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1、第八章 微生物遗传与变异,通过本章的学习，要求掌握： 1、细菌基因重组的原理和方法。 2、真菌基因重组的原理和方法。 3、微生物诱变育种的原理和方法。 4、基因工程的基本原理 5、基因表达的调控 重点： 细菌的基因重组 难点： 低频转导，高频转导，准性生殖,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： (genotype),表型： (phenotype),决定生物表现型的遗传因子,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外表特征和内在特征的总和。,表型是由遗
2、传型所决定，但也和环境有关。,遗传型环境条件,表型,表型饰变：,同样遗传型的生物在不同外界条件下显现的不同表现型的变异，不涉及遗传物质结构改变 特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为,遗传型改变引起的表型变化，发生在基因水平上，可以遗传给子代。 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）,遗传型变异（基因突变）：,第一节 遗传的物质基础,一.证明核酸是遗传物质的经典实验 1928年，F. Griffith；1944年O. T. Avery 肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）转化试验。 1952年，A. D. Hershy、M
3、. Chase的噬菌体感染实验。 1956年，H. Fraenkel-Conrat的TMV拆开和重建实验。,1、经典转化实验 肺炎双球菌： 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的转化实验,1944年，Avery的转化实验，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！,2、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。,32P标记DNA,35S标记蛋白质,3、植物病毒TMV重建实验,实验证明，TMV的遗传物质是RNA。,结论：,证明核酸（DNA
4、或RNA）是遗传的物质基础 简单的细菌（或病毒）解决复杂而重大的问题 微生物与高等生物具有共同的遗传本质,一切具有自主复制能力的遗传功能单位都称为基因。它的物质基础是一个具有特定核苷酸顺序的DNA片段。,1909年 丹麦生物学家WJohansen,二、微生物基因和基因组,结构基因：是为细胞结构、组成(如细胞生化反应所需的酶)及完成细胞功能所需的蛋白质等进行编码的基因。 调节基因：用于编码调节蛋白的基因。 操纵基因：是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，能与调节蛋白相结合，以此来决定结构基因的转录是否能进行。 重复基因：DNA片段重复 跳跃基因：可在DNA上转移位置的基因（IS因子、Tn因
5、子）,微生物基因组结构的特点:,1、原核生物（细菌）的基因组,1）染色体为双链环状的DNA分子（单体）； 2）基因组上遗传信息具有连续性； 基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数 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.,基因组genome：一种生物的全套基因。,2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组,1）典型的真核染色体结构； 啤酒酵母基因组大小为13.5106bp， 分布在16条染色体中。 2）没有明显的操纵子结构； 3）有间隔区（即非编码区）或内含子序列； 4）重复序
6、列多.,第一个完成基因组测序的真核生物基因组,3、古菌（詹氏甲烷球菌）的基因组,第一个完成基因组测序的古生菌,1) 只有40的基因与其他两界的生物有同源性 2) 古生菌的基因组在结构上类似于细菌 1.66x106bp的环状染色体DNA 1682个ORF(Open Reading Frame) 3) 负责信息传递功能的基因（复制 、转录和翻译）则类似于真核生物,质粒,1、致育因子(Fertility factor，F因子),3、产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）,2、抗性因子（Resistance factor，R因子）,4、毒性质粒（virulenc
7、e plasmid）,5、代谢质粒（Metabolic plasmid）,6、隐秘质粒（cryptic plasmid）,三、细菌染色体之外的其它遗传物质,转座因子,转座因子：细胞中能改变自身位置（例如从染色体或质粒转移到另一个位点，或者在两个复制子之间转移）的一段DNA序列。,插入序列（IS序列，两端有反向重复序列),转座子（Tn，两端为IS序列),某些病毒（Mu噬菌体）,原核生物的转座因子：,型Compound transposons：两端为IS，抗性基因居中。如Tn5、Tn9、Tn10、Tn4001、Tn4003。 型Complex transposons：两端为IR(30-50bp)，
8、中间为转座基因和抗性基因。如Tn1、Tn3、Tn21、Tn1721、Tn551。,基因转座 gene transposition,转座子的特征是在两端有IR序列,分两类：,转座的遗传学效应：,1）插入突变,2）产生染色体畸变,3）基因的移动和重排,克隆clone 不经过有性细胞的结合，由体细胞发育成新个体，即无性繁殖。 基因重组gene recombination 两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形成新的基因型的过程。 原核微生物没有有性生殖，其基因重组通过转化、接合、转导方式进行。,第三节 原核微生物的基因重组,一、细菌的接合作用(conjugation),1.实验证据,
9、通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程,接合(conjugation) 通过供体菌与受体菌间细胞接触而传递大段DNA,1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Tatum E.coli k12的多重营养缺陷型杂交实验,中间平板上长出的原养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致。,证实接合过程需要细胞间的直接接触的“U”型管实验（ Bernard Davis，1950 ）,接合机制(大肠杆菌的接合机制),接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导。F因子的分子量通常为5107，上面有编码细菌产生性菌毛及控制接合过程进行的20多个基因。,中间平板上长出的原
10、养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致！,为何采用多重营养 缺陷型菌株？,尽可能地排除回复 突变对实验结果的干扰！,F因子,大肠杆菌是有性别分化的。决定它们性别的因子称为F因子(致育因子或称性质粒)，呈超螺旋状态，既可以在细胞内独立存在, 具有自主的与染色体进行同步复制和转移到其他细胞中的能力,也可插入(即整合)到染色体上,F因子的四种形式：,a）F-菌株(“雌性”菌株)，不含F因子，没有性菌毛，但可以通过接合作用接收F因子而变成F+菌株； b）F+菌株(“雄性”菌株)， F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。,c）Hfr菌株：F因子插入到染色体DNA上,因此只要发生接合转移过程，就可以把部
11、分甚至全部细菌染色体传递给F-细胞并发生重组，由此而得名为高频重组菌株高频重组菌株，重组频率比F+高几百倍。 当Hfr菌株与F-菌株接合时，Hfr染色体在F因子处发生断裂，由环状变成线状。整段线状染色体转移至F-细胞的全过程约需100 min。 由于转移过程常中断，越在前端的基因进入F-的机会就越多，在F-中出现重组子的时间就越早，频率也高,F菌株：Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，特称为F因 子。 细胞表面同样有性菌毛。 携带有F因子的菌株，其性状介于F+与Hfr之间，这就是初生F菌株。 初生F菌株与F-菌株接合，使后者转变成F菌株，这
12、就是次生F菌株。以这种接合来传递供体菌基因的方式，称为F因子转导(F-duction)、性导(sexduction) 。 在次生的F群体中，大约有10%的F因子重新整合到染色体组上，而恢复成Hfr菌。,1） F+F-杂交,1）F+细菌通过性毛与F-细菌接触并发生相互作用； 2）F因子的转移:双链之一被切断，一条链进入F-细菌 3）进入F-细菌中的一条链复制出互补链,F-成为F+ 4）原有F+细胞也完成F因子另一条链的复制,F+ F+,2）Hfr F-杂交,Hfr菌株仍保持着F+细胞的特征。 F因子除先导区外，绝大部分处于转移染色体的末端，因转移过程常被中断，故F因子不易转入受体细胞中。 Hfr
13、F-杂交后的接合子多数仍然是F-。 染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，频率也高。,Hfr F-,3）FF-杂交,FF-与F+F-的不同： 供体的部分染色体基因随F一起转入受体细胞 a）与染色体发生重组； b）继续存在于F因子上，形成一种部分二倍体；,细胞基因的这种转移过程又常称为性导（sexduction）,F F,1、普遍性转导（generalized transduction）,(1) 意外的发现,1951年，Joshua Lederberg和Norton Zinder为了证实大肠杆菌以外的其它菌种是否也存在接合作用，用二株具不同的多重
14、营养缺陷型的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验,用“U”型管进行同样的实验时，在给体和受体细胞不接触的情况下，同样出现原养型细菌！,二、细菌的转导(transduction),1952 年Zinder 和 Lederberg 在验证Salmonella typhimurium是否也存在接合现象时发现了转导现象。 S. typhimurium： LT22A (trp-)； LT2(his-) LT22溶原性 噬菌体P22 感染LT2（非溶原性） 可能释放带trp+的P22 LT22A (trp-) 呈原养型。,（2）转导（transduction）,转导：由病毒介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式。
15、 一个细胞的DNA或RNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中。,转导噬菌体：能将细菌宿主的部分染色体和质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体。获得了由噬菌体携带来的供体菌DNA片段的受体细胞称为转导子。在转导中被转移的染色体片段称为转导因子。,细菌转导的类型：,普遍转导,低频转导 高频转导,局限转导,完全转导 流产转导,普遍转导（generalized transduction）,噬菌体可误包供体菌中的任何基因(包括质粒)转导至受体细菌中，并使受体菌实现各种性状的转导,普遍性转导的三种后果：,外源DNA被降解，转导失败。,完全转导,流产转导,完全转导complete transduction ：
16、进入受体的外源DNA通过与细胞染色体的重组交换而形成稳定的转导子 (transductant),转导DNA不能进行整合、重组和复制，但其携带的基因可经过转录而得到表达。因此群体中仅一个细胞含有DNA，而其它细胞只能得到其基因产物。,流产转导：,局限性转导是噬菌体对寄主特定基因进行的有效转移 溶原菌经诱导后，少数前噬菌体从宿主染色体脱落时产生错误切割，把宿主的某些基因整合到噬菌体的基因组上，当这样的噬菌体侵染另一宿主菌时，噬菌体 DNA 与受体菌的 DNA 同源区段配对，通过双交换而整合到受体菌的染色体组上，使受体菌获得了供体的这部分遗传特性，从而形成转导子。,局限转导（又叫特异转导）：,specialized transduction,如：前噬菌体位点两端是细菌染色体的gal和bio，经诱导后噬菌体与寄主DNA分离。但在极低的频率下会出现错切，从而使邻接的的细菌DNA被一起切除转导至受体菌。,局限性转导包括低频转导和高频转导两种类型,低频 转导：,低频转导 裂解物,
