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1、第 七 章 微生物的遗传变异和育种,第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变和诱变育种 第三节 基因重组和杂交育种 第四节 基因工程 第五节 菌种的衰退、复壮与保藏,遗传和变异,遗传：亲代将自身一整套遗传因子传递给下一代的行为和功能。 变异：生物体的遗传物质结构和数量的改变，在群体中以极低的几率（10-510-6）出现，性状变化幅度大；新性状稳定、可遗传。,基本概念,遗传型（genotype）：一个生物体所含有的基因的总和。 表型（phenotype）：一个生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和。 饰变（modification）：指生物体由于非遗传因素引起的表型改变，变化发生在转录、
2、转译水平，特点是几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化，性状变化的幅度小，不遗传，引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。举例：Serratia marcescens(粘质沙雷氏菌） 的红色素在25和37的变化。,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,表型饰变,Production of a red pigment (prodigiosin) by Serratia marcescens. From left to right: slant culture grown at 25, slant culture grown at 37 , broth cultu
3、re grown at 25 , broth culture grown at 37 .,种质连续理论：18831889年间德国学者Weissmann提出，认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物，具有稳定性和连续性。 基因学说：二十世纪初发现了染色体并提出基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。 染色体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，其活性成分是蛋白质。 DNA是遗传
4、变异的物质基础的证明：1944年以后，利用微生物为实验对象进行的三个著名实验（肺炎球菌的转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验）充分证明了DNA是遗传物质。,第一节 遗传变异的物质基础,一、证明DNA是遗传物质 的三个经典实验,（一）经典转化实验,F.Griffith， 1928年 研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌） S型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有荚膜 R型菌株：S型突变菌株，无致病性，菌落表面粗糙，无荚膜,（2）细菌培养实验 热死S菌不生长 活R 菌长出R菌 热死S菌+活R菌长出大量R菌和10-6S菌,（3）S型菌的无细胞抽提液试验 活R菌
5、+S菌无细胞抽提液长出大量R菌和少量S菌,Griffith 转化试验示意,混合培养,RII型活菌,SIII型活菌,SIII型热死菌,RII型活菌,SIII型活菌,健康,健康,健康,健康,健康,健康,健康,病死,病死,病死,以上实验说明：加热杀死的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。,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，在离体条件下进行了转化试验,实验证明，只有S型细菌的DNA才能将S. Pneumoniae的R型转化为S型。且D
6、NA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，是遗传因子DNA。,（二）噬菌体感染实验,A. D. Hershey和 M. Chase， 1952年 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。,（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。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。,实验证
7、明，遗传信息的流向与DNA的传递是一致的。上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。,二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式,（一）遗传物质在7个水平上的形式 1、细胞水平 2、细胞核水平 3、染色体水平 4、核酸水平 5、基因水平 6、密码子水平 7、核苷酸水平,1、细胞水平,真核微生物：细胞核 原核微生物：核区 细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的,真核生物 细胞核 核染色体 原核生物 核区 DNA链,核基因组,在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质,2、细胞核水平,遗传物质类型,核基因组,核外染色体,真核生物,原核生物,细胞质基因 共生生物 2um质粒,线粒体
8、 叶绿体等,F因子 R因子 Col质粒 Ti质粒 巨大质粒 降解性质粒,3、染色体水平,染色体是由组蛋白与DNA构成的线状结构 染色体的数目在不同的生物中是不同的 染色体的倍数在同一生物的不同生活时期是不同的,4、核酸水平,核酸种类：DNA，RNA 核酸结构：双链、单链；环状，线状，超螺旋状 DNA长度：因种而异 微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为研究微生物学的最有力的手段。,DNA就是脱氧核糖核酸（长链）,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,胸腺嘧啶（T）,胞嘧啶（C）,A,T,C,G,A,A,A,T,T,T,T,T,T,A,A,A,G,
9、G,G,G,G,C,C,C,C,C,G,C,基因测序就是读出 A-C-T-G - T -G-A- A- C-G.,5、基因水平,基因是什么？ 基因是生物体内具有自主复制能力的最小遗传功能单位，其物质基础是一段核酸序列。 众多基因构成染色体。 基因记录和传递遗传信息。 基因决定生物体的生、长、病、老、死等一切生命现象,基因控制Pr因而控制性状,DNA,大肠杆菌基因组,4100个基因，4.7106bp,遗传信息的连续性,功能相关的结构基因组成操纵子,结构基因单拷贝及rRNA多拷贝,基因的重复序列少而短,原核生物基因调控系统,6、密码子水平,遗传密码 密码子,7、核苷酸水平,核苷酸是最小突变单位和交
10、换单位,几个重要数据,bp,分子量约650； 1*106的dsDNA约为1.5kb或0.5um; 3nmol的碱基重量约为1ug. 细菌的基因组为19个Mb。,（三）原核生物的质粒,1、定义和特点 质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)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； 质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；细菌质粒多在10kb以内）主要存在于各种微生物细胞中。 质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的； 在某些特殊条件下，质
11、粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。 质粒与核染色体的复制可以不同步；在某些条件下能够消除；有些质粒可以在不同菌株之间转移；有些可以整合核染色体，称为附加体；另外，质粒还有重组的功能。,2、质粒在基因工程中的应用,（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,3、质粒的分离与检测,质粒的分离一般包括细胞的裂解，蛋白质和RNA的去除，以及设法使质粒DNA和基因组DNA分离等步骤。,超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；,对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点， 如抗
12、药性初步判断。,提取所有胞内DNA后电镜观察；,4、质粒的主要种类,质粒所编码 的功能和赋 予宿主的表 型效应,致育因子（Fertility factor，F因子） 抗性因子（Resistance factor，R因子） 产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid） 毒性质粒（virulence plasmid） 代谢质粒（Metabolic plasmid） 隐秘质粒（cryptic plasmid）,（1）致育因子(Fertility factor，F因子),又称F质粒，其大小约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。
13、,携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。,F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以 又称之为附加体pisome)。,（2）抗性因子（Resistance factor，R因子）,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,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，tet ）链霉素(Strept
14、omycin, Str)、磺胺(Sulfonamide, Su)、氯霉素(Chlorampenicol, Cm)、夫西地酸（fusidic acid，fus） 并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。,（3）产细菌素的质粒 （Bacteriocin production plasmid）,产大肠杆菌素因子。大肠杆菌素是一种由E.coli的某些菌株所分泌的细菌蛋白，由质粒编码，具有通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死不含Col因子的近缘的其它肠道细菌。 凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。,一般都位于质粒或转座子上，因此
15、，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。,细菌素一般根据产生菌的种类进行命名： 大肠杆菌（E. coli）产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），而质粒被称为Col质粒。,细菌素结构基因涉及细菌素运输及发挥作用的蛋白质的基因和赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因,（4）毒性质粒（virulence plasmid）,许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。,产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种编码肠毒素的质粒。,苏云金杆菌含有编码内毒素(伴孢晶体中)的质粒,根癌土
16、壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子,Ti质粒中的T-DNA可携带任何外源基因整合到植物基因组中，存在于根癌土壤杆菌（Agrobacterium tumefaciens）中。赋予宿主引起许多双子叶植物的根癌的特性。当带有Ti质粒的细菌侵入植物细胞中后，在其细胞中溶解，把细菌的DNA释放至植物细胞中。含有复制子的Ti质粒的小片段与植物细胞中的核染色体发生整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。是植物基因工程中有效的克隆载体。,（5）代谢质粒（Metabolic plasmid）,质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。,降解质粒：如假单胞菌属中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。这些质粒以
