第七章 细菌和病毒的遗传
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第七章 细菌和病毒的遗传
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第七章 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。⑹.DND组成不同：大肠杆菌中一般由单一序列组成，且基因的排列方式非常紧凑，存在重叠基因现象；而玉米中则存在大量的重复序列，许多基因以基因家族方式存在。4．对两个基因的噬菌体杂交所测定的重组频率如下：a-b+×a+b-&&& 3.0%a-c+×a+c-&&& 2.0%&&& b-c+×b+c-&&& 1.5% 试问:（1）a、b、c 3个突变在连锁图上的次序如何？为什么它们之间的距离不是累加的？（2）假定三因子杂交，ab+c×a+bc+，你预期哪种类型的重组体频率最低？（3）计算从 ⑵ 所假定的三因子杂交中出现的各种重组类型的频率。答：⑴.a、b、c3个突变在连锁图上的次序如图，由于噬菌体的DNA是环状结构，而不是线状排列，因此它们之间的距离不是累加的。& &⑵.根据⑴的三个基因间的连锁距离可知，基因间重组率较低的是ac和bc，因此ab+c+和a+bc两种类型的重组体频率最低。⑶. 根据 ⑴ 的重组率可知：c基因在中间：bc间单交换产生acb和a+c+b+的频率共为1.5%；&&& ac间单交换产生a+cb+和a c+b的频率共为2.0%；&&& 双交换a c+b+和a+cb的频率共为0.03%。5． 噬菌体三基因杂交产生以下种类和数目的后代：
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试问：（1）这一杂交中亲本噬菌体的基因型是什么？（2）基因次序如何？（3）基因之间的图距如何？&&& 答：（1）这一杂交中亲本基因型是+++和pqr；&&& （2）根据杂交后代中双交换类型和亲本基因型，便可推断出基因次序为：qpr或rpq；（3）基因之间的图距：
重组率(％)
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单交换型II
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&& &pr之间的遗传距离为18.3遗传单位；pq之间的遗传距离为13.6遗传单位；因为有双交换的存在，qr之间的遗传距离为：28.9＋2×1.5=31.9遗传单位。6．试比较转化、接合、转导、性导在细菌遗传物质传递上的异同。&&& 答：这四种现象的相同之处是：都是细菌的遗传物质DNA在不同的细菌细胞之间传递，从而使受体细胞遗传物质发生重组。&&& 不同之处是：转化是裸露的DNA直接与处于感受态的细胞之间的互作，进入受体细胞，发生重组；接合是由于F因子的整合产生Hfr菌株，在F因子进行转移时，供体菌遗传物质也被带入受体菌，实现重组；性导是Hfr菌株中F因子的错误环出，产生了携带有供体菌遗传物质的F'因子，接合时随F'因子的转移而使供体菌遗传物质导入到受体菌中；转导是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，并通过感染而转移到另一个受体菌内。7．假定你证明对过去一个从未描述过的细菌种有遗传重组，如使ab+菌株与a+b菌株混合培养，形成a+b+、ab的重组类型，试说明将采用哪种方式来确定这种重组是转化、转导还是接合的结果。&&& 答：参照戴维斯的U型管试验，将两菌株放入培养，后代中发现如无重组类型，则该遗传重组类型为接合产生的；后代中如有重组类型，可能是转化或转导产生的；可进一步试验，在U型管中加入DNA酶，检测后代有无重组，如无重组则为该类型为转化产生的，如有则是转导产生的。8．在接合实验中，Hfr菌株应带有一个敏感的位点（如azis或strs），这样，在发生接合后可用选择培养基消除Hfr供体。试问这个位点距离Hfr染色体的转移起点（O）应该远还是近，为什么？&&& 答：这个位点距离Hfr染色体的转移起点（O）应该是远。&&& 因为如这个敏感位点距转移起点（O）近情况下，Hfr菌株的基因从原点处开始进入受体菌，使得敏感位点较早地重组进受体菌中，在中断杂交后，除去Hfr菌株的同时也除去了重组有敏感位点的重组个体，这样就无法检测敏感位点之后的基因重组距离了。9.供体菌株为Hfr arg- leu+aziS strS，受体菌株F- arg+ leu- aziR strS。为检出和收集重组体F- arg+ leu+ aziR，应用下列哪一种培养基可以完成这一任务，为什么其它的培养基不可以？⑴. 基本培养基加链霉素，⑵. 基本培养基加叠氮化钠和亮氨酸，⑶. 基本培养基加叠氮化钠，⑷. 选择培养基中不加精氨酸和亮氨酸，加链霉素，⑸. 基本培养基加链霉素和叠氮化钠。&&& 答：<span style="color:#号培养基合适，因为：1号培养基，所有菌株均为链霉素敏感，在该培养基中将抑制所有的菌株；2号培养基，无法区分重组体和受体菌；3号培养基，加叠氮化钠可以抑制供体菌的生长，同时又不加亮氨酸，受体菌也无法生长；4号培养基中，加链霉素将抑制所有菌株；5号培养基，加链霉素也将将抑制所有菌。10．大肠杆菌3个Hfr菌株利用中断交配技术，分别与营养缺陷型F-菌株交配，获得下表结果：
进入时间（min）
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&&& 试利用上述资料建立一个大肠杆菌染色体图，包括以min表示的图距。并标出各Hfr菌株F因子的插入位点及转移方向。答：根据上表结果可知各基因位点在不同菌株中的排列顺序：
11．利用大肠杆菌菌株杂交，一个是a+b+c-d+，另一个是a-b-c+d-。从重组体中选择b+c+基因，而不选a及d的等位基因，当检查b+c+时，大部分都是a-d-。试问：⑴.哪一个菌株是供体？⑵.从这个实验可以得到什么结论？&&& 答：（1）一般重组类型占比例比亲本类型少，当检查b+c+时，大部分都是a-d-，因此a-b-c+d-基因型为受体菌。&&& （2）本实验说明了F因子插入位点位于b c之前，而离ad较远。12．如果把一个大肠杆菌放在含λ的培养基上它并不裂解，你是否认为这个大肠杆菌是溶原性的？&&& 答：这个原始大肠杆菌是溶原性的。&&& 因为：当溶原性的大肠杆菌放入含λ噬菌体的培养基中时，由于大肠杆菌本身存在抗超数感染性质，因此不裂解；另外λ噬菌体是温和性噬菌体，侵染大肠杆菌之后，进入溶原状态，并不马上走裂解途径。13．Hfr met+ thi+ pur+×F- met- thi- pur-杂交。中断杂交试验表明，met+最后进入受体。所以只在含thi和pur 的培养基上选择met+接合后重组体。检验这些接合后体存在的thi+和pur+，发现各基因型个体数如下：
met+ thi+ pur+
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met+ thi+ pur-
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met+ thi- pur+
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met+ thi- pur-
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&&& 试问：（1）选择培养基中为什么不考虑met?&&&&&&&&& （2）基因次序是什么？&&&&&&&&& （3）重组单位的图距有多大？&&&&&&&&& （4）这里为什么不出现基因型met+ thi+ pur-的个体？&&& 答：（1）因为met+最后进入受体，易于检测出。&&&&&&& （2）基因次序是thi+ pur+ met+。& &&&&&&（3）重组单位的图距是：
& & & &（4）在三个位点间发生双交换才有可能发生met+ thi+ pur-的个体，由于中断杂交的时间短或者所筛选的群体小，未能发现该个体。14．大肠杆菌中3个位点ara、leu和ilvH是在1/2min的图距内，为了确定三者之间的正确顺序及图距，用转导噬菌体P1侵染原养型菌株ara+leu+ilvH+，然后使裂解物侵染营养缺陷型菌株ara-leu-ilvH-，对每个有选择标记基因进行实验，确定其未选择标记基因的频率，获下表结果：
选择的标记基因
未选择的标记基因
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<span style="color:#%leu+ 1%ilvH+
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<span style="color:#%ara+ 0%leu+
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<span style="color:#%leu+
&&& 根据上表3个实验结果，试说明：&&& （1）三个基因间的连锁顺序如何？（2）这个转导片段的大小。答：⑴. 三个基因间的连锁顺序：由实验1可知，ara基因距leu基因近，而距ilvH基因远；由实验2可知，ilvH基因距ara基因近，而距leu基因远；由实验3进一步验证，ilvH基因与ara基因间，无leu基因。因此三个基因的连锁顺序为： &&& ⑵. 这个转导片段的大小：ilvH基因与ara基因间的并发转导中有1~5％，与leu基因间未发生过转导，因此，这个转导片段的大小是从ilvH位点到ara和leu位点之间。15．肺炎双球菌中基因型为strS mtl -（mtl +为发酵甘露醇（mannitol）的基因，mtl -不能发酵甘露醇）的细菌在一个试验中由具有strRmtl + 的DNA进行转化，在另一个试验中由具有strRmtl -的以及具有strSmtl+的两种DNA混合物进行转化，其结果如下：
转化产生的基因型的百分数
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<span style="color:#.40
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StrR mtl-＋strSmtl-
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<span style="color:#.0066
&&& 试问：&&& （1） 上表中第一横行所列结果说明了什么？为什么？&&& （2） 上表中第二横行所列结果说明了什么？为什么？&&& 答：⑴. strRmtl+的比例很小，说明这两个位点的相距较远。因为，DNA转化只能以小片段的形式进入受体，距离远的两个基因同时位于同一个片段的机会小，并发转化的机会也小。&&& ⑵. 两基因位于不同的片段上，并发转化的概率是两个位点单个转化的概率的乘积，因此产生strRmtl+基因型的个体更少，且明显少于共存于同一染色体上的两个位点的共转化。16．在普遍性转导中，供体大肠杆菌细胞的基因型是trpC+pyrF-trpA-，受体细胞的基因型是trpC-pyrF+trpA+。由P1噬菌体媒介转导，对trpC+进行选择，用选择的细胞进一步检查其它基因的转导情况，得到以下的结果：
trpC+ pyrF- trpA-
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trpC+ pyrF+ trpA-
<span style="color:#9
trpC+ pyrF- trpA+
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trpC+ pyrF+ trpA+
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&&& 试问：&&& （1）这3个基因的次序是什么？&&& （2）TrpC和pyrF以及trpC和trpA的合转导频率是多少？&&& （3）假定P1染色体长为10mm，这些基因之间的物理距离是多少？&&& 答：⑴. 这3个基因的次序：&&& 由上表可知，后代数目最少的基因型为trpC+ pyrF- trpA+，因为三个基因位点中，只有发生了双交换的频率是最少的，可以推断基因顺序为：trpC trpA pyrF；&&& ⑵. TrpC和pyrF以及trpC和trpA的合转导频率：TrpC和pyrF的合转导频率是： trpC和trpA的合转导频率是： ⑶. 假定P1染色体长为10mm，这些基因之间的物理距离：TrpC和pyrF的物理距离是： trpC和trpA的物理距离是： 17．大肠杆菌Hfr gal+lac+（A）与F-gal-lac-（B）杂交，A向B转移gal+比较早而且频率高，但是转移lac+迟而且效率低。菌株B的gal+重组体仍旧是F-。从菌株A可以分离出一个变体叫做菌株C，菌株C向B转移lac+早而且频率高，但不转移gal+。在C×B的杂交中，B菌株的lac+重组体一般是F+。问菌株C的性质是什么？&&& 答：根据题意可推断，Hfr菌株A是高频同源重组菌株，F因子插入的位置是位于gal+lac+之间，且gal+基因靠近于F因子转移的起点，lac+基因则相反，因此A向转移gal+比较早而且频率高，但是转移lac+迟而且效率低。由于细菌染色体很长，一般容易中断，很难转移完整的一个F因子，因此，菌株B的gal+重组体仍为F-。&&& 从菌株A的变体菌株C，可推断为，由于lac+基因靠近F因子的另一端，F因子环出时错误地包装了lac+基因而未包裹gal+基因，因此，C×B的杂交中，B菌株的lac+重组体一般是F+。菌株C向B转移lac+早，而且频率高，但不转移gal+。18．在大肠杆菌中发现了一个带有麦芽糖酶基因（mal）的F'因子。将F'mal+引入F-mal-菌株。这样所产生的细胞多数能转移F'mal+到F-细胞中，偶然有些细胞可以从mal-基因开始把整个细菌染色体转移到F-中。这些细胞可分为两类：（a）转移mal+很早，mal-很迟；（b）转移mal-很早，mal+很迟。&&& 画出F'因子与染色体相互作用的图，表明（a）型细胞最大的可能是如何产生的，（b）型细胞又是如何产生的。&&& 答：有些细胞可以从mal-基因开始把整个细菌染色体转移到F-中，那么这些细胞肯定是Hfr类型，假定F'因子带有A、B、C、D四个区域，转移切口（O）发生在C和D之间，mal+基因位于A与B之间，则（a）型细胞产生最大的可能是：F'mal+整合在细胞染色体上，位置恰好相邻于mal-基因，而mal+基因紧挨着转移切口位点，而mal-基因则相反，具体见下图。 （b）型细胞产生最大的可能是：F'mal+先与细胞染色体上的mal-基因发生同源重组，产生F'mal-因子，该因子再与主染色体发生整合，位置同（a），具体过程见下图。
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细菌遗传物质的交换,重组与高等动,植物的交换,重组有什么不同
bacterial conjugation 细菌通过细胞的暂时沟通和遗传物质转移而导致基因重组的过程.细菌中导致基因重组的过程还有转化和转导.这两个过程都不需要细菌细胞的直接接触,而且基因重组的范围更小,只限于更小的一段染色体片段和少数几个紧密连锁的基因.
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标题: 细菌的遗传分析
摘要: 一个细菌细胞的DNA与另一个细菌细胞DNA的交换重组是通过4种不同的方式进行的，即转化、接合、性导和转导。温度改变与非溶原性的细菌的接合等。这类诱导可以造成阻遏物失活或稀释，使其他的噬菌体基因表达出来，促使噬菌体繁殖进入裂解周期。一、转化(transformation
二、接合(conjuation)
&&& 大肠杆菌一般进行无性繁殖，但有时也进行个体间的接合生殖。在原核中，接合是指遗传物质从供体(donor)&&&雄性&，转移到受体(receptor)&雌性&的过程。
在1946年，莱德伯格和塔特姆发现大肠杆菌细胞之间通过接合可以交换遗传物质。他们选择两个不同营养缺陷型的大肠杆菌菌株：A菌株是met-bio-thr+leu+thr+leu+它需要在基本培养基上补充甲硫氨酸和生物素；B菌株是met+bio+thr-leu-，它需要在基本培养基上补充苏氨酸和亮氨酸，为了避免自然的回复突变，所以他们采用这种多营养缺陷型。通常约有10-6的细胞，在每个世代可以由met-自发回复突变成met+。但是在多种营养缺陷中，几个位点同时自发回复突变的几率小到几乎等于0。
A菌株和B菌株在基本培养基上都不能生长。但是若将A主B混事培养在完全的液体培养基上，数h后，把培养物离心，并且把洗涤的沉淀细胞涂 布在基本培养基上，发现长出一些原养型（met+bio+thr+leu+）的菌落。这种原养型是怎么产生的呢？是由于转化呢？还是由于细胞直接接触而发生的遗传物质交换和重组呢？为搞清这个问题，戴准斯设计了一种U型管的实验。在这个U型管中，左右两臂分别放入A菌株和B菌村的液体培养物，底部中间有滤片把A、B培养物机械地隔开。滤片的孔很小，细菌不能透过，但大分子（包括DNA）可以自由通过。在U型管中培养一些时候，再测定每一臂的细菌，没有发现一个细菌能在基本培养基上生长。
&&& 从U型管第一臂轮流用加压和吸引的办法使培养液和大分子相互混合，待两臂的细胞在U形管完全培养中停止生长后，将它们分别涂面在基本培养基上，在任何一臂内都没有出现原养型细菌。这说明两个菌株间的直接接触（接合）是原养型细胞出的必要条件。
&&& 海斯后来通过试验证明，在接合过程中遗传物质的交换是一种单向转移。例如，就本例来说A菌株的遗传物质向B菌株转移，因此一般可以把供体看作&雄性&受体看做&雌性&。
&&& （F）因子及F+F-的转移
&&& 进一步研究发现，在接合过程中A菌株之所以能成为供体，坚固耐用为它有一个性因子(sex factor)，即致育因子(fertility factor)，简称F因子。F因子具有赋予中性细菌以性别的性质，是一种封闭的。
（1）概念：具有赋予细菌以性别的性质，是一种封闭的环状DNA分子，由3个不同区域组成。
&&& （2）特点：可以从二种方式存在，或者以游离状态存在于细胞质内或者以整合状态存在于细菌的染色体组内。
&&& 附加体(episome)；在细胸中或以游离态或以与染色体相结合的状态存在着的遗传结构，它的存在给细胞带来一定的遗传性状，但它们的缺失并不造成细胞的死亡。
&&& 2、F+向F-的转移
&&& 环状DNA分子，它是独立于细菌染色体外的遗传物质，由3个不同的区域组成。F因子或者以游离状态存在于细胞质内或者以整合状态存在于细菌的染色体内。具备这样两种状态的遗传颗粒称附加体，它既能作为细胞质成分存在，又能作为染色体整体的一部分存在。对大肠杆菌来说，据F因子的有无和F因子的存在状态可有3种类型：①没有F因子，即F&；②包含一个游离状态的F因子，即F+③包含一个整合到自己染色体组内的F因子，即Hfr（高频率重组）。
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