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1、,遗传变异的物质基础 基因突变和诱变育种 基因重组和杂交育种（自学） 基因工程 菌种的衰退复壮和保藏,内容提要,第七章 微生物的遗传变异和育种,遗传（heredity inheritance） ：,亲代与子代相似,变异（variation） ：,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,（1）遗传型（genotype）,生物的全部遗传因子及基因,又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组（genome）所携带的遗传信息。遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的 特定遗传信息,（2）表型（
2、phenotype）,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。,又称 表现型，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下通过代谢和发育而得到的具体表现。,表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。,（3）变异,遗传型变异（基因变异、基因突变）： 指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。,遗传物质改变，导致表型改变 特点：遗传性、群体中极少数个体的行为 （自发突变频率通常为10-5-10-10）,表型饰变： 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。,表型的差异
3、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,橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。,（4）饰变（modification）,表 型 饰 变：,表型的差异只与环境有关 暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为,例如：粘质沙雷氏菌：25下培养，产生深红色的灵杆菌素；37下培养，不产生色素； 重新将温度降25，又恢复产色素的能力。,斜面培养,液体培养,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。,第一节 遗传变异的物质基础,种质连续理论：1883
4、1889年间Weissmann提出。认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物。,F Crick在研究DNA双螺旋结构,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。 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 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 人们普遍接受核酸才是真正的遗传物质。,一、3个经典实验 （一）经典转化试验,最早进行 转化（transformation）实验的是F. Griffith（19
5、28年），他以Streptococcus pneumoniae （肺炎链球菌，旧称“肺炎双球菌”）作为研究对象。,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,实验材料： 肺炎双球菌,转化实验,说明：加热杀死的 S 型细菌中有一种具有遗传转化能力的物质，它通过某种方式进入 R 型细胞，并使 R 型细菌获得表达 S 型荚膜形状的遗传特性,1928年Griffith进行的细菌转化实验,（1）动物实验,（2）细菌培养试验,（3）S型菌的无细胞抽提液试验,Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验,（1）从活的S菌中抽提各种细胞成分（DNA，蛋白质，荚膜多
6、糖等） （2）对各组分进行转化试验,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DNA是遗传因子。,1952年，A.D.Hershey和M.Chase发表了证明DNA是噬菌体的遗传物质基础的著名实验 噬菌体感染实验,（二）噬菌体感染实验 （p188）,步骤,1：用含同位素35, P32的培养基分别培养大肠杆菌,2：让T2感染上述大肠杆菌使其打上S35 、P32标记,35S蛋白质外壳的噬菌体,32PDNA核心的噬菌体,在DNA中存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。,（二）噬菌体感染实验,A. D.
7、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,10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离,吸附,离心,沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体,上清液中含 75%放射性,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。,（三）植物病毒的重建实验 （p189）,植物病毒蛋白质和RNA可以人
8、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,遗传物 质类型,核染色体,核外染色体,真核生物细胞器,原核生物质粒,二、遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式,核外DNA的种类,核外染色体,真核生物的“质粒” 原核生物的质粒,线粒体 细胞质基因 叶绿体 中心体 动 体 共生生物：卡巴颗粒 酵母菌的2m质粒,F因子 R因子 Col质粒 Ti质粒 巨大质粒 降解性质粒,（一）核酸存在的 7 个水平 细胞水平：存在于细胞核或核质体
9、，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，核外 DNA 染色体水平: 倍性 ( 真核 ) 和染色体数 核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 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,（二)原核生物的质粒 （p194）,功能：带有一些基因，如产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等，并可进行细胞间转移。,结构与大小：质粒通常以共价闭合环状的超螺旋双链DNA分子状态存在于细胞中。约为11000kb，上面携带有数个到数十个甚至上百
10、个基因。,定义：存在于细菌、真菌等微生物细胞中，独立于染色体外，能进行自主复制的遗传因子。,质粒 核外环状小型DNA独立复制稳定遗传,F因子 与有性接合有关,种类,R因子 与抗药性有关,COL 编码免疫蛋白,Ti质粒 诱癌质粒,降解性质粒：编码降解有害物质的酶,用途 基因工程中作为目的基因载体,质粒,原核生物遗传物质 存在的另一种方式,基 因 突 变,突变与育种,第二节 基因突变和诱变育种,一、基因突变（gene mutation）,一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变,简称 突变，是变异的一种，泛指细胞内（或病毒粒内）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
11、产生。,突变几率一般很低（10-610-9）,从自然界分离到的菌株，简称 野生型。,野生型经突变后形成的带有新性状的菌株，又称突变体 或 突变型。,突变株（mutant）,野生型菌株（wild type strain）,（一）突变类型,凡能用选择性培养基（或其他选择性培养条件）快速选择出来的突变株。,选择性突变株（selective mutant）,非选择性突变株（non-selective mutant）,反之。,突变株的表型,非选择性突变株,选择性突变株,抗性突变型（株）,营养缺陷型（株）,条件致死突变型（株）,形态突变型（株）,抗原突变型（株）,产量突变型（株）,1. 营养缺陷型（aux
12、otroph）,某一野生型菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物（precursor）才能正常生长繁殖的变异类型，称为营养缺陷型。,营养缺陷型突变株 在遗传学、分子生物学、遗传育种和遗传工程等研究中 十分重要,表型判断的标准：,在基本培养基上能否生长,营养缺陷型的表示方法：,基因型：,所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC （组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变）,表型：,同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC,2. 抗性突变型（resistant mutant）,指野生型菌株因发生基
13、因突变，使菌株对对某化学药物或致死物理因子，特别是抗生素，产生抗性的 抗性变异类型。,特 点：,正选择标记 （突变株可直接从抗性平板上获得在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）,表示方法：,所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示。,抗性突变菌株 在遗传学、分子生物学、遗传育种和遗传工程等研究中 极为重要,3. 条件致死突变型（conditional lethal mutant）,某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可 正常地生长、繁殖并呈现其固有的表型，而在另一种条件下却 无法 生长、繁殖，这种突变类型称为条件致死突变型。,在25下可感染其E. coli
14、宿主 在37却不能感染,Ts突变株 即 温度敏感突变株（temperature sensitive mutant，Ts mutant）是一类典型的条件致死突变株。,E. coli的某些菌株,在37下正常生长 不能在42下生长,某些T4噬菌体突变株,产生Ts突变的原因,在某特定的温度下具有功能,在另一温度（一般为较高温度）下则无功能,突变使某些重要蛋白质的结构和功能发生改变，,4. 形态突变型（morphological mutant）,指由于突变而引起的个体或菌落形态的 非选择性变异。,特点：,非选择性突变 突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。,举例：,菌落颜色变化,半乳糖苷
15、酶基因的插入失活,5. 抗原突变型（antigenic mutant）,指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异类型，一般也属 非选择性突变。 例如，细胞壁缺陷变异（L型细菌等）、 荚膜或鞭毛成分变异等。,6. 产量突变型（metabolite quantitative mutant）,通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株，称为 产量突变型。,筛选高产正变株的工作对生产实践极其重要,在育种实践上,诱变育种 重组育种 遗传工程育种,突变率,每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率,例如，突变率为10-8的， 指该细胞在1亿次细胞分裂中，会发生1次突变。,某一单位群体
16、在每一世代（即分裂1次）中产生突变株（mutant，即突变型）的数目来表示,例如，一个含108个细胞的群体，当其分裂为2108个细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是10-8。,（二）突变率（mutation rate）,基因突变的 7 个共同点,（1）自发性,各种性状的突变， 可在无人为的诱变因素处理下自发地产生。,（三)基因突变的特点 （p200）,（2）非对应性,突变的性状与引起突变的原因间 无直接的对应关系。,这是突变的一个重要特点，也是容易引起争论的问题,（3）稀有性,自发突变虽可随时发生， 但其突变率却是极低和稳定的，一般在10-610-9间。,某基因的突变率不受它种基因突变率的影响。,（5）可诱变性,自发突变的频率可因 诱变剂（mutag
