微生物的遗传与变异

1、10 微生物的遗传(ychun)与变异 遗传和变异是生物体最本质的属性之一。在遗传性适宜的环境条件下时，通过代谢和发育才能使其后代转化为与亲代相同或相似的具体性状。对微生物遗传变异规律的深入研究，不仅促进了现代生物学的发展，而且还为微生物育种工作提供了丰富(fngf)的理论基础。 共八十六页10.1 遗传(ychun)与变异的物质基础遗传和变异是一切(yqi)生物的共同生命特征。“种瓜得瓜，种豆得豆”。遗传：是指亲代生物将自身的一整套遗传基因传递给子代，从而使亲代生物的特征在子代中得以延续。变异：亲代和子代之间，子代和子代之间却只有可能相似而不会完全相同。共八十六页遗传型（genotype）：

2、指某一生物个体所含有的全部遗传因子。其实质是遗传物质即基因组所携带(xidi)的遗传信息的总和，又称基因型。表型（phenotype）：指某一生物个体所具有的一切外表特征和内在特性(txng)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的具体表现。共八十六页基因型变异：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的基因结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。如基因突变或基因转移与重组等。基因型变异发生后是不可逆的，变化后的新性状是稳定(wndng)的、可遗传的。表型改变：又称饰变，指生物体受环境因素的影响产生(chnshng)的性状改变的现象，只是外表的修饰性改变，即一种不涉及基因结构改变而只

3、发生在转录、转译水平上的表型变化。饰变是不遗传的。共八十六页 例如(lr)，粘质沙雷氏菌，在25下培养时，会产生一种深红色的灵杆菌素，把菌落染成鲜红色。可是，当培养在37下时，群体中所有细胞都不产色素。如果重新降温至25，产色素能力又得到恢复。只有遗传型的改变，即生物体基因结构上发生的变化，才称为变异。 共八十六页10.1.1核酸遗传变异的物质基础（3个经典(jngdin)实验）共八十六页1、经典(jngdin)转化实验Griffith F是第一个发现转化现象(xinxing)的 ，虽然当时还不知道称之为转化因子的本质是什么，但是他的工作为后来Avery等人进一步揭示转化因子的实质，确立DNA

4、为遗传物质奠定了重要基础。共八十六页共八十六页结论(jiln)活的、非致病性的R型从已被杀死的S型中获得了遗传物质，使其产生膜成为致病性的S型。Griffith将这种现象(xinxing)称为转化(transformation)。共八十六页2、T2噬菌体感染(gnrn)实验1952年，Hershey和Chase证实了DNA是T2噬菌体的遗传物质基础(jch)的著名实验。共八十六页T2噬菌体的实验(shyn)共八十六页3、植物病毒(bngd)的拆分与重建实验 1956年Fraenkel-Conrat等用含RNA的烟草花叶病毒进行了病毒重建实验(shyn)，证实了RNA是RNA病毒的遗传物质。共八

5、十六页共八十六页(1)用表面活性剂处理标准TMV，得到它的蛋白质；(2)从TMV的变种HRV通过弱碱处理得到它的RNA；(3)通过重建获得杂种病毒(bngd)；(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，说明杂种病毒的感染特性是由HRV的RNA所决定，而不是二者的融合特征(6)从病斑中一再分离得到的子病毒的蛋白质外壳是HR蛋白质，而不是标准株的蛋白质外壳。以上实验结果说明杂种病毒的感染特征和蛋白质的特性 是由它的RNA所决定，而不是由蛋白质所决定，遗传物质是RNA。 共八十六页10.1.2 核酸的结构(jigu)与复制1、DNA的结构(jigu

6、)（A、T、C、G）共八十六页共八十六页2、RNA的结构(jigu)（A、U、C、G）3、核酸的复制(fzh)半保留复制共八十六页1、认识遗传物质的7个层面（1）、细胞(xbo)层面1）原核生物的大部分DNA集中在细胞的核区中，而真核生物的DNA集中在细胞核内。2）不同微生物，细胞核或核区的数目不同。3）细菌中，球菌一般仅一个核区；杆菌大多存在两个或两个以上的核区。10.1.3 遗传物质在微生物细胞内存在(cnzi)的部位和方式共八十六页（2）、细胞核层面1）真核生物核内的DNA与组蛋白结合在一起形成一种分裂期在光学显微镜下可见的染色体。2）原核(yun h)生物核区中的DNA呈环状双链结构，

7、结合有类组蛋白和少量RNA。3)其内的所有遗传信息被总称为核基因组、核染色体组，或简称基因组。4)核外遗传物质。共八十六页3、染色体层面1）不同生物(shngw)的染色体数目相差很大。2）单倍体，双倍体，三倍体，多倍体。3）部分双倍体。共八十六页4、核酸(h sun)层面DNA或RNA;DNA单链或双链;RNA单链或双链;bp（碱基对）;kp（千碱基对）;mp（兆碱基对）。共八十六页5、基因层面基因：生物体内一切具有自主复制能力(nngl)的最小遗传功能单位，其物质基础是具有特定核苷酸序列的核酸片段。每个基因约为1000bp1500bp。共八十六页6、密码子层面1）遗传密码(m m)是指DNA

8、链上的特定核苷酸顺序。2）遗传密码的信息单位为密码子，每一密码子由1个三联体即3个核苷酸序列所组成。共八十六页7、核苷酸层面核苷酸单位（主要是碱基单位）是一个最低突变单位或交换单位。含有(hn yu)稀有碱基。共八十六页2、原核(yun h)生物的质粒（1）定义质粒是游离于原核生物核基因组以外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的超螺旋双链DNA分子。大质粒可含几百个基因。小质粒仅含20个到30个基因。共八十六页（2）特征1）自我复制能力(nngl)。2）质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征，如致育性、耐药性、致病性和某些生化特性等。3）可自行丢失与消除。4）有转移性。5）可分为相容

9、性与不相容性两种。共八十六页（3）种类（4）典型质粒简介1）F质粒：又称F因子、致育因子或性因子，是大肠杆菌等细菌决定(judng)性别并具有转移能力的质粒，大小约100bp。2）R质粒：又称R因子，也称接合性耐药质粒，因该质粒能使细菌对抗菌药物或重金属盐类呈现抗性且它能通过接合方式在细菌间传递而得名。共八十六页3）Col质粒：又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子。大肠杆菌素是一种细菌素，它是由大肠杆菌Col质粒编码的蛋白质，能抑制或杀死其他近缘(jn yun)且不含Col质粒的菌株以保护产该细菌素的细菌本身。共八十六页4）Ti质粒：即诱癌质粒或冠瘿质粒。根癌土壤杆菌从一些双子叶植物的受伤根部

10、侵入根部细胞后，释放(shfng)出Ti质粒，其上的T-DNA片段会与植物细胞的核基因组整合，合成正常植物所没有的冠瘿碱类，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使细胞转变为癌细胞。共八十六页5）mega质粒：即巨大质粒，存在于根瘤菌属中，其上有一系列与共生固氮相关的基因。6）降解性质粒：在假单胞菌属中被发现。它可以编码(bin m)对一系列复杂的有机物有降解作用的酶类，从而使具有该质粒的细菌在污水处理、环境保护等方面发挥着重要作用。共八十六页 遗传性变异是由基因结构发生改变所致，主要通过基因突变、基因损伤后的修复、基因的转移(zhuny)与重组来实现。10.2 基因突变(j yn t bin)

11、及其应用共八十六页10.2.1基因突变1、定义(dngy) 基因突变简称突变，指生物体内遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致生物体性状的遗传性变异。共八十六页 点突变 DNA链上的一对 基因突变 或少数几对碱基发生改变。 (碱 基置换 、移码突变 ) 染色体畸变 DNA的大段变化(损伤)现象 (添加、缺失、易位、倒位 ) 基因重组：把两个不同性状个体内的遗传基因转移 到一起，经过遗传分子(fnz)的重新组合后， 形成新遗传型个体的方式，称为基因重 组(原核生物、真核生物)遗传性变异(biny)共八十六页2、突变(tbin)类型共八十六页根据突变后遗传信息改变(gibin)的情况，可将突变分

12、为：同义突变：碱基对的改变并未影响多肽链上相应氨基酸的改变。错义突变：碱基对的突变导致多肽链上相应氨基酸发生改变。无义突变：某碱基突变造成UAG，UAA和UGA等终止码的出现，导致多肽链合成终止，原功能丧失。共八十六页 3、表型变化及其分离 1、营养缺陷型是一种缺乏(quf)合成其生存所必需的营养物，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物才能生长的突变型。2、抗药性突变型指由于基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性的一种突变。 共八十六页3、条件致死突变型指在某种条件下可正常地生长繁殖并呈现固有的表型，而在另外条件下却有致死效应的突变型。4、形态突变型是指造成(zo

13、chn)形态改变的突变型，包括影响细胞和菌落的形态、颜色以及影响噬菌体噬菌斑形态的突变型。共八十六页5、其他突变型 如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种类和产量(chnling)以及对某种药物的依赖性突变型等。共八十六页4、突变方式（1）自发突变是指生物体在无人工干预下自然(zrn)发生的低频率突变。产生的因素一般有：1）背景辐射和环境因素；2）DNA复制过程中碱基配对错误所引起；3）微生物代谢产物引起。共八十六页（2）诱导突变简称诱变，指通过人工方法，利用物理、化学或生物因素(yn s)显著提高基因突变频率的手段。凡能产生诱变效应的因素(yn s)均被称为诱变剂。共八十六页 1）物理诱变(yu

14、bin)：紫外线、X射线等紫外线诱变机制辐射剂量光复活作用共八十六页2）化学诱变： 诱变剂： 亚硝酸、硫酸二乙酯、亚硝基胍等注意事项： 选择适宜(shy)的诱变剂及剂量，适当的温度 和PH，终止反应，安全共八十六页5、基因突变(j yn t bin)的特点(7个特点) 1 ）非对应性2 ）自发性3 ）稀有性4 ）独立性5 ）诱变(yu bin)性6 ）稳定性7 ）可逆性共八十六页1）非对应性 即突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。 例如，细菌在有青霉素的环境下，出现了抗青霉素的突变体；在紫外线的作用下，出现了抗紫外线的突变体；在较高的培养温度下，出现了耐高温的突变体等。表面上看来，会

15、认为正是由于青霉素、紫外线或高温的“诱变”，才产生(chnshng)了相对应的突变性状。事实恰恰相反，这类性状都可通过自发的或其任何诱变因子诱发而行。这里的青霉素、紫外线或高温仅是起着淘汰原有非突变型(敏感型)个体的作用。共八十六页2）自发性 各种性状的突变，可以在没有人为的诱变因素(yn s)处理下自发地发生。 自发突变决不意味着这种突变是没有原因的，而只是说明人们对它们还没有很好认识而已。 共八十六页3）稀有性 自发突变虽可随时发生，但突变的频率是较低和稳定的，一般在10-610-9间。所谓突变率，一般指每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的机率。例如，突变率为110-8者，就意味着当10

16、 8个细胞群体(qnt)分裂成210 8个细胞时，平均会形成一个突变体。共八十六页4）独立性 突变的发生一般是独立(dl)的，即在某一群体中，既可发生抗青霉素的突变型，也可发生抗链霉素或任何其他药物的抗药性，而且还可发生其他不属抗药性的任何突变。某一基因的突变，既不提高也不降低其他基因的突变率。 共八十六页5）诱变(yu bin)性 通过诱变剂的作用，可提高自发突变的频率，一般(ybn)可提高10-10 5倍。不论是自发突变或诱发突变(诱变)得到的突变型，它们之间并无本质上的差别，因为诱变剂仅起着提高突变率的作用。共八十六页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(

17、chnshng)的新性状也是稳定的、可遗传的。共八十六页7)可逆性 某种菌株在自然环境下具有的表型称为野生型，发生突变的菌株称突变株。由原始的野生型基因变异(biny)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。实验证明，任何性状既有正向突变，也可发生回复突变。共八十六页6、DNA的损伤及其修复当DNA受到损伤时，细胞(xbo)会用有效的DNA修复系统进行细致的修复，使损伤降为最小。（1）光修复（2）暗修复共八十六页1、 突变育种（1）自发突变育种1）从生产实践中选育 选育步骤 (1)采样(ci yn) (2)加富培养 (3)平板分离 (4)性能测定10.2.2 突变(t

18、bin)的应用 共八十六页定向培育一般是指用某一特定环境长期(chngq)处理某一微生物培养物(群体)，同时不断对它们进行移种传代，以达到积累和选择合适的自发突变体的一种古老的育种方法。由于自发突变的频率较低，变异程度较轻微，所以培育新种的过程一般十分缓慢。与诱变育种、杂交育种和基因工程技术相比，定向培育法带有守株待兔的被动状态。 2）定向培育(dngxingpiy)优良菌种共八十六页(2) 诱变(yu bin)育种 诱变育种就是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，促进其突变频率大幅度提高，然后设法采用(ciyng)简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的突变株，以供生

19、产实践或科学实验之用。 诱变育种除提高产量外，还可改进产品质量、扩大品种和简化工艺等目的。它具有方法简便、工作速度快和收效显著等优点，仍是目前最广泛使用的育种手段。共八十六页1）诱变育种(y zhng)的基本环节共八十六页1、初筛：以量为主2、复筛：以质为主2）诱变(yu bin)育种的步骤共八十六页3）营养(yngyng)缺陷型的筛选 营养缺陷型(auxotroph)是指通过诱变而产生的，在一些营养物质(如氨基酸、维生至少和碱基等)的合成能力上出现缺陷，因此必须在基本培养基(minimal medium)中加入(jir)相应的有机营养成分才能正常生长的变异菌株。野生型是指从自然界分离到的任何

20、微生物在其发生人为营养缺陷突变前的原始菌株。在其相应的基本培养基上生长。 共八十六页筛选(shixun)营养缺陷型菌株4个环节： (1)诱变剂处理(chl) (2)淘汰野生型 (3)检出缺陷型 (4)鉴定缺陷型 共八十六页4）诱变(yu bin)育种工作中的几个原则 a.选择简便有效的诱变剂 目前在实践上常用的诱变剂主要有紫外线(u.v.)、氮芥、硫酸二乙酯、N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍(NTG或MNNG)和亚硝基甲脲(NMU)等。后两种因为(yn wi)有突出的诱变效果，所以被誉为“超诱变剂”。 b.挑选优良的出发菌株 共八十六页c.选用最适剂量要确定一个合适的剂量，常常要经过多次试验。

21、就一般微生物而言，诱变率往往随剂量的增高而提高，但达到一定剂量后，再提高剂量反而会使诱率下降。根据对紫外线、X射线和乙烯亚胺等诱变效应的研究结果，发现(fxin)正变转多地出现在偏低的剂量中，而负变较多地出现于偏高的剂量中；还发现(fxin)经多次诱变而提高产量的菌株中，更容易出现负变。因此，在诱变育种工作中，目前比较倾向于采用较低的剂量。 共八十六页d.利用复合处理的协同效应 诱变剂的复合处理常常呈现一定的协同效应，这对育种实践是很有参考价值的。 e.利用和创造形态、生理与产量间的相关指标 为了确切地了解某一突变株产量性状的提高程度，必须(bx)进行大量的分析测定和统计工作。共八十六页f.设

22、计和采用高效筛选方案和方法 通过诱变处理，在微生物群体中会出现种种突变型个体，绝大多数是负变体，要在其中把极个别的产量提高较显著的正变体筛选到手，就要求采用效率较高的科学筛选方案和方法。筛选过程以分初筛与复筛两阶段(jidun)进行为好。前者以量(选留菌株的数量)为主，后者以质(测定数据的精确度)为主。 共八十六页2、突变在疾病诊断及预防中的作用细菌的变异可发生在形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面。3、突变在检测致癌物质中的作用现已发现一些化学诱变剂能引发癌症，利用细菌突变来检测环境中的致癌物质是一种(y zhn)简便、快捷而灵敏的方法。共八十六页10.3 基因(jyn)重组 凡

23、把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起(yq)，经过遗传分子的重新组合后，形成新遗传型个体的方式，称为基因重组。重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新遗传型的个体。 重组是分子水平上的一个概念，可以理解成是遗传物质分子水平上的杂交。共八十六页真核微生物中的有性杂交、准性杂交及原核生物中的转化(zhunhu)、转导、接合和原生质体融合等都是基因重组在细胞水平上的反映。基因重组是杂交育种的理论基础。由于杂交育种是选用已知性状的供体和受体菌种作为亲本，因此不论在方向性还是自觉性方面，都比诱变育种前进了一大步。共八十六页(一)接合(jih) 细菌通过性菌毛互相连接沟通，将遗传物质（主要是质粒

24、DNA）从供体菌转移给受体菌的基因(jyn)重组方式。一、原核微生物的基因重组共八十六页能通过结合方式(fngsh)转移的质粒称为接合性质粒，不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为非接合性质粒。共八十六页共八十六页共八十六页共八十六页共八十六页共八十六页共八十六页 供体菌的游离DNA片段被受体菌直接摄取，通过交换，把它组合到自己的基因组中，从而使受体菌获得(hud)新的性状的现象，称为转化或转化作用。通过转化而形成的杂种后代，称转化子。(二)转化(zhunhu)共八十六页感受态是指受体细胞最易接受外源DNA并能实现转化的一种生理状态。转化因子本质上是供体菌裂解产生(chnshng)的游离DNA片段。共八十六页共八十六页共八十六页(三) 转导(zhun do) 转导以温和(wnh)噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，从而使受体菌获得新性状，即由病毒介导的细胞之间进行遗传转移的一种方式。 根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类：普遍性转导（转导的DNA可是供菌染色体上的任何部