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1、第七章 微生物的遗传变异与育 种第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变和诱变育种 第三节 基因重组和杂交育种 第四节 基因工程 第五节 菌种的衰退、复壮与 保藏理想的工业发酵菌种应符合以下要 求：遗传性状稳定；生长速度快，不易被噬菌体等异种微生物污染；目标产物的产量尽可能接近理论转化率；目标产物最好能分泌到细胞外，以降低产物抑制并利 于分离；尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产 量并利于分离；培养基成分简单、来源广、价格低廉；对温度、pH、离子强度、剪切力等环境因素不敏感；对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。微生物的独特生物学特 性： （1）个体的体制极其简单；（2）营养体一般
2、都是单倍体；（3）易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖；（4）繁殖速度快；（5）易于积累不同的中间代谢产物或终产物；（6）菌落形态特征的可见性和多样性；（7）环境条件对微生物群体中各个个体作用的直接性和 均一性；（8）易于形成营养缺陷型；（9）各种微生物一般都有相应的病毒；（10）存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式；遗传与变异的概念遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信 息。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。遗传
3、型 + 环境条件 表型表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特 征和内在特性的总和;-是一种现实存在，是具一 定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。代谢发育变异(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。变异的特点：a.在群体中以极低的几率出现，（10-610-10）；b.形态变化的幅度大； c. 变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。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。特点是：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
4、变是不遗传的。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。第一节 遗传变异的物质基础 种质连续理论种质连续理论：18831889年间Weissmann提出。认为遗传 物质是一种具有特定分子结构的化合物。 基因学说基因学说：1933年摩尔根发现了染色体，提出了基因学说， 使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。 但认为染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。20多 种氨基酸经过不同排列组合，能演变出无数种蛋白质，而核酸的 组成仅由4种不同的核苷酸组成，它们通过排列核组合只能产生 较少种类的核酸，因此当时认为决定生物遗传型的染色体和基因 ，其活性成分是蛋白质。 DNADNA是遗传变异的物质基础的证明是遗传
5、变异的物质基础的证明：1944年以后，先后利用 微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证（肺炎球菌的转化 试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验），才使人们普 遍接受核酸才是真正的遗传物质。Griffith进行了以下几组实验： （1）动物实验 对小鼠注射活R菌或死S菌 小鼠存活 对小鼠注射活S菌小鼠死亡 对小鼠注射活R菌和热死S菌 小鼠死亡抽取心血分离活的SIII菌一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实 验（一）经典转化实验（transformation ）:1928年， F.Griffith， 研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌） S型菌株：有荚膜，菌
6、落表面光滑，有致病性 R型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性Griffith转化试验示意混合培养RII型活菌SIII型活菌SIII型热死菌RII型活菌SIII型活菌健康健康健康健康健康健康健康病死病死病死（2）细菌培养实验（3）S型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明：加热杀死的S型细菌细胞内可能存在一 种转化物质，它能通过某种方式进入R型细胞并使R型细胞获 得稳定的遗传性状，转变为S型细胞。热死S菌不生长 活 R 菌长出R菌 热死S菌长出大量R菌和10-6S菌活R菌+S菌无细胞抽提液长出大量R菌和 少量S菌+活R菌平皿培养加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的 酶 加S菌的DNA和DNA酶
7、 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖活R菌长出S菌只有R菌1944年O.T.Avery等从热死S型中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：只有S型细菌的DNA才能将R型转化为S型。且DNA纯度越高， 转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。（二）噬菌体感染实 验 A. D. Hershey和M. Chase， 1952年（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中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 完整的子代噬菌体上清液中含 15%放射性沉淀中含 85%放射性沉淀中含 25%放射性以32S标
8、记蛋白质外壳做噬菌体感染实 验（2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中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 完整的子代噬菌体上清液中含 75%放射性（三）植物病毒的重建实 验为了证明核酸是遗传物质，H. Fraenkel-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。将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别 拆分取得各自的
9、RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒： （1）RNA（TMV） 蛋白质（HRV） （2）RNA（HRV） 蛋白质（TMV）用两种杂合病毒感染寄主： （1）表现TMV的典型症状并分离到正常 TMV粒子 （2）表现HRV的典型症状并分离到正常 HRV粒子。上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的 物质基础也是核酸。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
10、：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，四种碱基二、遗传物质在细胞内的存在部位和方 式基因：能够表达和产生基因产物（蛋 白质或RNA）的DNA序列。原核生物基因系统：启动子（基因）操纵子操纵子（基因） 基因调控系统 结构基因调节基因细胞水平：大部分或全部DNA都 集中于细胞核或核质体中，不同种 类微生物或同种不同细胞中细胞核 的数目不同染色体水平：真核微生物的每个 细胞核内含有一定数量的染色体； 而原核微生物中一个核质体就是一 个裸露的、光学显微镜下不能看到 的环状染色体。一些真核生物和原核生物基因组的比较生 物 单
11、倍体的 分子量 核苷酸 已 知染色体数 约数（Da） 对数 基 因数人 32 35 1012 57 109 4000黑腹果蝇 4 7.9 1010 8.0 107 5000 6000 粗糙脉孢菌 7 2.8 1010 4.5 107 500大肠杆菌1 2.5 109 3.8 106 1027噬菌体T41 1.1 108 2.0 105 135噬菌体 1 3.2 107 4.8 104 35 噬菌体MS21 1.1 106 3.5 103 3遗传密码：指DNA链上各个核苷 酸的特定排列顺序密码子（coden）：由3个核苷酸顺序决定，负载遗传信息的基本单位不对称转录：只有DNA双链的一股才作为有意
12、义链被转录，这种现象又称不对称转录。起始密码子：AUG，甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸终止密码子：UAA、UGA、UAG核外DNA的 种类核外 染色体真核生物 的“质粒”原核生物 的质粒线粒体 细胞质基因叶绿体 （质体）中心体 动 体 共生生物：卡巴颗粒 酵母菌的2m质粒F因子 R因子 Col质粒 Ti质粒巨大质粒 降解性质粒质粒：细菌染色体外的遗传物质，由共价闭合环状 双链DNA分子组成，能独立于细胞核进行自主复制。 大小：分子量约为100 106 D，携带1100个 基因, 一个菌细胞可有一至数个质粒。质粒的特点：q可自我复制，稳定遗传。对生存不是必 要的。复制与染色体分开，但同步进行。 q不同质
13、粒携带不同遗传信息。 q无质粒细菌可通过接合、转化、转导等 方式获得，不能自发产生。 例：细菌抗药性因子、大肠杆菌的F因子 。质粒应用:基因工程，体外重组.三、原核生物的质 粒性质： 独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染 色体上，以附加体（episome）的形式存在； 根据质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种，严紧型质粒 的复制受细胞核控制，与染色体DNA复制相伴随,一般一个寄主细胞 内只有少数几个（15）个拷贝；松弛型质粒的复制不受细胞核控 制，在染色体DNA复制停止的情况下仍可以进行复制，在细胞内的 数量可以达到10200个或更多。 可通过转化、转导或接合作用由一个
14、细菌细胞转移到另一个菌细 胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒转移时，它可以单 独转移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它可成 为基因工程的载体。 对于细菌的生存并不是必要的 功能多样化三、原核生物的质粒功能：可通过细胞间接合传递基因，其本身带有一些 基因，如产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、降解 功能等。重组：在质粒之间、质粒与染色体之间均可发生。存在范围：很多细菌如E.coli、根癌土壤杆菌等制备：包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋 白质等成分、去除RNA和蛋白质等步骤。鉴定：电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切 图谱等方法三、原核生物的质粒2.质粒在基因工程中
15、的应用 质粒在基因工程操作中的优点 ：1.体积小，便于DNA的分离和操作；2.呈环状，在化学分离过程中能保持稳定 性；3.有不受核基因组控制的独立复制起始点 ；4.拷贝数多，使外源DNA可快速扩增；5.存在抗药性基因等选择性标记，便于含 质粒克隆的检出和选择。E.Coli 的PBR322质粒的具体优点：1.体积小，仅4361bp；2.在宿主E.coli中稳定地维持高拷贝数（2030个/细胞）；3.氯霉素抑制宿主蛋白质合成，则每个细胞可扩增到含10003000个质粒；4.分离极其容易；5.可插入较多的外源DNA（不超过10bp）；6.结构完全清楚，各种核酸内切酶可酶解的位点可任意选用；7.有两个选择性抗药标记（氨苄青霉素和四环素）；8.可方便地通过转化作用导入宿主细胞。E.Coli 的PBR322质粒质粒的种类：种类 代表菌 1.接合性质粒E.Coli的F质粒；Pseudomonas（假单胞菌属 ）的pfdm和K质粒；Vibrio cholerae（霍乱 弧菌）的P质粒；Streptomyces（链霉菌属） 的SCP质粒 2.抗药性质粒：抗抗生素，抗 重金属等离子肠道细菌和Staphylococcus（葡萄球菌属） 的R质粒3.产细菌素和抗生素质粒肠道细菌；Clostridium
