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1、第八章微生物的遗传变异,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、复壮和保藏,内容提要,亲代的性亲代的性状在子代表现出来，使子代与亲代有相似的现象，叫遗传。从分子水平上讲，遗传就是遗传信息的复制和表达。,亲代与子代及子代各个体之间，无论在形态结构和生理机能方面，总会有差异，这种同类型不同个体之间的差异称为变异。从分子水平讲，是遗传信息发生了变化。,遗传和变异是生物体最本质的属性之一。,遗传（heredity或inheritance）,变异（variation）,遗传型：,表型（表现型）：,又称基因型，指某一生物个体
2、所含的全部遗传因 子即基因组所携带的遗传信息。,指某一生物体所具有的一切外表特征和内 在特征的宗和，是其遗传型在合适环境条件 下通过代谢和发育而得到的具体体现。,表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。,有些基因结构未发生变化仅表型改变不是变异，只能称适应或饰变（modification） 。变异是基因结构发生变化，而且往往是不可逆的变化，此变化可以遗传给子代形成新的品种。遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变异，变异中有遗传。,饰变：是指外表的修饰性的改变，即一种不涉及遗传物 质结构改变而发生在转录、转译水平上的表型改变。,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
3、,橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。,变异：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，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10-6-10-9）,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）
4、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） 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 遗传与变异的物质基础,（一）核酸遗传变异的物质基础（3个经典实验）,（二）遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式,1、证明DNA是遗传物质的经典转化实验,Griffith是第一个发现转化现象的 ，虽然当时还不知道称之为转化因子的本质是什么，但是他的工作为后来Avery等人进一步揭示转化因子的实质，确立DNA为遗传物质奠定了重要
5、基础。,（一）核酸遗传变异的物质基础（3个经典实验）,转化实验,材料,方法,动物实验,细菌培养实验,S型菌无细胞抽提液试验,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,SSS三个血清型,RRR三个血清型,实验材料： 肺炎双球菌,肺炎双球菌转化实验（1）动物实验,转化实验（2）细菌培养实验,转化实验（3）S型菌无细胞抽提液试验,（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,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
6、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,原始株 拆开 重建 感染 分离纯化,植物病毒的拆开与重建实验,（一）核酸存在的七个水平 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（核区）与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA（细 胞质中）,真核：DNA+组蛋白 染色体水平: 倍性(真核)和染色体数（真核：多条；原核：一条） 核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体，DNA或 RNA（少数病毒），复合或裸露，双链或单链（少数病毒）,二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式,（一）核酸存在的七个水平 基因水平：具自主复制能力的遗传功
7、能单位，长度与信息量，转录翻译 密码子水平：DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。遗传密码的单位是密码子。密码子是由核酸分子上三个连续核苷酸序列决定的。三个连续的枋苷酸序列 核苷酸水平：核苷酸是核酸的组成单位，最小的突变或交换单位，四种碱基,二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式,基因组：是指单倍体细胞中所含的全套遗传物质，包括细胞中的基因及非基因的DNA序列。 大多数细菌和噬菌体而言，基因组是指单个染色体上所含的全部基因。 二倍体直核生物：单倍体（配子或配子体）细胞核内整套染色体所含的DNA分子及其所携带的全部基因。 微生物的基因组一般都比较小，其中最小的大肠杆菌噬菌体MS2仅300
8、0bp，含3个基因，而人的染色体DNA为.x109bp. 基因组学：研究生物基因组的组成、组内各基因的精细结构、相互关系及表达调控的科学。,第二节、微生物的基因组,原核生物的质粒,1.定义和特点 定义： 存在于微生物染色体以外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子。 所含的基因对寄主细胞一般是非必需的，只是在某些特殊的条件下质粒能赋予寄主细胞以特殊的机能，使寄主得到生长优势。 特点：超螺旋结构、独立的复制子、严谨型复制、松弛型复制、质粒消除整合,第三节 微生物的染色体外遗传因子,2、质粒的主要类型：根据质粒所编码的功能和赋予的表型效 应。,抗性因子（Resistance fact
9、or，R因子）：主要包括抗药性和抗重 金属两大类。Amp、Kan,致育因子（Fertility factor，F因子）：最早发现的与大肠杆菌 的有性生殖有关的质粒。决定细菌的性别。,CoL质粒（col plasmid）：大肠杆菌毒素因子，含有编码大肠杆 菌素的基因。一种细菌蛋白，,Ti质粒（tumor inducing plasmid）：,Ti质粒（tumor inducing plasmid）：,Ri质粒（root inducing plasmid）:,基 因 突 变,突变与育种,第四节、微生物突变和诱变育种,一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变,基因突变：,一、基因突变 简称突变，是
10、变异的一类，泛指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子结构或数量发生的可遗传变化，可自发或诱导产生。狭义突变指基因突变 广义突变是指基因突变和染色体畸变。 基因突变：指一个基因内部遗传物质结构或DNA序列的任何变化，包括一对或少数几对的缺失、插入或置换，导致遗传性状的变化。,突变的特点,基因突变,突变的机制,突变类型,微生物突变体的主要类型,形态突变型,菌落形态突变型,菌体形态突变型,生化突变型,营养突变体(营养缺陷型),抗性突变体 发酵突变型:能利用到不能利用 毒力突变型：致病能力增强或减弱,条件致死突变型 致死突变型:突变后生活能力丧失或下降导致 死亡的突变型。,产量突变型,按突变 实质分,（
11、二）基因突变的特点(5个特点),1 .随机性 2. 稀有性：10-910-6 3.独立性 4. 稳定性 5. 可逆性,基因突变随机性（自发性和不对应性）的证明,变 量 试 验,涂 布 试 验,影印培养试验,(在同一个大管中作整体培养),29 291 83 9 22 19 17 20,抗噬菌体菌落数 抗噬菌体菌落数,变量试验,涂布试验,影印培养试验,基因突变及其机制,移码突变,染色体畸变,碱基的置换,一对碱基被另外的一对碱基置换。 转换(transition)：即DNA链中的一个嘌呤被嘌呤或嘧啶被嘧啶所置换。 颠换(transversion)：即一个嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤所置换。,1 诱变的机制
12、,(1)碱基的置换,碱基的置换,直接引起置换的诱变剂,间接引起置换的诱变剂,碱基的置换,T：烯醇式,5-BU:酮式,5-BU:烯醇式,碱基的置换,间接引起置换的诱变剂,碱基的置换,烯醇式,酮式,分子中缺失或增加少数几个碱基对而引起,造成突变点以后全部遗传密码转录与翻译发生错误,增添一个碱基,缺少一个碱基,移码突变,染色体畸变,某些理化因子，如射线，紫外线， 亚硝 酸等，除能引起点突变外，还会引起DNA分 子大损伤，包括染色体易位，倒位，缺失，重复等，即为染色体畸变。,染色体畸变,紫外线诱变作用机理,可使链裂断，破坏核糖和磷酸间的键联,引起胞嘧啶和尿嘧啶产生水合作用造成氢键断裂,能使胸腺嘧啶成二
13、聚体，使结构发生改变,DNA的损伤修复 DNA的损伤：DNA在复制时产生错配、病毒基因整合，某些物化因子如紫外光、电离辐射和化学诱变等，破坏DNA的双螺旋结构，从而影响DNA的复制，并使DNA的转录和翻译也跟着变化，因而表现出异常的特征（生物突变）。 若DNA的损伤或错配得不到修复，会导致DNA突变。其主要形式： 一个或几个碱基被置换 插入一个或几个碱基 一个或多个碱基对缺失 DNA的损伤修复光复活修复、切除修复,光复活修复：400nm左右的光激活光复活酶，专一分解紫外光照射引起的同一条链上的TT（或CC，CT）二聚体。（包括从单细胞生物到鸟类，而高等哺乳动物无） 切除修复：将DNA分子中的受
14、损伤部分切除，以 完整的那条链为模板再重新合成。特异内切酶、DNA聚合酶、 DNA外切酶、DNA连接酶均参与。（发生在DNA复制前）,重组修复（发生在复制后）：复制时，跳过损伤部位，新链产生的缺口由母链弥补，原损伤部位并没有切除但在后代逐渐稀释。 诱导修复：造成DNA损伤或抑制复制的处理均能引起一系列复杂的诱导效应,称为应急反应(SOS response)。此过程诱导产生切除修复和重组修复中的关键蛋白和酶，同时产生无校对功能的DNA聚合酶。所以会有2种结果：修复或变异（进化）。,诱变育种的定义,二、突变与育种,诱变育种,诱变育种就是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，促进其突变频率
15、大幅度提高，然后设法采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的突变株，以供生产实践或科学实验之用。 诱变育种除提高产量外，还可改进产品质量、扩大品种种类和简化工艺等目的。它具有方法简便、工作速度快和收效显著等优点，仍是目前最广泛使用的育种手段。,效价：指有效成分的浓度。1ug/ul称为1 单位,从 青 霉 素 产 量 看 诱 变 育 种,诱变育种的基本环节,诱变育种工作中应考虑的几个原则,选优良的出发菌株,处理单孢子（或单细胞）悬液,选用最适剂量,设计或采用高效筛选方案或方法,利用复合处理的协同效应,利用和创造形态，生理与产量间的相关指标,选择简便有效的诱变剂,挑选优良的出发菌株,生产中用过的自发变异菌株,选用具有有利于进一步研究或应用性状的菌株,采用已发生其他变异的菌株,采用对诱变剂敏感性较高的增变变 异株,处理单孢子（或单细胞）悬液,芽孢杆菌应处理芽孢,放线菌，霉菌应处理孢子,细菌指数期，放线菌霉菌要稍 加萌发后使用,出发菌株应制成均匀悬夜,选择简便有效的诱变剂,选用最适剂量,剂量以诱变剂浓度和处理时间来表示,合适剂量：能扩大变异幅度又能促使 变异移向正变范围的剂量,充分利用复合处理的协同效应,两种或多种诱变剂先后使用,同种诱变剂重复使用,两种或多种诱变剂同时使用,利用和
