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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
154
和鞭毛等［图71（a ），（b ）］。由此可见，细菌的细胞一般很小，不便于操作，所以遗传学很少研究单个细菌细胞，而是将来源于一个培养物的稀释样品进行平板接种（p l ati ng ）后，每个细菌细胞都会自我繁殖形成肉眼可见的，由上千个细胞形成的细菌菌落（bacteri al co l ony ）或克隆（cl one ）。如果未发生突变，一个克隆中的所有个体在遗传上是完全相同的［图71（c ）］。人们正是利用细菌在特定条件下是否能生长、分裂而形成菌落和菌落的大小、形态、生长习性以及对药物或病毒病原的不同反应等而进行遗传学研究的。
细菌不通过有性方式繁殖，细菌的染色体不凝缩，没有着丝粒，也没有纺锤体结构。双链环形DN A 分子随着细胞伸长而采取二分分裂（b i n ary fissi on ）的方式分开。一般来说，细胞愈小，生长分裂愈快。在合适的条件下，细菌每20m i n 繁殖一代，而大多数哺乳动物细胞约24h 才能分裂一次。但不论时间长短，细胞生长和分裂一个世代，细胞内染色体就要复制一次。大肠杆菌细胞在37℃条件
下细胞伸长，DN A 可能是同步复制，细胞膜在两个子染色体附着点中间生长，使子染色体同时拉开分向每个细胞，中间细胞膜继续向中央生长形成两个细菌细胞。因此，高等生物细胞的有丝分裂和细菌分裂是完全不同的，而唯一相同的只是两者的染色体都是随着细胞分裂而精确复制并分到两个子细胞中去（图7
2）。图72 细菌染色体的复制和细胞分裂
（a ）裂开的E 畅co li 细胞释放出它的染色体（电镜照片） （b ）随着细胞分裂染色体的复制与分布
细菌主要是单细胞生物，但也有例外，放线菌的一些种类可以形成丝状的多细胞结构。许多不同类型的以前被认为是单细胞生物的细菌可以形成多细胞的黏性结构，称为生物膜（bi ofil m ）。由于这种生物膜具有多层复杂结构，很难穿透或被破坏，因而食品加工、医用导管等管道中都可见到它们的踪影。它们还可在患者组织中导致难以治疗的疾病，如部分囊性纤维化症状实际上就是由于患者肺部生物膜的积累造成的。
7 细菌的遗传分析
155 知识窗71
古 细 菌
近20余年在完成一些原核生物和真核生物的基因组测序基础上揭示，原核生物在极早时期就演化成两大类：真细菌（eubac teri a ）和古细菌（archaeobac teri a ）。古细菌又称原细菌
，或称古核生物图1 生命三界基因组测序结果支持关于生命三界的假说，在15亿年前地球上存在3个独立的生命系统。2个起源不同的原核生物分别为细菌和古细菌，所有真核生物归在同一类。古细菌与真核生物的亲缘关系较之古细菌与细菌的关系更近（archaeon ）。古核生物细胞的形态结构与基因组结构装置和
原核细胞相似，但有些分子进化特征更接近真核细胞。古细
菌的翻译系统如核糖体蛋白、延伸因子和氨酰t R N A 合成酶
以及转录系统都与真核生物相似，而与真细菌有所不同。但
是在代谢系统方面古细菌与真细菌极为相似。如从2600m
深的西太平洋海底洋嵴烟突状喷发流中分离到詹氏甲烷球
菌，它们是生长在88～94℃的一种厌氧古细菌，其基因组序
列分析（1995年完成），发现它在起源上与真核生物更加接
近。人们推测，古细菌和原始真核细胞可能从原始细胞分别继
承了部分共同的遗传物质。为此，有生物学家建议将生命世界
传统上分的五大王国，即动物、植物、真菌、原生生物和细菌，改
为三大类群，即原核生物、古核生物与真核生物三界（图1）。它
们是3个独立起源系统，来自共同的单细胞祖先，彼此间不存
在继承关系。三界系统与传统的五大王国的差别在于，前者将动物、植物、真菌和原生生物并为同一真核生物界，而将原核生物（细菌）分为真细菌界和古细菌界。
真细菌实际包括我们所知的绝大多数原核生物，而古核生物是20世纪80年代出现的名称，是一些生长在极端特殊环境中的细菌，过去把它们归属于原核生物是因为其细胞的形态结构和基本的生命活动方式与原核细胞相似。但最早发现的产甲烷细菌类的16S RN A 和5S RN A 的核苷酸序列分析结果表明，它与其他原核细胞相差甚远，却与真核细胞更为近似，还有一些分子生物学特征的表现也是如此（表1）。
表1 生命三界特征比较
特征
真细菌古细菌真核生物核膜
无无有细胞器
无无有细胞壁肽聚糖
有无无DNA 重复序列无有有基因内含子
无多数有内含子有核小体结构
无类似核小体结构典型核小体结构核糖体类型
70S 介于70S 与80S 之间80S 核糖体蛋白质种类
55＞6070～84链霉素和氯霉素等抗性
－＋＋蛋白质合成起始氨基酸
甲基甲硫氨酸
甲硫氨酸
甲硫氨酸
RNA 多聚酶种类1种类型多种类型多种类型
由此说明，真核生物可能起源于古核生物，它们可能有过共同的进化历程。至于真核细胞起源于哪一类古细菌已提出多种推测，但目前尚缺乏充足的科学论据。现已发现100多种古细菌，并将它们划分为目、科、属、种。它们在细胞起源和生物进化中扮演过重要角色，为此引起了许多学者广泛的关注。7畅1 细菌的细胞和基因组
156
7畅1畅2 细菌的基因组
细菌细胞的大部分遗传信息位于一条环状、双链DNA分子上，这个DNA分子一般被称为细菌染色
体（bacteri a l chromosome），位于细胞内一个称为“拟核”（nucl e o i d）的区域中。有些细菌还含有小的，可自我
复制的环状DNA分子，该小的DNA分子称为质粒（pl a s m i d）。细菌的染色体长度为250～35000μm不
等。这种染色体都是裸露的，没有组蛋白和其他蛋白质的结合，也不形成核小体结构，因此它们的染色
体比较易于接受带有相同或不同物种的基因或DNA片段的插入（表71）。
表71 细菌的基因组结构
细菌的种类核酸染色体形状染色体长度／μm碱基对／bp 铜绿假单胞菌（Pseudomonas acrugi n osa）ds DNA O?348010440000
天蓝色链霉菌（S treptomyces coeli co l or）ds DNA O?26007800000
枯草杆菌（Bacill u s subtili s）ds DNA O135********
大肠杆菌（Escheri chi a co li）ds DNA O133********
淋病奈氏球菌（N ei sseri a gono rrhoea）ds DNA O6401920000
无胆甾原体（A cho l epl as ma l ai d aw ii）ds DNA O5071520000
流感嗜血杆菌（Hae mophil u s i n fl u enzae）ds DNA O5051515000
人型支原体（M ycopl as ma hom i n i s）ds DNA O253760000
大肠杆菌染色体长为1333μm，而要包装入一长约为2μm、宽1μm的细胞中，DN A必定以折叠
或螺旋状态存在。有实验证明：在DN A分子进行折叠和螺旋化过程中还依赖于RN A分子的作用。
如350μm的环状DN A［图73（a）］，通过RN A分子的连接作用将DN A片段结合起来而形成环，从
而导致DN A长度缩小成为30μm［图73（b）］，在活体大肠杆菌染色体上有40～50个这样的环。接
着每个环内DN A进一步螺旋，使DN A长度进一步缩短为2μm，形成更高级结构的染色体［图73
（c）］。用RN ase处理使RN A连接体断裂，DN A环展开，但不影响DN A环内的螺旋结构；如用
DN ase处理，结果刚好相反，不影响环的结构，但环内螺旋展开［图73（d），（e）］。这些研究表明
，细
图73 大肠杆菌染色体的基本结构图解
（a）未折叠的环状染色体 （b）折叠的染色体40～50个环 （c）超螺旋折叠的染色体
（d）部分解螺旋的染色体 （e）部分解折叠的染色体
7 细菌的遗传分析
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7畅2 大肠杆菌的突变型及其筛选
菌的染色体不单是一条裸露的DN A链，而是以高度组装的形式存在，同时这种组装不仅为了适应细
菌细胞的狭小空间，而且还要有利于染色体功能的实现，便于染色体复制和基因表达。
7畅2 大肠杆菌的突变型及其筛选
7畅2畅1 大肠杆菌的突变类型
研究细菌的基因结构与功能，首先要有突变型，细菌中有各种突变型，现以大肠杆菌为例将其突
变型大体分为：
（1）合成代谢功能的突变型（anabolic functional mutants）
野生型（w il d唱type）即原养型（p ro to trophi c）大肠杆菌能生长在十分简单的基本培养基（m i ni m a l
media，MM）上，其中唯一的有机成分是碳源，一般为葡萄糖。野生型品系在基本培养基上具有合成
所有代谢和生长所必需的复杂有机物的功能，这称为合成代谢功能（anabo li c functi on）。然而这一系
列合成代谢功能的实现必然需要大量基因的表达，其中任何一个必需的基因发生了突变都不能进行
一个特定的生化反应，从而阻碍整个合成代谢功能的实现，这种突变型称为营养缺陷型
（auxo trophi c）。它们多是条件致死突变（cond iti on l ethalm uta ti on），因为能通过在基本培养基中添加所
需的有机成分使具有这种突变的细菌存活。营养缺陷型细菌的表型一般是根据该菌株所不能合成的
物质来命名。取这一物质的前3个字母，第一字母用大写表示，指出它们生长所需的物质。例如
M e t－、Thi－和Pur－表明这些突变品系分别需要甲硫氨酸（m ethi oni ne）、硫胺（thi am i n）和嘌呤（puri ne），
而相应的原养型的表型记为M e t＋、Thi＋和Pur＋。如果不同基因突变可能表现出相同的营养缺陷型
表型，那么具有这些突变的细菌的基因型则用小写斜体字母表示。如m et A和m e t B突变是野生型
基因m e t A＋和m et B＋突变的等位基因。每一突变型的表型都是M e t－，这是因为m et A＋和m e t B＋
这两个基因都是甲硫氨酸生物合成的必需基因。
（2）分解代谢功能的突变型（catabolic functional mutants）
野生型大肠杆菌能利用比葡萄糖复杂的不同碳源，因为它能使复杂的糖类转化成葡萄糖或其他
简单的糖类，也能将复杂分子，如氨基酸或脂肪酸降解为乙酸或三羧酸循环的中间物。这些降解功能
称为分解代谢功能（ca taboli c functi on）。同样，一系列降解功能的实现也需要许多有关基因的表达，其
中任何一个基因的突变都会影响降解功能的实现。如Lac－突变型不能分解乳糖，因此就不能生长在
以乳糖为唯一碳源的基本培养基中，而野生型Lac＋细菌都能利用乳糖。Lac－表型可能是因为l ac Z＋
或l ac Y＋基因发生突变，分别产生了基因型为l ac Z－或l ac Y－的突变型菌株。这种菌株显然亦是条
件致死突变型。
（3）抗性突变型（resistant mutants）
细菌由于某基因的突变而对某些噬菌体或抗生素产生抗性（resistant），对噬菌体的抗性突变往往
是以某种方式改变细菌的膜蛋白，从而某种噬菌体不能吸附或吸附在这种突变细菌上的能力降低。
对抗生素产生抗性的突变是一个严重的公害问题，所以研究得也较深入，而且细菌对各种抗生素的抗
性机制各不相同。如对链霉素抗性突变的细菌是由于核糖体的30S亚基的S12蛋白变异，链霉素能
和敏感细菌（野生型）的S12结合，从而使翻译过程发生差错或者使翻译过程的启动作用失效。而抗
链霉素突变型的S12不再和链霉素结合，因此抗性突变细菌可以在链霉素存在的情况下，进行正常
的翻译作用和正常的分裂繁殖。对T1噬菌体抗性表型以T1r表示，对T1噬菌体敏感（sensiti ve）表型
则以T1s表示；对链霉素（strep tom yc i n）抗性表型以S tr r，对链霉素敏感表型以S tr s表示。决定这些表
型的基因则记为ton和str。ton＋的表型是T1s，str＋的表型是S tr s。细菌中常用的若干突变型的基因
7 细菌的遗传分析
158
符号如表72所示。
表72 细菌中某些突变型的基因符号
ara阿拉伯糖不能利用m tl甘露糖醇不能利用
arg精氨酸缺陷型pdx吡多醇缺陷型
att原噬菌体附着点phe苯丙氨酸缺陷型
ade腺嘌呤缺陷型pro脯氨酸缺陷型
azi叠氮化钠抗性pur嘌呤缺陷型
bi o生物素缺陷型pyr嘧啶缺陷型
cys半胱氨酸缺陷型rha鼠李糖不能利用
gal半乳糖不能利用str链霉素抗性
hi s组氨酸缺陷型thi硫胺缺陷型
l ac乳糖不能利用thr苏氨酸缺陷型
l eu亮氨酸缺陷型ton噬菌体T1抗性
l ys赖氨酸缺陷型trp色氨酸缺陷型
mal麦芽糖不能利用tsx噬菌体T6抗性
man甘露糖不能利用tyr酪氨酸缺陷型
met甲硫氨酸缺陷型xyl木糖不能利用
7畅2畅2 细菌的培养与突变型筛选
细菌培养可有两种方法，即只需供给基本营养成分的液体培养基培养和固体（如琼脂）表面培
养。在液体培养基中，细菌以二分裂方式分裂，它们以几何级数增殖，直至耗尽营养物质或积累了
毒素因子废物使细菌群体停止增长为止。用移液管将这种液体培养物移取少量，放入含琼脂的培
养基表面，用无菌涂布玻璃棒均匀涂布，每个细菌细胞即分裂繁殖。由于细胞在琼脂凝胶上不能
运动，所有的子细胞聚集成团，细胞数量很快达到106，成为肉眼可见的菌落。此过程称平板接种
（p l a ti n g）。如果最初接种的样品所含细胞非常少，那么平板上每个单独的菌落就是来自单个的原
初细胞。所有细胞都来自一个原初细胞的菌落称为无性繁殖系或克隆（cl one）。无性系有许多特
征很容易进行直观检查或简单的化学检验，从而决定其表型；此表型可归类于这个无性系的原初
细胞，这样即可测得吸移样品中各种表型的频率。如需测定丧失合成某种营养物质能力的营养缺
陷型或对某类药物（或对某类噬菌体）有抗性的抗性突变型，均可采用由莱德伯格等（J畅Lederberg
和E畅M畅Lederberg，1952）所设计的影印培养法。先在一个母板（m aster p l ate）上使细菌长成菌落，然
后用一个比培养皿略小的木板，包上一层消过毒的丝绒，印在母板上，将菌落吸附在丝绒上，再将
这块丝绒印到含有各种不同成分的培养基上，例如，缺乏某一特定营养成分的琼脂板上。凡不能
出现在影印培养基上的菌落，说明它缺乏合成这一物质的能力，是突变的菌落，可以把它们从母板
上取下来做进一步的研究。
显然要得到特定表型的突变型，主要不是依赖使用不同的诱变剂，而是依赖于采用不同的筛选方
法。根据不同的突变类型建立了相应的筛选手段。糖发酵性突变株Lac－选择，可将Lac＋和Lac－涂
布于伊红美蓝培养基（EM B培养基）上，Lac＋可形成有金属光泽的紫色菌落，而Lac－则形成白色菌
落，因此很容易识别。抗性突变型也很容易选择，把经过诱变处理的细胞直接涂布到含有某种噬菌体
或抗生素的培养基上，形成的菌落克隆就是抗性突变。至于营养缺陷型突变的选择，如选择氨基酸营
养缺陷型，可把先经诱变剂，如X射线、紫外线或化学诱变剂等处理的细菌涂布在含所有20种氨基
酸的完全培养基上，这种培养基能使各种营养缺陷型生长，目的是通过细胞分裂使突变型充分表现。
待菌落出现后，用印迹法（rep li ca唱p l ated m e thod）将它们影印到基本培养基上鉴别出在不含任何氨基
159
酸的培养基上不能生长的克隆。然后再从母板上将这一克隆培养在只含一种氨基酸的培养基上，从而判定该突变型需哪种氨基酸才能生长（图7
4）。图74 细菌的培养与突变型筛选
（a ）细菌的培养 （b ）突变型筛选
7畅3 细菌的接合与染色体作图
7畅3畅1 细菌接合现象的发现
1946年，J 畅Lederberg 和E 畅Tatu m 设计了一个研究细菌基因重组的试验。他们选用大肠杆菌K 12的两种不同营养缺陷型菌株，即甲硫氨酸（m et －）、生物素（b i o －）的营养缺陷型和苏氨酸（thr －）、亮氨酸（l eu －）、硫胺（thi －
）的营养缺陷型。“＋”代表原养型或抗性，“－”代表营养缺陷型或敏感型。 菌株A 的基因型为：m et －b i o －thr ＋l eu ＋thi ＋，只能在补充有甲硫氨酸、生物素的培基上生长。 菌株B 的基因型为：m et ＋b i o ＋thr －l eu －thi －，只能在补充苏氨酸、亮氨酸和硫胺素的培基上生长。 在这一试验中，他们将两种细菌都涂布到基本培养基中培养，其中有些平板只涂布菌株A ，有些平板只涂布菌株B ，有些则涂布预先在液体完全培养基中培养了数小时的A 和B 株的混合物［图75（a ）］。经培养后发现，只有在混合培养平板上长出了菌落，其频率为1×10
－7，而在单独培养A 菌株和B 菌株的培养基上都没有长出菌落。由于只有原养型m et ＋b i o ＋thr ＋
l eu ＋thi ＋细菌能在基本培养基上生长，因此这一试验表明这两个菌株的基因组之间发生了某种形式的基因重组。
这种原养型菌落是如何产生的呢？由于Lederberg 和Ta tu m 用的是多重营养缺陷型，因而可以排除发生回复突变的可能。单个基因的突变率约为10
－6，两个或两个以上基因同时发生突变，其突变率远远小于10－12，这在基本培养基上几乎不可能获得菌落。那么是否发生遗传转导呢？B 畅D avi s 设计的U 型管实验否定了这一推测。他在一根U 型管底部用超微孔滤片隔开，将A 和B 菌分别注入
两臂中［图75
（b ）］。这种滤片使大肠杆菌不能直接接触，但可以允许0畅1μm 以下的分子通过。他在U 型管的一端通入灭菌空气或用吸气方法使培养液从一端经过滤片渗透到另一端，使两边的培养基较好地相通。培养一段时间后，取出两端的细菌并分别涂布于不同的基本培养基上，结果也没有任
7畅3 细菌的接合与染色体作图
160
何原养型菌落出现。这一试验至少可以说明A 菌株和B 菌株细胞之间的直接接触或称接合（conjugati on ）
是基因重组的前提。图75 Lederberg 和Tatu m 的细菌接合试验
（a ）营养缺陷型菌株A 、B 在基本培养基上均不能生长，当两者混合后，由于基因的转移而在
基本培养基上形成菌落 （b ）U 型管实验证明，A 、B 两菌株间直接接触对基因的转移是必需的
7畅3畅2 F 因子及其转移
在细菌中发现不同品系细胞接合进行基因转移与重组后，不仅证明细菌间可以杂交，而且还发现了大肠杆菌也有“性别”。在这里仍用大肠杆菌K 12两个菌株：A 菌株的基因型为m et －b i o －
；B 菌株基因型为thr －l eu －thi －，同时这两个菌株中都分别具有链霉素敏感型（str s ）和抗链霉素突变型（str r ）。
在不含链霉素的基本培养基上将这两种菌株进行正反杂交，即A str s ×B str r 与A str r ×B str s ，结果都可以得到原养型菌落；在含有链霉素的基本培养基上进行同样杂交时，只有A str s ×B str r 这一杂交得到原养型菌落，而A str r ×B str s 杂交中未产生原养型菌落。由此说明菌株A 和菌株B 虽然来自同一野生型菌株K 12，但在杂交中显然起着不同的作用，菌株A 相当于雄性，是遗传物质的供体（dono r ），而菌株B 相当于雌性，是遗传物质的受体（recep to r ）。所以在含有链霉素的基本培养基中，A str s ×B str r 这一杂交组合能得到重组原养型菌落，这是因为供体虽然对链霉素敏感，而细胞不能分裂，但链霉素并不影响供体的基因转移。受体是对链霉素抗性的，所以在含有链霉素的培养基中既不影响细胞分裂，也不影响它接受外源遗传物质而发生重组，从而形成原养型菌落。这是单向的遗传物质的转移，所以反交A str r ×B str s 不能得到原养型，因为受体对链霉素敏感，虽然供体能转移遗传物质，但是受体细胞不能分裂，所以不能重组形成原养型菌落。在这一点上有些类似于动物中的情况，如雌雄亲本一旦交配以后，杀死雄体不会影响杂交子代的产生，可是杀死雌体以后，则不会出现杂交子代。
大肠杆菌中供体和受体菌株的区别就在于它们是否有一种微小的质粒———F 因子（F facto r 或F el e m ent ）。F 因子又称性因子（sex facto r ）或致育因子（fertility facto r ）。F 因子具有赋予中性的细菌呈现性别的奇妙性质。它是一种封闭的环状DNA 分子，相对分子质量约为4畅5×106，全长约为
9×104
bp ，大约为大肠杆菌环状染色体全长的2%，以游离状态存在于细胞质中。在大肠杆菌中并
不是每个细菌细胞中都有这种游离的F 因子，只有供体细胞才含有F 因子，这种菌株就称为F ＋，
受体细胞不含F 因子，这种菌株称为F －。F 因子结构包含3个区域（图76）：①原点（o ri gi n ），它是转移的起点。②致育基因（fertility gene ），这些基因使它具有感染性，其中一些基因编码生成F 菌毛（F p ill u s ）的蛋白质，即F ＋细胞表面的管状结构，称为接合管（conj ugati o n t ube ），F 菌毛与F －
细胞表面的受体相结合，在两个细胞间形成细胞质桥即接合管。③配对区（pai ri n g regi o n ），F 因子的这一区域与细菌染色体中多处的核苷酸序列相对应，因此F 因子可以分别地与染色体上这些同源序列
7 细菌的遗传分析
161
配对，通过交换整合到染色体中成为细菌染色体的一部分。像这种既可存在于染色体之外作为一个独立的复制子，也可整合到细菌染色体中作为细菌复制子的一部分的遗传因子称为附加体（ep i 唱
some ）。图76 F 因子的结构
F ＋细胞和F －细胞接触时，形成细胞质桥（接合管），这时F ＋
细胞的F 因子通过接合管从转移的起点开始向F －细胞传递，转移时F 因子双链DN A 分子中的一条链打开一个缺口，打开的链从5′磷酸基团单链尾巴先进入受体F －，在F －中复制形成一个完整的F 因子，因而使F －细胞转变成F ＋
；另一条没有缺口的完整链留在供体内作为模板进行复制，也形成一个完整的F 因子［图77（b ）］。F ＋与F －
之间杂交只有F 因子的传递，而细菌的染色体并不转移，因此尽管F 因子转移频率很高，但两者染色体之间重组频率很低，大约是每百万个细胞中发生一次重组，因此F ＋品系称为
低频重组（l ow frequency recom b i nati on ，L fr ）。另外，F 因子也可以整合到细菌染色体中，像这种带有一个整合的F 因子的品系则称为高频重组（hi gh frequency recom b i nation ，H fr ），因为H fr 细胞与F －
细胞接合后可以将供体染色体的一部分或全部传递给F －受体，当供体和受体的等位基因带有不同
标记时，在它们之间就可以发生重组，重组频率可达到10－2以上，故称H fr 品系［图77（a ）］。7畅3畅3 细菌重组的特点
整合在染色体中的F 因子虽然不能独立自主复制，但是一旦接合开始，整合的F 因子的“复制机器”首先启动，并在它的序列之内一条单链的某处打开一个缺口，同时进行滚环复制，而带缺口链5′端进入接合管，因为细菌染色体和这部分F 因子相连，所以细菌染色体也随着进入F －细胞。由于在接合期间，H fr 细胞和F －细胞之间的接合管常会自发断裂，进入的H fr 染色体也随之断裂，通常很少有整条H fr 染色体转入F －细胞的，因此：
①F －细胞得到的只是F 因子的一部分，F 因子其余部分依赖于整条H fr 染色体转移。这样在H fr ×F －杂交中选出的大多数重组子仍为F －
。 ②F －受体细胞只接受部分的供体染色体，这样的细胞称为部分二倍体（parti a l d i p l o i d ）或称为半
合子（m ero zygo te ），也称局部融合（m erom i xis ），即采取任何方式只转移一个细胞中的部分遗传物质到另一个细胞中的遗传交换过程都称为局部融合。在这种部分二倍体细胞中，供体提供的部分基因组称为外基因子（exogeno te ），而受体提供完整的基因组，受体完整的基因组统称内基因子（endogeno te ）。所以供体与受体的重组就是内基因子与外基因子之间的重组，而且这种重组不同于
7畅3 细菌的接合与染色体作图
7 细菌的遗传分析
162
图77 F因子和H fr的关系
真核生物的完整二倍体重组［图78（a）］。
③如果内、外基因子之间只发生单交换，则环状染色体被破坏，形成的线状染色体不能复制，因
而含有这种线状染色体的细胞就不能繁殖。只有偶数次的交换才能保持细菌染色体的完整性，产生
有活性的重组子［图78（b）］。
④偶数次交换得到的重组子只有一种类型，因为相反的重组子（reci procal recom b i n ant）是一个线
状的片段，照例不能复制，随着细胞分裂而被丢失，所以重组后F－细胞所产生的菌落不再是部分二倍
体，而是单倍体［图78（c）］。可见，原核生物中的遗传交换并不像真核生物那样在两整套基因组间
进行，而是在一完整的基因组（F－受体基因组）与一不完整的基因组（供体外基因子）间进行，即在部
分二倍体（或部分合子）间进行。因此，在细菌的重组中有下列两个特点：（a）只有偶数次交换才能产
生平衡的重组子。（b）不出现相反的重组子，所以在选择培养基上只出现一种重组子。
163
图78 细菌重组的特点
7畅4 中断杂交与重组作图
7畅4畅1 中断杂交实验原理
基因从H fr 细胞按次序转入F －细胞，可根据基因进入F －细胞的时间和次序制作基因图谱。Wollman 和Jacob 于1954年在大肠杆菌中曾进行了以下杂交试验：H fr ：thr ＋l eu ＋azi r ton r l ac ＋
gal ＋
str s ×F －：thr －l eu －azi s ton s l ac －ga l －str r 。在时间t ＝0时，让这两种细胞培养物混合进行通气培养使之接合，每隔一定时间取样，把菌液放入搅拌器内搅动以打断配对的接合管，使接合的细胞分开以中
断杂交，将中断接合的细菌接种在几种不同的培养基上，测定形成了何种重组子。例如，检查F －
细胞是否得到了thr ＋，就可将所取得的样本接种到含有链霉素的基本培养基上，在这种培养基上如形成菌
落，它的基因型必定是thr ＋l eu ＋str r ，因为只有这种重组子才能生长，说明供体thr ＋和l eu ＋基因已进入受体细胞并发生重组。先用thr ＋、l eu ＋
和str r 这3个基因作为选择标记，其他几个基因作为非选择标记。经多次中断杂交和取样选择，得到大量thr ＋l eu ＋str r 菌落，
再分别从每一个这样的菌落中取样，接种到不同的培养基上，对选出的重组子中每一非选择标记的频率与接合持续时间作图。如接种在含叠氮化钠（azi ）及T1噬菌体培养基上，观察对叠氮化钠抗性（azi r ）和T1噬菌体抗性（ton r ）这两个基因转移的情况；接种在不加葡萄糖而补加乳糖和半乳糖的培养基上，在这两种培养基上分别加伊红和美
蓝作指示剂，如出现红色，则表示能利用乳糖或半乳糖以检查l ac ＋和gal ＋的转移情况，这样一种用来
研究细菌接合过程中基因转移方式的实验方法称为中断杂交实验（i n terrup ted m ati ng experi m ent ）。其基本步骤是：
①接合 采用H fr 菌株为S tr s ，F －
菌株为S tr r ，接合在完全培养基上进行，培养基以葡萄糖为碳源，不加链霉素、叠氮化钠和噬菌体T1。
②中断接合 在接合处理后的不同时间搅拌和提取样品，从而获得不同接合时间（m i n ）的细菌样品。
③杀死H fr 将不同接合时间的细菌样品稀释后接种在含有链霉素的完全培养基上，结果对链7畅4 中断杂交与重组作图
7 细菌的遗传分析
164
霉素敏感的H fr菌株被杀死，只有F－细菌存活。
④检查F－细菌所含供体基因 将获得不同接合时间的F－细菌样品都分别接种在含叠氮化钠，
含噬菌体T1，含乳糖而无葡萄糖，含半乳糖而无葡萄糖的培养基上，结果如图79（a）（b）和表73
所示。
⑤作图 根据各基因出现时间先后的顺序将它排列在染色体上，并标明出现的时间，而各基因
出现时间的差数就是它们之间的距离，这种图距是以时间（m i n）为单位的，有别于真核生物遗传作图
时以厘摩（c M）为单位［图79（c）］。
7畅4畅2 中断杂交作图
中断杂交实验结果表明，在接合开始后，H fr的不同非选择标记可与F－细胞的染色体在不同时
间形成重组子（表73）。thr＋最先进入F－细胞，接合8m i n就出现了重组子，接着l eu＋出现，azi r在
9m i n时出现，最后出现的是ga l＋基因。在被选择的thr＋l eu＋str r的重组子中，其他的供体基因按一定
时间顺序依次地转入F－细胞中去，随着时间的推移，具有某一基因的菌落逐渐增加，达到一定频率后
就不再变动，而且愈早转入的基因，它所达到的频率也愈高。如叠氮化钠基因（azi）出现最高，在
24m i n就可达到约90％的频率；半乳糖发酵基因（gal＋）出现最迟，即使在接合后60m i n取样，其频率
也不到30％，即70％以上的菌落仍属于半乳糖不发酵型（图79）。
表73 中断杂交实验结果
基因转入时间／m i n频率／%
thr＋8100（选择标记）
l eu＋8畅5100（选择标记）
azi r990
ton r1170
l ac＋1840
gal＋2525
不同基因所能达到的稳定转移频率不同，这表明它们与thr和l eu基因之间以及它们之间的顺序
和距离不同。同一个H fr菌株转移的起始点以及转移顺序在不同实验中都是相同的，但是一个F＋品
系可产生许多H fr品系，这是因为F因子在细菌染色体上有许多插入位点，而且其插入片段的取向不
同而形成不同的H fr品系。用这些不同H fr菌株进行中断杂交实验，则它们的转移起点、基因转移顺
序以及转移方向都不相同［图710（a），（b）］。
W o ll m an和Jacob根据实验结果证实大肠杆菌遗传图呈环状，可用基因转移时间进行作图，图距
单位用m i n来度量，它的全部染色体转移需100m i n，每分钟约以3畅3×104bp即1畅2μm DN A的均衡
速度进行转移。因此，大肠杆菌K12菌株整个环形遗传图为100m i n［图710（c）］。
7畅4畅3 重组作图
在中断杂交中是根据基因转移的先后次序，以时间为单位进行基因定位的，而重组作图
（recom b i nati on m app i ng）是根据基因间重组率进行基因定位的。这两种方法可以相互补充，提高基因
定位的精确度。如基因距离较远用中断杂交作图是很有效的，但是基因距离较近，基因间转移时间在
2m i n之内，那么仅用中断杂交实验进行基因定位就不十分精确可靠。不过它可为重组作图提供某些
基因之间连锁关系及其前后次序的依据。例如，根据中断杂交实验已知l ac、ade这两个基因是紧密
连锁的，而且在H fr l ac＋ade＋×F－l ac－ade－这一杂交中是l ac＋先进入F－受体，而ade＋后进入。H fr
lac＋ade＋进入受体后将会发生：①因为供体H fr转入片段不能独立复制，如果未进入F－受体的基因
组中，那么在以后的细胞分裂中就丢失了［图711（a）］。②如果已进入F－基因组中，而且在缺乏腺
165
图79 中断杂交实验
（a ）选出的thr ＋l eu ＋str r 重组中非选择标记与转移接合时间作图
（b ）各个非选择标记基因在不同时间转移的动态过程
（c ）根据中断杂交实验结果作图，基因间的图距单位为时间（m i n ）
嘌呤的培养基上表型为F －l ac ＋ade ＋
，这显然是这两个基因之外发生双交换的产物，在l ac ade 这两基因之间并未发生重组［图711（b ）］。③表型为l ac ＋adc －
，这种类型在缺乏腺嘌呤的培养基中就不能生长，所以筛选不出来，而且对测定这两个基因之间的图距也没有意义，因为可能是l ac ＋进入，而
ade ＋还未进入F －细胞。④只有在缺乏腺嘌呤的完全培养基上选出l ac －ade ＋才是其真正的重组子。7畅4 中断杂交与重组作图
166
图710 不同H fr 品系基因转移的顺序
（a ）不同H fr 品系中基因转移的顺序 （b ）由于F 质粒的不同
方向和不同位置插入环形供体染色体而形成不同的H fr 品系
（c ）E 畅co li K 12的部分遗传图，整个环状基因组图为100m i n
这是因为已知ade ＋是在l ac ＋之后进入F －细胞，既然ade ＋已进入，l ac ＋也已先进入，所以选出重组子
F －l ac －ade ＋
必然是外基因子和内基因子在这两个基因之间发生交换的结果［图711（c ）］。F －
l ac －
ade －在缺乏腺嘌呤的条件下是不能生长的，当然对于计算这两个基因之间的图距也是没有意义的。
因此l ac 与ade 之间图距应为：l ac —ade ＝l ac －ade ＋（l ac －ade ＋）＋（l ac ＋ade ＋）×100＝l ac －ade ＋ade ＋×100 用重组率（RF ）所测得的基因间距离与用中断杂交以时间（T ）为单位的基因间距离基本上是一致
的。两个值的比：RF ··T 约等于20，即它们之间关系大约是1m i n 等于20个图距单位（c M ）。大肠杆
菌染色体全长约100m i n ，含4×106核苷酸对，所以总图距相当于2000cM ，故1c M ≈2000bp 。这种接合重组作图在短距离内是有效的。如相距2m i n 以上的就有可能表现不连锁。同时这种接合重组不产生交互重组类型，所以用这种方法得出的图距和减数分裂生物中所确定的图距不同。7 细菌的遗传分析
167
图711 重组作图
（a ）外基因子与内基因子间未发生重组 （b ）l ac 与ade 两基因
之外发生双交换 （c ）l ac 与ade 之间交换产生重组子
7畅5 F ′因子与性导
7畅5畅1 F ′因子
F ＋
与H fr 两种菌株可以相互转变，也就是说F 因子既可以插入到染色体中去，形成H fr 菌株，又可通过规则的交换和剪接，从染色体上完整地游离下来形成F ＋菌株［图712（a ）］，但是偶尔也会出现不规则的环出，形成F 因子携带一段相邻的细菌染色体［图712（b ）］。这种带有插入细菌基因的环状F 因子是一个复制子，这种新的F 因子称为F ′因子（F ′facto r ）。已知F 因子在细菌染色体上插入位置不同而构成不同的H fr 品系，由此也可形成不同的F ′因子。它们各自携带细菌的不同基因，有的F ′因子携带若干个基因的一大段细菌的染色体。F ′与λdgal 或λdb i o 颗粒不同，F ′携带细菌的基因，但并不减少自身的基因，如果自身的基因丢失，转移就可能停止（详见下节）。此外，F ′因子也不存在蛋白质外壳包装的问题，所以它的长度不为包装所限制，可以携带不同长度的细菌DN A 片段。F ′因子和F ＋一样是能感染的，并把F ′因子转移给F －细胞，同时也能转移细菌基因，其结果使F －变成F ′菌株，并形成部分二倍体［图712（c ）］。
7畅5畅2 性导 F ′因子转移细菌基因不同于H fr 菌株。如比较下列两个杂交结果：
①H fr ：thr ＋l eu ＋str s ×F －：thr －l eu －
str r 结果：筛选出F －：thr ＋l eu ＋
str r 重组子。 ②F ′：thr ＋l eu ＋str s ×F －：thr －l eu －str r
结果：筛选出F ′：thr ＋l eu ＋str r 重组子。 这两个杂交一个是H fr 菌株，另一个是来源于它的F ′菌株。杂交中把混合培养物涂布在含链霉
素的基本培养基上，第一个杂交选出的菌株都是F －，因此不能将thr ＋l eu ＋转入F －
菌株，而第二个杂
交选出的菌株都带有活性的F 因子，能与其他F －菌株杂交，并能将thr ＋l eu ＋转入F －菌株，而且这些
菌株也具有F ′因子，所以都是F ＋，仍具有感染能力。 产生F ′因子的H fr 菌株仍保持单倍体状态，当F ′因子转入到受体细胞之后，由于引入了供体细胞的部分基因，从而构成了部分二倍体。如图712中F ′l ac ＋可转移到F －l ac －后构成F ′l ac ＋／F －l ac －部7畅5 F ′因子与性导
7 细菌的遗传分析
168
图712 F′因子的起源和部分二倍体的形成
（仿自G riffiths，2005）
（a）F因子通过交换整合到宿主染色体中 （b）F因子不规则的
剪切形成F′因子（F′l ac＋） （c）F′l ac＋转移到受体细胞F－l ac－后
构成F′l ac＋／F－l ac－部分二倍体
分二倍体。这种利用F′因子将供体细胞的基因导入受体形成部分二倍体的过程称作性导
（sex唱ducti on或F′唱ducti on）。
性导在大肠杆菌的遗传学分析中十分有用。这种部分二倍体如果不发生重组，那么①F′因子
自主复制，可在细菌细胞中延续下去。②性导所形成的部分二倍体可用作不同突变型之间的互补
测验，以确定这两个突变型是属于同一个基因或者是两个不同的基因。③观察由性导形成的杂合
的部分二倍体中某一性状的表现，可以确定这一性状的等位基因中的显隐性关系。④不同的F′
因子带有不同的细菌DN A片段，因此利用不同的F′因子性导可以测定不同基因在一起性导的频
率来作图。部分二部体中也会出现重组，即F′因子所带的供体细菌染色体同受体细菌染色体之间
的同源重组，如果发生单交换，就导致F′整合形成H fr品系，同时F′因子上所携带的基因发生重
组；如果双交换，则形成F′品系，只是F′因子的细菌基因和受体染色体上的等位基因之间发生
互换。
通过以上分析，可见在细菌中是由于一种核外遗传物质———F因子存在与否而决定其“雌雄性
别”，即有供体与受体之分；又根据该因子存在的状态不同而将细菌分为：①F－菌株：缺乏F因子。
②F＋菌株：具有游离的F因子。③H fr菌株：F因子整合到宿主染色体上。④F′菌株：带有部分宿主
染色体的游离F因子。由此也决定了它们之间的接合性能和遗传重组的频率：①F＋×F＋，不能接
合，因为相互排斥。②F－×F－，不能接合，因无F因子不能形成接合管。③F＋×F－，可接合并将受
体F－转化为F＋，但为低频重组。④H fr×F－，可接合，受体一般为F－，但为高频重组。⑤F′×F－，
可接合，并将受体F－转变为F′，并对所携带的宿主基因是高频重组。
169
7畅6 细菌的转化与转导作图
7畅6 细菌的转化与转导作图
7畅6畅1 细菌的转化与作图
从细菌的培养物提取的DNA可以在体外转移到受体细菌中，这一过程称为转化（transfor mati on）。
显然，转化就是细菌细胞摄取周围游离的外源DN A片段，通过同源区段的交换而实现基因重组的过
程。所以转化也是细菌传递DN A而实现基因重组的途径之一。自从1944年A very等发现肺炎链球
菌的转化作用后，在其他属的细菌中也发现有这种转化现象，说明在细菌中转化作用是一种十分普遍
的现象。通常从一个供体菌株分离出来的DN A与另一受体菌株活细胞接触，大约只有1％的受体细
菌细胞可吸收外源DN A，并发生遗传转化。转化频率低的原因可能是：①受体细菌细胞壁并非任何
区域都允许外源DN A片段通过，而只是在特定区域形成临时性通道，因此将这一区域称为受体部位
（recep to r site），而在受体细胞表面这一部位的数目是有限的。②外源DN A进入除受体部位允许通
过外，还必须有酶或蛋白质分子以及能量等的协同作用。实验证明，利用某些影响酶的因素如阻碍蛋
白质形成的氯霉素（chl o ram pheni cal）和阻碍能量产生的二硝基苯（d i n itropheno l）可抑制转化作用。显
然外源DN A只能在酶促旺盛的受体部位进入。这种能接受外源DN A分子并被转化的细菌细胞称
为感受态细胞（com pe tence ce ll），而促进转化作用的酶或蛋白质分子称为感受态因子（com pe tence fac唱
tor）。
转化时供体细菌DN A断裂成小片段，其平均长度约为20000bp，外源DN A片段进入受体后可
以和受体染色体形成部分二倍体，有可能发生重组，从而使受体细胞发生稳定性的遗传转化。转化过
程包括几个连续的阶段：①双链DN A分子和细胞表面受体部位进行可逆性结合。②供体DN A片
段被吸入受体细胞，并要防止受体DN A酶的破坏。③供体DN A进入受体后，立即从双链DN A转
变成单链DN A，其中一条单链被降解。④未被降解的一条单链DN A部分地或整个地插入受体细胞
的DN A链中，与同源区段形成杂合的DN A分子。⑤杂合DN A经复制、分离以后，形成一个受体亲
代类型的DN A和一个供体与受体DN A结合的杂种双链DN A，从而导致基因重组形成各种类型的
转化子（transfo r m ant）（图713）。
转化中的供体DN A片段往往可以携带若干个基因，这些连锁基因可以同时转化，当然同时转
化的基因不一定都是连锁的，因为两个不连锁的不同DN A片段有可能被同一个细菌细胞所吸收。
但是可以区别这两个基因是连锁的还是独立遗传的，一个可靠的证据是观察DN A浓度降低时的
转化频率的改变。如果A和B是连锁的，那么当DNA浓度下降时，AB同时转化频率下降和A或
B转化频率下降程度相同；如果A和B并不连锁，那么AB转化频率下降将远远超过A或B转化
频率下降的程度，这是因为在较低的浓度范围内，转化频率和转化DN A的浓度成正比关系。如两
个基因在同一DN A分子上，那么浓度降低10倍时，两个基因同时转化的频率也将减少10倍；但
是如果两个基因在不同的DN A片段上，那么DN A浓度下降10倍时，两个基因同时转化的概率将
减少100倍，而不是10倍，由此可以确定A和B之间是否连锁。确定连锁关系后就可通过转化实
验进一步作图。
N ester等用枯草杆菌（B ac ill us sub tilis）的一个菌株trp＋2his＋2tyr＋1作为供体，提取其DN A向受体
trp－2hi s－2tyr－1菌株进行转化，结果如表74所示。
170
图713 细菌转化的机制表74 tr p ＋2hi s ＋2t yr ＋1×tr p －2hi s －2t yr
－1及其结果分析基因
转化子类别t r p 2
＋－－－＋＋＋hi s 2
＋＋－＋－－＋t yr 1＋
＋
＋
－
－
＋
－
11940366068541826001071180基因间
的重组
亲本型（＋＋）重组型（＋－）和（－＋）重组值（重组体数／总数）tr p 2—hi s 2
11940＋1180＝131202600＋107＋3660＋418＝67856785／19905＝0畅34tr p 2—t yr 111940＋107＝12047
2600＋1180＋3660＋685＝81258125／20172＝0畅40hi s 2—t yr 1
11940＋3660＝15600418＋1180＋685＋107＝23902390／17990＝0畅13 从表74资料看出，转化子中数目最多的是3个基因同时被转化的类型，这说明所研究的3个基
因在染色体上是紧密连锁的。由它们之间重组值计算结果表明，3个基因的次序是tr p 2hi s 2t yr
1。tr p 2
hi s 2t yr 1
3413 40 同时还必须注意，计算tr p 2和his 2之间重组值时，685个tr p －2hi s －2是与供体tr p ＋2his ＋2这两个基因7 细菌的遗传分析
171
之间未发生交换的细胞数，因此不能统计在内。同理，计算tr p 2和t yr
1之间重组值时不能统计418个tr p －2t yr －1，计算his 2和tyr 1之间重组值时，则不能统计2600个his －2t yr －1。转化时基因重组只发生在供体和受体的同源区域之间，同样不存在相反的重组子，而且只有双交换和偶数次的多交换才能形成重组子。
7畅6畅2 细菌的转导与作图
（1）细菌转导的发现
为了验证在沙门氏菌（Sal m onell a t yphi m uri u m ）中是否也存在类似于大肠杆菌中的接合现象，J 畅Leder berg 和N 畅Z i n der 进行了下列杂交试验：
LT 22phe －tr p －t yr －his ＋×LT 2phe ＋tr p ＋t yr ＋
his －结果发现：在基本培养基上以10－5频率出现野生型菌株。这似乎和大肠杆菌中的接合重组情况相
似，但是当他们将两个亲本菌株分别置于“U ”型管的两臂时，出乎意外地在LT 22的一臂也出现了野生型细菌（图714）。显然这种重组是不同于大肠杆菌中接合重组的，因为这种U 型管的中间是用孔径小于0畅1μm 的烧结玻璃滤板隔开的，只能允许DN A 等大分子以及病毒通过，细菌细胞是不能通过的，
所以这两种细菌不能直接接触。图714 转导的U 型管实验
在U 型管两边分别培养两个营养缺陷型菌株，
结果在LT22的一臂出现了原养型菌落
进一步实验证明在两个菌株之间传递遗传物质的因子是沙门氏菌中的一种温和噬菌体P22，因为①滤板孔径允许某种因子通过，因此称为过滤因子（filterab l e agent ），而这种因子的大小和质量与P22相同。②免疫学试验证实这种因子可以被P22抗血清灭活。③如用LT2的菌株P22抗性品系
来代替敏感的LT2，那么在“U ”型管两端都不出现野生型重组体了。④进一步研究也证明LT22是携带了P22原噬菌体的溶源性细菌，LT2是对P22敏感的非溶源性细菌。在培养过程中，少数LT22细菌自溶释放出游离的P22，而这种游离的P22感染并裂解LT2细菌，在裂解过程中，宿主LT2环状染色体被裂解成小片段，某些片段在P22噬菌体组装时，偶尔装入头部，形成转导噬菌体（transduc i n g phage ）。由于噬菌体的吸附和注入DN A 这两种功能取决于它的蛋白质外壳，所以转导噬菌体能正常地吸附和注入DN A ，于是这种转导噬菌体就将LT2的基因，如trp ＋基因转入LT22，经7畅6 细菌的转化与转导作图
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
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
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
第四章细菌和病毒的遗传 (一) 名词解释： 1.原养型：如果一种细菌能在基本培养基上生长，也就是它能合 成它所需要的各种有机化合物，如氨基酸、维生素及脂类，这种细菌称为原养型。 2.转化(transformation)：指细菌细胞（或其他生物）将周围的供 体DNA，摄入到体内，并整合到自己染色体组的过程。 3.转导：以噬菌体为媒介，把一个细菌的基因导入另一个细菌的 过程。即细菌的一段染色体被错误地包装在噬菌体的蛋白质外壳内，通过感染转移到另一受体菌中。 4.性导(sexduction)：细菌细胞在接合时，携带的外源DNA整合 到细菌染色体上的过程。 5.接合(coniugation)：指遗传物质从供体—“雄性”转移到受体 —“雌性”的过程。 6.Hfr菌株：高频重组菌株，F因子通过配对交换，整合到细菌 染色体上。 7.共转导（并发转导）(cotransduction)：两个基因一起被转导的 现象称。 8.普遍性转导：能够转导细菌染色体上的任何基因。 9.局限转导：由温和噬菌体（λ、）进行的转导称为特殊转导或 限制性转导。以λ噬菌体的转导，可被转导的只是λ噬菌体在细菌染色体上插入位点两侧的基因。 10.att位点：噬菌体和细菌染色体上彼此附着结合的位点，通过 噬菌体与细菌的重组，噬菌体便在这些位点处同细菌染色体整合或由此离开细菌染色体。 11.原噬菌体(prophage)：某些温和噬菌体侵染细菌后，其DNA整 合到宿主细菌染色体中。处于整合状态的噬菌体DNA称为～～。 12.溶原性细菌：含有原噬菌体的细胞，也称溶原体。 13.F＋菌株：带有F因子的菌株作供体，提供遗传物质。 (二) 是非题：
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
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。
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），