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1、第5章 微生物的遗传与育种,遗传学的几个概念,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。 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。,微生物的独特生物学特性：,（1）个体的体制极其简单； （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）
2、易于形成营养缺陷型； （9） 存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式；,第一节 遗传变异的物质基础,一、DNA是遗传变异的物质基础 DNA是遗传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。,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,三个经典实验：,（一）经典转化实验（transformation）： 研究对象：肺炎双球菌 S型菌株：有致病性，菌落表面光滑
3、，有荚膜 R型菌株：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+S菌无细胞抽提液长出大量R菌和少量S菌。,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。,（二）噬菌体感染实验,A. D. Hershey和M. Chase， 1952年,（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中 （2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中 所以，进入细胞的是噬菌体的核酸而不是蛋白质。,（三）植物
4、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。,二、DNA的结构与复制,DNA的一级结构：指碱基序列 DNA的二级结构：主要是BDNA：双螺旋结构 DNA的三级结构：双螺旋的DNA分子可以进一步盘曲形成更加复杂的结构。 DNA的复制：半保留复制 ATTTCG TAAAGC,RNA等作为遗传物质的基础：,以RNA
5、作为遗传信息的携带者主要是一些RNA病毒：正链RNA病毒、负链RNA病毒、反转录RNA病毒、双链RNA病毒： 类病毒、卫星RNA 朊病毒:蛋白质,第二节 微生物的基因组结构,基因：一段具有特定功能和结构的连续DNA片段。 基因组：细胞中基因以及非基因的DNA序列的总称，包括结构基因、调控序列以及目前功能未知的DNA序列。,一、原核生物（大肠杆菌）的基因组,紧密缠绕的环状双链DNA分子；遗传信息的连续性；功能相关的结构基因组成操纵子结构；结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；基因组的重复序列少而短。,二、真核生物（啤酒酵母）的基因组,DNA与组蛋白构成染色体 有间隔子或内含子序列 没有明显的操
6、纵子结构 含有一定数量的重复序列（低度、中度和高度重复） 遗传丰余：较高同源性的DNA重复序列,中心法则：,第三节 质粒,一、原核生物的质粒 质粒定义：是一类小型共价闭合环状核外DNA，能独立于细胞核进行自主复制。可以通过交换掺入细胞核成为附加体；可以从寄主细胞中消除。 近年来也发现了线性双链DNA质粒和RNA质粒,二、几种代表性质粒：,1.F-因子（fertility factor） 致育因子/性因子，62106Dalton，94.5kb，相当于核染色体DNA2%的环状双链DNA，足以编码94个中等大小多肽，其中1/3基因（tra区）与接合作用有关。 存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈
7、瑟氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别。,2.巨大质粒 （mega质粒）,为近年来在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。,3.Ti（毒性）质粒（tumoe inducing plasmid） 长200kb，是一种大型质粒。 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
8、坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。,根癌,4.Col因子（colicinogenic factor）: 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，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。,5.R（抗生素抗性和重金属抗性）因子（resistence factor） R因子由相连的两个DNA片段组成，即抗性转移因子（resistence transfor factor， RTF ）和抗性决定因子（r-det
9、erminant），RTF控制质粒copy数及复制，抗性决定因子带有抗生素或重金属的抗性基因。,6.降解性（代谢）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。 这些质粒以其所分解的底物命名，例如有分解CAM（樟脑）质粒，XYL（二甲苯）质粒，SAL（水杨酸）质粒，MDL（扁桃酸）质粒，NAP（奈）质粒和TOL（甲苯）质粒等。,二、转座因子 转座因子：可在DNA链上改变自身位置的一段DNA序列。也称作跳跃基因（jumping gene）或可移动基因（movable gene）。 有些DNA片段不但可在染色体上移动，而且还可
10、从一个染色体跳到另一个染色体，甚至还可从一个细胞转移到另一个细胞。在这些DNA顺序的跳跃过程中，往往导致DNA链的断裂或重接，从而产生重组交换或使某些基因启动或关闭，结果导致突变的发生。,第四节 基因突变及修复,一、基因突变（gene mutation）： 是变异的一种，指生物体内遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。 突变率常在10-810-9范围内。,(一)基因突变的类型（根据遗传信息的变化）,原序列 5-AUG CCU UCA AGA UGU GGG Met Pro Ser Arg Cys Gly (1)同义突变 5- AUG CCU UCA AGA UGU GGA Met P
11、ro Ser Arg Cys Gly (2)错义突变 5- AUG CCU UCA GGA UGU GGA Met Pro Ser Gly Cys Gly (3)无义突变 5- AUG CCU UCA AGA UGA GGA Met Pro Ser Arg (4)移码突变 5-AUG CCU UCA AGU GUG GG Met Pro Ser Ser Val,常见突变类型 突变株的表型 成因 检出方法 营养缺陷型 丧失合成一 补充培养基 （auxotroph） 种或几种生长因子的 能力不能在基本培养 基上生长 抗性突变型 产生了对某 药物培养基 （resistant mutant） 种化学药
12、物或致死 物理因子的抗性 条件致死突变型 在某种条件下 培养条件改变 （conditional 可正常生长、繁殖并 lethal mutant） 实现其表型，而在另 一条件下却无法生长 繁殖的突变型,突变株的表型 成因 检出方法 形态突变型 因突变而产生的个体 形态 Morphologycal 或菌落形态的非选择（常用颜色变化） mutant 性变异 抗原突变型 因突变而引起的抗原 借助于抗原 antigenic 结构发生改变 抗体反应 mutant 产量突变型 因突变而获得的在有 测定产量或 high producing 用代谢物产量上高于 其它 mutant 原始菌株的突变株,（二）突变率
13、 突变率: 每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。 突变率为10-8是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变。突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株（mutant，即突变型）的数目来表示。如一个含108个细胞的群体，当其分裂为2108个细胞时，即可产生一个突变表型。 突变率=突变细胞数/分裂前群体细胞数,一些菌种某些性状的自发突变率,.诱变机制,诱变剂（mutagen）：凡能提高突变率的任何理化因子，诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有不同的作用方式。,直接引起置换的诱变剂,一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸
14、二乙酯，甲基磺酸乙酯，N-甲基-N硝基-N-亚硝基胍，N-甲基-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。,间接引起置换的诱变剂,引起这类变异的诱变剂都是一些碱基类似物，如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氨基尿嘧啶（5-AU）、8-氮鸟嘌呤（8-NG）、2-氨基嘌呤（2-AP）和6-氯嘌呤（6-CP）等。它们的作用是通过细胞的代谢活动掺入到DNA分子中后而引起碱基置换，故是间接的。,三、 基因重组,基因重组（gene recombination）：凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传型个体的方式。 重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新遗传型
15、的个体。 真核微生物中的有性杂交、准性杂交（parasexual hybridization）等原核生物中的转化、转导、接合和原生质体融合等都是基因重组在细胞水平上的反映。,四、 微生物育种,从生产中选育： 在生产过程中，微生物以一定频率发生自发突变。为选育优良的生产菌种创造了机会。 定向培育优良品种： 一般指用某一特定因素长期处理某微生物的群体（culture population），同时不断地对它们进行移种传代，以达到积累并选择相应的自发突变株的目的。,诱变育种,诱变育种：利用物理或化学诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，促进其突变率显著提高，然后采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实践或科学研究之用。 诱变育种具有极其重要的实践意义。当前发酵工业和其他微生物生产部门所使用的高产菌株，几乎毫无例外地都是通过诱变育种而明显提高其生产性能的。,选择简便有效的诱变剂： 物理诱变剂：紫外线、激光；X射线、射线和快中子等。 化学诱变剂：主要有烷化剂、碱基类似物和丫啶类化合物。 拟辐射物质：有些烷化剂例如氮芥、硫芥和环氧乙烷等除了能诱发各种点突变外，还能诱发一般只有辐射才能诱发的染色体畸变，所以它们也被称为拟辐射物质。 由于一切生物的遗传物质基础都
