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1、主讲人：秦玉丽 信阳农专,第七章 微生物的遗传变异与育种,第七章 微生物的遗传变异与育种,知识目标： 了解微生物遗传变异基础及有关遗传学概念 掌握基因突变现象和原因 掌握基因突变育种的基本原理 掌握菌种保藏的原理及常用方法 能力目标： 了解原生质体融合、PCR技术方法及其原理,遗传（heredity或inheritance）和变异（variation）是生物体最本质的属性之一。遗传，讲的是亲子间的关系，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或功能，它具有极其稳定的特性。它必需有物质基础，也即遗传信息必须由某些物质作为携带和传递的载体。为了更好的学习遗传和变异的内容，首先明确以下
2、四个概念：,1.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的总和。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。具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下，通过自身的代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型。 遗传型环境条件 表型,2.表型(phenotype) 指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境下的具体体现。所以，它与遗传型不同，是一种现实性。 3.变异（variation） 指在某种外因或内因的作用下生物体遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。变异的特点：在群体中出现的几率极低（一般为10-5
3、10-10）；性状变化的幅度大；变化后的新性状具有稳定性和遗传性。,4.饰变(modification) 指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。特点有：整个群体中的几乎每一个体都发生同样变化；性状变化的幅度小；因遗传物质不变，故新性状不具有遗传性。例如，粘质沙雷氏菌（Serratia marcescens）在25下培养时，会产生深红色的灵杆菌素，把菌落染成鲜血似的;当培养在37下时，群体中的所有个体都不产色素。如重新降温至25，所有细胞产色素能力又可以恢复。,第一节 遗传变异的物质基础,一、三个经典试验 （一）转化实验,转化现象是英国医生F.Griffith在1928年
4、首次发现的。他以肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae，原称“肺炎双球菌”）作为研究对象。S.pneumoniae是一种球形细菌，常成双或成链排列，可使人患肺炎，也可使小鼠患败血症而死亡。,1.动物实验,图7-1 肺炎链球菌的转化实验,2.细菌培养实验,3. S型菌的无细胞抽提液实验,以上三个实验说明，加热杀死的S型细菌，在其细胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物质，它能通过某种方式进入R型细胞，并使R型细胞获得表达S型荚膜性状的遗传特性。,1944年，Avery等人从热死的S型肺炎链球菌中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化实验。 （1）从活的S菌
5、中抽提各种细胞成分DNA，RNA，蛋白质，荚膜多糖等 （2）对各组分进行转化试验,从上述结果中可知，只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型。而且，DNA纯度越高，转化效率也越高。只取微量纯DNA(610-8g)，仍有转化能力。这就说明，S型菌株转移给R型菌株的，决不是某一遗传性状(如荚膜多糖)本身，而是以DNA为物质基础的遗传因子。,（二）噬菌体感染实验 首先，他们将E.coli培养在以放射性32PO43-或35SO42-作为磷源或硫源的合成培养基中。结果可以获得含32P-DNA（噬菌体核心）的噬菌体或含35S-蛋白质（噬菌体外壳）的两种实验用噬菌体。接着，他们作了
6、以下两组实验（图72）。,图72 T2噬菌体的实验感染大肠杆菌实验,从以上两组实验中可清楚地看到，在噬菌体的感染过程中，其蛋白质外壳未进入宿主细胞。进入宿主细胞的DNA经增殖、装配后，能产生一大群既有DNA核心又有蛋白质外壳的完整噬菌体颗粒。这就有力地证明，在其DNA中，含有包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。通过电子显微镜的观察也证实了这个论点。,（三）植物病毒的重建实验 为证明核酸是遗传物质，H.Fraenkel-Conrat(1956年)用含RNA的烟草花叶病毒进行了著名的植物病毒重建实验。把TMV放在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将它的蛋白质外壳与RNA核相分离。分离后的RNA在没有
7、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。但由于RNA是裸露的，所以感染频率较低。整个实验的过程和结果见图7-3。,图7-3 TMV重建实验示意图,1.从处理标准TMV得到它的蛋白质； 2.从TMV的变种HR得到它的RNA； 3.通过重建获得杂种病毒； 4.证实杂种病毒的蛋白质外壳是来自TMV标准株； 5.杂种病毒感染烟草产生HR所特有的病斑； 6.从病斑中一再分离得到的子病毒的蛋白质壳是HR蛋白质，说明是由它的RNA所决定，遗传物质是RNA。,从图73可以看出，当用TMV的RNA与HRV的蛋白质外壳重建后的杂合病毒去感染烟草时，烟叶上出现的是典型的
8、TMV病斑，从中分离出来的新病毒也是典型的TMV病毒。反之，用HRV的RNA与TMV的蛋白质外壳进行重建时，也可获得相同的结论。这就充分说明，核酸(这里为RNA)是病毒的遗传物质。,二、微生物变异机制 微生物的变异即是微生物子代的表型特征与其亲代的表型特征发生较大的差异，这种差异是由于子代的基因发生了突变所引起的，即遗传物质DNA或RNA病毒和噬菌体中的RNA中的核苷酸序列发生了一种稳定了和可遗传的变化。 变异的机理包括两个方面：,（一）基因突变 1. 诱发突变 碱基置换 碱基置换属于一种染色体的微小损伤，一般也称点突变。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。其中转换是指DNA链中的一个嘌呤被另
9、一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；颠换是指一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换。,移码突变 指诱变剂使DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添（插入）或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转移错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分子的微小损伤。 染色体畸变 某些理化因子，引起DNA的大损伤-染色体畸变，它即包括染色体结构上的缺失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化。,a.缺失 是指染色体丢掉了某一区段。因而会失去某些基因，并直接影响到基因的排列顺序、基因间的相互关系。 b.重复 是指染色体
10、上个别区段的增加。 c.倒位 是指正常染色体的某区段断裂后，断裂的片段倒转180度又重新连接愈合。 d.易位 是染色体上一区段断裂后再顺向或逆向地插入到同一条染色体的其他部位上。对于染色体间畸变，则指非同源染色体间的易位。,2.自发突变 自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。但决不意味着这种突变是没有原因的，通过对诱变机制的研究，自发突变的可能机制有以下几种： （1）背景辐射和环境因素的诱变 不少“自发突变”实质上是由于一些原因不详的低剂量诱变因素的长期综合诱变效应。例如，充满宇宙空间的各种短波辐射或高温诱变效应，以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质的作用等。,（2）微生物自
11、身有害代谢产物的诱变效应 通过对环境诱变原的研究发现，通常存在细胞内的天然物质中也有表现诱变原性的物质。如微生物细胞内的咖啡碱、硫氰化合物、重氮丝氨酸、过氧化氢等。如过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物。,（3）互变异构效应 DNA链中，T以烯醇式出现，则在复制时，其相对位置不再是A，而是G；C以亚氨基形式出现时，就和A配对，这样就使基因发生突变，造成自发突变。由于在任何一瞬间，某一碱基是处于酮式或烯醇式，还是氨基式或亚氨基式状态，目前还无法预测，所以要预言在某一时间、某一基因发生自发突变仍是不可能的。,（4）环出效应 在DNA复制过程中，如果其中某一单链上偶而产生一个小环，则会因其上
12、的基因越过复制而发生遗传缺失，从而造成自发突变。图7-4就是环出效应的设想机制。在上链中，标记B处发生“环出”，故只有A及C能获得复制，从而发生自发突变。而在下链中，则复制仍正常进行。,图74 通过环出效应引起自发突变的设想图,3. 基因突变的特点 （1）不对应性 指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。从表面上看似乎是在某些条件存在的情况下，才会产生相对应的突变性状,（2）自发性 各种性状的突变，可以在没有人为的诱变因素处理下自发地产生。 （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。突变率是
13、指每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。,（4）独立性 突变的发生一般是独立的，即在某一群体中，可以发生任何性状的突变，而且某一基因的突变，既不提高也不降低其它任何基因的突变率。 （5）诱变性 通过诱变剂的作用，可以提高上述自发突变的几率，一般可提高10105倍。不论是通过自发突变或诱发突变（诱变）所获得的突变株，其间并无本质上的差别，这是因为，诱变剂仅起着提高诱变率的作用。,（6）稳定性 由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化，所以产生的新的变异性状也是稳定的、可遗传的。 （7）可逆性 由原始的野生型基因变异为突变性基因的过程，称为正向突变，相反的过程则称为回复突变或回变。实验
14、证明，任何性状都可以发生正向突变，也都可以发生回复突变。,4.基因突变的修复 细胞在其DNA复制过程中会出现差错，会出现自发和诱发的前突变或损伤，其中许多是致死性的，微生物为了生存必须对其进行校正和修复。我们知道DNA聚合酶除了能催化DNA链的延长反应，还具有核酸外切酶的活性，能随时进行错配碱基的校正。除此之外，细胞内还有比较复杂的修复系统，研究的比较详细的是紫外线引起的嘧啶二聚体的修复，主要有以下几种类型：,（1）光复活修复 把经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象，称为光复活作用。这一现象最早是在灰色链霉菌中发现的，后来在许多微生物中都得到了证实。光复活由ph
15、r基因编码的光解酶Phr进行。Phr在黑暗中专一地识别嘧啶二聚体，并与之结合，形成酶-DNA复合物，当给与光照时，酶利用光能将二聚体拆开，恢复原状，酶再释放出来。,（2）暗修复 又称切除修复。这种修复系统除了碱基错误配对和单核苷酸插入不能修复外，几乎其它DNA损伤均可修复，是细胞内的主要修复系统。与光复活作用不同，这种修复作用与光全然无关。如图7-4所示，修复过程中有四种酶参与：,内切核酸酶在胸腺嘧啶二聚体的5一侧切开一个3-OH和5-P的单链缺口； 外切核酸酶从5-P至3-OH方向切除二聚体，并扩大缺口； DNA聚合酶以DNA的另一条互补链为模板，从原有链上暴露的3-OH端起逐个延长，重新合
16、成一段缺失的DNA链； 通过连接酶的作用，把新合成的寡核苷酸的3-OH末端与原链的5末端相连接，从而完成了修复作用。,（3）重组修复 这是一种越过损伤而进行的修复。这种修复不将损伤碱基除去，而是通过复制后，经染色体交换，使子链上的空隙部位不再面对着嘧啶二聚体，而是面对着正常的单链，在这种情况下，DNA聚合酶和连接酶便能起作用，把空隙部分进行修复，如图7-5所示。留在亲链上的二聚体仍然要依靠再一次的切除修复加以除去，或经细胞分裂而稀释掉。,图7-5 含胸腺嘧啶二聚体的损伤DNA的暗修复,图7-6 重组修复,（4）SOS修复 这是在DNA分子受到较大范围的重大损伤时诱导产生的一种应急反应。此过程涉及到一批修复基因：recA、lexA以及uvrA、uvrB、uvrC。从图7-7可以看出，在未诱导的细胞中，这些修复基因几乎完全受LexA阻遏蛋白的抑制。LexA阻遏蛋白与recA、lexA、uvrA、uvrB的操纵区相结合，使mRNA和蛋白质的合成保持未诱导细胞的低水平状态，合成少量的Uvr蛋白
