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1、第第 七七 章章 微生物的遗传变异和育种微生物的遗传变异和育种遗传： 亲代与子代相似变异： 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遗传型：表型：生物所携带的全部遗传因子或者基因的总称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特征和生理特征的总和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型饰变：表型的差异，只与环境有关Production of a red pigment (prodigiosin) by Serratia marcescens. From left to right: sla
2、nt culture grown at 25C, slant culture grown at 37C, broth culture grown at 25C, broth culture grown at 37C. 特点：表现为全部个体的行为，变化幅度小；暂时性、不可遗传性。遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变。 特点：群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为10-6-10-9）；遗传性（稳定性）微生物是遗传学研究中的明星：t 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系；t 很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖，易于积累不同的代谢产物和中间代谢
3、物，菌落形态具有可见性与多样性；t 物种和代谢类型多样；t 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、三个证明DNA是遗传物质的经典实验1、经典转化实验肺炎链球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力）R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）1928年，F.Griffth作了3组实验 :实验说明：加热杀死的S型细菌，其细胞内存在 一种具有遗传转化能力的物质，以某种方式进 入R型细菌，使之转化为S型细菌。1944年，Avery精确重复了转化实验，确定了转化因子实验证明，将R菌转化为S菌的转化因子是DNA；而且 DNA纯度越高，转化效率也越高。2、
4、噬菌体感染实验实验证明，进入 细菌细胞内部的 物质是DNA。DNA包含有产生完 整噬菌体的全部 信息。3、植物病毒重建实验实验证明，遗传信息的流向与核酸的传递是一致的。二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式（一）遗传物质在7个水平上的形式1、细胞水平2、细胞核水平3、染色体水平4、核酸水平5、基因水平6、密码子水平7、核苷酸水平1、细胞水平真核微生物：细胞核原核微生物：核质体细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的2、细胞核水平真核生物 细胞核 核染色体原核生物 核区 DNA链核基因组在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质质粒3、染色体水平l染色体是由组蛋白与DNA 构 成的线状结
5、构；l染色体的数目在不同的生 物中是不同的；l染色体的倍数在同一生物 的不同生活时期是不同的 ；单倍体二倍体4、核酸水平核酸种类：DNA，RNA染色体核酸结构：双链、单链；环状，线状，超螺旋状DNA长度：因种而异微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开 始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为 研究微生物学的最有力的手段。5、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，众多基因，构成染色体。 每个基因的长度大体在1000-1500bp。l结构基因l调节基因原核生物的 基因通过基因调 控系统起作用的
6、。基因调控系统 由一个操纵子和 它的调节基因组 成。每一操纵子 包括3种功能上 相关的基因：结 构基因、操纵基 因和启动基因。真核生物的基因无操纵子结构，存在 着大量不编码序列和重复序列。l内含子l外显子微生物基因组结构的特点、原核生物（细菌、古生菌）的基因组1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；2）基因组上遗传信息具有连续性；一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。 3）功能相关的结构基因组成操纵子结构； 4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝； 5）基因组的重复序列少而短；个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的 rRNA和tRNA中也发现有内含子或间插序列。、真核微
7、生物（啤酒酵母）的基因组1）典型的真核染色体结构；2）没有明显的操纵子结构；3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列； 4）重复序列多。、原核生物和真核生物的基因组比较6、密码子水平遗传密码是指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。每一密码子由 3个核苷酸序列， 即1个三联体组成 。密码子一般用 mRNA上3个连续核 苷酸序列来表示。7、核苷酸水平核苷酸是最小突变单位和交换单位绝大多数生物的DNA组分中，含有四种核苷酸：腺 苷酸（AMP）、胸苷酸（TMP）、鸟苷酸（GMP）、胞苷 酸（CMP）。 RNA组分中，含有四种核苷酸：腺苷酸（AMP）、 尿
8、苷酸（UMP）、鸟苷酸（GMP）、胞苷酸（CMP）。 （二）原核生物的质粒 1、定义 质粒（plasmid）：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。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的； 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。例：接合、产毒、固氮、解毒、抗药2、结构特点通常以共价闭合环状 (covalently closed circle，简称 CCC)的超螺旋双链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）
9、3、质粒的类型 严密型质粒(stringent plasmid)：复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数松弛型质粒(relaxed plasmid)：复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid) （只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒(broad host range plasmid) （可以在许多种细菌中复制）4、质粒在基因工程中的应用质粒的优点： （1）体积小，易分离和操作； （2）环状，稳定； （3）独立复制； （4）拷贝数多； （5）存在标记位点，易筛选E. coli的pBR322质粒是一个常用的克隆载体pBR3
10、22质粒优点：（1）体积小，仅4361bp；（2）宿主细胞中稳定维持高拷贝；（3）一定条件下可扩增至1k-3k个；（4）分离极其容易；（5）可插入较多外源DNA；（6）结构完全清楚；（7）有两个选择性抗药标记；（8）很方便通过转化导入宿主细胞。5、质粒的分离与检测t 提取所有胞内DNA后电镜观察；t 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；t 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。分离：细胞裂解、蛋白质和RNA的去除、质粒与 染色体DNA分离等。检测：质粒可以从菌体内自行消失，也可以通过物理化学手段，如重金属、吖啶类染料或高温处理使其消除或抑制。没有质粒的细菌可以通过接合、转化或
11、转导等方式从具有质粒的细菌中获得，但不能自发产生。6、质粒的主要种类质粒所编码 的功能和赋 予宿主的表 型效应致育因子（Fertility factor，F因子）抗性因子（Resistance factor，R因子）产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）毒性质粒（virulence plasmid）代谢质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒（cryptic plasmid）致育因子(Fertility factor，F因子)又称F质粒，其大小约100kb，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
12、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） 。F因子能以游离状态(F+)和以 与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之 为附加体(episome)。抗性因子（Resistance factor，R因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。 抗性质粒在细菌间传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。R质粒抗性转移因子（RTF）：转移和复制基因抗性决定因子：抗性基因R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性： 汞（mercuric ion ，mer）、磺胺(Sulfonamide, Sul)、链霉素 (Streptomycin, Str)、夫西
13、地酸（fusidic acid，fus） 、氯霉素 (Chlorampenicol, Cml)、四环素（tetracycline，tet ）并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）细菌性的蛋白类毒素，能杀死其他细菌。一般都位于 质粒或转座 子上，因此 ，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。细菌素结构基因涉及细菌素运输及 发挥作用的蛋白质的基因、赋予宿 主对该细菌素
14、具有“免疫力”的相关 产物的基因。毒性质粒（virulence plasmid）许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病 原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒 素编码的质粒。苏云金杆菌含有编码内毒素(伴孢晶体中)的质粒。根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠 瘿瘤的致病因子。根癌土壤杆菌-Ti质粒植物冠瘿瘤Ti质粒（tumorinducing plasmid） l诱癌质粒；l根癌土壤杆菌的Ti质粒可引起许多双子叶植物 的根癌；l含有复制基因的Ti质粒的小片段与植物细胞中 的核
15、染色体组发生整合，破坏控制细胞分裂的 激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。 Ti质粒中的T-DNA可携带任何外源基因整合到植物基 因组中，是植物基因工程中有效的克隆载体。代谢质粒（Metabolic plasmid）质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某 些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放 线菌）等。将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利 用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。降解质粒：降解性质粒l 只在Pseudomonas（假单胞菌属）中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编 码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质作碳 源。l 这些质粒以其所分
16、解的底物命名，例如有分解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）质粒和TOL（甲苯）质粒等。 假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香族化合物(苯)、 农药(2,4-二氯苯氧乙酸 dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。隐秘质粒（cryptic plasmid）隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体 （一般加上抗性基因）Ri 质粒（root inducing plasmid)l 发根土壤杆菌可侵染双子叶植物的根部，并诱生大量不定根；l Ri质粒中的一段T-DNA整合到宿主根部细胞的核基因组中。mega质粒 l在Rhizobium（根瘤菌属）中发现的一种质粒 ，分
