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1、第四章非孟德尔式遗传,生物细胞中的遗传物质可以分为两部分，大部分存在于核或核质体中，小部分存在于核或核质体外。 与染色体外的遗传物质有关的遗传现象称为染色体外遗传或非孟德尔式遗传。,染色体外的遗传因子,原核微生物(细菌和放线菌)的质粒 真核微生物的细胞器DNA （如叶绿体和线粒体） 酵母菌的“质粒”类似物等,第一节 原核微生物的质粒,质粒：存在于原核微生物细胞内，染色体以外的主要遗传物质，是能够独立复制的共价、闭合、环状的双链DNA 代号:为ccc DNA，covalently closed circle。 大小： 约为2-100106Dalton，质粒携带有数个到数十个甚至上百个基因。,可以
2、在细胞质中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； 质粒是一种复制子（replicon），根据自我复制能力的不同，可把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（1-5）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10-200个或更多。,质粒性质：,质粒性质：,质粒可以通过转化或接合作用而由一个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
3、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。 质粒对于细菌的生存并不是必要的 在质粒之间、质粒与染色体之间基因可发生重组。,质粒控制的遗传性状：,控制宿主细胞的致育性； 控制对抗生素和重金属的抗性； 控制抗生素、细菌素或毒素蛋白的产生； 控制特殊高分子有机物质的降解； 控制生物固氮作用及对植物的致瘤作用,一、质粒的研究方法和命名原则,（一）质粒的研究方法 研究质粒与表型性状的相关性可以采用质粒消除法和转移法.,1 质粒的消除（curing）和转移（transfer）,1）质粒的消除 质粒的消除：细菌质粒常因自发或诱发等原因从部分细胞中丢失，并同时失去其控制的表型性
4、状或功能。 质粒消除的理化因子：高温、吖啶橙、丝裂霉素C、溴化乙锭和利福平等。,理化因子作用机制：对质粒的复制和分离产生抑制作用；高剂量理化因子会导致DNA突变. 例1:吖啶橙对F质粒的消除，在42为100%； 例2:原生质体诱导消除质粒:先用溶菌酶处理细菌脱除细胞壁，去除质粒,然后使其细胞再生。该法已经在葡萄球菌、沙门氏菌、枯草杆菌得以应用。,2）质粒的转移,质粒的转移：有些质粒（如F质粒和R质粒）带有转移基因，能通过接合作用向受体菌转移， 小质粒（如Col质粒）受基因容量的限制一般没有自我转移能力， 可以通过转化、诱动转移或高压电脉冲等特殊手段来进行质粒的转移。,质粒转移的实验： 用含有的
5、R质粒(ampr)的大肠杆菌为供体，带有萘丁酮酸抗性基因（nalr）的根瘤菌为受体进行的质粒接合转移试验（图） 从含有Amp和Nal的双抗平板上很容易筛选出接受了R质粒的受体菌。,（二）质粒的命名原则:,1)质粒的名称一般应由三个英文字母及其编号组成，第一个字母一律用小p（plasmid）表示， 2)后两个字母应大写，可以采用质粒的作者和实验室的英文缩写。,3)三个英文字母后的编号为阿拉伯数字，用于区分属于同一类型的不同质粒，如pBR322、pSC101,pUC18和pUC19等。 4)质粒的名称应放在其宿主菌名称后面的括号中，同一菌株含有多个质粒时，每一个质粒均应用各自的括号.如E.coli
6、C600（pBR322）（pXY1234）,5)菌株的原有质粒被消除后, 应在其质粒名称的右上角加-”号表示，。 E.coliC600：K12(F-)(-)，代表C600是一个消除了F因子和噬菌体的多重缺陷型K12菌株。 6)质粒DNA的部分缺失以“”符号表示，质粒中插入其他DNA以“”符号表示，并应在它们之后用括号标明缺失位点或插人的位点及外源基因, pXY9109质粒可写成FtraA3（63.164.0kb），表明它是一个缺失了转移基因A3的F质粒，缺失部位从63.1 到64.0kb。 pXY2101可写成pSC101（0kb：k12, hisA，1.5kb），表明pXY2101是在0kb
7、位置上插入了来自大肠杆菌k12菌株l.5kb的hisA基因的pSC101质粒,二、质粒的类型,致育质粒 （Fertility plasmid，F质粒） 抗性质粒 （Resistance plasmid，R质粒） 细菌素质粒（Bacteriocin production plasmid） 毒性质粒 （virulence plasmid） 代谢质粒 （Metabolic plasmid） 降解质粒 共生固氮质粒,1致育质粒,F因子:又称致育因子, 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。 相当于核染色体DNA2%的环状双链DNA，其中1/3基因（tra区
8、）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，决定细菌性别。,有关内容在讲细菌的接合作用（conjugation）时已介绍,2.抗性质粒( R质粒),抗性质粒：携带抗性基因,使其宿主微生物对抗生素、化学药物或重金属离子等杀菌剂表现出抗性的质粒。 自1957年瓦特拉比首次从流行性痢疾志贺氏菌中分离出抗药性R质粒，后来发现抗药性R质粒还存在于Salmonella、Vibrio、Bacillus、Pseudomonas和Staphylococcus中。,带有R质粒的细菌也很少具有性菌毛，只有0.01的细胞才能向受体菌转移。 R质粒包括两部分：抗性转移因子（res
9、istence transfor factor， RTF ）和抗性决定因子（r-determinant），,Structure of R Factors(抗性质粒),RTF Conjugative plasmid Transfer genes,R determinant Resistance genes Transposons,由于抗性基因大多由转座子所携带，很容易在细胞内或细胞间转移. 在细胞内的copy数可从1-2个到几十个,分为严紧型和松弛型两种,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） 四环素（tetracycline，te
10、t ） 链霉素(Streptomycin, Str)、 磺胺(Sulfonamide, Sul)、 氯霉素(Chlorampenicol, Cm) 夫西地酸（fusidic acid，fus）,代表性的R100质粒的基因见图,3、细菌素质粒(Col质粒),这类质粒首先发现于大肠杆菌中而得名，该质粒含有编码大肠菌素的基因， -大肠菌素（colicin）是一种细菌蛋白，包括ColEl、ColE2、ColB、ColI和Colv等质粒。只杀死近缘且不含Col质粒的菌株，而宿主不受其产生的细菌素的影响。 由G+细菌产生的细菌素通常也是由质粒基因编码，-细菌素（bacteroicin）是细菌产生的一般只能
11、抑制或杀死种内不同亚种或菌株的多肽类代谢产物。 例如一种乳酸细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G+细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。,细菌素的抑菌作用,4降解质粒,降解质粒：携带降解酶基因,与微生物降解某些特殊的难分解的有机物质的能力有关的质粒。 主要存在于假单胞菌中。 降解有机质的种类，CAM（樟脑）、OCT（辛烷）、XYL（二甲苯）、SAL（水杨酸和TOL（甲苯）等。 应用：将复杂的农药和化肥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。 资环学院研究农药降解菌.,5 致病性质粒 1）致病性质粒：是宿主微生物对人、动物或植物具有致病性, 这些致病菌的致病性
12、是由其所携带的致病性质粒引起的.因为这些质粒具有编码毒素的基因，其产物(毒素)对宿主（动物、植物）造成伤害。,Ti质粒（tumor inducing plasmid） -存在于根癌农杆菌中。能在某些植物根、茎部产生冠瘿瘤， Ri质粒-存在于发根农杆菌中。能在某些植物根、茎部产生毛发状根， Ti质粒分子量为120MD，大小约为200kb，是一个大型质粒。 Ti质粒也具有与F质粒相似的自主转移能力，（图）,致病性质粒,根癌农杆菌侵染烟草产生冠瘿瘤,发根农杆菌感染烟草产生发状根,根癌农杆菌,Ti质粒的转移特性,一些具有重要性状的外源基因可借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
13、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。,根癌农杆菌侵染烟草和Ti质粒的转移过程,Ti质粒的转移,根癌农杆菌,毒素的基因,2）苏云金芽胞杆菌的毒素蛋白基因大多也是质粒编码的 ，消除质粒的苏云金芽胞杆菌同时也失去了对昆虫的毒力。,苏云金杆菌含有编码-内毒素(在伴孢晶体中)的质粒，伴孢晶体的结构基因及调节基因位于质粒上。 毒素基因已经成功转移到大肠杆菌、假单胞菌中，以及棉花、玉米等植物中。,伴孢晶体,苏云金芽胞杆菌 毒素蛋白基因,6 共生固氮质粒,该质粒存在于根瘤菌中, 能控制该菌与相应豆科植物进行共生固氮作用。 目前研究较深入的有苜蓿根瘤菌、豌豆根瘤菌(PRL1J1 )、三叶草
14、根瘤菌。 少数共生固氮质粒还能自主经接合作用向其它根瘤菌或农杆菌转移。多数质粒可以被诱动转移. 利用根瘤菌与豆科植物进行共生固氮可以将空气中无机氮转化为有机氮.,7、代谢型质粒,控制微生物的某一特殊代谢过程的质粒。例: 沙门氏菌含有乳糖发酵基因，该基因由质粒编码。 大肠杆菌含有发酵蔗糖基因，该基因由质粒编码。,三、质粒的大小和数量,质粒的大小常用分子量MD或碱基对数kb来表示。 lMD的双链DNA1.66kb。 常见质粒大小的范围为1200kb，个别大质粒可达8001000kb。,1、质粒大小测定方法：,1)电泳方法:将纯化的质粒与已知大小的标准DNA(marker)比较； 2)也以将提纯的质
15、粒DNA经限制性内切酶分解后，与标准DNA的酶切片段在同一电泳条件下比较计算,marker,质粒,质粒酶切,电泳测定 质粒大小,marker,DNA样品,3)可以通过精确测定未知与已知质粒DNA电镜照片上的DNA链长度来推算。,2、质粒的数量：,质粒的数量:指质粒在每一细胞中存在的拷贝数（copy number），与质粒分子量成反比， F因子：1-2个/细胞 ColE1：10-100个/细胞,间接法测定质粒的数量 ： 繁殖代数法：采用质粒复制抑制剂（如吖啶橙、溴化乙锭等）或突变株(如温度敏感突变株) 使质粒处于不复制的状态下， 通过测定开始出现不含质粒供试菌时所经历的分裂代数，即可推算出质粒在
16、原菌株的拷贝数。,TS214中的DNA聚合酶对温度敏感，两种质粒ColDF13-M3和ColDF13都不能在DNA多聚酶发生缺陷的细菌中复制。,对于：3代后出现不带质粒的细菌（不产细菌素），原来约有22个质粒 对于：7代后出现不带质粒的细菌（不产细菌素）。原来约有26个质粒 即原来细胞中含有为2n-1个质粒.,四、细菌质粒的转移类型,从转移性来讲，F因子、SCPl等都属于转移性。R因子主要是由于抗药性的转移而被发现的。ColEl是属于非转移性的，ColV2和ColIb属于转移性。 在能转移的质粒中，其宿主范围也有差别。例如在假单胞菌属中有两类质粒 P1一类的质粒能在假单胞菌属中进行种间转移，也能转移到大肠杆菌中。个别质粒(例如RP4)能转移到下列各属细菌中大肠杆菌(Escherichia)、变形杆菌(Proteus)、自生固氮菌(Azotobacter)、根瘤菌(Rhizobium) P2一类的质粒的转移范
