第六章微生物的遗传与变异

第六章微生物的遗传与变异概述第一节微生物遗传的机制第二节微生物的变异第三节微生物的遗传与变异理论及实践意义Chapter6

MicrobialHeredity&VariationIntroductionMechanismofMicrobialHeredityMicrobialVariationTheories&PracticalapplicationofMicrobialHeredity&Variation概述性状——基因遗传变异遗传/变异自身矛盾——生物性状相对稳定发展进化微生物——生物（特殊与一般）转导致育因子

IntroductionGenotypeandPhenotypeHeredityandVariation(Mutation)MicroorganismsandOrganisms(specialandcommoncharacteristics)TransductionFfactor第一节微生物遗传的机制一、遗传的物质基础：性状——基因——染色体上能导致产生特定肽链的一段DNA—DNA。二、基因的传递：基因位于染色体上细菌—原核—DNA真核—核蛋白（组蛋白）

（一）

DNA的结构：

DNA核苷酸单体—酸+

碱基A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）

C（胞嘧啶）G（鸟嘌呤）

两条核苷酸链聚核苷酸（多）碱基在内——两链上碱基互补配对

A—T（U）G—C

脱氧核糖、磷酸向外氢键相连1.MechanismofMicrobialHeredityA.MaterialBasisofGenetics

Gene---alengthofDNA,whichdeterminesaspecificpeptide/protein,onthechromosomeB.FlowofGeneticInformation

B1.StructureofDeoxyriboucleicAcid(DNA)

(Seenextslide)Basebase-pairdoublehelix

StructureofGeneStructureofDNA第一节微生物遗传的机制（二）DNA的复制氢键断裂，两链分开各以核苷酸链为模板，按碱基配对原则，在DNA聚合酶作用下，由一个DNA分子复制成两个结构相同的DNA分子。复制的DNA分子，各由一新旧链组成的双螺旋结构。MechanismofMicrobialHeredityB2.ReplicationofDNADNApolymerase(DNA-pol)Hemi-conservativereplicationreplicationforkB3.Gene&GeneticExpressionDNAmRNAproteinTranscription

Translation

DNAReplication（三）基因与性状遗传碱基顺序——基因（DNA的片断）碱基顺序基因氨基酸性状①性状的遗传②遗传信息的转达③即亲代基因的子代表现④碱基顺序的转录过程（复制过程）

Figure.Reversegenetics.Top,genestructureofFASCIATA1withexonsinblueandintronsinyellow.ReddenotesabacterialT-DNAthathasinsertedintothegene.Bottom,mutantslackingthewild-typeFAS1genehavealtereddevelopment.

第一节微生物遗传的机制（3）（一）转录

mRNA聚合酶

DNAmRNA

通过转录，DNA的碱基序列按互补配对的原则转变成RNA分子中的相应碱基序列。然后，再以mRNA为模板，按照其碱基(A、G、C、U)的排列顺序，以三个相邻碱基序列为一种氨基酸的密码子形式，来决定蛋白质合成时氨基酸的序列。这一过程称为翻译(translation)。TranslationMechanismofMicrobialHeredity(3)Retro-transcriptionofRNAviruses:RNADNA

mRNA

Peptide第二节微生物的变异现象（1）一、常见的微生物变异现象（一）形态上的变异青霉素使正常变多形（二）结构上（抗原性）的变异：荚膜：（炭疽、肺炎球菌、荚膜抗原消失，致病性改变）鞭毛：H——Ohnehauch

膜无膜鞭毛无鞭毛鞭毛抗原菌体抗原芽胞：成芽胞菌——无芽胞菌（三）毒力上的改变长期非最佳温度，非易感动物Mutationsareinheritablechangesinthebasesequenceofnucleicacid--thegeneticmaterial.Anorganismwiththesechangesiscalledamutant.Geneticrecombinationistheprocesswheregenesfromtwogenomesarecombinedtogether.Amutantwillbedifferentfromitsparent,itsgenotypeorgeneticmakeuphasbeenaltered.Asix-leggedgreenfrog.PropertyAccessor/Mutator2.MicrobialVariation(1)A.MorphologicalVariatione.g.penicillincaninducethischangeB.StructuralVariationCapsuleOuter-membraneFlagellaSporeC.VirulenceVariation第二节微生物的变异现象（四）代谢上的变异1．营养缺陷型的变异：能全面合成氨基酸——不能合成某一氨基酸可作为研究遗传的一个良好机会2．抗药性变异①竞争②改变代谢途径（五）菌落变异：细菌从S——R病毒的蚀斑大小MicrobialVariation(2)D.MetabolicVariationD1.D2.DrugresistanceD2.1competitionD2.2alternationinmetabolicpathwayE.ColonialVariationBacteria:smoothrough(S-Rvariation)Viruses:sizeofplaque第三节微生物遗传变异的机制

微生物变异的机制一．非遗传性变异：由于外界环境不同而引起，基因无改变炭疽杆菌RS

普通琼脂厌氧、富含血清或血液培养基二．遗传性变异：由于基因发生了改变、引起了相应的性状改变，从而发生可遗传性变异即突变。（一）基因突变

1.自发突变由于细菌个体基因内部结构发生了细微变化。自然界经常发生10—4—10—9（十亿）

2.诱发变异指在细菌的环境中加入理化因素而诱导细菌发生突变。突变的原因在于碱基的增加、缺失、变位、重组。3.MechanismofMicrobialVariationA.Non-geneticVariationcausedbycircumstancese.g.Bacillusanthracis:S-RvariationB.GeneticVariation

causedbychangesingenes,soitishereditary.B1.GeneMutationB1.1SpontaneousmutationB1.2InducedmutationNon-geneticVariationcausedbycircumstancesSpontaneousmutationInducedmutation第三节微生物遗传变异的机制（2）

（二）基因重组可见于无性繁殖或有性繁殖。

1.转化：外来细菌DNA的插入。

2.转导：病毒（噬菌体）DNA的插入。简单插入全部插入——单交换加缺失插入部分插入——双交换这种以噬菌体为媒介，使细菌的遗传物质从一个细菌转移到另一个细菌的过程称为转导，该噬菌体称转导噬菌体。MechanismofMicrobialVariation(2)B2.GeneticRecombination

(Seeninsexualorasexualmultiplication).B2.1TransformationInsertionofforeignbacterialDNA.B2.2TransductionInsertionofviral(phage)DNA.Generaltransduction,RestrictedtransductionGeneticRecombinationTransformationTransduction第三节微生物遗传变异的机制（3）3.接合：有性遗传霉菌：两性孢子结合，甚因重组。细菌：雄性菌（F+）将一段DNA转移给雌性菌（F—）。可位于染色体外——质粒致育因子也可为细菌染色体的一部分（高频重组细菌、大肠杆菌）除致育因子外还有一些DNA片断和受精因子结合导致细菌的抗药性遗传。（抗药性因子）受精子因子、抗药性可致移因子染色体外的DNA质粒（游离基因）

4.误译：MechanismofMicrobialVariation(3)B2.3ConjugationSexual,hereditaryMoulds:sporecombinationBacteria:bymeansofF,RandColplasmidsResistancefactorResistancetransferfactorB2.4Mistakentranslation第四节人工定向变异的方法及应用(1)一、基因图谱与遗传工程把表示不同性状的各个基因在染色体上的位置用图示的方法表示出来即~。人为地改变染色体上基因位置的方法称基因工程。人胰岛素制造基因+大肠杆菌DNA。连接酶内切酶制造胰岛素的大肠杆菌。二、人工获得变异品系的方法

（一）筛选——从自然变异中挑选出所需要的变异株。黄绿色强荧光——强毒出败巴氏杆菌。无色（伊红美兰培养基）不发酵大肠杆菌。物理——紫外线、同位素、激素、高温。4.MethodsandApplicationsofArtificialVariation(1)A.GenomicMapping&GeneticEngineeringGenomicMapping－methodoflocatinggenesthatdecidedifferentphenotypesonthechromosomebymeansofadiagram.A:STSmapindicatingwhichcosmidswereusedintheexperiment.STSsarerepresentedasverticalticksseparatedbyanarbitrarydistance.Therelativeorientationofthecontigswasunknown.B:Imagesofrepresentativehybridizationsofpairsofcosmids.Barindicates10microns,i.e.20kb.C:Finalmap.

AffymetrixGeneChipanalysisofTRPM8expressionindifferentcelllines.PMQvaluesofTRPM8mRNAexpressionin30celllinesdivedfromsixdifferenttissuesincludingprostate,bladder,colon,mammarygland,lungandpancreas.GeneticEngineering－methodsofartificiallychangethepositionofgenesonthechromosomee.g.insulingeneligaseinsulingeneinE.coli

+restrictionnuclease

E.coligenome第四节人工定向变异的方法及应用(2)（二）人工诱变化学——5--溴尿嘧啶生物——多代人工培养、非易感动物化学诱变的原理

1．改变碱基配对顺序：5—溴尿嘧啶

T—AATG甲硫氨酸替代（5--Ubrr）

Ubr—A

复制ACG苏氨酸

Ubr—G

转录

C—GMethodsandApplicationsofArtificialVariation(2)B.HowtoAcquireArtificiallyVariants?B1.Screening---neededisolatessel