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1、第七章 微生物的遗传变异与育种,第一节 遗传变异的物质基础 第二节 微生物的基因组结构 第三节 质粒和转座因子 第四节 基因突变及修复 第五节 基因重组 第六节 微生物育种 第七节 菌种的衰退、复壮与保藏,五个概念；三个经典实验； 基因突变：遗传变异的基础，其中以营养缺陷型和抗药性突变株为代表的选择性突变株具有重要理论与实际应用价值。 从分子水平上看，诱发突变主要有碱基置换、移码突变和染色体畸变三类。基因突变分为自发突变和诱发突变。 诱变育种：其主要步骤是出发菌株的诱变处理和突变体的筛选。营养缺陷型的筛选一般要经过诱变、淘汰野生型、检出和鉴定营养缺陷型四个环节。 基因重组：基因重组是比基因突变
2、更高层次、更为复杂的变异方式。原核生物基因重组的类型主要有转化、转导、接合和原生质体融合等多种，真核微生物则有有性杂交、准性杂交和原生质体融合等多种。 基因工程：通过人工操纵DNA而实现的定向育种手段，可达到超远缘杂交育种，前景宽广。,遗传与变异的概念,遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。 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，在群体中以极低的几率（10-510-6）出现，性状变化幅度大；新性状稳定、可遗传。 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
3、特性的总和。 饰变（modification）：指生物体由于非遗传因素引起的表型改变，变化发生在转录、转译水平，特点是几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化，性状变化的幅度小，不遗传，引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。举例：粘质沙雷菌（Serratia marcescens）的红色素在25和37的变化。(中心法则),研究微生物遗传的意义,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
4、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；,微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的生物学基本理论问题中最热衷的研究对象。 对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育种工作提供了丰富的理论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。,研究微生物遗传学的意义,第一节 遗传变异的物质基础,种质连续理论：18831889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。 基因学说
5、：二十世纪初发现了染色体并提出基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。染色体由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。20多种氨基酸经过不同排列组合，可以演变出的蛋白质数目几乎可以达到一个天文数字，而核酸的组成却简单得多，一般仅由4种不同的核苷酸组成，它们通过排列组合只能产生较少种类的核酸，因此当时认为决定生物遗传型的是染色体和基因，起活性成分是蛋白质。 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）,魏斯曼（August Weismann，1838-1914）的试验：把一对雌雄老鼠斩去尾巴，
6、然后让它们交配产生后代。如此连续地做了22代，但最终生下的仍是有尾巴的老鼠。 提出：多细胞生物可分为种质和体质两部分，种质是亲代传递给后代的遗传物质，存留在生殖细胞染色体上，种质可发育成新个体的体质，但有一部分仍保持原来的状态，作为后代发育的基础。体质可以通过生长和发育而形成新个体的各个组织和器官，但它不能产生种质。体质受环境影响而获得的变异性状也不能遗传。体质随个体死亡而消失，只有种质才能世代传递，所以又称为种质连续学说。,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
7、心血分离活的S菌,一、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） S型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有荚膜 R型菌株：无致病性，菌落表面粗糙，无荚膜,图7-1 Griffith试验图解 (a)无毒菌系RII不使白鼠死亡，从鼠体内分离仍得无毒细菌；(b)将SIII加热杀死，不使白鼠死亡，鼠体内无有毒细菌； (c)混合活无毒的RII和加热杀死的SIII，使白鼠死亡，并在死鼠体内发现活的SIII细胞,（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
8、R菌和106S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,加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以 外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖,活R菌,长出S菌,只有R菌,1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从热死S型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，在离体条件下进行了转化试验：,只有S型细菌的DNA才能将S. Pneumoniae的R
9、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，是遗传因子。,（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
10、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。,选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒： （1）RNA（TMV） 蛋白质（HRV） （2）RNA（HRV） 蛋白质（TMV） 用两种杂合病毒感染寄主： （1）表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子 （2）表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子。 上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。由核苷酸或脱氧核苷酸通过3，5-磷酸二酯键连接而成的一类生物大分子。具有非常重要的生物功能，主要是贮存遗传信息和传递遗传信息。包括
11、核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两类。,朊病毒（prion）的发现和思考,朊病毒含有微量的核酸，仍未发现？ 朊病毒仅由蛋白质构成 朊病毒的遗传物质为蛋白质？,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及质粒 细胞水平： 存在于细胞核或核质体 细胞核水平： 单核或多核结构 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：一切具有自主复制能力的遗传功能单位均可称为基因。 1000bp大小， 分子量6.7105Dalton 密码子水平： 第三位模糊,起始和终止,信息单位 核苷酸水平：
12、 突变或交换单位,第二节 微生物的基因组结构,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。 微生物的基因组一般较小。,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,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 (酵母基因组全序列测定完成后，在其基因组上还发现了许多较高同源性
13、的DNA重复序 列，并称之为遗传丰余(genetic redundancy)。 酵母基因组的高度重复或遗传丰余是一种浪费和多余呢?还是一种进化的策略呢? ),古细菌（詹氏甲烷球菌）的基因组,古细菌的基因组结构类似于细菌，即在环形DNA分子上功能相关的基因组成操纵子结构，无内含子序列。 负责信息传递功能的结构（复制、转录和翻译）类似于真核生物，如启动子结构、复制起始因子、RNA聚合酶、翻译延伸因子等,第三节 质粒和转座子,原核生物的质粒,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
14、RNA质粒 大小：2100106Da，含有数个到数十个甚至上百个基因。 性质：质粒是一种复制子，分为严紧型和松弛型，严紧型质粒的复制受细胞核控制，一般一个寄主细胞内有23个；松弛型质粒的复制不受细胞核控制，在细胞内的数量可以达到10-15个 功能：质粒上携带着某些染色体上所没有的基因,使细菌等原核生物被赋予了某些对其生存并可有可无的特殊功能。例如接合、产毒、抗药、固氮、产特殊酶或降解有毒物质等功能。所以质粒的消失不会造成菌体死亡。 重组：在质粒之间、质粒与染色体之间菌可发生。,原核生物的质粒,存在范围：很多细菌如E.coli、Shigella、S.aureus、Streptococcus la
15、ctis Agrobacterium tumefaciens ，et al 制备：包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋白质等成分、去除RNA和蛋白质等步骤。 鉴定：电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱等方法。,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
16、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） 即诱癌质粒。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，破坏控 制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。 Ti质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体。一些具有 重要形状的外源基因可借DNA重组技术设法插入到Ti质 粒中，并进一步使之整合到植物染色体上，以改变该植物 的遗传性，达到培育植物优良品种的目的。,4.Col因子（c
