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1、第八章 微生物的遗传变异,遗传（heredity ）:,上一代生物将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的特性 。,变异（variation）：,生物体在某种外因或内因的作用下，发生遗传物质结构或数量的改变，而且这种改变稳定，具有可遗传性 。,遗传与变异,遗传保证了微生物种的相对稳定性、种的存在和延续， 而变异则推动了种的进化和发展。,遗传型和表型,遗传型（genotype）,表型( phenotype ),某一生物体个体所含有的全部遗传因子，即基因的总和 ，又称为基因型。,某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和。,表型的实现是由生物体的遗传型和环境条件共同作用的结果。,第一节 遗传
2、变异基础理论,一、遗传变异的物质基础,二、基因突变,三、基因重组,（1）经典转化实验: 证明DNA是遗传变异的物质基础。,Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验,分别用S型菌中提取的DNA、RNA和 蛋白质转化R型菌,且DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性,DNA是转化所必需的转化因子,1、三个经典实验,一、遗传变异的物质基础,T2噬菌体感染实验,（2） 噬菌体感染实验（1952年，A.D.Hershey 和 M.Chase）,（3）植物病毒重建实验,证明杂种病毒的蛋白质 外壳来自TMV还是HRV, 可用血清学反应鉴定,证明核酸（RNA）是遗传的物质基础,血清学反应说明病毒蛋 白
3、质的特性由核酸而定,H. Fraenkel-Conrat (1956年),病斑的特性和 病毒核酸一致,2. 遗传物质在细胞内存在的部位和方式,（1）七个水平,细胞水平,（单核，多核）,细胞核水平,（真核，拟核）,染色体水平,核酸水平,（DNA，部分病毒为RNA；双链，少数病毒为单链）,基因水平,（遗传功能单位）,密码子水平,（遗传信息单位）,核苷酸水平,（最低突变单位和交换单位）,（一套，两套, 核外染色体）,（2）质粒,二、基因突变,突变指细胞内遗传物质的分子结构或数量发生变化的现象。包括基因突变（又称点突变）和染色体畸变。,基因突变（gene mutation）: 是指一个基因内部遗传结构
4、或DNA序列的任何改变，涉及一对或少数几对碱基的置换、缺失或插入，因其发生的范围很小，所以又称点突变（point mutation）。,染色体畸变（chromosomal aberration）: 是指染色体较大范围内结构的变化，如缺失、重复、倒位、易位等以及染色体数目的变化。,1. 基因突变的类型,同种碱基的置换,不同种碱基的置换,只涉及1对碱基被另1对碱基所置换,1个或少数几个碱基对的插入或缺失，使该部位后面遗传密码的阅读框架发生改变，并进一步引起转录和转译错误的突变。,遗传物质在染色体水平发生较大范围的变化,DNA分子中1对或少数几对碱基的突变,按照突变所引起的遗传信息的改变情况可分为三
5、种：,同义突变,表型不发生改变,错义突变,改变的密码子编码的氨基酸改变了；,无意义突变,终止密码子（UAA, UAG, UGA）,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,2. 基因突变的表型,选择性突变株 （能在选择性培养基上或其它的 选择性条件下迅速选出或鉴别出）,非选择性突变株,（1）营养缺陷型（auxotroph）,一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素 、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些 营养或其前体物（precursor）才能生长。,营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和 育种的重要手段,表型判断的标准：,在
6、基本培养基上能否生长,特点：,在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长,负选择标记,突变株不能通过选择平板直接获得,（2）抗药性突变型（resistant mutant）,基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。,特点：,正选择标记 （突变株可直接从抗性平板上获得-在加有相应抗生素的 平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）,表示方法：,所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示 strr 和 strs 分别表示对链霉素的抗性和敏感性,（3）条件致死突变型（conditional lethal mutant）203,在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致
7、死 效应的突变型。,常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts（temperaturesensitive） 表示，这类突变在高温下（如42）是致死的，但可以在低温（如 25-30）下得到这种突变。,特点：,负选择标记,这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因,（4）形态突变型（morphological mutant）,造成形态改变的突变型,特点：,非选择性突变 突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。,举例：,产蛋白酶缺陷突变株的筛选,菌落颜色变化,半乳糖苷酶基因的插入失活，使重组子菌落为白色而 与兰色的非重组子分开。,形成芽孢缺陷菌株,（5）抗原突变型,指由于基因突变引起的
8、细胞抗原结构发生的变异类型，包括细胞壁缺陷变异、荚膜或鞭毛成分变异等。,（6）产量突变型,通过基因突变而引起的目标代谢产物的产量发生变化的变异菌株，其在产量上高于或低于原始出发菌株。如果产量提高的突变株，被称为“正突变”（plus-mutant），也称为“高产突变株”(high producing mutant)；如果产量低于出发菌株的突变株，则称为“负突变”（minus-mutant）。,3. 基因突变的特点,自发性,菌种衰退的根本原因,不对应性,突变的性状与突变的原因无关系,稀有性,自发突变几率低（10-610-10）,突变率：每一个细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。 （某一单位群体
9、在每一世代中产生突变株的数目）,独立性,某基因的突变率不受它种基因突变率的影响,可诱变性,自发突变的频率可因诱变剂的影响而提高（10-310-6 ）,稳定性,基因突变后的新性状是稳定的,可逆性,野生型菌株某一性状可发生正向突变，也可发生反向的回复突变。,证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！,如何证明基因突变的非对应性？,三个经典实验:,1.变量实验、 2.涂布实验、 3.影印实验,基因突变自发性和不对应性的实验证明,1）变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria & Max Delbruck(1943),对噬菌体T1敏感的E.coli 对数期培
10、养物，稀释至103/mL,分装两试管，各10 mL,与甲管分装的各小管同时保温2436h,甲管,乙管,2）Newcombe的涂布实验（1949）,在涂布过的一组中，共长出抗性菌落353个，比未经涂布过的（28个菌落）高得多,约繁殖了12.3代,选用对T1 噬菌体敏感的E.coli，以相等数目涂布于12个平板上,3）影印实验（replica plating ）Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）,通过使菌不接触抗性环境而检查其抗性菌落的方法,基因重组（gene recombination）： 将两个不同性状个体的基因通过一定的方式转移到一起，并发
11、生重新组合，产生新的遗传性状的过程，称为基因重组(gene recombination)或遗传重组。 重组：遗传物质在分子水平上发生的交换； 杂交：在细胞水平上遗传物质的交换. 杂交必然包含着重组，但重组不仅限于杂交这一形式。,三、基因重组,（一）原核生物的基因重组类型,4种形式：1）转化 2）转导 3）接合 4）原生质体融合,1、 转化（transformation）,定义：受体细胞直接吸收供体细胞的DNA片段, 并与其染色体同源片段进行遗传物质交换，从而使受体细胞获得新的遗传性状的现象。,转化子（ transformant）：经转化后出现了供体性状的受体细胞称为转化子，即转化成功的菌落。,
12、目前已知有二十多个种的G+和G-细菌具有自然转化的能力 此过程可以发生在土壤和海洋环境中，可能是自然界遗传交换的重要方式。,自然遗传转化（natural genetic transformation）,人工转化（artificial transformation）,感受态细胞（competent cell） ：具有摄取外源 DNA能力的细胞,1. 感受态,感受态：是指受体细胞最易接受外源DNA片段并能实现转化的一种生理状态。一个细菌能否出现感受态是由其遗传性决定的，但受环境条件的影响也很大，因而表现差别很大。,感受态因子：调节感受态的一类特异蛋白，它包括三种主要成分：膜相关DNA结合蛋白、细胞
13、壁自溶素和几种核酸酶。,自然感受态与人工感受态的不同？,自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性 （如肺炎链球菌的感受态出现在对数生长期） 受细菌自身的基因控制,人工感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具有 摄取DNA的能力，或人为地将DNA导入细胞内。 （该过程与细菌自身的遗传控制无关！）,进行自然转化，需要二方面必要的条件：,（1）建立了感受态的受体细胞,（2）外源游离DNA分子,(2) 转化过程,肺炎链球菌转化的主要过程,转化因子进入细胞,转化因子单链配对与整合,复制,分离,2、转导（transduction）,转导：利用完全或部分缺陷噬菌体为媒介，把供体细胞的小片段DNA携带到受体
14、细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象。,由转导作用而获得供体细胞部分遗传性状的重组受体 细胞称为转导子 （transductant） 携带供体部分遗传物质（DNA片段）的噬菌体称为 转导噬菌体。,细菌转导的二种类型：,普遍性转导,局限性转导,（1）普遍性转导（generalized transduction）,通过极少数完全缺陷噬菌体对供体菌基因组上任何小片段DNA进行误包，而将其遗传性状传递给受体菌的现象，称普遍性转导。,意外的发现,1951年，Joshua Lederberg和Norton Zinder为了证实大肠杆菌以外 的其它菌种是否也存在接合作用，用二株具不同的多
15、重营养缺陷型 的鼠伤寒沙门氏菌LT22A(trp-)（P22）和LT2(his-)进行实验：,用“U”型管进行同样的实验时，在供体和受体细胞不接触的情况下，同样出现原养型细菌！,沙门氏菌LT22A(trp-)是携带P22噬菌体的溶源性细菌 另一株LT2(his-)是非溶源性细菌,一个表面看起来的常规研究却导致 一个惊奇和十分重要发现的重要例证！,基因的传递很可能是由可透过“U”型管滤板的 P22噬菌体介导的(在接种LT22A的一端出现了原养型),（普遍性转导这一重要的基因转移途径的发现）,转导模型,转导噬菌体为什么“错” 将宿主的DNA包裹进去?,噬菌体的DNA包装酶也能识别染色体DNA上类似
16、pac的位点 并进行切割，以“headful”的包装机制包装进P22噬菌体外壳， 形成只含宿主DNA的转导噬菌体颗粒（假噬菌体）。,因为染色体上的pac与P22 DNA的pac序列不完全相同， 利用效率较低，这种“错装”机率一般仅约10-6-10-8,形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的，也可以是烈性的，但必须具有能偶尔识别宿主DNA的包装机制，并在宿主基因组完全降解以前进行包装。,普遍性转导的基本要求：,普遍性转导的三种后果：,进入受体的外源DNA通过与细胞染色体 的重组交换而形成稳定的转导子,流产转导（abortive transduction）,转导DNA不能进行重组和复制，但其携带的基因可经过转录而得到表达。,特点：在选择培养基平板上形成微小菌落,外源DNA被降解，转导失败。,如果受体菌通过普遍转导获得了供体菌DNA片段后，在其体内不发生基因的交换、整合和复制，只进行转录、翻译和性状的表达。这种转导被称为流产转导.,（2） 局限转导（restricted transduc
