微生物的遗传与变异

1、第八章 微生物的遗传与变异第一节：遗传突变的物质基础一、什么是遗传与变异遗传：子代与亲代相似的现象通称为遗传。保持物种连续性和相对稳定性，是物种存在依据。保证了种的存在和延续变异：是子代与亲代间的差异。可遗传给后代，是物种发展，进化的依据。推动了种的进化和发展。微生物特性的改变不一定都是变异，只发生在转录、翻译水平的表型变化是不遗传的。不是变异。表型(phcnotype)：是指遗传特性在定环境条件下的具体表现。微生物变异发生最快、迅速、常见。不一定都是变异或都能遗传。突变：是遗传物质核酸（RNA，DNA）中的核苷酸顺序发生了稳定的可遗传的变化。（合段发生改变，而引起遗传性状改变）包括：染色体突

2、变和基因突变。微生物主要是基因突变。二、DNA是遗传变异的物质基础 (一)从孟德尔的粒子到DNA双螺旋结构1865（1866）年：孟德尔：发现遗传规律 分离、自由组合规律1893年：Overton 发现植物细胞减数分裂。1900年：重新发现孟德尔定律，建立遗传学。1901年：发现X染色体。1902年：建立细胞遗传学。1903年WSSutton，染色体的遗传行为与性状的遗传行为有着平行的关系。1905年：Wilson 发现性染色体1905-08年：发现连锁基因。1906年：提出性染色体。1909年：丹麦生物学家W.L.Johannsen提出基因概念。1910年：摩尔根（Morgan）建立基因学说

3、。1913年：减数分裂与孟德尔定律联系起来。得到正确解释。1910-27年：连锁互换。1935年：电镜问世。20世纪40、50年代， 3个典型实验：1944年：肺炎双球菌转化。遗传信息物质是DNA，核酸水平1952年：Watson Crick 提出DNA结构。1953年：Hershey和Chase同位素标记大肠杆菌噬菌体T2，证明遗传物质是DNA，而不是蛋白质。1953年：FraenkelConrat和Singer的烟草花叶病毒重组实验证实了RNA也是遗传物质。1957年58年：DNA半保留复制。分子遗传学和分于生物学。1960年：体细胞融合技术。(二)遗传物质在细胞中的存在形式除部分病毒的遗

4、传物质是RNA外，其余生物体的遗传物质都是DNA。分染色体DNA和染色体外DNA。1、DNA在原核微生物中的存在方式原核微生物细胞最大的特点：无核膜与核仁的分化，染色体DNA处于核区，无组蛋白，近年来发现细菌染色体DNA也与类组蛋白的碱性蛋白相结合。几种原核微生物染色体的物理特性见表81。原核细胞的染色体外DNA主要指质粒。2DNA在真核微生物中的存在方式真核微生物DNA分为核DNA和核外DNA。核DNA即染色体DNA，与组蛋白结合构成具合染色体。组蛋白已发现有4种：H2A、H2B、H3、H4。每种组蛋白各有2个分子与DNA形成核小体。组蛋白有保护作用（DNA），影响DNA基因的表达。核外DN

5、A主要为线粒体DNA、质粒DNA等。酵母菌DNA的主要存在方式见表82。三、基因和性状(一)基因的概念基因是由丹麦生物学家W.L.Johannsen于1909年提出来的他用“基因”这个术语来代替孟德尔的“遗传因子”。到20世纪50年代以后，才有较明确的概念。“基因”是一个具有遗传因子效应的DNA片段，它是遗传物质的最小功能单位。(二)性状与基因表达性状是构成一个生物个体的结构、形态、物质和功能等各方面特征的总称。基因决定性状，性状是基因表达的结果。基因：分为调节基因、操纵基因和结构基因3大类。结构基因：是细胞结构、组成及完成细胞功能所需的蛋白质等编码的基因。蛋白的表达不仅受结构基因控制，同时也

6、受调节基因和操纵基冈的调控。遗传信息通过“中心法则”传递。第二节 细菌的基因转移和重组方式：真核生物：染色体的重新组合，即杂交（有性），准性生殖。原核生物：转化、传导、接合、溶原性转变等方式。接合是通过细菌间的接触；转化是通过裸露的DNA；转导则需要噬菌体作媒介。基因重组：两个不同性状个体的遗传基因转移到一起，遗传分子重新组合，形成新的遗传型个体。一、接合（细菌杂交）：遗传物质通过供体菌和受体菌二个完整细胞间的直接接触，而进行的DNA转移和重组。即：供体和受体细胞直接接触，而传递遗传物质的现象。（一）、大肠杆菌杂交实验1946年，莱德伯格（）和塔图姆（）发现。遗传物质：一个基因，或质粒，或染色

7、体，或质粒和染色体均可以。结合实验：E.coli k12 二个缺陷型菌株。 亲本（P）：Bio-，Met-，thr+，Leu+（A- B- C+ D+）亲本（P）：Bio+，Met+，thr-，Leu-（A+ B+ C- D-）P，P分别在基本培养基上均不能生长，但将P，P混合后 。在基本培养基上，却可以生长，出现频率为10-610-7。即找到了Bio+，Met+，thr+，Leu+的菌株。U型管实验：排除由转化引起的，是由二个细胞接触引起的。加在U型管中部放一个滤使细胞不能通过，而培养基和DNA片段可以通过，然后在U型管的两端分别接入菌种P和P，在一端压入无菌空气，使培养基流动，培养一段时间

8、以后，取出菌种涂平板，结果二边均不能在基本培养基上生长，没有找到Lio+，Met+，thr+，Leu+。证明：细菌细胞间没有直接接触就不能进行遗传物质交换，细胞间不接触，遗传物质就无法转移。（二）接合菌株与F因子：E.coli：有性别分化，决定性别的因子，F因子。1、F因子：一种质粒，又叫致育因子，性因子。是染色体外的环状DNA分子(为大肠杆菌染色体的2%)，分子量5*107D，6*104bp,可编码4060种蛋白质。P170(T8-1) P170 T8-1 F因子存在和转移方式基因组有3个主要区段，第一段：是控制自主复制区段；第二段：是控制细胞间传递的基因群区段，第二段：是控制重组区段。2、

9、F+菌株：含游离F因子菌株为雄性菌株，还可使细胞产生14条性伞毛。游离F因子，可以独立于细胞核进行复制。3、Hfr菌株：:F因子整合到DNA 的特定位置上的菌株，为高频重组菌株（Hfr），与宿主染色体同步复制。重组频率高。4、F菌株和F因子：F因子从细菌DNA上脱落下来，而带有细菌DNA的F因子。F因子：带有细菌DNA的F因子。F菌株：带有F因子细菌。5、F-菌株：不含F因子的菌株为F-6、附加体：F因子能与DNA 整合又能脱离，形成质粒，这类质粒叫附加体。F+因子的菌株F+不含F因子的为F-。 (三)几种杂交的结果（细菌杂交）：1、F+ × F-F+F+ F+与F-接合时，F+的F

10、因子复制后单链DNA通过性伞毛进入F-，然后再形成双链环状DNA，即F与F-变成F+，另一 个不变。F× F-F+ FF与F-接合时，F菌株即获得F因子，也获得了F因子的若干性状，使F-变成F。F因子复制后进入F-使F- 变成F。2、Hfr × F- Hfr + F- Hfr × F-Hfr +Hfr （P170） Hfr 与F-接合时，Hfr 染色体在F因子处发生断裂，由环状变成线状，以单链进入F-菌株，进入时染色体先转移，F因子最后进入F-，由于整个转移完约100分钟才能完成，但由于环境的种种因素的变化。很容易使Hfr 断裂而中断杂交，使F因子不能进入F- 。

11、F因子保留在Hfr中。未使F- 变成Hfr 。只有在极少数情况下才可使F因子进入F- ，是F-变成Hfr。 3F×F-及Hfr×Hfr杂交仅少数个体(0.1-1)可进行。因为携带F因子菌体表面的抗原性及表面电荷均不同于F菌，其表面成分阻碍了携带F因子的两菌之间形成接合对，故不能杂交。但F+菌在饥饿状态下，会失去表面阻碍性组分而获得F菌的性质，能与雄性菌接合。但在新鲜培养基中，又恢复了F+菌的正常表面性质，这种在遗传特性上的变化称为拟表型变化。接合的普遍性：E.coli k12为最初实验菌株。细菌，放线菌均可以接合，以G-菌中的环门氏菌，志贺氏菌。赛氏杆菌，弧菌，固氮菌，克氏

12、杆菌等较常见。放线菌中链霉菌属和诺氏菌属。二、转化：转化因子DNA的证实，是现代生命科学发展的重要起点。发现：1928年，英国格里非斯（Griffith）。肺炎链球菌对小鼠的感染实验，首次发现。肺炎双（链）球菌转化实验：(S、S、S、R、R、R为血清型)S型：光滑型、有毒。R型：粗糙型，无毒。肺炎双球菌可使人患肺炎，小鼠患败血症，死亡。1、S型鼠体死亡2、R型鼠体生活正常3、S型杀死鼠体正常生活 分离4、S型+R型鼠体死亡S型菌。(一)几个概念1什么是转化受体细胞从外界直接吸收来自供体细胞的DNA片段，并与其染色体同源片段进行遗传物质交换（整合到受体细胞基因组中），从而使受体细胞获得新的遗传特

13、性的现象称为转化。2转化子：经转化后出现了供体性状的受体细胞称转化子3转化因子：有转化活性的外来DNA片段。4感受态：细菌能够从周围环境中吸收DNA分子进行转化的生理状态称感受态(二)转化的条件包括受体菌与外源DNA的条件P171(表83)(三)转化过程 主要通过3个步骤完成。1感受态细胞的建立受体细胞必须处于感受态，最易接受外来的DNA片段。2DNA的结合和摄取(1)供体双链DNA与受体细胞壁上的受体位点相结合。此步最初可逆，随着与细胞膜蛋白的作用，与细胞壁的结合则变得稳定后，而不可逆。（2）过核酸酶降解核酸。已知有二种核酸酶细胞壁上的核酸酶：把结合的DNA随机切割；细胞膜上的核酸酶：后者将

14、双链中的单链降解。过程：一条链被核酸酶降解，另一条链进入受体细胞。也有完整的双链被摄取的。3转化子与染色体重组 过程复杂（1）单链DNA进入受体细胞后，与受体细胞双链DNA同源片段发生交换重组。（2）双链DNA进入受体细胞后，由DNA结合蛋白或胞内小泡包裹，转运到受体染色体区，条链被降解，另一条链则与受体菌DNA整合，形成供体DNA受体DNA复合物，通过DNA复制和细胞分裂而表现出转化性状P172(图83)。（四）感受态的机理机理只有处于感受态的细胞才能吸收外源DNA实现转化。感受态本质的解释：（1）局部原生质体化假说：认为处于感受态的受体菌局部失去了细胞壁，使外源DNA能顺利通过膜进入菌体。

15、（2）酶受体假说：认为是受体细胞表面出现了种能结合DNA并使之进人细胞的酶。（3）转化模型：感受态因子与细胞表面受体相互作用，诱导感受态特异蛋白（如自溶素、部分核酸酶）等表达，与外源DNA结合，降解DNA为单链DNA，单链DNA与感受态特异蛋白结合而进入细胞。转化微生物：除肺炎双球菌，还有：，嗜血杆菌属，奈氏菌属，葡萄球菌属，假单细胞杆菌属。酵母菌粗糙链的链孢霉等真菌也可转化。转化率为：0.1-1%。转染：用病毒的核酸感染受体细胞，能产生大量病毒。与转化不同。自然遗传转化：是某些细菌的一种生理特性，自然发生的。人工转化：是用人工方法诱导而产生的转化。转化作用的条件： 双链DNA转化能力强，纯度

16、越高，转化能力越强。单链DNA转化能力弱，或无转化能力。（因为难于吸附在细胞膜表面） 受体细胞必须处于感受态。感受态细胞：能吸收DNA而被转化的细菌细胞。 受体染色体与转化因子近似程度。转化作用过程机理：受体细胞处于感受态细胞膜有一种感受因子（蛋白质，5000-10000），外来DNA片段，先以双链形式吸附在感受因子上，细胞膜上二种酶将 DNA 切成107D长的片段。另一种酶使DNA解旋，水解一条链，而使另一条链进入受体细胞。进入受体菌的单链DNA，与受体菌染色体组同源配对，受体细胞染色体组，相应片段切除，并将外来的DNA片段连接在相映位置。在子代有一半个体为纯合的转化子。感受态细胞特点： 感

17、受态细胞比非感受态细胞转化率高100倍。 cAMP和Ca2+能促进转化作用。 转化DNA片段为107D。 一个感受态细胞可以接受10个转化因子。三、转导：先利用某一溶源性细菌释放出温和噬菌体为媒介，把供体细胞的DNA 片段带到受体细胞中，从而使受体细胞获得了供体细胞的部分遗传性状，发生遗传变异的过程。转导子：获得供体细胞遗传性状的重组受体细胞。转导噬菌体（转导颗粒）：携带供体菌DNA片段的噬菌体。完全缺陷噬菌体：仅含有供体DNA片段的噬菌体。部分缺陷噬菌体：同时含有供体DNA和噬菌体DNA的噬菌体。转导类型：普遍性转导和局限性转导。（一）普遍性转导：是可以把供体细菌中的任何一个基团（DNA片段

18、）带给受体菌的转导。1、转导的发现：1952年辛德（）和莱德伯格 （）发现的。在研究鼠伤寒沙门氏菌接合时发现的转导。（1）菌种： P22噬菌体色氨酸（Trp）营养缺陷型：LT22（trp-,his+）溶源性细菌，组氨基酸（His）营养缺陷型：LT2A（trp+,his-）敏感菌株。（2）实验：取LT22和LT2A放入U型管两端，U中部放有滤板只允许比细菌小的粒子通过。使细菌不能直接接触。用真空泵抽气使液体流动。（3）结果：在LT22端发现原养型个体。即：Trp+,his+。发现细菌未接触但有遗传物质的转移和重组。P173（T8-4）（4）原理：少数LA22菌株自发裂解释放出噬菌体P22。P22

19、通过滤板感染LA2后，裂解，少数P22带有LA2的DNA 片段含有trp+基团。然后再通过滤器回LA22，重新感染LA22使少数LA22获得了新的性状即trp+，而使LA22变为营养基型（trp+,his+）。2、普遍性转导的机制：-“包裹选择模型” P173(图85)普遍性转导噬菌体：噬菌体在细菌内增殖时，也把寄主DNA降解为许多小的片段，装配时，正常情况下，将本身的DNA包裹在衣壳中，也有10-6-10-8错误地包装了宿主的DNA片段（可包裹寄主细胞DNA的任一片段），形成“噬菌体”，为完全缺陷噬菌体。裂解后，普遍性转导噬菌体也被释放。当转导噬菌体侵染受体菌时，寄主DNA片段带入受体菌发生

20、重组，又称完全普遍性转导。装配时，包裹DNA是随机的（包括质粒DNA）虽然包裹寄主细胞的频率低，但每次释放噬菌体数量多（10100万）转导机会也很高。3、P22噬菌体的转导机制（略）末端冗余：P22 DNA分子末端有少数相同的核苷酸重复序列(2)。DNA分子成环状排列结构，其DNA分子中的核苷酸序列是不变的，但复制的起始位点是可变的。当P22感染敏感菌时，DNA分子借助于其冗余末端而形成环状，此环状分子以滚环复制万式产生一个长的、含多个基因组拷贝的DNA分子，在形成噬菌体外壳的同时，DNA分子也从其特殊位点并始被切割包装。在噬菌体基因调节下，按其特定长度进行切割并包装进入P22噬菌体外壳。形成

21、新的P22噬菌体颗粒。与此同时。P22宿主中的环状DNA也能成为P22包装的基质，噬菌体基因编码的酶同样可识别染色体DNA上类似pac的位点并进行切割和包装。形成新的噬菌体。但宿主上的pac位点很少，如：沙门氏菌染色体上只有约1015个类似于pac的位点，并且其位点上的序列与噬菌体上的pac位点序列不完全相同，因此宿主染色体被包装的概率很少(10-810-6)。4其他转导噬菌体多种噬菌体具有普通性转导特性，例如，大肠杆菌的P1噬菌体、T4噬菌体、大肠杆菌、Mu噬菌体、枯草杆菌PBSl噬菌体等。5流产转导-另一种普通性转导方式转导类型：（1）完全转导 （稳定转导）：供体菌DNA 进入受体细胞后与

22、受体菌发生重组。然后遗传给后代。（2）流产转导：进入受体菌的DNA片段不与受体菌的染色体整合。也不复制，当细胞分裂时细胞有一个细胞获得DNA，形成小的菌落。是单线遗传。发生率是完全传导10倍。在普遍性转导过程中，有时转导DNA不能通过重织整合到宿主DNA上，而是以游离和稳定的状态存在于细胞质中，DNA不能复制，故在细胞分裂时只能传递给一个细胞，随着细菌分裂的增多便渐渐被淘汰。称为流产转导P174(图86)。但DNA携带的遗传特性仍能在数代细胞中表达，放在基本培养基平板上表现为极小的菌落。（二）局限性转导：是指噬菌体只能把少数一定的基因转给受体菌细胞。这种转导，只能转导一种或少数几种基团。如：大

23、肠杆菌噬菌体侵染 E.coli k12. 噬菌体整合在细菌染色体的生物素基因（bio）和半乳糖（gal）基团之间使细菌溶原化并遗传给后代。缺陷噬菌体：丢失自身一部分基因，并被同等长度的宿主基因所取代而形成的噬菌体。转导子：转导后获得了供体部分遗传特性的重组受体细胞，此时的受体菌称为缺陷溶源菌。1局限性转导的机制-“杂种形成模型”噬菌体的线状双链DNA分子的两端为12个核昔酸单链(即粘性末端cos位点)，在溶源状态下，以前噬菌体状态存在于细菌染色体上。细菌裂解时，以粘性末端形成的环状分子，通过滚环复制形成一个含多个基因组的DNA多联体，以2个cos位点之间的距离决定其包装片段的大小而进行切割、包

24、装，最终形成转导噬菌体。在极少数情况下(约10-6)，在前噬菌体两端邻近位点上与细菌染色体发生错误的切割，使噬菌体DNA失去了前噬菌体的部分DNA，增加了相应长度的细菌宿主染色体DNA，这样形成的杂合DNA可正常包装、复制。形成的新转导噬菌体称为部分缺陷噬菌体。前噬菌体位点两端是细菌染色体的gal+和bio+，形成的转导噬菌体通常带有gal+或bio+基因，缺陷噬菌体表示为dg(缺陷性半乳糖转导噬菌体)或db(缺陷性生物素转导噬菌体)。这些转导噬菌体侵入受体菌，通过插入而整合到受体菌的染色体组上，使受体菌获得了供体的这部分遗传特性，而形成转导子(缺陷溶源菌)。即：当细菌细胞裂解时（自发或诱发）

25、，噬菌体与细菌发生基因交换，噬菌体DNA留下一段在染色体上，而带走细菌染色体上的一个或几个基团（bio或gal）基因。带有bio或gal基团的噬菌体若侵入bio-或gal-受体菌时，则使受体菌获得新性状，即可以合成bio或gal.2局限性转导个的低频转导与高频转导低频转导(LFT)：形成转导子的频率很低，只合l0-6(P175图8-7)。高频转导(HFT)：形成转导子的频率很高，理论上可达50。原因：供体菌为双重溶源菌，同时有两种噬菌体整合在染色体上。如，大肠杆菌K12株，其双重活源的为Ecoli K12(/dg)F，即其前噬菌体有和dg。dg为缺陷噬菌体,带有供体gal+基因，但丢失了部分本

26、身的DNA；而噬菌体为正常噬菌体，不带gal+基因，起辅助作用，称为辅助噬菌体，可弥补dg的不足，使dg也能成为“完整噬菌体”而释放。这样，一个细菌可同时等量地释放出dg和两种噬菌体，侵入受体菌后使出现两种不同的结果。即：同时产生转导子菌落和噬菌斑。表示为：P175(三)普遍性转导和局限性转导的比较不同的转导方式具有不同的特性，产生的转导子也不同(表84)。(四)转导的普遍性：细菌转导在自然很普遍。种类：沙门氏菌，埃希氏菌，假单胞菌，变形杆菌，志贺菌等均可转导。意义：低等生物进化过程中，转导现象可能是产生新的基因组合的一种方式。溶原转变（溶原性转、噬菌体转变）：温和性噬菌体感染寄主细胞使之发生

27、溶原化时，原噬菌体基因整合到寄主细胞的基因组中，使寄主细胞死亡获得新形状的现象。即：原噬菌体使寄主细胞溶原化，使细胞遗传性发生改变是现象。与局限转导不同： 噬菌体离开寄主染色体时，不携带寄主细胞任何基因。局限性转导则携带基因。 溶原转变中噬菌体都是正常的温和性噬菌体，而局限性转导中有转导能力的却是缺陷型噬菌体。溶原转变：例如：白喉杆菌，被噬菌体侵染发生溶原化时，成为有毒力菌株，噬菌体离开则毒力丧失。细菌基因转移方式的比较：基因转移的本质：是遗传物质从供体菌向受体菌转移，使受体菌发生变异。 转 化 转 导 接 合 DNA转移方式通过受体菌细胞膜通过噬菌体外壳Pr的包裹细胞结合后通过性伞毛参与的细

28、菌G+和G-G+ G-都为G-移供体菌DNA的量约20个基因约20个基因20个列整个核DNA受体转移+对DNA酸的抗性-+单向转移-+四、染色体外遗传因子的转移与重组 ()细菌质粒 是细菌细胞内染色体外的复制子。随宿主染色体的复制传给子代。使宿主细胞获得新性状。是共价闭环的脱氧核糖核酸分子(cccDNA)。在链霉菌和酵母面中发现了线形双链DNA质粒和RNA质粒。类型：根据其复制特点分为：严紧型：如F因子、Col2、R100等,只有12个(拷贝数)。松弛型：如ColE1、ColE2、ColE3、R6K等，可有10个以上。根据质粒在细胞间转移的差异性，分为：转移性质粒：可在细胞间转移，并能带动染色

29、体发生转移；非转移性质粒：。不能在细胞间转移。常见的质粒类型：1F因子 致育性因子或F质粒。 2R因子 又称抗药性因子或R质粒细菌对抗生素、金属及其他药物(磺胺)产生抗性的因子，属转移性质粒。结构：R因子分为两部分。（1）抗性转移因子(RTF)：包括质粒的复制和转移基因。（2）抗性决定子：有多种抗生素的抗性基因，共本身不能移动，只有在RTF推动下才能转移。用途：R因子对多种抗生素有抗性，可作基因载体，作为菌株筛选酌标记。 3 Col因子 大肠杆菌素质粒编码产生大肠杆菌素的质粒，是除F因子外研究历史最长的质粒。根据是否具有转移能力可分为两类：非接合型：相对分子质量约5×106的多拷贝因

30、子，缺乏自身传递的遗传结构如ColE1、ColE2、ColE3等，广泛应用基因工程；接合型：分子量约5×107-8×l07，只有1-2个拷贝的可转移因子。与F因子相似，有使宿主产生性丝的基因，如Co1B、ColV等。 4降解质粒具有分解多种特殊有机化合物能力的因子。例如，能降解二甲苯、己烷、苯酚、樟脑等。假单胞菌的两种质粒：TOL质粒：含有分解甲苯的基因；CAMOCT质粒：均为转移性质粒。能分解樟脑辛烷，含有alk基因。恶臭假单胞菌的CAMOCT质粒至少有6个基因。 5毒性质粒携带编码产生毒素基因的质粒。如：苏云金杆菌编码内毒素的质粒；产毒素大肠杆菌中编码肠毒素的质物；编码

31、因氮功能的质粒。隐秘型质粒：不授予宿主任何功能。可用作基因工程载体的Ti质料、Ri质粒等。质粒的发现，对分子遗传学、分子生物学、基因工程学的建立发挥了重要作用。质粒作为基因工程的载体已被广泛利用。用人工方法改造天然质粒，构建出多种高效人工载体，pBR313、pBR332等。构建多允降位点或体，如pUC18、pUCl9等。近年还利用强启动子，构建了许多表达载体。(二)可移功遗传因子 细菌转座因子 又称 “跳跃基因”。是生物体细胞中一类能在DNA分子内和DNA分子间移动位置的一段DNA序列。可在DNA分了的许多位点插入及整合。根据分子结构和遗传性质分为：插入序列、转座子和转座噬菌体等。1插入序列（

32、IS） 最早发现的转座因子研究大肠杆菌的半乳糠操纵子时发现的。至今已搞活全序列的IS有l00多种。长度在700-2000bp不等，能在细菌染色体、噬菌体DNA和质粒上的许多位点移近移出。IS只携带与转座有关的基因。可编码特殊酶和调节蛋白，没有表型效应，可干扰基因的正常读码，导致基因失活或突变，频率约为10-7。2转座子转座子与插入序列的主要不同：携带能赋予宿主遗传特性的基因。主要是抗生素的抗性基因。比IS因子大，结构复杂，能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。细菌、植物细胞、动物细胞中都有转座子。种类：如复合型Tn，TnA族Tn，接合型等。3Mu噬菌体是

33、以大肠杆菌为宿主的温和性突变噬菌体。原核生物中第一个被叙述的可移动因子。与其他温和性噬菌体的差别是：Mu的基因组在裂解周期或溶源状态均可整合到宿上染色体上，整合的部位足随机的。它同时具有温和噬菌体和转座因子的双重特性。Mu应用：有两点比IS和Tn更有利。（1）它不是细菌基因组的一个正常组分，故能方便地判断出携带或不携带Mu的两种细菌；（2）Mu可通过诱导产生，使于制备。还有噬菌体D108等。第三节 真菌的基因重组真菌除了同时具有有性生殖和无性生殖外有两种独特的遗传系统，异核现象和准性生殖。一、有性生殖质配-核配-减数分裂，并发育成新的单倍体细胞。亲本的基因重组主要是通过染色体的独立分离和染色体

34、之间的交换。多数真菌的减数分裂发生在1个闭合的子囊壳中。如：粗糙脉孢菌，1个子囊内的2N核，减数分裂产生的4个孢子，直线排列在子囊内，进行一次有丝分裂，8个子囊抱子，相连的2个孢子的遗传型是相同的。子囊孢子的排列有6种情况：(a)AAAAaaaa， (b)aaaaAAAA， (c)AAaaAAaa，(d)aaAAaaAA (e)AAaaaaAA， (f )aaAAAAaa。二、异核现象指在一些真菌的菌丝细胞内，存在一个以上不同遗传型细胞核的现象。子囊菌、担子菌和半知菌中。产生原因：由于突变或不同遗传型菌丝之间的联合导致细胞质或细胞核转移的结果。异核现象可导致体细胞的重组，产生互补的异核体具有高

35、度的生理适应性。三、准性生殖不产生有性孢子的丝状真菌，不经过减数分裂就能导致染色体单元化和基因重组的过程称为准性生殖。1953年发现了准性生殖现象。与有性生殖的不同：（1）重组体细胞和营养体细胞相同，不产生特殊的囊器中；（2）染色体的交换及单倍体化过程没有规律件。准性生殖过程可形成一个完整的循环，最后达到和有性生殖同样的基因重组的结果，该循环称为准性循环。(一)准性生殖过程：分3个阶段1异核体形成概念：一个细胞内若同时具有两种或两种以上基因型的细胞核，则称为异核体，这种现象称为异核现象。过程：二个不同营养缺陷型突变株的混合孢子，大量接种到基本培养基表面，可得到少量原养型菌落，在这些菌落中的某一

36、条菌丝或一个细胞内若同时具有两种或两种以上基因型的细胞核，则称为异核体，这种现象称为异核现象。作用：异核体可应用于霉菌的杂交育种、测定菌株的突变为等位基因或非等值基因突变，也可通过异核体分离后的亲本型性状来研究细胞质对细胞核的影响等。2核融合和杂合二倍体的形成核融合：是指异核体内2个不同基因型的单倍体细胞核在繁殖过程中融合成1个二倍体细胞核的过程，这个机会是极少的。杂合二倍体：是指细胞核中含有2个不同来源染色体组的菌体细胞。3单倍体化杂合二倍体极不稳定，进行有丝分裂时，有极少数细胞单体之间发生互换(称体细胞重组)，在体细胞分裂时，产生1个或1个以上标记的纯合现象，从而形成具有新性状的单倍体杂合

37、产。（二）准性生殖的应用在杂交育种中应用。（三）准性生殖与有性生殖比较P179（B8-5）四、染色体外的遗传现象真菌中核外有DNA，有不符合遗传规律的核外遗传现象。特点：性状不分离，性状来自母本原生质。核外遗传物质：线粒体、质粒、病毒等。第四节 微生物的突变突变：是指染色体数量、结构及遗传组成等遗传物质发生变化的现象。既：核酸（RNA，DNA）中的核苷酸顺序发生了稳定的可遗传的变化。（合子发生改变，而引起遗传性状改变）包括：染色体畸变和基因突变。微生物主要是基因突变。包括：染色体畸变和结构变异 结构变异：倒位，易位，重复，缺失，畸变等。基因突变：点突变和移码突变。一、突变率和基因符号突变率：细

38、胞在一个世代发生突变的概率。基因突变的符号：3个小写英文字母+座位（一个大写字母）如：hisA hisB cysA 等。突变型：3个小写英文字母+上标，如：lac-、arg+ strs strr等。strs strr分别表示对链霉素第三和有抗性。自发突变：突变率低：10-410-10 突变率在10-610-9之间。二、突变的类型： 主要介绍基因突变。按发生的方式：分为自发突变和诱发突变；按突变的表型：形态突变、生理生化突变、抗性突变和致病性突变等；按遗传物质的结构改变：分为染色体畸变和基因突变等。（一）基因突变：只涉及DNA分了小一对或少数几对碱基的突变称基因突变，又称点突变。根据碱基特性的改

39、变，主要类型见P180（表86）。（二）染色体畸变染色体畸变：是指染色体在结构上有较大范围变化的变异。主要类型见P181（表87）。三、突变的发生个突变菌株表现型发生广变化，是DNA分广中碱基序列改变的结果，这种遗传结构的改变，可以自然发生也可以用人工诱导发生。 (一)基因突变的自发性，突变结果与原因不对应性的证明细菌对药物敏感到产个抗性的原因？ 抗性突变实验细菌对药物的突变与接触药物无关。是细菌自发突变的结果。1943年起，通过设计巧妙的实验证明基因突变规律。著名的3个实验是：变量试验、涂朽试验和平板影印培养试验。1、 变量试验：彷徨试验URIA）和德尔波留克（M.Delberuck）设计的

40、。步骤： 先收E,coli溶液用培养液稀释成菌悬液，分别取10ml于只管A、B中。 将A液分装50支小试管，然后将50支小试管B液在同问度下培养。 经2436小时，将50支小试管分别涂50个带有噬菌体的平板，将B也同样涂50个平板。培养，检查菌落数，结果发现：B管：50个平板菌落数相差极小。A管：50个平板菌落数差别较大。原因：抗性突变体是在接触噬菌体之前就已经随机发生了。突变体产生越早，均落就越多。若是在与噬菌体接触时产生的突变则A，B菌落数相近。结果：突变是自发的随机产生的与药物无关。2、涂布试验涂布试验是1949年Newcombe设计的试验。其方法简便、易行。要点是：(1) 选用对T1噬

41、菌体敏感的Ecoli菌株，(2) 以相等数目(5×104个皿)涂布于12个平板上，(3) 在5h培养后(约繁殖了123代)，平板上长出了大量微菌落(每一面落约含5300个细菌)。(4) 取6个平板用涂布器均习涂布遍，6个不涂布，(5) 然后同时喷上等量T1噬菌体。(6) 培养后分别计算各平板上的抗噬菌体菌落数。(7) 发现，涂布过的一组中，共长出抗性菌落353个，要比未经涂布过的(仅28个菌落)高得多。(8) 因为在接触噬菌体之前，抗性突变体已经出现并分裂了数次，重新涂布会把它们分散开各自成菌落。故说明了抗性突变是发生在未接触噬菌体之前。3、影响培养试验：1952年莱德伯格（J.Le

42、deslesg）设计的。步骤： 把对链霉素敏感的E.coli涂在不含链霉素的平板上。 把此平板长出的菌落印到无菌丝上或印章上。那印章上的细菌先印在一个不含链霉素的平板上（A），再按同一方法印到一个含有链霉素的平板上（B）。含有链霉素的平板（B）出现很少的抗链霉素菌落。再从平板（A）相应位置找到平板（B）的兄弟菌落。将兄弟菌落排列不含链霉素的培养基是上再影印，重复几次。结果可见未接触链霉素的菌落与接触链霉素的菌落一样多。结果证明：突变完全是自发地随即地产生的，与环境无关。环境（噬菌体和链霉素）只起到甄别作用（选择作用）。(二)自发突变 生物可以以一定的频率(约10-910-6) 自然发生突变为自

43、发突变。是生物进化的根源。是种普遍现象。 1自发突变的原因 紫外线，辐射，碱基结构改变，代谢产物等。 引起微生物自发突变的因素很多，主要有： (1)DNA复制错误 遗传物质DNA在复制过程中，核苷酸对掺人的错误，子代DNA分子产生变化，引起突变。 (2)微生物自身产生绣变物质 细胞内的天然物质有诱变的物质。例如：微生物细胞内的咖啡碱、硫氰化合物、二硫化二丙烯等，它们既是微生物自身的代谢物，又可以引起微生物的自发诱变。 (3)环境对微生物的诱变作用 自然界中存在着能引起突变的物质，微生物与之接触便会发生自发突变。例如，短波辐射、加热等。2 自发突变的偶然性及热点突变是一个偶然事件、突变概率很低，

44、可发生在任一瞬间、任一碱基，是难以预见的。任何时间、任何基因或任一个基因位置都有可能发生突变。突变并非足完全随机的，位置也并非是完全随机的。突变热点：是指同一基因内部突变率特别高的位点。 3定向育种是指在其一特定条件下，长期培养某一微生物菌群，通过不断转接传代以积累自发突变，并最终获得优良菌株的过程。例如，卡介苗：是定向育种的结果。法国学家经历了13午时间，把牛型结核分支杆菌接在牛胆汁、甘油、马铃薯培养基上连续转接了230代。才在1923年成功地获得了这种减毒的活菌苗卡介苗。(三)诱发突变 人为利用理化因素而引起的突变叫诱发突变。特点：突变频率高。诱变剂：凡能提高基因突变频率的因素，主要包括物

45、理和化学因素。 1物理因素的诱变：高温，超声波，辐射，（紫外线，X、等）(1)紫外线 DNA有强烈的紫外吸收能力。碱基中嘧啶比嘌呤敏感。紫外线的大剂量作用可导致菌体死亡。小量引起突变。生物学效应：是对DNA的作用，包括使DNA链断裂、DNA分子内部和分子间交联，核酸和蛋白质交联、嘧啶碱的水合作用以及胸腺嘧啶二聚体的形成等。主要机制是胸腺嘧啶二聚体的形成，可在同一条链或两条链上发生。当形成的复合物暴露在可见光下，胸腺嘧啶二聚体重新解聚成为单体，此过程称为光复活作用。黑暗中胸腺嘧啶二聚体与光复活酶结合，稳定存在，可见光能使这种结合解离，导致二聚体重新成为单体。在紫外线照射诱变育种时，必须在红光下进

46、行处理或操作，在黑暗条件下培养，以免发生光复活作用。(2)X射线和射线 x射线和射线是不带电的光量子，不直接引起物质电离，在与原于或分子碰撞时，把能量传给原子，产生次级电子，次级电子能量很高，使体内物质产生电离，而改变DNA的结构。直接效应：使碱基间、DNA间、糖与磷酸间相接的化学键断裂；间接效应：电离作用引起水或有机物产生自由基，作用于DNA分子，导致缺失或损伤。 此外快中子、热和激光等也可用作诱变剂。2化学因素的诱变化学诱变剂作用方式： 碱基类似物：如：5-Br-U（5-BU） 改变DNA结构：如：HNO2 插入或整合DNA分子中：如：丫啶磺类。(1)碱基结构类似物 这是类与正常碱基结构(

47、A、T、C、G)相似的物质，如5溴尿嘧啶(5BU)、5-脱氧尿嘧啶(5dU)、8氮鸟膘呤(8NG)和2氨基膘吟(5AP)等，能掺入DNA分子中阻碍DNA的正常复制，发生的错误配对便可引起碱基对的置换，出现突变。现以5溴尿嘧啶为例说明P184(图89)。（2）与核酸上碱基起化学反应的诱变剂 有些化合物能与DNA分子的某些基团起化学反应。如亚硝酸可使碱基脱氨、被羟基取代，使A、G、C：分别转变成H(次黄嘌呤)、X(黄嘌呤)、U(尿嘧啶)、复制时它们便与C、G、A配对；HNO2可使碱基中的氨基氧化为羟基而脱去-NH2，使AH，CU，GX。 配对时H、X与C配对，U与A配对。（X=黄嘌呤）5-Br-U

48、（5-BU）取代T时产生突变：5-BU也有烯醇式与酮式，互换异构。且烯醇式机会更多。5-BU烯醇式时G配对，酮式与A配对。如硫芥、氮芥、乙烯亚胺、亚硝基化合物等，是一类烷化剂，能与核苷酸分子中的磷酸基、嘌呤、嘧啶碱基起烷化作用，造成DNA损伤。羟胺类化合物能引起GC和AT的转换。(3)移码诱变剂 吖啶类化合物(如原黄素、吖啶橙、吖啶黄、氨基吖啶等)是一类染料，能插入到DNA分子的碱基对之间，使DNA结构变形，复制时产生不对称交换，在DNA中插入或缺失一个或几个核苷酸，造成所有密码发生移动，产生移码突变。3定位诱变以删除、插入和置换等方法，人工特异地改变克隆基因或DNA特定的碱基序列，通过重组D

49、NA技术，精确地在基因限定的位点上，引入突变的方法。该技术只有重要的实用价值，研究基因结构和功能，获得更多有益蛋白质提供广闹的前景。如用寡核苷酸指导的定位诱变(图810)，常用的载体是噬菌体M13DNA，过程：（1）将外源基因克隆到单链载体中，（2）通过含突变碱基的寡核苷酸为引物，获得含突变基因的突变体，（3）通过基因工程的方法进行克隆并选样出突变体。还有盒式诱变、PCR诱变等方法。 四、突变体的类型和检出不同类型突变体的枪出方法不同。(一)抗性突变株 抗药性，抗噬菌体，抗辐射等。抗性突变体是微生物遗传学中常用的一类生化突变型。常见的有抗代谢物(如抗生素)、抗代谢类似物、抗噬菌体、抗重金属离工

50、或特定的有毒物质等。抗性突变受核基因或质粒基因的控制。常用的选择方法是梯度分离法。是通过使药物浓度呈梯度分布，而达到从敏感南中选育出抗性菌株的方法。首先制备由浓到稀的药物梯度平皿，然后涂布大量敏感菌，培养后抗性菌落将在培养皿中部稀疏生长，可用接种针将其向高浓度一侧划线便可选出抗性突变株。亦可用滤纸片法等检出。(二)发酵突变株如：发酵乳糖的E,coli中分离出不能利用乳糖的E,coli，Lac-。（三）温度致死突变体：4042时不繁殖或死亡，30可生长繁殖。（四）形态突变体：微生物的细胞形态或菌藻形态发生突变。如：某菌种，能产生芽孢，鞭毛，荚膜，突变的可失去某种特征。（五）生理上的突变营养缺陷型

51、：微生物在生长中由于突变不能合成某种必需的生长物质，只有外源假如缺乏的物质才能生长。如：氨基酸缺陷型：Lys-，Arg-等，His-维生素缺陷型，碱基缺陷型，糖缺陷型等。抗性突变体：抗药性突变，抗噬菌体突变等。致死突变体：由于基因突变造成个体突死亡。无法保留，意义不大。条件致死突变体：在一定条件下有致死效应，而在另一 条件下无致死效应的突变体。（ts）如：温度致死突变体：4042时不繁殖或死亡，30可生长繁殖。1、 色素突变体：由于突变，使色素改变或不产生色素。2、 无荚膜突变体：突变失去荚膜特征。3、 营养突变体：突变而引起代谢中某种酶的合成能力丧失。营养缺陷型。如：His- ,Lys- ，

52、Arg-等。点突变：是DNA分子中的碱基对量换引起的。 种类：转换：DNA分子中的一个嘌呤被另一个嘌呤取代，或一个嘧啶被另一个 嘧啶取代。 颠换：即嘌呤被嘧啶取代，或嘧啶被飘零取代。 量换原因林肯眼是互换变异构或化学诱变剂等。互变异构：DNA分子中有四种碱基A、T、G、C。酮式与烯醇式互变的有：T、D、C。氨基式与亚氨基式互变的有：C、A、G。 A C G T U正常配对：A=G，G=C。互换体配对：TG，C=A。DNA复制时，T-A，G=C。变成：T-G，C-A。改变了DNA分子结构。第二代：有一条子脸的碱基由A-T变为G-C或由G-C变为T-A。诱变剂：物理诱变剂：高温，超声波，辐射，（紫

53、外线，X、等） 化学诱变剂：使DNA分子中的一 个碱基发生变化。化学诱变剂作用方式： 碱基类似物：如：5-Br-U（5-BU） 改变DNA结构：如：HNO2 插入或整合DNA分子中：如：丫啶磺类。点突变最终导致遗传密码的改变，而使蛋白质复制出现错误。（一个氨基酸或几个氨基酸）。移码突变：DNA分子中的一对或少数几对核苷酸的增加或却失而造成的基因突变叫移码突变。方式：插如一个碱基过几个碱基，使DNA 上的遗传密码改变。 缺失一个或几个碱基使遗传密码改变。在蛋白质分子水平上表现非常明显。（突变点以后的所以氨基酸都改变）如：遗传三联体密码。ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC AB

54、C ABC ABC BCA BCA ABC AB+ CAB CAB（三）染色体畸变： 包括：缺失、重复、易位、倒位。 原核微生物只有一条DNA（染色体）无染色体状态。畸变在显微镜下不易看到。真核微生物细胞里存在，易观察。原核微生物中机理不清，紫外线等诱变剂可以引起染色体畸变。遗传学中有详细介绍。第五节 微生物遗传变异的应用微生物通过接合、转化、转导等方式进行基因重组，也可以通过自发突变和人工突变等方式改变遗传性状。一、诱变育种通过人工方法使微生物发生突变。再经过筛选和选育，可以简便、快速地筛选出不同类型的突变株，供生产和研究之用。人工诱变比自发突变突的变率高。突变是不定向的，选择是定向的。 ()基本原则 1出发菌株的挑选 用来诱发突变的菌株称为出发菌株。 自然界中分离出来的野生菌株。 生产中应用的自发突变菌株。 已经诱发过的菌株。2敏感期和合适对象的选择敏感期：如菌体的对数期，孢子