病毒和噬菌体是现今所知最小的、也是化学成分最简单的生物，噬菌体是细菌的病毒。它没有一般的细胞结构，只是有蛋白质外壳，里边的DNA不与蛋白质结合，呈裸露状态。利用噬菌体可以研究基因的转导、转化、重组DNA技术及基因的精细结构等。
一、病毒或噬菌体基因组的特点
1．遗传物质的种类复杂
病毒就其化学本质讲，有RNA、DNA、单链、双链、正链、负链、线状、环状等不同的结构，但以双链环状正链DNA为多。其蛋白质外壳也多种多样，侵染途径各异。
2．基因组绝大多数属于能编码的结构
病毒基因组很少含有重复序列和充填区域，绝大部分DNA序列都编码蛋白质，也就是说，大都是结构基因。
3．存在着重叠基因
有多种重叠方式，如大基因套小基因、前后基因公用一段DNA序列、双链均可作为模板编码蛋白质，这样可提高基因的重复利用能力。
4．基因调控方式多种多样
主要以自我调控方式为主，也受宿主调节基因的制约。每个操纵子常有多个调节基因的制约。
若从噬菌体与寄主的关系来讲，可分为烈性噬菌体和温和噬菌体。
二、烈性噬菌体
噬菌体感染细胞后很快在细菌细胞内进行DNA复制，蛋白质合成和组装，最后导致细菌细胞裂解，这类噬菌体称为烈性噬菌体（virulent phage）。如Tl 、T2 、……T7 等。由于这类噬菌体繁殖迅速，世代周期短，子代数量大，常用于噬菌体的基因定位和基因精细结构分析等。
1．噬菌体的繁殖周期
当噬菌体的尾丝接触细菌的细胞壁后，把它的DNA注入宿主细胞质中，它的蛋白质外壳却留在宿主细胞外面。这时在噬菌体释放的酶的作用下，宿主细胞的DNA停止活动，由噬菌体的DNA指导合成作用，进行DNA复制和蛋白质合成，最终组装成新噬菌体。这一周期在37℃下大概只要20~40分钟，就可产生100多个子代噬菌体（快速裂解类型比此时间更短）。以后，宿主细胞裂解，释放出的新噬菌体又去侵染临近的细菌。
2．基因重组
噬菌体的基因重组是于40年代首先在E.coli T2 噬菌体中发现的。把寄主范围突变型（h）与快速溶菌突变型（r）噬菌体混合感染野生型细菌（品系1），然后收集释放出来的子代噬菌体接种于混合着野生型（品系1）和抗性型细菌（品系2）的培养基平板上。结果有4种噬菌斑。根据子代中出现的各种噬菌斑数就可计算两基因间的交换率。
两基因间的交换率 = （公式7-3）
例：有人用寄主范围突变型（h r ）与几种快速溶菌突变型（h r）噬菌体混合感染野生型细菌，然后将子代噬菌体再感染含有野生型和抗性型细菌的平板。所得结果见表7-6。
表 7-6 （h r ）与（h r）混合感染E.coli的结果
| 杂交组合 |
子代基因型 |
h r |
h r |
h r |
h r |
重组率 R(r-h) |
| 子代表现型 |
混浊、大 |
清亮、小 |
混浊、小 |
清亮、大 |
||
| h r ×h r (a) h r ×h r (b) h r ×h r (c) |
子代百分率 |
34.0 32.0 39.0 |
42.0 56.0 59 |
12.0 5.9 0.7 |
12.0 6.4 0.9 |
24% 12.3% 1.6% |
求：（1）这3种杂交组合中，r-h间的交换率各为多少？
（2）绘制几个基因的连锁图。
解：在这3组杂交中，将所得的子代噬菌斑数归纳成重组型和未重组型，即可计算出每一杂交中r-h间的交换率或重组率。
依据公式7-3，得（a）组r-h = 24mu；（b）组r-h = 12.3mu；（c）组r-h = 1.6mu。
这些重组率或图距暗示着3个r基因的位点是不同的。因此，可能有4种连锁图（图7-27）：
r(a) r(b) r(c) h
—|———|———————|——|—————————————
r(a) r(c) h r(b)
—|——————————|——|—————————|————
r(a) r(b) h r(c)
—|———|—————————|——|———————————
r(a) h r(c) r(b)
—|————————————|——|———————|————
图 7-27 根据3个r基因与h的重组率，确定这4个基因的4种连锁图
3．连锁和连锁群
如果噬菌体的混合感染涉及两个基因，可根据公式7-3求得两基因间的交换率或图距，多次后可绘制连锁图。如果涉及3个或3个以上的基因时，仍可按连锁交换定律中基因定位的方法绘制3个基因或3个以上基因间的连锁图。
例：用T4噬菌体的两个品系混合感染E.coli。一个品系是：小噬菌斑（m）、快速溶菌（r）、混浊噬菌斑（tu）突变型；另一品系对这3个标记基因都是野生型（ ）。把这种感染的溶菌产物涂在平板上，结果见表7-7：问：
（1）m-r、r-tu、m-tu间的连锁距离各是多少？
（2）这3个基因的连锁顺序怎样？
（3）在这一杂交中，并发系数是多少？它意味着什么？
表 7-7 大肠杆菌噬菌体T4的三点测验（m r tu / ）
| 序号 |
基因型 |
噬 菌 斑 数 |
百分率 |
| 1 2 3 4 5 6 7 8 |
m r tu m r tu m r tu m tu r |
3467 3729 520 474 853 965 162 172 |
0.335 0.361 0.05 0.046 0.082 0.093 0.016 0.017 |
| |
|
10342 |
|
解：（1）依据公式7-3，得
R(m-r)
R(r-tu)
R(m-tu)
双交换率
校正值 = 2×双交换率 = 6.4%
（2）这3个基因的连锁距离和排列顺序是：
m 12.8 r 20.8 tu
—|————————|————————————————|—
←——————— 27.2 6.4 —————————→
（3）并发系数
由于并发系数大于1，表明有负干扰存在，所谓负干扰是指在双链DNA分子中，一个位点上发生了单交换，促进了附近的基因位点再发生交换的现象。原因是噬菌体DNA呈裸露状态，那么在一个位点上发生了一次交换必然解链，附近位点更容易断裂，发生交换。
通过对噬菌体的遗传分析，证明噬菌体的染色体含有很多连锁基因，而且是环状的（图7-28），它在侵入细菌时暂时地变为线状，随后断口再粘连，成为环状。
三、温和噬菌体
所谓温和噬菌体（temperate phage）是指当噬菌体侵入细菌后，并不很快使细菌裂解，而可以存活或潜伏很长时期的噬菌体类型。
1．溶源性细菌（lysogenic bacteria）和原噬菌体（prophage）
所谓溶源性细菌是指含有原噬菌体的细菌。而原噬菌体是指温和噬菌体侵入细菌后通过配对、交换、嵌入到细菌染色体上，随染色体一起复制和遗传的一类噬菌体。
原噬菌体虽然没有感染能力，可是溶源性却象细菌的其他遗传性状一样，可以稳定地遗传下去。实际上，在其他生物中也广泛存在着大量的原病毒（provirus），在人类中，不少人体内的染色体中也或多或少地嵌着原癌基因（prooncogene），它们的结构、繁殖方式、嵌入过程等都类似于原噬菌体。
2．溶源性周期（lysogenic cycle）
原噬菌体和溶源性细菌并不永恒存在，它有各种反应，呈现溶源性周期（图7-29）：
（1）溶源化反应：一些非溶源性细菌（non-lysogenic bacte ria，指那些不含原噬菌体的细菌）被温和性噬菌体所侵染，其DNA进入细菌细胞后嵌入到细菌染色体中，成为隐藏着的原噬菌体状态，而此细菌则成为溶源性细菌。温和噬菌体DNA嵌入细菌染色体的过程同F因子形成Hfr菌株的方式一样。
（2）失溶源性反应：与溶源性反应正好相反，在自然状态下，溶源性细菌内的原噬菌体通过原位交换，又返回到独立遗传的状态，可能单独生活一段时间，也可能丢失，使溶源性细菌又变为非溶源性细菌。溶源性细菌也会自发地释放噬菌体，但频率很低，为10-2~10-5。
若在此过程中，发生非原位交换，噬菌体可能带上细菌染色体片段，而把自身的某些片段丢失掉，形成缺陷噬菌体，如λd gal ，这就产生了局限性转导。
（3）裂解反应：与烈性噬菌体感染细菌细胞后的反应相同，噬菌体DNA进入细胞后，随即进行复制，并在短时间内噬菌体成熟并裂解细菌，释放出大量的子代。
（4）诱导释放：溶源性细菌遭受紫外线、丝裂霉素C等处理后，会大量地释放子代噬菌体。这样释放的噬菌体频率却高达90%。不过，并不是所有的溶源性细菌都能被诱导释放，这与温和性噬菌体所具有的特性有关。
3．合子诱导（zygote induction）
对溶源性细菌进一步的研究发现，若溶源性细菌与敏感型的非溶源性细菌杂交，在不同杂交组合中，所得的结果却不同。
前已知，λ噬菌体是E. coli K12中的一种温和噬菌体，在带有λ噬菌体的溶源性细菌与敏感型细菌的正反交实验中，其杂交结果与所用的亲本菌株有关。
正交：Hfr×F－（λ），即F－菌株带有λ噬菌体时，可偶尔产生溶源性重组子。
反交：Hfr（λ）×F－，即Hfr菌株带有λ噬菌体时，几乎不产生溶源性重组子。
产生的原因：当Hfr×F－（λ）时，Hfr基因转移到F－ 菌株中，而F－ 菌株中虽有原噬菌体，但对外源基因的进来没有什么反应，故有Hfr基因在F－溶源性细菌中出现重组子的现象。在反交Hfr（λ）× F－ 中，由于λ噬菌体嵌入部位就在F因子的转移起点之后，当Hfr前端基因在F－ 受体中出现后，紧随其后的λ噬菌体也进入到F－ 受体中，而F－ 受体细胞是无免疫能力的细胞，当λ噬菌体进入细胞后，噬菌体马上进行复制、组装自己，使细菌细胞裂解，所以不会得到重组子。
在这种杂交中，含有λ噬菌体的Hfr菌与敏感性F－ 细菌接合，由于λ噬菌体跟着F因子进入受体菌，虽形成了部分二倍体或部分合子，但随即噬菌体开始复制和组装自身，诱导细菌裂解，不能获得重组子，这种现象称为合子诱导。
