第5章微生物遗传变异

食品微生物学刘书亮微生物的遗传变异与菌种选育第五章食品微生物学刘书亮了解微生物遗传变异的物质基础。掌握基因突变的实质、类型、特点和机制。了解不同类型微生物的基因重组。学会依据微生物的遗传特性设计工业微生物菌种的筛选程序，并能合理保藏所得菌种。目的要求食品微生物学刘书亮主要内容1、微生物遗传变异的物质基础2、微生物的基因突变3、微生物的基因重组4、微生物的菌种选育5、微生物菌种保藏及复壮遗传（heredity

）:上一代生物将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的特性。变异（variation）：生物体在某种外因或内因的作用下，发生遗传物质结构或数量的改变，而且这种改变稳定，具有可遗传性。几个概念1.

遗传与变异遗传保证了微生物种的相对稳定性、种的存在和延续，而变异则推动了种的进化和发展。2.

遗传型和表型遗传型（genotype）表型(phenotype)某一生物体个体所含有的全部遗传因子，即基因的总和，又称为基因型。某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和。遗传型表型环境条件＋代谢、发育饰变（modification）表型的差异只与环境有关。不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型改变。谷氨酸发酵的温度敏感菌株在30℃时菌体生长而不产生氨基酸，但是当温度提高到37℃时，菌体大量合成谷氨酸。变异遗传物质改变，导致表型改变3.

饰变与变异（遗传型变异,基因突变）特点：遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为10-6-10-9）特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为。食品微生物学刘书亮比表面积大；

个体易变异；

便于建立纯系；作为遗传研究材料4、微生物是遗传学研究中的明星：一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验二、遗传物质在细胞内存在部位和方式5.1微生物遗传变异肺的炎双物球质菌转基化础实验（讲）噬菌体的感染实验病毒重建实验食品微生物学刘书亮1928年F.Griffith，1944年Avery，肺炎双球菌的转化实验分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶作用于有毒的S型菌细胞抽提物只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性DNA是转化所必需的转化因子食品微生物学刘书亮1952年Hershey，Chase，噬菌体感染实验T2噬菌体感染试验示意图植物病毒的重建实验证明杂种病毒的蛋白质外壳来自TMV还是HRV,可用血清学反应鉴定证明核酸（RNA）是遗传的物质基础血清学反应说明病毒蛋白质的特性由核酸而定H.Fraenkel-Conrat

(1956年)病斑的特性和病毒核酸一致二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式（一）七个水平细胞水平（单核，多核）细胞核水平

（真核，拟核，质粒）染色体水平核酸水平基因水平（DNA，部分病毒为RNA；双链，少数病毒为单链）（遗传功能单位）密码子水平（遗传信息单位）核苷酸水平（最低突变单位和交换单位）（一套，两套）基因（gene）是什么?是实体，其物质基础是DNA

（或RNA）；是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段；是遗传信息传递和性状分化发育的依据；基因是可分的，根据功能不同，分为：编码蛋白质的基因无翻译产物的基因不转录的DNA区段结构基因（结构蛋白，酶）调节基因（阻遏蛋白或激活蛋白）tRNA基因（简称tDNA

）

rRNA基因（简称rDNA

）启动子（promotor）操纵基因（operator）基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，它是遗传的功能单位。质粒（plas一种独胞质遗传因进行自主复制的细种微生物细胞中。质粒和转座因子mid）：立于染色体外，能子，主要存在于各位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；转座因子（transposable

element）：原核生物的质粒性质：自主复制；转移性；质粒的不亲和性；质粒可消除性；包括插入序列IS、转座子Tn和某些特殊病毒Mu。质粒的主要类型根据质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应分类:致育因子（Fertility

factor，F因子）抗性质粒（Resistance

factor，R因子）产细菌素的质粒（Bacteriocin

production

plasmid毒性质粒（virulence

plasmid）代谢质粒（Metabolic

plasmid）隐秘质粒（cryptic

plasmid）2µm质粒根据拷贝数或复制特点，质粒可分为：高拷贝数(high

copy

number)质粒（每个细胞中可以有10~100个拷贝,其复制和染色体的复制不同步）如ColE1、ColE2等———————松弛型质粒(relaxed

plasmid)低拷贝数(low

copynumber)质粒（每个细胞中只有1~2个拷贝,其复制行为与染色体的复制同步）如F因子，R100———————严谨型质粒(stringent

plasmid)窄宿主范围质粒(narrow

host

range

plasmid)（只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒(broad

host

range

plasmid)（可以在许多种细菌中复制）食品微生物学刘书亮5.2微生物的基因突变1、突变的类型2、突变的特点3、突变的机制野生型:------从自然界分离到的菌株一般称野生型菌株（wild

typestrain），简称野生型。突变株:-----野生型经突变后形成的带有新性状的菌株，称为突变株（mutant）。食品微生物学刘书亮染色体畸变：是指染色体较大范围内结构的变化，如缺失、重复、倒位、易位等以及染色体数目的变化。1、突变的类型突变：指遗传物质突然发生稳定的可遗传的变化，影响生物正常遗传的表型和性能的现象。1）突变涉及的范围，可分为:基因(点)突变：是指一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，涉及一对或少数几对碱基的置换、缺失或插入碱基置换：各种类型的转换和颠换移码突变：碱基对的增减则造成增减变异点以后全部密码及其编码的氨基酸改变。同种碱基的置换不同种碱基的置换？？食品微生物学刘书亮★营养缺陷突变型：抗性突变型：★抗药、紫外线、噬菌体；★条件致死突变型：形态突变型：抗原突变型：产量突变型：2）突变的表型可分为：（1）营养缺陷型（auxotroph）一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物（precursor）才能生长。营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段表型判断的标准：在基本培养基上能否生长特点：在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得营养缺陷型的表示方法：基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC（组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变）表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。（2）抗药性突变型（resistant

mutant）使菌株对某种或某几种药物（如抗生素），产生抗性。特点：正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得-----在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）表示方法：所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示strr

和strs

分别表示对链霉素的抗性和敏感性（3）条件致死突变型（conditional

lethal

mutant）203在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts（temperature

sensitive）表示，这类突变在高温下（如42℃）是致死的，但可以在低温（如25-30℃）下得到这种突变。特点：负选择标记这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因（4）形态突变型（morphological

mutant）造成形态改变的突变型特点：

非选择性突变突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。的筛选举例：

产蛋白酶缺陷突变株菌落颜色变化乳糖苷酶基因的插与兰色的非重组子分开。β半形成芽孢缺陷菌株入失活，使重组子菌落为白色而（5）抗原突变型由于突变引起的细胞抗原结构发生变异的类型。细胞壁缺陷变异荚膜、鞭毛成分变异（6）产量突变型通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变。正突变（plusmutant）负突变（minus

mutant）食品微~物学刘书亮3）突变的条件和原因自然突变：在自然条件下微生物发生的基因突变。突变率为10-8个左右。诱发突变：人工理化因素处理微生物引起的突变。物理诱变：化学诱变：复合诱变：定向培育和驯化：自发性非对应性稀有性独立性可诱变性稳定性可逆性2、基因突变的特点突变性状与突变原因不对应(如何证明)突变基因的性状是稳定的诱变剂可提高突变率，10-106倍自发突变几率低，10-6--10-9不同基因的突变互不影响回复突变证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！三个经典实验变量实验（讲）、涂布实验、影印实验基因突变自发性和非对应性的证明变量实验（fluctuation

analysis）Salvador

Luria

and

Max

Delbruck（1943）The

Nobel

Prize

in

Physiology

or

Medicine

1969对噬菌体T1敏感的E.coli

对数期培养物，稀释至103/mL,分装两试管，各10

mL与甲管分装的各小管同时保温24~36h甲管乙管Newcombe的涂布实验（1949）在涂布过的一组中，共长出抗性菌落353个，比未经涂布过的（28个菌落）高得多约繁殖了12.3代选用对T1

噬菌体敏感的

E.coli，以相等数目涂布于

12个平板上影印实验（replica

plating

）Joshua

Lederberg

and

Esther

Lederberg（1952）通过使菌不接触抗性环境而检查其抗性菌落的方法J.

Lederberg

is

awarded

the

Noble

Prize

inMedicine

and

Physiology

in

1958食品微生物学刘书亮3、基因突变的机制3.1自发突变的机制3.2诱发突变的机制突变真的与选择压力无关吗？？食品微生物学刘书亮3.1自发突变的机制多因素低剂量的诱变效应：微生物自身代谢产物的诱变效应：咖啡碱、硫氰化合物、二硫化二丙烯、重氮丝氨酸；H2O2互变异构效应：正-反的互变：碱基-脱氧核糖键旋转造成。4）环状突变效应

：向外环出 恢复正常错配食品微生物学刘书亮ATGC食品微生物学刘书亮食品微生物学刘书亮模板链复制链模板链复制链食品微生物学刘书亮3.2诱发突变的机制碱基对的置换移码突变染色体畸变直接间接该类诱变剂与碱基起化学反应，改变碱基的结构，导致错配。亚硝酸：G-C

A-T

转换互变各种烷化剂

：G-C

A-T

互变羟胺：只引起G-C

A-T

转换（专一性与C起反应）1）碱基置换——1）直接讲1次2次烷甲基磺酸乙酯（EMS）甲基磺酸甲酯（MMS）化剂

硫酸二乙酯（DES）N-甲基-N’-硝基-N-亚硝基胍(NTG)氮芥、硫芥环氧乙烷NTG：诱变作用强，称为超强诱变剂（突变率1%）；能诱发邻近位置的基因同时发生突变，即所谓并发突变。很多烷化剂除了能诱发点突变外，还能诱发染色体畸变。由于染色体畸变常为辐射所诱发，所以这些物质又称为拟辐射物质。烷化剂作用的主要机理是引起碱基上某些能形成氢键的集团发生烷基化。烷化位点主要在鸟嘌呤的N‐7位和腺嘌呤的N‐3位上，烷化后的碱基也像碱基结构类似物一样能引起碱基配对的错误。烷化剂的另一作用是使嘌呤整个地从DNA链上脱下来，产生一个缺口，在与缺口相对应的位点上就能配上任何一个碱基，从而引起转换或颠换。1）碱基置换——2）间接它们在DNA复制中能掺入DNA

分子中，由于其产生异构体的频引起碱基的一类与正常碱基结构相似的物质，称为碱基类似物。如：5-BU,

8-NG,

2-AP等。率高，因此发生的A错-误T

配对可A-T

A-BUA-TG-BUG-CA-BU加入5-BU

置换。食品微生物学刘书亮食品微生物学刘书亮扁平的三个苯环结构类似于碱基对的化合物，能插入DNA碱基对间，使碱基增加或缺失而造成。吖啶、吖啶黄、吖啶橙，5-氨基吖啶、溴化乙锭。2）移码突变食品微生物学刘书亮3）染色体畸变紫外线（UV）

、x射线、γ射线等、亚硝酸及烷化剂常用的非电离辐射诱变因子。作用机制：DNA链的断裂、

DNA双链的交联、嘧啶的水合作用相邻碱基形成嘧啶二聚体（TT,TC,CC）等。其中最主要的效应是TT的形成(链间、链内)。影响解链——复制与转录——死亡影响氢键—扭曲变形—碱基配对—突变或死亡食品微生物学刘书亮食品微生物学刘书亮食品微生物学刘书亮紫外损伤的修复系统（研究较详细）光复活作用（讲）切除修复作用重组修复作用紧急呼救（SOS）修复系统食品微生物学刘书亮光复活作用光解酶结合专一识别“T-T”黑暗酶-DNA光解

光照“T-T”拆开，酶再释放提高诱变率方法：用紫外线照射菌液后，要在红

灯下操作处理，再于暗室中或用黑布包起来培养。原理光可大大降低经紫外线照射后微生物死亡率的现象。可见食品微生物刘书亮学一种普遍的修复系统。能移去TT和修复大多数引起的DNA扭曲损伤。该修复系统不需要可见光，通过酶切作用移去损伤的碱基（包括损伤位点附近的一些碱基），随后合成一段正常

DNA链。4种酶参与内切核酸酶外切核酸酶

DNA聚合酶

DNA连接酶切除修复（excision

repair，又称暗修复）食品微生物学刘书亮重组修复一种越过损伤而进行的修复。这种修复不将损伤的碱基除去，而是通过复制后，经染色体交换，使子链上的空隙部位不再面对着嘧啶二聚体，而是面对着正常的单链，在这种情况下，DNA聚合酶和连接酶便能起作用，把空隙部分进行修复。留在亲链上的二聚体仍要依靠再一次的切除修复加以除去，或经细胞分裂而稀释掉。食品微生物学刘书亮这是细胞经诱导产生的一种应急反应.细胞中有许多基因和操纵子受RecA蛋白协同调控和LexA阻遏蛋白的抑制。SOS修复系统是由RecA蛋白诱导的，由于存在较多DNA损伤时，Rec