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1、第七章 微生物遗传变异与育种,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,1. 遗传与变异的基本概念,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实现与其相同性状的遗传信息. 特点:具稳定性.,基因型(genotype):指一生物体全部基因的总和;是一种内在可能性或潜力.,表型(phenotype):生物体所有外表特征和内在特性的总和; 是具一定基因型的生物在一定条件下所表现出的具体性状.,变异(variation):生物体在外因或内因的作用下,遗传物质的结构或数量发生改变
2、. 变异的特点:a.出现几率极低 b.变化幅度大; c.新性状稳定,可遗传.,饰变(modification):指不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:每个个体都发生同样变化; 性状变化幅度小; 不遗传.引起饰变的因素消失后, 可恢复.,第一节 遗传变异的物质基础,主要的遗传物质DNA的特点:, 分子结构相对稳定, 能够自我复制, 前后代保持一定连续性, 指导蛋白质的合成,控制新陈代谢过程和性状, 产生可遗传的变异,2.1 DNA作为遗传物质的实验证据之一 肺炎链球菌的转化现象,1928年，格里菲斯(Griffith)以肺炎链球菌为研究对象，发现了S型菌株和R型菌
3、株发生转化的现象。,1944年，艾维里(Avery)通过进一步的转化实验弄清楚了Griffith实验中的转化因子的实质。,1928年，Griffith进行了以下几组实验： （1）动物实验 对小鼠注射活RII菌或死SIII菌 小鼠存活 对小鼠注射活SIII菌小鼠死亡 对小鼠注射活RII菌和热死SIII菌 小鼠死亡 抽取心血 分离 活的SIII菌,一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验,（一）经典转化实验（transformation）：F.Griffith， 研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌） SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性 RII型菌株：
4、无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性,（2）细菌培养实验,（3）S型菌的无细胞抽提液试验,热死SIII菌不生长 活 RII 菌长出RII菌 热死SIII菌长出大量RII菌和10-6SIII菌,活R菌+S菌无细胞抽提液长出大量R菌和少量S菌,+活RII菌,平皿培养,肺炎链球菌体外转化实验,2.2 DNA作为遗传物质的实验证据之一 E.coli噬菌体T2的感染实验,1952年,侯喜(A.D.Hershey)和蔡斯(M .Chase)用同位素示踪法研究了大肠杆菌噬菌体T2的感染过程。,噬菌体感染实验,（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中,沉淀中含 85%放射性,以32P标记DNA做噬菌体感染
5、实验,以35S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,2.3 RNA作为遗传物质的实验证据 烟草花叶病毒(TMV)的重建实验,1956年,H .Fraenkel-Conrat用含RNA的TMV所作的著名的植物病毒重建实验证明TMV的主要感染成分是其核糖核酸RNA。,病毒重建实验示意图(引自Klug and Cummings，2000),3、病毒重建实验,（一）核酸存在的七个水平及质粒 细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 细胞核水平: 原核与真核生物的细胞核结构不同 染色体水平: 倍性(真核)和染色体数 核酸水平：在原核中染色体水平、存在部分
6、二倍 体DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链 基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录翻译 密码子水平：信息单位,起始和终止, 核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基,代表性生物体内基因组大小,微生物基因组,基因组(genome):某一物种的单倍体的所有染色体上遗传物资的总称。,由配子发育而成的个体叫做单倍体(haploid)； 由受精卵发育而成的个体叫做二倍体(diploid),密码子水平,核苷酸是最小突变单位和交换单位,核苷酸水平,原核微生物核外遗传物质,质粒（plasmid）： 游离于染色体外，具有自主复制能力的小型共价闭合环装DNA分子。,提取所有胞内DNA后电镜观察
7、,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，如抗药性初步判断。,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）,质粒的主要类
8、型,1)致育因子(F因子) 由于这种质粒还可以整合到细菌染色体上，成为染色体的一部分，又叫作附加体。F质粒整合到宿主细胞染色体上的菌株叫Hfr.,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）,环形的F因子主要包括 四个部分： 原点，转移的起点； 形成性伞毛的基因； DNA复制酶基因； 插入序列，与插入到细 菌染色体的过程有关。,2)抗性因子（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因子一般由相连的二个DNA片段组成。 一是RTF质粒 （抗性转移因子），它含调节DNA复制和转移的基因；
9、二是抗性决定质粒，含有抗性基因。,R因子的特征：,1）能自行重组，即来自两种不同耐药菌株的R因子基因整合在一起，构成多重耐药菌株 2）R因子也能借助性纤毛进行接合而传递,而且R因子和F因子之间也能发生重组 3）R因子不能整合到核染色体上 4）由相连的RTF质粒和抗性决定基因组成,R因子的结构组成,大肠杆菌产生的细菌素为大肠杆菌素(colicins),而产生这种细菌素的质粒被称为Col质粒。,通过抑制复制、转录、翻译或能量代谢等而专一性地杀死近缘且不含Col质粒的菌株，而宿主不受其产生的细菌素的影响，质粒本身编码一种免疫蛋白，从而使宿主对大肠杆菌素有免疫作用。,作用机理：,3)产细菌素的质粒(B
10、acteriocin production plasmid),4）Ti质粒（诱癌质粒）的结构及特点,环状dsDNA,160-250kb，六个功能区 致瘤区：合成植物生长素和细胞 分裂素 冠瘿碱合成区：参与冠瘿碱合成 冠瘿碱分解区：参与冠瘿碱分解 质粒转移区(tra)：参与不同农杆 菌中的接合转移 毒（性）区：参与T-DNA的转移和 插入植物染色体 DNA复制区：参与Ti 质粒DNA复制,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。,将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简
11、单形式，环境保护方面具有重要的意义。,降解质粒：,巨大质粒： 又叫共生质粒。发现于根瘤菌属中的一些成员，质粒上有一系列固氮基因。,6) 隐秘质粒（cryptic plasmid）,隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。,质粒的特性,质粒的不亲和性 两种亲缘关系密切的不同质粒，不能够在同一个寄主细胞系中稳定地共存的现象。 质粒的稳定性 正常条件下质粒在细胞分裂前复制，其特殊的分配机制以保证其在子代细胞中的均等分配，从而实现质粒遗传的稳定。,质粒作为载体的优点,1、体积小，便于DNA的分离与操作
12、2、呈环状，使其在化学分离过程中能保持性能稳定。 3、有不受核基因组控制的独立复制起始点。 4、拷贝数多，使外源DNA可很快扩增。 5、存在抗药性基因等选择性标记。,质粒的类型,严谨型质粒(stringent plasmid)：复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数 松弛型质粒(relaxed plasmid)：复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数,窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid) ：只能在一种特定的宿主细胞中复制,广宿主范围质粒(broad host range plasmid) ：可以在许多种细菌中复制,第二节 基因突变和诱变育种,基因突变,指遗传物
13、质本身发生根本的变化。 广义的突变包括染色体变异和基因突变或点突变。狭义的突变单指基因突变,它是指一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变。,自发突变 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 。,诱发突变 人们利用某些物理、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。,基因突变的特征,不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。,自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。,稀有性：突变率低且稳定。,独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。,可诱发性：诱变剂可提高突变率,一般可以将突变率提高10105倍。,可逆
14、性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变（forward mutation），从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变（back mutation或reverse mutation）。,稳定性：变异性状稳定可遗传。,突变类型,按方法分：按突变株的表型是否能在选择性培养基 上加以鉴别来区分,基因突变自发性和不对应性的实验证明,三个经典实验 变量实验 涂布实验 影印实验,证明：1、突变是自发产生的 2、突变的性状与引起 突变的原因间无直 接对应关系。,1、变量实验（fluctuation analysis） Salvador Luria and Max Delbruck（1943）,S
15、alvador Luria,Max Delbruck,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,突变率：每个细胞在每世代中某性状的突变几率。,2、Newcombe的涂布实验（1949）,3、影印实验,Joshua Lederberg,Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）,1、诱发突变的原因,（1）碱基的置换 （2）移码突变：添加或缺失核苷酸，引起阅读错误 （3）染色体畸变：缺失、重复、插入、易位、倒位,2、自发突变的原因 （1）背景辐射 （2）有害产物积累 （3）碱基错配,* 突变机制,1、碱
16、基的置换：也称点突变。指 一对碱基被另一对碱基所替代。 分类 转换：嘌呤置换嘌呤，嘧啶置换嘧啶 颠换：嘌呤置换嘧啶，嘧啶置换嘌呤 2、移码突变：诱变剂使DNA分子中的核苷酸插入或缺失，从而使该部分后面的遗传密码发生转录和转译错误的突变。 3、染色体畸变：DNA较大的损伤，包括染色体结构上的缺失、插入、易位、倒位以及染色体数目改变。,紫外线对DNA的损伤及其修复,嘧啶,嘧啶二聚体,UV,1、光复活作用,嘧啶二聚体,光解酶,2、切除修复（暗修复作用）需要内切、外切、聚合以及连接酶共同作用。,嘧啶比嘌呤对紫外线敏感得多,胸腺嘧啶二聚体,嘧啶的紫外线光化产物,胸腺嘧啶二聚体的修复,光复活作用,微生物等生物的细胞内存在光复活酶,光复活酶识别胸腺嘧啶二聚体，并与之结
