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1、第十章 丝状真菌的遗传,担子菌,接合菌,子囊菌,卵菌,毛霉属（Mucor） 根霉属（Rhizopus） 曲霉属（Aspergillus） 青霉属（Pericillium） 木霉属（Trichoderma）等,丝状真菌的代表属：,真菌是在细胞结构和遗传体制上具有特殊性的真核微生物 1. 它们具有类似于高等动植物的细胞核和染色体结构，可进行有性生殖 2. 具有微生物的生长迅速、生活周期短、便于培养等优点 因此，丝状真菌，尤其是粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)和构巢曲霉(Aspergillus nidulans)一直是研究真核生物遗传重组、基因结构和基因表达调节的模式系统。,第一节
2、微生物的生活史,细菌、不完全菌（真菌半知菌纲）、高等动植物生活史的主要区别点： 营养体是单倍体还是双倍体 营养细胞一再分裂成无性繁殖系还是形成多细胞个体 异核体和双倍体是暂时过渡还是可以生存繁殖 性别分化的程度,什么是不完全菌？,高等动植物生活史,细菌生活史,不完全菌生活史,1. 高等动植物以双倍体为主，细菌以单倍体为主，不完全菌介于二者之间，但更接近于细菌。 2. 高等动植物的双倍体细胞一再分裂的结果形成个体，细菌的单倍体分裂形成无性繁殖系，不完全菌也是多细胞，但更接近于细菌。 3. 异核体在高等动植物和细菌中都暂时存在，而在不完全菌中单倍体、双倍体或异核体都能形成无性繁殖系。 4. 就性的
3、分化而言，细菌和不完全菌没有性细胞和体细胞之分，这和高等动植物有明显的区别。在微生物中除产生有性孢子的种类之外，细菌和不完全菌的双倍体世代和单倍体世代的细胞没有明显的形态和生理区别。,三类生物的生活史的特点：,粗糙脉孢菌的顺序排列四分体,第二节 粗糙脉孢菌的遗传分析,菌丝a,原子囊果,子囊果,子囊孢子,子囊孢子,无性繁殖,无性繁殖,分生孢子,分生孢子,接合子,菌丝A,发芽,菌丝融合,发芽,有性繁殖,原子囊果,第二次分裂 第一次分裂,减数分裂,原子囊果,一、粗糙脉孢菌的生活史,减数分裂的产物在一个子囊内形成顺序排列的四分体，是粗糙脉孢菌有性杂交的特点。对顺序排列的四分体可以进行如下的遗传分析：
4、判断第一次分裂分离和第二次分裂分离 计算着丝粒距离 计算重组频率,二、粗糙脉孢菌有性杂交的四分体遗传分析,1. 第一次分裂分离和第二次分裂分离,第一次减数分裂,第二次减数分裂,有丝分裂,第一次减数分裂,第二次减数分裂,有丝分裂,I型和型：第一次分裂分离 型、型、V型、型：第二次分裂分离,粗糙脉孢菌的子囊孢子的排列共有下面6种方式,I A A A A a a a a II a a a a A A A A A A a a A A a a a a A A a a A A V A A a a a a A A a a A A A A a a,2.着丝粒距离 粗糙脉孢菌中8个子囊孢子的排列方式可反映基因分
5、离的方式以及基因与着丝粒之间是否有染色体交换发生。 经典遗传学研究巳证明，染色体上两个位点之间的距离越远，则这两位点之间发生交换的频率也就越高。,粗糙脉孢菌的接合型基因的着丝粒距离的测定：,3. 着丝粒距离和重组频率 用重组频率来表示基因之间遗传距离。 两个基因之间的重组距离是这两个基因与着丝粒距离之和或之差。 可以进行粗糙脉孢菌的连锁群分析。,真菌的准性生殖是指异核体真菌菌丝细胞（体细胞）中2个遗传物质不同的细胞核结合成杂合二倍体的细胞核，这种二倍体细胞核在有丝分裂过程中可以发生染色体交换和单倍体化，最后形成遗传物质重组的单倍体的过程。,第三节 真菌的准性生殖（parasexual cycl
6、e）,准性生殖和有性生殖的主要区别：,有性生殖过程导致有性孢子的产生，这些有性孢子在形态、生理上都和营养体细胞不同，而且产生在特殊的囊器中。准性生殖过程虽然也导致基因重组，但重组体细胞和一般的营养细胞没有不同，也不产生在特殊的囊器中。 在有性生殖中通过减数分裂使染色体交换和随机分配而导致基因重组，其染色体的交换和每对染色体减为半数是一个很有规律的协调过程。在准性生殖过程中，染色体的交换和染色体减少是不规则且不协调的过程。,准性生殖过程包括: 异核体的形成 二倍体的形成 染色体单倍化和体细胞交换,当带有不同遗传性状的两个单倍体细胞或菌丝相互融合时，会导致在一个细胞或菌丝中并存有两种或两种以上不同
7、遗传型的细胞核，这样的细胞或菌丝就叫异核体。 异核体的形成是进行准性生殖的第一步。,1. 异核体的形成,构巢曲霉A接合型(leu- met+)突变株与A接合型 (leu+ met-)突变株,少量原养型菌落,菌落是异核体,混合接种在基本培养基上培养,(1)异核体的证实：将两个营养缺陷型菌株混合培养，出现原养型菌落的原因可能是由于互养、异核体、二倍体或单倍重组体的存在。 a.互养的排除： 将原养型菌落上取下的少量菌丝接种于养料贫乏的培养基上。在放大镜下将从接种处向外长出的菌丝的尖端连同小块培养基切下，放在基本培养基上。 b.二倍体或单倍体的排除： 将leu- met+株和 leu+ met-株的分
8、生孢子混合接种在基本培养基上，取出其上长出的菌落的单个菌丝尖端，接种于基本培养基上，得到由单个菌丝尖端所长成的培养物。,(2)异核体的生物学意义： 异核体包含着不同基因型的细胞核： 具有生长优势 具有更好的环境适应能力 此外，异核体在遗传分析中也很重要，由于异核体内的两个不同营养缺陷型的细胞具有互补作用，因此可以用异核体进行基因等位性的测定等研究。 异核体的形成与A、a接合型之间没有关系，但接合型可影响形成异核体的难易程度，相同接合型的菌株间更容易形成异核体。异核体是由基因型决定的，在粗糙脉孢菌中已发现至少有10个基因与异核体的形成有关。,2. 杂合二倍体的形成,1956年，Pontecorv
9、o等人在用构巢曲霉 白色突变株(w- y+)和黄色突变株(w+ y-) 进行共培养 在培养基上得到产生形成绿色孢子的菌株。 由异核体(w- y+/ w+ y-)所产生的孢子应该是白色和黄色两种，那么绿色的孢子是怎样形成的呢? 经研究发现该绿色的分生孢子并不稳定，在形成大菌落时，常常会以很低的频率出现白色或黄色的扇形面角变。,核融合：是指两个单倍体核融合形成一个二倍体核的现象。基因型相同的核融合形成纯合二倍体，基因型不同的核融合形成杂合二倍体。 异核体中两个基因型不同的细胞核以极低频率(10-710-5) 融合成杂合二倍体。 某些理化因素(如紫外线、樟脑蒸气或高温)处理，可提高杂合二倍体产生的频
10、率。原因可能是由于在处理过程中使某些抑制核融合的基因发生突变的结果。,大小：构巢曲霉、黑曲霉等的二倍体分生孢子大于单倍体的分生孢子 数量：酱油曲霉中，尽管分生孢子的大小是一样的，但每个分生孢子中染色体的数目不同，二倍体分生孢子中DNA含量约为单倍体分生孢子的一倍。 根据杂合体细胞二倍体的特性，不难将它们与异核体菌落及回复突变产生的原养型菌落区别开来。 通过测定培养特征、稳定性、分生孢子核型、分生孢子大小及DNA含量和采用双标记菌株实验，即可排除异核体、单倍体和回复突变。,二倍体分生孢子与单倍体分生孢子、异核体的不同：,准性生殖过程中产生的二倍体并不像有性生殖过程中的二倍体那样进行减数分裂，它们
11、仍以有丝分裂的形式增殖。 二倍体细胞比异核体较为稳定。 稳定性是相对的，从异核体中可以得到少数二倍体，从大量的二倍体分生孢子中也可以得到少数体细胞分离子。,3. 体细胞交换和单元化,w- y+,w+ y-,绿色,w- y+,w+ y-,w+ y-,w- y-,w+ y+,w- y+,w+ y-,w- y-,w+ y+,w- y+,黄色,w+ y-,w- y-,w+ y+,w- y+,白色,所谓分离子包括重组体和非整倍体或单倍体。产生非整倍体或单倍体的过程称为单元化，产生重组体的过程称为体细胞交换。,体细胞交换,非整倍体或单倍体,在准性生殖过程中异核体产生二倍体的概率是 10-6，二倍体产生单倍
12、体的概率是10-3，二倍体核中发生体细胞交换的概率是10-2。 体细胞交换和单元化是两个独立发生的事件，二者发生在同一细胞中的概率很小，同一染色体上发生两次交换的概率同样很小。,第四节 丝状真菌的遗传物质,真菌的遗传物质包括5种成分： 染色体基因 线粒体基因 质粒 转座因子 病毒基因,除丝状真菌基因组含有较少的(约为25)重复DNA序列外，丝状真菌的核基因组和线粒体基因组及其结构功能与高等真核生物类似。丝状真菌单倍体通常含有68个线状染色体，基因组大小平均为21074107bp。 真菌的基因也有内含子，但一般较短，大约50200bp。如粗糙脉孢菌单倍体基因组为4.3107bp，G+C含量为54
13、，每条染色体的大小为410.3Mb。已经对粗糙脉孢菌中的2000多个不同的基因进行了鉴定。,一、核基因组结构,丝状真菌线粒体DNA是大小为几十kb的环状结构，它含16S和23S rRNA基因和20多个tRNA基因，还有几个与电子传递链有关的结构基因。 线粒体基因组在正常复制过程中经常发生分子内重组，造成基因组大小的多变。重组的内容和方式有多种，如线粒体DNA重排、DNA片段的插入或缺失，还有因内含子剪接不同造成基因内所含内含子数目不等等。,二、线粒体基因组,自从1989年从自然界分离的粗糙脉孢菌中发现了丝状真菌的第一个转座子Tad以来，从许多其他丝状真菌中也发现了转座因子，而且转座因子与植物病
14、原菌的致病和培养性状的高度变异有关。很多真菌细胞内带有质粒，有些真菌细胞内含有病毒。,三、质粒、转座因子及病毒,大多数丝状真菌中的质粒位于线粒体内，目前还没有发现质粒对寄主真菌的生长有明显的影响。也许质粒能够赋予寄主选择优势，如在线粒体代谢或分裂的某些方面。另外，有些质粒与宿主真菌的老化有关。,第五节 丝状真菌中的质粒,真菌细胞中的质粒一般是环状或线性的双链DNA分子，而且大多是不编码任何表型性状的隐蔽质粒，位于细胞核或线粒体内。,1. 线性质粒 有末端反向重复序列(TIR)，其长度因质粒种类而异 质粒的两个5末端各有一个结合蛋白，保护质粒不受核酸外切酶的破坏 有两个非重叠的ORF，每个 OR
15、F都起始于末端反向重复序列内，但转录方向相反，即转录方向都是从末端指向中央。其中一个ORF编码DNA聚合酶，另一个编码RNA聚合酶，它们与噬菌体和酵母线粒体中的聚合酶具有相似性。在两个ORF之间有基因间隔区，虽然含有转录信号，但尚未发现有什么功能。,一、质粒的类型,2. 环状质粒 Fiji和LaBelle这两种环状质粒编码DNA聚合酶；Mauriceville和 Varkud这两种质粒编码反转录酶。 脉孢菌属中的环状质粒都产生全长的RNA转录物，特别是Mauriceville和Varkud质粒。,大多数真菌的线性质粒也具有末端重复序列（TIR）和共价结合蛋白(TP) 。有些质粒具有像脉孢菌那样
16、的两个ORF，但有些只有一个ORF。 不同的质粒，其ORF的排列可能也不同。有些质粒如尖孢镰刀菌中的质粒：pFOXC1、pFOXC2、pFOXC3则编码反转录酶。 立枯丝核菌中的3个线性质粒在几方面表现出非典型性，它们的末端似乎是闭合的发夹结构，其ORF都不大于91个氨基酸。,3. 其他丝状真菌中的质粒,一般线粒体质粒的遗传与线粒体和线粒体DNA(mtDNA)有相同的遗传方式。在有性杂交中，母本的质粒绝大多数或全部地传递给子代，一个例外是四孢壳孢菌AL2菌株中的 pAL2-l质粒，当AL2在杂交中作为母本时，有些后代不含质粒。 实验室内的研究表明，在种内和种间存在着质粒水平转移。,二、质粒的遗传,中脉孢菌的Kalilo质粒和粗糙脉孢菌中的Mauriceville质粒能整合到线粒体DNA上，引起寄主菌株的衰老和死亡。 质粒的存在与菌株的衰老呈正相关，质粒的转移
