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1、第5章 微生物的遗传 变异与菌种选育 8. 1 微生物遗传变异的物质基础 1. 遗传和变异的物质基础 2. DNA的结构与复制 3. 遗传物质的存在形式 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（表现型）：生物的全部遗传因子及基因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。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 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。遗传型变异（基因
2、变异、基因突变）：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（自发发突变频变频 率通常为为10-6-10-9）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。t 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。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
3、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；1. 微生物遗传变异的物质基础 1.1. 遗传和变异的物质基础 遗传变异的物质基础是核酸(DNA)。 三个经典的实验:肺炎双球菌的转化实验噬菌体的感染实验 烟草花叶病毒的拆开与重建实验 1.1.1. 肺炎双球菌的转化实验 转化(transformation)是指受体细胞直接摄取供体 细胞的遗传物质（DNA片段），将其同源部分进行 碱基配对，组合到自己的基因中，从而获得供体细 胞的某些遗传性状，这种变异现象，称为转化。 F.GriffithF.Grif
4、fith， 研究对象：研究对象：Streptococcus Streptococcus pneumoniaepneumoniae（肺炎双球菌）肺炎双球菌） S SIIIIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性 R RIIII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性（1）动物实验 对小鼠注射活RII菌或死SIII菌 小鼠存活 对小鼠注射活SIII菌小鼠死亡 对小鼠注射活RII菌和热死SIII菌 小鼠死亡 抽取心血 分离 活的SIII菌1928年，Griffith进行了以下几组实验：GriffithGriffith 转化
5、试验转化试验 示意示意混合培养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 2）细菌培养）细菌培养 实验实验（3）S型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明：加热杀死的SIII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RII型 细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。热死SIII菌不生长 活 RII 菌长出RII菌 热死SIII菌长出大量RII菌和10-6SIII菌活R菌+S菌无细胞抽提液长出大量R菌和 少量S菌+活RII菌平皿培养1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M.McCa
6、rty从热死S型 S. pneumoniae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： 加加S S菌菌DNA DNA 加加S S菌菌DNADNA及及DNADNA酶以外酶以外的酶的酶 加加S S菌的菌的DNADNA和和DNADNA酶酶 加加S S菌的菌的RNA RNA 加加S S菌的蛋白质菌的蛋白质 加加S S菌的荚膜多糖菌的荚膜多糖 活R菌长出S菌只有R菌只有S型细菌的DNA才能将S. pneumoniae的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。（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中10分钟后 用捣碎
7、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1.1.21.1.2噬菌体感染实验噬菌体感染实验 A. D. HersheyA. D. Hershey和和M. ChaseM. Chase， 1952 1952年年沉淀中含 25%放射性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%放射性以以3535S S标记蛋白质外壳做噬菌体感染标记蛋白质外壳做噬菌体感染 实验实验（2 2）含）含3535S-S-蛋白质的一组：放射性蛋白质的一组：放射性75%75%在上清液中在上
8、清液中1.1.31.1.3烟草花叶病毒的拆开与重建实验烟草花叶病毒的拆开与重建实验为了证明核酸是遗传物质，为了证明核酸是遗传物质，H. H. FraenkelFraenkel ConratConrat （19561956）用含用含RNARNA的烟草花叶病毒（的烟草花叶病毒（TMVTMV）进进 行了著名的植物病毒重建实验。行了著名的植物病毒重建实验。 将将TMVTMV在一在一 定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外 壳与壳与RNARNA核心相分离。分离后的核心相分离。分离后的RNARNA在没有蛋在没有蛋 白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典白质包裹的
9、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型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒 子。子。选用选用TMVTMV和霍氏车前花叶病毒（和霍氏车前花叶病毒（ HRVHRV），），分别拆分取得各自分别拆分取得各自 的的RNARNA和蛋白质，将两种和蛋白质，将两种 RNARNA分别与对方的蛋白质外分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：壳重建形成两种杂合病毒：（1 1）RNARNA（TMVTMV） 蛋白质（蛋白质（ HRVHRV） （2 2）RNARNA（HRVHRV） 蛋白质（蛋白质（ TMVTMV） 用两种杂合病毒感染寄主：用两种杂合病毒感染寄主： （1 1）表现
10、）表现TMVTMV的典型症状病分离的典型症状病分离 到正常到正常TMVTMV粒子粒子 （2 2）表现）表现HRVHRV的典型症状病分离的典型症状病分离 到正常到正常HRVHRV粒子。粒子。 上述结果说明，在上述结果说明，在RNARNA病毒中，遗传病毒中，遗传 的物质基础也是核酸。的物质基础也是核酸。MTV HRVHRV MTV1.2 DNA的结构与复制 1.2.1 DNA的结构 四种碱基：A(腺嘌呤adenine)、T(胸腺嘧啶thymine)、C (胞嘧啶cytosine)、G(鸟嘌呤guanine) 一个DNA分子可含几十万或几百万碱基对 ，分子量最小的2.3104，最大的达11010 ，
11、右手螺旋， 每个螺旋10对碱基DNA双螺旋蛋白质染色质的 一部分放大再放大DNA放大为平面 模式图B-DNA活性最高，Z-DNA活性最低。 基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制能力的遗传功能单 位。它是DNA分子上一个具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。 按功能可分三种：第一种是结构基因，编码蛋白质或酶的结构，控制某种蛋白质或酶的 合成。但tRNA和rRNA基因不编码蛋白质。第二种是操纵区，它的功能像“开关”，操纵结构基因的表达。第三种是调节基因，它控制结构基因。例如：大肠杆菌三种有关利用 乳糖的酶是由三个结构基因决定的。先由调节基因决定一种阻抑蛋白 封闭操纵区的作用，使三个结构基因
12、都不能表达，阻抑了酶的合成。 当培养基中有乳糖时阻抑蛋白失活，不能封闭操纵区，因而结构基因 得以表达，合成能利用乳糖的酶。 一个基因的相对分子质量大约为6l05，约有1000个碱基对，每个细 菌约具有5000至10000个基因。基因控制遗传性状，但不等于遗传性 状。任何一个遗传性状的表现都是在基因控制下的个体发育的结果。 从基因型到表现型必须通过酶催化的代谢活动来实现。基因直接控制 酶的合成，即控制一个生化步骤，控制新陈代谢，从而决定了遗传性 状的表现。 1.2.2 DNA的复制半保留、半不连续复制，复制过程都存在引发、延长和终止3个阶段在原核生物中，复制起始点通常为一个， 而在真核生物中则为
13、多个。 DNA复制的 不同方式1.3. 遗传物质的存在形式 基因组（genome）： 一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称原核生物（如细菌），多为单倍体（在一般情况下只有一条染色体） 真核微生物，多条染色体，例如啤酒酵母有16条染色体。有时为双倍体质粒（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。转座因子（transposable element）：位于染色体或质粒上的一 段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中 。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子几种代表性质粒： 1.F-因子（fer
14、tility factor） 致育因子/性因子，62106Dalton，94.5kb，相当 于核染色体DNA2%的环状双链DNA，足以编码 94个中等大小多肽，其中1/3基因（tra区）与接合 作用有关。 存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟 氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别。 2.巨大质粒（mega质粒） 为近年来在Rhizobium（根瘤菌属）中发现的一种 质粒，分子量为200300106Dalton，比一般质 粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒，其上有一 系列固氮基因。v3.Ti（毒性）质粒（tumoe inducing plasmid ） 即诱癌质粒。长200kb，是一种大型质粒。
15、 存在于根癌土壤杆菌（Agrobacterium tumefaciens）中。赋予宿主引起许多双子叶植 物的根癌的特性。 Ti质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体 。一些具有重要形状的外源基因可借DNA重 组技术设法插入到Ti质粒中，并进一步使之整 合到植物染色体上，以改变该植物的遗传性 ，达到培育植物优良品种的目的。 4.Col因子（colicinogenic factor） 产大肠杆菌素因子。大肠杆菌素是一种由E.coli的某些菌株所分泌的细菌蛋白，具有通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死不含Col因子的近缘的其它肠道细菌。 凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。 有些G+细菌也产生细菌素，如用于食品保藏的Nisin ColE1研究得很多，并被广泛地用于重组DNA 的研究和用于体外复制系统上。v5.R（抗生素抗性和重金属抗性）因子（ resistence factor） 最初发现于痢疾志贺氏菌（Shigella dysenteriae）， 后来发现还存在于Salmonella、Vibrio、Bacillus、 Pseudomonas和Staphylococcus中。 R因子由相连的两个DNA片段组成，即抗性转
