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1、第二章 基因重组,一.微生物遗传体制的概念,第一节 微生物的杂交和遗传体制,1杂交：,基因不同的个体或品种间通过接触使染色体重新搭配（组合）而产生新个体的过程叫杂交。而在杂交的群体中进行选育就叫杂交育种。,基因重组类别,2.微生物遗传体制,对于高等动，植物而言，他的某些细胞（精原细胞和卵原细胞都是二倍体（2n），通过减数分裂而产生单倍体的生殖细胞，通过受精作用又成为二倍体细胞，并进一步发育为双倍体的个体，这一过程称为生活史。,二、微生物杂交和他们生活史的关系,所谓生活史：,（一）高等动植物生活史,(二）大肠杆菌k-12生活史,（三）不完全菌生活史,无性繁殖系,异核菌丝体,（暂时存在）,双倍体菌
2、丝,减数分裂,单倍体细胞,无性繁殖系,无性繁殖系,1高等动植物以双倍体为主，细菌以单倍体为主，真菌介于两者之间，但更接近于细菌；,细菌，真菌同高等动，植物生活史的比较：,2高等动植物的双倍体分化形成二倍体个体，细菌的单倍体分裂而形成无性繁殖系，真菌虽是多细胞的，但他可以由单一体细胞生长成独立的菌株，它的单倍体，双倍体或异核体都能形成无性繁殖系；,3就“性”的分化而言，微生物中没有严格的性细胞和体细胞之分（除个别能产生有性孢子的真菌种类之外），而高等动植物中性，体细胞区分明显。,一.红色面包霉（Neurospora Crassa）的生活史和遗传规律,第二节 真菌的有性生殖,1、生活史：,n,A,
3、n,a,A,a,A,a,A,A,a,a,2n,2n,n,n,n,A,红色面包霉杂交的遗传分析,(第一次分裂分离),2、红色面包霉杂交的遗传分析,1)AAAAaaaa2)aaaaAAAA3)AAaaAAaa4)aaAAaaAA5)AAaaaaAA6)aaAAAAaa,第一次分裂分离,第二次分裂分离,为什么会出现第二次分裂分离的子囊呢？如下图,8个子囊孢子排列的六种方式：,n,A,n,a,A,a,A,a,2n,2n,n,n,A,n,a,A,a,a,n,A,第二次分裂分离,在减数分裂的第一次核分裂时，如果来自一个亲本的二个基因（如图二个A）趋向一极，而来自另一个亲本的二个基因（如图二个a）趋向另一极
4、这种分裂方式称为还原分裂（意思是指分裂后还原到杂交之前的二个亲本的状态）。,如果来自亲本的各一个基因一起趋向一极，另外各一个基因（如图中Aa）趋向另一极，意思是分裂后的二个核中各含有相等的基因这种分裂方式称为均等分裂。,还原分裂：,均等分裂：,2)很容易观测到一次减数分裂所产生的四分体中一对基因 的分离现象，从而证明相对性状的基因在数目上大致相 等的；,3)根据子囊排列的方式推算出某一基因与着丝粒之间的相 对距离：,3、以红色面包霉作为遗传分析的材料有什么优越性,1)能直接测定某个基因的存在；,某一基因与着 丝粒的距离,=图距单位,=,第二次分裂分离子囊数1/2,子囊总数,4)利用测定某一基因
5、与着丝粒的距离，从而间接测出基因 与基因的距离。,100%,1酵母菌的生活史：,二、酵母菌的杂交及遗传分析,形成成熟子囊,4个单倍体的核,2酵母菌的遗传分析,双基因杂交的四分体类型,有连锁关系的二个基因之间杂交产生的子囊类型,没有连锁关系的二个基因之间，三种子囊类型出现的比例：杂交型：ABab在染色体分离时，二个基因与着丝粒之间都未发生交换，结果只会出现PD和NPD两种类型，并且比例是PD:NPD=1:1,当二个基因有一个基因在染色体分离时与着丝粒之间发生交换，而另一个基因未发生交换，则会出现一种类型的子囊，即T型。,如果二个基因同时都与着丝粒发生交换，根据同样的道理就有可能出现三种类型的子囊
6、：PD:T:NPD=1:2:1,染色体交换和重组及四分体类型的关系,第三节、真菌的准性生殖,一、准性生殖的概念：,准性生殖是指真菌中，不通过减数分裂而导致基因重组的一种生殖方式。他的整个过程包括几个相互联系的阶段，即：异核体的形成，杂合二倍体的形成，体细胞杂交及染色体单倍化。,（一）异核体的形成,（二）杂和二倍体的形成,1.互养解释的排除,2.单倍重组体和二倍体的排除,（三）体细胞重组,1.染色体交换,2.染色体单倍化,二、准性生殖过程,三、准性生殖和有性生殖的异同点,准性生殖和有性生殖的共同点：,准性生殖和有性生殖有类似的遗传现象。如：核融合，形成杂合二倍体、随后染色体再分离、染色体之间进行
7、交换，出现重组体等。由此可见，准性生殖和有性生殖最根本的相同之处就是均能导致基因重组，从而丰富遗传物质基础，出现子代多样性。,准性生殖和有性生殖的不同点：,1.有性生殖导致产生有性孢子，有性孢子在形态、生理上与体细胞有一定的区别，且基因重组一般是发生在性细胞中；准性生殖的细胞与体细胞无区别，基因重组是发生在有丝分裂的体细胞交换中，没有性过程,没有性孢子。2.有性生殖是通过减数分裂进行基因重组，减数分裂是一个有规律的协调的过程；准性生殖过程中染色体交换和染色体单倍体化都是不规律的偶然发生的过程，且频率极低。,A,B,C,a,b,c,A,B,C,a,b,c,A,B,C,a,b,c,A,B,C,a,
8、b,c,A,B,C,a,b,c,A,B,C,a,b,c,A,B,C,A,b,c,a,B,C,a,b,c,体细胞交换模式图,(A),(B),(A)不发生交换(B)发生交换,E,D,F,e,d,f,G,H,T,E,D,F,e,d,f,G,H,T,g,h,t,染色体的不分离行为,2异核体可以作为细胞质基因测定的工具。,四、研究异核体的意义,1异核体在遗传分析中可以用来测定等位基因和非等位基因；,第四节 细菌的接合作用,一、细菌基因重组的发现和证实,（一）细菌基因重组的发现,（二）细菌基因重组的证实,标记：,以基因发生突变的特点来标记某菌株的性质，这种突变的基因就称为该菌株的标记（简单的说突变的基因表
9、型就是标记）。,完全培养基,A-B+lac-ST T1S,A+B-lac+SS T1T,2106,106,106,2106,基本培养基,大肠杆菌k-12菌株的基因重组,1.排除遗传物质的渗入,非选择标记：,在某种培养条件下，可能起到排除亲本的某些基因标记。,杂交个体单倍体的证实：,2.排除细胞的互养,3.排除回复突变,图 一种U型管，一臂放菌株A,一臂放菌株B，中间由滤器隔开，未发现有原养型细胞出现,二、致育因子和细菌杂交,F因子的基因结构如下：,（一）F因子：,第一区段：控制自主复制的区段第二区段：控制细菌间传递作用的区段第三区段：重组区段,点样法,（）,（）+A,(）+B,(）+A+B,一
10、.四种都不长 A+B+二.1.3不长，2.4长 A-B+三.1.2不长，3.4长，A+B-四不长，4长 A-B-,A-B+,A+B-,第一区段：控制自主复制的区段第二区段：控制细菌间传递作用的区段第三区段：重组区段,(二)三种状态的 E.coli 细菌之间的关系,1、F+和F-能杂交，Hfr和F-也能杂交，F-和F-则不能杂交，说 明F-不同于F+与Hrf，F+与Hfr有相同的地方；,2、从F+细胞群中可以得到Hfr菌株，从Hfr菌株中也可以得到 F+的菌株，而从F-中则不可能得到Hfr和F+菌株，说明F+与 Hrf都含有F因子，而F-没有；,3、F+和F-杂交后，后代转变为F+，在杂交过程中
11、出现的重组 频率大约只有10-6；而Hfr与 F-和F-杂交后，后代仍然是F-，但重组频率都高于上种好多倍。这说明F+与Hrf虽然都能 导致基因重组，但它们是有区别的；,4、F+细胞经吖啶类药物处理后转变成F-（这种药物浓度很低，不致于抑制细菌生长）；而Hfr细胞经同样处理后性质仍然 不变。这说明F+与Hrf虽都含有F因子，但它们在细胞中存 在的状态不一样。,(三)大肠杆菌杂交的几种可能 1.F+F-杂交 2.HfrF-杂交 3.FF-杂交,利用HfrF-的二个菌株结合，在连续间断的不同时间内取样，放在中断器内，以人为机械的方法，中断HfrF-的接合，分别将接合子涂在一系列不同的选择培养基上，
12、通过在不同的选择培养基上在不同时间内出现的重组子，可以将某一基因的位置确定下来。这一方法称为中断杂交。利用中断杂交可以进行基因定位。,三、中断杂交,F-,F+,F,自然丢失,自主复制,F+,F,重组脱离,F,Hfr,F,F,F,细菌染色体DNA,F+,F-,性纤毛,F+F-,F质粒,性伞毛,F+F-的接合作用,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,met,str,ser,his,gal,lac,pro,leu,thr,met,str,ser,his,gal,lac,pro,leu,thr,met,str,ser,
13、his,gal,leu,thr,pro,lac,1,2,3,4,5,6,met,str,ser,his,gal,thr,1,2,3,4,5,6,lac,pro,leu,（A）,（B）,（C）,（D）,（E）,一、转化的定义：,（一）体内转化实验,第五节 细菌的转化,把一个细胞的遗传物质抽提出来转移到另一个受体细胞中，使其能在受体细胞中表达的过程。,二转化现象的发现,（二）体外实验,蛋白质+R R,RNA+R R,多糖+R R,其它+R R,DAN+R R（大量）+S（少量）,S细胞抽提物 分离,理化分析结果：,1在理论上，它证实了在生物（包括微生物）中，DNA是决 定遗传的主要物质；,（三）细
14、菌转化现象发现的意义,1所含元素在成份和重量上与DNA相似；,2只有DNA酶才能降解这种物质；,3电泳的位置与DNA相同，对紫外线的吸收峰与DNA一致。,2运用转化作用可以深入研究遗传物质的本质，作用方 式以及结构与功能等问题之间的关系，从而更好地去 认识基因的物质基础。,3在育种实践上，为定向培育提供了一条新的育种途径。,三、转化过程,（一）感受态的出现,感受态：,细菌能够从周围环境中吸取DNA分子，使之不被DNA酶破坏，能接受转化因子的这一时刻，细菌出现的一种生理状态。,这种假设认为细菌表面的细胞壁是阻碍转化因子进入细胞的障碍，在某些情况下，当细菌局部失去了细胞壁，转化因子能通过膜而进入细
15、菌。,关于感受态出现的假说：,1.局部原生质化假说：,这一假说认为感受态细胞的特征是细胞表面出现DNA的结合位点，这种结合位点能吸附游离的DNA，实验证明它只能与双链DNA结合不能与单链DNA结合，并且证明这种结合能力是受一种酶的作用。,2酶受体假说：,（三）转化因子的整合,（二）转化因子的结合与进入,1表面结合的证实,2转化因子的进入,1整合前转化因子的状态,2转化因子整合的过程,1,2,3,4,5,6,转化过程,1受体细胞的感受态，它决定转化因子能否进入细胞；,转化效率决定下列三个内在因素：,2受体细胞的限制酶系统，它决定转化因子在整合前是否 被分解；,3受体和供体的同源性，它决定转化因子
16、的整合。,经噬菌体为媒介，把一个细菌的遗传物质转到另一个细胞中去表达的过程。,感染细菌后，宿主体内很快繁殖，最后使宿主细胞裂解的噬菌体。,第六节 细菌的转导,（一）噬菌体的概念,感染细菌后，能与宿主细胞的DNA整合在一起，并以原噬菌体的状态存在细胞内。,一、转导的概念：,1烈性噬菌体：,2温和噬菌体：,在溶源性细胞中没有感染力的噬菌体，这种噬菌体是以整合在宿主染色体上的形式存在。,1在遗传上是稳定的；,（三）“”噬菌体使大肠杆菌形成溶源性细菌的原因,带有原噬菌体的细菌。,（二）溶源性细菌的遗传特征,2可以自然裂解，但裂解频率很低，在约只有10-2-10-5，经过诱导后（如经U.V处理）裂解率可
17、以提高到90%以上；,3对于外来同源噬菌体的感染具有免疫力。,3原噬菌体：,4溶源性细菌：,1“”的基因结构及其功能 把环状“”DNA拉成直线可以变成如下图：,左段,A W B C D E F,Z U V G T H M L K J,G,5,中段,b2,PP,att,Int xis red,c N nex c cro c O P,右段,Q S R,A 5,A-F 7个基因：形成“”头部蛋白的结构基因；Z-J 11个基因：形成“”尾部蛋白的结构基因：int:编码的酶控制“”的整合；xis:编码剪切酶,int和xit共同作用控制“”原噬菌体的切割；att：整合区，大约15bp；red：它包括red
18、、red、red三个部分，它们的功能是促进一般性重组；,左段,A W B C D E F,Z U V G T H M L K J,G,5,中段,b2,PP,att,Int xis red,c N nex c cro c O P,右段,Q S R,A 5,N：起促进转录的作用；ci:产生阻遏蛋白，阻遏“”的整个基因驵转录；rex：产生免疫蛋白；cro：关闭ci基因，促进裂解作用；o、p：起调控作用；Q：促进R2转录子的转录；s.R:直接与裂解反应有关；mm/：粘性末端约12bp。,左段,A W B C D E F,Z U V G T H M L K J,G,5,中段,b2,PP,att,Int
19、xis red,c N nex c cro c O P,右段,Q S R,A 5,PLOL,PROR,N,左,右,rex c,cro,2产生溶源化的大致过程如下图：,K2(裂解区段）,R1,L1,L2(重组区段）,L1(免疫区）,Att int xis red c N,J,L,Z,F,I,A,MM,R,S,Q P O,rex,c,cro,c,pre,包括局限转导和普遍转导（完全转导、流产转导）两个类型。,只能使供体性状的一种或少数几种以噬菌体为媒介转移到受体中表达的过程称为局限转导。,二、转导的发现,三、转导的类型,（一）局限转导,K12菌株溶源细菌裂解液感染不同的缺陷的大肠杆菌，涂选择平板（
20、-）gal。,gal-大肠杆菌形成浅色菌苔,1局限转导的发现和证实,2“”噬菌体转导gal基因的过程,坎贝尔模型（campbell）解释局限转导机制,gal chlD att N Rmm j att bio chlA,BP,PB,BP,PB,N,R,m m,A,j,bio chlA,BB,PP,N,R,m m,A,j,bio chlA,细菌染色体,att,mA j,N R m,染色体,溶源性细菌染色体,gal chlD,gal chlD,PP,att,att,BP,PB,att,BP,转导噬菌体的形成,gal,bio,att,BP,gal,gal,m,m,m,m,N,N,RmmA,A,R,4低
21、频转导和高频转导,低频转导：由单重溶源化细菌导致的转导作用。“”转导的gal+基因的频率大约只有10-6。,3转导导致的结果,1）稳定的转导,2）不稳定的转导,高频转导：由双重溶源化细菌导致的转导作用，转导的频率占50%。,A,B,C,+,gal+,PP,BP,gal-,BB,BP,BP,gal+,gal-,PB,BP,gal+,gal-,PB,BP,gal,1普遍性转导的机理,（二）普遍性转导：,凡是染色体上的各个单基因或是紧密联系锁的两个基因都有可能被某一种噬菌体转导的作用。,普遍性转导的机理是由选择性包裹模型进行解释。,选择性包裹模型,1）完全转导：,2普遍转导的结果,2）流产转导：,由
22、转导噬菌体导入的片段与寄主染色体发生交换，整合在寄主染色体上，并和寄主染色体同步复制，在细胞分裂时，每一个子细胞都获得有导入的DNA，从而恢复每一细胞的正常生长。,由转导噬菌体导入的片段，并不与寄主DNA发生交换，而是以一种附着的形式（局部二倍体）存在，它不复制，也不立即消失，在细胞分裂过程中总是只有一个细胞带有这一片段，因此，形成一种单线传递的方式。,4在转导的物质上有所不同,（三）普遍转导与局限转导的区别,1转导的基因上有所不同,2形成转导噬菌体的过程不同,3转导子的性质不同,一、放线菌的遗传体制,第七节 放线菌的杂交育种,（一）天蓝色链霉菌（Streptomyces coelicolor
23、）基因重组过程,1混合培养导致不同菌丝间的融合,2局部杂合核的形成,3异质系的产生（图2-27）,+,-,+,pro,hisC,arg,+,str,+,部分合子,a,b,c,d,e,nic,cys,+,hisA,+,f,tps,+,ura,+,cys,+,hisA,+,tps,+,ura,nic,+,pro,hisC,arg,a,b,c,d,e,f,杂和系染色体,放线菌异质系来源,（二）放线菌的性别体制,二、放线菌原生质体融合育种,二、放线菌原生质体融合育种,1原生质体的制备,2融合处理,3融合子的检出,4融合子的鉴定,一般重组的过程主要分四步进行：,重组的四步骤分别由Holliday、Whi
24、tehore、Hotchkiss和Meselson-Radding等四人提出的四种不同模型的解释。,第八节 重组机制,一、一般重组（同源重组）替代式重组,1单链断裂,2单链“侵入”,3形成交叉,4断裂和重组,A,B,a,b,A,B,a,b,A,B,a,b,A,B,a,b,A,B,a,b,A,B,a,b,A,B,a,b,A,B,a,b,A,B,a,b,A,B,a,b,A,b,a,B,A,b,a,B,一般重组的holliday模型,Hotchkiss和Meselson-Radding模型,Whitehouse模型,三、一般重组和插入重组的区别,1一般式重组的结果是核苷酸顺序不增加也不减少；而插入式重组或增加（整合）或减少（切割）。,二、插入式重组（特异位点重组）,2一般式重组产生时整个交换部分进行联会（配对）；而插入式重组吸涉及少部分结构进行联会。,3一般重组中重组的片段或长或短；而插入重组的部分基本是固定的；,4两者的酶系不同。,
