微生物的遗传变异和诱变育种

第7章微生物的遗传第一节基因突变和诱变育种第二节基因重组和杂交育种第三节菌种的衰退复壮和保藏当前第1页\共有82页\编于星期四\17点学习微生物遗传学的意义遗传学中很多重要的成果都是以微生物作为材料而研究获得的。微生物遗传学的结果是分子生物学的重要理论基础。微生物遗传学的原理和方法是遗传工程的基石，并已被生物学其他学科广泛采用，产生了积极地影响。当前第2页\共有82页\编于星期四\17点微生物是遗传学研究中的明星：微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。当前第3页\共有82页\编于星期四\17点一、基因突变(GeneMutation)在自然界，微生物的形态和生理特性由于环境条件的改变，常会发生表型的变化。由遗传物质发生变化引起的表型的变化称为基因突变，这种突变引起表型变异是遗传性的，称为遗传性变异。第一节基因突变和诱变育种当前第4页\共有82页\编于星期四\17点广义的突变基因突变（点突变）狭义的突变染色体畸变野生型菌株（wildtypestrain)突变株(mutant)

当前第5页\共有82页\编于星期四\17点(一）突变的类型1形态突变型

细胞形态改变：芽胞、荚膜、鞭毛、分生孢子的丧失；

菌落形态改变：表观、颜色、大小、噬菌斑大小、混浊度；2生化突变型代谢途径变化:营养缺陷型，抗性突变型抗药物、抗噬菌体。3条件致死突变型4其他突变型：影响次生代谢产物突变型、毒力突变型、糖发酵能力突变型、影响质粒转移功能突变型。当前第6页\共有82页\编于星期四\17点1）突变是自发产生的，与环境条件无关2）自发突变的随机性和突变率3）各种突变的发生彼此无关4）突变是可逆的5）某些理化因子可显著提高突变率（二）突变的规律当前第7页\共有82页\编于星期四\17点1）突变是自发产生的基因的突变是自发产生的，并且自发突变与环境条件是不对应的。证明突变是自发产生的两个实验：1.波动试验（fluctuation）2.影印培养试验（replicaplating）当前第8页\共有82页\编于星期四\17点

1234假设1：突变在各个世代随机发生，与环境条件无关，则不同群体中子代中突变细胞数目不同，产生波动。波动试验fluctuation1943，LuriaandDelbruck用统计学原理设计了波动试验，E.coli及其噬菌体T1做抗性试验。当前第9页\共有82页\编于星期四\17点

1234假设2：突变与环境条件有关，则不同群体中子代中突变细胞数目大概相同，不会产生波动。当前第10页\共有82页\编于星期四\17点1952年Lederberg夫妇设计了影印培养法，直接证明突变菌株是预先存在的，与相应的环境因素无关。影印培养试验replicaplating当前第11页\共有82页\编于星期四\17点自发突变在时间、地点上是随机的、偶然的，但是偶然性表现在必然性之中，突变的必然性表现在一定的突变有一定的突变率。突变率是某一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。细菌中自发突变的概率一般是10-6-10-9。2）自发突变的随机性和突变率当前第12页\共有82页\编于星期四\17点基因突变是随机的，独立的，因此两个不同突变同时发生的几率是两者各自发生几率的乘积。在实践中，可同时使用两种药物，以防止细菌抗性突变的产生，提高疗效。3）独立性当前第13页\共有82页\编于星期四\17点4）突变是可逆的突变是可逆的：正向突变野生型突变型

回复突变回复突变也有一定的机率。当前第14页\共有82页\编于星期四\17点真正的回复突变突变基因上被改变的碱基对在第二次突变时恢复成原来的碱基顺序，真正恢复到野生型基因的功能。抑制基因突变在DNA的不同位置上发生第二次突变抑制了原来突变基因的表达，恢复野生型表型，而不是直接改变回原来的野生基因型。第一次突变一条多肽链无活性第二次突变恢复活性抑制基因突变第二次突变当前第15页\共有82页\编于星期四\17点5）某些理化因子可显著提高突变率自发突变率一般在10-6-10-9，而理化诱变剂引起的诱发突变率可提高103-104倍。当前第16页\共有82页\编于星期四\17点（三）突变的机制基因突变一般又称点突变，是由于DNA上1个或多个碱基顺序变化的结果。突变的形式：1)碱基置换2）移码突变3）染色体畸变

当前第17页\共有82页\编于星期四\17点1）碱基置换（basesubstitution）在这种突变中，碱基对的数量没有变，只是一对碱基对被另一对碱基对所代替：转换transiton：颠换transversion：G-CC-GT-AA-T转换颠换当前第18页\共有82页\编于星期四\17点碱基置换的结果

(1)错义突变(2)无义突变(3)同义突变当前第19页\共有82页\编于星期四\17点因碱基改变使相应氨基酸变化，进而使多肽失活或活性下降。例如：DNAACCACCCC

TGGTGGGGmRNAUGGGGG多肽色氨酸甘氨酸(1)错义突变当前第20页\共有82页\编于星期四\17点碱基改变使编码某一氨基酸的密码子变为终止密码子，使蛋白质合成中断，产生无活性的多肽，例如：DNAATAAGTmRNAUAU（酪氨酸)UCA（丝氨酸）

DNA上ATTATCACTmRNAUAAUAG

UGA赭色突变琥珀突变乳白突变终止子（Ochre）（Amber）(Opal)（2）无义突变当前第21页\共有82页\编于星期四\17点突变后的密码子编码相同的氨基酸，如：DNATTTTTCmRNAAAAAAG多肽LysLys(3)同义突变当前第22页\共有82页\编于星期四\17点在正常的碱基序列中插入或减少一个或多个碱基，造成突变位点下游密码子的错读，产生氨基酸顺序完全改变了的蛋白质，一般无活性。

DNAGATCGTACATATCCCmRNACAUGCAUGUAUAGGG多肽LeuAlaCysIleGly插入DNAGATACGTACATATCCCmRNACUAUGCAUGUAUAGG多肽LeuCysMetTyrArg

2）移码突变

frameshiftmutation当前第23页\共有82页\编于星期四\17点染色体缺失、重复、倒位、易位引起的大范围变化叫～。染色体畸变可引起生物表型明显的改变。染色体内畸变：只涉及同一条染色体上的核酸。染色体间畸变：涉及不同染色体间的核酸。易位现象：转座子、跳跃基因。3）染色体畸变当前第24页\共有82页\编于星期四\17点（四）人工诱变与诱变剂自发突变的机率很低，一般在10－6～10－9。某些物理、化学因子可以诱发突变，提高突变率，这些因子称为诱变剂；理化诱变剂引起的突变率可提高103～104倍。当前第25页\共有82页\编于星期四\17点1.化学诱变剂1）碱基类似物2）嵌入诱变剂3）改变DNA结构的诱变剂当前第26页\共有82页\编于星期四\17点碱基类似物：

定义：一类与正常碱基类似的化合物。

机理：在DNA复制时可以替代正常碱基，掺入DNA；在DNA再次复制时，这些类似物发生异构，发生错配，导致碱基置换。

常见的有：2-氨基嘌呤和5-溴尿嘧啶。当前第27页\共有82页\编于星期四\17点当前第28页\共有82页\编于星期四\17点当前第29页\共有82页\编于星期四\17点A••TA••BUG•••BUG•••CG•••BUA•••BU突变当前第30页\共有82页\编于星期四\17点嵌入诱变剂一类结构上扁平的化合物，能够插入DNA链的两个碱基之间，使得DNA在复制时会插入一个额外的碱基，最终导致移码突变。常见的有丫啶橙类化合物。

当前第31页\共有82页\编于星期四\17点改变DNA结构的诱变剂这类化合物可以直接使得碱基发生变化，在DNA复制时造成错误配对，产生碱基置换，常用的有羟胺、亚硝酸、各种烷化剂（亚硝基胍、氮芥）等。当前第32页\共有82页\编于星期四\17点2．物理诱变剂(1)紫外线(2)电离辐射

直接作用：辐射直接击中DNA链，造成DNA损伤，DNA重接后可能产生缺失、倒位、易位、重复等畸变。

间接作用：辐射使DNA周围的水分子发生电离，产生大量游离基，这些游离基又可与DNA发生作用，使碱基氧化，在复制时发生错配，导致突变。当前第33页\共有82页\编于星期四\17点Chapter7MicrobialGenetics当前第34页\共有82页\编于星期四\17点5.突变与修复修复系统：光复活作用切除修复当前第35页\共有82页\编于星期四\17点修复与突变形成的关系细胞外的诱变剂DNA损伤（前突变）

不修复修复

死亡无误修复易误修复

恢复正常易误修复

基因突变

分离突变基因型表达突变表型细胞分裂突变克隆当前第36页\共有82页\编于星期四\17点第二节基因重组和杂交育种

两个不同生物个体交换遗传物质并进行重新组合以产生具有新基因型和表型个体的过程。当前第37页\共有82页\编于星期四\17点原核生物基因重组的特点1.非等量交换;2.单向进行的;供体：提供DNA

受体：接受DNA当前第38页\共有82页\编于星期四\17点细菌基因重组的3种方式：

细胞接触 DNA载体 涉及DNA片断 接合

＋ F因子部分染色体转导 －噬菌体 1个/少数基因 转化 －－1个/少数基因 当前第39页\共有82页\编于星期四\17点1．转化transformation来自供体的DNA片断或质粒DNA转移到受体菌并整合进染色体的过程叫转化。转化后的受体菌叫转化子。当前第40页\共有82页\编于星期四\17点转化的3个阶段1）感受态阶段competence2）DNA的结合和吸收bindinganduptake3）整合integration当前第41页\共有82页\编于星期四\17点1）感受态阶段competence感受态：受体菌细胞容易接收DNA片断的生理状态。感受态是细菌的一种遗传特性，并且受培养条件的影响，感受态一般在对数中期或后期出现，因菌种而异。当前第42页\共有82页\编于星期四\17点2）DNA的结合和吸收细胞壁上的受体蛋白与DNA片断相互作用，吸附DNA。结合的DNA双链被核酸内切酶切成约14kb大小的片断，然后再被分解成单链，一条单链被降解，另一条单链进入细胞。当前第43页\共有82页\编于星期四\17点3）

整合进入细胞的DNA单链取代受体菌染色体上的同源片断的一条单链，被取代的那条单链被降解。这样形成的杂合双链经修复后将成为含有供体基因的转化子或正常的受体DNA的后代。当前第44页\共有82页\编于星期四\17点转化的过程当前第45页\共有82页\编于星期四\17点当前第46页\共有82页\编于星期四\17点转化的特性细胞接触 DNA载体涉及DNA片断 － －1个/少数基因 当前第47页\共有82页\编于星期四\17点2.转导供体基因通过噬菌体作为中间载体转移至受体的过程叫转导。转导后的受体菌叫转导子。两种:普遍性转导局限性转导当前第48页\共有82页\编于星期四\17点1）普遍性转导

generalizedtransduction

转导噬菌体：噬菌体在装配时，会错把大小与其DNA相似的细菌染色体片断包装进壳体中，形成转导噬菌体。当这种噬菌体侵染下一个寄主细胞后，就把供体的DNA片断带进受体细胞。供体片断可与受体染色体上同源片断配对，通过双交换整合进受体染色体，形成稳定的转导子。当前第49页\共有82页\编于星期四\17点流产转导但是约有90％的供体DNA片断并不能整合进受体染色体上，能表达却不能复制，只能将供体DNA片断传递给一个子细胞，在选择性培养基上形成微小的菌落，叫流产转导。当前第50页\共有82页\编于星期四\17点-鼠伤寒沙门氏菌的P22，大肠杆菌的P1，B.Subtilis的PBS1，PS10等。能进行普遍性转导的噬菌体：当前第51页\共有82页\编于星期四\17点2）局限性转导

specializedtransduction

原噬菌体受诱导从寄主DNA上脱离下来时，因不正常切割，会偶尔把其整合位点两侧的寄主基因切下并包装进壳体，进而带进下一个受感染的细胞，并可能通过整合带进受体染色体。如E.coli：λ、φ80phage.当前第52页\共有82页\编于星期四\17点只能使供体的一个或少数几个基因以噬菌体为媒介转移到受体的转导作用称为局限性转导。大肠杆菌的温和噬菌体λ只能转导大肠杆菌的gal或bio基因。当前第53页\共有82页\编于星期四\17点

基因 频率 稳定性 普遍性转导 任何 10－6～10－8 90％流产 局限性转导 少数 10－4～10－6 2/3不稳定 两类转导的比较当前第54页\共有82页\编于星期四\17点3．接合conjugation通过细胞接触而进行的基因转移，叫接合。得到了供体DNA的受体菌叫接合子。接合是借F因子（致育因子）实现的。F（fertility）因子是一种小分子的双链环状DNA，约有40个基因。当前第55页\共有82页\编于星期四\17点F因子基因组3个区段:1.控制自主复制，含有复制酶基因(rep)、决定不相容性的基因(inc)和复制起点(oviV)。2.转移区段3.插入区段当前第56页\共有82页\编于星期四\17点F因子的特性1.可在细胞之间转递;2.可插入核染色体上;3.可从核染色体上脱落当前第57页\共有82页\编于星期四\17点F+细胞和F-细胞F+细胞:带有F因子的细胞，每个F+细胞带有1～多个性丝。F-细胞:不带有F因子的细胞,无性丝.F+细胞可以将F因子通过接合方式传给F-细胞。使之成为F+.导致了基因重组.当前第58页\共有82页\编于星期四\17点当前第59页\共有82页\编于星期四\17点高频重组菌株（Hfr）：比通过一般接合方式基因重组频率高出1000倍的菌株。原因:由于F因子可整合在染色体上，又可断裂后带动染色体上基因通过接合方式进入寄主细胞。当前第60页\共有82页\编于星期四\17点当前第61页\共有82页\编于星期四\17点F因子可以通过重组插入细菌染色体中形成Hfr的细胞。Hfr细胞中的F因子既可以从染色体上沿原插入位点正常脱离下来恢复成F+，也可以误差脱离而形成F´细胞。当前第62页\共有82页\编于星期四\17点F´因子:整合在染色体上的F因子在脱离的过程中，由于不正常的切割，而形成的带有寄主基因的F因子。初生F´细胞：含有F´因子的寄主细胞。次生F´细胞：F´×F–性导：当前第63页\共有82页\编于星期四\17点F´×F-的接合作用：由于在F´×F-的接合作用中能专一性地向F-转移F´质粒携带的供体菌基因，因而也有人把通过F´因子的转移而使受体菌改变其遗传性状的现象称为F因子转导或性因子转导。当前第64页\共有82页\编于星期四\17点当前第65页\共有82页\编于星期四\17点不同类型细胞接合的结果见表接合类型 受体菌变化 染色体基因重组F因子转移 F+×F－ F－→F+ 10－4～10－5 100％ Hfr×F－ F－→F－ 10－1～10－2 极少 F´×F－ F－→F’ 10－1 100％

当前第66页\共有82页\编于星期四\17点第三节真菌的基因重组方式：1．有性生殖2.准性生殖

当前第67页\共有82页\编于星期四\17点1．异核现象

heterocaryon异核体：

真菌菌丝内含有2个以上不同基因型的细胞核。异核现象是普遍存在的。异核体的形成方式：菌丝内一个核发生突变，形成不同质的核；不同菌丝的融合。异核体的意义：不同质的核彼此互补，有利生存。当前第68页\共有82页\编于星期四\17点

2．准性生殖是真菌通过体细胞进行有丝分裂时发生的基因重组过程。当前第69页\共有82页\编于星期四\17点

准性生殖的过程1）异核体2）二倍体化异核体中的两个核一般不融合，只以10－6概率发生融合，形成杂合二倍体。这种二倍体形成后，相当稳定，可以进行有丝分裂。3）有丝分裂交换（体细胞交换）单元化

当前第70页\共有82页\编于星期四\17点3-1）有丝分裂交换杂合的二倍体核在进行有丝分裂时，以很低的频率发生同源染色体交换，产生各种重组子。当前第71页\共有82页\编于星期四\17点

AbCdAbCdaBcDaBcDAbCd13241423AbCdaBCd1234aBCd

AbcDAbcDaBcDaBcD当前第72页\共有82页\编于星期四\17点

3-2）单元化经过有丝分裂后,由于少部分染色体着丝粒不分离可形成2n+1或2n-1的非整倍体核，2n+1可能失去一条染色体再次成2n。2n-1不稳定，将会逐步失去其他染色体成为n。当前第73页\共有82页\编于星期四\17点单元化过程abcA