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1、微生物遗传变异和育种,证明遗传物质基础的三个经典实验 微生物的基因组、质粒的特点和类型 微生物基因突变及其机制。 微生物的基因重组 微生物菌种选育 微生物菌种衰退、复壮和保藏,本章内容,遗传（heredity）：指生物的上一代将自己的一整套遗传因子传递给下一代的行为和功能。 遗传型（genotype）：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所携带的遗传信息。 表型（phenotype）:指某一生物所具有的一切外表特征和内在特性的总和,是遗传型在合适条件下的具体表现。,*几个概念,变异（variation）： 亲子之间或子代个体之间性状表现的差异称为变异 。变异分不遗传的变异和可
2、遗传的变异。 遗传变异：由于遗传物质的改变所致的变异。遗传物质的改变方式有基因突变、 基因重组、原生质体融合等。 饰变：即不遗传的变异指不涉及遗传物质结构而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。,植物蛋白水解培养基,糖盐培养基 粘液型菌落,放射型土壤杆菌,非粘液型菌落,胰蛋白胨培养基,脑心浸液培养基,诺卡氏菌,球形节杆菌,完全培养基,生物素缺陷培养基,*微生物的遗传变异的特点,1、大多数微生物为单细胞构造简单，通常为单倍体，而且直接接触外界环境，任何条件的变化，都可影响微生物，从而降低了遗传的保守性。 2、繁殖速度快，可在短时间重复多次，即使变异的频率十分低，也可在短时间内产生大量的变异后代。,
3、3、常见的变异形式是基因突变,它可以涉及到任何性状:形态构造、代谢途径、生理类型等。 4、大多数微生物为无性繁殖,一旦发生变异很容易在性状上表现和保留出来,有利于筛选好的特性。,第一节 遗传变异的物质基础,一、证明遗传物质的三个经典实验,经典转化实验,噬菌体感染实验,病毒重建实验,1、经典转化实验,肺炎双球菌（有荚膜）,研究对象：肺炎双球菌 S型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性 R型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性,Griffith,2、噬菌体感染实验,Hershey & Chase (1952),T2 bacteriophage,3 、病毒重建实验,1956-1957年， H. Fr
4、aenkelConrat做了本实验,第二节 微生物的基因组,基因组（genome）：一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称.,原核生物（如细菌）:多为单倍体（在一般情况下只有一条染色体）; 真核微生物，多条染色体，例如啤酒酵母有16条染色体。有时为双倍体,一、微生物染色体基因组结构的特点,1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组,1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；,双链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式存在于细胞中，该小体称为拟核(nucliod)，其上结合有类组蛋白蛋白质和少量RNA分子。,例外：布氏疏螺旋体(Borrelia burgdorfer
5、i)的染色体是线状的,个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的rRNA和tRNA中也发现有内含子或间插序列,2）基因组上遗传信息具有连续性；,一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。,3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；,4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；,5）基因组的重复序列少而短；,古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统(复制、转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生物。,操纵子（operon）： 功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作。,2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组,1）典型
6、的真核染色体结构；,2）没有明显的操纵子结构；,3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；,4）重复序列多；,二、质粒,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，主要存在于各种微生物细胞中。,1、质粒的分子结构,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）,2、质粒的特点,非必需，体积小，多拷贝，自我复制，可转移，可重组，不亲和。,3、质粒的主要类型,致育因子（Fert
7、ility 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）,致育因子,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。,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
8、体episome)。,抗性因子,包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。,R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞、磺胺、链霉素、夫西地酸、氯霉素、四环素、并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。,产细菌素的质粒,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。,一种乳酸细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G+细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。,毒性质粒,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
9、之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒. 苏云金杆菌含有编码内毒素(伴孢晶体中)的质粒. 根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子.,代谢质粒,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。,假单胞菌： 具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药、辛烷和樟脑等的能力。,降解质粒：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单形式，环境保护方面具有重要的意义。,隐秘质粒,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
10、前几乎不了解。,在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体。,一、微生物的基因突变,基因突变 ：简称突变，是指细胞内（或病毒粒子内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。 从自然界分离的菌株称野生型，突变后的菌株称突变型（株）。,第三节 微生物基因突变,狭义的基因突变（点突变）：只涉及DNA分子一对碱基或少数几对碱基的变化。 广义：包括染色体畸变和基因突变。,1、根据DNA变化的范围分,基因突变,置换,移码突变（缺失或添加）,染色体畸变,染色体结构改变,染色体数目改变,转换,颠换,缺失 重复 倒位 易位,整倍性改变,非整倍性改变,（一）突变类型,（1）碱基置换： 一对碱基被另
11、一对碱基所置换 转换：从一种嘌呤变到另一嘌呤 或从一种嘧啶到另一嘧啶，可称为转换 ； 颠换：从嘌呤到嘧啶（A-C或G-T等）或从嘧啶到嘌呤（C-G，T-A等），则称它为颠换。,（2）移码突变：DNA分子中一对或少数几对核苷酸增加或缺失而造成的基因突变。,（3）染色体畸变:某些因素使DNA发生大的损伤，使染色体产生畸变，结构上出现缺失 、重复 、倒位和易位的现象，数目上有所增减。,DNA复制中的碱基配对错误,自发损伤,脱嘌呤,脱氨基,氧化性损伤碱基,可转移遗传因子的作用,自发突变,碱基类似物,烷化剂,嵌合剂,辐射,黄曲霉毒素,诱发突变,2、根据突变起因分,自发突变：指生物体在无人工干预下自然发生
12、的低频率突变。 诱发突变：指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率，从而达到遗传性状的改变。,营养缺陷型,抗性突变型,条件致死突变型,形态突变型,抗原突变型,产量突变型,选择型突变,非选择型突变,3、根据表型分,选择型突变：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。,致死突变型和半致死突变型,营养缺陷型：丧失某种物质合成能力，无法在基础培养基上生长。 抗性突变型 ：对化学药物或致死物理因子产生抗性 条件致死突变型：某条件能正常生长，另一条件却不能。如Ts突变株。,形态突变型:个体或菌落形态发生变异 抗原突变型: 细胞抗原结构发生变异，如荚膜成分
13、 产量突变型:代谢产物产量变异,高正T,低负T 致死突变型和半致死突变型：由于基因突变而造成个体死亡的突变类型为致死突变型。造成个体生活力下降的的突变型为半致死突变型。,正向突变,回复突变,4、根据突变方向分,正向突变：野生型基因可以通过突变成为突变型基因。 回复突变：突变型基因会再次发生突变而成为野生型基因,1.自发性:有三个实验证明 2.不对应性(性状与原因） 3.稀有性； 4.独立性； 5.可诱变性； 6.稳定性； 7.可逆性。,（二）基因突变的特点,某一细胞（或病毒粒子）在每一世代中发生某一性状突变的几率，称突变率。,突变率,Luria等的变量试验,T1,103,103,0.2ml,相
14、差很大,相差不大,Newcombe的涂布试验,Lederberg等的影印平板培养法,影印法分离缺陷型菌株,1 自发突变机制,（1）多因素低剂量的诱变效应； （2）互变异构效应,（三）基因突变机制,在自然环境中存在着低剂量的宇宙射线、各种短波辐射、低剂量的诱变物质和微生物自身代谢产生的诱变物质等的作用引起的突变。,多因素低剂量的诱变效应,四种碱基第六位上的酮基或氨基的瞬间变构，会引起碱基的错配。 T和G可以酮式或稀醇式出现，C和A可以氨基式或亚氨基式出现。平衡是倾向于酮式或氨基式的，因此，DNA双链中以AT和GC碱基配对为主。,互变异构效应,诱变剂：能够提高生物体突变频率的物质。 常用的诱变剂包
15、括物理、化学和生物的三大类。,2、诱发突变机制,紫外线、快中子、X射线、射线、射线、激光 物理因素中目前使用得最方便而且十分有效的是紫外线。,物理诱变剂,DNA对紫外线有强烈的吸收，在碱基中嘧啶（T，C）比嘌呤（A，G）更敏感。紫外线的作用机制是主要形成胸腺嘧啶二聚体，以改变DNA生物活性，造成菌体死亡和变异。,紫外线的作用原理,把经UV照射后的M立即暴露于可见光下时，死亡率明显降低的现象。,光复活作用,切除修复 不依赖于可见光，只通过酶切去除嘧啶二聚体，随后重新合成一段正常DNA链的核酸修复方式。 重组修复 SOS修复,核酸内切酶,核酸外切酶,碱基类似物 2-氨基嘌呤、5-溴尿嘧啶、8-氮鸟
16、嘌呤 原理：在结构上和目标物类似，可以被用于DNA合成，但配对时和原有碱基表现出差异。 如5-溴尿嘧啶（5-BU）是胸腺嘧啶（T）的类似物，BU（酮式）-A，BU（稀醇式）-G,化学诱变剂,与碱基反应的物质,烷化剂（如亚硝基胍强致癌物） 原理：诱变剂中含有一个或多个活性烷基，使碱基烷化。如鸟嘌呤烷基化后，稀醇式为主要存在形式。GC G*T AT,脱氨基诱变剂（如亚硝酸） 原理：使碱基脱氨基。如A脱氨基 H（次黄嘌呤）只能和C配对，ATHCGC,原理：插入DNA双螺旋相邻的碱基对之间，引起DNA分子插入或缺失一个或几个碱基，造成遗传密码转录和翻译的错误。,移码诱变剂,丫啶类物质、丫啶氮芥衍生物,吖啶类染料（吖啶橙等）和称为ICR的物质都是有效的移码突变诱变剂。 细菌:ICR191有效； 酵母菌:溴化乙锭有效 噬菌体:吖啶橙和5-氨基吖啶有效；,第四节 微生物基因重组,基因重组（遗传传递）：指遗传物质从一个微生物细胞向另一个微生物细胞传递，形成新的遗传型个体的过程。 原核生物基因
