《农业微生物学》课程授课教案（讲义）第八章 微生物遗传

第八章微生物遗传 俗话说：“龙生龙，风生凤，老鼠的儿子会打洞”，“种瓜得瓜，种豆得豆”。人 们很早就注意到每一种生物的大多数特征都与他们的亲代相似，这种性状的稳定 性，即生物在传代过程中性状保持不变的现象，称之为遗传。遗传学就是讨论生 物性状的转移、传递及其规律的一门学科。 在遗传学研究中微生物提供了一种十分方便的遗传材料： 1.微生物多为单细胞生物，形态十分简单，且营养体多为单倍体： 2.容易培养，繁殖速度快： 3.环境条件对微生物群体中各个个体的作用直接而均匀，因此很容易获得突变 体。 第一节遗传的物质基础 一、证明遗传物质基础的经典实验 孟德尔(1822-1884，分离定律和自由组合定律)和摩尔根(1866一1945， 连锁互换定律)分别以豌豆和果蝇为材料总结出了遗传学的基本规律，并确认遗 传的物质基础主要存在于细胞核和染色体上（染色体里有遗传物质基因），染色 体是由蛋白质和核酸组成的，那么遗传物质究竟是蛋白质还是核酸？曾是生物学 中长期争论不休的重大问题之一。 以微生物为材料进行的三个世界著名的实验有力的证明了不是蛋白质而是 核酸（特别是DNA)是遗传的物质基础。下面简单介绍这三个经典实验。 1、细菌的转化实验 转化现象是英国的细菌学家F.Griffith在1928年首次发现的。 肺炎链球菌(Streptococcus pneumonia)依据荚膜的有无可分为R型(Rough, 无荚膜，菌落粗糙)和S型(Smooth,有荚膜，菌落光滑)，R型不致病，S型 致病，见图。 S型菌株注射小鼠 一·死亡：R型菌株注射小鼠→不死亡： 杀死的S型菌株注射小鼠 →不死亡： 杀死的S型菌株十少量活的R型菌株一 一注射小鼠一死亡

1 第八章 微生物遗传 俗话说：“龙生龙，凤生凤，老鼠的儿子会打洞”，“种瓜得瓜，种豆得豆”。人 们很早就注意到每一种生物的大多数特征都与他们的亲代相似，这种性状的稳定 性，即生物在传代过程中性状保持不变的现象，称之为遗传。遗传学就是讨论生 物性状的转移、传递及其规律的一门学科。 在遗传学研究中微生物提供了一种十分方便的遗传材料： 1．微生物多为单细胞生物，形态十分简单，且营养体多为单倍体； 2．容易培养，繁殖速度快； 3．环境条件对微生物群体中各个个体的作用直接而均匀，因此很容易获得突变 体。 第一节 遗传的物质基础 一、 证明遗传物质基础的经典实验 孟德尔（1822－1884，分离定律和自由组合定律）和摩尔根（1866－1945， 连锁互换定律）分别以豌豆和果蝇为材料总结出了遗传学的基本规律，并确认遗 传的物质基础主要存在于细胞核和染色体上（染色体里有遗传物质基因），染色 体是由蛋白质和核酸组成的，那么遗传物质究竟是蛋白质还是核酸？曾是生物学 中长期争论不休的重大问题之一。 以微生物为材料进行的三个世界著名的实验有力的证明了不是蛋白质而是 核酸（特别是 DNA）是遗传的物质基础。下面简单介绍这三个经典实验。 1、 细菌的转化实验 转化现象是英国的细菌学家 F. Griffith 在 1928 年首次发现的。 肺炎链球菌（Streptococcus pneumonia）依据荚膜的有无可分为 R 型（Rough， 无荚膜，菌落粗糙）和 S 型（Smooth， 有荚膜，菌落光滑），R 型不致病，S 型 致病，见图。 S 型菌株注射小鼠 死亡；R 型菌株注射小鼠 不死亡； 杀死的 S 型菌株注射小鼠 不死亡； 杀死的 S 型菌株＋少量活的 R 型菌株 注射小鼠 死亡

说明：活的、非致病的R型从被杀死的S型中获得了遗传物质，使其产生 夹膜，成为致病的S型。Griffith将这种现象称为转化，即某一基因型的细胞从 周围介质中吸收来自另一个基因型细胞的遗传物质，并改变受体细胞的遗传性状 的现象。Griffith将引起转化的遗传物质称之为转化因子，但他并不知道转化因 子的本质是什么。 1944年，Avery等人在离体条件下重复了Griffith的转化实验，从S型菌株 中提取出蛋白质、脂类、夹膜、多糖、RNA、DNA分别做实验，发现只有DNA 片断能引起转化现象，从而提供了转化因子是DNA的第一证据 2、噬菌体的感染实验 这个实验是由Hershey和Chase以E.coh的T2噬菌体为材料，在1952年进 行的。 他们用P2标记病毒的DNA,用S5标记病毒的蛋白质外壳（因为DNA中 不含S,蛋白质中不含P),然后用这两种不同标记的病毒分别感染E.coi,经10 分钟保温后，T2噬菌体完成吸附和侵入过程。然后将它们放在搅拌器中强烈搅 拌，使吸附在大肠杆菌外的噬菌体外壳均匀散布在培养液中，离心沉淀，分别测 定沉淀物和上清液中的同位素标记。 结果发现：几乎全部的P2都和细菌细胞一起出现在沉淀物中，几乎全部S 都在上清液中。 结果表明：卫噬菌体在侵染过程中，只将DNA注入到细菌细胞中，而它的 蛋白质外壳并没有进入到细胞中，而是留在细胞外。说明DNA参与子代T2噬 菌体的增殖，而蛋白质没有参与。同时，从细菌细胞中释放出来的噬菌体蛋白外 壳的形状大小、组成等与留在细胞外的蛋白质外壳一模一样，并且，在这些新的 子代噬菌体中只测到P2的标记，而没有S5的标记。说明决定2噬菌体蛋白质 外壳特性的遗传信息在DNA上，DNA带有T2噬菌体的全部遗传信息。 从而证明了DNA是遗传物质。 3、病毒的重建实验 这个实验是由H.Fraenkel-Conrat在1956年做的。 烟草花叶病毒(TMV)和它的变种霍氏车前草病毒(HRV)是RNA病毒， RNA占5%，蛋白质占95%，它们能在烟草叶片上形成病斑。分别在苯酚中据 2

2 说明：活的、非致病的 R 型从被杀死的 S 型中获得了遗传物质，使其产生 夹膜，成为致病的 S 型。Griffith 将这种现象称为转化，即某一基因型的细胞从 周围介质中吸收来自另一个基因型细胞的遗传物质，并改变受体细胞的遗传性状 的现象。Griffith 将引起转化的遗传物质称之为转化因子，但他并不知道转化因 子的本质是什么。 1944 年，Avery 等人在离体条件下重复了 Griffith 的转化实验，从 S 型菌株 中提取出蛋白质、脂类、夹膜、多糖、RNA、DNA 分别做实验，发现只有 DNA 片断能引起转化现象，从而提供了转化因子是 DNA 的第一证据。 2、噬菌体的感染实验 这个实验是由 Hershey 和 Chase 以 E.coli 的 T2 噬菌体为材料，在 1952 年进 行的。 他们用 P 32 标记病毒的 DNA，用 S 35 标记病毒的蛋白质外壳（因为 DNA 中 不含 S，蛋白质中不含 P），然后用这两种不同标记的病毒分别感染 E.coli，经 10 分钟保温后，T2 噬菌体完成吸附和侵入过程。然后将它们放在搅拌器中强烈搅 拌，使吸附在大肠杆菌外的噬菌体外壳均匀散布在培养液中，离心沉淀，分别测 定沉淀物和上清液中的同位素标记。 结果发现：几乎全部的 P 32 都和细菌细胞一起出现在沉淀物中，几乎全部 S 35 都在上清液中。 结果表明：T2 噬菌体在侵染过程中，只将 DNA 注入到细菌细胞中，而它的 蛋白质外壳并没有进入到细胞中，而是留在细胞外。说明 DNA 参与子代 T2 噬 菌体的增殖，而蛋白质没有参与。同时，从细菌细胞中释放出来的噬菌体蛋白外 壳的形状大小、组成等与留在细胞外的蛋白质外壳一模一样，并且，在这些新的 子代噬菌体中只测到 P 32 的标记，而没有 S 35 的标记。说明决定 T2 噬菌体蛋白质 外壳特性的遗传信息在 DNA 上，DNA 带有 T2 噬菌体的全部遗传信息。 从而证明了 DNA 是遗传物质。 3、病毒的重建实验 这个实验是由 H. Fraenkel-Conrat 在 1956 年做的。 烟草花叶病毒（TMV）和它的变种霍氏车前草病毒（HRV）是 RNA 病毒， RNA 占 5％，蛋白质占 95％，它们能在烟草叶片上形成病斑。分别在苯酚中振

荡，可将它们的病毒外壳（蛋白质）和核酸RNA分开。 将TMV的蛋白质外壳和HRV的RNA杂交组成杂种病毒去感染烟草，在烟 草叶片上的病症只显示HRV的性状，而且从病斑中分离到的子代病毒经抗体处 理证明是HRV 将TMV的RNA和HRV的蛋白质外壳杂交组成杂种病毒去感染烟草，在烟 草叶片上的病症只显示TMV的性状，而且从病斑中分离到的子代病毒经抗体处 理证明是TMV。 这一事实说明病毒中蛋白质的特性是由它的RNA决定的，而不是由蛋白质 决定的，遗传物质是核酸(RNA)。 朊病毒引起的思考： Prion是l982年Prusiner在研究羊的搔痒症时发现的，它们是一种蛋白质侵 染颗粒，能引起人和动物的致死性神经系统疾病。 朊病毒的发现是对现行的中心法则的冲击，那么蛋白质到底可不可以作为遗 传物质呢？现在还没有定论。有人坚持认为朊病毒中可能含有极少量的核酸。但 大量事实都支持蛋白粒子的致病性是由于细胞中正常的PP经翻译后修饰而转 变为折叠异常的病理形态PPc这一假说。 我们知道，蛋白质的一级结构决定高级结构，但是如何决定的呢？氨基酸序 列中是否存在决定蛋白质空间结构的“第二遗传密码” 一“折叠密码”呢？“折 叠密码”的翻译过程又是怎样的呢？中心法则是否应表述为DNA一RNA一多 肽链一蛋白质呢？这些都是现代分子生物学中尚待解决的核心问题。 二、遗传物质的存在状态 微生物的遗传物质也是DNA和RNA,具有一样的分子结构与功能，但微 生物的遗传物质较其它生物的遗传物质具有多样性，不仅存在于其细胞染色体， 而且在真核微生物中的细胞器中，染色体外的质粒，RNA病毒的RNA核酸，和 无核酸的朊蛋白等都有遗传信息物质存在。 1.遗传物质在微生物中存在的主要形式一染色体DNA 染色体DNA是所有生物（真核微生物和原核微生物）遗传物质DNA的 主要存在形式。但是不同生物的DNA分子量、碱基对数、长度等很不相同， 3

3 荡，可将它们的病毒外壳（蛋白质）和核酸 RNA 分开。 将 TMV 的蛋白质外壳和 HRV 的 RNA 杂交组成杂种病毒去感染烟草，在烟 草叶片上的病症只显示 HRV 的性状，而且从病斑中分离到的子代病毒经抗体处 理证明是 HRV。 将 TMV 的 RNA 和 HRV 的蛋白质外壳杂交组成杂种病毒去感染烟草，在烟 草叶片上的病症只显示 TMV 的性状，而且从病斑中分离到的子代病毒经抗体处 理证明是 TMV。 这一事实说明病毒中蛋白质的特性是由它的 RNA 决定的，而不是由蛋白质 决定的，遗传物质是核酸（RNA）。 朊病毒引起的思考： Prion 是 1982 年 Prusiner 在研究羊的搔痒症时发现的，它们是一种蛋白质侵 染颗粒，能引起人和动物的致死性神经系统疾病。 朊病毒的发现是对现行的中心法则的冲击，那么蛋白质到底可不可以作为遗 传物质呢？现在还没有定论。有人坚持认为朊病毒中可能含有极少量的核酸。但 大量事实都支持蛋白粒子的致病性是由于细胞中正常的 PrPc 经翻译后修饰而转 变为折叠异常的病理形态 PrPsc 这一假说。 我们知道，蛋白质的一级结构决定高级结构，但是如何决定的呢？氨基酸序 列中是否存在决定蛋白质空间结构的“第二遗传密码”——“折叠密码”呢？“折 叠密码”的翻译过程又是怎样的呢？中心法则是否应表述为 DNA RNA 多 肽链 蛋白质呢？这些都是现代分子生物学中尚待解决的核心问题。 二、 遗传物质的存在状态 微生物的遗传物质也是 DNA 和 RNA，具有一样的分子结构与功能，但微 生物的遗传物质较其它生物的遗传物质具有多样性，不仅存在于其细胞染色体， 而且在真核微生物中的细胞器中，染色体外的质粒，RNA 病毒的 RNA 核酸，和 无核酸的朊蛋白等都有遗传信息物质存在。 1. 遗传物质在微生物中存在的主要形式 —— 染色体 DNA 染色体 DNA 是所有生物（真核微生物和原核微生物）遗传物质 DNA 的 主要存在形式。但是不同生物的 DNA 分子量、碱基对数、长度等很不相同

总趋势是越是低等的生物，其DNA分子量、碱基对数和长度越小，相反则越 长，即染色体DNA的含量，真核生物高于原核生物，高等动植物高于真核微 生物（见图）。而且真核微生物和原核微生物的染色体有着明显的如下区别： (1)真核生物的遗传物质是DNA,原核生物的遗传物质是DNA或RNA: (2)真核生物的染色体由DNA及蛋白质（组蛋白）构成，原核生物的染色 体是单纯的DNA或RNA:(3)真核生物的染色体不止一个，呈线形，而 原核微生物的染色体往往只有一个，呈环形（现在发现链毒菌和有些古细菌的染 色体为线形)：(4)真核生物的多条染色体形成核仁并为核膜所包被，膜上有 孔，而原核微生物的染色体外无膜包围。 2.真核徽生物中染色体外的遗传物质一一细胞器DNA 真核微生物的部分遗传物质还存在于染色体外的细胞器（如叶绿体 (chloroplast)线粒体(mitochondrion)中，它们也能独立复制，并随 细胞分裂而传代。 3.微生物中染色体外DNA存在的另一形式一质粒 质粒目前发现于原核微生物和真核微生物的酵母菌、某些丝状真菌及某些原 生动物中，它是存在于微生物染色体外的主要遗传物质，是能自主复制、多为共 价闭合环状、少数为线状的双链DNA分子。但有些可以整合到染色体上，作为 染色体的一部分而进行复制，又可以再游离出来并携带一些寄主的染色体基因， 即附加体。 4.可移动的遗传物质—转座因子 转座因子是美国遗传学家MeClintock于20世纪50年代在对玉米遗传现象 的细微研究中发现的，并于1983年获Nobe奖。 转座因子也是细胞中除染色体外的另一类遗传物质，它是能改变自身位置的 一段DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。它可从染色体的一个位置转移 到另一个位置，或者从质粒转移到染色体上，这一过程称为转座。 5.病毒中的遗传物质 DNA病毒（单、双链），RNA病毒（单、双链），朊病毒。 第二节原核微生物的基因重组

4 总趋势是越是低等的生物，其 DNA 分子量、碱基对数和长度越小，相反则越 长，即染色体 DNA 的含量，真核生物高于原核生物，高等动植物高于真核微 生物（见图）。而且真核微生物和原核微生物的染色体有着明显的如下区别： （ 1 ）真核生物的遗传物质是 DNA ，原核生物的遗传物质是 DNA 或 RNA ； （ 2 ）真核生物的染色体由 DNA 及蛋白质（组蛋白）构成，原核生物的染色 体是单纯的 DNA 或 RNA ；（ 3 ）真核生物的染色体不止一个，呈线形，而 原核微生物的染色体往往只有一个，呈环形 (现在发现链霉菌和有些古细菌的染 色体为线形)；（ 4 ）真核生物的多条染色体形成核仁并为核膜所包被，膜上有 孔，而原核微生物的染色体外无膜包围。 2. 真核微生物中染色体外的遗传物质——细胞器 DNA 真核微生物的部分遗传物质还存在于染色体外的细胞器（如叶绿体 （ chloroplast ）、线粒体（ mitochondrion ））中，它们也能独立复制，并随 细胞分裂而传代。 3. 微生物中染色体外 DNA 存在的另一形式 —— 质粒 质粒目前发现于原核微生物和真核微生物的酵母菌、某些丝状真菌及某些原 生动物中，它是存在于微生物染色体外的主要遗传物质，是能自主复制、多为共 价闭合环状、少数为线状的双链 DNA 分子。但有些可以整合到染色体上，作为 染色体的一部分而进行复制，又可以再游离出来并携带一些寄主的染色体基因， 即附加体。 4．可移动的遗传物质——转座因子 转座因子是美国遗传学家 MeClintock 于 20 世纪 50 年代在对玉米遗传现象 的细微研究中发现的，并于 1983 年获 Nobel 奖。 转座因子也是细胞中除染色体外的另一类遗传物质，它是能改变自身位置的 一段 DNA 序列，广泛分布于原核和真核细胞中。它可从染色体的一个位置转移 到另一个位置，或者从质粒转移到染色体上，这一过程称为转座。 5. 病毒中的遗传物质 DNA 病毒（单、双链），RNA 病毒（单、双链），朊病毒。 第二节 原核微生物的基因重组

基因： 基因是一个实体，它的物质基础是核酸(DNA或RNA),是一个携带有特定遗 传信息的核苷酸序列，是具有自主复制能力的遗传物质的最小功能单位。 一般来讲，一个基因，一个多肽链，但有的基因无翻译产物，如rRNA,tRNA 基因，有的基因是不转录的DNA区段，如操纵基因，它们都具有重要的遗传功能。 基因重组： 是指两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形成新的基 因型的过程。 通常称提供交换的DNA的生物为供体(donor),获得DNA的生物为受体 (receptor)。 这种基因重组在自然界的微生物细胞之间、微生物与其他高等动、植物细胞 之间都有发生，也就是说微生物除了由亲代向子代进行垂直方向的基因传递外 具有多种途径进行水平方向的基因转移（也有称水平漂移）。微生物细胞或作为 基因供体向其他微生物细胞提供基因，或作为基因受体接受其他微生物细胞提供 的基因。一旦供体的DNA进入受体，它既可在受体细胞中游离存在，也可整合 到受体细胞的染色体或质粒上并表达，使受体细胞具有新的性状。这种基因的转 移、交换、重组是生物得以进化的动力。 原核生物基因重组的方式主要有三种：转化、转导和接合，下面分别加以介 绍。 一.转化(transformation) 转化：某一基因型的细胞吸收来自另一基因型细胞的游离DA分子（质粒或染色 体DNA片断)，并使它的基因型和表型发生相应变化的现象。 这种现象首先在细菌中发现，后来在其它微生物中如放线菌、真菌中也发现 了自然转化现象。 1.转化作用的发现 转化现象是1928年由Griffith在进行肺炎链球菌的研究中发现的，其后， Avery等人在1944年对转化的本质进行了研究，证明了转化因子是DNA。 2.自然转化作用

5 基因： 基因是一个实体，它的物质基础是核酸（DNA 或 RNA），是一个携带有特定遗 传信息的核苷酸序列，是具有自主复制能力的遗传物质的最小功能单位。 一般来讲，一个基因，一个多肽链，但有的基因无翻译产物，如 rRNA,tRNA 基因，有的基因是不转录的 DNA 区段，如操纵基因，它们都具有重要的遗传功能。 基因重组： 是指两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形成新的基 因型的过程。 通常称提供交换的 DNA 的生物为供体（donor）,获得 DNA 的生物为受体 （receptor）。 这种基因重组在自然界的微生物细胞之间、微生物与其他高等动、植物细胞 之间都有发生，也就是说微生物除了由亲代向子代进行垂直方向的基因传递外， 具有多种途径进行水平方向的基因转移（也有称水平漂移）。微生物细胞或作为 基因供体向其他微生物细胞提供基因，或作为基因受体接受其他微生物细胞提供 的基因。一旦供体的 DNA 进入受体，它既可在受体细胞中游离存在，也可整合 到受体细胞的染色体或质粒上并表达，使受体细胞具有新的性状。这种基因的转 移、交换、重组是生物得以进化的动力。 原核生物基因重组的方式主要有三种：转化、转导和接合，下面分别加以介 绍。 一． 转化（transformation） 转化：某一基因型的细胞吸收来自另一基因型细胞的游离 DNA 分子（质粒或染色 体 DNA 片断），并使它的基因型和表型发生相应变化的现象。 这种现象首先在细菌中发现，后来在其它微生物中如放线菌、真菌中也发现 了自然转化现象。 1． 转化作用的发现 转化现象是 1928 年由 Griffith 在进行肺炎链球菌的研究中发现的，其后， Avery 等人在 1944 年对转化的本质进行了研究，证明了转化因子是 DNA。 2． 自然转化作用

不经特殊处理的细菌细胞从环境中吸收外来DNA的过程称为自然转化作 用。G+和G细菌都有自然转化作用，但自然界中并不是所有的菌都能进行自然 转化。固氮菌、芽孢杆菌、链球菌、流感嗜血菌和奈色氏球菌等可进行自然转化。 转化作用可以人为地划分为三个阶段： ①感受态的出现；②DNA的结合和进入：③DNA的整合 ①感受态的出现 感受态：细菌能从周围环境中吸收外源DNA的生理状态。 转化的第一步需要细菌处于感受态。处于感受态的细胞，其吸收DNA的能 力，有时可比一般细胞大100倍。感受态是某些细菌生长到某一特定阶段（常 为对数后期)的一种生理特性，这时细菌表面出现许多双链DNA结合位点。 感受态的出现受该菌的遗传性、菌龄、生理状态和培养条件等的影响。肺炎 链球菌的感受态在对数期后期出现，而芽孢杆菌则出现在对数期末及稳定期。 感受态可持续一段时间，如肺炎链球菌的感受态可持续40分钟，而后消失。 感受态可以诱导产生，例如，大肠杆菌在含有CC2的低温条件下可以诱发 感受态的出现。 细菌在形成感受态的过程中可分泌一种小分子的蛋白质，称为感受态因子 (competence factor),把感受态因子加到不处在感受态的同种细菌培养物 中，可以使细菌处于感受态，即诱导感受态的出现。 ②DNA的结合和进入 双链DNA片断与感受态受体菌的细胞表面特定结合位点结合：核酸内切 酶将吸附着的DNA片断的一个单链切断，被切断的链被核酸外切酶逐渐分解为 寡核苷酸释放到培养基中：同时另一条单链与感受态特异蛋白结合，并以这种 形式进入细胞。 肺炎链球菌和枯草芽孢杆菌对DNA的吸附没有专一性，甚至鲑鱼的DNA 也能被吸附：而流感嗜血杆菌的DNA吸附有高度的专一性，只能吸附其它嗜血 杆菌的DNA。 ③DNA的整合

6 不经特殊处理的细菌细胞从环境中吸收外来 DNA 的过程称为自然转化作 用。G+和 G-细菌都有自然转化作用，但自然界中并不是所有的菌都能进行自然 转化。固氮菌、芽孢杆菌、链球菌、流感嗜血菌和奈色氏球菌等可进行自然转化。 转化作用可以人为地划分为三个阶段： ①感受态的出现；②DNA 的结合和进入；③DNA 的整合 ①感受态的出现 感受态：细菌能从周围环境中吸收外源 DNA 的生理状态。 转化的第一步需要细菌处于感受态。处于感受态的细胞，其吸收 DNA 的能 力，有时可比一般细胞大 100 倍。感受态是某些细菌生长到某一特定阶段(常 为对数后期)的一种生理特性，这时细菌表面出现许多双链 DNA 结合位点。 感受态的出现受该菌的遗传性、菌龄、生理状态和培养条件等的影响。肺炎 链球菌的感受态在对数期后期出现，而芽孢杆菌则出现在对数期末及稳定期。 感受态可持续一段时间，如肺炎链球菌的感受态可持续 40 分钟，而后消失。 感受态可以诱导产生，例如，大肠杆菌在含有 CaCl2 的低温条件下可以诱发 感受态的出现。 细菌在形成感受态的过程中可分泌一种小分子的蛋白质，称为感受态因子 （ competence factor ），把感受态因子加到不处在感受态的同种细菌培养物 中，可以使细菌处于感受态，即诱导感受态的出现。 ②DNA 的结合和进入 双链 DNA 片断与感受态受体菌的细胞表面特定结合位点结合；核酸内切 酶将吸附着的 DNA 片断的一个单链切断，被切断的链被核酸外切酶逐渐分解为 寡核苷酸释放到培养基中；同时另一条单链与感受态特异蛋白结合，并以这种 形式进入细胞。 肺炎链球菌和枯草芽孢杆菌对 DNA 的吸附没有专一性，甚至鲑鱼的 DNA 也能被吸附；而流感嗜血杆菌的 DNA 吸附有高度的专一性，只能吸附其它嗜血 杆菌的 DNA。 ③DNA 的整合

单链DNA进入细胞后，在RecA蛋白的帮助下，与受体菌染色体上的同源 区段配对：通过同源重组以置换的方式整合进受体染色体DNA,经复制和细胞 分裂后形成转化子一一即含有外源DNA的受体菌。 具体过程如图 单链DNA进入细胞后，在RecA蛋白的帮助下，与受体菌染色体上的同源 区段配对，形成氢键：接着受体染色体上被交换下来的相应单链片断被切除， 并被外来的单链DNA所交换和取代，通过连接酶的作用形成了杂合DNA区段： 受体菌染色体组进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一类似供体菌，另 类似受体菌。当细胞分裂后，此染色体分离形成了一个转化子。外源DA片断 转化后，必须整合到染色体上才能形成转化子，质粒DA由于可自主复制，因此， 可在染色体外独立存在。 3.人工转化 大多数原核微生物在自然状态下根本不能转化，需通过人工诱导的方法使细 胞处于感受态，或人为地将DNA导入细胞。 ①二价阳离子介导的转化（热激法）： 用高浓度的Ca2+诱导细胞，使其成为能摄取外源DNA的感受态是1970年由 Mandel和Higa首先发现的，30多年来己广泛用于以大肠杆菌为受体的重组质粒 的转化。 有关钙离子诱导的转化机制目前还不十分清楚，可能是C2+增加了的细胞 通透性。 步骤： 收集对数期细胞→用冷CaCl2处理使之成为感受态一加入外源DA →冰浴中反应30分钟→42℃，热激90秒一涂平板→培养→ 挑取转化子 用此方法，每微克质粒DNA可获得105~10？个转化子。 ②电转化（电击法，electroporation) 用高压脉冲电流击破细胞膜或击成小孔，使DNA分子能通过这些小孔进入细胞。 优化参数：电场强度、电脉冲长度、DNA浓度等 转化效率：109一1010转化子/μgDNA

7 单链 DNA 进入细胞后，在 RecA 蛋白的帮助下，与受体菌染色体上的同源 区段配对；通过同源重组以置换的方式整合进受体染色体 DNA，经复制和细胞 分裂后形成转化子——即含有外源 DNA 的受体菌。 具体过程如图： 单链 DNA 进入细胞后，在 RecA 蛋白的帮助下，与受体菌染色体上的同源 区段配对，形成氢键；接着受体染色体上被交换下来的相应单链片断被切除， 并被外来的单链 DNA 所交换和取代，通过连接酶的作用形成了杂合 DNA 区段； 受体菌染色体组进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一类似供体菌，另一 类似受体菌。当细胞分裂后，此染色体分离形成了一个转化子。 外源 DNA 片断 转化后，必须整合到染色体上才能形成转化子，质粒 DNA 由于可自主复制，因此， 可在染色体外独立存在。 3． 人工转化 大多数原核微生物在自然状态下根本不能转化，需通过人工诱导的方法使细 胞处于感受态，或人为地将 DNA 导入细胞。 ①二价阳离子介导的转化（热激法）： 用高浓度的 Ca2+诱导细胞，使其成为能摄取外源 DNA 的感受态是 1970 年由 Mandel 和 Higa 首先发现的，30 多年来已广泛用于以大肠杆菌为受体的重组质粒 的转化。 有关钙离子诱导的转化机制目前还不十分清楚，可能是 Ca2+增加了的细胞 通透性。 步骤： 收集对数期细胞 用冷 CaCl2 处理使之成为感受态 加入外源 DNA 冰浴中反应 30 分钟 42℃，热激 90 秒 涂平板 培养 挑取转化子 用此方法，每微克质粒 DNA 可获得 105～107 个转化子。 ②电转化（电击法，electroporation） 用高压脉冲电流击破细胞膜或击成小孔，使 DNA 分子能通过这些小孔进入细胞。 优化参数：电场强度、电脉冲长度、DNA 浓度等 转化效率：109～1010 转化子/μg DNA

③PEG介导的转化 此法常用于不能自然形成感受态的G+细菌、放线菌和真菌。需要先将细胞 破壁（细菌用溶菌酶，真菌用蜗牛酶十纤维素酶），制成原生质体，然后在有PEC (聚乙二醇，常用PEG6000)存在的等渗溶液中进行转化。 用此法，枯草芽孢杆菌的转化效率可达到107转化子/μDNA。但放线菌 和真菌的转化效率要低得多。 二、转导(transduction) 转导：以噬菌体的媒介，把供体细胞的DNA片断转移到受体细胞中，从而使后 者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。转导又分为普遍性转导和局限性转 导两类。 1.普遍性转导(generalized transduction) 细菌的任何基因都能从供体转移到受体，并且所有的细菌基因都能以相同的 频率转移。可由烈性或温和噬菌体在裂解寄主细菌的过程中进行。 转导噬菌体：P22(鼠伤寒沙门氏菌)人、P1(大肠杆菌)、枯草芽孢杆菌的PBS1 和PS10。 过程： 在噬菌体感染的末期（装配期），细菌的DNA偶尔会被裂解成许多小片段， 其中的一些DNA片段会代替噬菌体DNA被错误地装配到噬菌体的蛋白外壳中， 这样形成的噬菌体称为转导噬菌体。 在这一过程中，噬菌体只包装长度于噬菌体长度相仿的细菌DNA,而无法 区分这段细菌DNA的基因组成，所以细菌DNA的任何部分都可被包被，形成 的是普遍性转导噬菌体。在细菌细胞裂解时，这些转导噬菌体也释放出来。 当携带供体基因的转导噬菌体侵染受体菌时，噬菌体便将供体基因注入到 受体菌中。 如果噬菌体携带的是细菌染色体DNA,则可能与受体染色体上的同源区段配 对，再通过双交换而重组到受体菌染色体上，就形成了遗传性稳定的转导子 transductant ) 如果噬菌体携带的是质粒DNA,则可能会在受体细胞中自我复制而稳定地保 留下来

8 ③PEG 介导的转化 此法常用于不能自然形成感受态的 G+细菌、放线菌和真菌。需要先将细胞 破壁(细菌用溶菌酶，真菌用蜗牛酶＋纤维素酶)，制成原生质体，然后在有 PEG (聚乙二醇，常用 PEG6000)存在的等渗溶液中进行转化。 用此法，枯草芽孢杆菌的转化效率可达到 107 转化子/μg DNA。但放线菌 和真菌的转化效率要低得多。 二、转导（transduction） 转导：以噬菌体的媒介，把供体细胞的 DNA 片断转移到受体细胞中，从而使后 者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。转导又分为普遍性转导和局限性转 导两类。 1． 普遍性转导（generalized transduction） 细菌的任何基因都能从供体转移到受体，并且所有的细菌基因都能以相同的 频率转移。可由烈性或温和噬菌体在裂解寄主细菌的过程中进行。 转导噬菌体：P22（鼠伤寒沙门氏菌）、P1（大肠杆菌）、枯草芽孢杆菌的 PBS1 和 PS10。 过程： 在噬菌体感染的末期（装配期），细菌的 DNA 偶尔会被裂解成许多小片段， 其中的一些 DNA 片段会代替噬菌体 DNA 被错误地装配到噬菌体的蛋白外壳中， 这样形成的噬菌体称为转导噬菌体。 在这一过程中，噬菌体只包装长度于噬菌体长度相仿的细菌 DNA，而无法 区分这段细菌 DNA 的基因组成，所以细菌 DNA 的任何部分都可被包被，形成 的是普遍性转导噬菌体。在细菌细胞裂解时，这些转导噬菌体也释放出来。 当携带供体基因的转导噬菌体侵染受体菌时，噬菌体便将供体基因注入到 受体菌中。 如果噬菌体携带的是细菌染色体 DNA,则可能与受体染色体上的同源区段配 对，再通过双交换而重组到受体菌染色体上，就形成了遗传性稳定的转导子 （ transductant ）。 如果噬菌体携带的是质粒 DNA，则可能会在受体细胞中自我复制而稳定地保 留下来

如果携带的是含有转座因子的DA片段，则转座因子可能整合到受体细胞 的染色体或质粒上。 2.局限性转导（专性转导，specialized transduction) 指通过某些温和噬菌体为媒介，把供体菌的一个或少数几个特定基因转移到 受体菌中的转导现象。 局限性转导噬菌体的典型代表：入噬菌体。 机制：包括不正常切离、包装、释放、转导、整合几个步骤。 当λ噬菌体感染受体后，其线状DNA分子通过其粘性末端而环化，然后通 过一次性交换整合到细菌染色体的特定位点上（正好插在大肠杆菌染色体的g/ 基因（半乳糖基因）和b0基因（生物素基因）之间)，从而使宿主细胞发生 溶源化，这时的入称原噬菌体。 如果该溶源菌经紫外等诱导后，入可从染色体上解离而成为游离的噬菌体 如果原噬菌体偶尔发生不正常的切割（误切的频率为10~4~106，低），在噬 菌体插入位点两侧的gl或bio基因会被分别带出，连在噬菌体DNA上，产生 局限性转导噬菌体。它们是一类缺陷噬菌体，除含大部分自身的DNA外，还 含有原噬菌体整合位点附近的宿主基因gl或b0。因为一种噬菌体的头部有 定的大小，只能够容纳一定量的DNA(对于入来说是正常量的75一109%)， 所以转导噬菌体在带有寄主一部分DNA的同时必然失去了它自己的一部分 DNA,因此，形成的噬菌体是缺陷的。 入dga/表示带有gal基因的缺陷入噬菌体，入dbio表示带有bio基因的缺 陷λ噬菌体，d表示缺陷的意思。 这些缺陷噬菌体也能侵染寄主细菌，且可以整合到寄主DNA的插入位点上， 但由于其基因组不完整，失去了正常噬菌体的裂解能力和溶原性，不能实现完整 的裂解周期。 如果用入dgal侵染非溶原性的Ga厂细菌时，有些细胞接受了供体的gaf基 因，可使Ga厂细胞变为Ga广细胞。同样，入dbio侵染非溶原性的Bio细菌时 可使Bio细胞变为Bio细胞。 局限性转导根据转导频率的高低又可分为低频转导和高颍转导。 三、接合(conjugation

9 如果携带的是含有转座因子的 DNA 片段，则转座因子可能整合到受体细胞 的染色体或质粒上。 2．局限性转导(专性转导，specialized transduction) 指通过某些温和噬菌体为媒介，把供体菌的一个或少数几个特定基因转移到 受体菌中的转导现象。 局限性转导噬菌体的典型代表：λ噬菌体。 机制：包括不正常切离、包装、释放、转导、整合几个步骤。 当λ噬菌体感染受体后，其线状 DNA 分子通过其粘性末端而环化，然后通 过一次性交换整合到细菌染色体的特定位点上（正好插在大肠杆菌染色体的 gal 基因（半乳糖基因）和 bio 基因（生物素基因）之间），从而使宿主细胞发生 溶源化，这时的λ称原噬菌体。 如果该溶源菌经紫外等诱导后，λ可从染色体上解离而成为游离的噬菌体。 如果原噬菌体偶尔发生不正常的切割（误切的频率为 10－4～10－6，低），在噬 菌体插入位点两侧的 gal 或 bio 基因会被分别带出，连在噬菌体 DNA 上，产生 局限性转导噬菌体。它们是一类缺陷噬菌体，除含大部分自身的 DNA 外，还 含有原噬菌体整合位点附近的宿主基因 gal 或 bio。因为一种噬菌体的头部有一 定的大小，只能够容纳一定量的 DNA（对于λ来说是正常量的 75－109％）， 所以转导噬菌体在带有寄主一部分 DNA 的同时必然失去了它自己的一部分 DNA，因此，形成的噬菌体是缺陷的。 λdgal 表示带有 gal 基因的缺陷λ噬菌体，λdbio 表示带有 bio 基因的缺 陷λ噬菌体，d 表示缺陷的意思。 这些缺陷噬菌体也能侵染寄主细菌，且可以整合到寄主 DNA 的插入位点上， 但由于其基因组不完整，失去了正常噬菌体的裂解能力和溶原性，不能实现完整 的裂解周期。 如果用λdgal 侵染非溶原性的 Gal—细菌时，有些细胞接受了供体的 gal+基 因，可使 Gal—细胞变为 Gal＋细胞。同样，λdbio 侵染非溶原性的 Bio—细菌时， 可使 Bio—细胞变为 Bio＋细胞。 局限性转导根据转导频率的高低又可分为低频转导和高频转导。 三、 接合（conjugation）

接合：是指通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程。 在细菌中，接合现象研究得最清楚的是大肠杆菌。 在讲下面的内容之前，首先给大家介绍几个基本概念 野生型菌株：从自然界分离的，未发生突变的菌株。 营养缺陷型菌株：由于突变，丧失了合成自身生存所必需的一种或几种生长因子 的能力，只能从环境中获取这些营养或前体物质才能生长的突变 型。 基本培养基：能满足野生型菌株生长的最低营养成分的培养基。 完全培养基：能满足微生物各种营养缺陷型生长需要的培养基。 补充培养基：满足相应营养缺陷型生长的培养基。 1.接合作用的发现 ①1946年，Lederberg和Tatum首先发现了细菌的接合现象。 他们获得了大肠杆菌K12的两株营养缺陷型突变株，其中一株需要生物素 和蛋氨酸，另一株需要苏氨酸和亮氨酸，遗传标记如下： A菌株：bio met thr'leu B菌株：bio'met'thr leu 将A、B两个菌株分别涂在基本培养基上，都不能生长：但它们混合培养后 可以在基本培养基上长出原养型菌落（基因型应该是bio'met'thr'leu),原养 型菌株出现的频率为10-5一106。 说明：两个营养缺陷型菌株之间发生了基因重组，形成了原养型菌落（由营 养缺陷型恢复野生型表型的菌株形成的菌落)。 由于是用多重营养缺陷型突变株做的实验，避免了回复突变的可能性。 ②为了排除上述实验是细菌转化的可能性，1950年，Davis用U型管做 了一系列实验。U型管底部有一玻璃滤板，可允许培养基和大分子物质（如DNA) 通过，但细菌细胞不能通过。在U型管两臂中分别培养缺陷型菌株A和B。 培养一定时间后，在两端分别取样，涂布于基本培养基平板上，结果没有发 现原养型菌落。 说明：混合培养时得到的重组子不是转化的结果；Lederberg观察到的重组 子的出现需要两个亲本细胞的直接接触

10 接合：是指通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程。 在细菌中，接合现象研究得最清楚的是大肠杆菌。 在讲下面的内容之前，首先给大家介绍几个基本概念： 野生型菌株：从自然界分离的，未发生突变的菌株。 营养缺陷型菌株：由于突变，丧失了合成自身生存所必需的一种或几种生长因子 的能力，只能从环境中获取这些营养或前体物质才能生长的突变 型。 基本培养基：能满足野生型菌株生长的最低营养成分的培养基。 完全培养基：能满足微生物各种营养缺陷型生长需要的培养基。 补充培养基：满足相应营养缺陷型生长的培养基。 1． 接合作用的发现 ① 1946 年，Lederberg 和 Tatum 首先发现了细菌的接合现象。 他们获得了大肠杆菌 K12 的两株营养缺陷型突变株，其中一株需要生物素 和蛋氨酸，另一株需要苏氨酸和亮氨酸，遗传标记如下： A 菌株：bio— met－ thr＋ leu＋ B 菌株：bio＋ met＋ thr－ leu— 将 A、B 两个菌株分别涂在基本培养基上，都不能生长；但它们混合培养后 可以在基本培养基上长出原养型菌落（基因型应该是 bio＋ met＋ thr＋ leu＋ ），原养 型菌株出现的频率为 10－5～10－6。 说明：两个营养缺陷型菌株之间发生了基因重组，形成了原养型菌落（由营 养缺陷型恢复野生型表型的菌株形成的菌落）。 由于是用多重营养缺陷型突变株做的实验，避免了回复突变的可能性。 ② 为了排除上述实验是细菌转化的可能性，1950 年，Davis 用 U 型管做 了一系列实验。U 型管底部有一玻璃滤板，可允许培养基和大分子物质（如 DNA） 通过，但细菌细胞不能通过。在 U 型管两臂中分别培养缺陷型菌株 A 和 B。 培养一定时间后，在两端分别取样，涂布于基本培养基平板上，结果没有发 现原养型菌落。 说明：混合培养时得到的重组子不是转化的结果；Lederberg 观察到的重组 子的出现需要两个亲本细胞的直接接触