振荡（断开结合管），洗涤完全培养基，然后稀释菌液（防止再度结合）后，将其涂布在含有str的基本培养基（葡萄糖和无
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