四川理工学院第七章微生物的遗传变异和育种(1)

1、第七章第七章 微生物的遗传变异和育种微生物的遗传变异和育种本章的学习目的及要求本章的学习目的及要求1. 利用微生物的三个经典实验：转化实验、噬菌体感染利用微生物的三个经典实验：转化实验、噬菌体感染实验和植物病毒的重组实验证明遗传变异的物质基础是实验和植物病毒的重组实验证明遗传变异的物质基础是核酸。了解遗传物质核酸。了解遗传物质(DNA/RNA)在微生物细胞内的存在在微生物细胞内的存在部位部位(核或核区、核糖体、质粒等核或核区、核糖体、质粒等)和功能特性，熟练掌和功能特性，熟练掌握原核生物的质粒定义及几种典型质粒的特点。握原核生物的质粒定义及几种典型质粒的特点。 2. 理解基因和基因组的概念；了

2、解真核生物和原核生物理解基因和基因组的概念；了解真核生物和原核生物在基因组结构、基因结构及遗传过程中的主要差别；了在基因组结构、基因结构及遗传过程中的主要差别；了解微生物基因表达调控的相关元件及其功能，了解原核解微生物基因表达调控的相关元件及其功能，了解原核微生物基因表达调控的分子机制。微生物基因表达调控的分子机制。3. 掌握基因突变类型的定义、基因突变的特点以及基因掌握基因突变类型的定义、基因突变的特点以及基因突变自发性和不对应性的实验证明。突变自发性和不对应性的实验证明。4. 掌握诱发突变、自发突变的机制，熟练掌握紫外线对掌握诱发突变、自发突变的机制，熟练掌握紫外线对DNA的损伤和修复机制

3、。的损伤和修复机制。5. 了解诱变育种的基本环节、原则，熟练掌握产量突变了解诱变育种的基本环节、原则，熟练掌握产量突变株、抗药性突变株、营养缺陷型突变株的筛选方法和基株、抗药性突变株、营养缺陷型突变株的筛选方法和基本原理，掌握艾姆氏实验的原理。本原理，掌握艾姆氏实验的原理。6. 掌握原核生物基因重组方式的种类及各类型的基本机掌握原核生物基因重组方式的种类及各类型的基本机制、相关概念等，灵活运用这些知识来解决一些实际问制、相关概念等，灵活运用这些知识来解决一些实际问题。掌握准性杂交的定义、过程和生物学意义。题。掌握准性杂交的定义、过程和生物学意义。7. 掌握菌种衰退的原因；掌握复壮的定义和方法；

4、了解掌握菌种衰退的原因；掌握复壮的定义和方法；了解菌种保藏原理；掌握常见菌种保藏方法、特点以及国际菌种保藏原理；掌握常见菌种保藏方法、特点以及国际著名菌种保藏机构的名称。著名菌种保藏机构的名称。1、遗传：指上一代生物如何将自身的一整套遗传基因稳定地、遗传：指上一代生物如何将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的行为或功能。传递给下一代的行为或功能。2、遗传型：即基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因、遗传型：即基因型，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。子即基因组所携带的遗传信息。3、表型：指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的、表型：指某一生物体所具有的一切

5、外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到总和，是其遗传型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体体现。的具体体现。4、变异：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传、变异：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，即遗传型的改变。物质结构或数量的改变，即遗传型的改变。5、饰变：指外表的修饰性改变，即一种不涉及遗传物质结构、饰变：指外表的修饰性改变，即一种不涉及遗传物质结构改变而只发生在改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。转录、转译水平上的表型变化。 微生物的遗传和变异的特点：微生物的遗传和变异的特点：、微生物的代谢作用旺盛，有

6、极高的繁殖速度；生活史、微生物的代谢作用旺盛，有极高的繁殖速度；生活史周转快；环境因素可在短期内重复影响其生长和繁殖，易周转快；环境因素可在短期内重复影响其生长和繁殖，易发生变异，又能迅速产生大量后代，有利于自然选择和人发生变异，又能迅速产生大量后代，有利于自然选择和人工选择。工选择。、微生物细胞体积小，面积大，与外界环境能直接接触。、微生物细胞体积小，面积大，与外界环境能直接接触。当环境条件变化剧烈时，大多数个体易死亡而淘汰，个别当环境条件变化剧烈时，大多数个体易死亡而淘汰，个别细胞则发生变异而适应新环境。细胞则发生变异而适应新环境。、大多数微生物均进行无性繁殖，而且营养体多为单倍、大多数微

7、生物均进行无性繁殖，而且营养体多为单倍体，因而便于建立纯系及长期保存大量品系。如果一旦发体，因而便于建立纯系及长期保存大量品系。如果一旦发生变异，也能够迅速在性状上反映出来。生变异，也能够迅速在性状上反映出来。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种 第三节第三节 基因重组和杂交育种基因重组和杂交育种第四节第四节 菌种的衰退、复壮和保藏菌种的衰退、复壮和保藏第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、证明遗传物质基础的三个经典实验一、证明遗传物质基础的三个经典实验 1 1、经典转化实验、经典转化实验创立人：创立人： 英国人英

8、国人GriffithGriffith于于19281928年首次发现这一现象。年首次发现这一现象。研究对象：研究对象： 肺炎链球菌肺炎链球菌S S型和型和R R型。型。过程：过程：动物实验；动物实验；细菌培养试验；细菌培养试验；S S型菌的无细胞抽提液试验；型菌的无细胞抽提液试验；离体转化实验。离体转化实验。 动物实验动物实验 细菌培养试验细菌培养试验 S型死菌体内有一种物质能引起型死菌体内有一种物质能引起R型活菌转化产生型活菌转化产生S型菌，型菌，这种转化的物质（转化因子）是什么这种转化的物质（转化因子）是什么 ?S S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验活活R R菌菌+ +S S菌无

9、细胞抽提液菌无细胞抽提液 长出大量长出大量R R菌和少量菌和少量S S菌菌离体转化实验离体转化实验1)1)从活的从活的S S菌中抽提各种细胞成分（菌中抽提各种细胞成分（DNA,DNA,蛋白质，荚蛋白质，荚膜多糖等）；膜多糖等）；2)2)对各组分进行转化实验：对各组分进行转化实验：S型菌株细胞内存在的能将肺炎链球菌的型菌株细胞内存在的能将肺炎链球菌的R型转型转化为化为S型的物质是型的物质是DNA，且其转化能力与所用的，且其转化能力与所用的DNA的纯度成正比。的纯度成正比。 2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验创立人：美国人创立人：美国人Hershey AND Chase于于1952年年研究对象：噬

10、菌体研究对象：噬菌体T2过程：过程： 3、植物病毒的重建实验、植物病毒的重建实验创立人：创立人：Conrat AND Singer于于1956年创立年创立研究对象：研究对象：TMV AND HRV 过程：过程： 关于朊病毒：关于朊病毒： 朊病毒（又称毒朊）是一类侵染动物、并在宿主细胞朊病毒（又称毒朊）是一类侵染动物、并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性的疏水蛋白质。纯化的感染因子内复制的小分子无免疫性的疏水蛋白质。纯化的感染因子称为朊病毒蛋白（称为朊病毒蛋白（ PrP ）。）。 PrP是具有传染性的蛋白质致病因子，迄今是具有传染性的蛋白质致病因子，迄今未发现蛋白内有核酸，但已知的传染性疾病未发现

11、蛋白内有核酸，但已知的传染性疾病的传播必须有核酸组成的遗传物质，才能感的传播必须有核酸组成的遗传物质，才能感染宿主并在宿主体内自然繁殖。那么这是生染宿主并在宿主体内自然繁殖。那么这是生命界的又一特例呢？还是因为目前人们的认命界的又一特例呢？还是因为目前人们的认识和技术所限而尚未揭示的生命之谜呢？识和技术所限而尚未揭示的生命之谜呢？ 这种传染性蛋白质颗粒是宿主这种传染性蛋白质颗粒是宿主细胞基因组基因编码的蛋白质分子细胞基因组基因编码的蛋白质分子的异构体，具有促使正常蛋白质分的异构体，具有促使正常蛋白质分子变构成异构体的催化活性，从而子变构成异构体的催化活性，从而造成朊病毒可以在宿主细胞中自身造成

12、朊病毒可以在宿主细胞中自身增殖的现象。增殖的现象。 二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式（一）细胞水平（一）细胞水平 集中在细胞核或核区。集中在细胞核或核区。（二）细胞核水平（二）细胞核水平 1、核基因组、核基因组 又称染色体基因组或基因组，是一个物种的单倍体的所有又称染色体基因组或基因组，是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。染色体及其所包含的遗传信息的总称。（1）原核生物的基因组）原核生物的基因组1)小，为双链的小，为双链的DNA分子，一般具有单一的复制起点；分子，一般具有单一的复制起点；2)基因组上遗传信息具有基因组上遗

13、传信息具有连续性连续性；3)功能相关的基因构成功能相关的基因构成操纵子操纵子或形成或形成重叠基因重叠基因，且常转录为，且常转录为多多顺反子顺反子mRNA。4)基因组的重复序列少而短；基因组的重复序列少而短；5)结构基因结构基因的单拷贝及的单拷贝及rRNA基因基因的多拷贝。的多拷贝。 （2）真核微生物的基因组）真核微生物的基因组1)典型的染色体结构，大，具有许多复制起点；典型的染色体结构，大，具有许多复制起点；2)一个基因组包含若干染色体，一般不呈环状；一个基因组包含若干染色体，一般不呈环状；3)功能上密切相关的基因集中程度不如原核生物，很少有关功能上密切相关的基因集中程度不如原核生物，很少有关

14、于操纵子的报道，一般为单顺反子；于操纵子的报道，一般为单顺反子；4)基因不连续，分基因不连续，分外显子外显子和和内含子内含子；外显子：外显子：DNA序列中被转录成为序列中被转录成为mRNA的片段称为外显子。的片段称为外显子。内含子：在成熟内含子：在成熟mRNA上未反应出的上未反应出的DNA区段称为内含子。区段称为内含子。5)有大量重复序列，有很多是不编码序列。有大量重复序列，有很多是不编码序列。 2、核外染色体、核外染色体（1）原核细胞的染色体外染色体：主要指质粒）原核细胞的染色体外染色体：主要指质粒定义：定义： 游离于核基因组外，具有独立复制能力的小型共价闭合环游离于核基因组外，具有独立复制

15、能力的小型共价闭合环状状DNA分子，即分子，即cccDNA称为质粒。称为质粒。性质性质1)不相容性：亲缘关系较近的质粒在同一寄主细胞中不能稳定不相容性：亲缘关系较近的质粒在同一寄主细胞中不能稳定复制。复制。2)可传递性：质粒可在不同菌株间发生可传递性：质粒可在不同菌株间发生转移转移，与核染色体，与核染色体整合整合、脱离脱离等。等。3)可被消除性：在一些理化因子作用下，质粒的复制受到抑制可被消除性：在一些理化因子作用下，质粒的复制受到抑制而核染色体的复制仍继续进行，从而使子代细胞中的质粒消除。而核染色体的复制仍继续进行，从而使子代细胞中的质粒消除。4)可重组性：在质粒与质粒之间、质粒与染色体之间

16、可发生重可重组性：在质粒与质粒之间、质粒与染色体之间可发生重组。组。 质粒的分子结构：质粒的分子结构：1) 具有麻花状的超螺旋结构，大小相当于核基因组的具有麻花状的超螺旋结构，大小相当于核基因组的1%。2) 质粒携带着某些染色体上所没有的基因，使细菌等原核生质粒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非必不可少的特殊功能。物被赋予了某些对其生存并非必不可少的特殊功能。3)质粒是一种独立存在于细胞内的复制子。质粒是一种独立存在于细胞内的复制子。a.严紧型复制控制：其复制行为与核染色体的复制同步。严紧型复制控制：其复制行为与核染色体的复制同步。b.松弛型复制控制：其复

17、制行为与核染色体的复制不同步。松弛型复制控制：其复制行为与核染色体的复制不同步。 质粒的种类质粒的种类 a. a. 接合性质粒接合性质粒b. b. 抗性质粒：是使其宿主微生物对抗生素、化学药物或重金抗性质粒：是使其宿主微生物对抗生素、化学药物或重金属离子等杀菌剂表现出抗性的质粒。属离子等杀菌剂表现出抗性的质粒。c. c. 产细菌素和抗生素质粒产细菌素和抗生素质粒 细菌素细菌素：是细菌产生的一般只能抑制或杀死种内不同亚：是细菌产生的一般只能抑制或杀死种内不同亚种或菌株中敏感细菌的特殊多肽类代谢产物。种或菌株中敏感细菌的特殊多肽类代谢产物。d. d. 具有生理功能的质粒具有生理功能的质粒 利用乳糖

18、、蔗糖、尿素、固氮等；降解辛烷、樟脑、萘、利用乳糖、蔗糖、尿素、固氮等；降解辛烷、樟脑、萘、水杨酸等；产色素；结瘤和共生固氮。水杨酸等；产色素；结瘤和共生固氮。e. e. 产毒质粒产毒质粒典型质粒简介典型质粒简介 1)F因子因子 (fertility factor)：又称致育因子或性因子。又称致育因子或性因子。功能：决定细菌的性别，同时还具有转移能力。功能：决定细菌的性别，同时还具有转移能力。结构：结构： tra转移区：与转移区：与质粒转移和性质粒转移和性菌毛合成有关。菌毛合成有关。转座因子：可整转座因子：可整合到宿主染色体合到宿主染色体的一定部位，导的一定部位，导致基因重组。致基因重组。2)

19、R因子因子(resistance factor)：又称又称R质粒质粒a. 结构：由两个相连的结构：由两个相连的DNA片段组成片段组成RTF和和r决定因子。决定因子。 RTF功能：功能：RTF即抗性转移因子。含调节即抗性转移因子。含调节DNA复制和拷贝数复制和拷贝数的基因以及转移基因，具有转移功能。的基因以及转移基因，具有转移功能。r决定因子功能：决定因子功能：r决定因子即抗性决定因子。无转移功能，含决定因子即抗性决定因子。无转移功能，含各种抗性因子。各种抗性因子。b. 作用：作用： 引起致病菌对多种抗生素的抗性，对传染病的防治造成危引起致病菌对多种抗生素的抗性，对传染病的防治造成危害；害；R质

20、粒可用做菌株筛选时的选择性标记或改造成外源基因质粒可用做菌株筛选时的选择性标记或改造成外源基因的克隆载体。的克隆载体。 3)Col因子因子(colicinogenic factors): 即产大肠杆菌素因子。即产大肠杆菌素因子。4)Ti质粒质粒(tumor inducing plasmid)： 即诱癌质粒。是植物遗传工程的主要载体。即诱癌质粒。是植物遗传工程的主要载体。5)巨大质粒巨大质粒(mega 质粒质粒)： 发现于根瘤菌属中，上面有一系列固氮基因。发现于根瘤菌属中，上面有一系列固氮基因。 （2）真核生物核外）真核生物核外DNA1）细胞质基因：细胞质基因： 指线粒体和叶绿体等指线粒体和叶绿

21、体等DNA，其结构与原核细胞的其结构与原核细胞的DNA相似，亦能编码结构蛋白。相似，亦能编码结构蛋白。2）共生生物：）共生生物： 如卡巴颗粒。如卡巴颗粒。3）2u质粒：质粒： 存在于酿酒酵母的细胞核中，不能与核基因组整合。存在于酿酒酵母的细胞核中，不能与核基因组整合。 （三）染色体水平（三）染色体水平1、染色体数、染色体数 不同物种，其染色体数目差别很大，但对同一物种来说，不同物种，其染色体数目差别很大，但对同一物种来说，染色体的数目是恒定的。染色体的数目是恒定的。2、染色体倍数：指同一细胞中相同染色体的套数。、染色体倍数：指同一细胞中相同染色体的套数。(1)整倍体：指染色体的数目变异呈成套数

22、目的改变，改变后的整倍体：指染色体的数目变异呈成套数目的改变，改变后的染色体数目是整倍数的（或者说细胞内含有完整即成套的染色染色体数目是整倍数的（或者说细胞内含有完整即成套的染色体）。体）。单倍体：细胞核中含有一个完整染色体组的称为单倍体。单倍体：细胞核中含有一个完整染色体组的称为单倍体。二倍体：细胞核中含有二个完整染色体组的称为二倍体。二倍体：细胞核中含有二个完整染色体组的称为二倍体。多倍体：细胞核中含有超过两个染色体组的称为多倍体。多倍体：细胞核中含有超过两个染色体组的称为多倍体。(2)非整倍体：是整倍体中缺少或额外增加一条或非整倍体：是整倍体中缺少或额外增加一条或 n条染色体的条染色体的

23、变异型。变异型。 （四）核酸水平（四）核酸水平1 1、 核酸种类：大多核酸种类：大多DNADNA，少数少数RNARNA。2 2、DNADNA结构：结构： (1)(1)一级结构：一级结构： 四种脱氧核糖核苷酸即脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核四种脱氧核糖核苷酸即脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过3 3、5 5磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。 (2)(2)二级结构：指两条多核苷酸链反向平行盘绕而生成的双螺旋二级结构：指两条多核苷酸链反向平行盘绕而生成的双螺旋结构

24、。结构。 DNADNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的；分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的；DNADNA中脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，中脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧；碱基排列在内侧；两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，其组成按碱两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，其组成按碱基互补配对原则即基互补配对原则即A A与与T T结合，结合，G G与与C C结合。结合。 (3)高级结构：高级结构： 指指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结沟。双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结沟。超螺旋结构是超螺旋结构

25、是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类。负超螺旋两大类。 3、DNA长度：即基因组的大小用长度：即基因组的大小用bp、kb、Mb表示。表示。 （五）基因水平（五）基因水平1、基因概念、基因概念 基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。的最小功能单位。2、种类、种类 (1)结构基因和调节基因：编码蛋白质的基因结构基因和调节基因：编码蛋白质的基因 结构基因结构基因各种结构蛋白和催化各种生化反应的酶；各种结构蛋白和催化各种生化反应的酶； 调节基因调节基因阻遏蛋白或激活蛋

26、白。阻遏蛋白或激活蛋白。(2)核糖体核糖体RNA基因基因(rDNA)与转译与转译RNA基因基因(tDNA)：无翻译产无翻译产物的基因物的基因(3) 启动子与操纵基因：不转录的启动子与操纵基因：不转录的DNA区段区段 3、原核生物基因调控系统、原核生物基因调控系统(1) 操纵子：功能相关的几个基因前后相连，在加上一个共同的操纵子：功能相关的几个基因前后相连，在加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操纵基因等）在基调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操纵基因等）在基因转录时协同动作，包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸因转录时协同动作，包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列就称为

27、操纵子。序列就称为操纵子。1) 启动子：是一种能被依赖于启动子：是一种能被依赖于DNA的的RNA聚合酶的结合部位，聚合酶的结合部位，也是转录的起始点。也是转录的起始点。2) 操纵基因：是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，操纵基因：是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，能与阻遏物相结合，以此来决定结构基因的转录是否能进行。能与阻遏物相结合，以此来决定结构基因的转录是否能进行。3) 结构基因：是决定某一多肽的结构基因：是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基模板，可根据其上的碱基顺序转录出对应的顺序转录出对应的mRNA,然后再可通过核糖体而翻译出相应的然后再可通过核糖体而翻译出相

28、应的酶。酶。4) 调节基因：一般位于相应操纵子的附近，用于编码组成型调调节基因：一般位于相应操纵子的附近，用于编码组成型调节蛋白。节蛋白。 (2) 操纵子模型的基本内容操纵子模型的基本内容 在调节基因产物的作用下，通过操纵基因控制结构基在调节基因产物的作用下，通过操纵基因控制结构基因的转录，从而发生酶的诱导或阻遏。因的转录，从而发生酶的诱导或阻遏。 4 4、基因的命名、基因的命名三字命名法三字命名法 (1) (1)基因名称一般用三个小写字母表示，三个英文字母取自基因名称一般用三个小写字母表示，三个英文字母取自表示该基因特性的一个或一组英文单词的前三个字母；表示该基因特性的一个或一组英文单词的前

29、三个字母； 例：赖氨酸基因：例：赖氨酸基因： lysinelysinelyslysLysLys （基因）基因） （基因产物）（基因产物） 与核糖体中较大蛋白质亚基有关的基因与核糖体中较大蛋白质亚基有关的基因 ribosomal protein largeribosomal protein largerpl rpl (2)(2)产生同一突变型表型的不同基因，用三个字母后面所加产生同一突变型表型的不同基因，用三个字母后面所加的斜体大写字母表示；的斜体大写字母表示； 例：组氨酸基因例：组氨酸基因his; his; 各组氨酸基因各组氨酸基因hisAhisA；hisB hisB (3)同一基因的不同突变

30、位点用基因符号后面的阿拉伯数字表示；同一基因的不同突变位点用基因符号后面的阿拉伯数字表示； 例：色氨酸基因例：色氨酸基因trp 各个色氨酸基因各个色氨酸基因trpA;trpB 基因基因trp各位点的突变型各位点的突变型trpA23;trpA46(4)抗性基因，一般把抗性基因，一般把“抗抗”用大写用大写R注在基因符号右上角。注在基因符号右上角。(5)突变型基因的表示方法是在基因符号的右上角加突变型基因的表示方法是在基因符号的右上角加-。(6)当染色体上存在有缺失时，可用表示，缺失部分放在当染色体上存在有缺失时，可用表示，缺失部分放在符号的括号中。符号的括号中。例：例： (lac,pro)表示从乳

31、糖发酵基因到脯氨酸基因这一段表示从乳糖发酵基因到脯氨酸基因这一段染色体发生了缺失。染色体发生了缺失。（六）密码子水平（六）密码子水平 1、三联子密码、三联子密码遗传的信息单位遗传的信息单位 mRNA上每三个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，上每三个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这三个核苷酸就叫密码，又称三联子密码。这三个核苷酸就叫密码，又称三联子密码。 2、遗传密码的性质、遗传密码的性质1)密码的简并性：密码的简并性： 指一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象。指一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象。 2)密码的通用性：密码的通用性： 所有的生物共用一套密码。所有的生物共用一套密

32、码。3)密码子与反密码子的相互作用密码子与反密码子的相互作用摆动学说（或称变偶假说）摆动学说（或称变偶假说） 在密码子和反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原在密码子和反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度可以则，第三对碱基有一定的自由度可以“摆动摆动”，因而使某些，因而使某些 tRNA可以识别一个以上的密码子。可以识别一个以上的密码子。 3、密码子的使用规律、密码子的使用规律1）原核生物中大部分以）原核生物中大部分以AUG为起始密码子，少数使用为起始密码子，少数使用GUG；真核生物则全部为真核生物则全部为AUG；终止密码子为终止密码子为UAA、UAG、UG

33、A。2）密码不重叠。密码不重叠。3）密码间无间隔。）密码间无间隔。 第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种一、基因突变一、基因突变 简称突变，指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子简称突变，指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。结构或数量突然发生的可遗传的变化。（一）类型（一）类型1 1、根据表型划分、根据表型划分 选择性突变选择性突变具有选择性标记，可通过某种环境条件使它们得具有选择性标记，可通过某种环境条件使它们得到优势生长，从而取代原始菌株。到优势生长，从而取代原始菌株。非选择性突变非选择性突变无选择性标记，而只有一些性状的数量差别，无选择性标记

34、，而只有一些性状的数量差别，如菌落大小、颜色深浅、代谢物产量等。如菌落大小、颜色深浅、代谢物产量等。(1) (1) 营养缺陷型：某一野生型菌株由于发生基因突变而丧失合营养缺陷型：某一野生型菌株由于发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子的能力，因而无法在基本培养基上正常成一种或几种生长因子的能力，因而无法在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型，称为营养缺陷型。它们可在加有某生长生长繁殖的变异类型，称为营养缺陷型。它们可在加有某生长因子的基本培养基平板上选出。因子的基本培养基平板上选出。(2) (2) 抗性突变型：由于基因突变而使原始菌株产生了对某种化抗性突变型：由于基因突变而使原始菌株产生了对某

35、种化学药物或致死物理因子抗性的变异类型。它们可在加有相应药学药物或致死物理因子抗性的变异类型。它们可在加有相应药物或用相应物理因子处理的培养基平板上选出。物或用相应物理因子处理的培养基平板上选出。 (3) (3) 条件致死突变型：某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件致死突变型：某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并实现其表型，而在另一种条件条件下可正常地生长、繁殖并实现其表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖的突变类型，称为条件致死突变型。下却无法生长、繁殖的突变类型，称为条件致死突变型。TsTs突变株突变株( (温度敏感突变株温度敏感突变株) )：是一类典型的条件致死突变

36、株，：是一类典型的条件致死突变株，指可在某一温度下生长而在另一温度下不生长的突变株。指可在某一温度下生长而在另一温度下不生长的突变株。(4) (4) 形态突变型：指由于突变而产生的个体或菌落形态所发形态突变型：指由于突变而产生的个体或菌落形态所发生改变。生改变。(5) (5) 抗原突变型：抗原突变型： 指由于基因突变而引起的抗原结构发生突指由于基因突变而引起的抗原结构发生突变的变异类型变的变异类型 。(6) (6) 产量突变型：通过基因突变而获得的在有用代谢产物产产量突变型：通过基因突变而获得的在有用代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株，称为产量突变型。若产量上明显有别于原始菌株的突变株，

37、称为产量突变型。若产量高于原始菌株者，称为正变株，反之则称负变株。量高于原始菌株者，称为正变株，反之则称负变株。 2、根据突变起因分、根据突变起因分 (1) 自发突变：自发突变：1) 自发突变：是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。自发突变：是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。称它为称它为“自发自发”，决不意味着这种突变是没有原因的，而只是，决不意味着这种突变是没有原因的，而只是说明人们对它还没有很好的或很具体的认识而已。说明人们对它还没有很好的或很具体的认识而已。2）自发突变的原因：）自发突变的原因： 背景辐射和环境因素引起；背景辐射和环境因素引起； 微生物自身有害代谢产物引起；微

38、生物自身有害代谢产物引起； DNA复制中的错误；这种错误的概率约复制中的错误；这种错误的概率约10-6； 由转座因子引起的插入或缺失。由转座因子引起的插入或缺失。(2) 诱发突变诱发突变 简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理、化学或生物简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。因素显著提高基因自发突变频率的手段。（二）突变率（二）突变率1、概念：指某一个细胞（或病毒粒）每一个世代中发生、概念：指某一个细胞（或病毒粒）每一个世代中发生某一性状突变的概率。也是突变在每个细胞生存的单位生某一性状突变的概率。也是突变在每个细胞生存的单位生物学时间（世代）内

39、发生的概率。物学时间（世代）内发生的概率。 2、测定：、测定： 应用选择培养法来直接测定突变率应用选择培养法来直接测定突变率 。（三）基因突变的特点（三）基因突变的特点1、自发性：各种性状的突变，可以在没有人为的诱变因素处、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。理下自发地产生。2、不对应性：指突变的性状与引起突变的原因间无直接的对、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。应关系。3、稀有性：自发突变虽可随时发生，但其突变率却是极低和、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，一般在稳定的，一般在l0-610-9之间。之间。4、独立性

40、：突变的发生一般是独立的，某一基因的突变率不、独立性：突变的发生一般是独立的，某一基因的突变率不受它种基因突变率的影响。受它种基因突变率的影响。5、可诱变性：自发突变的频率可因诱变剂的影响而大为提高。、可诱变性：自发突变的频率可因诱变剂的影响而大为提高。6、稳定性：基因突变后的新性状是稳定的。、稳定性：基因突变后的新性状是稳定的。7、可逆性：由原始的野生型基因变异为突变型基因的过程，、可逆性：由原始的野生型基因变异为突变型基因的过程，称为正向突变，相反的过程则称为回复突变或回变。任何性状称为正向突变，相反的过程则称为回复突变或回变。任何性状都可发生正向突变，也都可发生回复突变。都可发生正向突变

41、，也都可发生回复突变。 （四）基因突变的自发性和不对应性的证明（四）基因突变的自发性和不对应性的证明 突变是通过适应而产突变是通过适应而产生的，突变的原因与生的，突变的原因与性状间是相对应的。性状间是相对应的。 突变是自发的，突变是自发的，与环境是不相与环境是不相对应的。对应的。 PK1、变量实验、变量实验（1）实验内容：）实验内容： E.coli对于对于phageT1的抗性变异波动实验。的抗性变异波动实验。 （2）原理：）原理： 通过小试管中抗性细菌数的波动情况证明细菌抗通过小试管中抗性细菌数的波动情况证明细菌抗性的来历。如果抗药性的出现是由于细菌对于药物所性的来历。如果抗药性的出现是由于细

42、菌对于药物所发生的适应性的反应，那么分装在许多小试管中的样发生的适应性的反应，那么分装在许多小试管中的样品将出现大致相等数目的细菌；如果抗药性的出现是品将出现大致相等数目的细菌；如果抗药性的出现是由于基因突变，由于突变在时间上的随机性，不同试由于基因突变，由于突变在时间上的随机性，不同试管中的抗性细菌数将会表现高度波动。管中的抗性细菌数将会表现高度波动。 （3）结果：）结果： 从来自同一个培养物的大试管取样测定的抗性菌落数从来自同一个培养物的大试管取样测定的抗性菌落数比较接近，而来自不同培养物比较接近，而来自不同培养物(20支小试管支小试管)的样品的抗性的样品的抗性菌落数的数值却相差很大。比较

43、二者的平均值虽然相近，菌落数的数值却相差很大。比较二者的平均值虽然相近，但后者的方差远远大于前者。但后者的方差远远大于前者。（4）结论：）结论： E.coli抗噬菌体性状的突变，不是由环境因素抗噬菌体性状的突变，不是由环境因素噬噬菌体诱导出来的，而是在它接触到噬菌体前，在某一次细菌体诱导出来的，而是在它接触到噬菌体前，在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的。这种自发突变发生得越胞分裂过程中随机地自发产生的。这种自发突变发生得越早，则抗性菌落出现得越多，反之则越少。噬菌体在这里早，则抗性菌落出现得越多，反之则越少。噬菌体在这里仅起着淘汰原始的未突变的敏感菌和甄别抗噬菌体突变型仅起着淘汰原始的未突

44、变的敏感菌和甄别抗噬菌体突变型的作用。的作用。 2、涂布实验、涂布实验（1）实验内容：）实验内容：（2）实验原理：）实验原理： 若抗性是在接触噬菌体以后产生的，那么喷噬菌体以若抗性是在接触噬菌体以后产生的，那么喷噬菌体以前的重新涂布无非使细菌所处的位置发生改变，而不会因前的重新涂布无非使细菌所处的位置发生改变，而不会因为涂布大大地改变细菌对于噬菌体的反应，因此两组培养为涂布大大地改变细菌对于噬菌体的反应，因此两组培养皿上出现的抗性菌落数应相等；若抗性发生在接触噬菌体皿上出现的抗性菌落数应相等；若抗性发生在接触噬菌体以前，那么在喷上噬菌体以前某些菌落中的抗性突变型细以前，那么在喷上噬菌体以前某些

45、菌落中的抗性突变型细菌已经分裂若干次，在不经重新涂布的培养皿上形成一个菌已经分裂若干次，在不经重新涂布的培养皿上形成一个菌落，在重新涂布的培养皿上出现若干菌落。菌落，在重新涂布的培养皿上出现若干菌落。（3）结果：重新涂布的培养皿上出现的抗性菌落多余未）结果：重新涂布的培养皿上出现的抗性菌落多余未经重新涂布的。经重新涂布的。（4）结论：抗性突变的发生在接触噬菌体之前。）结论：抗性突变的发生在接触噬菌体之前。 3、影印培养实验、影印培养实验（1）实验内容：）实验内容：（2）实验原理：）实验原理： 通过盖印章的方式，在未接触抗性因素的条件下筛选通过盖印章的方式，在未接触抗性因素的条件下筛选出的抗性突

46、变株。由于实验过程中没有接触过抗性因素，出的抗性突变株。由于实验过程中没有接触过抗性因素，所以直接证明了基因突变的自发性。所以直接证明了基因突变的自发性。（3）结果：得到越来越多的抗性菌落，最终甚至可以得）结果：得到越来越多的抗性菌落，最终甚至可以得到纯的抗性菌株细胞群。到纯的抗性菌株细胞群。（4）结论：基因突变的自发性。）结论：基因突变的自发性。 （五）突变机制（五）突变机制1、点突变：即狭义的基因突变，指、点突变：即狭义的基因突变，指DNA的单个碱基发生替换的单个碱基发生替换所引起的突变。所引起的突变。（1）碱基置换：一对碱基被另一对碱基所置换。）碱基置换：一对碱基被另一对碱基所置换。1）

47、转换：即）转换：即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换被另一个嘧啶所置换2）颠换：即）颠换：即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶链中的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。被另一个嘌呤所置换。 例如例如1： 碱基类似物通过互变异构现象引起转换实现诱变。碱基类似物通过互变异构现象引起转换实现诱变。 例如例如2：亚硝酸盐、羟胺和各种烷化剂。：亚硝酸盐、羟胺和各种烷化剂。 亚硝酸可直接作用于正在复制或末复制的亚硝酸可直接作用于正在复制或末复制的DNA分子，脱分子，脱去碱基中的氨基变成酮基，改变碱基氢键的电位，引起

48、转换去碱基中的氨基变成酮基，改变碱基氢键的电位，引起转换而发生变异。而发生变异。例如例如3：DNA复制中的错误复制中的错误互变异构效应：互变异构效应： 由于碱基由于碱基T、G发生了酮式至烯酵式或发生了酮式至烯酵式或C、A发生了氨基发生了氨基式至亚氨基式的互变异构效应而引起碱基置换，造成突变。式至亚氨基式的互变异构效应而引起碱基置换，造成突变。例如例如4：DNA发生损伤，脱氨基发生损伤，脱氨基转换，脱嘌呤转换，脱嘌呤颠换颠换(2) 移码突变：移码突变： 指指DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添分子中的一个或少数几个核苷酸的增添(插入插入)或缺或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转

49、译错误的失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株。一类突变。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株。1) 由于在由于在DNA分子的编码区插入或缺失非分子的编码区插入或缺失非3的整数倍个的整数倍个(1个、个、2个或个或4个个)核苷酸而导致阅读框架位移，导致翻译出来的蛋白质核苷酸而导致阅读框架位移，导致翻译出来的蛋白质的氨基酸序列与野生型完全不同。的氨基酸序列与野生型完全不同。 2) 如果插入或缺失的碱基正好是如果插入或缺失的碱基正好是3个或其整倍数，那么在翻译个或其整倍数，那么在翻译出的多肽上可能是多一个、几个或少一个、几个氨基酸

50、，而不出的多肽上可能是多一个、几个或少一个、几个氨基酸，而不完全打乱整个氨基酸序列。完全打乱整个氨基酸序列。 例如例如1：吖啶类化合物：吖啶类化合物例如例如2：DNA复制中的错误复制中的错误环出效应：环出效应：DNA上个别碱上个别碱基对的局部解离和错误退火而导致环状突出，引起移码突基对的局部解离和错误退火而导致环状突出，引起移码突变。变。2、染色体畸变、染色体畸变 指染色体的结构和数目的改变。是指染色体的结构和数目的改变。是DNA分子大范围的分子大范围的损伤。损伤。（1）染色体结构变异）染色体结构变异1）缺失）缺失 指染色体丢失了一个片段，使之位于这个片段上的基指染色体丢失了一个片段，使之位于

51、这个片段上的基因也随之丢失。因也随之丢失。2）重复：）重复： 一个染色体上某一片段出现两份或两份以上，使位于一个染色体上某一片段出现两份或两份以上，使位于这些片段上的基因多了一份或几份。这些片段上的基因多了一份或几份。 缺失和重复都起因于染色体上基因数目的变化。缺失和重复都起因于染色体上基因数目的变化。3）倒位）倒位 在同一染色体上某一个片段作在同一染色体上某一个片段作180的颠倒，造成染色的颠倒，造成染色体上基因顺序的重排。如果颠倒的片段包括着丝粒在内的体上基因顺序的重排。如果颠倒的片段包括着丝粒在内的倒位称为臂间倒位，不包括着丝粒的倒位称为臂内倒位。倒位称为臂间倒位，不包括着丝粒的倒位称为

52、臂内倒位。4）易位）易位 一个染色体臂的一段移接到另一非同源染色体的臂上一个染色体臂的一段移接到另一非同源染色体的臂上的结构变异。的结构变异。 最常见的是相互易位，非同源染色体间相互交换染色最常见的是相互易位，非同源染色体间相互交换染色体片段，造成染色体间基因的重排。体片段，造成染色体间基因的重排。 倒位和易位都起因于染色体上基因排列位置的变化。倒位和易位都起因于染色体上基因排列位置的变化。 转座因子和转座转座因子和转座 转座因子：存在于细胞内，位于染色体或质粒上的一转座因子：存在于细胞内，位于染色体或质粒上的一段特殊、可移动的段特殊、可移动的DNA序列。序列。转座：转座：DNA序列通过非同源

53、重组的方式，从染色体某序列通过非同源重组的方式，从染色体某一部位转移到同一染色体上另一部位或其他染色体上一部位转移到同一染色体上另一部位或其他染色体上某一部位的现象，称为转座。某一部位的现象，称为转座。 转座因子的种类：转座因子的种类：插入序列插入序列 IS：0.7-1.4 kb，只能引起转座效应，不含其只能引起转座效应，不含其它基因。它基因。转座子转座子 Tn ：2-2.5 kb，含有几个至十几个基因。含有几个至十几个基因。转座噬菌体：转座噬菌体：37 kb，含有含有20多个基因。多个基因。 （2）染色体数目改变）染色体数目改变1） 倍数性改变倍数性改变2）非整倍性改变）非整倍性改变 （六）

54、紫外线对（六）紫外线对DNA的损伤及机体对损伤的损伤及机体对损伤DNA的修复的修复紫外线作用：同链紫外线作用：同链DNA的相邻的相邻T间形成共价间形成共价T二聚体，阻二聚体，阻碍碱基间正常配对，从而引起突变或死亡。碍碱基间正常配对，从而引起突变或死亡。 (1) 光复活光复活(2) 切除修复切除修复(3) 重组修复重组修复(4) SOS修复修复 (1) 光复活：光复活： 光复活是专一地针对紫光复活是专一地针对紫外线引起的外线引起的DNA损伤而形损伤而形成的嘧啶二聚体在损伤部位成的嘧啶二聚体在损伤部位就地修复的修复途径，是在就地修复的修复途径，是在可见光可见光(300一一600 nm)的活的活化之

55、下，由光复活酶（化之下，由光复活酶（PR酶）又称光解酶，催化嘧啶酶）又称光解酶，催化嘧啶二聚体分解成为单体的过程。二聚体分解成为单体的过程。 (2) 切除修复：切除修复： 又称核苷酸外切修复，是又称核苷酸外切修复，是紫外线等辐射物质所造成的损紫外线等辐射物质所造成的损伤部位被取代的暗修复系统。伤部位被取代的暗修复系统。此系统是在几种酶的协同作用此系统是在几种酶的协同作用下，先在损伤的任一端打开磷下，先在损伤的任一端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡酸二酯键，然后外切掉一段寡核苷酸；留下的缺口由修复性核苷酸；留下的缺口由修复性合成来填补，再由连接酶将其合成来填补，再由连接酶将其连接起来。连接起来。

56、(3) 重组修复：重组修复： 是一种越过损伤部位而进是一种越过损伤部位而进行修复的途径，它必须在行修复的途径，它必须在DNA进行复制的情况下进行，故又进行复制的情况下进行，故又称复制后修复。发生在称复制后修复。发生在DNA复复制过程或复制之后，不切除制过程或复制之后，不切除DNA损伤部位的修复。损伤部位的修复。DNA链链在复制时，受损的模板作用消在复制时，受损的模板作用消失，互补单链（新链）里留下失，互补单链（新链）里留下空隙，产生诱导信号，空隙，产生诱导信号，recA基基因被诱导，产生大量重组蛋白，因被诱导，产生大量重组蛋白，与新链缺口结合，引起与新链缺口结合，引起 子链和子链和母链交换。交

57、换后母链缺口通母链交换。交换后母链缺口通过聚合作用，以对侧子链为模过聚合作用，以对侧子链为模板合成板合成DNA 片段填充，连接片段填充，连接酶连接新旧链完成复制。酶连接新旧链完成复制。 (4) SOS修复修复 是在是在DNA受损伤的范围较大而且复制受到抑制时出现的一种受损伤的范围较大而且复制受到抑制时出现的一种修复作用。修复作用。 一种能够引起误差修复的紧急呼救修复，是在无模板一种能够引起误差修复的紧急呼救修复，是在无模板DNA 情况下合成酶的诱导修复。正常情况下有关酶系无活性，情况下合成酶的诱导修复。正常情况下有关酶系无活性，DNA受受损伤而复制又受到抑制情况下发出信号，激活有关酶系，对损伤

58、而复制又受到抑制情况下发出信号，激活有关酶系，对DNA损伤进行修复，其中损伤进行修复，其中DNA多聚酶起重要作用，在无模板情况下，多聚酶起重要作用，在无模板情况下，进行进行DNA修复再合成，并将修复再合成，并将DNA片段插入受损片段插入受损DNA空隙处。空隙处。 二、突变与育种二、突变与育种菌种工作包括三方面：选种、育种、复壮和保藏。菌种工作包括三方面：选种、育种、复壮和保藏。选种选种从自然界和生产中选择符合需要菌种。从自然界和生产中选择符合需要菌种。育种育种进一步提高已有菌种某种性能，使更符合要求。进一步提高已有菌种某种性能，使更符合要求。 选育新菌种可从几方面着手：选育新菌种可从几方面着手

59、：1）从原有菌株入手进行各种遗传改造工作。）从原有菌株入手进行各种遗传改造工作。2）根据文献资料报导的微生物种属，向国内外菌种保）根据文献资料报导的微生物种属，向国内外菌种保藏机构索取同种或同属菌株，从中寻求符合要求者。藏机构索取同种或同属菌株，从中寻求符合要求者。3）根据所需菌种特性、嗜好或工艺要求，从特定的生）根据所需菌种特性、嗜好或工艺要求，从特定的生态环境中以特定方法重新分离自然菌株。态环境中以特定方法重新分离自然菌株。（一）自发突变与育种（一）自发突变与育种1、生产育种、生产育种 在利用微生物进行大生产的过程中由于微生物会以在利用微生物进行大生产的过程中由于微生物会以10-6左右的突

60、变率进行自发突变，从而分离出生产性状左右的突变率进行自发突变，从而分离出生产性状优于原菌株的优良菌株。优于原菌株的优良菌株。 2、定向育种、定向育种 用某一特定环境长期处理某一微生物群体，同时不用某一特定环境长期处理某一微生物群体，同时不断地进行移种传代，以达到积累和选择合适的自发突变断地进行移种传代，以达到积累和选择合适的自发突变体的一种古老育种方法。体的一种古老育种方法。 （二）诱变育种（二）诱变育种 利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，促进其突变率大幅度提高，然后设法采用简便、快群，促进其突变率大幅度提高，然后设法采用简便、快速、高