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1、第十章 微生物的遗传变异与育种 第一节 遗传物质的物质基础 l遗传(heredity)： l亲代生物传递给子代一套实现与其相同 形状的遗传信息。 l 特点：具稳定性。 遗传型（genotype）： 又称基因型，指某一生物个体所含有的 全部基因的总和 是一种内在可能性或潜力。 l 变异(variation): 生物体在外因或内因的作用下，遗传 物质的结构或数量发生改变而导致表 型改变。 变异的特点： a。群体一般为10-610-10； b.形状变化的幅度大； c. 变化后形成的新性状是稳定遗传的 。 表型（phenotype）： 指生物体所具有的一切外表特 征和内在特性的总和; 是具一定遗传型的
2、生物在一定 条件下所表现出的具体性状。 遗传型 + 环境条件 表型 l 。 l 饰变（modification）： 指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录 、转译水平上的表型变化。 特点： a.几乎整个群体中的每一个个体都发生同样 的变化； b.性状变化的幅度小； c.因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。引 起饰变的因素消失后，表型即可恢复。 一、3 个经典实验 （一）经典转化实验 （二）噬菌体感染实验 （三）植物病毒重建实验 （一）经典转化实验 l1928年 F.Griffith 肺炎链球菌 l使小鼠患败血症死亡 lS型菌株-菌株形成荚膜、菌落表面 光滑、致病 lR型菌株-菌株不形成荚膜、菌落
3、表 面粗糙、不致病 l 平板培养实验 热死S菌不生长 活 R 菌长出RII菌 热死S菌+活R菌长出大量 R菌和10-菌 l 活R菌 + S菌无细胞抽提液 长出大量R菌和少量S菌 l 1944年 O.T.Avery 活R菌+ l加S菌DNA l加S菌DNA及DNA酶以外的酶 l加S菌的DNA和DNA酶 l加S菌的RNA l加S菌的蛋白质 l加S菌的荚膜多糖 l 长出S菌 只长R菌 10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离 吸附离心 沉淀细胞进一步培养 后，可产生大量完整 的子代噬菌体 （二）噬菌体感 染实验 含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中 l （三）植物病毒的重建实验 二、遗传物质在细胞内
4、的存在部位和方 式 l（一）核酸存在的七个水平及质粒 细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 细胞核水平: 原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA 染色体水平: 倍性(真核)和染色体数 核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链 基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量， 转录翻译 密码子水平：信息单位,起始和终止, 核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基 DNA 的三种存在形式 第二节 基因突变和诱变育种 一、基因突变 一、基因突变 l突变：指生物体的表型发生的可 遗传的变化。 l狭义突变：基因突变点突变 l广义突变：基因突变和染色
5、体畸变 l突变的几率：10-6 -10-9 l 野生菌株 -突变-突变株 （一）基因突变类型（表型分类） 营养缺陷型（株） 抗性突变型（株） 条件致死突变（株 ） 形态突变型（株） 抗原突变型（株） 产量突变型（株） l营养缺陷型因突变而丧失合成某 种物质的能力，因此必须在培养基中 添加某种物质才能生长的突变类型。 l抗性突变型因突变而产生了对某 种化学药物或致死物理因子的抗性的 突变株。 l 条件致死突变型突变后在某种 条件下可正常生长繁殖，而在另一 条件下却无法生长繁殖的突变型 抗原突变型因突变而引起的抗 原结构发生改变 （二）突变率 l每一细胞在每一世代中发生某一性状突 变的几率。 l突
6、变率为108是指该细胞在一亿次细胞 分裂中，会发生一次突变。 l突变率也可以用每一单位群体在每一世 代中产生突变株（mutant，即突变型） 的数目来表示。 l突变率=突变细胞数/分裂前群体细胞数 l l突变是独立的独立的。某一基因发生 突变不会影响其它基因不会影响其它基因的突变 率。 （三）基因突变的特点 以细菌的抗药性为例。 不对应性：突变的性状与突变 原因之间无直接的对应关系。 自发性：突变可以在没有人为 诱变因素处理下自发地产生。 稀有性：突变率低且稳定。 （三）基因突变的特点 独立性：各种突变独立发生， 不会互相影响。 可诱发性：诱变剂可提高突变 率。 稳定性：变异性状稳定可遗传 。
7、 （三）基因突变的特点 可逆性：从原始的野生型基因 到变异株的突变称为正向突 变，从突变株回到野生型的 过程则称为回复突变 （四）基因突变的自发性和不对应性 l变量试验又称波动试验或彷徨试验。 l1943年，S. E. Luria 和M. Delbrck 根据统计 学原理，设计了的实验。 l大肠杆菌 l大肠杆菌的T1噬菌体（烈性噬菌体） l观察统计抗噬菌体的抗性菌株数量 l 2、涂布实验 原理与变量试验相同，方法更为简 便，且可计算突变率。 l （五）基因突变剂机制 l自发突变 l诱发突变 1、 染色体数目的变化 ln-2n-3n-4n 整倍变化 ln-n+1、n-1， 2n-2n+1、2n-
8、1、2n-2 非整倍 变化 l原核生物只有一条染色体，但可成为部分二倍体 。 2、 染色体结构的变化 染色体结构的变化也称为染色体畸变，包括：缺 失、重复、倒位、易位、转座。 一般认为这是由于染色体单体发生断裂后，错误 性愈合而造成的。 可造成隐性基因的表达、显 形基因的拷贝数增多、某一性状的缺失、基因间 连锁程度的变化、不同染色体基因的连锁等变化 。 重复、缺失、倒位、易位 转座因子（可移动基因、跳跃基因） l插入序列 IS l转座子 Tn l转座噬菌体 Mn l转座频率：10-510-7 l l转座因子-复制-非同源重组 l正向重复序列-转座酶基因-反向重复序列 l 3、基因突变（点突变）
9、的诱变机制 l诱变剂（mutagen）：凡能提高突 变率的任何理化因子，就称为诱 变剂 l种类：诱变剂的种类很多 l代表性的诱变剂的作用机制。 l （1）碱基置换（substitution） 一对碱基被另一对碱基所置换。 转换（transition），即DNA链中的一个嘌 呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧 啶所置换； 颠换（transversion），即 一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一 个嘌呤所置换。 l 碱基的置换（实线代表转换； 虚线代表颠换） 碱基置换后会出现下列几种情况 (1) 错义突变 一种氨基酸，变成另一种氨 基酸； l(2) 无义突变 氨基酸的碱基置换后变成 lUAG（
10、琥珀突变）、 lUAA（赫石突变） lUGA（乳石突变）等终止密码子； l 配对原则 嘌呤 -嘧啶 6位上是氨基的嘌呤-4位上是酮基的嘧啶 6位上是酮基的嘌呤-4位上是氨基的嘧啶 * 烷化剂(alkylating agent) l带有一个或多个活性烷基，诱变作用 是其与DNA中的碱基或磷酸作用。 l常见的烷化剂有硫酸二乙酯（EDS） 、甲基磺酸乙酯（EMS）、N-甲基- N-硝基-N-亚硝基胍（NTG）、亚 硝基甲基脲(NMU)、氮芥、乙烯亚胺 和环氧乙酸等。 B 间接引起置换的诱变剂 l这类诱变剂主要是一些碱基类似物 l这些化合物有5-溴尿嘧啶（5-BU），5-氟尿嘧啶 (5-FU)、8-氮
11、鸟嘌呤(8-NG)和2-氨基嘌呤（2-AP ）等。 l它们与正常碱基的结构类似，在DNA复制时， 它们可以被错误地掺入DNA，引起诱变效应， 所以说它们引起碱基置换的作用是间接的。 （2）移码突变 l移码突变是指由一种诱变剂引 起DNA分子中的一个或少数几 个核苷酸的插入或缺失，从而 使该部位后面的全部遗传密码 发生转录和翻译错误的一类突 变。 移码突变诱变剂 l吖啶类染料（原黄素、吖啶黄 、吖啶橙等） l和一系列称为ICR类的化合物 （美国的肿瘤研究所合成而得 名），都是移码突变的有效诱 变剂 4、自发突变的机理 l大多数自发突变本质上也是诱发 的，只不过它不是人为的，而是 自然环境或细胞内
12、环境诱发的。 l细胞外因素、 l细胞内因素 lDNA分子内部因素 （1）细胞外的诱发因素 l自然环境或人工条件下的物理和化学因素 l自然环境中，宇宙间的短波辐射、宇宙线和紫外 线等，多因素低剂量长期辐射的综合效应，将会 引起生物的自发突变。 l自然环境中存在低剂量的金属离子、高分子化合 物、生物碱药物、染料等都能成为引起生物突变 的化学因素 （2）细胞内的诱发因素 l细胞的代谢活动会产生一些诱变物质 ，如过氧化氢、咖啡碱和重氮丝氨酸 等，它们是引起自发突变的内源诱变 剂。 l许多微生物的陈旧培养物中易出现自 发突变株，可能就是这类原因。 l （3） DNA分子内部因素 DNA分子中的碱基存在着
13、互变异构效 应。 A、T、G、C四种碱基，存在酮 基结构（T，G）或氨基结构（A，C ）， 酮式与烯醇式存在互变异构， 氨基式与亚氨基式存在互变状态 （3） DNA分子内部因素 l一般生理条件下，碱基互变平衡反应倾向 于酮式或氨基式， lDNA两条互补链之间总是以A:T和CG碱 基配对。 l但T偶尔也会以稀有的烯醇式形式出现， 这样在DNA复制到达这一位置的瞬间，新 合成链中T对应的不再是A，而是G； （3） DNA分子内部因素 l同理，若碱基C以稀有的亚氨基形式出现 ，在DNA复制到达这一位置的瞬间，则它 对应的不是G l据统计，碱基对发生自发突变的 几率约为10 8 10 9。 l 环出效
14、应 环状突出效应。有人提出，在DNA 的复制过程中，如果其中某一单 链上偶然产生一个小环，则会因 其上的基因越过复制而发生遗传 缺失 （六）紫外线对DNA的损伤及其修复 l嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多。 嘧啶的光化产物主要是二聚体和水合物。 其中了解较清楚的是胸腺嘧啶二聚体的形 成和消除。 l紫外线的主要作用是使同链同链DNA的相邻嘧 啶间间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体。 1、光复活作用（photoreactivation ） l经紫外线照射后的微生物立即暴露于 可见光下时，可明显降低其死亡率的 现象，称为光复活作用。 对照：8106个/ml E.coli U.V. 100个/ml 试验：8106个/ml E.coli U.V. 360490nm 2106个/ml E.coli 可见光，30分 l 1、光复活作用（photoreactivation ） l经紫外线照射后形成的带有胸腺嘧啶二聚 体的DNA分子，在黑暗下会被一种光激活 酶即光裂合酶（photolyase）结合，当形 成的复合物暴露在可见光（300500nm） 下时，此酶会因获得光能而发生解离，从 而使二聚体重新分解成单体。光激活酶也 从复合物中释放出来。每一E.coli细胞中 约含有25个光激活酶分子。 1、光复活作用（photorea
