细菌遗传学
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细菌的遗传与变异知识分享
间接作用是使染色体以外的细胞物质发生 变化，再由这些物质作用于染色体引起突变; 它包括碱基类似物的形成及其突变诱发作用， 和电离辐射引起过氧化氢和游离基的产生以及 它们诱发突变。
（二）化学方法
常用的化学诱变剂有5溴脱氧尿苷（ UBr ）、 5-氟脱氧尿苷、2-氨基嘌呤、8-氮鸟嘌呤、亚硝 酸、羟胺、烷化剂（B丙酸内酯和芥子气等）、 亚硝基胍、丫啶橙染料 (丫啶黄、丫啶橙、原黄 素等)、一系列烷化剂和丫啶类结合的化合物、 溴化乙锭等。它们的作用机制复杂而各有差异， 总的说来主要有以下几方面。
（4）在特殊气体条件下培养 如无荚膜炭疽芽 孢苗是半强毒菌株在含50%动物血清的培养基 上，在50%CO2的条件下选育的。
（5）通过非易感动物 如猪丹毒弱毒苗 (GC42 ) 系将强致病菌和株通过豚鼠370代后，又通过 鸡42代选育而成。
（6）通过基因工程的方法 去除毒力基因或用 点突变的方法使毒力基因失活，可获得无毒力 菌株或弱毒菌株。但对多基因调控的毒力因子 较难奏效。
利用各种生物学的方法可诱使微生物发生 变异，使细菌发生毒力等性状的改变，获得性 能良好的菌株。
1、增强毒力 连续通过易感动物，可使病原 菌毒力增强。有的细菌与其他微生物共生，或 被温和噬菌体感染，也可增强毒力。例如产气 荚膜梭菌与八叠球菌共生时毒力增强;肉毒梭 菌当被温和噬菌体感染时，方产生毒素。
2、减弱毒力 病原菌毒力自发减弱的现象， 常见于传染病流行末期所分得的病原菌株。人 工减弱病原微生物的毒力通常使用病原菌通过 非易感动物、鸡胚等方法。如将禽霍乱强毒菌 株通过琢鼠190代后，再经鸡胚传40代，育成 禽霍乱弱毒菌株。无论自然变异弱毒株或人工 培育的变异弱毒株，均由于DNA上核甘酸碱基 顺序的改变的结果。
3.插入DNA相邻的碱基之间，引起移码突变。 在邻近的两个嘌呤碱基之间插入丫啶染料分子， 可引起DNA复制时碱基增添或缺失的错误，造 成密码子的移码，出现基因突变。
（二）化学方法
常用的化学诱变剂有5溴脱氧尿苷（ UBr ）、 5-氟脱氧尿苷、2-氨基嘌呤、8-氮鸟嘌呤、亚硝 酸、羟胺、烷化剂（B丙酸内酯和芥子气等）、 亚硝基胍、丫啶橙染料 (丫啶黄、丫啶橙、原黄 素等)、一系列烷化剂和丫啶类结合的化合物、 溴化乙锭等。它们的作用机制复杂而各有差异， 总的说来主要有以下几方面。
（4）在特殊气体条件下培养 如无荚膜炭疽芽 孢苗是半强毒菌株在含50%动物血清的培养基 上，在50%CO2的条件下选育的。
（5）通过非易感动物 如猪丹毒弱毒苗 (GC42 ) 系将强致病菌和株通过豚鼠370代后，又通过 鸡42代选育而成。
（6）通过基因工程的方法 去除毒力基因或用 点突变的方法使毒力基因失活，可获得无毒力 菌株或弱毒菌株。但对多基因调控的毒力因子 较难奏效。
利用各种生物学的方法可诱使微生物发生 变异，使细菌发生毒力等性状的改变，获得性 能良好的菌株。
1、增强毒力 连续通过易感动物，可使病原 菌毒力增强。有的细菌与其他微生物共生，或 被温和噬菌体感染，也可增强毒力。例如产气 荚膜梭菌与八叠球菌共生时毒力增强;肉毒梭 菌当被温和噬菌体感染时，方产生毒素。
2、减弱毒力 病原菌毒力自发减弱的现象， 常见于传染病流行末期所分得的病原菌株。人 工减弱病原微生物的毒力通常使用病原菌通过 非易感动物、鸡胚等方法。如将禽霍乱强毒菌 株通过琢鼠190代后，再经鸡胚传40代，育成 禽霍乱弱毒菌株。无论自然变异弱毒株或人工 培育的变异弱毒株，均由于DNA上核甘酸碱基 顺序的改变的结果。
3.插入DNA相邻的碱基之间，引起移码突变。 在邻近的两个嘌呤碱基之间插入丫啶染料分子， 可引起DNA复制时碱基增添或缺失的错误，造 成密码子的移码，出现基因突变。
遗传学-第6章-细菌和病毒的遗传
黎德伯格和塔特姆的接合(杂交)
图 7－10 黎德伯格和塔特姆的接合(杂交)试验 证明大肠杆菌发生遗传重组
发现长出了一些原养型的菌落。 这种原养型细胞的出现是由于转 化还是由于细胞与细胞直接接触 而发生的遗传物质交换和重组？ 为了解答这个问题，Davi(1950) 设计了U型管实验。
A菌株 Met-bio-thr+leu+
①没有F因子，即F– ②游离状态的F因子，即F+ ③整合的F因子，即Hfr
F+ → F +
F+ × F F - → F+
性伞毛/接合管
图 7－13 两个E.Coli 细胞杂交的电子显微镜照片(X 34,300)
+ F ×F
↓ F+ → F+ + F → F
这种F因子的传递与 细菌染色体无关。 但是F因子偶然地 (10000个F+细胞中 有一个)能整合到细 菌染色体中去，就 可能引起染色体的 转移
trp2 his2 tyr1
∣←──34─→ ∣←───13──∣ ∣←─────40──────→∣
二、接合 接合：在原核生物中，是指遗传 物质从供体-“雄性”转移到受体 -“雌性”的过程
1946年，Lederberg和Tatum发现 E.coli细胞之间通过接合可以交 换遗传物质。他们选择了两个不 同营养缺陷型的E.coli菌株
三、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)便于研究基因的突变 (4)便于研究基因的作用 (5)便于基因重组的研究 (6)便于用作研究基因结构、功能及调控机 制的材料 (7)便于进行遗传操作
第二节细菌的遗传分析
关于转化,将在遗传的分子基础中讲 解。
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二、接合（conjugation）
• 在原核生物中，两个细胞在相互接触过程中， 遗传物质从一个个体转移到另一个个体的现象 称为接合。 输出遗传物质的个体称为供体（donor）， 又称为“雄性”。接受外源遗传物质的个体称 为受体（receptor），又称为雌性。 E.coli（大肠杆菌）是遗传学研究中应用最 为广泛的细菌。野生型的E.coli可以在只含有盐 类和葡萄糖的简单培养基上生长。
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黎德伯格和塔特姆接合试验
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黎德伯格和塔特姆接合试验
• A和B均不能在基本培养基上生长，但若将 A和B在完全液体培养基上培养几个小时以 后再涂布在基本培养基上，就能长出一些 原养型（met+bio+thr+leu+）的菌落。细菌 的野生型又称为原养型。
• 这种原养型菌落的出现是由于营养上的互 补，还是由于两种不同类型细胞直接接触 而交换了遗传物质的结果呢？
第二节 细菌的遗传分析
细菌与细菌之间的遗传物质的交流 （拟有性过程）有四种不同的方式：
一、转化 二、接合（杂交） 三、性导 四、转导
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1
一、转化（Transformation）
• 细菌通过细胞膜摄取周围环境中DNA片 段，并通过重组将其整合到自身染色体 中的过程，称为转化。
当外源DNA进入宿主后，使宿主产 生新的表现型时就能测知转化的发生。
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F 因子的存在状态
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（二）F因子
• F因子处于自主状态时，可以不依赖宿主细胞 的染色体而独立复制（每个F+细胞只有一个F 因子）。据研究，F因子至少包含有15个基因， 其中有的基因控制F（或性）伞毛（F pillus） 的形成，F伞毛是F+细胞表面伸出的一种长附 属物。F+与F+之间互不理睬，但F+和F－一旦 相互接触，F伞毛就变成了两个细胞之间原生 质的通道，叫做结合管（conjugation tube）。 F+细胞中的F因子由结合管向F－传递，使F－变 成F+。
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二、接合（conjugation）
• 在原核生物中，两个细胞在相互接触过程中， 遗传物质从一个个体转移到另一个个体的现象 称为接合。 输出遗传物质的个体称为供体（donor）， 又称为“雄性”。接受外源遗传物质的个体称 为受体（receptor），又称为雌性。 E.coli（大肠杆菌）是遗传学研究中应用最 为广泛的细菌。野生型的E.coli可以在只含有盐 类和葡萄糖的简单培养基上生长。
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黎德伯格和塔特姆接合试验
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黎德伯格和塔特姆接合试验
• A和B均不能在基本培养基上生长，但若将 A和B在完全液体培养基上培养几个小时以 后再涂布在基本培养基上，就能长出一些 原养型（met+bio+thr+leu+）的菌落。细菌 的野生型又称为原养型。
• 这种原养型菌落的出现是由于营养上的互 补，还是由于两种不同类型细胞直接接触 而交换了遗传物质的结果呢？
第二节 细菌的遗传分析
细菌与细菌之间的遗传物质的交流 （拟有性过程）有四种不同的方式：
一、转化 二、接合（杂交） 三、性导 四、转导
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一、转化（Transformation）
• 细菌通过细胞膜摄取周围环境中DNA片 段，并通过重组将其整合到自身染色体 中的过程，称为转化。
当外源DNA进入宿主后，使宿主产 生新的表现型时就能测知转化的发生。
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F 因子的存在状态
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（二）F因子
• F因子处于自主状态时，可以不依赖宿主细胞 的染色体而独立复制（每个F+细胞只有一个F 因子）。据研究，F因子至少包含有15个基因， 其中有的基因控制F（或性）伞毛（F pillus） 的形成，F伞毛是F+细胞表面伸出的一种长附 属物。F+与F+之间互不理睬，但F+和F－一旦 相互接触，F伞毛就变成了两个细胞之间原生 质的通道，叫做结合管（conjugation tube）。 F+细胞中的F因子由结合管向F－传递，使F－变 成F+。
细菌和病毒的遗传学分析
gal
用不同的Hfr菌株进行中断杂交实验所作出的大肠杆菌基因连锁图，其基因向F-细胞转移的顺序大不相同。
重组作图
01
当转移时间间隔在两分钟之内， 如已知lac与ade紧密连锁，距离约为1分钟，中断杂交作图就不可靠，须用传统的重组作图(recombination mapping)
01
不用亲本类型 两对基因间的交换频率，必须在形成部分二倍体的条件下，计算重组率。 部分二倍体如果不发生重组，无法鉴别。 接合重组不产生相反的重组类型
低频重组与高频重组
高频重组(High frequence recombination, Hfr)
F因子整合到了细菌染色体上，与F-细胞接合后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的遗传标记时，可观察到它们之间发生重组，频率可达到10-2以上，称为高频重组品系（菌株）
杂合DNA复制后，形成一个亲代类型的DNA和一个重组类型的DNA并导致转化细胞的形成与表达。
转化的进程
4 共转化与遗传图谱绘制
共转化：供体的一条DNA片段上的两个基因同时转换的现象。 利用共同转化绘制细菌连锁遗传图谱的基本原理： 相邻基因发生共同转化的概率与两者的距离间成正向关系，基因间距离越近，发生共同转化的频率越高，反之越低。 因此可能通过测定两基因共同转化的频率来指示基因间的相对距离。
数理与生物工程学院
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遗 传 学
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第七章细菌和病毒的遗传学分析
目录
1
2
二 细菌的接合与染色体作图
1.接合现象的发现
细菌的接合首先是莱德伯格（ Lederberg ）和塔特姆（ Tatum ）在1946大肠杆菌杂交试验中发现的。
用不同的Hfr菌株进行中断杂交实验所作出的大肠杆菌基因连锁图，其基因向F-细胞转移的顺序大不相同。
重组作图
01
当转移时间间隔在两分钟之内， 如已知lac与ade紧密连锁，距离约为1分钟，中断杂交作图就不可靠，须用传统的重组作图(recombination mapping)
01
不用亲本类型 两对基因间的交换频率，必须在形成部分二倍体的条件下，计算重组率。 部分二倍体如果不发生重组，无法鉴别。 接合重组不产生相反的重组类型
低频重组与高频重组
高频重组(High frequence recombination, Hfr)
F因子整合到了细菌染色体上，与F-细胞接合后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的遗传标记时，可观察到它们之间发生重组，频率可达到10-2以上，称为高频重组品系（菌株）
杂合DNA复制后，形成一个亲代类型的DNA和一个重组类型的DNA并导致转化细胞的形成与表达。
转化的进程
4 共转化与遗传图谱绘制
共转化：供体的一条DNA片段上的两个基因同时转换的现象。 利用共同转化绘制细菌连锁遗传图谱的基本原理： 相邻基因发生共同转化的概率与两者的距离间成正向关系，基因间距离越近，发生共同转化的频率越高，反之越低。 因此可能通过测定两基因共同转化的频率来指示基因间的相对距离。
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遗 传 学
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第七章细菌和病毒的遗传学分析
目录
1
2
二 细菌的接合与染色体作图
1.接合现象的发现
细菌的接合首先是莱德伯格（ Lederberg ）和塔特姆（ Tatum ）在1946大肠杆菌杂交试验中发现的。
第五章 细菌和噬菌体遗传
便于研究基因重组 细菌具有转化、转导和接合作用，可以进行 精密的遗传分析 便于研究基因结构、功能及调控机制 细菌和病毒遗传物质简单，易于进行基因定 位、结构分析和分离，基因的表达调控也适于 采用生理生化的方法进行深入研究 便于进行遗传操作 染色体结构简单，没有组蛋白和其它蛋白的 结合，更宜于进行遗传工程的操作
附加体：F因子既可以以游离状态存在于细胞内，
也可以整合到细菌的染色体上，称为附加体
Hfr×F
-
致育基因在最后，很难进入受 体细胞，不能使F-变成F+，细 菌的遗传重组频率很高
F 因 子 和 Hfr 的 关 系
部分二倍体
部分二倍体（partical diploid）：既带有自身 完整的基因组，又有外源DNA片段的细胞， 也称为部分合子（merozygote）。
中断杂交实验
1957年E.Wollman和E.Jacob设计完成
中断杂交作图：指在Hfr×F-杂交中，把接合中的细 菌在不同时间取样，搅拌中断杂交，分析受体菌基因 型，以Hfr基因出现在F-中的先后顺序，以转移时间 为图距单位进行基因作图的方法
用一种大肠杆菌的不同Hfr菌株进行中断杂交实验， 作出连锁图，其基因向F-细胞转移的顺序不同
部分二倍体中发生交换： 单数交换：打开环状染色 体，产生一个线性染色体， 这种细胞是不能成活的。 偶数交换：产生可遗传的 重组体和片段
细菌部分二倍体的形成方式
转化
转导
接合
接合（conjugation）
接合过程由性纤毛介导，需要静止
转化（transformation）
转化：细菌细胞摄取周围 游离的外源DNA片段， 通过同源区段的交换而实 现基因重组 必须是感受态细胞 外源DNA片段被细菌吸附， 单链进入细菌细胞并与细 菌染色体发生重组
细菌的遗传物质
细菌的遗传物质细菌是一类微生物，具有简单的细胞结构，但却拥有复杂的遗传物质。
细菌的遗传物质主要存在于一个环状的DNA分子中，这个分子称为染色体。
除了染色体外，细菌还可能携带其他形式的遗传物质，如质粒。
质粒是一种小型的DNA分子，通常携带一些特定的基因，如耐药基因或毒素基因，能够在细菌之间进行传递。
细菌染色体的特点细菌染色体通常呈现为一个环状的DNA分子，与真核生物的线性染色体有所不同。
这种结构使得细菌染色体更加紧凑，同时也更容易复制和传递。
细菌染色体上携带了细菌的基因组，在其中包含了细菌生存所必需的基因，如代谢相关基因、细胞分裂相关基因等。
细菌染色体的复制方式也与真核生物有所不同。
细菌的染色体复制是半保留复制，即在细胞分裂过程中，新合成的DNA分子与原有的DNA分子分开，形成两个完整的细菌染色体。
这种复制方式使得细菌繁殖速度极快，也有利于细菌在不利环境下的适应和生存。
质粒的功能和传递除了染色体外，细菌还可能携带一些质粒。
质粒是一种小型的DNA分子，通常携带一些特定的基因。
这些基因可能为细菌提供一些额外的功能，如耐药基因能够使细菌对抗抗生素的侵袭，毒素基因则可以表达毒素来攻击其他细菌或宿主。
质粒的传递方式包括共轭传递、转化和转导。
共轭传递是最常见的方式，两个细菌通过细胞间连接管道直接传递质粒。
转化则是通过吸收裸露在环境中的DNA片段，从而获取外源质粒。
转导是利用噬菌体等病毒介质来传递质粒。
在细菌世界中，质粒的存在和传递使得细菌能够通过水平基因转移快速适应环境的变化，从而增强生存能力。
结语细菌的遗传物质是细菌生存和适应的重要基础。
细菌染色体和质粒的存在和传递方式为细菌提供了丰富的遗传信息和适应策略，使得它们能够在多样的环境中生存繁衍。
通过对细菌遗传物质的研究，我们可以更好地了解细菌的生物学特性，也为探索更多的抗菌策略和抗菌药物提供了理论基础。
细菌和病毒的生理学和遗传学
细菌和病毒的生理学和遗传学细菌与病毒是常见的微生物，它们与人类的生活、健康、疾病密切相关。
本文将重点介绍细菌和病毒的生理学和遗传学方面的知识。
一、细菌的基本生理学细菌是一类原核生物，大小仅为人类细胞的1/10左右。
细菌细胞分成两大类基因，一类是轮廓形成蛋白，决定了细菌形态。
另一类基因则编码了形成细菌机体所需的采取给定方向的蛋白。
在细胞内部，细菌利用DNA以及核酸酶、RNA聚合酶等酶类进行基因表达。
此外，细菌的质膜上分布有诸多的运输蛋白和酶类，它们起到了很重要的生理作用。
例如，细菌体内的能量转运和原料代谢依赖于质膜上的运输蛋白。
此外，质膜上的许多酶类能够协同完成生物合成和分解等重要生理功能。
二、细菌基因组和遗传学细菌基因组通常较小，仅有数千到数百万个碱基对。
作为原核生物，细菌无线粒体，但却富含质粒。
质粒质载体在细菌中具有很大的生物学意义，它们可以转移至其他细菌，促进了分子遗传学的研究。
此外，细菌基因组中经常存在于一个转录单元中，同时编码多个蛋白。
目前已经有一些技术可以对细菌基因组进行深入的研究，例如基因信号解读技术等，为原核遗传学研究提供了又一种途径。
三、细菌的生理特点及其应用细菌具有一定的生命历程，可以经历生长、复制、分裂等过程。
此外，细菌还具有快速繁殖、易于培养、易于转化以及细胞质体遗传等特点，因此应用十分广泛。
例如，工业上可以应用于发酵、葡萄糖生物发酵和制药等领域；在医学上可以利用细菌载体进行药物输送，同时对其基因组进行研究，以寻求新的治疗方案。
四、病毒的基本生理学病毒是一种寄生性微生物，在人类和其他动物中可以引发多种疾病。
病毒不具备细胞膜和核仁，不能进行独立生长和繁殖。
病毒由核酸和蛋白质组成，核酸承担着病毒遗传信息的功能。
在细胞内，病毒依靠宿主细胞进行生长和复制，而不是由自己维持生活。
五、病毒的遗传学和生命周期病毒是具有双链DNA或RNA的大小较小、复杂度较简单的生物体。
病毒利用宿主细胞的基因表达机制生长和繁殖，其基因编码了形成病毒内组件所需的蛋白。
细菌的遗传分析
Question
• 我们已知在F＋×F－杂交中，几乎所有F－细菌变 为F＋, F＋×F－→F＋;
• 而在Hfr ×F－杂交中，尽管出现高频重组，但F－ 细菌很少转变为F＋细菌。这个问题使遗传学家感 到迷惑不解。？
中断杂交实验 (Interrupted-mating experiment）
Wollman 和 Jacob进行中断杂交实验:
细菌的遗传分析
概述
• 细菌、放线菌和蓝细菌等均属于原核生物(prokaryotes)。 • 主要特征：没有核膜，其核基因组是由一个裸露的环状
DNA分子构成，称为拟核。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。 • 细菌是单细胞生物，结构简单，繁殖能力强，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20 min， 较容易诱变和筛选各类型突变。 • 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，长期保存，成为遗传学研究 的常用实验材料。
Hfr ： thr+ Leu+ azir tonr Lac+ gal+ strs ×
F- ：thr－ Leu－ azis tons Lac－ gal－ strr
azi：叠氮化钠； ton：噬菌体T1； str：链霉素； Lac：乳糖； gal：半乳糖
结果发现Hfr的未选择性标记基
因进入F－所需时间： • 9分钟时：
细菌的细胞结构：简单 (原核生物） • 基本结构: 细胞壁 (cell wall), 细胞膜 (cell membrane)； 拟核 ( nucleoid )，核糖体 (ribosome), 细胞质 (cytoplasm)，内含物等；
• 特殊结构: 一定条件下具有的结构 e.g. 荚膜 (capsule) 和鞭毛 (flagella)
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细菌遗传学
遗 传与变异 变异: 基因突变与基因
转移
细菌的遗传和变异
• 遗传（heredity）
– 遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相 传，使其种属得以保存。
• 变异（variation）
– 在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和 子代之间的差异称为变异。
细菌的变异现象
• • • • • • • 形态、结构变异（如：孢子、荚膜、鞭毛） 毒力变异 耐药性变异 代谢变异（营养缺陷、糖发酵类型、生化反应） 抗原性变异 菌落变异 温度敏感性变异
自发还是诱变的证明
三、影印培养法
1951年J&E Lederberg 发明影印培养法法 (Replica plating) 直接证明了突变的自发 性：细菌的抗药性发生在加入药物以前， 而药物的作用只是把突变型筛选出来。
影印培养法可以分离出纯种的突变株，它在微生 物遗传的理论和育种研究中都有广泛的应用
突变的分子基础(自学)
• 诱变剂的作用 • 自发突变的机制 • 错配修复与增变基因(mutator gene):dam mutH mutL mutS uvrD • 突变的热点
突变类型的筛选 基因突变是通过其表型效应而被发现的， 通常突变在群体中占极少数，因此需要 用一些特别的方法来区分突变型与野生 型菌。前述的影印培养法、EMB批示平 板法。 筛选过程：野生型菌 诱变剂处理 突变型 浓缩突变型分离 突变型鉴定
基因突变的类型
1、点突变、多点突变 2、按表型：形态突变，生化突变(营养缺陷型、糖发酵能 力、抗性突变型、对药物的依赖)，致死性突变(条件致 死性：Ts), 毒力改变以及抗原性突变 3.按突变所引起的遗传信息意义是否改变：错义 (missense)、同义(samesence)和无义(nonsense)突变 4.按遗传物质结构的改变：碱基置换(substituion)、碱基插 入(insertion)、碱基缺失(deletion)和移码(frame shift)
突变类型的筛选
• 突变型的鉴定：有正选择(抗性突变)和负 选择两种(营养缺陷型) 1、生长谱法： 2、梯度培养皿法
梯度培养皿法
底层：不含抗生素
上层：含抗生素
细菌生长情况
第二部分、基因转移
人类能感知的自然界两性现象是生命 得以一代一代传递下去的普遍规律。 细菌是否存在两性现象？也即不同性 状的细菌间是否能通过遗传物质的交换 而产生新的性状的后代，并且新的性状 能具有遗传特征。
Luria & Delbruck
自发还是诱变的证明
二、 涂 布 试 验
Newcombe涂布实验结果
未涂布的 5 3 4 8 2 6 总计 28 涂布的 198 14 16 13 4 112 353
涂布试验于1949年 由H. Newcombe 设计。 其原理与波动试验相同。 如果细菌抗性是诱发的，加入phage前重新 涂布无非使细菌所处的位置发生了变化， 但如果是自发产生的，则可使重新涂布 的培养皿中长出多得多的抗性菌落。
• 失去LPS的特异性多糖重复单位
细菌遗传学-基因突变与基因转移
起步较晚：主要是细菌遗传学的研究要以群体为 研究对象，而多细胞的动植物的遗传学却能以 个体为研究对象。 细菌作为遗传学研究的优点：细菌是单倍体，遗 传物质的改变即可导致表型的改变，并且繁殖 快速，而真核生物是二倍体，遗传物质的改变 却不一定导致表型的改变。 发展迅速： 细菌遗传学是是分子生物学的重要基础，是基因 工程的奠基石
E.Coli K12品系
A品系：met－ bio－ thi＋ leu＋ thr＋ B品系：met＋ bio＋ thi－ leu－ thr－
基本培养基
基本培养基
met ＋ bio ＋ thi＋ leu＋ thr＋
conjugation
混合培养菌的平板上约每107个亲本细胞中 出现一个原养型菌落
质疑：
二、基因转移
除基因发生突变外，还有细菌间的基因转移也可使细菌 的遗传物质和表型发生变化 • 在细菌中遗传物质有三种转移的形式: 接合（conjugation）： DNA从细胞到细胞直接转移 转化（ transformation ）：细胞从周围介质中吸收裸露 的DNA 转导（transduction）：以噬菌体为媒介，将供体菌的 部分DNA转移到受体菌的现象。 。
回复突变
以前所述基因突变均为所编码蛋白质功能的丧失或功能 的变化属于正向突变(forward mutation). 但自然界也大 量存在突变型重新获得野生表型的回复过程，称为回 复突变(reverse or back mutation)。如：His- His+ 回复突变一个重要的应用是作为诱变剂和致癌剂的检测 手段 Ames试验： His-鼠伤寒沙门菌
实验推理：如果细菌的抗性是由phage引起的 (adaptation),则分装于小管中的样品将出现大致 相等数目的抗性细菌，但如果抗性突变是自发 的，则各小管中样品中所含突变的细菌数应与 发生突变的早晚有关。 实验结果：各小管所涂平板抗性菌落数相差极大， 说明抗性不是phage诱导出来的，而是在接触 到phage之前，在某一次细胞分裂过程中随机 地自发产生的。
突变类型的筛选
• 突变型的浓缩 1、青霉素浓缩法 2、差别杀菌法 3、饥饿法：某些营养缺陷型菌株在一些培养 条件下会死亡，但当细胞中发生另一营养缺陷 突变时，反而使细菌能存活下来。如：E.coli Thy-菌在无Thy的基本培养基中培变型的分离 1、逐个分离法 2、夹层培养法： 3、限量补给法：基本培养基加0.1%的 LB琼脂平板 4、噬菌体突变型分离
• 补充培养基：在基本培养基中有针对性地加上 某一种或几种其自身不能合成的成分，以满足 相应营养缺陷型生长的培养基。 • 营养缺陷型表示：所要求的营养物的头三个字 母表示，如bio-，对应的野生型以bio+表示 • 营养缺陷型菌(auxotroph):不能在基本培养基上 生长，而只能在营养培养基生长的菌株。该类 型菌多是与生化合成反应有关的基因发生了变 异，使正常的代谢过程受到阻碍。该类型菌在 工业上有很大的应用价值。如Met-Vel - E.coli 生产Thr
几个基本概念
• 基本培养基(minimal medium)：只含有少量无 机盐(如：Na+ K + Mg + + NH4 + )，痕量营养元 素(如：B1)和一种碳源(如：葡萄糖、甘油)。 凡能满足某一菌种野生型和原养型菌株营养要 求的最低成分的组合培养基。 • 营养培养基(Nutrient medium)： 又称LB(Luria broth) or YT培养基,含酵母提取物、蛋白胨 氯 化钠。又称完全培养基 • 原养型菌(prototroph):能在基本培养基生长的菌 株 • 野生型菌(wildtype):指某一微生物在发生营养 要求突变以前的原始菌
变异
• 遗传性变异（基因型变异）
– 细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或 重组，不可逆，可遗传给后代。
• 非遗传性变异（表型变异）
– 环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆， 不可遗传。
形态结构变异
• 3-6%食盐 鼠疫杆菌────→多形态性(衰残型)。 琼脂培基
形态结构变异
• 青霉素、溶菌酶 正常形态细菌──────→ L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁)
• 细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异 称为耐药性变异。 • 金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年 的14%上升至目前的80%。 • 有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物， 即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。 • 含链霉素培基 痢疾杆菌─────→依链株(耐药菌株) 长期培养
菌落变异
• 在陈旧培养基中长期培养 光滑型菌落 ─────→ 粗糙型菌落 S 或在有免疫力的人体内 R
（在动物细胞中，从周围介质中吸收任何裸露DNA都称为转染。在
酵母和植物细胞中导入裸露的DNA可以称为转染或转化)
• 三种转移形式的共同特点是： （1）单方向转移； （2）产生部分二倍体（partial diploid）； （ 3 ）基因只有整合到环状染色体上才 能稳定地遗传。
细菌的接合
• 一、E.coli 接合的发现 1946年莱德伯格(Lederberg, J.) 和塔特姆 (Tatum) 发现细菌的接合（conjugation）。 细菌接合是指通过细胞的直接接触，遗 传信息从供体单向转移到受体的过程。
细菌的基因符号和命名
例
Strain No. Sex genotype phenotype CSH1 F- trpB-lacZ-thi-strA Trp-Lac-B1-Strr CSH 13 F′lacZ proA+ B+ ;△(lac pro)supE thi
一、基因突变
突变的自发性
从孟德尔遗传学到分子现代遗传学的建以都是以 变异的研究为基础的。无论是基因结构的确定、 基因定位，还是基因表达和调控，以及育种等 实际应用都是如此。细菌的遗传学则主要以其 中的突变体为实验材料进行研究。 突变是指遗传物质突然发生了稳定的可遗传的变 化.包括数量与结构的改变。 以细菌进行遗传学试验之困惑：细菌基因的突变 是自发还是被诱导。三个经典实验
conjugation
• 两个亲本菌的作用是否等同 • Hayes的发现：氯霉素处理A菌再与B菌 杂交，结果没有影响，但用氯霉素处理B 菌后再与A菌杂交，结果却没有重组子 • 细菌接合中的遗传物质的转移是单向过 程，其中A作为遗传物质的供体，而重组 发生在作为受体菌的B中
• ⑴是否为回复突变：任意2个基因突变的回复 突变率均小于10-12 • ⑵细菌的杂交实验获得的重组子可能是转化的 结果。 • (3)培养基中含有某些代谢产物，混合后这些产 物互相补充了对方的不足而得以在基本培养基 上生长。
1950年Davis 的实验证明A、 B菌遗传物质 的交换需要细 菌的直接接触
遗 传与变异 变异: 基因突变与基因
转移
细菌的遗传和变异
• 遗传（heredity）
– 遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相 传，使其种属得以保存。
• 变异（variation）
– 在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和 子代之间的差异称为变异。
细菌的变异现象
• • • • • • • 形态、结构变异（如：孢子、荚膜、鞭毛） 毒力变异 耐药性变异 代谢变异（营养缺陷、糖发酵类型、生化反应） 抗原性变异 菌落变异 温度敏感性变异
自发还是诱变的证明
三、影印培养法
1951年J&E Lederberg 发明影印培养法法 (Replica plating) 直接证明了突变的自发 性：细菌的抗药性发生在加入药物以前， 而药物的作用只是把突变型筛选出来。
影印培养法可以分离出纯种的突变株，它在微生 物遗传的理论和育种研究中都有广泛的应用
突变的分子基础(自学)
• 诱变剂的作用 • 自发突变的机制 • 错配修复与增变基因(mutator gene):dam mutH mutL mutS uvrD • 突变的热点
突变类型的筛选 基因突变是通过其表型效应而被发现的， 通常突变在群体中占极少数，因此需要 用一些特别的方法来区分突变型与野生 型菌。前述的影印培养法、EMB批示平 板法。 筛选过程：野生型菌 诱变剂处理 突变型 浓缩突变型分离 突变型鉴定
基因突变的类型
1、点突变、多点突变 2、按表型：形态突变，生化突变(营养缺陷型、糖发酵能 力、抗性突变型、对药物的依赖)，致死性突变(条件致 死性：Ts), 毒力改变以及抗原性突变 3.按突变所引起的遗传信息意义是否改变：错义 (missense)、同义(samesence)和无义(nonsense)突变 4.按遗传物质结构的改变：碱基置换(substituion)、碱基插 入(insertion)、碱基缺失(deletion)和移码(frame shift)
突变类型的筛选
• 突变型的鉴定：有正选择(抗性突变)和负 选择两种(营养缺陷型) 1、生长谱法： 2、梯度培养皿法
梯度培养皿法
底层：不含抗生素
上层：含抗生素
细菌生长情况
第二部分、基因转移
人类能感知的自然界两性现象是生命 得以一代一代传递下去的普遍规律。 细菌是否存在两性现象？也即不同性 状的细菌间是否能通过遗传物质的交换 而产生新的性状的后代，并且新的性状 能具有遗传特征。
Luria & Delbruck
自发还是诱变的证明
二、 涂 布 试 验
Newcombe涂布实验结果
未涂布的 5 3 4 8 2 6 总计 28 涂布的 198 14 16 13 4 112 353
涂布试验于1949年 由H. Newcombe 设计。 其原理与波动试验相同。 如果细菌抗性是诱发的，加入phage前重新 涂布无非使细菌所处的位置发生了变化， 但如果是自发产生的，则可使重新涂布 的培养皿中长出多得多的抗性菌落。
• 失去LPS的特异性多糖重复单位
细菌遗传学-基因突变与基因转移
起步较晚：主要是细菌遗传学的研究要以群体为 研究对象，而多细胞的动植物的遗传学却能以 个体为研究对象。 细菌作为遗传学研究的优点：细菌是单倍体，遗 传物质的改变即可导致表型的改变，并且繁殖 快速，而真核生物是二倍体，遗传物质的改变 却不一定导致表型的改变。 发展迅速： 细菌遗传学是是分子生物学的重要基础，是基因 工程的奠基石
E.Coli K12品系
A品系：met－ bio－ thi＋ leu＋ thr＋ B品系：met＋ bio＋ thi－ leu－ thr－
基本培养基
基本培养基
met ＋ bio ＋ thi＋ leu＋ thr＋
conjugation
混合培养菌的平板上约每107个亲本细胞中 出现一个原养型菌落
质疑：
二、基因转移
除基因发生突变外，还有细菌间的基因转移也可使细菌 的遗传物质和表型发生变化 • 在细菌中遗传物质有三种转移的形式: 接合（conjugation）： DNA从细胞到细胞直接转移 转化（ transformation ）：细胞从周围介质中吸收裸露 的DNA 转导（transduction）：以噬菌体为媒介，将供体菌的 部分DNA转移到受体菌的现象。 。
回复突变
以前所述基因突变均为所编码蛋白质功能的丧失或功能 的变化属于正向突变(forward mutation). 但自然界也大 量存在突变型重新获得野生表型的回复过程，称为回 复突变(reverse or back mutation)。如：His- His+ 回复突变一个重要的应用是作为诱变剂和致癌剂的检测 手段 Ames试验： His-鼠伤寒沙门菌
实验推理：如果细菌的抗性是由phage引起的 (adaptation),则分装于小管中的样品将出现大致 相等数目的抗性细菌，但如果抗性突变是自发 的，则各小管中样品中所含突变的细菌数应与 发生突变的早晚有关。 实验结果：各小管所涂平板抗性菌落数相差极大， 说明抗性不是phage诱导出来的，而是在接触 到phage之前，在某一次细胞分裂过程中随机 地自发产生的。
突变类型的筛选
• 突变型的浓缩 1、青霉素浓缩法 2、差别杀菌法 3、饥饿法：某些营养缺陷型菌株在一些培养 条件下会死亡，但当细胞中发生另一营养缺陷 突变时，反而使细菌能存活下来。如：E.coli Thy-菌在无Thy的基本培养基中培变型的分离 1、逐个分离法 2、夹层培养法： 3、限量补给法：基本培养基加0.1%的 LB琼脂平板 4、噬菌体突变型分离
• 补充培养基：在基本培养基中有针对性地加上 某一种或几种其自身不能合成的成分，以满足 相应营养缺陷型生长的培养基。 • 营养缺陷型表示：所要求的营养物的头三个字 母表示，如bio-，对应的野生型以bio+表示 • 营养缺陷型菌(auxotroph):不能在基本培养基上 生长，而只能在营养培养基生长的菌株。该类 型菌多是与生化合成反应有关的基因发生了变 异，使正常的代谢过程受到阻碍。该类型菌在 工业上有很大的应用价值。如Met-Vel - E.coli 生产Thr
几个基本概念
• 基本培养基(minimal medium)：只含有少量无 机盐(如：Na+ K + Mg + + NH4 + )，痕量营养元 素(如：B1)和一种碳源(如：葡萄糖、甘油)。 凡能满足某一菌种野生型和原养型菌株营养要 求的最低成分的组合培养基。 • 营养培养基(Nutrient medium)： 又称LB(Luria broth) or YT培养基,含酵母提取物、蛋白胨 氯 化钠。又称完全培养基 • 原养型菌(prototroph):能在基本培养基生长的菌 株 • 野生型菌(wildtype):指某一微生物在发生营养 要求突变以前的原始菌
变异
• 遗传性变异（基因型变异）
– 细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或 重组，不可逆，可遗传给后代。
• 非遗传性变异（表型变异）
– 环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆， 不可遗传。
形态结构变异
• 3-6%食盐 鼠疫杆菌────→多形态性(衰残型)。 琼脂培基
形态结构变异
• 青霉素、溶菌酶 正常形态细菌──────→ L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁)
• 细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异 称为耐药性变异。 • 金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年 的14%上升至目前的80%。 • 有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物， 即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。 • 含链霉素培基 痢疾杆菌─────→依链株(耐药菌株) 长期培养
菌落变异
• 在陈旧培养基中长期培养 光滑型菌落 ─────→ 粗糙型菌落 S 或在有免疫力的人体内 R
（在动物细胞中，从周围介质中吸收任何裸露DNA都称为转染。在
酵母和植物细胞中导入裸露的DNA可以称为转染或转化)
• 三种转移形式的共同特点是： （1）单方向转移； （2）产生部分二倍体（partial diploid）； （ 3 ）基因只有整合到环状染色体上才 能稳定地遗传。
细菌的接合
• 一、E.coli 接合的发现 1946年莱德伯格(Lederberg, J.) 和塔特姆 (Tatum) 发现细菌的接合（conjugation）。 细菌接合是指通过细胞的直接接触，遗 传信息从供体单向转移到受体的过程。
细菌的基因符号和命名
例
Strain No. Sex genotype phenotype CSH1 F- trpB-lacZ-thi-strA Trp-Lac-B1-Strr CSH 13 F′lacZ proA+ B+ ;△(lac pro)supE thi
一、基因突变
突变的自发性
从孟德尔遗传学到分子现代遗传学的建以都是以 变异的研究为基础的。无论是基因结构的确定、 基因定位，还是基因表达和调控，以及育种等 实际应用都是如此。细菌的遗传学则主要以其 中的突变体为实验材料进行研究。 突变是指遗传物质突然发生了稳定的可遗传的变 化.包括数量与结构的改变。 以细菌进行遗传学试验之困惑：细菌基因的突变 是自发还是被诱导。三个经典实验
conjugation
• 两个亲本菌的作用是否等同 • Hayes的发现：氯霉素处理A菌再与B菌 杂交，结果没有影响，但用氯霉素处理B 菌后再与A菌杂交，结果却没有重组子 • 细菌接合中的遗传物质的转移是单向过 程，其中A作为遗传物质的供体，而重组 发生在作为受体菌的B中
• ⑴是否为回复突变：任意2个基因突变的回复 突变率均小于10-12 • ⑵细菌的杂交实验获得的重组子可能是转化的 结果。 • (3)培养基中含有某些代谢产物，混合后这些产 物互相补充了对方的不足而得以在基本培养基 上生长。
1950年Davis 的实验证明A、 B菌遗传物质 的交换需要细 菌的直接接触