第四章微生物的遗传变异

第四章微生物的遗传变异第一节微生物的遗传一、遗传和变异的物质基础——DNA生物遗传的物质基础是什么？答案是DNA。亲代将各种遗传性状通过DNA传递给子代，子代获得DNA后形成一定的蛋白质，将遗传特性表现出来。什么方法最终证明了遗传的物质基础是DNA呢？1.格里菲斯经典转化实验（1928）及埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（1941）。2.赫西和蔡斯大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌实验。（1952）3.植物病毒拆分重建，Fraenkel-Conrat（1956）（一）三个经典转化实验格里菲斯经典转化实验（1928）——肺炎双球菌转化实验R型菌（粗糙、无毒性）S型菌（光滑、有毒性）多糖类荚膜将R型活菌注入小鼠体内一段时间后将S型活菌注入小鼠体内一段时间后将杀死的S型菌注入小鼠体内一段时间后将R型活菌与杀死的S型菌注入小鼠体内一段时间后细菌发生转化，性状的转化可以遗传。DNA蛋白质多糖RNADNA是遗传物质（二）引起R型肺炎球菌转化结果二、遗传物质——DNA（一）DNA的结构1953年，Watson、Crick提出DNA的双螺旋模型，为合理解释遗传物质的各种功能奠定了基础。Watson—Crick模型是右手螺旋，碱基的平面对DNA分子的中轴是垂直的。DNA的化学结构（1）脱氧核糖碱基磷酸AGCT基本单位－脱氧核苷酸DNA的化学结构（2）A腺嘌呤脱氧核苷酸G鸟嘌呤脱氧核苷酸C胞嘧啶脱氧核苷酸T胸腺嘧啶脱氧核苷酸脱氧核苷酸的种类DNA的化学结构（3）连接

ATGCATGC（二）基因基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制能力的遗传功能单位。是ＤＮＡ分子上一个具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。基因是具有固定的起点和终点的核苷酸或密码的线性序列。三、遗传物质的存在状态

(一)在真核生物中的存在状态

1、染色体

染色体DNA的分子量真核生物大于原核生物。真核生物的染色体为线状结构。DNA和组蛋白等蛋白结合。DNA中存在大量的不编码DNA序列(如内含子)。

2、染色体外的DNA

——细胞器中的DNA真核微生物的染色体外的DNA主要存在细胞器中。细胞器包括叶绿体、线粒体等。其DNA分子结构与原核生物的染色体相同，为环状。具有独立的复制能力。(二)原核生物和病毒中的存在状态

1、染色体DNA细菌的遗传物质双链环状DNA;无组蛋白与其相结合;与细胞膜结合;只有一个复制启始位点。病毒中则有DNA或RNA，双链或单链，线状或环状。2、质粒质粒（plasmid）：一种独立于核基因组以外，具有自主复制能力的小型闭合环状dsDNA分子。（1）定义大小：1.5~300kb，仅相当于核基因组的1%，携带有数个到数十个甚至上百个基因。可以游离态形式或附加体（episome）的形式存在；（2）性质可转移性；赋于细菌特殊功能；可消除性；具有自我复制能力。（3）质粒的主要种类质粒所编码的功能致育因子（Fertilityfactor，F因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）Col质粒（colicinplasmid）Ti质粒（tumorinducingplasmid）代谢质粒（Metabolicplasmid）四、遗传过程共分成四个阶段1.DNA的复制细胞将某特定段DNA链进行复制。2.mRNA的转录DNA双链打开后，以单链为模板，按照碱基配对原则复制RNA。将DNA上的信息转给RNA。3.翻译由tRNA完成。通过反密码子与mRNA密码子的互补，tRNA破译氨基酸的密码，进而将所需氨基酸送到核糖体处。4.蛋白质的合成特定的碱基顺序密码送到核糖体，氨基酸按照顺序连接在一起，在酶的作用下形成多肽链，进而形成蛋白质，最终将遗传信息表达出来。基因突变（genemutation):泛指细胞内遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。基因突变狭义：基因突变（点突变）广义：基因突变和染色体畸变一、基因突变第二节微生物的变异二、突变类型（一）突变株的表型选择性突变株营养缺陷型形态突变型条件致死突变型抗性突变性非选择性突变株抗原突变型产量突变型（二）突变率：一般基因的自发突变率为10-6~-9（三）突变的特性1、自发性和不对应性2、自发突变概率低3、独立性4、稳定性5、诱变性6、可逆性（一）自发突变机制背景辐射和环境因素；微生物自身有害代谢物的诱变效应，如过氧化氢；互变异构效应——酮式至烯醇式。

三、基因突变的机理一对碱基被另外的一对碱基置换。转换(transition)：即DNA链中的一个嘌呤被嘌呤或嘧啶被嘧啶所置换。颠换(transversion)：即一个嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤所置换。（二）诱发诱变1、碱基的置换2、移码突变诱变剂使DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增加或缺失，从而使后面的全部遗传密码发生转录和转译错误。转座因子(transposibleelement),跳跃基因(jumpinggene)可在染色体上移动，而且还可从一个染色体跳到另一个染色体，能改变自身位置的一段DNA顺序，称为-，或跳跃基因，或可移动基因。从基因组一个位置转移到另一个位置---即转位。转位因子3、染色体畸变四、DNA的损伤及其修复嘧啶嘧啶二聚体UV1、光复活作用嘧啶二聚体嘧啶光解酶（二）切除修复（暗修复）（三）重组修复

从另外相同或相似的DNA分子上取得相应的片段来修复损伤的DNA。这种修复DNA的双链要重新排列组合，所以叫重组修复。（四）SOS修复——DNA紧急修复基因。基因重组（遗传重组）：指两个基因组内的遗传基因，通过一定的途径转移到一起，形成新的稳定基因组的过程。原核生物基因重组：转化、转导、接合和原生质体融合。真核生物基因重组：有性杂交.准性杂交.原生质体融合。第三节微生物的基因重组一、原核微生物的基因重组（一）转化（transformation）1、概念：转化（作用）是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。转化因子：起转化作用的供体细胞DNA片段。2、转化的特点1）转化一般只发生在同一物种或近缘物种之间。目前只在肺炎双球菌、大肠杆菌、芽抱杆菌属、嗜血菌属、假单胞杆菌属等属的某些菌种和少数真菌中发现。2）受体细胞只有处于感受态阶段才能吸收供体的DNA（即转化因子）。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的受体。

3、转化过程：可分四步（1）供体DNA片段与受体细胞表面的膜结合，其中一条链被核酸酶水解，另一条进入细胞。（2）同源区内发生基因重组，进入受体菌的一条DNA片段寻找同源区，在同源区进行基因重组。（3）基因重组的杂合区随同受体DNA一起复制。（4）重组细胞分裂，形成一个转化子和一个仍保持受体原来基因型的子代。

转化过程（二）转导（transductlo）

1、概念：以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移入受体菌，使受体菌获得新的性状。

转导现象是辛德尔（N．Zinder）和莱德贝尔格（J．Lederberg）在1952年研究鼠伤寒沙门氏菌重组时发现的。由于绝大多数细菌都有噬菌体，因而转导作用远较转化作用普遍。2、分类

普遍性转导（generalizedtransduction）局限性转导（restrictedtransduction）

（1）普遍性转导（generalizedtransduction）概念：

通过噬菌体将供体菌任意DNA片段转移至受体菌的转导现象。普遍性转导的过程

因为错误是随机的，被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为普遍性转导。（2）局限性转导概念：前噬菌体两侧的宿主染色体基因转移给受体菌的过程。

（三）接合1、

概念：供体菌（“雄性”）通过性菌毛与受体菌（“雌性”）直接接触，把F质粒传递给后者，使后者获得若干新遗传性状的现象。通过接合而获得新遗传性状的受体细胞称为接合子。

F+F-有质粒,菌毛无质粒,菌毛F+菌F–菌2、接合的特点：

1）需要供体菌和受体菌的直接接触；2）是一种较为低级的有性生殖方式；3）能发生接合作用的细菌大多数是革兰氏阴性菌；如大肠杆菌及假单胞菌等。少数革兰氏阳性菌，如链霉菌属、诺卡氏菌属等也能发生接合作用。

4）接合作用的雄性菌体内含有性因子F因子，因而称为雄性菌株，常用F+表示；雌性菌株缺少F因子，用F-表示。5）F因子是一种染色体外的环状DNA。二、真核微生物的基因重组（一）有性杂交(sexualhybridization)

有性杂交指性细胞间的接合和随之发生的染色体重组，并产生新的遗传型后代的一种育种技术。

（二）准性杂交(parasexualreproduction)

有一类不产生有性孢子的丝状真菌，不经过减数裂就能导致低频率基因重组并产生重组子生殖过程称为准性生殖。

（三）原生质融合

1、原生质融合过程2、操作步骤：

（1）加标记或选择具标记亲株

（2）制备原生质体选择合适的酶系

*制备原生质体应注意几个问题:

①菌龄②酶浓度

③酶处理时间及温度

④pH

⑤渗透压稳定剂

（3）原生质体融合

助融方法：化学：PEG(聚乙二醇)物理方法：激光、高压脉冲电场电融合法的过程

分为两个阶段：第一阶段是原生质体在电场的作用下，产生极化，排列成串球状，细胞间两两相互粘连；第二阶段是在高压电场力的作用下，粘连成串的原生质体的细胞膜磷脂双分子层发生微团化，使生物膜自然的融合。（4）原生质体再生

（5）融合子的选择

①直接法：将融合液涂布于不补充两亲株必须营养物（基础培养基）或补充有两种