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1、第七章 微生物的遗传 变异与育种,微生物是遗传学研究中的明星：,1. 物种和代谢类型多样性（600万种以上） 2. 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体， 方便建立纯系。 3.易于人工培养，快速、大量生长繁殖。 4.对环境因素敏感，易于获得各类突变株，操作性强。,模式生物,遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一,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。特点：具稳定性。 遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有
2、 的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。 是一种内在可能性或潜力。 遗传型 + 环境条件 表型 表型（phenotype）：指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体体现。 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。,变异(variation):生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。 变异的特点：a.在群体中以极低的几率出现，（一般为10-610-10）；b.性状变化的幅度大； c. 变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。 饰变（modification）：一种不
3、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，故饰变是不遗传的。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。,例如：粘质沙雷氏菌：在25下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25，又恢复产色素的能力。,遗传与变异的概念,第一节 遗传变异的物质基础,种质连续理论：18831889年间德国Weismann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：1933年摩尔根（Thomas Hunt Morgan）发现了染色体，并证明基因在染色体上呈直线
4、排列，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，可以演变出的蛋白质数目几乎可以达到一个天文数字，而核酸的组成却简单得多，一般仅由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，起活性成分是蛋白质。 DNA是遗传变异的物质基础的证明：1944年以后，先后有利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证（肺炎链球菌的转化试验、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。,一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验,F.G
5、riffith， 研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎链球菌） S型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性; R型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性,（一）经典转化实验（transformation）,1928年，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S菌,加热杀死的S型细菌里可能存在一种具有遗传转化能力的物质，它能通过某种方式进入R型细胞，使其获得S型的遗传特性,（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
6、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10-6SI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,平皿培养,平皿培养,1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M.McCarty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：,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型菌株的是以DNA
7、为遗传物质基础的遗传信息。,对各种生化组分进行转化试验,（二）噬菌体感染实验,（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。,选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的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的典型症状病分离到正常T
8、MV粒子 （2）表现HRV的典型症状病分离到正常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,只不过是RNA。,（一）7个水平 1、细胞水平：大部分DNA都集中在核区或细胞核中，核的数目因微生物种类不同而不同。 2、细胞核水平：真核微生物的DNA与组蛋白在一起形成核染色 体；原核生物的只有核区。统称为核基因组、核染色体组或基因组。,二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式,3、染色体水平：不同微生物染色体数目不一样，多数微生物是单 倍体，少数情况下是双倍体，如合子。 4、核酸水平 除病毒的遗传物质有RNA外，其余生物的遗传物质是DNA 除病毒的遗传物质有单链的RNA或D
9、NA外，其余生物的遗传物质 是双链DNA 不同微生物基因组差别极大 5、基因水平 基因是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位，其 物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段。,6、密码子水平 遗传密码是指DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序 每一密码子由3个核苷酸序列即1个三联体组成。,7、核苷酸水平 是一个最低突变单位。 绝大多数生物的DNA由腺苷酸、胸苷酸、鸟苷酸和胞苷酸组成。,三、原核生物的质粒,1.定义： 质粒（plasmid）：凡游离于原核生物核基因组外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，即cccDNA，就是典型的质粒。,2、结构特点
10、 通常以共价闭合环状的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；,3.质粒的性质 可以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； 附加体(episome)：某些质粒具有与核染色体整合、脱离的功能，这类质粒称附加体。 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。,3、质粒的类型,严紧型质粒(stringent plasmid)：与核染色体的同步复制，这类细胞中仅含12个质粒。 松弛型质粒(relaxed plasmid)：与核染色体
11、的不同步复制，这类细胞中含1015甚至更多个质粒。,4、质粒在基因工程中的应用,质粒的优点： （1）体积小，易分离和操作 （2）环状，稳定 （3）独立复制 （4）拷贝数多 （5）存在标记位点，易筛选 E. coli的pBR322质粒是一个常用的克隆载体,5、质粒的分离与检定,提取所有胞内DNA后电镜观察；,超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；,几种代表性质粒,1. F质粒（fertility factor）：又称F因子、致育因子或性因子。是E.coli等细菌决定性别并有转移能力的质粒。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。,携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无
12、F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。,2.R质粒（resistence factor）,包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。 抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。,R质粒,抗性转移因子（RTF）：转移和复制基因 抗性决定因子：抗性基因,大肠杆菌（E. coli）产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），大肠杆菌素是由Col质粒编码。,3. Col质粒（colicinogenic factor）,Col质粒:能编码大肠菌素基因，大肠菌素是一种细菌蛋白，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影响。 许多细菌都能产生抑制或杀死其他近缘细菌或者同种不同
13、菌株的代谢产物，所以称为细菌素。,即诱癌质粒。 引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子，其宿主是一种根癌土壤杆菌，是当前植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体。,4. Ti质粒（tumor inducing plasmid）,存在于发根土壤杆菌中，引起许多双子叶植物患毛根瘤。 可作为外源基因的良好载体和合成次生代谢产物。,5.Ri质粒,是近年来在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。,6. mega质粒（巨大质粒）,降解性质粒：这类质粒可为降解一系列复杂有机物的酶编码，可在污水处理、环
14、境保护等方面发挥特有的作用。 含有数种降解性质粒的菌株“超级菌”,7. 降解性质粒,第二节 基因突变和诱变育种,一、基因突变 是变异的一类，泛指细胞内（或病毒粒类）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，可自发或诱导产生。 野生型（wild type）：从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的原始菌株 突变体（mutant）：野生型经突变后形成的带有新性状的菌株,（一）基因突变的类型,按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分： 选择性突变株（selective mutant）：具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、pH
15、值等，就比较容易检出和分离到。 非选择性突变株（non-selective mutant）：无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。,营养缺陷型因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变类型。 抗性突变型因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性。 条件致死突变型某菌株在基因突变后，在某种条件下可正常生长、繁殖，而在另一种条件下却无法生长、繁殖。 Ts突变株即温度敏感株：是一类典型的条件致死突变型。 例如大肠杆菌的某些菌株在37以下正常生长，却 不能42 以下正常生长 形态突变型
16、基因突变后引起的个体或菌落形态发生变异。 抗原突变型基因突变后引起细胞抗原结构发生变异。 产量突变型基因突变后引起代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株。,选择性突变株,非选择性突变,定义：某一细胞（或病毒粒）在每一世代中发生某一性状突变的几率。 突变率：可采用营养缺陷型的回复突变株或抗药性突变株来检测。 例如：突变率为10-8：一亿次分裂中，会发生 一次突变。,（二）突变率,若干细菌某一性状的自发突变率,菌 名 突变性状 突变率 E. coli 抗T1噬菌体 3 108 E. coli 抗T3噬菌体 1 107 E. coli 不发酵乳糖 1 1010 E. coli 抗紫外线 1 105 Staphylococcus aureus 抗青霉素 1 107,（1）自发性：指可自发地产生突变 （2）不对应性：突变性状与引起突变的原因之间无
