第八章微生物的遗传变异

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1、第八章 微生物的遗传变异 遗传性：指生物的亲代传递给其子代一套遗 传信息的特性。 基因型：指生物体所携带的全部基因的总称 。 表型：指遗传特性在一定环境条件下的具体 表现。 变异：指遗传型的改变，即生物遗传物质结 构上发生改变。 饰变：同样遗传型的生物，在不同的外界条 件下呈现不同的表型。 第一节 微生物遗传变异的物质基础 （一）转化实验 1944年美国洛克非勒医学研究所的Avery 等人证实了1928年英国人Griffith的发现，并 将肺炎链球菌S型的DNA成功的转化无毒性的 肺炎球菌R型为有毒的肺炎球菌S型，第一 次证明了载有肺炎链球菌S型荚膜遗传信息 的物质是DNA。 （二）噬菌体的感

2、染实验 1953年美国人Hershey和Chase用放射性同位素方法，提供 了DNA是噬菌体遗传物质的直接证据。他们用含32P和35S的培养 基培养大肠杆菌H，再用被标记的大肠杆菌培养2噬菌体， 直至完全标记上32P和35S的T2噬菌体为止。用标记的T2噬菌体侵 染没有标记的大肠杆菌，结果表明，2噬菌体外壳蛋白中有 35S放射性并与细菌的细胞壁连接，而DNA部分则有32P放射性并 进如细菌的细胞质中。这一事实说明，在噬菌体侵染细菌过程 中蛋白质外壳留在细菌细胞外，只有DNA进入了细胞，又一次证 明遗传物质是DNA，而不是蛋白质。 （三）病毒拆开和重建实验 通过FraenbkelConrat等在

3、植物病毒领域中的著名实验 ，证明RNA是烟草花叶病毒的遗传物质。 第二节 微生物突变 突变（mutation）指遗传物质-核酸（DNA或RNA ）中的核苷酸顺序突然发生了稳定的可遗传的变化。 突变包含基因突变和染色体畸变，基因突变是由于DNA 链上的一对或少数几对碱基发生改变而引起的。 一、基因突变的自发性和突变结果与原因不对应性的 证明 人们通常认为，某种细菌从对药物敏感到产生抗 性是由于药物长期作用于细菌的结果，但实际上，对 药物的这种抗性突变与接触药物无关，即突变的性状 与引起突变的原因间无直接的对应关系。后来，人们 通过几个严密的科学实验后终于证明，在接触抗性因 子之前便已出现了抗性菌

4、落。最著名的实验有：变量 试验、涂布试验、影印培养试验 （一）变量试验 1943年，鲁里亚（S.E.Luria）和德尔波留克（M.Delbruck） 首先设计。其要点是：先将大肠杆菌液分成等量的两部分。一部 分装在大试管里，另一部分装在50支小试管里，将大小试管里的 大肠杆菌放在恒温箱里培养，经过24到60小时后分别接种到固体 培养基上。一只大试管分接50副培养皿，而50支小试管，每支接 一副培养皿。每皿固体培养基里有等量的噬菌体，能生长的大肠 杆菌是抗噬菌体的突变体。所得结果是，从一支大试管里长出来 的菌落，也就是抗噬菌体的数量比较一致，即使有差异，也仅仅 是实验上的误差。而由50支小试管长

5、出来的抗噬菌体菌落，在数 量上的差异较大。这说明抗噬菌体突变体是在接触噬菌体前在一 次细胞分裂过程中随机自发产生的。这一自发突变发生得越早， 则抗噬菌体菌落出现得越多，反之越少。抗噬菌体突变体的出现 与是否接触噬菌体无关。 （二）涂布试验 1949年Newcombe设计的试验，其要点：在12个平板 上涂上数目相等的敏感于T1噬菌体的大肠杆菌，经5小 时的培养，在皿上长出大量的微菌落，取其中6皿直接 喷上T1噬菌体，另6皿则先用灭菌玻棒把微菌落重新均 匀涂布一次后同样喷上等量的T1噬菌体，培养后发现， 涂布过的一组有抗性菌落353个，比未涂布过的（仅28 个菌落）高得多。这说明该抗性突变发生在未

6、接触噬菌 体前，噬菌体的加入不是诱导突变的因素。 （三）影印培养试验 所谓影印培养法，实质上是使在一系列培养皿的相 同位置上能出现相同菌落的一种接种培养方法。1952年 J.Lederberg夫妇首先进行的实验，是通过使菌不接触 抗性环境而检查其抗性菌落出现的方法来证明的。方法 要点是：包有灭菌丝绒布的木质圆柱（直径略小于培养 皿底）为印章，用不具抗性环境（如不加抗生素等）的 完全培养基进行培养，以印章轻轻粘取菌落，然后再一 一接种到不同的选择培养基（如含有不同抗生素等）上 ，培养后，对各培养皿相同位置上的菌落作比较，便可 选出相应的突变型菌落。 二、自发突变 自发突变：指微生物在没有人工参与

7、下所发生的突变。 自发突变可能的机制： （一）背景辐射和环境因素的诱变 例如：充满宇宙空间的各种短波辐射、高温的诱变效应以及自 然界中存在的诱变物质的作用。由于长期受到原因不详的诱变因 素的综合效应，便发生自发突变。 （二）微生物的代谢产物的诱变 通常存在于细胞内的天然物质，如：过氧化氢、咖啡碱、硫氰 化合物、二硫化二丙烯、重氮丝氨酸等。它们既是微生物的代谢 产物，又可以引起微生物的自发诱变。 （三）环出效应 在DNA复制的过程中，如果其中某一单链上偶尔产生一小环，则 会因其上的基因越过复制而发生遗传缺失，从而造成自发突变。 三、诱发突变 （一）物理因素的突变 1.紫外线 紫外线的大剂量作用可

8、导致菌体死亡，小剂量则可引 起突变。其主要生物学效应是其对DNA的作用。其中主 要机制是胸腺嘧啶二聚体的形成，它可在同一条链或两 条链上发生。但发现形成的复合物暴露在可见光下，会 使胸腺嘧啶二聚体重新解聚成为单体，此过程称为光复 活作用。在紫外线照射进行诱变育种工作时，必须在红 光下进行处理或操作，并在黑暗条件下培养，以免发生 光复活作用。 2.X射线和射线 X射线和射线是不带电的光量子，不能直接引起 物质电离，但在与原子或分子碰撞时，能把全部能量 或部分能量传给原子而产生次级电子，这些次级电子 具有很高的能量，使产生电离作用，从而直接或间接 的改变DNA的结构。其直接效应是使碱基间、DNA间

9、、 糖与磷酸间相接的化学键断裂；间接效应是，电离作 用引起水或有机分子产生自由基作用于DNA分子，导致 缺失或损伤。 （二）化学因素的诱变 1.碱基结构类似物 这是一类与正常碱基结构（A、T、C、G）相似的物质，如 5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-脱氧尿嘧啶（5-dU）、8-氮鸟嘌呤（8- NG）、2-氨基嘌呤等，它们能掺入DNA分子中而不妨碍DNA的正常 复制，但其发生的错误配对便可引起碱基对的置换，出现突变。 这类代谢类似物只有对正常进行新陈代谢和繁殖着的微生物才起 作用，而对休止细胞，游离的噬菌体粒子或离体的DNA分子却不 起作用。 2.与核酸上碱基起化学反应的诱变剂 有些化合物能与DNA

10、分子的某些基团起化学反应 ，如亚硝酸可使碱基脱氨，脱去的氨基被羟基取代， 从而使A、G、C分别转变成H（次黄嘌呤）、X（黄嘌 呤）、U（尿嘧啶），复制时它们便与C、G、A配对。 3.移码诱变 吖啶类化合物,如原黄素、吖啶橙、吖啶黄 、a-氨基吖啶等是一类染料，具有扁平结构，能插 入到DNA分子的碱基对之间，使DNA结构变形，在复 制时产生不对称交换，从而引起在DNA链中插入或 缺失一个或几个核苷酸，造成这一对核苷酸以后所 有密码发生移动，产生移码突变。 四、诱变育种 诱变育种是指通过人工方法处理微生物， 使之发生突变，并运用合理的筛选程序和方法 ，把适合人类需要的优良菌株选育出来的过程 。 第

11、三节 基因重组 把两个不同性状的个体内的遗传基因转移 到一起，经过遗传分子的重新组合，形成新遗 传型个体的方式，称为基因重组（gene recombination）。 原核微生物的基因重组方式主要有转化 、转导、接合等形式。 一、转化（transformation） 受体菌直接吸收了来自供体菌的DNA片段，通过交 换，把它组合到自己的基因组中，从而获得了供体菌的 部分遗传性状的现象，称为转化（transformation)。 转化后的受体菌，就称转化子（transformant）。 受体菌：只有处于感受态的细菌才能吸收外源DNA实 现转化。细菌的感受态是一种生理状态，它可以通过感 受态因子，一

12、种蛋白质因子在细胞间的转移而获得；也 可由某些生长条件诱导而成，如受体菌由丰富培养基转 移到贫瘠培养基时约15%的枯草杆菌进入感受态。也与 培养时间有关，如肺炎球菌的感受态出现在对数期后的 40min。 转化过程示意图 二、转导（transduction） 通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体为媒介，把一个细胞（供 体细胞）的DNA片段转移到另一个细胞（受体细胞）中，并使后 者发生遗传变异的过程，称为转导(transduction)。通过转导获 得部分供体细胞部分遗传性状的重组受体细胞，称为转导子。携 带供体部分遗传物质（DNA片段）的噬菌体称为转导噬菌体或转 导颗粒。在噬菌体内仅含有供体DNA的称为

13、完全缺陷噬菌体；在 噬菌体内同时含有供体DNA和噬菌体DNA的称为部分缺陷噬菌体（ 部分噬菌体DNA被供体DNA所替换）。 三、接合（conjugation) 通过供体菌和受体菌完整细胞间的直接接触而传递大段DNA的 过程，称为接合(conjugation)。 接合菌株与F因子 在细菌中，接合现象研究的最清楚的是大肠杆菌。大肠杆菌 有性别分化。决定其性别的因子是F因子（即致育因子或称性质粒 ），这是一种在染色体外的小型独立环状DNA单位。F因子是一种 属于附加体（episome）的质粒，它既可脱离染色体在细胞内独立 存在，也可插入（即整合）到染色体组上。由于F因子在细胞中的 有无和存在方式的不

14、同，可把大肠杆菌分成4种接合类型：F+（雄 性菌株）、F-（雌性菌株）、Hfr（高频重组菌株），F菌株。 F因子的存在和转移方式 （三）几种杂交结果 1、F+菌株和F-菌株接合的结果是产生二个F+菌株。 2、F菌株和F-菌株接合的结果是产生二个F菌株。 3、Hfr菌株和F-菌株接合，在大多数的情况下，受体 细菌仍然是F-，只有在极少数的情况下，由于遗传物 质转移完整，受体细菌才能成为Hfr菌株。 第四节 基因工程 基因工程（gene engineering）指基因水平上的 遗传工程，它是用人为方法将所需要的某一供体生物 的遗传物质（DNA大分子）提取出来，在离体条件下 进行切割后，把它和作为载

15、体的DNA分子连接起来， 然后导入某一受体细胞中，以让外来的遗传物质在其 中安家落户，进行正常的复制和表达，从而获得新 的物种的一种崭新的育种技术。 一、基因分离 1、提取供体细胞的DNA，加入专一性很强的限制性核酸内切酶 ，从而获得带有特定基因并露出称为黏性末端的DNA。 2、提供作为载体的细菌质粒（也可用噬菌体或病毒作载体）。 其中DNA也可用同样的限制性核酸内切酶切断，露出其相应的黏 接末端。 二、体外重组 把供体细胞的DNA片段和质粒DNA片段放在试管中，在较低 的温度（56）下混合“退火”，当两者混合在一起时，凡 粘接末端上碱基互补的片段，就会因氢键的作用而彼此吸引， 重新形成双键。

16、这时，在外加连接酶的作用下，供体DNA片段与 质粒DNA片段的裂口处被“缝合”，形成一个完整的有复制能力 的环状重组体，及“杂种质粒”。 三、载体传递 通过载体把供体的遗传基因导入受体细胞内。载体必须具有 自主复制的能力。 四、复制表达 “杂种质粒”进入受体细胞后，能通过自主复制而得到扩 增，并使受体细胞表达出为供体细胞所固有的部分遗传性状，成 为“工程菌”。 五、筛选、繁殖 重组后的杂种质粒的性状是否符合原定蓝图，以及它 能否在受体细胞内正常增殖和表达等还需要经过仔细检查，以便 能在大量个体中设法筛选出所需要性状的个体，然后才可加以繁 殖和利用。 第五节 菌种退化、复壮和保藏 在微生物的研究中，要保持一个优良菌株的遗传稳定 性是一件艰苦的工