微生物遗传和变异

关于微生物遗传和变异遗传：亲代与子代相似变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传型：表型：生物的全部遗传因子所携带的遗传信息具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。遗传型（可能性）环境条件代谢，发育表型（现实性）第2页,共64页，2024年2月25日，星期天表型饰变：表型的差异只与环境有关特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变特点：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）.粘质沙雷氏菌产色素，斜面和液体在25℃培养产生红色色素，在37℃条件下培养则不产生色素。第3页,共64页，2024年2月25日，星期天第一节遗传变异的物质基础一、三个证明DNA是遗传物质的经典实验1、经典转化实验肺炎链球菌：S型：菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力。R型：菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力。第4页,共64页，2024年2月25日，星期天1928年，F.Griffth作了3组实验:第5页,共64页，2024年2月25日，星期天1944年，Avery精确重复了转化实验，确定了转化因子实验证明，将R菌转化为S菌的转化因子是DNA第6页,共64页，2024年2月25日，星期天2、噬菌体感染实验实验证明，进入细菌细胞内部的物质是DNA。DNA包含有产生完整噬菌体的全部信息。第7页,共64页，2024年2月25日，星期天3、植物病毒重建实验实验证明，遗传信息的流向与DNA的传递是一致的。第8页,共64页，2024年2月25日，星期天（一）微生物基因组结构的特点1、原核生物的基因组1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；2）基因组上遗传信息具有连续性；3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；5）基因组的重复序列少而短；二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式第9页,共64页，2024年2月25日，星期天2、真核微生物的基因组1）典型的真核染色体结构；2）没有明显的操纵子结构；3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；4）重复序列多；第10页,共64页，2024年2月25日，星期天3、原核生物和真核生物的基因组比较第11页,共64页，2024年2月25日，星期天（二）原核生物的质粒1、定义质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。第12页,共64页，2024年2月25日，星期天第13页,共64页，2024年2月25日，星期天2、结构特点通常以共价闭合环状超螺旋双链DNA分子存在具有自我复制能力；(3)质粒基因不是生长所必需，但决定宿主细胞的某些特性；(4)具有不相容性；可自行或以人工方法消除可从一个细菌转移给另一个细菌第14页,共64页，2024年2月25日，星期天3、质粒的主要种类质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应致育因子（Fertilityfactor，F因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性质粒（virulenceplasmid）代谢质粒（Metabolicplasmid）隐秘质粒（crypticplasmid）第15页,共64页，2024年2月25日，星期天第16页,共64页，2024年2月25日，星期天4、质粒在基因工程中的应用质粒的优点：（1）体积小，易分离和操作（2）环状，稳定（3）独立复制（4）拷贝数多（5）存在标记位点，易筛选E.coli的pBR322质粒是一个常用的克隆载体第17页,共64页，2024年2月25日，星期天第二节基因突变一、基因突变一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变、可遗传、自发或诱变产生基因突变狭义：点突变广义：基因突变和染色体畸变野生型（原始性状）基因突变突变型（新性状）第18页,共64页，2024年2月25日，星期天（一）突变类型突变株的表型选择性突变株非选择性突变株营养缺陷型抗性突变型条件致死突变型形态突变型抗原突变型产量突变型第19页,共64页，2024年2月25日，星期天（二）基因突变的特点1、自发性：各种性状的突变，可以在没有人为诱变因素下自发发生。2、不对应性：突变性状与引起突变的原因间无直接对应关系。3、稀有性：一般在10-6~10-10

。4、独立性：两个基因发生突变是各不相关的两个事件。5、可诱变性：过诱变剂的作用，可提高自发突变的频率，一般可提高10~105

。6、稳定性：产生的新性状可稳定遗传。7、可逆性：任何性状既有正向突变，也可发生回复突变。第20页,共64页，2024年2月25日，星期天（三）基因突变自发性和不对应性的实验证明三个经典实验变量实验涂布实验影印实验证明突变是自发产生的，并且突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系。野生型（原始性状）特定环境突变型（适应环境的新性状）驯化定向诱变筛选？？？突变的原因？第21页,共64页，2024年2月25日，星期天变量实验（fluctuationanalysis）第22页,共64页，2024年2月25日，星期天Newcombe的涂布实验（1949）第23页,共64页，2024年2月25日，星期天影印实验（replicaplating）第24页,共64页，2024年2月25日，星期天（四）基因突变及其机制第25页,共64页，2024年2月25日，星期天1、诱发突变：物理、化学核生物的因素，提高突变率的人为的作法（1）碱基的置换第26页,共64页，2024年2月25日，星期天碱基的置换引起的突变第27页,共64页，2024年2月25日，星期天（2）移码突变：添加或缺失核苷酸，引起阅读错误错误+错误-+正常---正常+++正常第28页,共64页，2024年2月25日，星期天（3）染色体畸变：缺失、重复、插入、易位、倒位第29页,共64页，2024年2月25日，星期天2、自发突变：无人为因素下的低频率突变原因：（1）背景辐射（2）有害产物积累（3）碱基错配第30页,共64页，2024年2月25日，星期天第三节基因重组一、原核生物的基因重组（一）转化供体菌受体菌DNA片段1928年，Griffith发现肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae）的转化现象,目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力进行自然转化，需要二方面必要的条件：第31页,共64页，2024年2月25日，星期天1、建立了感受态的受体细胞感受态细胞：具有摄取外源DNA能力的细胞

自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性，受细菌自身的基因控制；人工感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNA的能力，或人为地将DNA导入细胞内2、外源游离DNA分子（转化因子）第32页,共64页，2024年2月25日，星期天转化过程（革兰氏阳性菌的转化模型）第33页,共64页，2024年2月25日，星期天噬菌体DNA被感受态细胞摄取并产生有活性的病毒颗粒转染(transfection)：转染的特点：提纯的噬菌体DNA以转化的（而非感染）途径进入细胞并表达后产生完整的病毒颗粒。转化过程的特点：a）对核酸酶敏感；b）不需要活的DNA供体细胞；c）转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化供体菌株和转化受体菌株之间的亲源关系；d）通常情况下质粒的自然转化效率要低得多第34页,共64页，2024年2月25日，星期天（二）细菌的转导（transduction）由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式一个细胞的DNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中细菌转导的类型：普遍转导局限转导第35页,共64页，2024年2月25日，星期天普遍转导（generalizedtransduction）噬菌体可以转导供体菌染色体的任何部分到受体细胞中的转导过程.第36页,共64页，2024年2月25日，星期天普遍性转导的三种后果：外源DNA被降解，转导失败。进入受体的外源DNA通过与细胞染色体的重组交换而形成稳定的转导子流产转导第37页,共64页，2024年2月25日，星期天局限转导温和噬菌体感染整合到细菌染色体的特定位点上宿主细胞发生溶源化溶源菌因诱导而发生裂解时，在前噬菌体两侧的少数宿主基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体DNA上部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中第38页,共64页，2024年2月25日，星期天局限转导与普遍转导的主要区别：（a）局限转导中被转导的基因共价地与噬菌体DNA连接，与噬菌体DNA一起进行复制、包装以及被导入受体细胞中。而普遍性转导包装的可能全部是宿主菌的基因。（b）局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因导入受体，故称为局限性转导。而普遍性转导携带的宿主基因具有随机性。第39页,共64页，2024年2月25日，星期天（三）接合(conjugation)通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程。第40页,共64页，2024年2月25日，星期天接合机制(大肠杆菌的接合机制)接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导。F因子的分子量通常为5×107，上面有编码细菌产生性菌毛及控制接合过程进行的20多个基因。F因子为附加体质粒既可以脱离染色体在细胞内独立存在，也可插入（整合）到染色体上第41页,共64页，2024年2月25日，星期天F因子的四种细胞形式a）F-菌株(“雌性”菌株)，不含F因子，没有性菌毛，但可以通过接合作用接收F因子而变成F+菌株；b）F+菌株(“雄性”菌株)，

F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。c）Hfr菌株，F因子插入到染色体DNA上，细胞表面有性菌毛。d）F′菌株，Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，特称为F′因子。细胞表面同样有性菌毛。第42页,共64页，2024年2月25日，星期天1）F+×F-杂交理化因子的处理可将F因子消除而使F+菌株变成F-菌株第43页,共64页，2024年2月25日，星期天第44页,共64页，2024年2月25日，星期天2）Hfr×F-杂交Hfr菌株仍然保持着F+细胞的特征，具有F性菌毛，并象F+一样与F-细胞进行接合。所不同的是，当OriT序列被缺刻螺旋酶识别而产生缺口后，F因子的先导区(leadingregion)结合着染色体DNA向受体细胞转移。F因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此F因子不易转入受体细胞中。Hfr×F-杂交后的受体细胞(或接合子)大多数仍然是F-。第45页,共64页，2024年2月25日，星期天染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，频率也高。第46页,共64页，2024年2月25日，星期天第47页,共64页，2024年2月25日，星期天3）F′×F-杂交Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，特称为F′因子。F′×F-与F+×F-的不同：供体的部分染色体基因随F′一起转入受体细胞a）与染色体发生重组；b）继续存在于F′因子上，形成一种部分二倍体；细胞基因的这种转移过程又常称为性导（sexduction）、F因子转导（F-duction），或F因子媒介的转导（F-mediatedtransduction）。第48页,共64页，2024年2月25日，星期天第49页,共64页，2024年2月25日，星期天“接合”“转导”及“转化”这三种在自然界中存在的细菌遗传重组过程各自的特点：外源DNA的来源及进入途径有差异第50页,共64页，2024年2月25日，星期天第四节微生物遗传学的应用一、菌种选育（一）自然选育（二）诱变选育以微生物的自然变异作为基础的生产选种的机率并不很高，一个基因的自然突变频率仅10-6-10-10左右。诱变育种：以诱发突变为基础的育种，是迄今为止国内外提高菌种产量、性能的主要手段。诱变育种的原理是用物理或化学的方法人工诱导基因发生突变，从而引起菌体发生遗传的变异，在用合理的筛选方法从群体中筛选出少数具有优良性状的菌株。第51页,共64页，2024年2月25日，星期天二、Ames试验“生物化学统一性”法则：人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。诱变剂的共性原则：1.化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比2.超过95%的致癌物质对微生物有诱变作用3.90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用第52页,共64页，2024年2月25日，星期天美国加利福尼亚大学的BruceAmes教授于1966年发明，因此称为Ames试验。具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphmurium)组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率。回复突变：突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。第53页,共64页，2024年2月25日，星期天证明Ames试验重要性的应用实例：国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停”，由于其药效显著，在60-70年代十分流行。但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停”，后来采用Ames试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用。但如果能在这种药物上市之前就进行Ames试验检测，那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免。第54页,共64页，2024年2月25日，星期天三、菌种的衰退、复壮和保藏性状稳定的菌种是微生物学工作最重要的基本要求，否则生产或科研都无法正常进行。影响微生物菌种稳定性的因素：a）变异；b）污染；c）死亡。第55页,共64页，2024年2月25日，星期天（一）菌种的衰退与复壮菌种衰退的原因：大量群体中的自发突变纯菌种自发突变不纯菌种突变个体传代增殖原始个体衰退菌种衰退：菌种出现或表现出负变性状第56页,共64页，2024年2月25