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1、第七章微生物的遗传变异,遗传变异的物质基础 微生物的基因突变 基因重组 微生物遗传变异知识的应用 菌种的衰退复壮和保藏,内容提要,遗传和变异是生物体最本质的属性之一。在遗传性适宜的环境条件下时，子代与亲代性状相似的现象叫遗传。子代与亲代或子代之间性状不同的现状叫变异。对微生物遗传变异规律的深入研究，不仅促进了现代生物学的发展，而且还为微生物育种工作提供了丰富的理论基础。,第一节 遗传与变异的物质基础,（一）核酸遗传变异的物质基础（3个经典实验）,（二）遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式,1、经典转化实验,Griffith是第一个发现转化现象的 ，虽然当时还不知道称之为转化因子的本质是什么，
2、但是他的工作为后来Avery等人进一步揭示转化因子的实质，确立DNA为遗传物质奠定了重要基础。,（一）核酸遗传变异的物质基础（3个经典实验）,转化实验,材料,方法,动物实验,细菌培养实验,S型菌无细胞抽提液试验,有 荚 膜 菌落光滑 分泌毒素 致 病,无 荚 膜 菌落粗糙 无 毒 不 致 病,SSS三个血清型,RRR三个血清型,实验材料： 肺炎双球菌,转化实验（1）动物实验,转化实验（2）细菌培养实验,转化实验（3）S型菌无细胞抽提液试验,噬菌体感染实验,步骤,1：用含同位素35, P32的培养基培养大肠杆菌,结果：上清液中含15%放射击性；沉淀中含85%放射性,2：让T2感染上述大肠杆菌使其
3、打是S35P32标记,3：,植物病毒蛋白质和RNA可以人为地分开, 同时又可把它们重新组合成具感染性的病毒.,植物病毒的重建实验,甲乙r 感染症状同甲病毒；分离得到甲病毒,乙甲r 感染症状同乙病毒；分离得到乙病毒,原始株 拆开 重建 感染 分离纯化,植物病毒的重建实验,七个水平 细胞水平 细胞核水平 染色体水平 核酸水平 基因水平 密码子水平 核苷酸水平,三 遗传物质在细胞内的存在部位和方式,基 因 突 变,染色体畸变,第二节、微生物的突变,DNA损伤的修复,概念 突变：指遗传物质发生数量或结构变化的现象。 变异：突变导致性状的改变叫变异。 基因突变：指一个基因内部遗传物质结构或DNA序列的任
4、何变化，包括一对或少数几对的缺失、插入或置换，导致遗传性状的变化。 基因型：指贮藏在遗传物质中的信息，即DNA碱基序列。 表型：指可观察或检测到的个体性状或特征，是特定的基因型在一定环境条件下的表现。,突变的特点,基因突变,突变的机制,突变类型,微生物突变体的主要类型,形态突变型,菌落形态突变型,菌体形态突变型,生化突变型,营养突变体(营养缺陷型),发酵突变体,抗性突变体,条件致死突变体,抗原突变型,产量突变型,按突变 实质分,毒力突变型,致死突变型,（二）基因突变的特点(5个特点),1 随机性 2 稀有性 3 独立性 4 稳定性 5 可逆性,基因突变随机性和不对应性的证明,变 量 试 验,涂
5、 布 试 验,影印培养试验,(在同一个大管中作整体培养),3 7 1 4 4 3 5,抗噬菌体菌落数 抗噬菌体菌落数,变量试验,涂布试验,影印培养试验,基因突变机制,移码突变,染色体畸变,碱基的置换,一对碱基被另外的一对碱基置换。 转换(transition)：即DNA链中的一个嘌呤被嘌呤或嘧啶被嘧啶所置换。 颠换(transversion)：即一个嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤所置换。,1 诱变的机制,(1)碱基的置换,碱基的置换,直接引起置换的诱变剂,间接引起置换的诱变剂,碱基的置换,T：烯醇式,5-BU:酮式,5-BU:烯醇式,碱基的置换,间接引起置换的诱变剂,碱基的置换,烯醇式,酮式,移码突变
6、,分子中缺失或增加少数几个碱基对而引起,造成突变点以后全部遗传密码转录与转释发生错误,增添一个碱基,缺少一个碱基,碱基的置换,染色体畸变,某些理化因子，如射线，紫外线， 亚硝 酸等，除能引起点突变外，还会引起DNA分 子大损伤，包括染色体易位，倒位，缺失，重复等，即为染色体畸变。,染色体畸变,紫外线诱变作用机理,可使链裂断，破坏核糖和磷酸间的键联,引起胞嘧啶和尿嘧啶产生水合作用造成氢键断裂,能使胸腺嘧啶成二聚体，使结构发生改变,转座因子(transposible element),跳跃基因(jumping gene)在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段DNA顺序。,染色体畸变,插入序列
7、(insertion sequence)：分子量小，0.71.4kb，只能引起转座效应而不含其它任何基因。,转座子(Tn, transposon)：分子量为225kb，含有几个到十几个基因。能插到受体DNA分子的许多位点上。,Mu噬菌体(mutator phage)：是E. Coli的一种温和噬菌体，分子量大，约37kb，含20多个基因，可以引起插入突变。,DNA的损伤修复 DNA的损伤：DNA在复制时产生错配、病毒基因整合，某些物化因子如紫外光、电离辐射和化学诱变等，破坏DNA的双螺旋结构，从而影响DNA的复制，并使DNA的转录和翻译也跟着变化，因而表现出异常的特征（生物突变）。 若DNA的
8、损伤或错配得不到修复，会导致DNA突变。其主要形式： 一个或几个碱基被置换 插入一个或几个碱基 一个或多个碱基对缺失 DNA的损伤修复 5种修复途径: 错配修复、光复活修复、切除修复、重组修复和诱导修复（亦称暗修复）。,光复活修复：400nm左右的光激活光复活酶，专一分解紫外光照射引起的同一条链上的TT（或CC，CT）二聚体。（包括从单细胞生物到鸟类，而高等哺乳动物无） 切除修复：将DNA分子中的受损伤部分切除，以完整的那条链为模板再重新合成。特异内切酶、DNA聚合酶、 DNA外切酶、DNA连接酶均参与。（发生在DNA复制前）,重组修复（发生在复制后）：复制时，跳过损伤部位，新链产生的缺口由母
9、链弥补，原损伤部位并没有切除但在后代逐渐稀释。 诱导修复：造成DNA损伤或抑制复制的处理均能引起一系列复杂的诱导效应,称为应急反应(SOS response)。此过程诱导产生切除修复和重组修复中的关键蛋白和酶，同时产生无校对功能的DNA聚合酶。所以会有2种结果：修复或变异（进化）。,细菌的基因重组,原核微生物 通过转化、接合、转导、原生质体融合等形式进行 一 部分物质转移和基因重组。,转化(transformation),几个概念：转化、转化因子、感受态,转化过程,转化的特点,转 化 (transformation),受体细胞直接吸收了来自供体细胞的 DNA片断，并把它整合到自己的基因组 中，
10、细胞部分遗传性状发生变化的现 象叫转化。,转化因子,转化是游离的片断的转移和重组,游离的片断叫转化因子,转化因子由供体提供,自然情况下可由细菌细胞自行裂解产生，,实验室里通过提取获得,双链有转化能力，单链没有.,受体细胞能接受转化的生理状态称为感受态， 只有处于感受态的细菌才能接受转化因子， 从出现到消失约为分钟(对数期的中期),感受态,感觉态出现原因,细菌失去部分细胞壁的结果,细菌在细胞表面产生某种引起,感受态的决定决定因素,细胞遗传性决定,和菌龄有关,环腺苷酸CAMP可提高1000 倍,Ca2+能促使细胞进入感受态,感受态因子,是受体细胞表面上的一种蛋白质,功能使转化因子结合在受体细胞表面
11、,每个受体细胞表面约有30 -80个转化因子 结合点，当转化因子结合到受体表面结合 点上时 ，DNA一条链被受体细胞膜上的核 酸酶分解，另一条链进入受体细胞，通过 整合与受体细胞进行基因重组，有人发现 DNA也可通过双链形式进入受体细胞形成 双倍体的转化子。,转化过程,转化 过程,转化的特点 不需两个细胞直接接触，供体 DNA提取出来，注入受体即可。,转导的种类,遗传物质通过噬菌体的携带而转移的基因重组,转导的发现,转导(transduction),转导的特点,完全普遍性转导(compietetransduction),鼠伤寒沙门氏菌,A-B+色氨酸缺陷型,A+B-组氨酸缺陷型,低频转导（LF
12、T）裂解物的形成,局限转导,转导的特点,需要噬菌体做媒介，不需要细胞间直接接触,噬菌体DNA不接合到寄主染色体,噬菌体蛋白质包裹寄主任何一部分DNA片段,噬菌体DNA整合到寄主染色体上,噬菌体DNA与寄主染色体特定基因发生交换,普遍性转导,局限性转导,接 合 及 其 发 现,因子和接合,接合(conjugation),雄性菌株与雌性菌株接合结果,接 合 及 其 发 现,通过细胞间的直接接触能进行大 段的转移的过程，叫接合,因子和接合,雄性菌株与雌性菌株接合结果,F-,三者根本区别在于DNA转移的方式不同,转化： 供体DNA片断注入受体细胞，通过细胞膜,接合： 供体进入受体通过性纤毛,转导： 供
13、体DNA片断通过媒介噬菌体携带进入受体,(四)原生质体融合,通过人为方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体发生融合，并产生重组子的过程，称为原生质体融合或细胞融合。,原生质体融合的一般原理和主要过程,先准备两个有选择性遗传标记的突变株，在高渗溶液中，用适当的脱壁酶(如细菌可用溶菌酶或青霉素处理，入线菌可用溶菌酶或相应的脱壁权衡利弊，真菌可用蜗牛酶或相应的脱壁酶等)去除细胞壁，再将形成的原生质体离心聚集，并加入促融合剂PEG(聚乙二醇)促进融合，然后在高渗溶液中稀释，涂在能使其再生细胞壁 或进行分裂的培养基上，待形成菌落后，通过影印接种法，将其接种到各种选择性培养基上，最后鉴定它们是否是重组子,
14、溶源转变,温和噬菌体的基因整合到宿主核基因组上的现象,温和噬菌体并不携带外源供体菌的基因,这种温和噬菌体是完整的，而不是缺陷的,获得新性状的是溶源化的宿主细胞，而不是转导子,获得的性状可随噬菌体的消失而同时消失,染色体外遗传因子的转移与重组,一、质粒 转移性质粒、非转移性质粒,二、细菌转座因子 插入序列：只含有编码转座所必需的基因 转座子：含有编码转座所必需的基因和其他抗性基因 转座噬菌体：温和噬菌体,（一）有性杂交 （二）准性杂交 菌丝联结 异核体的形成 形成双倍体 分离子的产生,第四节、真核微生物的杂交育种,遗传变异知识的应用,诱变育种的定义,诱变育种,诱变育种就是利用物理或化学诱变剂处理
15、均匀分散的微生物细胞群，促进其突变频率大幅度提高，然后设法采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的突变株，以供生产实践或科学实验之用。 诱变育种除提高产量外，还可改进产品质量、扩大品种和简化工艺等目的。它具有方法简便、工作速度快和收效显著等优点，仍是目前最广泛使用的育种手段。,效价：指有效成分的浓度。1ug/ul称为1 单位,从 青 霉 素 产 量 看 诱 变 育 种,诱变育种的基本环节,诱变育种工作中应考虑的几个原则,选优良的出发菌株,处理单孢子（或单细胞）悬液,选用最适剂量,设计或采用高效筛选方案或方法,利用复合处理的协同效应,利用和创造形态，生理与产量间的相关指标,选择简便有效的诱变剂,挑选优良的出发菌株,生产中用过的自发变异菌株,采用具有有力性状的菌株,采用已发生其他变异的菌株,采用前体或最终产物代谢高的菌株,采用增变菌株,处理单孢子（或单细胞）悬液,芽孢杆菌应处理芽孢,放线菌，霉菌应处理孢子,细菌指数期，放线菌霉菌要稍 加萌发后使用,出发菌株应制成均匀悬夜,选择简便有效的诱变剂,选用最适剂量,剂量以诱变剂浓度和处理时间来表示,合适剂量：能扩大变异幅度又能促使 变异移向正变范围的剂量,充分利用复合处理的协同效应,两种或多种诱变剂先后使用,同种诱变剂重复使用,两种或多种诱变剂同时使用,利用和创造
