8
病毒的遗传分析
病毒（virus）既不属于原核生物，也不属于真核生物，因为它们没有一般的细胞结构，属非细胞型生命形态，又称为分子生物。它们的主要成分仅核酸和蛋白质，而且只含DNA或RNA一类核酸，尚未发现一种病毒兼含两类核酸的。由于在病毒中没有合成
蛋白质外壳所必需的核糖体，没有完整的酶系统和能量转换系统，也就是说，它们不能利
用食物进行代谢而产生ATP，所以只能寄生在动物、植物或细菌的细胞内繁殖。病毒能
使宿主细胞的组织机构转而合成它自身新的病毒物质。尽管病毒在宿主细胞外是以无
生命的化学大分子状态，具有感染性的病毒颗粒，即毒粒（virion）形态长期存在，并如同
化学大分子一样可以结晶纯化而不表现出任何生命特征，但病毒仍为生命体，因为它们
在宿主细胞内以繁殖性基因组的形式存在，表现出遗传、重组和变异等一系列生命特征，
即使离开宿主细胞虽然不能繁殖但仍可以存活，并保持侵染活性。根据它们寄生宿主细
胞的不同而将病毒分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒3种。细菌病毒又称为噬菌体（bacteriophage或phage）。后来发现真菌及藻类中都有病毒，这类病毒也称为噬菌体。
由于噬菌体增殖迅速，群体大，基因组小，突变类型多，而且便于筛选等优点，因而它们在
遗传学研究中应用最为广泛、最为深入，为证明DNA是遗传物质，为揭示三联体遗传密
码的性质，对基因概念发展和基因表达调控等一系列重大的遗传学和分子生物学的理论
问题的研究作出了重要贡献。病毒也是基因工程中的重要工具。为此，本章重点是以噬
菌体作为材料，分析基因的精细结构和基因定位与遗传作图。
184 8畅1 病毒的形态结构与基因组
8畅1畅1 病毒的形态结构
病毒是一类超显微的、结构极简单的、专性活细胞内寄生的，在活体外能以无生命的化学大分子状态长期存在并保持其侵染活性的非细胞生物。病毒的形态结构只能借助电子显微镜才可以观察到。成熟的具有侵染力的病毒个体称为病毒粒子（毒粒），病毒粒子是一种包括核酸和结构蛋白或被膜的一个完整的病毒颗粒，其体积常用纳米（n m ）作为测量单位。病毒的大小相差悬殊，绝大多数直径在10～300n m 之间。其形态多种多样，但基本形态有杆状，如烟草花叶病毒（tobacco m o sai c virus ，TMV ）呈直杆状,腺病毒（adenovirus ）呈球形,蝌蚪状为大部分噬菌体的典型形态，如λ噬菌体和T 偶数噬菌体均为蝌蚪形（图8
1）。图81 几种病毒颗粒的电镜照片
病毒的基本结构是由蛋白质衣壳（capsi d ）和位于毒粒中心的核酸构成的核壳（nucl eocapsi d ）组成。有些病毒在核壳外还有一层含脂质或脂蛋白组成的包膜（enve l ope ），有的包膜表面还有蛋白质或糖蛋白突出的结构称刺突（spi ke ）。病毒的组织结构是高度对称的，其中螺旋对称（heli ca l symm etry ）和二十面体对称（i cosahed ral symm e try ）是病毒的两种基本结构类型，而复合对称（com pl ex symm etry ）是前两种对称的结合。螺旋对称、二十面体对称和复合对称分别相当于杆状、球状和蝌蚪状这3种形态的病毒。
8畅1畅2 病毒的基因组
每种病毒只含一类核酸（DN A 或RN A ），含DN A 的病毒称DN A 病毒，含RN A 的病毒称RN A 病毒。噬菌体的核酸大多为DN A ，植物病毒的核酸大多为RN A ，少数为DN A ，动物病毒包括昆虫病毒的核酸部分是RN A ，部分是DN A ，真菌病毒绝大部分含RN A （表81）。
8 病毒的遗传分析
185
表81 病毒的基因组结构
病毒的类别核酸1染色体形状2染色体长度3／μm 碱基对（或碱基）的数目／bp
类病毒ss RNA O＜0.2＜400
噬菌体
T4ds DNA L54.016890
λds DNA L／O17.348500
T7ds DNA L12.539940
ΦX174ss DNA O 1.85386
M S2ss RNA L 1.03570
植物病毒
马铃薯X病毒（po tato virus X，PVX）ss RNA L 2.98670
烟草花叶病毒（tobacco mosai c virus，TM V）ss RNA L 2.16300
动物病毒
疱疹病毒（hezpes virus）ds DNA L53.0159000
冠状病毒（coronavirus）ss RNA M10.030000
口蹄疫病毒（foo t and mouth di sease virus，
FM DV）ss RNA L 3.410300
人体免疫缺陷病毒（hu man i m muncdefi ci ency
virus，H I V）ss RNA M 3.209700
脊髓灰质炎病毒（po li o virus）ss RNA L 2.67800
乙型肝炎病毒（hepatiti s B virus，HBV）ds DNA O 1.13200
1畅ss＝单链,d s＝双链。
2畅L：线状染色体,O：环状染色体,M：基因组含几个片段。
3畅染色体长度和碱基对数目的关系：3000bp＝1μm＝2×109（相对分子质量）。
病毒基因组的类型极为多样化，有单链（ss）与双链（ds），正链（＋）与负链（－）的分别，还有线状（L）与环状（O）的区别。将基因组碱基排列顺序与mRN A相同者定为正链，与mRN A互补的定为负链，那么就病毒核酸的单、双和正、负而言可将其基因组分为6类：±DN A、±RN A、＋DN A、＋RN A、－DN A和－RN A。RN A病毒多数为单链，线状，有正、负链之分；类病毒例外，含有环状的ss RN A。DNA病毒多为双链，少数为单链＋DN A，只有腺病毒为－DN A。噬菌体以线状的ds DN A居多。已发现的真菌病毒都是ds RN A，藻类病毒都是ds DN A。大多数病毒粒子中只含一个核酸分子，但少数病毒RN A含2个或2个以上的核酸分子，并且各个分子担负不同的遗传功能，它们共同构成了病毒的基因组。
不同病毒的核酸含量差别较大，通常在1%～50%。如流感病毒核酸含量约为1%，大肠杆菌T 系偶数噬菌体核酸含量超过50%。但对每种病毒粒子而言，核酸的长度是一定的，一般由5～500kb 组成。最大的病毒基因组有几百个基因，最小的病毒如M S2噬菌体仅有3个基因。病毒基因组编码的基因一般有：侵染功能所需的基因，如侵染中的酶；基因组复制所需的基因，如聚合酶基因；病毒体形成的基因，如衣壳蛋白基因；破坏宿主细胞的基因，如溶菌酶基因；有些病毒生活周期中任何特殊方面所需的基因，如λ噬菌体基因组与宿主基因组之间的位点专一性重组所需的基因等。
8畅1 病毒的形态结构与基因组
186 知识窗81
类病毒基因组
类病毒（viroid ）是一个极小的RN A 环状分子，没有蛋白质外壳，类病毒RN A 本身就是感染单位，它是能引起高等植物疾病的感染因子。如几种马铃薯锤管病毒（potato spindle tuber virus ，PS T V ）相关的类病毒，其序列有７０％～８３％的相似性。特定类病毒不同分离株间是不同的，这种变
化影响到感染细胞的表型。PSTV 的RN A 是环状分子，形成广泛的双链结构，被一些内部的环所中断。而严重型和温和型PSTV 之间只有3个碱基的差异（图
1）。图1 类病毒PSTV 基因组
类病毒与病毒相同之处是它们都具有可遗传的基因组，其序列在它的子代中能稳定地遗传。但类病毒RN A 似乎不能被翻译成蛋白质，自身不能编码其存活所需的功能蛋白质。显然类病毒与病毒在结构和功能上是有差异的，为此它们有时被称为亚病毒病原体（subv iral pathogen ）。它们的复制依赖于宿主细胞的酶来执行，类病毒RN A 序列提供复制模板。类病毒作为侵染性的病原体可能是扰乱宿主正常的细胞代谢过程，例如将宿主必要的执行正常功能的酶用于自身复制,或者扰乱细胞必需的RN A 产生,或者作为表达异常的调节因子对个别基因的表达进行特殊的调控等。类病毒RN A 具有核酸内切酶活性，因而称为核酶（ri b o zym e ），亦称酶性核糖核酸。该RN A 能在体外进行自我切割反应,并在自我剪切时形成一种锤头状（hamm erhead ）的二级结构，具有这种结构的小RN A 能自发地进行自我切割（详见第14章）。
8畅2 噬菌体的增殖与突变型
8畅2畅1 噬菌体的增殖
（1）烈性噬菌体的增殖
根据噬菌体和宿主的关系可分为：①烈性噬菌体（v irul ent phage ），这种噬菌体感染宿主细胞后就进入裂解反应，使宿主细胞裂解。②温和噬菌体（tem pera te phage ），这种噬菌体感染宿主细胞后具有裂解和溶源两种发育途径。但不论是烈性噬菌体还是温和噬菌体以及所有的病毒都缺乏生活细胞所具备的细胞器和代谢必需的酶系统与能量，因此它们的繁殖不能独立地以分裂方式进行，而是在宿主8 病毒的遗传分析
187
细胞内以复制的方式进行，即病毒的繁殖是它的基因组在宿主细胞内复制与表达的结果。这种繁殖方式特称为增殖，这种增殖过程也称感染周期（phage i nfec ti on cycl e ）或生活周期，即噬菌体从吸附细菌细胞到后代噬菌体从宿主细胞释放出来的过程。显然病毒的生活周期没有一般意义上的生长与发育过程。
烈性噬菌体的增殖研究得较多的是大肠杆菌T 系噬菌体。如
T4噬菌体开始感染大肠杆菌细胞图82 T4噬菌体的生活周期时，先将它的尾部吸附到细菌的细胞壁上，然后将它的双链
DN A 注入到细菌的细胞质中，这时进入潜伏期，噬菌体的基
因立即有序地进行表达。首先是早期基因（earl y gene ）表达，
这些多为调节基因，其作用是启动自身基因表达，而抑制宿主
细胞的RN A 合成；其次是与DN A 复制有关的基因表达，其产
物是核酸酶和与DN A 复制有关的酶，核酸酶的作用是降解大
肠杆菌的染色体，为噬菌体自身DN A 合成提供游离的核苷
酸，再通过DN A 复制酶合成大量新的T4染色体DN A ；最后
是晚期基因（l ate gene ）的表达，它们是一些控制形态发生过程
的基因和为噬菌体结构蛋白质编码的基因，其蛋白质产物大
部分直接参与外壳的建成和提供尾部成分等装配蛋白，少数
具有酶的作用。T4噬菌体DN A 分子上约有160个基因，含
装配成完整的噬菌体的全部遗传信息。它的DN A 分子比头
部约长500倍，显然，此DN A 分子组装入其头部中一定要进
行高度螺旋和折叠的精巧包装。包装完成后由噬菌体裂解基
因表达产生裂解酶（l yso zym e ），消化宿主细胞壁，细菌细胞被
裂解，释放大量T4子代噬菌体，一个受感染的大肠杆菌的细
胞内可以产生150个左右新的噬菌体。其他的烈性噬菌体如
T7的感染周期与T4基本相同（图82）。（2）温和噬菌体的增殖
λ噬菌体为温和噬菌体，其感染周期有两种途径，即裂解
途径和溶源途径，通过这两种途径所进行的生活周期分别称
为裂解周期（l yti c cyc l e ）和溶源周期（l ysogeni c cyc l e ）（图83）。
λ噬菌体的宿主是大肠杆菌K 12，它的线状DN A 分子具有由
12个核苷酸组成的互补单链黏性末端（sti cky end ）。感染宿主以后，黏性末端互补配对形成环状DN A 分子，接着噬菌体基因有顺序地表达。先是早期基因表达，形成相应的阻遏蛋白，其作用是调节或抑制自身其他基因的表达，这时它可以将整个基因组整合到宿主染色体的特定区域，λ噬菌体的基因除少数外，其余基因都处于失活状态，随宿主染色体一起复制并传递给子代细胞。整合到宿主染色体中的噬菌体基因组称为原噬菌体（p rophage ）或原病毒（p rov irus ），显然原噬菌体也是繁殖和传递噬菌体自身遗传信息的一个重要形式。带有原噬菌体的细菌如大肠杆菌K （λ）就称为溶源性细菌（l ysogeni c bacteri u m ），以上过程称为溶源周期。这种溶源性细菌有两个重要特性：①免疫性，由于这种细菌含有原噬菌体而产生一种阻遏蛋白，这种阻遏蛋白不但可抑制原噬菌体DN A 复制，也可抑制再度感染的同类或另一近缘的噬菌体DN A 的复制，因而能抵抗同类噬菌体的超感染（superi n fec ti on ）。②可诱导性，通常由于原噬菌体的自发诱导，每一代可能有万分之一溶源性细菌被裂解，释放出大量λ噬菌体，这一过程称为裂解周期。失去原噬菌体的细菌称为非溶源性细菌（non 唱l ysogeni c bacteri u m ）。用紫外线或化学物质如丝裂霉素C （m itom yc i n C ）诱导，90%的溶源性细菌进入裂解周期，这时λ噬菌体的部分早期基因以及晚期基因全部表达，噬菌体
DN A 独立地进行复制，并形成头部及尾部蛋白，从而组装成完整噬菌体释放出来。像这种在感染周8畅2 噬菌体的增殖与突变型
188
期中具有裂解和溶源两种途径的噬菌体称为温和噬菌体。因此,λ噬菌体可以作为了解病毒－宿主间相互作用的一个经典的遗传体系，而且也可作为研究动植物病毒整合到宿主基因组中机制的一个范例，λ
噬菌体在遗传学研究中具有极其重要的意义。图83 λ噬菌体的生活周期知识窗82
H I V 的生活周期
人类免疫缺陷病毒（hu m an i m m unodefi c i ency v irus ，H I V ）是诱发人类获得性免疫缺陷综合征（acquired i m m unodefi c i ency synd rom ，A I D S ），俗称艾滋病（A I D S ）的病毒。20世纪80年代M ontagi ner 和G all o 等人首次证实H I V 是艾滋病的病原体。在这20余年中，该病已席卷全球，造成数百万人死亡，成为世界上危害人类健康和生命最严重的病毒之一。该病毒属反转录病毒科（Retroviri dae ）中的灵长类免疫缺陷病毒亚属，该病毒主要有两种，即H I V
Ⅰ和H I V Ⅱ，有关H I V 的研究主要是针对
H I V I 进行的。H I V I 粒子是一种直径约为100n m 的球状病毒，粒子外包被着来自宿主细胞外膜的双层脂质组成的脂膜，其中含有许多糖蛋白分子，主要是gp41和gp120。蛋白质P24和P18组成其核心，内含基因组RN A 链，链上附着反转录酶，其功能是催化病毒RN A 的反转录［图1（a ）］。
①H I V 主要侵染人体的T 淋巴细胞和巨噬细胞，通过病毒膜蛋白gp120与细胞表面的CD 4受体蛋白结合。CD 4分子含有两个免疫球蛋白结构域，它在人体内所结合的正常配体是Ⅱ型M HC 抗原。②H I V 与受体结合后，病毒核心蛋白和两条RN A 分子进入细胞，反转录酶以H I V RN A 为模板合成单链DN A ，再通过宿主细胞DN A 聚合酶合成双链DN A 。③H I V DN A 进入细胞核并整合到宿
8 病毒的遗传分析
189
主基因组形成原病毒，随宿主细胞分裂而传至子代细胞，可长期潜伏，无症状。④原病毒利用宿主细胞的转录与合成系统产生H I V 基因组RN A 和H I V mRN A ，mRN A 编码H I V 蛋白质。⑤蛋白质与基因组RN A 组装成新的H I V 颗粒，并通过出芽从宿主细胞释放出来再侵染其他健康细胞，原宿主细胞瓦解死亡［图1（b ）］。由此人体表现出多种免疫疾病，主要表现为CD 4＋
T 细胞的死亡和更新之间出现病理性不平衡，患者失去免疫功能而导致死亡。2006年法国巴斯德研究所沙尔诺教授的研究组首次拍摄到A I D S 病毒侵入人体并感染细胞的全过程,从而为治疗和战胜A I D S ，阻止A I D S 病毒侵入和
感染人体免疫细胞奠定了重要理论基础。
图1 H I V 的结构（a ）与生活周期（b ）
8畅2畅2 噬菌体的突变型
（1）条件致死突变型
噬菌体有各种突变型，在遗传学研究中应用较多的不外乎是：噬菌斑突变型（p l aque type m utant ）、宿主范围（ho st range ）突变型以及条件致死（cond iti onal l atha l ）突变型，特别是条件致死突变型在研究基因结构与功能中具有十分重要的意义。所谓条件致死突变型，就是在某些条件下，导致某些突变型致死，那么这些条件就称为限制条件（restri cti ve cond iti on ），而在另一些条件下仍可进行增殖，从而得以扩增进行研究，所以这些条件称为许可条件（per m issi ve cond iti on ）。人们有可能在许可条件下繁殖突变型，在限制条件下研究突变基因在发育过程中的效应。常用的有两大类条件致死突变：①温度敏感突变（tem pera ture sensiti ve m utati on,ts ），野生型噬菌体能在很大的温度变化范围内感染宿主并进行繁殖，而一些噬菌体的热敏感突变型（hea t sensiti ve m utant ，hs ），通常在30℃（许可条件）感染宿主进行繁殖，但在40～42℃（限制条件）就是致死的，不能形成噬菌斑；而冷敏感突变型（co l d sensiti ve m u 唱tant ，cs ）在较低温度下就是致死的。温度敏感性几乎总是一种突变的结果，基因突变后所编码的蛋白质中有一个氨基酸的替换，而这种蛋白质在“限制温度”下不稳定而丧失活性。②抑制因子敏感突变（supp resso r 唱sensiti ve m utati on ，sus ），sus 突变的实质是原来正常的密码子变成了终止密码子，因而翻译提前终止，不能形成完整肽链而产生有活性的蛋白质。带有sus 突变的噬菌体在感染一种带有抑制基因（supp resso r ，su ＋）（许可条件）的宿主菌时能产生子代，但在感染另一种没有抑制基因（su －
）（限制条件）的宿主菌时，不能产生子代。野生型噬菌体在这两种宿主中都能产生子代。sus 突变不像“宿主范围突变”那样影响噬菌体对宿主的吸附，这种突变的噬菌体能正常地吸附、注入自身的DN A ，杀死宿主细胞，但不产生子代。根据在带有专一性抑制基因的宿主中的非致死性，可以将sus 突变分为3
8畅2 噬菌体的增殖与突变型
190
类：琥珀突变（am ber，am b）、赭石突变（ochre，och）和乳白突变（opa l，op），它们相应的密码子为UAG、
UAA和UGA（表82）。
表82 不同宿主菌中sus突变噬菌体的表型
噬菌体基因型
宿主菌基因型
su－su＋a mb su＋och su＋op
野生型＋＋＋＋
sus a mb－＋＋－
sus och－－＋－
sus op－－－＋
“＋”产生子代,“－”不产生子代。
终止密码子因为不编码任何氨基酸，所以称为无义密码子（nonsense codon），它们是蛋白质合成的终止信号。这些密码子是琥珀型（am ber）UAG、赭石型（ochre）UAA和乳白型（opal）UGA。如果编码多肽链中某一氨基酸的密码子突变为终止密码子，多肽链合成到此便会中断，从而使多肽链变短而失去活性。这种突变称为无义突变（nonsense m uta ti on）。各种无义突变都是条件致死突变，因为有相应的无义抑制基因（su＋）。
这些sus突变型之所以在带有相应的抑制基因宿主中可产生后代，是因为翻译过程中，在终止密码子处插入一个特定的氨基酸，防止在终止密码子位置上提前终止。如琥珀突变就有许多种抑制基因，各插入某个氨基酸以防止提前终止（表83）。
表83 琥珀抑制基因的性质
琥珀型抑制基因插入的氨基酸合成的蛋白质占野生型比例／％赭石型抑制基因su1＋丝氨酸28－
su2＋谷氨酰胺14－
su3＋酪氨酸55－
su4＋酪氨酸16＋
su5＋赖氨酸5＋
携带su＋突变型的菌株实质是t R N A基因发生了突变，例如表83中的琥珀型抑制基因su3＋在UAG密码子上插入了一个酪氨酸，这是因为t R NA T yr基因的反密码子的一个突变，t R N A T yr正常的反密码子是GUA，它按摆动规则译读酪氨酸密码子UA u c。su3＋菌株的t R N A T yr含有反密码子CUG，它识读琥珀型密码子UAG，并插入酪氨酸而防止终止。即使抑制基因可在相应的终止密码子处插入一个特定的氨基酸而防止提前终止，但合成蛋白质的量也只有相应野生型的5%～55%（表83）。
（2）噬菌斑形态和宿主范围的突变型
①噬菌斑形态突变型 这类突变往往是致死的，受控制的基因大都位于基因组中狭窄的特定的区段里，而噬菌体大多数基因都涉及生命过程不可缺少的功能。但突变后有的是由于侵染宿主细胞后溶菌速度的快慢而形成大小不同的噬菌斑（p l aque）。另一些则是由于被感染细菌全部或是部分被杀死而形成清晰或混浊的噬菌斑。一般说来烈性噬菌体（v irul ent phage），如T2、T4以及ΦX174等形成清晰噬菌斑（cl ear p l aque），而温和噬菌体（tem pera te phage），如λ和P1等则形成混浊的噬菌斑（tur唱bid plaque）。
8 病毒的遗传分析
191
②宿主范围的突变型 噬菌体感染细菌时，首先吸附于细胞表面的专一受体上，这是由受体的
基因控制的，如果受体发生改变，有可能使噬菌体不能附着，从而该噬菌体的宿主范围就缩小，另外,
噬菌体突变也可以扩大寄生范围。尽管这些突变通常是致死的，不能形成噬菌斑，但有些突变在限制
的宿主中是致死的，而在许可的宿主中则可形成噬菌斑。因而宿主范围的突变型其本质也是条件致
死突变型之一。B enzer所用的T4的rⅡ突变就是一个条件致死突变型。
T4rⅡ突变使所侵染细胞迅速裂解形成大的噬菌体，即快速溶菌突变体（rap i d l ysis m utant），这些
突变体命名为r，所以称为rⅡ突变型。T4噬菌体有多个迅速裂解突变型，分别称为rⅠ，rⅡ，rⅢ等，
它们位于T4染色体DN A的不同区段，这3组突变型由于在大肠杆菌不同菌株上的反应不同可以相
互区别（表84）。
表84 T4野生型和突变型的区别
类型
不同大肠杆菌菌斑平板上表型
B K（λ）S
野生型小噬菌体小噬菌斑小噬菌斑
rⅠ大噬菌体大噬菌斑大噬菌斑
rⅡ大噬菌体无噬菌斑（致死）小噬菌斑
rⅢ小噬菌体大噬菌斑大噬菌斑
B enzer曾对其中rⅡ区域的突变进行了详细的分析，由表84可见rⅡ突变感染大肠杆菌B菌株后迅速裂解，而形成比野生型大的噬菌斑，从而容易从大量的rⅡ＋中筛选出rⅡ。另外rⅡ突变型感染带有原噬菌体的大肠杆菌K（λ）菌株时，不能产生子代，可是野生型T4rⅡ＋在大肠杆菌K（λ）菌株中却能正常增殖，由此也很容易在rⅡ噬菌体中检出rⅡ＋噬菌体，同时也能很方便地检出两种不同的rⅡ突变型之间重组率极低的重组子。
8畅3 噬菌体突变型的重组测验
8畅3畅1 Benzer的重组测验与基因的精细结构分析
B enzer利用T4的两个rⅡ不同突变型如r47＋和＋r104在许可条件下进行双重感染，即r47和r104同时侵染大肠杆菌B菌株，形成噬菌斑后收集溶菌液，将此溶菌液等分两份，一份再接种大肠杆菌B菌株，在大肠杆菌B菌株的细胞中r47＋、＋r104、r47r104、＋＋都能生长，故在此平板上可统计噬菌体总数；另一份溶液接种于大肠杆菌K（λ）菌株中倒平板，在这里，只有＋＋重组子才能生长（图84），由于rⅡ双重突变的交互重组子r47r104不能生长，所以无法检出，但是它的频率和＋＋相等，因此估算重组子数要将＋＋数乘以2，代入公式：
重组率＝2×rⅡ＋噬菌斑数
噬菌斑总数×100%＝2×大肠杆菌K（λ）菌株上噬菌斑数
大肠杆菌B菌株上噬菌斑总数
×100%
这一测定方法称为重组测验（recom b i nati on test），它是以遗传图的方式确定突变子之间的空间关系的（图85）。这种方法测定重组率是极其灵敏的，即使在106rⅡ噬菌体中只出现一个rⅡ＋重组子，
8畅3 噬菌体突变型的重组测验
192
图84 T4r Ⅱ不同突变子之间重组率的测定
也可通过感染大肠杆菌K （λ）菌株的平板检查出来，因此根据公式在理论上可检测到两个r
Ⅱ突变之图85 T4r Ⅱ不同突变位点图距的测定B 表示大肠杆菌B 的一个细胞,K 代表涂满大肠杆菌K 的一个培养皿间重组率为0畅0002%（2×1／106
＝2×10－6）。但实际上所观察的最小重组率为0畅02%，即0畅02个图距单位，还
没有发现小于这个数值的重组率（图86）。也有可能所
观察的最低重组率与假定相邻核苷酸对可以重组的预期
值是接近的。T4染色体有1畅8×105
bp ，其长度为1500个图距单位，因此0畅02个图距单位约等于2bp ，即
（0畅02／1500）1畅8×105＝2畅4bp 。这当然是粗略的估算，
即使如此，也有理由认为基因内相邻核苷酸位置上的突
变是可能重组的。至于有些r Ⅱ点突变之间不产生重组
子，有可能是同一核苷酸对的不同改变。由此可见重组
子的单位可小到相当于2bp 。
8畅3畅2 T2突变型的两点测交与作图
检验噬菌体中基因重组的前提必须要有突变型，而
不同突变型之间的基因重组首先还是在噬菌体T2中发
现的。T2噬菌体突变型（r －
）是快速溶菌，产生大的、界限分明的噬菌斑，而野生型（r ＋）是缓慢溶菌产生小噬菌斑；宿主范围突变型（h －）能感染大肠杆菌品
系1和品系2，产生透明的噬菌斑，而野生型（h ＋）只能感染品系1，因为品系2的细胞表面能阻止T2
噬菌体对它的吸附。所以把T2噬菌体接种到大肠杆菌品系1和2的混合培养物上时，噬菌斑是半透明的。如将h ＋r －与h －r ＋同时感染大肠杆菌品系1，两种噬菌体都可以在品系1细菌细胞中进行增8 病毒的遗传分析
193
图86 T4染色体上r Ⅱ区的精细重组图
作图单位为不同r Ⅱ突变体之间杂交形成的r Ⅱ＋重组体的百分率，图中数字表示突变位点，
其中47、164、196、187和102代表缺失突变。r Ⅱ中的A 和B 分别为该区中两个不同的功能单位
殖，同时也可能发生重组。为了检验这两个基因位点之间是否发生重组，将其子代噬菌体再去侵染大肠杆菌品系1和品系2的混合培养物，结果出现4种而不是2种噬菌斑，既有亲本类型：大而半透明的h ＋r －和小而透明的h －r ＋；还有重组类型：小而半透明的h ＋r ＋和大而透明的h －r －
（图87）。分别统计各种噬菌斑的数目，由此计算出重组值，去掉%，作为图距进行作图。
重组值＝（h ＋r ＋）＋（h －r －）噬菌斑总数×100% 不同速溶性噬菌体的突变在表型上不同，可分别写成r a －、r b －、r c －等，用h ＋r x －×h －r x ＋
获得的试验结果列于表85。表85 h ＋r x －×h －r x ＋噬菌斑数目及重组值（r x －代表不同的r －基因）
杂交组合
每种基因型的%
h ＋r －h －r ＋h ＋r ＋h －r －重组值 h ＋r a －×h －r a ＋
34.042畅012畅012畅024／100＝24%h ＋r b －×h －r b ＋
32畅056畅05畅96畅412畅3／100畅3＝12畅3%h ＋r c －×h －r c ＋39畅059畅00畅70畅9
1畅6／99畅6＝1畅6%根据表85结果可以分别作出以下r a 、r b 、r c 与h 之间的3个顺序：
r a h 硴————24————硳││ ; r b h 硴——12.3——硳││ ; r c h 硴—1.6—硳││
由于有3个不同的r 基因，故可根据表85的重组值列出以下4种可能的基因排列连锁图：8畅3 噬菌体突变型的重组测验
194
图87 T2的h ＋r －与h －r ＋之间杂交重组后的4种噬菌斑形态
r a r b r c h ││││
r a r c h r b ││││
r a r b h r c ││││
r a h r c r b ││││
为了确定基因排列的正确顺序，可先只考虑r b 、r c 及h 来确定是r c h r b 还是h r c r b
。为此需作图88 T2的连锁图r c －
r b ＋×r c ＋r b －
杂交，将所得重组值与r b —h 间的距离比较，据此可知h 应位于r b 及r c 之间，所以排列顺序就是r c h r b 。至于r a ，在h 的
哪一边？是靠近r b 还是靠近r c ？因为T2噬菌体的连锁图是环状的
（图88），所以两种答案都是正确的。8畅3畅3 λ噬菌体的基因重组与作图
A .D .K aiser 于1955年最先进行了λ噬菌体的重组作图试验。他
用紫外线照射处理得到5个λ噬菌体的突变系，每一个突变系产生一
种变异的噬菌斑表型。s 系产生小噬菌斑，m i 系产生微小噬菌斑，c 系
产生完全清亮的噬菌斑，co 1系产生除了中央一个环之外其余部分都
清亮的噬菌斑，co 2系产生比co 1更浓密的中央环噬菌斑。后3个突
变系的溶源性反应受到干扰，仅能进入裂解周期，所以形成清亮噬菌
斑。野生型噬菌体的溶源性反应正常，因而有部分溶源化的细菌不被裂解，仍旧留在噬菌斑里，所以形成的噬菌斑是混浊的。
K aiser 用s co 1m i ×＋＋＋,杂交所得后代有8种类型。病毒是单倍体，与二倍体生物不同，亲本组合与重组交换的组合可直接从后代中反映出来。8个类型中数目最少的两种类型就是双交换的结果，频率最高的两种是亲本类型，其余的为单交换类型。结果及分析作图可归纳于表86。8 病毒的遗传分析
195
表86 λ噬菌体s co1mi×＋＋＋的杂交结果及分析作图
类型数目占总数比例／%重组率／%
亲本类型＋
s
＋
co1
＋
m i
975
924189990.82%
单交换型
Ⅰs
＋
＋
co1
＋
m i
30
32622.97√√
单交换型
Ⅱs
＋
co1
＋
＋
m i
61
511125.35√√
双交换型
s
＋
＋
co1
m i
＋
5
13180.86√√
合计20913.836.218畅32
从双交换的类型可知道，这3个基因的次序就是s co1m i，而s与co1之间的图距应为3畅83c M；co1与m i之间则为6畅21c M；因为有双交换的存在，s与m i之间的图距则为8畅32＋2×0畅86＝10畅04，这样就可以作出这3个基因的遗传图。
s co1 m i
硴—3.83—硳硴——————6.21——————硳
硴——————8.32＋2×0.86＝10.04—————硳
8畅3畅4 T4突变型的三点测交与作图
和高等动、植物一样，在噬菌体中同样可用三点测交的方法进行基因定位。用T4噬菌体的两个品系感染E畅co li。一个品系是小噬菌斑（m）、快速溶菌（r）和浑浊溶菌斑（t u）突变型。另一个品系对这3个性状都是野生型（＋＋＋）的。表87为其三点测交结果。
表87 T4的m r t u×＋＋＋三点测交结果
类 型噬菌斑数比 例／%
重 组 率／% m—r r—tu m—tu
亲本类型m＋r
＋
tu
＋
3467
3729
33.5
36.169.6
单交换型m＋＋r＋tu 520
474
5.0
4.69.6√ √
单交换型m＋r
＋
＋
tu
853
965
8.2
9.317.5 √ √
双交换型m＋＋r tu
＋
162
172
1.6
1.73.3√ √
合计1034212.9 20.8 27.1
根据上述结果，可绘出这3个基因的染色体图：
m硴——————12.9————硳r 硴———————20畅8—————硳tu
三点测交所得8种噬菌斑都可观察到，单倍体的病毒，亲本型与重组型可直接从后代中表现出
8畅3 噬菌体突变型的重组测验
8 病毒的遗传分析
196
来，直接统计各种噬菌斑类型即可，不必考虑对子代如何进行选择。
虽然将真核生物中两点测交和三点测交的基本原理和方法应用于噬菌体杂交，但是两者在杂交
机制上是完全不同的，这是因为：①噬菌体的重组既不同于真核生物中由于减数分裂，使每个亲代对
子代提供基本相等的遗传物质，也不同于细菌的二等分裂。噬菌体在杂交中，每个亲代对子代所提供
的遗传贡献取决于感染细菌时每种亲代噬菌体的相对数量。如基因型A与基因型B的亲代比＝
10··1，则产生重组子代的数量A型常多于B型子代数。②噬菌体的基因重组是发生在噬菌体的
DN A复制以后，因此就是在一个细菌细胞中已是亲本基因组的群体，而不仅只有两个亲本基因组，这
些基因组进行复制并发生重组，重组型和亲本型一起复制，因此从单个混合感染的细菌中可以得到亲
代噬菌体和重组噬菌体，这些子代噬菌体的出现代表在这个细胞中交配库（m a ti n g poo l）的基因组样
本。③噬菌体不同基因型之间可以发生多次交换，如将3种突变型X Y＋Z＋，X＋Y Z＋和X＋Y＋Z噬
菌体感染同一个细菌，结果会出现基因型为XY Z的重组子噬菌体，显然这3种突变型之间重复发生
了两次基因重组才能得到这样的结果。④在噬菌体中基因重组率可以随着宿主细胞裂解时间的延
长而增加，如在一个两对基因杂交中，在感染后不同时间取样，用10－3m o l／L K C l处理，人为地使细
菌裂解，然后分析单个细菌所释放的噬菌体类型，就可以发现随着裂解时间的推迟，子代噬菌体中重
组体的比值逐渐增加。这明显地说明基因重组在细菌细胞中重复进行。直到DN A与外壳蛋白装配
成为完整的噬菌体后，重组才停止。因此噬菌体杂交时，应该注意：①控制每种亲代噬菌体基因型的
投放量。②控制允许发生复制和重组的时间。只有控制这两个因素并在标准条件下进行杂交,所得
重组率才能用于绘制近似的遗传图。
8畅4 噬菌体突变型的互补测验
8畅4畅1 互补测验与顺反子
遗传学研究的基础必须有突变型，然后分析这些突变型之间的关系。重组测验与互补测验是确
定这种关系性质的两个基本方法。已知重组测验是以遗传图距的方式确定基因的空间关系，而互补
测验（com p l em enta ti on test）则是确定突变基因的功能关系。如T4噬菌体的rⅡ区中有3000多个突
变，它们都有相同的表型，这是由于所有的rⅡ突变都导致丧失合成大肠杆菌K（λ）发育所需要的一种
或几种蛋白质的能力，因此这些突变型对大肠杆菌K（λ）宿主细胞是致死的，但可以在大肠杆菌B菌
株的细胞中增殖。既然它们有相同的表型，那么是否它们都影响同一遗传功能？即rⅡ中这3000多
个突变是属于一个基因还是属于几个基因？为了界定基因的功能单位，必须进行互补测验，即用T4
不同的rⅡ突变型成对组合同时感染大肠杆菌K（λ）菌株。如果被双重感染的细菌中产生两种亲代基
因型的子代噬菌体，那么就必然是一个突变补偿了另一个突变所不具有的功能，这两个突变就称为彼
此互补（com p l em enta ti on）。如果双重感染的细菌不产生子代噬菌体，那么这两种突变一定有一个相
同功能受到损伤（图89）。
进行互补测验常用斑点测试法（spo t test）。用一种rⅡ突变型以0畅1的感染比（噬菌体1／细菌
10）去感染大肠杆菌K（λ）菌株。噬菌体和细菌在温热的琼脂中混合，涂布在营养平板上，琼脂凝固
后，在平板上所划出的一定位置上再加一滴含有另一种rⅡ突变型的培养基，在这一滴培养基的范围
内，一些细菌就会被两种噬菌体所感染。如在这范围内形成噬菌斑，就证明这两种突变型互补，相反
就不能互补。在一个培养皿平板上可做6～8个斑点试验。
互补测验的结果发现，除了一些缺失突变型外，rⅡ突变型可分成rⅡA和rⅡB两个互补群。所
有rⅡA突变型的突变位点都在rⅡ区的一端，是一个独立的功能单位；所有rⅡB突变型的突变位点
197
图89 突变噬菌体之间的互补测验
都在r Ⅱ区的另一头，也是一个独立的功能单位。凡是属于r ⅡA 的突变之间不能互补，同理属于r ⅡB 的突变之间也不能互补，只r ⅡA 的突变和r ⅡB 的突变之间可以互补，即双重感染大肠杆菌K （λ）菌株后可产生子代。说明r ⅡA 和r ⅡB 是两个独立的功能单位，分别具有不同的功能，但它们的功能又是互补的，要在大肠杆菌K （λ）菌株中增殖，这两种功能缺一不可。由此可见，r Ⅱ是由于这两种遗传功能丧失而形成的。
互补测验又称为顺反测验（cis 唱trans test ），所用的两个突变如果分别位于两条染色体上，这种组合方式称为反式排列，如果两个突变同时位于一条染色体上，则称为顺式排列。就是用这种反式构型检验突变之间的关系。如两个隐性突变表现出互补效应，则证明这两个突变分别属于不同基因；如不能表现出互补，则证明这两个突变是在同一基因内。顺式排列只是作为对照，因为在顺式排列中，不论是两个基因的突变，还是同一个基因内两个位点的突变，在互补测验中均表现出互补效应（图810）。
这也就是说，对于不同基因的突变在互补测验中，不论是顺式还是反式排列均表现出互补效应；但如果是属于同一基因的不同位点的突变，则顺式构型表现互补，反式构型则不能互补。这显然说明8畅4 噬菌体突变型的互补测验
8 病毒的遗传分析
198
图810 顺反位置效应示意图
＋能互补,－不能互补
基因是一个独立的功能单位：在顺式排列里两个突变位点集中在一个功能单位时，另一基因的功能则
是完全正常的，所以表现互补；在反式排列中两个基因各有一个位点发生突变，都丧失其功能，所以不
能互补。B enzer就将这样一个不同突变之间没有互补的功能区称为顺反子（c istron）。一个顺反子就
是一个功能水平上的基因，因此以顺反子作为基因的同义词。如在rⅡ区里，rⅡA是一个顺反子，
rⅡB也是一个顺反子。一个顺反子在染色体上的区域称为一个基因，而每个基因中有若干个突变位
点，这是指一个顺反子内部能发生突变的最小单位。DN A中每一核苷酸对的改变都可能引起多肽链
中氨基酸的改变，从而影响顺反子的功能。它们本身没有独立的功能，在它们之间可以重组。由此可
见顺反子既具有功能上的完整性，又具有结构上的可分割性，这是人们对基因认识的新概念。
8畅4畅2 ΦX174条件致死突变的互补测验
ΦX174有许多条件致死突变型，将这些突变型成对地进行互补测验以确定不同来源的两种条件
致死突变影响的遗传功能是相同还是不同的。如两种突变型都是温度敏感型，在42℃的限制条件
下，用这两种突变型噬菌体同时感染细菌细胞，如果这种双重感染细菌的“二倍体”细胞产生子代噬菌
体，那么每种突变型噬菌体必定相互提供了另一种噬菌体无法提供的功能，于是这两种突变就称为彼
此互补，并分属于不同的顺反子。反之不能互补的突变就属于同一顺反子。如am１０（D顺反子）与
am９（G顺反子）同时感染宿主菌就能产生子代噬菌体。反之，am９与am３２同时感染宿主后则不产生
子代，因此这两个突变就归入同一顺反子G，由此推论出ΦX174基因组中的顺反子数。根据互补测
验结果，ΦX174的39种条件致死突变分属于8个顺反子（表88）。
表88 ΦX174突变的互补测验结果
顺反子突变型
A a m8，a m18，a m30，a m33，a m35，a m50，a m86，tsl28
B a m14，a m16，och5，ts9，tsl16，och1，och8，och11
C och6
D a m10，a mH81
E a m3，a m6，a m27
F a m87，a m88，a m89，a m H57，op6，op9，tsh6，ts41D
G a m9，a m32，tsγ，ts79
H a mN1，a m23，a m80，a m90，ts4
199
8畅4畅3 T4条件致死突变型的互补测验
条件致死突变型是由两位科学家于1960年首次在T 4中分离出来的，这些条件致死突变在基因组内似乎是随机发生的，已发现所有已知的T 4基因都有这种突变，通过这些突变就可以表明不同基因在发育过程中的功能。例如基因34的突变形成各方面都完整但没有尾丝的噬菌体颗粒；而基因23的突变能产生尾和尾丝，却不能合成噬菌体头部（图811）。图811中外圈数字表示噬菌体基
因，
这些数字标明该基因在染色体图上大概的排列次序。图811 噬菌体T 4的遗传图
T 4的条件致死突变型同样可以用互补测验法将它们归属于特定的顺反子中。就像将r Ⅱ突变型分别界定于r ⅡA 或r ⅡB 顺反子内一样。证明一些产生不同形态缺陷的突变型可在离体条件下互补。例如把突变型23（无头）侵染的败育细胞裂解物和突变型27（无基盘，尾不完全）侵染的败育细胞裂解物混合在一起，结果形成完整的侵染性颗粒［图812（a ）］。在其他一系列实验中还发现，如果突变型13（有头部、尾部、尾丝,但不装配）的裂解物与正常的头部混合，就能装配成完整颗粒；而裂解物跟正常的尾部混合时却不能进行这种装配［图812（b ）］。由此说明基因13一定控制着头部装配过程中的某一步骤，只有这一步完成后，头和尾部才能装配在一起。
从上述实验可见：T 4颗粒的装配（即成熟）是循着严格规定的形态发生途径进行的（图813）。通常只有当前面的步骤都已完成时，才可能进行后一步的装配。所以控制形态发生、编码结构蛋白的“晚期基因”的表现完全依赖于控制DNA 复制等的“早期基因”行使正确的功能。
8畅4畅4 基因内互补
在互补测验中已知，一般情况下同一顺反子内两个突变是不能互补的，但是也有一些例外，这种例外发生于同一基因内两个不同位点突变致使两条原来相同的多肽转变成两条分别在不同位点上发生变异的多肽链，而后将这两条多肽构成双重杂合子，这两者配合起来，有可能表现出不同程度酶活性部位的恢复，这种现象称为基因内互补（i n trageni c co mp l e ment ati o n ），又称等位（基因）互补（all eli es
8畅4 噬菌体突变型的互补测验
8 病毒的遗传分析
200
图812 T4条件致死突变型之间的体外互补
（a）基因23突变型产生尾和尾纤维但无头，而基因27突变型产生头和尾纤维但
无尾。将这两个流产感染细胞群的裂解液混合并保温应会产生能感染的颗粒
（b）基因13的突变型的工作进程和（a）一样，证明基因13所产生的头部有缺陷，
而且只有当完整的头部存在时，尾和尾纤维等结构才能装配完成
complementation）。这可能是由于有些突变所影响的多肽区域是作为亚基而相互起作用的，而有些突
变所影响的多肽区域是作为活性表达所必需的，但不参与亚基的相互作用（图814）。
此外，在沙门氏杆菌中的甘油磷酸脱氢酶基因，大肠杆菌和脉孢菌中色氨酸合成酶的基因，脉孢
菌中谷酰脱氢酶基因都有基因内互补的现象。这可能是因为这些蛋白质都是由两条或几条相同的多
肽聚合而成的。突变引起多肽亚基上一个氨基酸替换，使该亚基的三维空间构型发生变化，不能聚合
产生一个有活性的酶。某一基因的两个突变型虽然各自产生一个发生了变异的多肽，不能聚合成有
活性的酶，但是当它们结合在一起时有可能互补形成有活性的酶。
虽然基因内互补对互补测验存在一定的干扰，但通过进一步研究发现，基因内的互补作用与基因
间的互补作用是可以区分开的：①任何两个不同基因间的突变总是互补的，即基因间互补是普遍存
在的，而同一基因内不同位点突变绝大多数是不能互补的，只有少数例外。②基因内两个突变能互
补的也只能是点突变，无缺失，这种突变的功能效应一定是错义突变，绝不是无义突变或移码突变。
③基因内互补作用的酶活性往往明显低于正常水平，最多只有野生型酶活性的25%，同时所形成的
蛋白质也常有某种异常，例如温度的稳定性或p H依赖性等。
201
图813 T 4噬菌体装配步骤（引自H art w e ll 等，2004）
装配过程从几个不同途径开始，数字代表参与各步骤的T 4各基因的产物8畅4 噬菌体突变型的互补测验
8 病毒的遗传分析
202
图814 基因内互补作用机制图解
8．5 噬菌体T4rⅡ的缺失突变与作图
8畅5畅1 缺失作图原理
Benzer在研究rⅡ突变型时发现其中一些突变是由于碱基对发生了改变，这称为点突变（po i n t
mutation）。而另一些突变是由于缺失了单个或相邻的许多碱基对，因此称为缺失突变（del eti on mut a唱
tion）。尽管rⅡ区这两种突变形成相同的表型效应，但它们是有区别的：①点突变是单个位点的突
变，缺失突变通常是多个位点的突变，称为多位点突变（multisite mut ati on）。②点突变可以发生回复
突变，而缺失突变则是不可逆的，因为不可能恢复原有数目和原有顺序的核苷酸对。③点突变与其
他点突变之间可以发生重组，而缺失突变与另一个基因组内缺失区的点突变之间不可能重组，因为相
应的片段已缺失，在这个杂交中没有一个基因组在这个点突变的位置上有正确的核苷酸对，所以无法
通过重组而恢复野生型碱基顺序。Benzer正是根据这一原理很方便地把数千个独立的rⅡ突变定位
在rⅡ遗传图中更小的区段内，这种方法称为缺失作图（del eti o n mapp i n g）。它比重组作图简便而且精
第五章病毒的遗传分析（3h） 教学目的：掌握噬菌体的突变类型以及λ噬菌体的基因组；明确噬菌体的噬菌体的重组；了解噬菌体的互补测验。 教学重点：噬菌体的重组。 教学难点：噬菌体的互补测验。 第一节噬菌体的繁殖和突变型 一、噬菌体的繁殖 二、噬菌体突变型 第二节噬菌体突变型的互补测验 一、φX174条件致死突变型的互补测验 二、T4突变型的互补测验 第三节噬菌体突变的重组实验 一、T2突变型的两点测交 二、T4突变型的三点测交 第四节λ噬菌体基因组与λ原噬菌体 一、λ噬菌体的基因组 二、原噬菌体的插入与切除 第五节环状排列与末端重复（自学） 一、线状DNA具有环状遗传图 二、环状排列与末端重复的形成
第五章病毒的遗传分析（3h） 第一节噬菌体的繁殖和突变型 一、噬菌体的繁殖 感染周期：是指噬菌体从吸附细菌到子代噬菌体从宿主细菌细胞中放出来的过程。 1、烈性噬菌体的感染周期： 烈性噬菌体T4，其宿主是大肠杆菌，故称之为大肠杆菌T4－噬菌体。T4－噬菌体对大肠杆菌的侵染过程，就是我们在前面讲过的噬菌体感染周期。 大肠杆菌T4－噬菌体：头、尾两部分组成，外为蛋白质外壳＋内部DNA分子。 侵染过程：侵染时T4噬菌体的尾部吸附在大肠杆菌的细胞壁上，放出溶菌酶将细胞壁溶成一小孔，借助于尾鞘的收缩，将自己的DNA（T4－DNA）通过小孔注入大肠杆菌细胞内，T4－噬菌体的基因e立即有顺序地进行表达。 T4－噬菌体DNA上约有160个基因，已定位的有70多个基因，装配成完整的噬菌体的全部信息也都在此DNA上。 T4－噬菌体的基因的表达：早前期基因表达—多为调节基因。其作用是启动自身基因表达。而抑制宿主大肠杆菌细胞的DNA合成。晚前期基因表达—是与DNA复制有关的基因。其产物是：核酸酶：降解大肠杆菌的DNA，为自己DNA 合成提供游离的核苷酸；DNA复制有关的酶：大量合成新T4－DNA。晚期基因表达—是控制形态发生过程的基因；编码噬菌体结构蛋白的基因。其产物是大部分直接参与外壳的建成和少数具有酶的作用。包装完成后，由噬菌体裂解基因表达，产生裂解酶。消化宿主细胞壁。大肠杆菌细胞裂解，放出大量的子代T4－噬菌体。 2、温和噬菌体的感染周期 －噬菌体：其宿主是大肠杆菌。感染宿主。
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
高中生物病毒相关知识总结 一、病毒共性： 病毒没有细胞结构，只有蛋白质外壳和内部的遗传物质（DNA或RNA）构成，必需寄生在活细胞体内。所以获取更多的病毒应该用它所能寄生的活细胞进行培养，不能用培养基进行培养。病毒增殖时只有把内部的遗传物质注入到宿主细胞内，蛋白质外壳没有进入细胞，然后利用注入的病毒遗传物质的信息合成病毒的蛋白质外壳及复制其自身的遗传物质，而后把蛋白质外壳与新复制的遗传物质组装成新的病毒，在这过程中用到合成蛋白质和遗传物质的原料、酶、细胞器都来自病毒所寄生的宿主细胞。 二、病毒分类： 1、根据其寄生的细胞分：植物病毒、动物病毒、细菌病毒（也称噬菌体） 2、根据其遗传物质分（病毒只含有DNA和RNA中的一种核酸）：DNA病毒（如T2噬菌体，天花病毒）、 RNA病毒（如HIV、烟草花叶病毒，SARS 病毒、流感病毒） 三、病毒地位： 有细胞结构的生物，因其必须寄生在活细胞体内，所以不属于生命系统的结构层次，生命系统最低的结构层次是细胞。 由病毒的结构可以知道，病毒只有1种核酸——4种核苷酸——1种的五碳糖和4种的含氮碱基。 四、课本中病毒应用实例：
1、运用放射性同位素标记法完成T2噬菌体侵染细菌的实验，验证DNA是遗传物质的结论。 2、从烟草花叶病毒中提取的蛋白质和RNA，只有提取的RNA可以使烟草感染病毒的实验，得到RNA是烟草花叶病毒遗传物质的结论。（所有细胞生物都有DNA和RNA两种核酸，但只有DNA是遗传物质，只有少数病毒的遗传物质是RNA，所以说DNA是主要的遗传物质） 3、在免疫调节中，如果病毒作为病原体侵入到靶细胞中，除了需要细胞免疫外还要有体液免疫参与，因为细胞免疫只会暴露病原体。 4、基因工程中除了质粒作为运载体外，病毒也可以作为运载体。
第六章细菌的遗传分析 教学目的和要求： 1．了解原核生物基因组的特点，掌握细菌染色体的遗传作图的方法；2．掌握细菌的遗传方式（转化、接合、性导、转导）与遗传作图。教学重点和难点： 【教学重点】细菌染色体的遗传作图。 【教学难点】细菌的转导和接合过程；细菌染色体的遗传作图。 教学内容 第一节细菌的细胞和基因组 第二节细菌的结合与染色体作图 一．大肠杆菌结合现象的发现 二．F因子与高频重组 三．细菌重组的特点 第三节中断杂交与重组作图 一．中断杂交实验原理 二．中断杂交作图 三．重组作图 第四节F’因子与性导一．F’因子 二．性导 第五节细菌的转化与转导作图一．细菌的转化与遗传作图 二．细菌的转导与遗传作图
第一节细菌的细胞和基因组 根据细菌形态的不同可将细菌分为（螺旋菌）、（杆菌）和（球菌）三类。 细菌一般进行无性繁殖。它是通过二分裂方式增加细胞的数目。在一般条件下，由二分裂形成大小相等的子细胞。其分裂可分4步：第一步是核复制，细胞延长；第二步是形成横隔膜；第三步是形成明显的细胞壁；第四步是细胞分裂，子细胞分离。球菌可沿一个平面或几个平面分裂，所以可以出现多种排列形态；杆菌一般沿横轴进行分裂。除无性繁殖外，已证明细菌存在着有性繁殖，不过频率很低。 以大肠杆菌为例，大肠杆菌是一种革兰氏阴性短杆菌，以而分裂的方式繁殖，遗传物质为DNA，复制是半保留复制，遵循碱基互补配对的原则，其具体过程如下：DNA的复制在大肠杆菌已被证明是双向复制，是一个边解旋边复制的过程。遵循环状DNA分子双向复制的原则，首先在复制点形成一个复制“泡”，随之沿着环的两个方向进行复制，泡逐渐扩大，形成像希腊字母“θ”的形状，故环状DNA的双向复制模式称为θ模型，最后由一个DNA环复制为两个子环。这样，复制结束后，新复制的DNA分子，通过细胞分裂分配到两个子细胞中去 但是值得注意的细菌的所谓的染色体就只是中间的环状DNA，这个环状DNA中不含有组蛋白，不能形成染色体的形态，DNA复制后就直接平均分配到两个子细胞当中。 细菌的核比较原始，无核膜、核仁，故称为核区或细菌染色体。研究发现核区实际上是一个巨大的环状双链DNA分子，例如E.coli的DNA双链长达1.1~1.4 mm，是菌体长度的1000倍，可以想象这样长的DNA链，在不到1μm3的核区空间内，一定是以十分精巧的空间构建盘绕在细胞内。一般每个细菌胞内只有一个核区，当细胞快速生长时，由于DNA复制次数与细胞分裂次数不同步，一个胞内可同时出现2个甚至4个核区。 大肠杆菌染色体基因组是研究最清楚的基因组。估计大肠杆菌基因组含有3500个基因，已被定位的有900个左右。在这900个基因中，有260个基因已查明具有操纵子结构，定位于75个操纵子中。在已知的基因中8％的序列具有调控作用。大肠杆菌染色体基因组中已知的基因多是编码一些酶类的基因，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸和维生素合成代谢的一些酶类的基因，以及大多数碳、氮化合物分解代谢的酶类的基因。另外，核糖体大小亚基中50多种蛋白质的基因也已经鉴定了。 除了有些具有相关功能的基因在一个操纵子内由一个启动子转录外，大多数基因的相对位置可以说是随机分布的。如控制小分子合成和分解代谢的基因，大分子合成和组装的基因分布在大肠杆菌基因组的许多部位，而不是集中在一起。再如，有关糖酵解的酶类的基因分布在染色体基因组的各个部位。进一步发现，大肠杆菌和与其分类关系上相近的其他肠道菌如志贺氏杆菌属（Shigella）、沙门氏菌属（Salmonella）等具有相似的基因组结构。伤寒沙门氏杆菌（Salmonellatyphimurium）几乎与大肠杆菌的基因组结构相同，虽然有10％的基因
《DNA是主要的遗传物质》07模拟 1.（07黄冈模拟题）下列说法正确的是 C A.细菌的遗传物质主要是DNA B.病毒的遗传物质主要是RNA C.有细胞结构的生物的遗传物质是DNA D.细胞质中的遗传物质主要是RNA 2.（07北京模拟题）若用DNA酶处理S型细菌，使之与活的R型细菌一起感染小鼠，结果或结论错误的是A A.小鼠死亡 B.能证明DNA是否为遗传物质 C.多糖不是遗传物质 D.能证明蛋白质不是遗传物质 3.（07长沙一中月考题）如果用15N、32P、35S标记噬菌体后，让其侵染细菌，在其产生的子代噬菌体的组成成分中，能够找到的放射性元素为 C A.可在外壳中找到15N和35S B.可在外壳中找到15N和32P C.可在DNA中找到15N和32P D.可在DNA中找到15N、 32P和35S 4.（07长沙模拟题）在DNA的粗提取实验过程中，两次烧杯中加入蒸馏水的作用是 B A.稀释血液、冲洗样品 B.使血细胞破裂、降低NaC1浓度使DNA析出 C.使血细胞破裂、增大DNA溶解量 D.使血细胞破裂、提取含杂质较少的DNA 5.（07佛山二中月考题）“DNA的粗提取与鉴定”实验的正确操作步骤是A A.制备鸡血细胞液→提取细胞核物质→溶解→析出DNA的再溶解→提取较纯净的DNA→鉴定DNA B.制备鸡血细胞液→提取细胞核物质→溶解并析出DNA→DNA的再溶解→提取较纯净的DNA→鉴定DNA C.制备鸡血细胞液→溶解DNA→提取细胞核中DNA→DNA的再溶解→提取较纯净的DNA→DNA的鉴定 D.制备鸡血细胞的细胞核物质提取液→溶解DNA并析出→滤取DNA的粘稠物→DNA的再溶解→提取较纯净的DNA→DNA的鉴定 6.（07济南模拟题）关于遗传物质的叙述，正确的是B ①噬菌体侵染细菌实验，证明DNA是主要遗传物质②大肠杆菌的遗传物质是RNA ③核酸是一切生物的遗传物质④病毒的遗传物质是DNA和RNA ⑤杨树的遗传物质是DNA A.①②④ B.③⑤ C.③④⑤ D.①③⑤ 7.（07咸阳联考题）病毒甲具有RNA甲和蛋白质外壳甲，病毒乙具有RNA乙和蛋白质外壳乙，若将RNA甲和蛋白质外壳乙组装成一种病毒丙，再以病毒丙感染寄主细胞，则细胞中产生的病毒具有A 甲和蛋白质外壳甲甲和蛋白质外壳乙 乙和蛋白质外壳乙乙和蛋白质外壳甲 8.（07山东威海一模）“肺炎双球菌的转化实验”证明了DNA是遗传物质，而蛋白质不是遗传物质。得出这一结论的关键是（ D ） A.有S型活菌和加热杀死后的S型菌分别对小白鼠进行注射、并形成对照。 B.用杀死的S型菌与无毒的R型菌混合后注射到小鼠体内，测定小鼠体液中抗体含量 C.从死亡小鼠体内分离获得了S型菌 D.将S型菌的各种因子分离并分别加入各培养基中，培养R型菌，观察是否发生转化 9.（07湖南长沙模拟题）下列生物中既以DNA作为遗传物质，又有相同代谢类型的一组是（A） A.硝化细菌和水稻 B.大肠杆菌和牛 C.烟草花叶病毒和噬菌体 D.硫细菌和人蛔虫 10.（07潍坊模拟题）关于生物体内遗传物质的说法，错误的是（C） A.小麦的遗传物质是由脱氧核苷酸构成的 B.人类首次证明DNA是遗传物质属于分子生物学阶段的成就 C.细菌在二分裂过程中，其遗传物质和染色质也进行复制 和烟草花叶病毒都是RNA病毒
1.病毒的组成和分类 病毒结构十分简单，单倍体，仅含DNA或RNA和一个蛋白质外壳，没有合成蛋白质外壳所必需的核糖体 按寄主：动物病毒乙型肝炎病毒HBV、 人体免疫缺陷病毒HIV 植物病毒烟草花叶病毒TMV 细菌病毒T4噬菌体 X174噬菌体 按遗传物质：DNA病毒或RNA病毒。 单链DNA、单链RNA、 双链DNA和双链RNA等四种类型。 2.原噬菌体、溶源性细菌、温和噬菌体,重组子、顺反子 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。 温和噬菌体——在噬菌体侵入后，细菌并不裂解，而是以原噬菌体或质粒的形式存在的一类噬菌体称为温和噬菌体。其在感染周期中具有裂解和溶源两种途径。 重组子（muton）：顺反子内部出现重组的最小区间。 顺反子（cistron）：不同的突变型之间没有互补的功能区，即一个功能水平上的基因。 3.简述病毒基因组编码的基因 病毒基因组编码的基因一般包括 侵染功能所需的基因：如侵染中的酶 基因组复制所需的基因：如聚合酶基因 病毒体形成所需的基因：如衣壳蛋白基因 破坏宿主细胞的基因：如溶菌酶基因 4.简述病毒的一般特性 无细胞结构；为蛋白质外壳包裹核酸而成的颗粒。 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（依赖宿主)。 5.简述烈性噬菌体感染周期 吸附侵入核酸的复制、转录与蛋白质的生物合成装配裂解 6.原噬菌体特性：免疫性和可诱导性 7.基因内互补与基因间互补的区别
1教学目标评论 1、知识与技能: 总结人类对遗传物质的探索过程; 分析DNA是遗传物质的实验设计思路。 2、过程与方法: 利用归纳法比较肺炎双球菌的体内转化与体外转化实验,提高学生分析归纳问题的 能力; 通过模拟科学家的实验实际思路,增强学生实验探究的能力。 3、情感态度与价值观: 通过学习科学家对遗传物质的探索过程,认同科学家对实验付出的艰苦努力,学习 科学家孜孜不倦的探索精神,了解科学不是一蹴而就的,养成科学的世界观和方法 论。 2学情分析评论 高中的学生已经具有一定的逻辑思维能力和分析抽象事物的能力,在之前的学习中,他们已经了解了我们生物体内有"遗传因子",但这一物质究竟是什么,是如何被研 究出来的,他们充满了好奇。在学生有求知欲的基础上进行教学,还要注意引导他们 学习科学家的实验设计思路和方法,帮助他们理性思考。 3重点难点评论 重点:各实验的实验设计思路、基本方法及实验过程的分析。 难点:噬菌体侵染大肠杆菌实验中上清液与沉淀物中的放射性情况的分析;DNA是主 要的遗传物质。 4教学过程 4.1第一学时 4.1.1教学活动
活动1【导入】探索人类遗传物质的过程评论 很久以前,人们对于蛋白质的研究早于DNA,由于蛋白质种类的多样性,造成了 人们的错误认知:蛋白质是遗传物质。但是另一边,科学家却用实验力证了其 实DNA才是真正的遗传物质。这一过程包含了几个著名的实验,这节课我们便 来研习这几个实验。【教师展示本节课的学习目标以及需要学习的四个实验 名称。】 活动2【讲授】肺炎双球菌的转化实验评论 1、1928年格里菲思的体内转化实验 布置学生课前收集的有关肺炎双球菌的小百科,课上进行交流展示。 教师通过刚才的展示,向学生展示两幅培养皿中的菌群图,让学生进行辨认哪 个是S型哪个是R型。 问:如何辨认这两幅图中哪个是R型哪个是S型?【辨析两者的不同点-有无荚 膜】 问:有荚膜的的S型有毒吗?【辨析荚膜的特点-有荚膜有毒】 展示4组实验,学生通过刚才的学习已经书本上的相关知识,先自主学习再小 组合作研究,分析这四组实验的现象和原因。 问:实验一、二、三分别得出什么结论? 问:实验四中造成小鼠死亡的原因可能有哪些?结合实验一、二、三可以排除 哪些假设,得到什么结论? 最后得出实验结论:加热杀死的S型菌体内有某种“转化因子”使得R型活菌 转化为S型活菌。 2、1944年艾弗里的体外转化实验
生物遗传物质综合判断 1.烟草花叶病毒感染烟草的实验 实验过程与实验结果①烟草花叶病毒――→ 感染 正常烟草――→ 被感染 产生花叶病（对照组）； ②烟草花叶病毒的RNA――→ 感染 正常烟草――→ 被感染 产生花叶病（实验组）； ③烟草花叶病毒的蛋白质――→ 感染 正常烟草――→ 不被感染 不产生花叶病（实验组） 实验结论RNA是烟草花叶病毒的遗传物质，蛋白质不是烟草花叶病毒的遗传物质 2.DNA是主要的遗传物质 科学家通过广泛的实验探索，得出绝大多数生物的遗传物质是DNA，只有少数种类的病毒的遗传物质是RNA。 1.下列内容为探索遗传物质的经典实验分别对应的结论是什么？ 提示①～⑥内容依次为：①S型细菌中含有“转化因子” ②DNA是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质③DNA是遗传物质④RNA 是遗传物质⑤DNA是遗传物质⑥DNA是主要的遗传物质 2.不同生物的核酸种类及遗传物质的比较，请填写相应内容： 生物类型病毒原核生物真核生物
体内核酸种类DNA或RNA DNA和RNA DNA和RNA 体内碱基种类4种5种5种 体内核苷酸种类4种8种8种遗传物质DNA或RNA DNA DNA 1.某同学分离纯化了甲、乙两种噬菌体的蛋白质和DNA，重新组合为“杂合”噬菌体，然后分别感染大肠杆菌，并对子代噬菌体的表现型作出预测，见表。其中预测正确的是（） “杂合”噬菌体的组成 实验预期结果 预期结果序号子代表现型 甲的DNA＋乙的蛋白质1 与甲种一致 2 与乙种一致 乙的DNA＋甲的蛋白质3 与甲种一致 4 与乙种一致 A.1、3 B.1、4 C.2、3 D.2、4 解析因为DNA是噬菌体的遗传物质，所以组成成分为甲的DNA和乙的蛋白质的“杂合”噬菌体感染大肠杆菌后得到的子代噬菌体的表现型与甲种一致；组成成分为乙的DNA和甲的蛋白质的“杂合”噬菌体感染大肠杆菌后得到的子代噬菌体的表现型与乙种一致。 答案 B 2.下图表示科研人员探究“烟草花叶病毒（TMV）遗传物质”的实验过程，由此可以判断（） A.水和苯酚的作用是分离病毒的蛋白质和RNA B.TMV的蛋白质不能进入烟草细胞中 C.侵入烟草细胞的RNA进行了逆转录过程 D.RNA是TMV的主要遗传物质
《核酸是遗传物质的证据》精典实验梳理与分析 证据一：噬菌体侵染细菌的实验——DNA是遗传物质 1．噬菌体的结构和增殖 噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒的总称，因部分能引起宿主菌的裂解，故称为噬菌体。T2噬菌体是一类专门寄生在细菌体内的病毒，具有蝌蚪状外形，头部呈正二十面体，外壳由蛋白质构成，头部包裹DNA作为遗传物质。其侵染寄主时，尾鞘收缩，头部的DNA通过尾部注入细胞内。进而通过寄主体内的物质合成子代噬菌体。 2．实验过程与实验分析 （1）用同位素标记细菌：分别用含有放射性同位素35S和32P的培养基培养细菌。分别得到被35S和32P标记的两种细菌。 （2）用同位素标记噬菌体：分别用上述两种细菌培养T2噬菌体。分别得到DNA中含有32P和蛋白质中含有35S的两种噬菌体。 （3）用被标记的噬菌体侵染细菌：用被32P和35S标记的两种T2噬菌体分别侵染未被标记的细菌，并保温一段时间。 （4）侵染过程和结果 实验过程说明，噬菌体的蛋白质外壳并没有进入细菌内部，噬菌体的DNA进入了细菌内部。实验结论是DAN是遗传物质。 例1、科学家做“噬菌体侵染细菌的实验”时，分别用32P、35S做了如下表示的标记： 此实验所得结果是：子代噬菌体与亲代噬菌体的形态和特点均相同。请分析： （1）子代噬菌体的DNA分子中含有上述元素是，原因是。 （2）子代噬菌体中的蛋白质分子含有的上述元素是，原因是。 （3）此实验结果证明了遗传物质是。 解析：噬菌体的蛋白质外壳含S，而DNA含P。当噬菌体侵染细菌时，噬菌体的DNA 全部注入细菌体内，而噬菌体的蛋白质外壳则留在细菌外面，不起作用。噬菌体的DNA进入细菌体内后，是利用自身的DNA做模版，利用细菌的化学成分、酶和ATP来进行DNA 的复制和蛋白质的合成。所以子代噬菌体的DNA中既含有自身标记的32P,又含有细菌的31P.因噬菌体蛋白质没有进入细菌，所以子代噬菌体的蛋白质只含有细菌蛋白质标记的35S 答案：（1）32P、31P噬菌体的DNA全部进入细菌，利用细菌的核苷酸31P合成自身的DNA（2）35S噬菌体侵染细菌时，其蛋白质外壳（含32S）没有进入噬菌体（3）DNA 证据二：肺炎双球菌的转化实验——DNA是遗传物质
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）。
7 细菌的遗传分析 细菌（bacteria）、放线菌（actinomycetes）和蓝细菌（cyanobacteria）等均属于原核生物（prokaryotes）。这类生物的主要特征是没有核膜，其核基因组是由一个裸露的 环状DNA分子构成，因此称为拟核（nucleoid），原核细胞（prokaryocyte）也由此而得名。该基因组编码功能相关蛋白质的基因或相互协同调节作用的几个基因往往成簇排 列成一个操纵子。细胞内没有以膜为基础的细胞器，也不进行典型的有丝分裂和减数分裂。因此它们的遗传物质传递规律和重组机制与真核生物不完全相同。由于细菌是单 细胞生物，结构简单，繁殖力强，分布广，世代周期短，个体数量多，在正常条件下，完成一 个世代仅20min，较容易诱变和筛选各类突变型。细菌不仅是许多病毒的宿主细胞，而 且有自身的遗传特性，又易于培养建立纯系和长期保存等优点，已成为遗传学研究中常 用的实验材料之一。特别是大肠杆菌的研究与应用最为广泛和深入，遗传背景也较清楚，基因组测序也是最早完成的生物之一，碱基对为4639229bp，预测基因数4377，其 中4290编码蛋白，其余编码RNA。许多基因不仅已定位在染色体上，而且对其功能的 研究也较深入。为此本章主要以大肠杆菌为材料，讨论细菌的遗传物质的传递规律与染 色体作图以及细菌同源重组的分子机制。
153 7畅1 细菌的细胞和基因组 7畅1畅1 细菌的细胞 细菌包括真细菌（eubac teri a ），如大肠杆菌（Escherchi a co li ）和古细菌（archaebacteri a ），如詹氏甲烷球菌（M ethanococcus jannaschii ）。这些细菌以多种形态存在：球菌（cocc i ）、杆菌（bacilli ）和螺旋菌（sp i 唱rilla ）等。其大小随种类不同而异，杆菌以长和宽表示，一般长为1～5μm ，宽0畅5～1μm ；球菌以直径大小表示，一般为0畅5～1μm ；螺旋菌是测量其弯曲形长度，一般长为1～50μm ，直径为0畅5～1μm 。细菌的细胞结构可分为基本结构和特殊结构，基本结构是指一般细菌细胞都具有的结构， 包括细胞壁、图71 大肠杆菌的细胞和菌落 （a ）大肠杆菌扫描电镜照片（1×14000） （b ）已分裂成两个子细胞的大肠杆菌电镜照片， 可见两个染色质区———拟核，外有细胞膜和细胞壁 （c ）细菌经培养形成的菌落（每个群落来自一个单细胞） 细胞膜、拟核、核糖体、细胞质及内含物。特殊结构是指某些细菌在一定条件下所具有的结构，如荚膜 7畅1 细菌的细胞和基因组
DNA是主要的遗传物质学案 【学习目标】 1.评述并总结“DNA是主要遗传物质”的探索历程 2.尝试运用探究实验的基本思路和方法来分析和评价实验 3.通过小组合作探究逐步养成团队意识和严谨、创新的思维习惯 【知识回顾】 1.19世纪中期，孟德尔提出性状由“遗传因子”控制，20世纪初，约翰逊给“遗传因子”一词起了一个新名字-- 。 2.20世纪初，摩尔根通过果蝇的眼色遗传实验证明基因在上。 3.20世纪中叶，科学家发现染色体的成分主要是蛋白质和。 【学习过程】 一、肺炎双球菌体内转化实验（1928年，英国，格里菲思） 【交流讨论】 1.请从肺炎双球菌的菌落、荚膜和毒性三个方面对R型细菌和S型细菌进行比较，并试推断肺炎双球菌的毒性与哪种物质有关。 2.与第一组比较，第四组小鼠死亡是因为R型活细菌的作用吗?是因为死的S型细菌的作用吗?第四组小鼠死亡是什么的作用结果呢? 3.第四组实验小鼠体内的S型活细菌是从哪里来的（是加热杀死的S型菌复活了，还是活的R型菌转化成了S型活菌）？该实验可得出什么结论？
【小组活动】设计实验帮助格里菲斯探究导致R型活细菌转化的“转化因子”。实验课题：探究S型细菌体内到底哪种物质是“转化因子”。 实验假设：S型细菌体内的DNA是使R型活细菌发生转化的“转化因子”。 实验思路： 预期结果和结论： 二、肺炎双球菌体外转化实验（1944年，美国，艾弗里） 1.实验过程和结果： 2.艾弗里实验结论是什么？你认为他的实验有何不够严谨的地方吗？ 三、噬菌体侵染细菌的实验（1952年，赫尔希和蔡斯）
1.如右图所示，T 2噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌体内的病毒，在其化学组成 中，60％是蛋白质,40％是DNA ，仅蛋白质中含有硫，则其蛋白质的基本元素组成是 ，DNA 的基本元素组成是 。 2.噬菌体侵染细菌的实验采用的实验方法是什么？用35S 和32P 分别标记T 2噬菌体哪一种组分？能用14C 或18O 等其他同位素标记吗？ 3.在T 2噬菌体侵染细菌实验的过程中，应如何对噬菌 体进行放射性标记？ 4.试完善该实验过程和结果 结果分析 蛋白质不能进到细菌中 5.噬菌体侵染细菌的实验过程中搅拌的目的是什么？离心后得到的上清液中主要含噬菌体的蛋白质外壳，则沉淀物中主要含什么？ 6.该实验的结论是什么？和艾弗里的实验结论完全一致吗？ 四、烟草花叶病毒的实验（1957年，格勒和施拉姆）
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( )。
病毒的遗传与变异 病毒的遗传能保持物种的相对稳定，维系生物界的平衡；而病毒的变异可导致新品种出现，孕育生物界的进化。病毒是一类极为简单的分子生物，核酸是遗传的物质基础，核酸复制的忠实性使病毒具有稳定的遗传表现。但由于病毒没有细胞结构，其遗传物质极易受外界环境及细胞内分子环境的影响而发生改变，病毒与其它生物相比，其遗传具有更大的变异性。 病毒的变异主要源于其基因组的突变和重组。病毒突变一般分为自发突变和诱导突变。自发突变是在没有任何已知诱变剂的条件下，病毒子代产生高比例的突变体，最后导致表型变异。诱导突变则是利用不同的物理或化学诱变剂处理病毒，提高病毒群体突变率，诱导病毒子代出现特定的突变类型。DNA病毒和RNA病毒在突变频率上有较大的差别。病毒突变类型可从多层次、不同水平进行分类，但目前作为研究工具的突变体类型主要有无效突变体、温度敏感突变体、蚀斑突变体、宿主范围突变体、抗药性突变体、抗原突变体、回复突变体等。 病毒重组一般通过分子内重组、拷贝选择和基因重配三种机制完成。分子内重组需要核酸分子的断裂及其它核酸分子的再连接，拷贝选择不涉及核酸分子的共价键断裂，基因重配则是具分段基因组病毒之间核酸片段交换，基因组各片段在子代病毒中随机分配。病毒重组机制不同，其重组频率有很大差别，且RNA分段基因组病毒同型不同株病毒间的重组经重组重配机制进行，其重组率可高达50%.通过病毒重组，可构建表达特定外源基因的重组病毒，可使灭活病毒经交叉感染或复感染得以复活，这在病毒的研究和利用上都具有重要意义。 病毒表型突变除了源于基因组的突变和重组外，还有一些非遗传因素影响病毒变异。无囊膜病毒的转壳、表型混杂及具囊膜病毒的伪型病毒都可使病毒的表型发生改变。病毒的同源干扰、缺陷干扰及缺陷病毒的存在也会对病毒表型变化产生影响。 如何利用病毒突变和重组建立病毒生物学研究的有效方法，如何利用重组病毒构建重要疾病基因治疗载体，是研究病毒遗传和变异的主要目的之一。虽然有一些病毒现已可通过序列分析进行其基因组研究，但病毒重组作图、重配作图、中间型杂交、转录图和多肽图等仍是研究病毒遗传图的重要方法。在病毒基因功能研究中，经典的互补试验、克隆基因的互补试验及利用突变和重组进行的顺式因子分析、反式因子分析和基因瞬时表达，都有着不可替代的作用。由于一些病毒可以感染动物和人类的特异组织细胞，利用这些病毒构建表达外源基因载体，用于人类一些特殊疾病的基因治疗，这一方面具有诱人的前景。 比如，为什么过去感染过流感的人，虽然体内已经产生了抗体，但对新型病毒变异株却可能没有免疫力呢？为什么流感大流行会经常反复的出现，而为了能够提供有效防御流感的疫苗，则必需频繁地制造出新的流感疫苗呢？这是因为：流感病毒的抗原性会因为核酸的复制、装配等各种因素而发生变化，有了这些变化，流感病毒就可以有效地逃避宿主的免疫清除。
DNA是主要的遗传物质 一、选择题(每小题2分，共30分) 1．关于“噬菌体侵染细菌的实验”的叙述，正确的是() A．分别用含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培养基培养噬菌体 B．分别用35S和32P标记的噬菌体侵染未被标记的大肠杆菌，进行长时间的保温培养C．用35S标记噬菌体的侵染实验中，沉淀物存在少量放射性可能是搅拌不充分所致D．32P、35S标记的噬菌体侵染实验分别说明DNA是遗传物质、蛋白质不是遗传物质解析：噬菌体营寄生生活，不能用培养基直接培养，需用含放射性的大肠杆菌培养才能使噬菌体带上放射性标记，A项错误；实验中保温时间不能过长，若保温时间太长则可能使一些含32P的子代噬菌体释放出来．离心后存在于上清液中，导致上清液中检测到32P，B 项错误；35S标记的是噬菌体的蛋白质，理论上应存在于上清液中，但可能因搅拌不充分，部分噬菌体仍吸附在细菌表面而存在于沉淀物中，C项正确；本实验可说明DNA是遗传物质，但不能证明蛋白质不是遗传物质，因为缺少蛋白质进入细菌细胞的对照实验，D项错误。 答案：C 2．如下图所示，甲、乙为两种不同的病毒，经病毒重建形成“杂种病毒”丙，用丙病毒侵染植物细胞，在植物细胞内产生的新一代病毒可表示为() 解析：由于核酸是病毒的遗传物质，蛋白质外壳不是，所以“杂种病毒”侵染植物细胞后，在植物细胞中产生的新一代病毒性状是由提供核酸的乙病毒的核酸所决定的，应与乙病毒相近。 答案：D 3．一百多年前，人们就开始了对遗传物质的探索历程。对此有关叙述错误的是() A．最初认为遗传物质是蛋白质，推测氨基酸的多种排列顺序可能蕴含遗传信息
B ．在艾弗里肺炎双球菌转化实验中，细菌转化的实质是发生了基因重组 C ．噬菌体侵染细菌实验之所以更有说服力，是因为其蛋白质与DNA 完全分开 D ．噬菌体侵染细菌实验中，只有在离心后的沉淀物中才能测到放射性同位素32P 解析：人们对遗传物质的探索历程中最初认为遗传物质是蛋白质，是因为推测氨基酸的多种排列顺序可能蕴含遗传信息。在艾弗里肺炎双球菌转化实验中，R 型细菌转化为S 型细菌的实质是S 型细菌的能指导合成多糖荚膜的那段DNA 整合到了R 型细菌体内，也就是发生了基因重组。证明DNA 是遗传物质的实验的关键是把DNA 与蛋白质分开，单独、直接观察它们对性状的影响。噬菌体侵染细菌实验中，在离心后的沉淀物中测到的放射性同位素32P 形成的放射性强，上清液中放射性轻，因为离心不可能分离的很彻底。 答案：D 4．如图示“肺炎双球菌转化实验”的部分研究过程。能充分说明“DNA 是遗传物质，而蛋白质等其他物质不是遗传物质”的是( ) 含R 型活菌的培养基 ??????? ―――――――――→①＋S —DNA 长出S 型菌―――――――――→继续培养S 型菌―――――――――――→②＋S —RNA 只长出R 型菌――――――――――→继续培养R 型菌―――――――――――→③＋S —蛋白质只长出R 型菌―――――――――――→继续培养R 型菌 ――――――――――――→④＋S —荚膜多糖只长出R 型菌 ―――――――――――→继续培养R 型菌 A ．①②④ B ．①②③ C ．①③④ D ．①②③④ 解析：能真正说明DNA 是遗传物质的实验是①，但为了排除其他物质是遗传物质的可能性，还要设计一系列的对照实验，②、③、④均分别与①构成对照。在此实验中，实验变量是加入到含R 型活菌的培养基中的物质(DNA 、RNA 、蛋白质、多糖)。 答案：D 5．关于病毒遗传物质的叙述，下列哪一项是正确的( ) A ．都是脱氧核糖核酸
2020届高中生物人教版必修2实验专练：（7）RNA是遗传物质的实验证据 1、烟草花叶病毒的遗传物质是( ) A.DNA B.RNA C.DNA或RNA D.DNA和RNA 2、下图为烟草花叶病毒对叶子细胞的感染和病毒重建实验示意图,相关描述正确的是 ( ) A.对烟草花叶病毒进行降解的步骤需要用蛋白酶 B.图中B型后代的组成是RNA B和蛋白A C.该实验证明了烟草花叶病毒的遗传物质是RNA D.证明的RNA是主要的遗传物质 3、把烟草花叶病毒的RNA和蛋白质外壳分离后分别接种到正常烟草叶片上,那么发生烟草花叶病的应是（） A.接种RNA的植株 B.接种蛋白质的植株 C.A或B D.A和B 4、某病毒的遗传物质是单链RNA(-RNA)宿主细胞内病毒的增殖过程如图,-RNA和+RNA的碱基序列是互补的。下列叙述错误的是( ) A.过程①所需的嘌呤数和过程③所需的嘧啶数相同 B.据图推测, -RNA和+RNA均有-RNA聚合酶的结合位点
C.过程②需要的tRNA、原料及场所都由宿主细胞提供 D. -RNA和+RNA均可与核糖体结合,作为翻译的模板 5、如图表示科研人员探究“烟草花叶病毒(TMV)遗传物质”的实验过程,由此可以判断( ) A.水和苯酚的作用是分离病毒的蛋白质和RNA B.TMV的蛋白质不能进入烟草细胞中 C.侵入烟草细胞的RNA进行了逆转录过程 D.RNA是TMV的主要遗传物质 6、将甲型病毒的RNA与乙型病毒的蛋白质结合在一起,组成一个新品系,用这个病毒去感染烟草,则从烟草细胞内分离出来的病毒有( ) A.甲型病毒的蛋白质和乙型病毒的RNA B.甲型病毒的RNA和乙型病毒的蛋白质 C.甲型病毒的蛋白质和甲型病毒的RNA D.乙型病毒的蛋白质和乙型病毒的RNA 7、遗传信息从RNA→RNA途径是对中心法则的补充,下列能够进行该信息传递的生物是 ( ) A.烟草 B.大肠杆菌 C.噬菌体 D.烟草花叶病毒 8、已知烟草花叶病毒侵染烟草会使烟草患花叶病,为了验证该病毒的核酸种类,设计了以下实验。 实验原理:(略) 实验材料:苯酚的水溶液(可以将病毒的蛋白质外壳和核酸分离)、健康生长的生长状况相似的烟草幼苗若干、烟草花叶病毒样本、DNA水解酶、RNA水解酶、蒸馏水及其他必需器材。 1.实验步骤: ①将生长状况相似的烟草幼苗均分为三组,编号为a、b、c。 ②用苯酚的水溶液处理烟草花叶病毒,并设法将其蛋白质和核酸分离,以获得其核酸。 并将核酸均分为三份。 ③在适当条件下,__________。
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。