2022年遗传与变异工业微生物学教案

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1、学习必备欢迎下载第十九授课单元一、教学目的：1.掌握遗传与变异的概念，了解遗传性变异与饰变的区别2.了解遗传变异的物质基础3.掌握质粒的定义、质粒的结构、检测方法、特性和主要类型二、教学内容：1.引言遗传与变异的概念，遗传性变异与饰变的区别2.第一节：遗传变异的物质基础1） .转化实验2） .噬菌体感染实验3） .植物病毒的重建实验3.第二节：质粒1）.质粒的定义和特点2）.质粒的分离和鉴定3）.质粒的分类和典型质粒介绍4第三节基因突变的规律与类型一、突变三、教学重点、难点及处理：重点1.遗传变异的物质基础3 个经典实的微生物学验证实了DNA 和 RNA 是遗传物质。1)经典转化实验：证明DN

2、A 是遗传变异的物质基础。2)噬菌体感染实验：证明DNA 是遗传变异的物质基础。3)植物病毒的重建实验：说明病毒蛋白质的特性为它的核酸所决定，而不是由蛋白质所决定。证明核酸（RNA ）是遗传的物质基础。2.质粒的定义质粒（ 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。附加体： 指那些既可以整合到核染色体上，作为染色体的一部分而进行复制，又可以再游离出来或携带一些寄主的染色体基因游离出来，这类质粒被称为附加体。3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

3、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 左右到精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 26 页学习必备欢迎下载1000kb； （细菌质粒多在10kb 以内）4质粒的分离方法很多，主要介绍碱提取法，其步骤如下：菌体的培养和收集：一般采用丰富培养基对菌体进行培养，当细胞生长到指数期后期时，离心收集细胞。溶菌：一般用溶菌酶去壁以形成原生质体或原生质球。碱变性处理：在SDS 等表面活性剂存在下加NaOH 液使 pH 升至 12.4，可使菌体蛋白质、染色体DNA 以及质粒DNA 变性。质粒复性：

4、加入pH4.8 的 KAc-HAc缓冲液，将提取液调至中性，由于质粒分子量小而容易复性，并稳定存在于溶液中；染色体DNA 分子量太大，在复性过程中形成DNA 之间的交联导致其形成更大分子的不溶性物质。离心分离： 经高速离心可以使细胞碎片和已变性的菌体蛋白及染色体DNA 一起沉淀，上清液中主要是质粒DNA ，经乙醇沉淀后，可获得质粒DNA 。5质粒的检测提取所有胞内DNA 后电镜观察；超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药性初步判断。对于由于三种构型同时存在时造成的多带现象（提取质粒时造成或自然存在），可以进行特异性单酶切，使其成为一条带。6质粒的特性位

5、于核基因组外；cccDNA （链霉菌和酵母菌中发现了线状dsDNA 质粒和 RNA 质粒） ；自主复制；有的质粒可整合到核染色体上；可重组（质粒与质粒间，质粒与染色体间）；人为消除（丫叮类，UV ，电离辐射，高于最适温度，利福平等）有的质粒可在细胞间转移（F 因子， R 因子）；质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势7质粒的分类和主要类型7.1 分类6.1.1 根据质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效来分：致育因子（ Fertility factor ，F 因子）抗性质粒（ Resistance factor，R 因子）产细菌素的质粒（Ba

6、cteriocin production plasmid ）毒性质粒（ virulence plasmid ）代谢质粒（ Metabolic plasmid ）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 26 页学习必备欢迎下载隐秘质粒（ cryptic plasmid ）2 m 质粒7.1.2 根据拷贝数或复制特点，质粒可分为：高拷贝数（high copy number） 质粒（每个细胞中可以有10100 个拷贝） 如 ColE1、 ColE2等 松弛型质粒 (relaxed plasmid) 低拷贝数 （low copy num

7、ber ）质粒（每个细胞中只有12 个拷贝） 如 F 因子， R100严谨型质粒 (stringent plasmid) 7.1.2 根据质粒复制的宿主范围，质粒可分为：窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid) （只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒(broad host range plasmid)（可以在许多种细菌中复制）7.2主要类型主要讲解以下几种类型：即（1）致育因子 (Fertility factor ，F 因子 ) （参见P197）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

8、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，所以又称之为附加体 (episome)。（2）抗性因子（ Resistance factor，R 因子）（参见P197）包括抗药性和抗重金属二大类，简称R 质粒。抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。R100 质粒 (89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（mercuric ion ，mer） 、四环素（ tetracycline，tet ） 、链霉素 (Streptomycin, Str) 、磺胺 (Sul

9、fonamide, Su) 、氯霉素(Chlorampenicol, Cm) 、夫西地酸（ fusidic acid ，fus）负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。（3）Col 质粒：产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid ）细菌素：许多细菌都能产生某些代谢产物，抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株，因为这些代谢产物是由质粒编码的蛋白质，不象抗生素那样具有很广的杀菌谱，所以称为细菌素（ bacteriiocin ） 。细菌素种类很多，都按其产生菌来命名，如大肠杆菌素、枯草杆菌素、乳酸菌素、根瘤菌素等。细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（pro

10、cessing）的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有“ 免疫力 ” 的相关产物的基因，一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 26 页学习必备欢迎下载细菌素抗生素抑制或杀死，甚至同种不同株的细菌较广的抗菌谱通过核糖体直接合成的多肽类物质一般是次级代谢产物编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位于质粒或转座子上一般无直接的结构基因，相关酶的基因多在染色体上细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（ E. coli ）产生的细菌素为colicins（大肠杆菌

11、素） ，而质粒被称为Col 质粒。大肠杆菌素是产自大肠杆菌的一种蛋白质，具有专一性地杀死其亲缘关系很近的、不具Col 质粒的其它肠道细菌的功能。由 G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins 有所不同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如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。（4）毒性质粒（ virulence plasmid ）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之一，其中许多菌株含有为一种

12、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（5）代谢质粒（ Metabolic plasmid ）质粒上携带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。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。假单胞菌：具有降解一些有毒化合物TOL 质粒：含分解甲苯的基因；CAM-OCT质粒：含分解樟脑辛烷的基因（6）隐秘质粒（ cryptic plasmid ）隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理方法

13、，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）（7）2m质粒大多数酵母菌含有一种称为2m 的质粒 ,重点介绍2m 质粒的特征和意义。特征：它们是闭环的双链DNA 分子，周长约2m （6318bp） ，以高拷贝数存在于酵母精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 26 页学习必备欢迎下载细胞中，每个单倍体基因组含60100 个拷贝，约占酵母细胞总DNA 的 30；各约600bp长的一对反向重复顺序。由于反向重复顺序之间的相互重组，使2m 质粒在细胞内以两种异构体（

14、 A 和 B）形式存在。该质粒只携带与复制和重组有关的4 种蛋白质的基因，不赋予宿主任何遗传表型，属隐蔽性质粒。意义：2m 质粒是酵母菌中进行分子克隆和基因工程的重要载体，因此以它为基础构建的克隆和表达载体已得到广泛的应用。另一方面， 该质粒也是研究真核基因调控和染色体复制的一个十分有用的模型难点：1.遗传性变异与饰变的区别：饰变（ modification ） ：表型的差异只与环境有关。不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型改变。特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为。变异： （遗传型变异, 基因突变）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（

15、自发突变频率通常为10-6-10-9） 。主要通过基因型、表现型、环境等的相互联系进行介绍。2.质粒的特性质粒是存在于染色体之外的能进行自主复制的细胞质遗传因子。通过讲解质粒的结构、复制方式等来介绍其特征。四、教学方法与手段：这一节的内容十分抽象。对于三个经典的实验，可以通过遗传物质的探索过程以及实验方式的进步和对实验结果的分析揭示出来。变异与饰变可以通过环境与适应性来阐述。其余的内容可以课件展示和讲解来帮助理解。五、板书设计：1遗传与变异遗传（ inheritance） ：亲代与子代相似。变异（ variation ） ：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同。2遗传型和表型遗传型（ geno

16、type） ：生物的全部遗传因子及基因（生物发育的可能性）。表型 ( phenotype )：具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。（具体化）3变异与饰变饰变（ modification ） ：表型的差异只与环境有关。不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型改变。特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 26 页学习必备欢迎下载变异： （遗传型变异, 基因突变）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

17、为（自发突变频率通常为10-6-10-9） 。第一节遗传变异的物质基础一、 3 个经典实验 （参见P193）1经典转化实验：证明DNA 是遗传变异的物质基础。2噬菌体感染实验：证明DNA 是遗传变异的物质基础。核酸是遗传的物质基础。3植物病毒的重建实验：RNA 是遗传变异的物质基础。二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式（周德庆p192-197；自学）第二节质粒（ P196）1.质粒的定义质粒（ 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。附加体： 指那些既可以整合到核染色体上，作为染色体的一部分而进行复制，又可以再游离出来或携带一些寄主的

18、染色体基因游离出来，这类质粒被称为附加体。2质粒的分子结构：主要是共价闭合环状的双链DNA ，也发现有线型，RNA 质粒分子的大小范围从1kb 左右到 1000kb； （细菌质粒多在10kb 以内）3质粒的分离 :：碱提取法4质粒的检测5质粒的特性位于核基因组外；cccDNA （链霉菌和酵母菌中发现了线状dsDNA 质粒和 RNA 质粒） ；自主复制；有的质粒可整合到核染色体上；可重组（质粒与质粒间，质粒与染色体间）；人为消除（丫叮类，UV ，电离辐射，高于最适温度，利福平等）有的质粒可在细胞间转移（F 因子， R 因子）；质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；有时能赋予宿主细胞以特殊的机能

19、，从而使宿主得到生长优势6质粒的分类和主要类型6.1 分类6.1.1 根据质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效来分：致育因子（ Fertility factor ，F 因子）抗性质粒（ Resistance factor，R 因子）产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid ）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 26 页学习必备欢迎下载毒性质粒（ virulence plasmid ）代谢质粒（ Metabolic plasmid ）隐秘质粒（ cryptic plasmid ）2 m 质粒6

20、.1.2 根据拷贝数或复制特点，质粒可分为：高拷贝数（high copy number） 质粒（每个细胞中可以有10100 个拷贝） 如 ColE1、 ColE2等 松弛型质粒 (relaxed plasmid) 低拷贝数 （low copy number ）质粒（每个细胞中只有12 个拷贝） 如 F 因子， R100严谨型质粒 (stringent plasmid) 6.1.2 根据质粒复制的宿主范围，质粒可分为：窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid) （只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒(broad host range plasmid)（可以在许

21、多种细菌中复制）6.2主要类型主要讲解以下几种类型：即（1）致育因子 (Fertility factor ，F 因子 ) （参见P197）（2）抗性因子（ Resistance factor，R 因子）（参见P197）包括抗药性和抗重金属二大类，简称R 质粒。（3）Col 质粒：产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid ）细菌素：许多细菌都能产生某些代谢产物，抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株，因为这些代谢产物是由质粒编码的蛋白质，不象抗生素那样具有很广的杀菌谱，所以称为细菌素（ bacteriiocin ） 。细菌素种类很多，都按其产生菌来命名，如大肠杆

22、菌素、枯草杆菌素、乳酸菌素、根瘤菌素等。（4）毒性质粒（ virulence plasmid ）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（5）代谢质粒（ Metabolic plasmid ）假单胞菌：具有降解一些有毒化合物TOL 质粒：含分解甲苯的基因；CAM-OCT质粒：含分解樟脑辛烷的基因（6）隐秘质粒（ cryptic plasmid ）（7）2m质粒意义：六、思考题：1.定义：基因型、表现型、质粒（cccDNA ） 、细菌素精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第

23、7 页，共 26 页学习必备欢迎下载2.变异与饰变的区别3.质粒的特性及主要类型4. 2 m质粒的特征及意义。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 26 页学习必备欢迎下载第二十授课单元一、教学目的：1.掌握基因突变的类型及几种特殊突变体的检出方法2.掌握艾姆斯试验的原理、方法、优点及实际应用。3.掌握紫外线诱变的原理和方法及实际应用。4.理解基因突变的分子机制5.理解基因突变的自发性和不对应性及其实验证明6.了解基因突变的特点7.了解一些常见的诱变剂的特点及诱变的分子机制。二、教学内容：第三节：基因突变的规律及类型1.基因突

24、变的规律2.基因突变的自发性和不对性的实验证明3.突变类型第四节：基因突变的机制1.突变的分子基础2.诱变及致癌作用的检测 艾姆斯试验3. DNA 损伤的修复三、教学重点、难点及处理重点及处理：1.基因突变 （gene mutation） （简称突变）广义上， 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。狭义的突变专指基因突变（点突变）. 基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因转移、 重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。2.基因突变的特点（规律）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

25、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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 26 页学习必备欢迎下载可诱变性：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突变表型可以回复到野生型的2 种可能：真正的回复突变（突变体的核苷酸序列恢复到野生型的排列）；抑制突变 （另一基因的突变或同一基

26、因内发生第二次突变，可克服第一次突变的作用）；3.基因突变的自发性和不对应性的实验证据三个经典实验：变量实验、涂布实验、影印实验证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！4.基因突变的类型4.1按照发生突变的原因分类自发突变：自然发生的突变，频率低（10-6-10-9） 。它是生物进化的根源。诱变：某些物理、化学因素对生物体的DNA 进行直接作用，突变以较高的频率产生。引起自发突变的原因主要有以下几方面：?背景辐射和环境因素引起；?有害代谢产物引起；?互变异构效应引起的碱基配对错误；?DNA 复制过程中碱基配对错误；?转座因子的作用；4.2按照突变对遗传物质的影响程度分类（突变的机制）：

27、4.3突变所引起的遗传信息的改变分为三种：同义突变：表型不发生改变（密码子是简并的,如 CGU 变成 CGC，但都编码精氨酸） ；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 ）DNA 损伤修复机制基因突变前突可以通过DNA 复制而成为真正的突变，也可以重新变为原来的结构，这取决于修复作用和其它多种因素。4.4按照突变的表型分类：p202 营养缺陷型抗性突变型选择性突变株（能在选择性培养基上或其它的选择性条件下迅速选条件致死突变型出或鉴别出）形态突变型抗原突变型非选择性突变株精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - -

28、 - - - - -第 10 页，共 26 页学习必备欢迎下载产量突变型5.突变体的检出：采用有效的选择技术，即只允许突变体生长而野生型不能生长的培养条件，如回复突变、对环境压力的抗性突变、基质利用的突变等。（1）营养缺陷型（auxotroph） （参见P203）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。表型判断的标准：在基本培养基上能否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实

29、验步骤见P 215 营养缺陷型的表示方法：基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC（组氨酸缺陷型，其中的大写字母 C 同一表型中不同基因的突变）表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC 在具体使用时多用hisC-和 hisC+，分别表示缺陷型和野生型。（2）抗药性突变型（resistant mutant） （参见P203）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 s

30、trs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

31、；菌落颜色变化；形成芽孢缺陷菌株（5）抗原突变型指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异类型，包括细胞壁缺陷变异、荚膜或鞭精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 26 页学习必备欢迎下载毛成分变异等。（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-mutan

32、t ） 。（7）其它突变类型毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变化等在实际应用中具有重要意义突变类型一般都不具有很明显或可直接检测到的表型。其突变株的获得往往需要较大的工作量。6.基因突变的分子基础自发突变：自然发生的突变，频率低（10-6-10-9） 。它是生物进化的根源。诱发突变：某些物理、化学因素对生物体的DNA 进行直接作用，突变以较高的频率产生。7.诱变剂及其诱变机制诱变剂（ mutagen） ：凡能提高基因突变频率的因素统称为诱变剂诱变剂的种类：物理诱变剂；化学诱变剂7.1 化学诱变剂及其诱变机制从遗传物质结构变化的特点，将化学诱变剂分为：引起碱基置换的诱变剂；移码突变诱变剂；引起

33、染色体畸变的诱变剂；从诱变剂本身的特点，将诱变剂分为：碱基类似物诱变剂；与碱基起化学反应的诱变剂；嵌入诱变剂；辐射和热；生物诱变因子：转座因子7.1.1引起碱基置换的诱变剂p205转换 (主要 ) 直接颠换间接（1）直接引起置换的诱变剂（与碱基起化学反应，改变碱基的结构，导致错配）亚硝酸： G-C A -T 转换互变羟胺：只引起G-C A -T 转换（专一性与C 起反应）各种烷化剂：G-C A -T 互变有些诱变剂的作用具有选择性，偏向与某些碱基作用，并产生特殊类型的损伤。亚硝酸：对碱基的主要作用是氧化脱胺作用（使氨基变为酮基，改变配对性质，引起碱基转换）。（2）间接引起置换的诱变剂P2042

34、05 一类与正常碱基结构相似的物质，称为碱基类似物。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 26 页学习必备欢迎下载它们在 DNA 复制中能掺入DNA 分子中，由于其产生异构体的频率高，因此发生的错误配对可引起碱基的置换。7.1.2移码突变的诱变剂嵌入诱变剂p203 7.13引起染色体畸变的诱变剂烷化剂拟辐射诱变剂亚硝酸7.1.4转座因子（ transposable element） “ 又称 “ 跳跃基因 ”p206位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA 序列。广泛分布于原核和真核细胞中。特点：转座因子可在DNA 分

35、子的许多位点插入及整合，不需要转座子和目标位点之间广泛的同源性。转座因子不能自主复制和独立存在染色体外（有别于质粒）。没有像病毒那样的生命循环周期而不同于噬菌体。典型转座是复制型转座，即转座子的一个拷贝插入靶DNA ，而转座子本身却留在染色体原来的位置。根据分子结构和遗传性质，转座因子可分为3 类：插入序列（ Insertion sequence, IS） ：只含转座基因，可编码特殊的酶和调节蛋白，而并不赋予细菌任何表型特征。但其插入可干扰基因的正常读码序列，导致基因失活或引起突变。转座子（ Transposon, Tn） ：除转座基因外，还有抗药性基因。能在同一细胞内从一个质粒移至另一个质粒

36、，也能从质粒移到细胞染色体或前噬菌体上。分为复合转座子和复杂转座子Mu 噬菌体：是以大肠杆菌为宿主的温和性噬菌体。与其它温和性噬菌体的差别：Mu的基因组无论进入裂解周期或处于溶源状态均可整合到宿主染色体上，而且整合的部位是随机的，即它同时具有温和噬菌体和转座因子的双重功效。转座的遗传学效应：引起突变；染色体畸变；阻断翻译或转录；打开或关闭基因；帮助F 因子插入，携带抗药性基因质粒既可作为携带抗性基因的转座子的来源，也可以作为转座的靶。事实上， 多重抗药性质粒很可能是由于转座子在单个质粒上的积累而形成的。因为转座子也可以在质粒和染色体之间移动，所以抗药性基因能够在质粒和染色体之间交换，导致抗药性

37、的进一步传播。7.2 物理诱变剂及其诱变机制紫外线， x-射线， 射线，快中子，超声波等（1）紫外线诱变机制精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 26 页学习必备欢迎下载大剂量导致菌体死亡，小剂量可引起突变。嘧啶比嘌呤对UV 的作用更敏感。可在同一条链或两条链上形成胸腺嘧啶二聚体，前者是双链的解开和复制受阻，后者破坏腺嘌呤的正常掺入和碱基正常配对，从而导致突变的发生。（2）紫外线照射的操作方法诱变箱，紫外灯（功率：15 W，照射距离：30 cm,波长： 253.7 nm）（3）紫外诱变在发酵工业中的应用8.诱变及化学致癌物质

38、的检测 Ames 试验 P208 8.1 检测原理：“ 生物化学统一性” 法则：人和细菌在DNA 的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA ，使其发生突变， 最后造成癌变或其他不良的后果。诱变剂的共性原则：化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比。超过 95%的致癌物质对微生物有诱变作用；90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用；8.2 Ames 试验方法：具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium )组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率（为了进一步增加试验的敏感性，这些菌株的切除修复DNA 的能力是缺陷的） 。

39、回复突变 (reverse mutation 或 back mutation) ：突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。用途：广泛用于检测环境和食品中是否存在化学致癌物。特点：快速、准确、费用廉价Ames 检验实例 : 9.DNA 损伤的修复p209 自学教学难点及处理：1.基因突变的自发性和不对应性通过讲解三个经典实验：变量实验、涂布实验、影印实验，证明证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系。2.突变体的检出方法重点讲解每种突变体的特征及各种检出方法的适应范围，通过二者的结合， 从而确定相应突变体的检出方案。3.艾姆斯试验为何能检测致癌物质分

40、析物质是否致癌的分子机制及生物界的统一性原则4.不同诱变剂诱变的分子机制从化学的角度阐明，不同的物质可以引起不同的化学反应，导致 DNA 的结构发生变化。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 26 页学习必备欢迎下载四、教学方法与手段：通过讲解三个经典实验：变量实验、 涂布实验、 影印实验来证明基因突变的自发性和不对应性，让同学们知道如何用实验去揭示理论，了解实践对理论的重要性。通过艾姆斯试验，让同学们了解微生物学理论对日常生活的意义，增加学习微生物学的兴趣。讲授与启发性相结合、理论与实践相结合、理论与日常生活相结合。五、板

41、书设计第三节基因突变的规律及类型一、基因突变（gene mutation） （简称突变）广义上， 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。狭义的突变专指基因突变（点突变）二、基因突变的特点（规律）（参见P199）三、实验证据三个经典实验：变量实验、涂布实验、影印实验证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！四、基因突变的类型1按照发生突变的原因分类自发突变：自然发生的突变，频率低（10-6-10-9） 。它是生物进化的根源。诱变：某些物理、化学因素对生物体的DNA 进行直接作用，突变以较高的频率产生。2按照突变对遗传物质的影响程度分类

42、（突变的机制）：3突变所引起的遗传信息的改变分为三种同义突变：表型不发生改变（密码子是简并的,如 CGU 变成 CGC，但都编码精氨酸） ；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 ）4按照突变的表型分类：营养缺陷型抗性突变型选择性突变株（能在选择性培养基上或其它的选择性条件下迅速选条件致死突变型出或鉴别出）形态突变型抗原突变型非选择性突变株产量突变型5.突变体的检出：（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（pr

43、ecursor）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 26 页学习必备欢迎下载才能生长。表型判断的标准：在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实验步骤见P 215 营养缺陷型的表示方法：基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC（组氨酸缺陷型，其中的大写字母 C 同一表型中不同基因的突变）表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC 在具体使用时多用hisC-和 hisC+，分别表示缺陷型和野生型。（2）抗药性突变型（resistan

44、t mutant） （参见P203）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

45、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；形成芽孢缺陷菌株（5）抗原突变型（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

46、于出发菌株的突变株，则称为“ 负突变 ”（minus-mutant ） 。（7）其它突变类型精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 26 页学习必备欢迎下载第四节基因突变的机制一、基因突变的分子基础自发突变：自然发生的突变，频率低（10-6-10-9） 。它是生物进化的根源。诱发突变：某些物理、化学因素对生物体的DNA 进行直接作用，突变以较高的频率产生。二、诱变剂及其诱变机制诱变剂（ mutagen） ：凡能提高基因突变频率的因素统称为诱变剂诱变剂的种类：物理诱变剂；化学诱变剂（一）化学诱变剂及其诱变机制引起碱基置换的诱变剂

47、从遗传物质结构变化的特点，将化学诱变剂分为：移码突变诱变剂引起染色体畸变的诱变剂碱基类似物诱变剂与碱基起化学反应的诱变剂从诱变剂本身的特点，将诱变剂分为：嵌入诱变剂辐射和热生物诱变因子：转座因子1引起碱基置换的诱变剂p205转换 (主要 ) 直接颠换间接（1）直接引起置换的诱变剂（与碱基起化学反应，改变碱基的结构，导致错配）亚硝酸： G-C A -T 转换互变羟胺：只引起G-C A -T 转换（专一性与C 起反应）各种烷化剂：G-C A -T 互变（2）间接引起置换的诱变剂P204205 2移码突变的诱变剂嵌入诱变剂p203 3引起染色体畸变的诱变剂烷化剂拟辐射诱变剂亚硝酸4转座因子（ tra

48、nsposable element）“ 又称 “ 跳跃基因 ”p206位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA 序列。广泛分布于原核和真核细胞中。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 26 页学习必备欢迎下载特点：根据分子结构和遗传性质，转座因子可分为3 类：插入序列（ Insertion sequence, IS） ：只含转座基因，可编码特殊的酶和调节蛋白，而并不赋予细菌任何表型特征。但其插入可干扰基因的正常读码序列，导致基因失活或引起突变。转座子（ Transposon, Tn） ：除转座基因外，还有抗药性基因。能

49、在同一细胞内从一个质粒移至另一个质粒，也能从质粒移到细胞染色体或前噬菌体上。分为复合转座子和复杂转座子Mu 噬菌体：是以大肠杆菌为宿主的温和性噬菌体。与其它温和性噬菌体的差别：Mu的基因组无论进入裂解周期或处于溶源状态均可整合到宿主染色体上，而且整合的部位是随机的，即它同时具有温和噬菌体和转座因子的双重功效。转座的遗传学效应：引起突变；染色体畸变；阻断翻译或转录；打开或关闭基因；帮助F 因子插入，携带抗药性基因5、诱变及化学致癌物质的检测Ames 试验 P208 原理：“ 生物化学统一性” 法则诱变剂的共性原则：Ames 试验具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmuri

50、um )组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率（为了进一步增加试验的敏感性，这些菌株的切除修复DNA 的能力是缺陷的） 。回复突变 (reverse mutation 或 back mutation) ：突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。实验步骤及注意事项：Ames 试验的常规方法有斑点试验和平板掺入试验。用途：广泛用于检测环境和食品中是否存在化学致癌物。特点：快速、准确、费用廉价（二）物理诱变剂及其诱变机制紫外线， x-射线， 射线，快中子，超声波等1紫外线（ UV ）p205 （1）诱变机制大剂量导致菌体死亡，小剂量可引起突变。嘧啶比嘌呤

51、对UV 的作用更敏感。可在同一条链或两条链上形成胸腺嘧啶二聚体，前者是双链的解开和复制受阻，后者破坏腺嘌呤的正常掺入和碱基正常配对，从而导致突变的发生。（2）紫外线照射的操作方法精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 26 页学习必备欢迎下载诱变箱，紫外灯（功率：15 W，照射距离：30 cm,波长： 253.7 nm）实例：四、 DNA 损伤的修复p209 自学六、思考题1.定义：基因突变，同义突变，错义突变，无意义突变，营养缺陷型，抗性突变型，条件致死突变型，转座因子2. 营养缺陷型、抗性突变型、条件致死突变型菌株的筛选方

52、法3. Ames 试验的原理与方法4. 紫外线诱变育种的原理与方法精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 26 页学习必备欢迎下载第二十一授课单元一、教学目的：1.了解诱变育种的几个原则2.理解诱变育种的定义与环节3.掌握诱变育种的一般过程及营养缺陷性和抗性突变型的筛选方法。4.掌握基本培养基、完全培养基、补充培养基及野生型、原养型和营养缺陷型的定义二、教学内容：第五节：微生物的诱变育种1. 诱变育种的几个原则2. 诱变育种的一般过程3. 几种重要突变株的筛选方法三、 教学重点、难点及处理重点：1.诱变育种及其主要环节定义：

53、指利用物理或化学诱变剂处理微生物群体细胞，促进其突变率显著提高，然后设法从中选取少数符合育种目的的突变株。2 个主要环节：诱变（随机） ：选用合适的诱变剂和诱变剂量处理大量均匀、分散的微生物细胞，以引起绝大多数细胞致死的同时，使存活个体中的突变频率大大提高。筛选（定向） ：设计有效的筛选方法，将少量正变株中的优良菌株挑选出来。工业微生物育种过程分为三个阶段：（1）菌种基因型改变；（2）筛选菌种，确认并分离出具有目的基因型或表型的变异株；（3）产量评估，全面考察此变异株在工业化生产上的接受性。诱变育种的目的：高产菌株；抗性突变株；营养缺陷型突变株2.诱变育种的基本原则：?选择简便有效的诱变剂；?

54、挑选优良的出发菌株；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 26 页学习必备欢迎下载?处理单细胞或单孢子悬液；?选用最适的诱变剂量；?充分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；?设计高效筛选方案；?创造新型筛选方法；3.诱变育种的程序出发菌株（纯化）前培养（CM ，培养至对数期）菌悬液制备 活菌计数诱变预备实验（剂量存活率曲线） 诱变处理（相对杀菌率为70-75%，30-70%） 活菌计数中间培养（ CM，培养过夜，克服表型延迟） 突变株分离初筛复筛产性能试验 菌种（鉴定与）保藏3.1 出发菌株（

55、original strain ）3.1.1 出发菌株的选择标准：?具有有利性状（如高产、生长速度快、营养要求粗放、标记明显等）；?对诱变剂敏感3.1.2 出发菌株的来源：?野生型菌株；?从生产中选育的自发突变菌株；?诱变获得的高产菌株（不一定是产量继续提高潜力最大的菌株）3.2 菌悬液的制备3.2.1选用单细胞或单孢子悬液（均匀、分散）目的：使每个细胞能均匀接触诱变剂；减少表型延迟现象（诱变后性状的分离及退化现象）；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 26 页学习必备欢迎下载3.2.2同步培养（生理状态一致）3.2.3菌

56、龄：对诱变剂最敏感时期营养细胞：对数期孢子或芽孢：萌发前期3.2.4菌悬液的制备方法物理诱变：生理盐水配制化学诱变：缓冲液配制3.2.5菌悬液的浓度酵母菌，霉菌的孢子：106个/mL 细菌，放线菌孢子：108个/mL 3.3 诱变剂的选择及处理方法诱变剂的选择要求：高效，简便。主要有两大类：物理诱变剂：频度低、大损伤，难修复，且操作简便；化学诱变剂：频度高，点突变，易回复突变，操作麻烦。( NTG 超诱变剂）UV 是最常用的一种诱变剂3.4 中间培养（ CM ，培养过夜）目的：克服表型延迟（分离性延迟）。对数生长期中， 单核细胞常出现双核现象，多核细胞的核也成倍增加，人工诱变对数期的细胞时，

57、突变通常发生在一个核上，故其变异或非变异的细胞必须经过一代或几代繁殖才能分离，这种纯种变异细胞出现的推迟现象称为分离延迟现象，这个培养过程称为中间培养。表型延迟（ phenotypic lag ） ：表型的改变落后于基因型改变的现象分离性延迟：突变的基因经DNA 复制和细胞分裂后变成纯合状态，表型才能表现出来。生理性延迟：由杂合状态变为纯合状态，突变表型仍不能表现出来。如营养缺陷型3.5 突变株的筛选（初筛和复筛）3.5.1初筛（以量为主）方法需简便、快速（1）利用形态变异：需预先测定形态与产量的相关性（2）根据平板颜色反应直接挑选透明圈法（蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶）；抑菌圈法（抗生素） ；变

58、色圈法（柠檬酸） 、显色圈（氨基酸） ；沉淀圈法（外毒素）透明圈直径（ H）/菌落直径（ C） ：产量高低（初筛指标）3.5.2复筛（以质为主，定量测定）摇瓶培养法，直接检测所需产物3.5.3营养缺陷型突变株的筛选（1）几个概念：三类培养基：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 26 页学习必备欢迎下载基本培养基（MM, minimal medium ）- ：某野生型能生长的最低成分的组合培养基。完全培养基（ CM,complete medium ）+：各种营养缺陷型能生长的天然或半组合培养基补充培养基（ SM, suppl

59、emental medium ）A ：-+A 或 B ：-+B 相应营养缺陷型能生长的组合或半组合培养基3 种遗传型：野生型（ wild type ） ：从自然界分离到的、发生营养缺陷型突变前的原始菌株。A+B+, 可在 - 生长。营养缺陷型（auxotroph） ：野生型菌株经诱变剂处理后，由于发生了丧失某酶合成能力的突变，因而只能在加有该酶合成产物的培养基中才能生长的突变菌株（主要指合成维生素、氨基酸及嘌呤、嘧啶的能力）。A+B- ：能在 + 、B 生长A-B+ ：能在 + 、A 生长A-B- ：能在 + 生长原养型（ prototroph） ：营养缺陷型经回复突变或重组，回到原来野生型的

60、营养要求。A+B+, 可在 -生长（2）筛选步骤（ 5 步） P213215 诱变处理 中间培养 淘汰野生型 检出缺陷型 鉴定缺陷型中间培养： CM 或 SM 培养基，培养过夜。克服表型延迟。淘汰野生型：即浓缩缺陷型，以提高检出率方法抗生素法（ G+细菌：青霉素；酵母菌和霉菌：制霉菌素）菌丝过滤法（丝状真菌、放线菌）青霉素法：饥饿培养（无N）MM 6 12 h 2N 培养 (2N)MM 1 2 h 加抗生素，培养过夜 营养缺陷型的检出方法：夹层培养法；限量补充培养法；逐个检出法；影印平板法 营养缺陷型的鉴定生长谱法：快速，直观滤纸片法： a. 不含维生素的酪素水解液或氨基酸混合液或蛋白胨b.

61、水溶性维生素混合液c. 0.1%碱水解酵母核酸液精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 26 页学习必备欢迎下载d. 酵母膏溶液分两步： a.三大类营养要求（氨基酸、维生素、核苷酸）的鉴定b.单一营养物质缺陷型的鉴定（实验讲义p180）18 种氨基酸分为6 组特点：每组有一种独特物质，每2 组有一种共同物质（3）营养缺陷型的用途?生产菌(氨基酸、核苷酸、维生素等)；?研究代谢途径和杂交、转化等遗传规律的标记菌；?基因标记3.5.4抗性突变株的筛选p212 （1）抗药性突变株a.高于临界浓度的平板进行分离；b.梯度平板法；（2）

62、抗代谢药物的抗性突变株用途：筛选相应代谢物的高产菌株例：异烟肼（ “ 雷米封 ” ）是吡哆醇的结构类似物，利用含异烟肼梯度平板筛选异烟肼抗性突变株，可达到定向培育吡哆醇高产突变株的目的。4.自发突变与育种1从生产中选育2定向培育优良品种一般指用特定因素长期处理微生物群体，同时不断地对它们进行移种传代，以达到积累并选择相应的自发突变株的目的。例：卡介苗（牛型结核分枝杆菌的减毒活菌苗）难点：诱变育种筛选营养缺陷型的原理及过程是该授课单元的难点。营养缺陷型指野生型菌株经诱变剂处理后，由于发生了丧失某酶合成能力的突变，因而只能在加有该酶合成产物的培养基中才能生长的突变菌株（主要指合成维生素、氨基酸及嘌

63、呤、嘧啶的能力）。广泛应用于工业上的生产菌(氨基酸、核苷酸、维生素等)、研究代谢途径和杂交、转化等遗传规律的标记菌、基因标记等，具有重要的意义。其筛选主要有抗生素法和菌丝过滤法。主要根据是缺陷型菌株在基本培养基上不能生长的特性，将野生型杀死或过滤去除。四、教学方法与手段：主要通过启发式教学，让学生自己设计试验过程，通过指出实验过程中出现的问题和必须考虑的因素，达到掌握的目的。五、板书设计：第五节微生物的诱变育种精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 26 页学习必备欢迎下载一、诱变育种： 指利用物理或化学诱变剂处理微生物群体细

64、胞，促进其突变率显著提高，然后设法从中选取少数符合育种目的的突变株。2 个主要环节：诱变（随机），筛选（定向）工业微生物育种过程分为三个阶段：（1）菌种基因型改变；（2）筛选菌种，确认并分离出具有目的基因型或表型的变异株；（3）产量评估，全面考察此变异株在工业化生产上的接受性。诱变育种的目的：高产菌株；抗性突变株；营养缺陷型突变株?二、诱变育种的基本原则： ；二、诱变育种的程序：出发菌株（纯化）前培养（CM ，培养至对数期）菌悬液制备 活菌计数诱变预备实验（剂量存活率曲线） 诱变处理（相对杀菌率为70-75%，30-70%） 活菌计数中间培养（ CM，培养过夜，克服表型延迟） 突变株分离初筛复

65、筛生产性能试验 菌种（鉴定与）保藏（一）出发菌株（original strain ）p211 1.出发菌株的选择标准：?具有有利性状（如高产、生长速度快、营养要求粗放、标记明显等）；?对诱变剂敏感2. 出发菌株的来源：?野生型菌株；?从生产中选育的自发突变菌株；?诱变获得的高产菌株（不一定是产量继续提高潜力最大的菌株）（二）菌悬液的制备精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 26 页学习必备欢迎下载1选用单细胞或单孢子悬液（均匀、分散）目的：使每个细胞能均匀接触诱变剂；减少表型延迟现象2同步培养（生理状态一致）3菌龄：对诱变剂最敏感时期营养细胞：对数期孢子或芽孢：萌发前期4菌悬液的制备方法物理诱变：生理盐水配制化学诱变：缓冲液配制5菌悬液的浓度酵母菌，霉菌的孢子：106个/mL 细菌，放线菌孢子：108个/mL 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 26 页