《微生物学教程》(第二版)课件

第7章微生物的遗传第1节微生物遗传研究的起源第2节微生物的遗传因子第3节原核生物的基因重组第4节真核微生物的基因重组第5节菌种的保藏1a第7章微生物的遗传第1节微生物遗传研究的第1节微生物遗传研究的起源微生物遗传的研究起源于对“细菌变异”现象的早期研究。一、证实微生物具有种的稳定性1870年——巴斯德，科恩。球菌球菌，杆菌杆菌。1882年——科赫。固体培养基，分离纯化技术。2a第1节微生物遗传研究的起源2a二、发现细菌变异现象19世纪最后20年，越来越多的证据表明细菌物种不稳定。1907年——马西尼（R.Massini）首次对细菌变异进行专门研究，发表了《可突变的大肠杆菌》的论文。在这篇论文中，他第一次使用了定量研究的方法。3a二、发现细菌变异现象3a三、探索细菌变异的本质1928年——格里非斯（FriderickGriffith）发表了一篇论文，描述了肺炎球菌培养物中的转化现象。格里非斯的这篇文章非常重要，对于理解转化作用和最终阐明DNA是遗传物质打下了基础。4a三、探索细菌变异的本质4a5a5a6a6a1933年——奥洛韦（J.L.Alloway）证明转化因子是一种可溶性的物质，至少是亚细胞的物质。有毒菌株有毒菌株无细胞提取物无毒菌株老鼠死亡有毒菌株加热杀菌+注射7a1933年——奥洛韦（J.L.Alloway）证1944年——埃弗里（O.T.Avery）和他的同事们通过一系列精密的实验，证明转化中起作用的分子是DNA。8a1944年——埃弗里（O.T.Avery）和他的同事9a9a四、发现并阐明细菌的接合作用1945年——塔特姆（E.L.Tatum）和莱德伯格（Lederberg）证实了大肠杆菌K12菌株的两个营养缺陷型菌株之间的遗传重组。10a四、发现并阐明细菌的接合作用10a11a11a戴维斯（B.D.Davis）进一步证明细胞与细胞的接触对这种遗传重组发生是必不可少的。12a戴维斯（B.D.Davis）进一步证明细胞与细胞的接触对这种1952年——海斯（WilliamHayes）在《自然》上发表论文宣布接合和重组是供体细胞遗传物质发生单向转移的结果。1952年——莱德伯格和卡瓦利（L.L.Cavalli）证实了这一点，创造了F+和F-等术语。同年，他们发现了高频重组菌株（Hfr）。

影印平板法也是由莱德伯格发明的。13a1952年——海斯（WilliamHayes）在《14a14a影印平板法replicaplating15a影印平板法replicaplating151953年4月——沃森-克里克在《自然》的一篇短文中公布了DNA的结构模型。16a1953年4月——沃森-克里克在《自然》的一篇短文中1955-1958年——雅各布（F.Jacob）和沃尔曼（F.L.Wollman）以一系列独创性的研究工作阐明了大肠杆菌K12的基因转移机制。在这些工作中，最著名和关键性的是“中断杂交实验”17a1955-1958年——雅各布（F.Jacob）18a18a19a19a20a20a五、阐明细菌抗药性产生的原因1961年——渡边、戴塔（N.Datta）、梅内耳（F.Meynell）和安德森（E.S.Anderson）的工作揭示了抗药性是以一种或多种“接合促进因子”为媒介来传播的。每类接合促进因子与它所在的细胞表面上的某种特异的纤毛结合在一起，并证明这种结构确能造成供体和受体细胞之间的特异粘附，并有可能形成让遗传物质从中通过的接合管。21a五、阐明细菌抗药性产生的原因21a电镜观察到的接合现象22a电镜观察到的接合现象22a抗药性质粒在细菌之间的转移23a抗药性质粒在细菌之间的转移23a第2节微生物的遗传因子遗传因子（Geneticelements）：承载遗传物质的结构。遗传因子必须具备2点：能自我复制，能编码。

基因组：一个细胞或病毒所含的完整基因。基因：编码一种蛋白，一种tRNA或一种rRNA的DNA片段。24a第2节微生物的遗传因子24a一、原核微生物的遗传因子原核微生物的遗传因子有3类：染色体，质粒，噬菌体。（一）细菌的染色体

1、形状、大小1条环状dsDNA。

负超螺旋。约50个超螺旋区域。正超螺旋（少数，都生活在极高温度下）。

25a一、原核微生物的遗传因子25a超螺旋的形成26a超螺旋的形成26a伯氏疏螺旋体的DNA是线性的，其末端为发卡结构。

Streptomyceslividans的DNA是线性的，其末端与蛋白质共价结合。最小的细菌染色体：580kbp（一种枝原体）最大的细菌染色体：9500kbp（一种粘细菌）27a伯氏疏螺旋体的DNA是线性的，其末端为发卡结2、结构（1）一般没有间隔基因（内含子）原核细胞28a2、结构原核细胞28a真核细胞29a真核细胞29a（2）一般没有重复序列细菌的基因一般都是单拷贝的。（3）相关的细菌，染色体上基因的排列顺序也相似，否则不相似。（4）许多细菌在DNA复制起始附近的结构相似，同样，在复制终止附近的结构也相似。30a（2）一般没有重复序列30a（二）细菌的质粒质粒（plasmid）存在于绝大多数原核生物，但只在少数真核生物中发现。质粒是能独立于宿主细胞染色体进行自我复制的遗传因子，以核酸的形式存在于细胞内，无细胞外存在形式。31a（二）细菌的质粒31a1、质粒的物理性状环状dsDNA，一般为超螺旋状。

大小1—1000kbp。2、质粒的复制

DNA合成靠细胞中的酶。复制起始子细胞中质粒的拷贝数

质粒控制质粒在细胞中的拷贝数1—3/细胞＞100/细胞32a1、质粒的物理性状质粒控制质粒在细胞中的拷贝数1—3/绝大多数G+菌的环状质粒的复制是滚环式复制。33a绝大多数G+菌的环状质粒的复制是滚环式复制。33a绝大多数G菌环状质粒的复制是θ式复制34a绝大多数G菌环状质粒的复制是θ式复制34a绝大多数线性质粒的复制是将一种蛋白质结合于每条链的5’端作为引物。35a绝大多数线性质35a3、各种质粒之间的相容性相容性质粒（compatibleplasmids）：不同的质粒共存于同一个细胞，这些质粒互为相容性质粒，否则称为不相容性质粒（incompatibleplasmids）。相容与否由质粒基因控制。4、质粒在细胞中的存在、转移和消除（1）存在游离于细胞质中。整合到细胞染色体上。附加体（episome）36a3、各种质粒之间的相容性36a（2）转移有些质粒可在细胞之间通过接合作用转移，这类质粒叫可接合质粒。质粒的接合转移由质粒编码的基因控制。（3）消除质粒可自发从细胞中消除。可通过多种物理化学方法将质粒从细胞中消除。37a（2）转移37aF质粒的基因图谱见教材199页38aF质粒的基因图谱见教材199页38a5、质粒赋予细菌的性状

质粒可携带多种基因，但这些基因必须不影响质粒自身的复制和宿主细胞的生存。隐质粒（crypticplasmids）：除自身复制的基因，不含其他基因。39a5、质粒赋予细菌的性状39a质粒赋予细菌的一些性状：根瘤菌——固氮，结瘤假单胞菌——降解一些难以降解的化合物致病性大肠杆菌——吸附抗原，溶血素，肠毒素大肠杆菌——大肠杆菌素金黄色葡萄球菌——凝固酶，溶血素，溶纤维蛋白酶，肠毒素，黄色色素等乳酸细菌——细菌素NisinA抗药性40a质粒赋予细菌的一些性状：40a（三）细菌的噬菌体从自然界分离到的细菌中，绝大多数是溶原菌。许多证据证明，细菌的一些基因群来自染色体外的遗传因子，如质粒和噬菌体。41a（三）细菌的噬菌体41a二、真核微生物的遗传因子真核微生物的遗传因子有：染色体，线粒体DNA，叶绿体DNA，质粒，病毒。真核微生物可以单倍体或/和二倍体形式存在，但在绝大多数真核微生物中，二倍体阶段是很短暂的。酿酒酵母是最常用于真核遗传研究的真核微生物之一，也是第一个测定基因组全序列的真核生物。42a二、真核微生物的遗传因子42a（一）酿酒酵母的染色体单倍体：16条大小：245——2200kbp

单倍体碱基数：12×106bp（二）酿酒酵母的2μ质粒绝大多数酵母菌株含有2μ质粒。酿酒酵母中2μ质粒的拷贝数约30-50/细胞。2μ质粒：环状dsDNA，6318bp。编码4种蛋白质。不赋予细胞任何性状。

43a（一）酿酒酵母的染色体43a三、病毒的遗传因子

DNA，RNA

有重叠基因

噬菌体ΦX174的基因图谱44a三、病毒的遗传因子噬菌体ΦX174的基因图谱44a第3节原核微生物的基因重组在原核中，基因重组以下列3中方式中的一种实现：转化，转导，接合。45a第3节原核微生物的基因重组在原核中，46a46a一、转化（transformation）1、定义：

受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得后者部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。2、可转化微生物的种类许多微生物是自然可转化的，包括G+和G-的一些种类，以及一些古细菌。

47a一、转化（transformation）47a3、感受态（competence）

能吸收DNA并被转化的细胞叫感受态细胞。感受态似乎是一种遗传特性：DNA结合蛋白，细胞壁自溶，各种核酸酶。4、DNA的吸收细菌转化所需的最小DNA量为1×10-5μg/mL。dsDNA结合到细胞表面整条双链DNA被吸收一条链被降解，另一条被吸收48a3、感受态（competence）dsDNA结合到细胞表面动物细胞：吞噬的方式将DNA吞入。真菌：消化细胞壁，然后让DNA被吸收。电穿孔法基因枪法49a49a50a50a51a51a52a52a53a53a54a54a二、转导（transduction）

由病毒介导，DNA由一个细胞转移到另一个细胞，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。转导子（transductant）：由转导作用而获得部分新性状的重组细胞。55a二、转导（transduction）55a56a56a流产转导普通转导generalizedtransduction57a流产转导普通转导generalizedtransducti特殊转导（specializedtransduction）局限转导58a特殊转导（specializedtransduction）59a59a60a60a三、接合（conjugation）（教材229-232页）

接合是细胞-细胞间转移质粒的一种机制。F质粒的基因图谱61a三、接合（conjugation）（教材229-232页）F162a162a63a63a64a64a65a65a266a266a67a67a68a68a69a69a70a70a71a71a372a372a73a73a74a74a75a75a76a76a第4节真核微生物的基因重组真核微生物的基因重组方式主要有：有性杂交，准性杂交，原生质体融合和遗传转化。77a第4节真核微生物的基因重组真核微生物一、真核微生物的有性生殖和有性杂交酿酒酵母有性生殖的分子机制：酵母有两种配子，分别为a和α。a配子的MAT位点是a基因：产生a因子；细胞表面只有α因子的受体。α配子的MAT位点是α基因：产生α因子；细胞表面只有a因子的受体。在每种配子细胞中，基因组的其他位置上有a和α基因的拷贝，他们是转型的贮备基因。这种机制叫“暗盒”机制（cassettemechanism）78a一、真核微生物的有性生殖和有性杂交78a79a79a有性杂交（sexualhybridization）：

一般指不同遗传型的两性细胞间发生的接合和随之进行的染色体重组，进而产生新遗传型后代的一种育种技术。酿酒酵母生活史80a有性杂交（sexualhybridization）：酿酒酵准性杂交（parasexualhybridization）：

是利用准性生殖对一些没有有性生殖的半知菌类进行杂交育种的一种技术。

准性生殖是一种类似于有性生殖生殖方式，是一种在同种而不同菌株的体细胞间发生的融合，它可不借助减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子。二、真核微生物的准性生殖和准性杂交81a准性杂交（parasexualhybridization）准性生殖过程：（1）菌丝联结（n+n，频率极低）（2）形成异核体，异核体能独立生活。（3）核融合产生双倍体杂合子（频率低）（4）体细胞交换和单倍体化82a准性生殖过程：82a体细胞交换有丝分裂（产生错误，导致染色体分配不均）染色体逐步丢失，单倍体化新的稳定的单倍体杂合子83a体细胞交换有丝分裂（产生错误，导致染色体分配不均）染色体逐步第5节菌种的衰退、复壮和保藏在DNA复制过程中发生自发突变的几率为：10-7——10-11每碱基对每次复制一个基因自发突变率约10-6/代无意突变率约10-6——10-8/代RNA基因组的突变率比DNA的高103。84a第5节菌种的衰退、复壮和保藏在DNA复制过程中发生自一、衰退的防止1、控制传代次数2、创造良好的培养条件3、利用不易衰退的细胞传代4、采用有效的菌种保藏方法二、菌种的复壮1、纯种分离2、通过宿主体复壮3、淘汰已衰退的个体85a一、衰退的防止85a三、菌种的保藏著名的菌种保藏中心常用的菌种保藏方法：斜面保藏沙土管保藏甘油悬液保藏法液氮保藏法86a三、菌种的保藏86a第7章微生物的遗传第1节微生物遗传研究的起源第2节微生物的遗传因子第3节原核生物的基因重组第4节真核微生物的基因重组第5节菌种的保藏87a第7章微生物的遗传第1节微生物遗传研究的第1节微生物遗传研究的起源微生物遗传的研究起源于对“细菌变异”现象的早期研究。一、证实微生物具有种的稳定性1870年——巴斯德，科恩。球菌球菌，杆菌杆菌。1882年——科赫。固体培养基，分离纯化技术。88a第1节微生物遗传研究的起源2a二、发现细菌变异现象19世纪最后20年，越来越多的证据表明细菌物种不稳定。1907年——马西尼（R.Massini）首次对细菌变异进行专门研究，发表了《可突变的大肠杆菌》的论文。在这篇论文中，他第一次使用了定量研究的方法。89a二、发现细菌变异现象3a三、探索细菌变异的本质1928年——格里非斯（FriderickGriffith）发表了一篇论文，描述了肺炎球菌培养物中的转化现象。格里非斯的这篇文章非常重要，对于理解转化作用和最终阐明DNA是遗传物质打下了基础。90a三、探索细菌变异的本质4a91a5a92a6a1933年——奥洛韦（J.L.Alloway）证明转化因子是一种可溶性的物质，至少是亚细胞的物质。有毒菌株有毒菌株无细胞提取物无毒菌株老鼠死亡有毒菌株加热杀菌+注射93a1933年——奥洛韦（J.L.Alloway）证1944年——埃弗里（O.T.Avery）和他的同事们通过一系列精密的实验，证明转化中起作用的分子是DNA。94a1944年——埃弗里（O.T.Avery）和他的同事95a9a四、发现并阐明细菌的接合作用1945年——塔特姆（E.L.Tatum）和莱德伯格（Lederberg）证实了大肠杆菌K12菌株的两个营养缺陷型菌株之间的遗传重组。96a四、发现并阐明细菌的接合作用10a97a11a戴维斯（B.D.Davis）进一步证明细胞与细胞的接触对这种遗传重组发生是必不可少的。98a戴维斯（B.D.Davis）进一步证明细胞与细胞的接触对这种1952年——海斯（WilliamHayes）在《自然》上发表论文宣布接合和重组是供体细胞遗传物质发生单向转移的结果。1952年——莱德伯格和卡瓦利（L.L.Cavalli）证实了这一点，创造了F+和F-等术语。同年，他们发现了高频重组菌株（Hfr）。

影印平板法也是由莱德伯格发明的。99a1952年——海斯（WilliamHayes）在《100a14a影印平板法replicaplating101a影印平板法replicaplating151953年4月——沃森-克里克在《自然》的一篇短文中公布了DNA的结构模型。102a1953年4月——沃森-克里克在《自然》的一篇短文中1955-1958年——雅各布（F.Jacob）和沃尔曼（F.L.Wollman）以一系列独创性的研究工作阐明了大肠杆菌K12的基因转移机制。在这些工作中，最著名和关键性的是“中断杂交实验”103a1955-1958年——雅各布（F.Jacob）104a18a105a19a106a20a五、阐明细菌抗药性产生的原因1961年——渡边、戴塔（N.Datta）、梅内耳（F.Meynell）和安德森（E.S.Anderson）的工作揭示了抗药性是以一种或多种“接合促进因子”为媒介来传播的。每类接合促进因子与它所在的细胞表面上的某种特异的纤毛结合在一起，并证明这种结构确能造成供体和受体细胞之间的特异粘附，并有可能形成让遗传物质从中通过的接合管。107a五、阐明细菌抗药性产生的原因21a电镜观察到的接合现象108a电镜观察到的接合现象22a抗药性质粒在细菌之间的转移109a抗药性质粒在细菌之间的转移23a第2节微生物的遗传因子遗传因子（Geneticelements）：承载遗传物质的结构。遗传因子必须具备2点：能自我复制，能编码。

基因组：一个细胞或病毒所含的完整基因。基因：编码一种蛋白，一种tRNA或一种rRNA的DNA片段。110a第2节微生物的遗传因子24a一、原核微生物的遗传因子原核微生物的遗传因子有3类：染色体，质粒，噬菌体。（一）细菌的染色体

1、形状、大小1条环状dsDNA。

负超螺旋。约50个超螺旋区域。正超螺旋（少数，都生活在极高温度下）。

111a一、原核微生物的遗传因子25a超螺旋的形成112a超螺旋的形成26a伯氏疏螺旋体的DNA是线性的，其末端为发卡结构。

Streptomyceslividans的DNA是线性的，其末端与蛋白质共价结合。最小的细菌染色体：580kbp（一种枝原体）最大的细菌染色体：9500kbp（一种粘细菌）113a伯氏疏螺旋体的DNA是线性的，其末端为发卡结2、结构（1）一般没有间隔基因（内含子）原核细胞114a2、结构原核细胞28a真核细胞115a真核细胞29a（2）一般没有重复序列细菌的基因一般都是单拷贝的。（3）相关的细菌，染色体上基因的排列顺序也相似，否则不相似。（4）许多细菌在DNA复制起始附近的结构相似，同样，在复制终止附近的结构也相似。116a（2）一般没有重复序列30a（二）细菌的质粒质粒（plasmid）存在于绝大多数原核生物，但只在少数真核生物中发现。质粒是能独立于宿主细胞染色体进行自我复制的遗传因子，以核酸的形式存在于细胞内，无细胞外存在形式。117a（二）细菌的质粒31a1、质粒的物理性状环状dsDNA，一般为超螺旋状。

大小1—1000kbp。2、质粒的复制

DNA合成靠细胞中的酶。复制起始子细胞中质粒的拷贝数

质粒控制质粒在细胞中的拷贝数1—3/细胞＞100/细胞118a1、质粒的物理性状质粒控制质粒在细胞中的拷贝数1—3/绝大多数G+菌的环状质粒的复制是滚环式复制。119a绝大多数G+菌的环状质粒的复制是滚环式复制。33a绝大多数G菌环状质粒的复制是θ式复制120a绝大多数G菌环状质粒的复制是θ式复制34a绝大多数线性质粒的复制是将一种蛋白质结合于每条链的5’端作为引物。121a绝大多数线性质35a3、各种质粒之间的相容性相容性质粒（compatibleplasmids）：不同的质粒共存于同一个细胞，这些质粒互为相容性质粒，否则称为不相容性质粒（incompatibleplasmids）。相容与否由质粒基因控制。4、质粒在细胞中的存在、转移和消除（1）存在游离于细胞质中。整合到细胞染色体上。附加体（episome）122a3、各种质粒之间的相容性36a（2）转移有些质粒可在细胞之间通过接合作用转移，这类质粒叫可接合质粒。质粒的接合转移由质粒编码的基因控制。（3）消除质粒可自发从细胞中消除。可通过多种物理化学方法将质粒从细胞中消除。123a（2）转移37aF质粒的基因图谱见教材199页124aF质粒的基因图谱见教材199页38a5、质粒赋予细菌的性状

质粒可携带多种基因，但这些基因必须不影响质粒自身的复制和宿主细胞的生存。隐质粒（crypticplasmids）：除自身复制的基因，不含其他基因。125a5、质粒赋予细菌的性状39a质粒赋予细菌的一些性状：根瘤菌——固氮，结瘤假单胞菌——降解一些难以降解的化合物致病性大肠杆菌——吸附抗原，溶血素，肠毒素大肠杆菌——大肠杆菌素金黄色葡萄球菌——凝固酶，溶血素，溶纤维蛋白酶，肠毒素，黄色色素等乳酸细菌——细菌素NisinA抗药性126a质粒赋予细菌的一些性状：40a（三）细菌的噬菌体从自然界分离到的细菌中，绝大多数是溶原菌。许多证据证明，细菌的一些基因群来自染色体外的遗传因子，如质粒和噬菌体。127a（三）细菌的噬菌体41a二、真核微生物的遗传因子真核微生物的遗传因子有：染色体，线粒体DNA，叶绿体DNA，质粒，病毒。真核微生物可以单倍体或/和二倍体形式存在，但在绝大多数真核微生物中，二倍体阶段是很短暂的。酿酒酵母是最常用于真核遗传研究的真核微生物之一，也是第一个测定基因组全序列的真核生物。128a二、真核微生物的遗传因子42a（一）酿酒酵母的染色体单倍体：16条大小：245——2200kbp

单倍体碱基数：12×106bp（二）酿酒酵母的2μ质粒绝大多数酵母菌株含有2μ质粒。酿酒酵母中2μ质粒的拷贝数约30-50/细胞。2μ质粒：环状dsDNA，6318bp。编码4种蛋白质。不赋予细胞任何性状。

129a（一）酿酒酵母的染色体43a三、病毒的遗传因子

DNA，RNA

有重叠基因

噬菌体ΦX174的基因图谱130a三、病毒的遗传因子噬菌体ΦX174的基因图谱44a第3节原核微生物的基因重组在原核中，基因重组以下列3中方式中的一种实现：转化，转导，接合。131a第3节原核微生物的基因重组在原核中，132a46a一、转化（transformation）1、定义：

受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得后者部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。2、可转化微生物的种类许多微生物是自然可转化的，包括G+和G-的一些种类，以及一些古细菌。

133a一、转化（transformation）47a3、感受态（competence）

能吸收DNA并被转化的细胞叫感受态细胞。感受态似乎是一种遗传特性：DNA结合蛋白，细胞壁自溶，各种核酸酶。4、DNA的吸收细菌转化所需的最小DNA量为1×10-5μg/mL。dsDNA结合到细胞表面整条双链DNA被吸收一条链被降解，另一条被吸收134a3、感受态（competence）dsDNA结合到细胞表面动物细胞：吞噬的方式将DNA吞入。真菌：消化细胞壁，然后让DNA被吸收。电穿孔法基因枪法135a49a136a50a137a51a138a52a139a53a140a54a二、转导（transduction）

由病毒介导，DNA由一个细胞转移到另一个细胞，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。转导子（transductant）：由转导作用而获得部分新性状的重组细胞。141a二、转导（transduction）55a142a56a流产转导普通转导generalizedtransduction143a流产转导普通转导generalizedtransducti特殊转导（specializedtransduction）局限转导144a特殊转导（specializedtransduction）145a59a146a60a三、接合（conjugation）（教材229-232页）

接合是细胞-细胞间转移质粒的一种机制。F质粒的基因图谱147a三、接合（conjugation）（教材229-232页）F1148a162a149a63a150a64a151a65a2152a266a153a67a154a68a155a