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1、第五章 微生物的遗传变异 与菌种选育,Chapter 5. Microbial Genetics,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,遗传型变异（基因变异、基因突变）：,遗传物质改变，导致表型改变 特点：遗传性、群
2、体中极少数个体的行为 （自发突变频率通常为10-6-10-9）,微生物是遗传学研究中的明星：,微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。,很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。,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体作用的直 接性和均一性； （8） 易于形成营养缺陷型； （9）
3、 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；,第一节 微生物遗传变异的物质基础,经典试验1. 肺炎链球菌的转化试验 （a）S型和R型细胞侵染试验,一、遗传和变异的物质基础,分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化,A. D. Hershey和M. Chase， 1952年,（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中,上清液中含 15%放射性,沉淀中含 85%放射性,沉淀中含 25%放射性,以32S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验,（2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中,上清液中含 75%放射性,结论,细胞生物的遗传物质是双链DNA 病毒的
4、乙醇物质可以是单链的或双链的DNA或RNA， 即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。,二、的结构与复制,1的结构 2DNA的复制 3,1的结构,Watson 和Crick在1953年描述了DNA的结构模型： DNA分子是由两条相互平行、方向相反的多核苷酸单链以右手螺旋方向相互缠绕而形成的双螺旋。 脱氧核糖和磷酸构成的主链位于外围，通过氢键相互交联的碱基处于双螺旋的内部。 腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤与胞嘧啶配对；两条单链互补；一条链的碱基序列限定了另一条链的序列。,2DNA的复制,细菌DNA的q-形复制 真核生物DNA的复制,10100 mm,复制叉,复制叉,复制原点,模板 新生
5、链,.,有种类型 t r m 反义,三.遗传物质的存在形式,真核生物细胞中的DNA中只有不到5的DNA用于所需蛋白质的基因表达，其余的DNA起“结构”作用或“调节”作用。 DNA被紧密地包装在多条染色体中，每条染色体中含有一个线状DNA分子，它以左手螺旋方向围着一个个组蛋白八聚体绕圈1.8周，形成串珠状的染色质，被串在一起的小颗粒称为核小体，染色质进一步卷曲形成每圈6个核小体、直径30 nm的染色质丝，它折叠成许多超螺旋环附着在中央骨架上。,真核生物的染色体结构,From BIOLOGY by Jack C Carey et al., eds,细菌染色体DNA的大小和结构,(a)大肠杆菌细胞大
6、小和染色体DNA长度的比较；(b)细菌细胞中的拟核；(c)大肠杆菌染色体结构电镜图。宽1.11.5 mm、长26 mm的细胞里包装着的一个DNA分子的长度达1 mm；这个环状的DNA分子在细胞中形成含有一个染色体的拟核；在染色体的中心有一个由DNA结合蛋白和膜组成的骨架，DNA分子附着在骨架上形成50100个超螺旋的环，每个环中含碱基对约50100 kb，这种多层次折叠使DNA处于高度压缩状态.,From figures in referenced book 5.,染色体以外的遗传因子,线粒体和叶绿体中含有的DNA能够自体复制，并编码执行线粒体和叶绿体功能的蛋白，属于染色体以外的遗传因子。 质
7、粒一般指存在于细菌、真菌等微生物细胞中，独立于染色体以外，能进行自我复制的遗传因子。质粒的大小为11000 kb，常为环状的双链DNA分子，也有线状DNA或RNA质粒。 有些质粒既能够整合到染色体上，又能以游离状态存在，并能携带部分染色体基因进行转移，它们被称为附加体。,第二节 微生物的基因突变,一、 突变的类型,一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变,基因突变：,（一）按突变涉及的范围来分,（二）按突变所带来的表型改变来分,.形态突变型：指细胞形态结构发生变化或引起菌落形态改变的那些突变 类型 .致死突变型：由于基因突变而造成个体死亡的突变类型 .条件致死突变型：限定条件下表达突变性状或
8、致死效应，而在许可条件 下的表型是正常的 .营养缺陷突变型：指某种微生物经基因突变而引起微生物代谢过程中某 些酶合成能力丧失的突变型，它们必须在原有培养基 中添加相应的营养成分才能正常生长繁殖。 .抗性突变型：是指一类能抵抗有害理化因素的突变型，细胞或个体能在某 种抑制生长的因素存在时继续生长与繁殖。 .抗原突变型：是指细胞成分，特别是细胞表面成分如细胞壁、荚膜、鞭毛 的细致变异而引起抗原性变化的突变型。,突变,自发突变,诱变,环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等 而导致，一般频率较低，通常为10-6-10-9 。,某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接 作用，突变以较高的频率产生。
9、,（三）按突变的条件和原因划分,二、基因突变的特点,1）自发性 2）稀有性 3）诱变性 4）独立性 5）稳定性 6）可逆性,三 、基因突变的机制 （一）自发突变的机制 1 背景辐射和环境中多因素低剂量的诱变效应 2 微生物自身代谢产物的诱变效应 3 互变异构效应 4 环状突出效应 （二）诱发突变的机制 1 碱基对的置换 直接引起置换的诱变剂 （亚硝酸类、烷化剂类） 间接引起置换的诱变剂 （碱基类似物） 2 移码突变 3 染色体畸变,碱基对的置换,碱基对的置换可分成两个亚类：一类是DNA 链上的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换，称为转换；另一类是DNA 链上的一个嘌呤被另一个嘧
10、啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换，称为颠换 A：T T：A A T C：G G：C C G 双链DNA 单链DNA （实线代表转换，虚线代表颠换）,直接引起置换的诱变剂,亚硝酸是一种对含有氨基的碱基对直接作用而诱发碱基对转换的诱变剂。它能使碱基中的氨基氧化脱氨，从而使腺嘌呤（A）变成次黄膘呤（H），胞嘧啶（C）变成尿嘧啶（U）， 而后由于H 和C 配对，U 与A 配对，因此当DNA 再次复制时，A:T 就转换为 G:C，而G:C 就转换为 A:T。,H:C H:C-G:C H:CG:C A:T H:T-A:T 亚硝酸类引起的碱基对置换,烷化剂是诱变育种极其重要的一类诱变剂，它们的化学结构都带有
11、一个或多个活性烷基。所有这些物质通过烷化磷酸基形成烷化嘌呤和烷化嘧啶与DNA 作用，特别是经常形成烷化鸟嘌呤。 烷化作用导致基因突变的机制尚未定论。 碱基类似物作用，引起碱基配对的错误。 烷基在鸟嘌呤 引起脱嘌呤作用，使鸟嘌呤从DNA 链上脱落下来，进而引起DNA 复制时碱基对的缺失和置换。,间接引起置换的诱变剂,A:BU /G:BrU G:BrU -G:C 5-BU A:T- A:BU- A:T (a) G:BrU /A:BU A:BU-A:T 5-BrU G:C-G:BrU -G:C (b) 5-溴尿嘧啶的诱变效应 a.5-BU以酮式掺入； b.5-BrU以烯醇式掺入,5-氨基尿嘧啶（5-
12、AU）、8-氮鸟嘌呤（8-NG）、-氨基嘌呤（-AP）及 6-氮嘌呤（6-NP）等。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA 分子中后，引起碱基对的置换，因此是间接的。在这些碱基类似物中，最常被应用的是 5-溴尿嘧啶（5-BrU）和-氨基嘌呤（-AP）。 5-BrU是T 的代谢类似物。 5-BrU 以酮式状态时可以替代 T，与A配对； 5-BrU 以烯醇式状态时替代C与G配对；5BrU 可以通过烯醇式和酮式结构的变化； 引起碱基对置换。,移码突变,移码突变 这是指由一种诱变剂而引起DNA 分子中的一个或少数几个碱基插入或缺失，从而使该部位后面全部遗传密码发生转录错误的一类突变。 吖啶类染料
13、及其化合物是移码突变的有效诱变剂，例如三氨基吖啶，吖啶黄，吖啶橙，5-氨基吖啶。 吖啶类化合物的诱变机制目前还不很清楚。现普遍认为，由于吖啶类化合物是一种平面型三环分子结构，与一个嘌呤:嘧啶碱基对相似，因此能够嵌入两个相邻的DNA碱基对之间，造成双螺旋的部分解开，从而在DNA 复制过程中，会使链上插入或缺失一个碱基，结果引起移码突变。,染色体畸变,染色体畸变是指由诱变剂引起DNA 分子的大损伤，它包括染色体结构上的缺失、重复、易位及倒位等。 紫外线、X 射线、射线等射线及亚硝酸、烷化剂等均能引起染色体畸变，尤其是紫外线能引起DNA 分子多处较大的损伤。 紫外线主要通过在同链DNA 相邻的嘧啶间
14、或在互补双链间形成以共价键结合的胸腺嘧啶二聚体， 微生物能以多种方式去修复被紫外线损作后的 DNA，主要方式有两种： （1）光复活作用。 由于微生物中一般都存在着光复合作用，因此，用紫外线照射菌液时都须在红光下进行操作处理微生物，而后在暗室或用黑布包起来培养。 （2） 暗修复作用。也称切除修复作用。 X 射线和 射线为电离辐射，含有很高的能量，能产生电离作用，因而能直接或间接地改变DNA 结构。直接的效应是碱基的化学键，脱氧核糖的化学键和糖酸相连接的化学键断裂；,第三节 微生物的基因重组,基因重组又称为遗传重组，它是指把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子的重新组合后，形成新遗
15、传型个体的过程。 重组是分子水平上的概念，可以理解成是遗传物质分子水平上的杂交，而一般所说的杂交是细胞水平上的概念。 杂交中必然包含着重组，而重组则不限于杂交一种形式。真核微生物中的有性杂交，准性生殖以及原核微生物中的转化、转导、接合和溶原转变等都是基因重组在细胞水平上的反映。,一、原核微生物的基因重组（一）转化（transtormation）,受体菌直接吸收来自供体菌的DNA 片段，通过交换组合把它整合到自己的基因组中，从而获得了供体菌的部分遗传性状的现象，称为转化。转化后的受体菌，称为转化子。供体菌的DNA 片段称为转化因子。 只有处于感受态的细菌才能接受转化因子，进行转化作用。,转化过程大致是这样的： 从供体菌提取出转化因子双链DNA片段； 双链DNA 片段与感受态受体菌的细胞表面特定位点结合； 在结合位点上，双链DNA 中的一条单链逐步降解，同时另一条链逐步进入受体细胞。 进入受体细胞的DNA 单链与受体菌染色体组上同源区段
