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1、第八章微生物的遗传变异和育种 遗传 heredityinheritance 亲代与子代相似 变异 variation 亲代与子代 子代间不同个体不完全相同 遗传 inheritance 和变异 variation 是生命的最本质特性之一 1 遗传型 genotype 生物的全部遗传因子及基因 又称基因型 指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组 genome 所携带的遗传信息 遗传型是一种内在可能性或潜力 其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息 2 表型 phenotype 具有一定遗传型的个体 在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和 又称表现型 指某一生物体所具有的
2、一切外表特征和内在特性的总和 是其遗传型在合适环境下通过代谢和发育而得到的具体表现 表型是由遗传型所决定 但也和环境有关 3 变异 遗传型变异 基因变异 基因突变 指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变 亦即遗传型的改变 遗传物质改变 导致表型改变特点 遗传性 群体中极少数个体的行为 自发突变频率通常为10 6 10 9 表型饰变 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 表型的差异只与环境有关特点 暂时性 不可遗传性 表现为全部个体的行为 橘生淮南则为橘 生于淮北则为枳 4 饰变 modification 微生物是遗传学研究中的明星 微生物细胞结
3、构简单 营养体一般为单倍体 方便建立纯系 很多常见微生物都易于人工培养 快速 大量生长繁殖 对环境因素的作用敏感 易于获得各类突变株 操作性强 第一节遗传变异的物质基础 一 DNA作为遗传物质 二 RNA作为遗传物质 三 朊病毒的发现与思考 一 3个经典实验 一 经典转化试验 最早进行转化 transformation 实验的是F Griffith 1928年 他以Streptococcuspneumoniae 肺炎链球菌 旧称 肺炎双球菌 作为研究对象 1 动物实验 著名的肺炎球菌转化试验 S型 致病菌 具荚膜 菌落表面光滑 smoth R型 非致病菌 无荚膜 菌落表面粗糙 rough S型
4、 R型 加热灭菌 热死S菌 活R菌 2 细菌培养试验 3 S型菌的无细胞抽提液试验 Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验 1 从活的S菌中抽提各种细胞成分 DNA 蛋白质 荚膜多糖等 2 对各组分进行转化试验 只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性 DNA是转化所必需的转化因子 二 噬菌体感染实验 1952年 A D Hershey和M Chase发表了证明DNA是噬菌体的遗传物质基础的著名实验 噬菌体感染实验 35S 蛋白质外壳的噬菌体 32P DNA核心的噬菌体 在DNA中存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息 三 植物病毒的重建实验 为了证明核酸是遗传物质 H Fr
5、aenkel Conrat 1956 用含RNA的烟草花叶病毒 TMV 进行了著名的植物病毒重建实验 烟草花叶病毒的核酸 抗血清处理 证明杂种病毒的蛋白质外壳来自病毒1 而非病毒2 杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为病毒2 而非病毒1 遗传物质是核酸 RNA 而非蛋白质 霍氏车前病毒的蛋白质外壳 HRV HMV 亚病毒的一种 具有传染性的蛋白质致病因子 迄今为止尚为发现该蛋白内含有核酸 其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrPc改变折叠状态为PrPsc所致 而这二种蛋白质的一级结构并没有改变 二 朊病的发现与思考 思考 1 蛋白质是否可以作为遗传物质 prion是生命的一个特例 还是仅仅为表达
6、调控的一种形式 2 蛋白质折叠与功能的关系 是否存在折叠密码 DNA RNA 肽链 蛋白质 三 遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式 一 7个水平 1 细胞水平 DNA都集中在细胞核或核质体中 2 细胞核水平 3 染色体水平 1 染色体数 2 染色体倍数 单倍体 heoloid 一个细胞中只有一套染色体 双倍体 diploid 一个细胞中含有两套功能相同的染色体 指同一细胞中相同染色体的套数 4 核酸水平 1 核酸种类 2 核酸结构 3 DNA长度 DNA长度即基因组的大小 一般可用bp 碱基对 basepair kb 千碱基对 kilobp 和Mb 百万或兆碱基对 megabp 作单位 5
7、 基因水平 基因是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位 其物质基础是一条以直线排列 具有特定核苷酸序列的核酸片段 6 密码子水平 遗传密码 geneticcode 是指DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序 遗传密码的信息单位是密码子 codon 每一密码子由3个核苷酸序列即一个三联体 triplet 所组成 一般都用mRNA上3个连续核苷序列表示 7 核苷酸水平 腺苷酸 AMP 胸苷酸 TMP 鸟苷酸 GMP 胞苷酸 CMP 5 羟甲基胞嘧啶 每个碱基对 bp 的平均相对分子质量约为650 1 106的dsDNA约为1 5kb 千碱基对 或0 5mm 长度 3nmol碱基的
8、重量约等于1mg 二 原核生物的质粒1 定义和特点 质粒 一种独立于染色体外 能进行自主复制的细胞质遗传因子 主要存在于各种微生物细胞中 cccDNA ocDNA lDNA 另一类质粒的复制与核染色体的复制不同步 在这类细胞中 一般含10 15个或更多质粒 严紧型复制控制 stringentreplicationcontrol 松弛型复制控制 relaxedreplicationcontrol 质粒的复制与核染色体的复制同步 在这类细胞中 一般只含1 2个质粒 质粒是一种独立存在于细胞内的复制子 replicon 通常以共价闭合环状 covalentlyclosedcircle 简称CCC 的
9、超螺旋双链DNA分子存在于细胞中 也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒 质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb 细菌质粒多在10kb以内 2 质粒的分子结构 提取所有胞内DNA后电镜观察 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察 对于实验室常用菌 可用质粒所带的某些特点 如抗药性初步判断 特定的质粒提取方法和后处理使染色体和RNA均被除掉 3 质粒的检测 质粒的主要功能 在某些特殊条件下 质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能 从而使宿主得到生长优势 质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的 质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应 致育因子 Fertilityfactor F因子 抗性因子 Resist
10、ancefactor R因子 产细菌素的质粒 Bacteriocinproductionplasmid 毒性质粒 virulenceplasmid 代谢质粒 Metabolicplasmid 隐秘质粒 crypticplasmid 4 质粒的主要类型 1 F质粒 Fplasmid 又称F因子 致育因子 fertilityfactor 或性因子 sexfactor 其大小约100kb 为cccDNA 这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象 接合作用 有关的质粒 携带F质粒的菌株称为F 菌株 相当于雄性 无F质粒的菌株称为F 菌株 相当于雌性 2 R质粒 Rplasmid 包括抗药性和抗重金属
11、二大类 又称R因子 Rfactor 抗性因子 resisitranceplasmid 含调节DNA复制和拷贝数的基因以及转移基因 相对分子量约11 107 具有转移功能 抗性转移因子 resistancetransferfactor RTF 抗性决定因子 r determinant 大小不很固定 相对分子量从几百万至11 108以上 无转移功能 含各种抗性基因 如抗青霉素 氨苄青霉素 氯霉素 链霉素 卡那霉素和磺胺等基因 R质粒一般由两个相连的DNA片段组成 由RTF和r决定子结合而形成R质粒的过程 抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一 R100质粒 89kb 可使宿主对下列药
12、物及重金属具有抗性 汞 mercuricion mer 四环素 tetracycline tet 链霉素 Streptomycin Str 磺胺 Sulfonamide Su 氯霉素 Chlorampenicol Cm 夫西地酸 fusidicacid fus 并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上 R质粒的种类很多 例如 R1 94kb 和R100 89 3kb 等 3 Col质粒 colicinplasmid colplasmid 又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子 colicinogenicfactor colfactor 细菌素 bacteriocin 是质粒编码的蛋白质 一
13、般由细菌产生 可抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的代谢产物 但不具有很广的杀菌谱 细菌素结构基因 涉及细菌素运输及发挥作用 processing 的蛋白质的基因 赋予宿主对该细菌素具有 免疫力 的相关产物的基因 一般都位于质粒或转座子上 细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株 细菌素一般根据产生菌的种类进行命名 大肠杆菌 E coli 产生的细菌素为colicins 大肠杆菌素 而质粒被称为Col质粒 ColE1质粒 相对分子量小 9kb 约5 106 无接合作用 是松弛性控制 多拷贝的 Col b质粒 相对分子量大 94kb 约8 107 具有通过接合而转移的功能 属严紧型控制 只有1
14、2个拷贝 4 Ti质粒 tumorinducingplasmid 即诱癌质粒或冠瘿质粒 crowngallplasmid Ti质粒是一种200kb的环状质粒 包括毒性区 vir 接合转移 con 复制起始区 ori 和T DNA区4部分 T DNA区可携带任何外源基因整合到植物基因组中 Ti质粒是植物基因工程中使用最广 效果最佳的克隆载体 Agrobacteriumtumefaciens 根癌土壤杆菌或根癌农杆菌 释放出的Ti质粒上的T DNA片断与植物细胞的核基因组整合 合成冠瘿碱类 opines 破坏控制细胞分裂的激素调节系统 使之变成癌细胞 5 Ri质粒 rootinducingplas
15、mid 250kb的Ri质粒中的一段T DNA整合到宿主根部细胞的核基因组中 可发生转化 Agrobacteriumrhizogenes 发根土壤杆菌或发根农杆菌 可侵染双子叶植物的根部 并诱发大量称为毛状根的不定根 Ri质粒是外源基因的良好载体 6 mega质粒 megaplasmid 即巨大质粒 其相对分子量比一般质粒大几十倍至几百倍 存在于Rhizobium 根瘤菌属 中 其上有一系列与共生固氮相关的基因 7 降解质粒 这类质粒是由降解一系列复杂有机物的酶编码 所以在污水处理 环境保护等方面发挥作用 只在假单胞菌属 Pseudomonas 中发现降解质粒 降解质粒以其所分解的底物命名 例
16、如 CAM 樟脑 质粒 OCT 辛烷 质粒 XYL 二甲苯 质粒 SAL 水杨酸 质粒 MDL 扁桃酸 质粒 NAP 萘 质粒 TOL 甲苯 质粒等 超级菌 通过遗传工程手段构建具有数种降解质粒的菌株 具有广谱降解能力的工程菌 还没有完呢 稍等片刻 本章小结 1 真核微生物包括 植物界的显微藻类动物界的原生动物 菌物界 的真菌微生物 酵母菌霉菌蕈菌 真菌 2 真核微生物的共同特征 细胞较大 结构复杂 有细胞膜 细胞质和细胞核 真核 具有执行特殊生理功能的细胞器 3 真核微生物的特殊构造 细胞壁鞭毛和纤毛 复习思考题 试设计一张表格 比较细菌 放线菌 酵母菌和霉菌四大类微生物的细胞形态 组成 结构和菌落特征等特征 并讨论它们原生质体的制备方法 2 什么叫锁状联合 其生理意义如何 是图示其过程 下节课再见了 第二节基因突变和诱变育种 基因突变诱变育种 一 基因突变 genemutation 一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变 简称突变 是变异的一种 泛指细胞内 或病毒粒内 遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化 可自发或诱导产生 突变几率一般很低 10 6 10 9 从自然
