第八章微生物的遗传与变异

微生物学主讲：张学舒目录第一章绪论第二章原核微生物第三章真核微生物第四章病毒第五章微生物的营养第六章微生物的代谢第七章微生物的生长及其控制第八章微生物的遗传与变异第九章微生物的生态学第十章传染与免疫第十一章微生物的分类第八章

微生物的遗传与变异第一节遗传变异的物质基础第二节基因突变和诱变育种第三节基因重组和杂交育种第四节基因工程第五节菌种的衰退、复壮和保藏遗传和变异遗传：生物繁殖与自已相同或相似的后代的现象变异：生物亲代与子代之间，子代个体之间有差异的现象主要体现在形态和生理性状遗传型→遗传信息表型→具体性状变异→改变了的遗传型饰变→不涉及遗传的表型变化第一节遗传变异的物质基础染色体：DNA+组蛋白（真核生物）

DNA（原核生物）DNA：脱氧核糖核酸

RNA：核糖核酸

基因：能够贮存和传送出一个遗传信息的DNA片段质粒：独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子转座因子：位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列基因组基因组：细胞中基因以及非基因的DNA序列组成的总称，包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能尚不清楚的DNA序列。一般情况下，细菌是一套基因（单倍体），真核微生物是二套基因（二倍体）。微生物基因组随不同类型（真细菌、古生菌、真核微生物）表现出多样性。核酸是遗传物质的证明1.转化实验:只有S型菌株的DNA才能将R型菌株转化为S型,S型转移给R型的不是遗传性状,而是遗传信息;2.噬菌体感染:进入宿主细胞的只有DNA,在DNA中存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息;3.植物病毒重建实验:在RNA病毒中,遗传的物质基础也是核酸.遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式(一)细胞水平:大部分DNA集中在细胞核或核区,不同种微生物或同种微生物的不同细胞中细胞核数量有所不同;细胞核水平:真核生物有细胞核,核内DNA与组蛋白构成核染色体.原核生物具无核膜的核区,DNA呈环状双链结构,不与蛋白质结合;染色体水平:不同生物的染色体数差别很大,微生物多数是单倍体;遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式(二)核酸水平:多数生物的遗传物质是DNA,少数是RNA.DNA和RNA有双链和单链之分;不同微生物的基因组大小差别很大;基因水平:最小的遗传功能单位,构成染色体.原核生物和真核生物的基因调控不同.密码子水平:DNA链上决定各具体氨基酸合成的特定核苷酸排列顺序;核苷酸水平:是遗传变异中的最低突变单位和交换单位.原核生物的质粒定义：独立于基因组以外的,能进行自主复制的细胞质遗传因子。构型：CCC型—共价闭合环状质粒

OC型—开环状质粒

L型—线型质粒特点：携带某些核基因组上缺少的基因，从而获得某些对其生存并非必不可少的特殊功能。

质粒在基因工程中的应用质粒利于基因工程操作的优点:1.体积小,便于DNA的分离和操作;2.环状结构在操作过程中能保持性能稳定;3.有独立复制的起始点;4.拷贝量多,外源DNA能很快扩增;5.存在选择性标记,便于含质粒克隆的检出和选择.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,可分为:1.致育因子(F因子)：与大肠杆菌的有性生殖有关；2.抗性因子(R因子)：带有抗药性和抗金属的基因；3.Col质粒：含有编码大肠菌素的基因；4.毒性质粒(Ti质粒)：具有编码毒素的基因；5.代谢质粒(Ri质粒、mega质粒、降解性质粒）：带有能降解某些基质的酶的基因；6.隐秘质粒：不显示任何表型效应。质粒的不亲和性一种类型的质粒导入到含有一种质粒的宿主细胞，几代后，子细胞中只含其中一种质粒，这种质粒不能共存同一细胞的特性称为不亲和性。同一细菌中并存的质粒属于不同的不亲和群；同一细菌中不能并存的质粒属于同一不亲和群；质粒的不亲和性主要与复制和分配有关，有不同复制因子或不同分配系统的质粒才能共存于同一细胞中。转座因子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。类型：1.插入顺序(IS):最简单的转座因子,只含有编码转座所必须的转座酶的基因;2.转座子(Tn):携带有授予宿主某些遗传特性的基因(抗生素和毒物的抗性基因)。3.某些特殊病毒.转座的遗传效应转座因子的转座可引发多种遗传学效应,在生物进化上有重要的意义,也成为遗传学研究的重要工具.这些遗传变化包括:1.插入突变:转座因子插入到某一基因中后,此基因的功能丧失,发生突变;2.染色体畸变:同一染色体上不同位置的二个复制的转座可能发生同源重组,这种重组可导致DNA的缺失或倒位—染色体畸变；3.基因移动和重排:转座可使染色体上相距甚远的基因组合一起,构成操纵子或表达单元,也可能产生具有新的生物学功能的基因或新的蛋白质分子。第二节基因重组和杂交育种基因重组：两个独立基因组的遗传基因，通过一定的途径转移到一起，形成新的稳定基因组的过程。细胞水平上的遗传重组称为杂交，基因重组是在分子水平上进行的。细胞水平上的杂交必然包含了分子水平上的重组。基因重组是水平方向的基因转移；这种转移可以发生在不同的微生物之间，也可能发生在微生物与高等动植物之间。一、原核生物的基因重组重组形式转化: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.转导:通过缺陷噬菌体的媒介,把供体细胞的小片段DNA携带到受体细胞中,通过交换与整合,使后者获得前者部分遗传性状的现象接合:供体菌通过性菌毛与受体菌直接接触,把F质粒或其携带的不同长度的核基因组片段传递给后者,使后者获得若干新遗传性状的现象.原生质体融合:通过人为的方法使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融合,借以获得兼有双亲遗传性状的重组子的过程.二、真核生物的基因重组重组形式有性杂交:不同遗传型的两性细胞间发生的接合和随之进行的染色体重组,进而产生新遗传型后代.准性生殖:在同种而不同菌株的体细胞间发生融合,它可不借减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子.原生质体融合:遗传转化:第三节基因突变和诱变育种概念狭义：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变而导致的遗传变化（点突变）；广义：大段染色体的缺失、重复、倒位所导致的遗传变化（染色体畸变）；基因突变是一切生物变化的根源，它与基因转移、基因重组一起推动了生物进化的遗传多变性。突变类型1.营养缺陷型:缺乏合成其生存所必须的营养物的突变;2.抗性突变型:基因突变使菌株对某些药物(抗生素)产生抗性的突变;3.条件致死突变型:在某一条件下具有致死效应,而另一条件下没有致死效应的突变;4.形态突变型:造成形态改变的突变;5.抗原突变型:由于基因突变引起细胞抗原结构发生的变异;6.产量突变型:因基因突变而在代谢产物产量上明显差别的突变;基因突变的特点1.自发性:突变可自发产生;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:自发突变的机率在10-6～10-94.独立性:一种基因的突变率不受它种基因突变率的影响;5.可诱变性:自发突变可因诱发剂的影响而大大提高(10～105);6.稳定性:突变后的新遗传性状是稳定的;7.可逆性:某一性状的突变可以是“正向”的,也可以是相反的.基因突变的机制1.自发突变：不经诱变剂处理而自然发生的突变。2.诱发突变:通过使用诱发剂而提高了突变率的自发突变.能使突变率提高到自发突变水平以上的物理、化学和生物因子称为诱变剂。诱变剂的使用不会产生新的突变，而只是提高了自发突变的突变率。自发突变特点1.非对应性:突变的发生与环境因子无对应性。2.稀有性:自发突变的频率(突变率)很低,一般在10-6–10-9

。3.规律性:特定微生物的某一特定性状的突变率具有一定的规律性。4.独立性:引起各种性状改变的基因突变彼此是独立的,即某种细菌均可以一定的突变率产生不同的突变,一般互不干扰。5.遗传和回复性:突变是遗传物质结构的改变,因此是可以稳定的遗传的.但同样的原理也可以导致突变的回复,使表型回复到野生型状态。6.可诱变性:通过理化因子等诱变剂的诱变作用可提高自发突变的频率,但不改变突变的本质.。诱发突变诱发突变点突变：碱基置换移码突变畸变：缺失添加易位倒位人工诱变方法1.物理诱变电离辐射：x-射线、

-射线非电离辐射：紫外线、激光、离子束2.化学诱变烷化剂碱基类似物吖啶化合物电离辐射直接打击细胞核酸，引起核酸电离直接打击细胞内水，引起水电离，形成自由基H、OH与核酸反应，产生次生电离作用结果：DNA大分子断裂，双螺旋氢链断裂等，导致基因突变或细胞死亡非电离辐射原理：DNA对波长254nm紫外线有强吸收作用作用：DNA断裂，形成胸腺嘧啶二聚体结果：碱基顺序变化→突变第四节基因工程是指对遗传信息的分子操作和施工,把分离到的或合成的基因经过改造,插入载体中,导入宿主细胞内,使其扩增和表达,从而获得大量基因产物,或者令生物表现出新的性状.基因工程在20世纪70年代出现。DNA的特异切割、DNA的分子克隆和DNA的快速测序三项关键技术的建立为基因工程奠定了基础。微生物在基因工程的兴起和发展中起着不可替代的作用。基因工程的基本过程1.分离或合成基因;2.通过体外重组将基因插入载体;3.将重组DNA导入细胞;4.扩增克隆的基因;5.筛选重组体克隆;6.对克隆的基因进行鉴定或测序;7.控制外源基因的表达;8.得到基因产物或转基因动物、转基因植物。外源供体克隆载体(染色体DNA

或表达载体或化学合成DNA)

酶切和连接└──────────┬──────┘

↓

重组载体

↓←转化宿主细胞

↓←扩增

↓←筛选定位诱变重组体克隆寡核苷酸

│←鉴定、测序┌──────────┬──────────┐工程菌工程动物工程植物↓←后处理└────┬─────┘表达产物↓←选育优良品种第五节菌种的衰退、复壮和保藏遗传性的变异是绝对的,而其稳定性是相对的;在变异中退化性的变异是大量的,而进化性的变异是个别的.衰退:由于自发突变的结果,物种原有一系列生物学性状发生量变或质变的现象.复壮:采取纯种分离和生产性状的测定工作,选择具有典型特征或生产性状的菌种.保藏:采用低温冷藏的方式,将典型菌种或典型培养物的优良纯种长期休眠,使之不死、不衰、不乱，保持原菌优良性状，以达到便于研究、交换和使用等目的。细菌衰退的表现1.原有形态性状典型性消退;2.生长速度变慢,产生的孢子变少;3.代谢产物生产能力下降,出现负变;4.致病菌对宿主侵染力下降或消失;5.对外界不良条件的抵抗力下降.菌种的衰退是发生在微生物细胞群中一个由量变到质变的逐步演化过程.菌种的复壮1.纯种分离法——菌落纯和菌株纯；平板表面涂布法菌落纯平板划线法琼脂培养基浇注法纯种分离