Chapter10 细菌及病毒的遗传作图
本章要求
10.1 细菌和病毒遗传研究的意义
10.2 细菌的细胞和染色体结构
10.3 细菌的染色体作图
10.4 病毒的一般特性及类型
10.5 噬菌体的染色体作图
复习思考题
?理解细菌和病毒在遗传研究中的优越性和意义；
?掌握转化、接合、性导与转导的概念与基本原理；
?掌握 F-菌株,F+菌株,Hfr菌株的概念、区别和用
途；
?区别 F因子,F′因子的异同；
?了解温和性噬菌体、烈性噬菌体的生活周期；
?掌握原噬菌体、溶源性细菌的概念；
?了解细菌和病毒遗传作图的原理和基本过程。
本章要求
10.1 细菌和病毒遗传研究的意义
10.1.1 细菌的培养
10.1.2 细菌在生物进化树中的地位
10.1.3 细菌和病毒在 遗传研究中的优越性
10.1.4 细菌 和病毒的拟有性过程
10.1.1 细菌培养
摇瓶培养
平皿分离
10.1.2 细菌在生物进化树中的地位
产烷生物
盐杆菌
10.1.3 细菌和病毒在遗传研究中的优越性
?繁殖世代所需时间短 。 每个世代以分钟或小时计,
如大肠杆菌每 20分钟即可繁殖一代 。
?易于管理和进行化学分析 。 用一支试管就可贮存数
以百万计的细菌或病毒, 在短期内累积大量产物,
为化学分析提供条件 。
?遗传物质较简单 。 只有一个位于细胞质内裸露的 DNA
或 RNA分子 。
10.1.3 细菌和病毒在遗传研究中的优越性
?便于研究基因的突变 。 细菌和病毒属于一倍体, 所有
突变都能立即表现出来 。
?便于研究基因的作用 。 细菌可以生活在基本培养基上,
易于获得营养缺陷型, 也易于测知各种营养缺陷型所
需要的物质, 是研究基因作用的好材料 。
?可作为研究高等生物的简单模型 。 可以从微生物的研
究中得到模型, 并从中获得启发, 为开展对高等生物
的的遗传研究开拓思路 。
10.1.4 细菌和病毒的拟有性过程
? 真核生物基因分离、自由组合及连锁交换均通过有性过
程 (减数分裂 —— 受精 )实现。细菌和病毒均属于原核生
物，不存在严格意义上的有性过程。
? 细菌细胞内除了染色体外还有一些寄生性 复制因子 (如
噬菌体和质粒 ),或叫 核外 或 染色体外因子,它们可以
在细胞间传递，并且形成细菌染色体间以及细菌染色体
与核外遗传因子间的重组体。这种重组体结构类似于真
核生物减数分裂过程中形成的重组体结构。
? 拟有性过程 —— 引起细菌、病毒间遗传物质转移与重组
的过程。 拟有性过程的存在是细菌、病毒在遗传学研究，
特别是作为真核生物的模型研究遗传重组和基因结构的
重要前提。
10.2 细菌的细胞和染色体结构
10.2.1 形态特征
10.2.2 细菌 细胞结构 的特点
10.2.3 细菌 DNA与质粒
10.2.4 细菌遗传的实验 研究方法
10.2.1 形态特征
?细菌是 单细胞 生物，细胞结
构包括细胞壁、细胞膜、细
胞质和核区，部分细菌还有
某些特殊结构，如鞭毛、伞
毛、荚膜、芽胞、气泡等；
?生活周期短，易培养 ；
?易获得其生化突变型 ；
?大小不一，形态各异 。常见细菌的形状有杆状、球状和螺
旋状，其中以杆状最常见。
10.2.2 细菌细胞结构的特点
?无真正的细胞核 。细菌细胞只在菌体中央有一
个遗传物质集中区 —— 核区，无核膜和核仁，
其功能与细胞核相当，由一个环状 DNA分子高
度缠绕而成，其中央部分是 RNA与支架蛋白，
这样的细胞核称为 拟核 。
?缺乏线粒体、叶绿体等细胞器 。
10.2.3 细菌 DNA与质粒
? 细菌 DNA,是一个很长的 共价闭合环状双链 分子
（ dsDNA）, 通常以 超螺线体 的形式存在于细菌体内 。
细菌无典型的染色体结构, 没有组蛋白与 DNA分子结
合, DNA仅与一些碱性蛋白相结合 。 细菌 DNA中有一定
比例 （ 约 1%） 的碱基被甲基化, 其中以腺嘌呤居多,
胞嘧啶次之 。 细菌的遗传物质比较简单, 适宜用作基
因结构和功能的研究 。
10.2.3 细菌 DNA与质粒
?质粒,细菌体内含有的一种染色体外 小型环状 DNA。质
粒实质上是一些携带着决定细菌某些遗传特性的基因，
如抗药、产毒、致病、形成芽胞、产生色素或抗生素
等的基因。 质粒能独立于染色体存在和复制，还能在
细胞间传递 。
?附加体,有些质粒能 整合到细菌染色体中，在染色体
的控制下随染色体一起复制,这类质粒称为附加体
（ episome）。
10.2.4 细菌遗传的实验研究方法
培养基的类型,
?基本培养基（野生型）
?完全培养基（突变型）
?选择培养基（鉴定突变类型）
?补充培养基（具体突变类型的确定）
?细胞计数 (培养物细胞浓度 )
? 建立纯系的方法
? 选择培养法鉴定突变型与重组型
? 突变型与重组型的批量筛选方法
? 细胞计数 (培养物细胞浓度 )
培养物中微生物计数方
法是微生物学的基本实验技
术，其基本思路是,
?对原培养物进行 连续稀释 ；
?进行 平板涂抹培养 ；
?由于 一个细胞形成一个菌
落,计数菌落数；
?根据稀释倍数计算原培养
物中的细胞浓度。
? 建立纯系的方法 —— 纯培养
?纯系,由单个细胞繁殖而
来的菌落称为 纯系 。
?菌种纯,采用平板表面涂
布法或划线法获得单株菌
落。这种方法获得的纯系，
称为, 菌种纯, 。
?菌株纯,利用显微操纵器
进行菌丝尖端切割等方法
获得单个细胞，并直接培
养建立纯系，这种方法获
得的纯系称为, 菌株纯, 。
?选择培养法鉴定突变型与重组型
许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关。
? 营养缺陷型的筛选、鉴定 —— 选择培养法。 是根据菌
株在基本培养基和营养培养基上的生长表现 差异 将菌
株分为原养型 (也称为原生营养型 )与营养缺陷型 (在基
本培养基上不能正常生长，只能在相应的营养培养基
上生长 )，该方法 一次只能检出一种突变型 。
? 其它突变类型的筛选、鉴定 —— 对于其它的突变类型
(如温度敏感型 )，也可以通过培养条件的选择培养来
筛选与鉴定。
? 突变型与重组型的批量筛选方法
?影印培养法 （ Lederberg,1952） —— 该方法可高效检测、
分离混和群体中不同的突变型。其原理与选择培养法
一致，是采用影印法将完全培养基上的单菌落同时接
种到不同选择培养基上，同时对所有菌落进行选择培
养，鉴定效率大大提高。
注意,
?最初的培养基必须是非选择性的，即各种突变型都能
够在其上生长；
?必须采用适当的方法如涂布或划线法，以使培养物菌
落之间分开。
影印培养法 （ Lederberg,1952）
10.4 病毒的一般特性及类型
10.4.1 病毒的一般特性
10.4.2 病毒的类型
10.4.3 噬菌体的生活周期
10.4.1 病毒的一般特性（自学）
?无细胞结构 ；为蛋白质外壳包裹核而成的颗粒。
?形体极微小 ；只有在电子显微镜下才能观察到。
?化学组成简单 ；主要是核酸和蛋白质。
?只含一种核酸 （ DNA或 RNA）；
?缺乏独立代谢能力 ；
?繁殖方式独特 ；只能依赖宿主活细胞的代谢机器，通过
核酸复制和蛋白质合成后再装配成完整的病毒颗粒的方
式进行繁殖。
?具有双重存在方式 ；或营专性寄生在活细胞内，或在细
胞外以大分子颗粒状态进行传播。
?对干扰素敏感,而 对抗生素不敏感 。
10.4.2 病毒的分类（自学）
根据宿主来划分,
? 细菌病毒
? 植物病毒
? 无脊椎动物病毒
? 脊椎动物病毒
亚病毒
类病毒
拟病毒
朊病毒
各类病毒的具体内容见教材 P191-192
10.4.3 噬菌体的生活周期
?烈性噬菌体 （ virulent phage） —— 噬菌体侵入宿主细
胞后，利用宿主细胞内的物质进行自身遗传物质和蛋白质
的合成，组装出许多子噬菌体，使宿主细胞裂解而释放子
噬菌体，这类噬菌体称为烈性噬菌体。
?裂解周期,吸附 侵入 核酸的复制、转录与蛋
白质的生物合成 装配 释放
?温和性噬菌体 （ temperate phage）
?原噬菌体 （ prophage） —— 某些噬菌体侵染细菌后，其
DNA整合到宿主染色体中，这种处于整合状态的噬菌体称
为 原噬菌体 。
?溶源性细菌 （ lysogenic bacteria） —— 含有原噬菌体的
宿主细菌称为溶源性细菌，或 溶源体 。
?温和性噬菌体 —— 在噬菌体侵入后，细菌并不裂解，而是
以溶源体或质粒的形式存在的一类噬菌体称为温和性噬菌
体。
?原噬菌体通过诱导（ induction） 可转变为烈性噬菌体 。
诱导方式有多种，如温度改变、与非溶源性细菌的接合等。
10.4.3 噬菌体的生活周期
10.5 噬菌体的染色体作图
? T2噬菌体的基因重组与作图
? λ 噬菌体的基因重组与作图
? 基因的细微结构作图
? 互补测验和顺反测验
? T2噬菌体的基因重组与作图
噬菌体遗传性状可分为 噬菌斑的形态
宿主范围
（ 1） 噬菌斑突变, T噬菌体的 r-突变体
正常噬菌体,r+,产生的 菌斑小而边缘模糊
突变噬菌体,r-,产生的 菌斑大两倍而边缘清晰
（ 2） 宿主范围突变
大肠杆菌 B株是 T2的宿主，大肠杆菌 B/2株对 T2产生抗性
一种发生在 T2上的 h-突变体，能利用 B和 B/2株
而 h+只能利用 B株
教材 P200有实例。
%100)( ??
总噬菌斑数
重组噬菌斑数重组值 Rf
? T2噬菌体的基因重组与作图
接种在同时长有 B和
B/2株的培养基上
h+r-× h-r+
h+r- h-r+ h+r+ h-r-
半透明,大 透明,小 半透明,小 透明,大
由于不同速溶性噬菌体的突变体在表型上不
同，可分别写成 ra-,rb-,rc-等。用 rx-h+ ×
rx+h-可对其进行基因定位,。
一,T2噬菌体的基因重组与作图
由 rx-h+ × rx+h-实验结果（表 8-1,P200） 可知
Rfra-h =24% Rfrb-h =12.3% Rfrc-h =1.6%,
据重组值可知 3个 r基因和 h基因的排列方式有
ra rb rc h
ra rc h rb
ra rb h rc
ra h rc rb
又 rc-rb+ × rc+rb- Rfrc-rb=14% h位于 rb 和 rc之间。
h rc
ra rb
?λ噬菌体的基因重组与作图
凯泽（ Kaiser,1955） 用 UV照射处理 λ
噬菌体，得到 5个 λ 噬菌体的突变系,
S—— 小噬菌斑
mi—— 微小噬菌斑
C—— 完全清亮的噬菌斑
C01—— 除中央一个环其余
部分都清亮的噬菌斑
C02—— 比 C01更浓密的中央环噬菌斑
溶源性受到干
扰，只能进入
裂解周期，故
斑清亮
S C01 mi × + + +
+ + + 975
S C01 mi 924
S + + 30
+ C01 mi 32
S C01 + 61
+ + mi 51
S + mi 5
+ C01 + 13
2091
2.9%
5.3%
0.86%
Rf s-c01 =3.76%
Rf s-mi =6.16%
Rf c01-mi=9.92%
负干扰,在 λ 噬菌体的三点测验
中发现一个单交换发生后，会增
加另一个单交换发生的概率，这
时干扰系数为负值，这种现象称
为 负干扰 。
71.3%16.6%76.3 %86.0 ???C
＞ 1
?λ噬菌体的基因重组与作图
S 3.76 C01 6.16 mi
10.3 细菌的染色体作图
10.3.1 转化
10.3.2 接合
10.3.3 性导
10.3.4 转导
一个细菌细胞的 DNA与另一个细菌细胞的
DNA的交换与重组可以通过四种方式进行,
10.3.1 转化
? 转化 （ transformation）, 指某些细菌 （ 或其它生
物 ） 能通过其细胞膜摄取周围介质中的 DNA片段, 并
将此外源 DNA片段整合到自己染色体组中的过程 。
? 转化的过程
非感受态细胞 外源 DNA被洗掉了
转化因子
感受态细胞 外源 DNA仍与细胞结合
整合 吸收
两种核酸内切酶,
切外源 DNA为约 14kb的片段
使外源 DNA片段变为单链
吸附 洗涤
10.3.1 转化
?整合,共体单链 DNA进入受体细胞后与受体染
色体的某一部分联会, 并进一步置换受体的对
应染色体区段的过程 。
?实例
?转化在遗传分析中的应用
Griffith转化研究 (1928)
Avery的转化实验 (1944)
转染,用除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细胞或原生
质体的过程称为 转染 。
? 转化在遗传分析中的应用
双转化,供体的两个基因紧密连锁在一条 DNA片段上，
它们同时转化的现象称为 双转化 。
①两个基因同时转化的效率（连锁或不连锁）
②基因定位（遗传作图）（枯草杆菌）
trp2+ his2+tyr1+ × trp2- his2-tyr1-
trp2 + - - - + + +
his2 + + - + - - +
tyr1 + + + - - + -
数目 11940 3660 685 418 2600 107 1180
转化子类型
基因座位
? 转化在遗传分析中的应用
11940
13120
1180
2600+107
6785
3660+418
11940
12047
107
2600+1180
8125
3660+685
11940
15600
3660
418+1180
2390
107+685
107
525
418
亲本类型 重组类型 重组值
trp2 -his2
trp2 -tyr1
his2 -tyr1
11940
34.09%
40%+2× 4.21
13%
4.21% 双转化型
+
+
+
trp2
his2
tyr1
34
13
连锁遗传图
trp2 34.09 his2 13 tyr1
10.3.2 接合
? 接合现象的发现和证实
? F因子及其在杂交中的行为
? 中断杂交实验作图
?接合现象的发现和证实
1946年,J.Lederberg & E.Tatum 的大肠杆菌杂交试验,
? 材料,大肠杆菌 (Escherichia coli)K12菌株的两个营
养缺陷型品系,
菌株 A— 甲硫氨酸缺陷型 met- 和生物素缺陷型 bio-；
菌株 B— 苏氨酸缺陷型 thr- 和亮氨酸缺陷型 leu-。
? 方法,将 A,B两菌株混和，在基本培养基 (固体 )上涂
布培养。
? 结果,平板上长出原养型菌落 (++++)。
上述试验获得的原养型菌落可能产生于,
?亲本菌株 A或 B发生了 回复突变 ；
?两品系细胞通过培养基交换养料 — 互养作用 ；
?两品系间发生了 转化作用 ；
?发生 细胞融合, 形成了异核体或杂合二倍体 。
为了验证这些原养型菌落产生的可能而进行
的研究最终表明：这些解释均不成立。
? 结果分析
?回复突变可能的排除
Lederbery和 Tatum利用的双营养缺陷型菌株进行试验，
已基本排除 A或 B品系发生回复突变产生原养型细菌的
可能。因为,
? 单基因 回复突变的频率约为 10-6；
? 双基因 回复突变的频率则为 10-12，频率很低。
? 但试验中产生原养型菌落产生的频率非常高（ 10-7），
因此基本可以排除回复突变的可能。
?互养作用及其排除
? 试验材料
A品系, A-B+ T1S(met-bio-thr+leu+T1S)；
B品系, A+B- T1R(met+bio+thr-leu-T1R)。
? 试验方法,将 A,B品系混合接种在基本培养基表面，
短时间后喷噬菌体 T1杀死 A品系，使其不能持续产生 thr
与 leu供 B品系持续生长。
? 结果,仍然出现原养型菌落。
? 结论,表明互养并非原养型菌落出现的原因，而可能
发生了遗传重组。
?转化作用及其排除
?Lederbery和 Tatum曾把 品系 A的
培养液经加热灭菌，加入到 B品
系的培养物中,未得到原养型
菌落，表明原养型菌落可能不
是由转化作用产生。
?戴维斯 (Dawis,1950)的 U型管
试验,结果也没有得到原养型
细菌。
?结论,细胞直接接触是原养型
细菌产生的必要条件，从而否
定了转化的可能性。
? 异核体和杂合二倍体的可能性
若细菌细胞发生融合，产生异核体或双杂合二倍体。
这两种情况类似于二倍体生物的杂合体,将产生原养型
菌落。
异核体,指由于细胞融合而在细胞内含有遗传组成
不同的两个或多个细胞核。
双杂合二倍体,是指异核体进一步发生核融合，形
成二倍体细胞核，核内含有两种遗传物质。
细菌为单倍配子体生物，异核体和二倍体只能暂存。
培养繁殖过程中必将发生分离，产生各种缺陷型菌落，
对试验中得到的原养型菌落后代研究表明，后代没有出
现预期的性状分离现象。
?W.Hayes的实验（ 1952）
链霉素处理 A菌
完全培养基培养一段时间 洗涤离心
B菌
重组体未减少 基本培养基
链霉素处理 B菌
完全培养基培养一段时间 洗涤离心
A菌
无重组体产生 基本培养基
该实验说明细菌接合过程中 遗传物质的转移是单向
的,即遗传物质从 A株转移到了 B株。
?接合现象的发现和证实
经过上述分析可以认为：在 Lederbery和 Tatum及其它
类似试验中，发生了一种不同于转化的遗传重组方式，
称之为 接合 。
?接合 (conjugation),指遗传物质从供体 (donor)转移到
受体 (receptor)的重组过程。
Hayes(1952)研究表明,
?大肠杆菌两种不同菌株 (品系 )接合过程中遗传物质的转
移是单向的，从而认为大肠杆菌存在两种类型,雌性 与
雄性,分别作为接合过程中遗传物质的 受体 与 供体 。
?F因子及其在杂交中的行为
?致育因子,决定细菌雄性的是染色体外的一个共价环
状 DNA分子，称为 致育因子 （ fertility factor）,又
称为 F因子或 F质粒 。
?供体菌 （雄性菌）：含有 F因子的细菌,F因子游离于
宿主染色体外，记为 F+。
?受体菌 （雌性菌）：不含有 F因子的细菌，记为 F－ 。
?Hfr菌株 （ 高频重组菌株）：指 F 因子整合到宿主染
色体中去了的菌株，其重组频率比 F+ 高 1000多倍。
F 质粒与细菌接合
F因子的存在状态
?F因子在宿主染色体上有许多 特定的插入位点和方向,
整合频率为每代 10-5～ 10-7。
?性伞毛形成结合桥, 进而诱导 F因子上 traYz基因表达,
产生核酸内切酶, 该酶在 oriT转移起始点处一条单链上
切开一个口, 供体 DNA从 5′ 末端开始向受体转移 。
?接合过程,细菌间接触 → 接合管形成 → 单链断裂 — 单链
DNA从供体向受体转移 → 环化 （ F+ F-） 或 DNA双链的
形成 （ 部分二倍体 ） （ Hfr F-） —— 重组交换 （ 奇
偶次交换 ） 。
?F因子及其在杂交中的行为
? F因子的特点
?F＋ 细菌可以把 F因子 传给后代 。
?F＋ 细菌经 吖啶橙处理 F因子丢失,丢失
后不在出现。
?F＋ 可以 和 F－ 杂交,而 不能和 F＋ 杂交 。
?F＋ 和 F－ 杂交 后代皆为 F＋, 而且可以以
10－ 7频率获得重组体后代。
? F因子在杂交中的行为
? F因子在杂交中的行为
?Hfr与 F-的接合
? Hfr品系与 F＋ 菌株的异同
?相同
?都能和 F－ 杂交。
?杂交都要通过接合管和受体菌相联接。
?高剂量链霉素处理后都不影响杂交，说明它们都是
作为一种供体。
?不同
?产生重组子频率不同,Hfr× F－ 10－ 4,F＋ × F－ 10－ 7。
?F＋ × F－ 后代 F＋, Hfr× F－ 后代 F－ 。
?F＋ 细菌经吖啶橙处理变成 F－, Hfr经吖啶橙处理仍
为 Hfr。
?中断杂交实验作图 (巴斯德实验室,Elie Wolliman和 Francois Jacob)
1分钟 ≈20% 的重组值
+
?F?因子, Hfr菌株在切除 F因子时发生错误切除，分离
出一个携带 F因子和部分宿主染色体基因的遗传因子，
这种带有宿主染色体基因的 F因子称为 F?因子 。
?性导,带有 F?因子 的细菌在接合时,由 F?因子 所携带
的外 源 DNA便转移到宿主细菌的染色体上，这一过程称
为 性导 。
?F?因子 使细菌带有的特点
?F?因子 以极高的比率转移 它携带的基因；如同 F+高效转移 F因
子一样。
?F?因子 有极高的自然整合率,而且整合在一定的基因座位上，
因有与细菌同源的染色体区段，不同于 F因子随机插入。
10.3.3 性导
? F?因子 与 F+,Hfr的关系 （ P224）
? F?因子 的用途
不同的 F?因子 带有不同的细菌 DNA片段，可覆盖全部染
色体基因，可用于构建部分二倍体菌株，用来研究基因的
相互作用，确定显隐性关系，构建遗传图谱，进行互补测
验以鉴定两个突变是属于一个基因还是两个基因等。
10.3.3 性导
? F＋, Hfr,F?的接合对照
10.3.4 转导
? 概念,以噬菌体为媒体所进行的细菌遗传物质重组的
过程，称为 转导 。
? 转导现象的发现
Lederbery及其研究生 Zinder（ 1951） 首先在鼠伤寒沙
门氏菌（ Salmenella typhimurium） 中发现转导现象。
原因? 是否为接合或转化引起的？
单独
培养
单独
培养
混合
培养
LA22 LA2
phe-trp-met+his+ phe+trp+met-his-
基本培养基培养是
否形成原养型菌落 否 是 否
? U型管实验，仍得到重组体，排除了接合的可能。
并说明它是一种可通过滤膜的过滤性因子（ FA）。
? 利用 DNA酶处理,FA不受 DNA酶影响，仍得到重组体，
排除了转化作用的可能。
? FA与从溶源性菌分离得到的噬菌体 P22的质量大小相
同。
? 用抗 P22的血清或加热处理,P22的感染性和过滤性因
子 FA功能失活的速率相同。
? 抗噬菌体 P22的沙门氏菌菌株对过滤性因子也表现为
抗性。
? 这些结果表明,FA就是温和噬菌体 P22。 P225
寻找原因的实验
?转导的类型
?普遍性转导,在噬菌体感染的末期, 细菌染色体被断裂
成许多小片段, 在形成噬菌体颗粒时, 少数噬菌体将细
菌的 DNA误认为是它们自己的 DNA,并包裹进其蛋白质衣
壳内, 从而形成转导噬菌体, 该噬菌体再去感染其他宿
主时, 就将所携带的细菌染色体片段带入受体菌中, 形
成部分二倍体, 进而重组整合 。 这种转导类型称为 普遍
性转导 。
?流产转导,指转导 DNA分子进入受体细胞后, 既不与受
体基因组发生交换, 又不随宿主 DNA复制而复制, 而是
很稳定地存在于细胞之中, 由于细菌不断增殖, 故该转
导类型的细菌所占比例越来越少, 以至最终消失, 故称
为 流产转导 。
10.3.4 转导
?转导的类型
?局限性转导,由温和噬菌体（如 λ ）介导的转
导类型。原噬菌体离开细菌染色体时，偶尔可
将噬菌体插入位点两边的细菌基因一起环落下
来而形成混杂的 DNA片段，该 DNA片段由噬菌体
蛋白质衣壳包裹，再去侵染其他宿主细菌，可
将特定的细菌基因带入新的受体菌，进而重组
整合，这种转导称为 局限性转导 。
普遍性转导和局限转导的区别
?转导的应用
?绘制细菌遗传图谱（普遍性转导）
?对个别基因的研究（局限转导）
10.3.4 转导
复习思考题
P231～ 232,2,3,5,8,9题
本章要求
10.1 细菌和病毒遗传研究的意义
10.2 细菌的细胞和染色体结构
10.3 细菌的染色体作图
10.4 病毒的一般特性及类型
10.5 噬菌体的染色体作图
复习思考题
?理解细菌和病毒在遗传研究中的优越性和意义；
?掌握转化、接合、性导与转导的概念与基本原理；
?掌握 F-菌株,F+菌株,Hfr菌株的概念、区别和用
途；
?区别 F因子,F′因子的异同；
?了解温和性噬菌体、烈性噬菌体的生活周期；
?掌握原噬菌体、溶源性细菌的概念；
?了解细菌和病毒遗传作图的原理和基本过程。
本章要求
10.1 细菌和病毒遗传研究的意义
10.1.1 细菌的培养
10.1.2 细菌在生物进化树中的地位
10.1.3 细菌和病毒在 遗传研究中的优越性
10.1.4 细菌 和病毒的拟有性过程
10.1.1 细菌培养
摇瓶培养
平皿分离
10.1.2 细菌在生物进化树中的地位
产烷生物
盐杆菌
10.1.3 细菌和病毒在遗传研究中的优越性
?繁殖世代所需时间短 。 每个世代以分钟或小时计,
如大肠杆菌每 20分钟即可繁殖一代 。
?易于管理和进行化学分析 。 用一支试管就可贮存数
以百万计的细菌或病毒, 在短期内累积大量产物,
为化学分析提供条件 。
?遗传物质较简单 。 只有一个位于细胞质内裸露的 DNA
或 RNA分子 。
10.1.3 细菌和病毒在遗传研究中的优越性
?便于研究基因的突变 。 细菌和病毒属于一倍体, 所有
突变都能立即表现出来 。
?便于研究基因的作用 。 细菌可以生活在基本培养基上,
易于获得营养缺陷型, 也易于测知各种营养缺陷型所
需要的物质, 是研究基因作用的好材料 。
?可作为研究高等生物的简单模型 。 可以从微生物的研
究中得到模型, 并从中获得启发, 为开展对高等生物
的的遗传研究开拓思路 。
10.1.4 细菌和病毒的拟有性过程
? 真核生物基因分离、自由组合及连锁交换均通过有性过
程 (减数分裂 —— 受精 )实现。细菌和病毒均属于原核生
物，不存在严格意义上的有性过程。
? 细菌细胞内除了染色体外还有一些寄生性 复制因子 (如
噬菌体和质粒 ),或叫 核外 或 染色体外因子,它们可以
在细胞间传递，并且形成细菌染色体间以及细菌染色体
与核外遗传因子间的重组体。这种重组体结构类似于真
核生物减数分裂过程中形成的重组体结构。
? 拟有性过程 —— 引起细菌、病毒间遗传物质转移与重组
的过程。 拟有性过程的存在是细菌、病毒在遗传学研究，
特别是作为真核生物的模型研究遗传重组和基因结构的
重要前提。
10.2 细菌的细胞和染色体结构
10.2.1 形态特征
10.2.2 细菌 细胞结构 的特点
10.2.3 细菌 DNA与质粒
10.2.4 细菌遗传的实验 研究方法
10.2.1 形态特征
?细菌是 单细胞 生物，细胞结
构包括细胞壁、细胞膜、细
胞质和核区，部分细菌还有
某些特殊结构，如鞭毛、伞
毛、荚膜、芽胞、气泡等；
?生活周期短，易培养 ；
?易获得其生化突变型 ；
?大小不一，形态各异 。常见细菌的形状有杆状、球状和螺
旋状，其中以杆状最常见。
10.2.2 细菌细胞结构的特点
?无真正的细胞核 。细菌细胞只在菌体中央有一
个遗传物质集中区 —— 核区，无核膜和核仁，
其功能与细胞核相当，由一个环状 DNA分子高
度缠绕而成，其中央部分是 RNA与支架蛋白，
这样的细胞核称为 拟核 。
?缺乏线粒体、叶绿体等细胞器 。
10.2.3 细菌 DNA与质粒
? 细菌 DNA,是一个很长的 共价闭合环状双链 分子
（ dsDNA）, 通常以 超螺线体 的形式存在于细菌体内 。
细菌无典型的染色体结构, 没有组蛋白与 DNA分子结
合, DNA仅与一些碱性蛋白相结合 。 细菌 DNA中有一定
比例 （ 约 1%） 的碱基被甲基化, 其中以腺嘌呤居多,
胞嘧啶次之 。 细菌的遗传物质比较简单, 适宜用作基
因结构和功能的研究 。
10.2.3 细菌 DNA与质粒
?质粒,细菌体内含有的一种染色体外 小型环状 DNA。质
粒实质上是一些携带着决定细菌某些遗传特性的基因，
如抗药、产毒、致病、形成芽胞、产生色素或抗生素
等的基因。 质粒能独立于染色体存在和复制，还能在
细胞间传递 。
?附加体,有些质粒能 整合到细菌染色体中，在染色体
的控制下随染色体一起复制,这类质粒称为附加体
（ episome）。
10.2.4 细菌遗传的实验研究方法
培养基的类型,
?基本培养基（野生型）
?完全培养基（突变型）
?选择培养基（鉴定突变类型）
?补充培养基（具体突变类型的确定）
?细胞计数 (培养物细胞浓度 )
? 建立纯系的方法
? 选择培养法鉴定突变型与重组型
? 突变型与重组型的批量筛选方法
? 细胞计数 (培养物细胞浓度 )
培养物中微生物计数方
法是微生物学的基本实验技
术，其基本思路是,
?对原培养物进行 连续稀释 ；
?进行 平板涂抹培养 ；
?由于 一个细胞形成一个菌
落,计数菌落数；
?根据稀释倍数计算原培养
物中的细胞浓度。
? 建立纯系的方法 —— 纯培养
?纯系,由单个细胞繁殖而
来的菌落称为 纯系 。
?菌种纯,采用平板表面涂
布法或划线法获得单株菌
落。这种方法获得的纯系，
称为, 菌种纯, 。
?菌株纯,利用显微操纵器
进行菌丝尖端切割等方法
获得单个细胞，并直接培
养建立纯系，这种方法获
得的纯系称为, 菌株纯, 。
?选择培养法鉴定突变型与重组型
许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关。
? 营养缺陷型的筛选、鉴定 —— 选择培养法。 是根据菌
株在基本培养基和营养培养基上的生长表现 差异 将菌
株分为原养型 (也称为原生营养型 )与营养缺陷型 (在基
本培养基上不能正常生长，只能在相应的营养培养基
上生长 )，该方法 一次只能检出一种突变型 。
? 其它突变类型的筛选、鉴定 —— 对于其它的突变类型
(如温度敏感型 )，也可以通过培养条件的选择培养来
筛选与鉴定。
? 突变型与重组型的批量筛选方法
?影印培养法 （ Lederberg,1952） —— 该方法可高效检测、
分离混和群体中不同的突变型。其原理与选择培养法
一致，是采用影印法将完全培养基上的单菌落同时接
种到不同选择培养基上，同时对所有菌落进行选择培
养，鉴定效率大大提高。
注意,
?最初的培养基必须是非选择性的，即各种突变型都能
够在其上生长；
?必须采用适当的方法如涂布或划线法，以使培养物菌
落之间分开。
影印培养法 （ Lederberg,1952）
10.4 病毒的一般特性及类型
10.4.1 病毒的一般特性
10.4.2 病毒的类型
10.4.3 噬菌体的生活周期
10.4.1 病毒的一般特性（自学）
?无细胞结构 ；为蛋白质外壳包裹核而成的颗粒。
?形体极微小 ；只有在电子显微镜下才能观察到。
?化学组成简单 ；主要是核酸和蛋白质。
?只含一种核酸 （ DNA或 RNA）；
?缺乏独立代谢能力 ；
?繁殖方式独特 ；只能依赖宿主活细胞的代谢机器，通过
核酸复制和蛋白质合成后再装配成完整的病毒颗粒的方
式进行繁殖。
?具有双重存在方式 ；或营专性寄生在活细胞内，或在细
胞外以大分子颗粒状态进行传播。
?对干扰素敏感,而 对抗生素不敏感 。
10.4.2 病毒的分类（自学）
根据宿主来划分,
? 细菌病毒
? 植物病毒
? 无脊椎动物病毒
? 脊椎动物病毒
亚病毒
类病毒
拟病毒
朊病毒
各类病毒的具体内容见教材 P191-192
10.4.3 噬菌体的生活周期
?烈性噬菌体 （ virulent phage） —— 噬菌体侵入宿主细
胞后，利用宿主细胞内的物质进行自身遗传物质和蛋白质
的合成，组装出许多子噬菌体，使宿主细胞裂解而释放子
噬菌体，这类噬菌体称为烈性噬菌体。
?裂解周期,吸附 侵入 核酸的复制、转录与蛋
白质的生物合成 装配 释放
?温和性噬菌体 （ temperate phage）
?原噬菌体 （ prophage） —— 某些噬菌体侵染细菌后，其
DNA整合到宿主染色体中，这种处于整合状态的噬菌体称
为 原噬菌体 。
?溶源性细菌 （ lysogenic bacteria） —— 含有原噬菌体的
宿主细菌称为溶源性细菌，或 溶源体 。
?温和性噬菌体 —— 在噬菌体侵入后，细菌并不裂解，而是
以溶源体或质粒的形式存在的一类噬菌体称为温和性噬菌
体。
?原噬菌体通过诱导（ induction） 可转变为烈性噬菌体 。
诱导方式有多种，如温度改变、与非溶源性细菌的接合等。
10.4.3 噬菌体的生活周期
10.5 噬菌体的染色体作图
? T2噬菌体的基因重组与作图
? λ 噬菌体的基因重组与作图
? 基因的细微结构作图
? 互补测验和顺反测验
? T2噬菌体的基因重组与作图
噬菌体遗传性状可分为 噬菌斑的形态
宿主范围
（ 1） 噬菌斑突变, T噬菌体的 r-突变体
正常噬菌体,r+,产生的 菌斑小而边缘模糊
突变噬菌体,r-,产生的 菌斑大两倍而边缘清晰
（ 2） 宿主范围突变
大肠杆菌 B株是 T2的宿主，大肠杆菌 B/2株对 T2产生抗性
一种发生在 T2上的 h-突变体，能利用 B和 B/2株
而 h+只能利用 B株
教材 P200有实例。
%100)( ??
总噬菌斑数
重组噬菌斑数重组值 Rf
? T2噬菌体的基因重组与作图
接种在同时长有 B和
B/2株的培养基上
h+r-× h-r+
h+r- h-r+ h+r+ h-r-
半透明,大 透明,小 半透明,小 透明,大
由于不同速溶性噬菌体的突变体在表型上不
同，可分别写成 ra-,rb-,rc-等。用 rx-h+ ×
rx+h-可对其进行基因定位,。
一,T2噬菌体的基因重组与作图
由 rx-h+ × rx+h-实验结果（表 8-1,P200） 可知
Rfra-h =24% Rfrb-h =12.3% Rfrc-h =1.6%,
据重组值可知 3个 r基因和 h基因的排列方式有
ra rb rc h
ra rc h rb
ra rb h rc
ra h rc rb
又 rc-rb+ × rc+rb- Rfrc-rb=14% h位于 rb 和 rc之间。
h rc
ra rb
?λ噬菌体的基因重组与作图
凯泽（ Kaiser,1955） 用 UV照射处理 λ
噬菌体，得到 5个 λ 噬菌体的突变系,
S—— 小噬菌斑
mi—— 微小噬菌斑
C—— 完全清亮的噬菌斑
C01—— 除中央一个环其余
部分都清亮的噬菌斑
C02—— 比 C01更浓密的中央环噬菌斑
溶源性受到干
扰，只能进入
裂解周期，故
斑清亮
S C01 mi × + + +
+ + + 975
S C01 mi 924
S + + 30
+ C01 mi 32
S C01 + 61
+ + mi 51
S + mi 5
+ C01 + 13
2091
2.9%
5.3%
0.86%
Rf s-c01 =3.76%
Rf s-mi =6.16%
Rf c01-mi=9.92%
负干扰,在 λ 噬菌体的三点测验
中发现一个单交换发生后，会增
加另一个单交换发生的概率，这
时干扰系数为负值，这种现象称
为 负干扰 。
71.3%16.6%76.3 %86.0 ???C
＞ 1
?λ噬菌体的基因重组与作图
S 3.76 C01 6.16 mi
10.3 细菌的染色体作图
10.3.1 转化
10.3.2 接合
10.3.3 性导
10.3.4 转导
一个细菌细胞的 DNA与另一个细菌细胞的
DNA的交换与重组可以通过四种方式进行,
10.3.1 转化
? 转化 （ transformation）, 指某些细菌 （ 或其它生
物 ） 能通过其细胞膜摄取周围介质中的 DNA片段, 并
将此外源 DNA片段整合到自己染色体组中的过程 。
? 转化的过程
非感受态细胞 外源 DNA被洗掉了
转化因子
感受态细胞 外源 DNA仍与细胞结合
整合 吸收
两种核酸内切酶,
切外源 DNA为约 14kb的片段
使外源 DNA片段变为单链
吸附 洗涤
10.3.1 转化
?整合,共体单链 DNA进入受体细胞后与受体染
色体的某一部分联会, 并进一步置换受体的对
应染色体区段的过程 。
?实例
?转化在遗传分析中的应用
Griffith转化研究 (1928)
Avery的转化实验 (1944)
转染,用除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细胞或原生
质体的过程称为 转染 。
? 转化在遗传分析中的应用
双转化,供体的两个基因紧密连锁在一条 DNA片段上，
它们同时转化的现象称为 双转化 。
①两个基因同时转化的效率（连锁或不连锁）
②基因定位（遗传作图）（枯草杆菌）
trp2+ his2+tyr1+ × trp2- his2-tyr1-
trp2 + - - - + + +
his2 + + - + - - +
tyr1 + + + - - + -
数目 11940 3660 685 418 2600 107 1180
转化子类型
基因座位
? 转化在遗传分析中的应用
11940
13120
1180
2600+107
6785
3660+418
11940
12047
107
2600+1180
8125
3660+685
11940
15600
3660
418+1180
2390
107+685
107
525
418
亲本类型 重组类型 重组值
trp2 -his2
trp2 -tyr1
his2 -tyr1
11940
34.09%
40%+2× 4.21
13%
4.21% 双转化型
+
+
+
trp2
his2
tyr1
34
13
连锁遗传图
trp2 34.09 his2 13 tyr1
10.3.2 接合
? 接合现象的发现和证实
? F因子及其在杂交中的行为
? 中断杂交实验作图
?接合现象的发现和证实
1946年,J.Lederberg & E.Tatum 的大肠杆菌杂交试验,
? 材料,大肠杆菌 (Escherichia coli)K12菌株的两个营
养缺陷型品系,
菌株 A— 甲硫氨酸缺陷型 met- 和生物素缺陷型 bio-；
菌株 B— 苏氨酸缺陷型 thr- 和亮氨酸缺陷型 leu-。
? 方法,将 A,B两菌株混和，在基本培养基 (固体 )上涂
布培养。
? 结果,平板上长出原养型菌落 (++++)。
上述试验获得的原养型菌落可能产生于,
?亲本菌株 A或 B发生了 回复突变 ；
?两品系细胞通过培养基交换养料 — 互养作用 ；
?两品系间发生了 转化作用 ；
?发生 细胞融合, 形成了异核体或杂合二倍体 。
为了验证这些原养型菌落产生的可能而进行
的研究最终表明：这些解释均不成立。
? 结果分析
?回复突变可能的排除
Lederbery和 Tatum利用的双营养缺陷型菌株进行试验，
已基本排除 A或 B品系发生回复突变产生原养型细菌的
可能。因为,
? 单基因 回复突变的频率约为 10-6；
? 双基因 回复突变的频率则为 10-12，频率很低。
? 但试验中产生原养型菌落产生的频率非常高（ 10-7），
因此基本可以排除回复突变的可能。
?互养作用及其排除
? 试验材料
A品系, A-B+ T1S(met-bio-thr+leu+T1S)；
B品系, A+B- T1R(met+bio+thr-leu-T1R)。
? 试验方法,将 A,B品系混合接种在基本培养基表面，
短时间后喷噬菌体 T1杀死 A品系，使其不能持续产生 thr
与 leu供 B品系持续生长。
? 结果,仍然出现原养型菌落。
? 结论,表明互养并非原养型菌落出现的原因，而可能
发生了遗传重组。
?转化作用及其排除
?Lederbery和 Tatum曾把 品系 A的
培养液经加热灭菌，加入到 B品
系的培养物中,未得到原养型
菌落，表明原养型菌落可能不
是由转化作用产生。
?戴维斯 (Dawis,1950)的 U型管
试验,结果也没有得到原养型
细菌。
?结论,细胞直接接触是原养型
细菌产生的必要条件，从而否
定了转化的可能性。
? 异核体和杂合二倍体的可能性
若细菌细胞发生融合，产生异核体或双杂合二倍体。
这两种情况类似于二倍体生物的杂合体,将产生原养型
菌落。
异核体,指由于细胞融合而在细胞内含有遗传组成
不同的两个或多个细胞核。
双杂合二倍体,是指异核体进一步发生核融合，形
成二倍体细胞核，核内含有两种遗传物质。
细菌为单倍配子体生物，异核体和二倍体只能暂存。
培养繁殖过程中必将发生分离，产生各种缺陷型菌落，
对试验中得到的原养型菌落后代研究表明，后代没有出
现预期的性状分离现象。
?W.Hayes的实验（ 1952）
链霉素处理 A菌
完全培养基培养一段时间 洗涤离心
B菌
重组体未减少 基本培养基
链霉素处理 B菌
完全培养基培养一段时间 洗涤离心
A菌
无重组体产生 基本培养基
该实验说明细菌接合过程中 遗传物质的转移是单向
的,即遗传物质从 A株转移到了 B株。
?接合现象的发现和证实
经过上述分析可以认为：在 Lederbery和 Tatum及其它
类似试验中，发生了一种不同于转化的遗传重组方式，
称之为 接合 。
?接合 (conjugation),指遗传物质从供体 (donor)转移到
受体 (receptor)的重组过程。
Hayes(1952)研究表明,
?大肠杆菌两种不同菌株 (品系 )接合过程中遗传物质的转
移是单向的，从而认为大肠杆菌存在两种类型,雌性 与
雄性,分别作为接合过程中遗传物质的 受体 与 供体 。
?F因子及其在杂交中的行为
?致育因子,决定细菌雄性的是染色体外的一个共价环
状 DNA分子，称为 致育因子 （ fertility factor）,又
称为 F因子或 F质粒 。
?供体菌 （雄性菌）：含有 F因子的细菌,F因子游离于
宿主染色体外，记为 F+。
?受体菌 （雌性菌）：不含有 F因子的细菌，记为 F－ 。
?Hfr菌株 （ 高频重组菌株）：指 F 因子整合到宿主染
色体中去了的菌株，其重组频率比 F+ 高 1000多倍。
F 质粒与细菌接合
F因子的存在状态
?F因子在宿主染色体上有许多 特定的插入位点和方向,
整合频率为每代 10-5～ 10-7。
?性伞毛形成结合桥, 进而诱导 F因子上 traYz基因表达,
产生核酸内切酶, 该酶在 oriT转移起始点处一条单链上
切开一个口, 供体 DNA从 5′ 末端开始向受体转移 。
?接合过程,细菌间接触 → 接合管形成 → 单链断裂 — 单链
DNA从供体向受体转移 → 环化 （ F+ F-） 或 DNA双链的
形成 （ 部分二倍体 ） （ Hfr F-） —— 重组交换 （ 奇
偶次交换 ） 。
?F因子及其在杂交中的行为
? F因子的特点
?F＋ 细菌可以把 F因子 传给后代 。
?F＋ 细菌经 吖啶橙处理 F因子丢失,丢失
后不在出现。
?F＋ 可以 和 F－ 杂交,而 不能和 F＋ 杂交 。
?F＋ 和 F－ 杂交 后代皆为 F＋, 而且可以以
10－ 7频率获得重组体后代。
? F因子在杂交中的行为
? F因子在杂交中的行为
?Hfr与 F-的接合
? Hfr品系与 F＋ 菌株的异同
?相同
?都能和 F－ 杂交。
?杂交都要通过接合管和受体菌相联接。
?高剂量链霉素处理后都不影响杂交，说明它们都是
作为一种供体。
?不同
?产生重组子频率不同,Hfr× F－ 10－ 4,F＋ × F－ 10－ 7。
?F＋ × F－ 后代 F＋, Hfr× F－ 后代 F－ 。
?F＋ 细菌经吖啶橙处理变成 F－, Hfr经吖啶橙处理仍
为 Hfr。
?中断杂交实验作图 (巴斯德实验室,Elie Wolliman和 Francois Jacob)
1分钟 ≈20% 的重组值
+
?F?因子, Hfr菌株在切除 F因子时发生错误切除，分离
出一个携带 F因子和部分宿主染色体基因的遗传因子，
这种带有宿主染色体基因的 F因子称为 F?因子 。
?性导,带有 F?因子 的细菌在接合时,由 F?因子 所携带
的外 源 DNA便转移到宿主细菌的染色体上，这一过程称
为 性导 。
?F?因子 使细菌带有的特点
?F?因子 以极高的比率转移 它携带的基因；如同 F+高效转移 F因
子一样。
?F?因子 有极高的自然整合率,而且整合在一定的基因座位上，
因有与细菌同源的染色体区段，不同于 F因子随机插入。
10.3.3 性导
? F?因子 与 F+,Hfr的关系 （ P224）
? F?因子 的用途
不同的 F?因子 带有不同的细菌 DNA片段，可覆盖全部染
色体基因，可用于构建部分二倍体菌株，用来研究基因的
相互作用，确定显隐性关系，构建遗传图谱，进行互补测
验以鉴定两个突变是属于一个基因还是两个基因等。
10.3.3 性导
? F＋, Hfr,F?的接合对照
10.3.4 转导
? 概念,以噬菌体为媒体所进行的细菌遗传物质重组的
过程，称为 转导 。
? 转导现象的发现
Lederbery及其研究生 Zinder（ 1951） 首先在鼠伤寒沙
门氏菌（ Salmenella typhimurium） 中发现转导现象。
原因? 是否为接合或转化引起的？
单独
培养
单独
培养
混合
培养
LA22 LA2
phe-trp-met+his+ phe+trp+met-his-
基本培养基培养是
否形成原养型菌落 否 是 否
? U型管实验，仍得到重组体，排除了接合的可能。
并说明它是一种可通过滤膜的过滤性因子（ FA）。
? 利用 DNA酶处理,FA不受 DNA酶影响，仍得到重组体，
排除了转化作用的可能。
? FA与从溶源性菌分离得到的噬菌体 P22的质量大小相
同。
? 用抗 P22的血清或加热处理,P22的感染性和过滤性因
子 FA功能失活的速率相同。
? 抗噬菌体 P22的沙门氏菌菌株对过滤性因子也表现为
抗性。
? 这些结果表明,FA就是温和噬菌体 P22。 P225
寻找原因的实验
?转导的类型
?普遍性转导,在噬菌体感染的末期, 细菌染色体被断裂
成许多小片段, 在形成噬菌体颗粒时, 少数噬菌体将细
菌的 DNA误认为是它们自己的 DNA,并包裹进其蛋白质衣
壳内, 从而形成转导噬菌体, 该噬菌体再去感染其他宿
主时, 就将所携带的细菌染色体片段带入受体菌中, 形
成部分二倍体, 进而重组整合 。 这种转导类型称为 普遍
性转导 。
?流产转导,指转导 DNA分子进入受体细胞后, 既不与受
体基因组发生交换, 又不随宿主 DNA复制而复制, 而是
很稳定地存在于细胞之中, 由于细菌不断增殖, 故该转
导类型的细菌所占比例越来越少, 以至最终消失, 故称
为 流产转导 。
10.3.4 转导
?转导的类型
?局限性转导,由温和噬菌体（如 λ ）介导的转
导类型。原噬菌体离开细菌染色体时，偶尔可
将噬菌体插入位点两边的细菌基因一起环落下
来而形成混杂的 DNA片段，该 DNA片段由噬菌体
蛋白质衣壳包裹，再去侵染其他宿主细菌，可
将特定的细菌基因带入新的受体菌，进而重组
整合，这种转导称为 局限性转导 。
普遍性转导和局限转导的区别
?转导的应用
?绘制细菌遗传图谱（普遍性转导）
?对个别基因的研究（局限转导）
10.3.4 转导
复习思考题
P231～ 232,2,3,5,8,9题
