细菌遗传学
利？害？
我们要了解什么？
? 如何认识细菌？
? 细菌的基因组是什么样的？
? 细菌中的基因是如何传递的？
? 如何利用细菌进行基因研究？
? 细菌遗传学的发展趋势？
细菌的遗传多样性
一、细菌的一般特性
细菌在生物进化树中的地位
细菌特性
数目、大小、代谢类型,遗传机制
Gonorrhea (sex disease)
200nm-500um
human adult 100grams
NO3
hydrocarbon
细菌的共同特征
membrane membrane-bound organelles
nucleoid body
mesosome
cell wall
细菌培养
平皿分离和摇瓶培养
细菌的基因组
One circular chromosome
4-5Mb
质粒
二、大肠杆菌遗传
E.coli 染色体的结构
? E.coli 4.6Mb,4288genes
? E.coli K12 DNA sequence,1997
? 90% encode protein
? 8 locations of remnants of bacteriophage
genomes.
? Insertion sequences (IS)
E.coli内的可转移元件
E.coli 的复制
E.coli突变型及筛选
? 突变型
克隆形态
抗性突变型
合成代谢功能的突变型
分解代谢功能的突变型
基础代谢突变型（如温度敏感致死型）
? 筛选
选择培养基
显色
抗生素
营养缺陷型富集法
三、细菌中的遗传重组
遗传重组,把 不同基因组 中所含的遗传
组份 汇集 到一个基因组中从而产生 亲代
所没有 的基因组合的过程。
真核生物, 染色体上的基因，交换、自
由组合，二倍性合子
原核生物, 部分合子 (merozygote)
原核生物的遗传重组 实质上是指 受体中插入
来自供体的 遗传性不同的 DNA片段,并把这种
DNA片段或它的复本 整合为受体基因组 的一部分。
细菌的遗传重组
Transformation,Conjugation,Transduction
转化实验对 DNA
是遗传物质的证明
转化（ Transformation）
? Natural transformation,
Artificial transformation
? 易转化菌属
链球菌属 Streptococcus
嗜血杆菌属 Haemophilus
芽孢杆菌属 Bacillus
奈瑟氏球菌属 Neisseria
假单孢杆菌属 Pseudomonas
大肠杆菌属 Escherichia
? Competent recipient cell
转化的主要步骤
1,双链 DNA分子与细胞表面 感受位点 进
行可逆性结合。
2,供体 DNA片断被 吸入受体细胞 。
3,侵入受体细胞的供体 DNA转为单链,
其中一条被降解。
4,未被降解的一条链部分或整个 插入 受体
细胞的 DNA中。
5,杂合的 DNA经复制 可以形成亲代类型
和重组类型的 DNA,导致转化细胞的形
成与表达。
自然转化过程
利
用
转
化
确
定
未
知
基
因
通过转化确定基因顺序
通过共转化确定基因顺序
？－？－？
通过转化确定基因顺序
^_^^_^
转导（ Transduction）
沙门氏属 Salmonella
志贺氏菌属 Shigella
变形杆菌属 Proteus
假单孢杆菌属 Pseudomonas
葡萄球菌属 Staphylococcus
芽孢杆菌属 Bacillus
Generalized transduction
1951年,J.Lederberg 和 N.Zinder
Phe- trp- tyr- his＋ 与 Phe＋ trp＋ tyr＋ his-
原养型菌落 10-5
回复突变率为 10-8
Davis U型管实验证实是一种 可滤性因子 (FA)
A:Phe- trp- tyr- his＋ 与 B,Phe＋ trp＋ tyr＋ his-
U型管实验
FA与沙门氏菌的温和噬菌体 P22在生物学特性上的
一致性：
(1)P22的侵染力与和 FA的遗传力均可被 脱氧核糖
核酸酶和胰蛋白酶 破坏
(2)用 抗 P22或用加热的处理 均可使 P22的侵染力和
FA的遗传能力失活，失活速率相同。
(3)用 抗 P22的菌株作亲本 进行上述混合培养,FA丧
失侵染能力，不能出现重组体。
(4)P22和 FA在 大小和质量上相同 。
1965年,K.Ikeda 和 J.Tomizawa对 E.Coli的温和噬
菌体的研究阐明了转导噬菌体是如何形成的。
可滤性因子 (FA)的特性
普遍性转导
共转导（ contransduction)
? 一个以上的基因。
? 转导的片段较小，一般不能共转导 3
个以上基因。
? 提供 紧密连锁资料 。
普遍性转导应用
共转导绘图
温和噬菌体
限制性转导 （ Specialized transduction）
Phage induction
Specialized transduction
普遍性转导和限制性转导
的区别？？？
普遍性转导和限制性转导
的区别
? Lytic cycle
Lysogenic to lytic cycle
? Transfer any bacterial gene
Near the site of prophage insertion
? Do not contain any phage DNA
Contain phage DNA
细菌接合
杂交 实验
Lederberg 和 Tatum 1946
A＋ B－ × A－ B＋
A＋ B＋
回复突变 or重组
？？？
细菌接合
杂交 实验
Lederberg 和 Tatum 1946
A＋ B＋ C－ D－ × A－ B－ C＋ D＋
A＋ B＋ C＋ D＋
细菌接合
沃尔夫 Davis U型管实验
细菌接合
遗传物质的单方向转移
Hayes实验
A,met- thr+ leu+ thi+
B,met+ thr- leu- thi-
donor
receptor
F 质粒
F 质粒与细菌接合
F因子特点
? 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。
High frequence recombination
Hfr与 F-的接合
Hfr品系与 F＋ 菌株
? 相同
1、都能和 F－杂交。
2、杂交都要通过接合管和受体菌相联接。
3、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
1、产生重组子频率不同,Hfr× F－ 10－ 4,F＋
× F－ 10－ 7。
2,F＋ × F－ 后代 F＋, Hfr× F－ 后代 F－ 。
3,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
巴斯德实验室,Elie Wolliman和 Francois Jacob
细菌基因的交换
利用 Hfr菌株绘制染色体谱图
三点测交绘制基因图谱
F ? 质粒
F ?和 F因子
? F ?品系转变成 Hfr品系的 频率要高 于 F＋
品系。
? F ?变成 Hfr时 F ?因子整合到 相同位点 上，
而 F＋ 变成 Hfr时可整合到 不同位点 。
? F ?× F－ 高频传递特定的基因，形成部分
二倍体，而 F＋ × F－ 产生 F＋ 但不转移任
何基因，或以 10－ 7将宿主的基因按顺序
转入受体，受体仍为 F－ 。 所转移的基因
是不同的 。
F＋, Hfr,F?的接合对照
细菌遗传学的未来
DNA sequence
postgenomic era
gene function
重要概念
? 转化
? 转导
? 接合
? 中断杂交
利？害？
我们要了解什么？
? 如何认识细菌？
? 细菌的基因组是什么样的？
? 细菌中的基因是如何传递的？
? 如何利用细菌进行基因研究？
? 细菌遗传学的发展趋势？
细菌的遗传多样性
一、细菌的一般特性
细菌在生物进化树中的地位
细菌特性
数目、大小、代谢类型,遗传机制
Gonorrhea (sex disease)
200nm-500um
human adult 100grams
NO3
hydrocarbon
细菌的共同特征
membrane membrane-bound organelles
nucleoid body
mesosome
cell wall
细菌培养
平皿分离和摇瓶培养
细菌的基因组
One circular chromosome
4-5Mb
质粒
二、大肠杆菌遗传
E.coli 染色体的结构
? E.coli 4.6Mb,4288genes
? E.coli K12 DNA sequence,1997
? 90% encode protein
? 8 locations of remnants of bacteriophage
genomes.
? Insertion sequences (IS)
E.coli内的可转移元件
E.coli 的复制
E.coli突变型及筛选
? 突变型
克隆形态
抗性突变型
合成代谢功能的突变型
分解代谢功能的突变型
基础代谢突变型（如温度敏感致死型）
? 筛选
选择培养基
显色
抗生素
营养缺陷型富集法
三、细菌中的遗传重组
遗传重组,把 不同基因组 中所含的遗传
组份 汇集 到一个基因组中从而产生 亲代
所没有 的基因组合的过程。
真核生物, 染色体上的基因，交换、自
由组合，二倍性合子
原核生物, 部分合子 (merozygote)
原核生物的遗传重组 实质上是指 受体中插入
来自供体的 遗传性不同的 DNA片段,并把这种
DNA片段或它的复本 整合为受体基因组 的一部分。
细菌的遗传重组
Transformation,Conjugation,Transduction
转化实验对 DNA
是遗传物质的证明
转化（ Transformation）
? Natural transformation,
Artificial transformation
? 易转化菌属
链球菌属 Streptococcus
嗜血杆菌属 Haemophilus
芽孢杆菌属 Bacillus
奈瑟氏球菌属 Neisseria
假单孢杆菌属 Pseudomonas
大肠杆菌属 Escherichia
? Competent recipient cell
转化的主要步骤
1,双链 DNA分子与细胞表面 感受位点 进
行可逆性结合。
2,供体 DNA片断被 吸入受体细胞 。
3,侵入受体细胞的供体 DNA转为单链,
其中一条被降解。
4,未被降解的一条链部分或整个 插入 受体
细胞的 DNA中。
5,杂合的 DNA经复制 可以形成亲代类型
和重组类型的 DNA,导致转化细胞的形
成与表达。
自然转化过程
利
用
转
化
确
定
未
知
基
因
通过转化确定基因顺序
通过共转化确定基因顺序
？－？－？
通过转化确定基因顺序
^_^^_^
转导（ Transduction）
沙门氏属 Salmonella
志贺氏菌属 Shigella
变形杆菌属 Proteus
假单孢杆菌属 Pseudomonas
葡萄球菌属 Staphylococcus
芽孢杆菌属 Bacillus
Generalized transduction
1951年,J.Lederberg 和 N.Zinder
Phe- trp- tyr- his＋ 与 Phe＋ trp＋ tyr＋ his-
原养型菌落 10-5
回复突变率为 10-8
Davis U型管实验证实是一种 可滤性因子 (FA)
A:Phe- trp- tyr- his＋ 与 B,Phe＋ trp＋ tyr＋ his-
U型管实验
FA与沙门氏菌的温和噬菌体 P22在生物学特性上的
一致性：
(1)P22的侵染力与和 FA的遗传力均可被 脱氧核糖
核酸酶和胰蛋白酶 破坏
(2)用 抗 P22或用加热的处理 均可使 P22的侵染力和
FA的遗传能力失活，失活速率相同。
(3)用 抗 P22的菌株作亲本 进行上述混合培养,FA丧
失侵染能力，不能出现重组体。
(4)P22和 FA在 大小和质量上相同 。
1965年,K.Ikeda 和 J.Tomizawa对 E.Coli的温和噬
菌体的研究阐明了转导噬菌体是如何形成的。
可滤性因子 (FA)的特性
普遍性转导
共转导（ contransduction)
? 一个以上的基因。
? 转导的片段较小，一般不能共转导 3
个以上基因。
? 提供 紧密连锁资料 。
普遍性转导应用
共转导绘图
温和噬菌体
限制性转导 （ Specialized transduction）
Phage induction
Specialized transduction
普遍性转导和限制性转导
的区别？？？
普遍性转导和限制性转导
的区别
? Lytic cycle
Lysogenic to lytic cycle
? Transfer any bacterial gene
Near the site of prophage insertion
? Do not contain any phage DNA
Contain phage DNA
细菌接合
杂交 实验
Lederberg 和 Tatum 1946
A＋ B－ × A－ B＋
A＋ B＋
回复突变 or重组
？？？
细菌接合
杂交 实验
Lederberg 和 Tatum 1946
A＋ B＋ C－ D－ × A－ B－ C＋ D＋
A＋ B＋ C＋ D＋
细菌接合
沃尔夫 Davis U型管实验
细菌接合
遗传物质的单方向转移
Hayes实验
A,met- thr+ leu+ thi+
B,met+ thr- leu- thi-
donor
receptor
F 质粒
F 质粒与细菌接合
F因子特点
? 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。
High frequence recombination
Hfr与 F-的接合
Hfr品系与 F＋ 菌株
? 相同
1、都能和 F－杂交。
2、杂交都要通过接合管和受体菌相联接。
3、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
1、产生重组子频率不同,Hfr× F－ 10－ 4,F＋
× F－ 10－ 7。
2,F＋ × F－ 后代 F＋, Hfr× F－ 后代 F－ 。
3,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
巴斯德实验室,Elie Wolliman和 Francois Jacob
细菌基因的交换
利用 Hfr菌株绘制染色体谱图
三点测交绘制基因图谱
F ? 质粒
F ?和 F因子
? F ?品系转变成 Hfr品系的 频率要高 于 F＋
品系。
? F ?变成 Hfr时 F ?因子整合到 相同位点 上，
而 F＋ 变成 Hfr时可整合到 不同位点 。
? F ?× F－ 高频传递特定的基因，形成部分
二倍体，而 F＋ × F－ 产生 F＋ 但不转移任
何基因，或以 10－ 7将宿主的基因按顺序
转入受体，受体仍为 F－ 。 所转移的基因
是不同的 。
F＋, Hfr,F?的接合对照
细菌遗传学的未来
DNA sequence
postgenomic era
gene function
重要概念
? 转化
? 转导
? 接合
? 中断杂交
