第七講微生物的遺傳與變異

1、第八章 微生物的遺傳與變異,（1）個(gè)體的體制極其簡(jiǎn)單；（2）營(yíng)養(yǎng)體一般都是單倍體；（3）易于在成分簡(jiǎn)單的組合培養(yǎng)基上大量生長(zhǎng)繁殖；（4）繁殖速度快；（5）易于積累不同的中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物；（6）菌落形態(tài)特征的可見性和多樣性；（7）環(huán)境條件對(duì)微生物群體中各個(gè)個(gè)體作用的直接性和均一性；（8）易于形成營(yíng)養(yǎng)缺陷型；（9）各種微生物一般都有相應(yīng)的病毒；（10 存在多種處于進(jìn)化過(guò)程中的原始有性生殖方式；,

2、微生物是遺傳學(xué)研究的最好材料和對(duì)象,微生物是研究現(xiàn)代遺傳學(xué)和其它許多主要的生物學(xué)基本理論問(wèn)題中最熱衷的研究對(duì)象。對(duì)微生物遺傳規(guī)律的深入研究，不僅促進(jìn)了現(xiàn)代分子生物學(xué)和生物工程學(xué)的發(fā)展，而且為育種工作提供了豐富的理論基礎(chǔ)，促使育種工作從不自覺(jué)到自覺(jué)、從低效到高效、從隨機(jī)到定向、從近緣雜交到遠(yuǎn)緣雜交的方向發(fā)展。,研究微生物遺傳學(xué)的意義,遺傳與變異的概念,遺傳和變異是生物體的最本質(zhì)的屬性之一。遺傳(heredity)：親代生物的性狀在子代

3、得到表現(xiàn)；親代生物傳遞給子代一套實(shí)現(xiàn)與其相同形狀的遺傳信息。特點(diǎn)：具穩(wěn)定性。遺傳型（genotype）：又稱基因型，指某一生物個(gè)體所含有的全部基因的總和；------是一種內(nèi)在可能性或潛力。 遺傳型 + 環(huán)境條件 表型表型（phenotype）：指生物體所具有的一切外表特征和內(nèi)在特性的總和;------是一種現(xiàn)實(shí)存在，是具一定遺傳型的生物在一定

4、條件下所表現(xiàn)出的具體性狀。,變異(variation):生物體在外因或內(nèi)因的作用下，遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或數(shù)量發(fā)生改變。變異的特點(diǎn)：a.在群體中以極低的幾率出現(xiàn)，（一般為10-6～10-10）；b.形狀變化的幅度大； c. 變化后形成的新性狀是穩(wěn)定的，可遺傳的。飾變（modification）：指不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上的表型變化。特點(diǎn)是：a.幾乎整個(gè)群體中的每一個(gè)個(gè)體都發(fā)生同樣的變化；b.性狀變化的幅度??；c.因遺

5、傳物質(zhì)不變，故飾變是不遺傳的。引起飾變的因素消失后，表型即可恢復(fù)。,例如：粘質(zhì)沙雷氏菌：在25℃下培養(yǎng)，產(chǎn)生深紅色的靈桿菌素；在37℃下培養(yǎng)，不產(chǎn)生色素；如果重新將溫度降到25℃，又恢復(fù)產(chǎn)色素的能力。,遺傳與變異的概念,表型飾變：,表型的差異只與環(huán)境有關(guān)特點(diǎn)：暫時(shí)性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個(gè)體的行為,Production of a red pigment (prodigiosin) by Serratia marcescens.

6、60; From left to right: slant culture grown at 25°C, slant culture grown at 37°C, broth culture grown at 25°C, broth culture grown at 37°C.,遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)-核酸微生物的遺傳物質(zhì)微生物遺傳物質(zhì)的復(fù)制基因突變與誘變育種基因重組與雜交菌種的衰退與保藏,

7、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ),種質(zhì)連續(xù)理論：1883~1889年間Weissmann提出。認(rèn)為遺傳物質(zhì)是一種具有特定分子結(jié)構(gòu)的化合物?；?qū)W說(shuō)：1933年摩爾根（Thomas Hunt Morgan）發(fā)現(xiàn)了染色體，并證明基因在染色體上呈直線排列，提出了基因?qū)W說(shuō)，使得遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的范圍縮小到染色體上。但染色體是由核酸和蛋白質(zhì)兩種長(zhǎng)鏈高分子組成。20多種氨基酸經(jīng)過(guò)不同排列組合，可以演變出的蛋白質(zhì)數(shù)目幾乎可以達(dá)到一個(gè)天文數(shù)字，而核酸的組成卻簡(jiǎn)單得多

8、，一般僅由4種不同的核苷酸組成，它們通過(guò)排列核組合只能產(chǎn)生較少種類的核酸，因此當(dāng)時(shí)認(rèn)為決定生物遺傳型的染色體和基因，起活性成分是蛋白質(zhì)。DNA是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)的證明：1944年以后，先后有利用微生物為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行的三個(gè)著名實(shí)驗(yàn)的論證（肺炎球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn)、噬菌體感染試驗(yàn)、病毒的拆開與重建試驗(yàn)），才使人們普遍接受核酸才是真正的遺傳物質(zhì)。,轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)植物病毒重建實(shí)驗(yàn)朊病毒的發(fā)現(xiàn)與思考,,1928年，Griffi

9、th進(jìn)行了以下幾組實(shí)驗(yàn)：（1）動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)小鼠注射活RII菌或死SIII菌 ————小鼠存活對(duì)小鼠注射活SIII菌————————小鼠死亡對(duì)小鼠注射活RII菌和熱死SIII菌 ———小鼠死亡抽取心血分離活的SIII菌,（一）經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（transformation）：F.Griffith，研究對(duì)象：Streptococcus pneumoniae（肺炎雙球菌）SIII型菌株：有莢膜，菌落表面光滑，有致病性

10、RII型菌株：無(wú)莢膜，菌落表面粗糙，無(wú)致病性,,Griffith轉(zhuǎn)化試驗(yàn)示意,混合培養(yǎng),RII型活菌,SIII型活菌,SIII型熱死菌,RII型活菌,SIII型活菌,健康,健康,健康,健康,健康,健康,健康,病死,病死,病死,（2）細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),（3）S型菌的無(wú)細(xì)胞抽提液試驗(yàn),以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：加熱殺死的SIII型細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)可能存在一種轉(zhuǎn)化物質(zhì)，它能通過(guò)某種方式進(jìn)入RII型細(xì)胞并使RII型細(xì)胞獲得穩(wěn)定的遺傳性狀，轉(zhuǎn)變?yōu)镾III型細(xì)胞。,

11、熱死SIII菌—————不生長(zhǎng)活 RII 菌—————長(zhǎng)出RII菌熱死SIII菌—————長(zhǎng)出大量RII菌和10-6SIII菌,活R菌+S菌無(wú)細(xì)胞抽提液——長(zhǎng)出大量R菌和少量S菌,+活RII菌,平皿培養(yǎng),①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白質(zhì)⑥加S菌的莢膜多糖,活R菌,長(zhǎng)出S菌,只有R菌,1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCa

12、rty從熱死S型S. pneumoniae中提純了可能作為轉(zhuǎn)化因子的各種成分，并在離體條件下進(jìn)行了轉(zhuǎn)化試驗(yàn)：,只有S型細(xì)菌的DNA才能將S. pneumoniae的R型轉(zhuǎn)化為S型。且DNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高。說(shuō)明S型菌株轉(zhuǎn)移給R型菌株的，是遺傳因子。,,美國(guó)微生物學(xué)家赫爾希（A·D·Hershey，1908～）,,植物病毒的重建實(shí)驗(yàn),為了證明核酸是遺傳物質(zhì)，H. Fraenkel-Conrat（1956）用含R

13、NA的煙草花葉病毒（TMV）進(jìn)行了著名的植物病毒重建實(shí)驗(yàn)。將TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質(zhì)外殼與RNA核心相分離。分離后的RNA在沒(méi)有蛋白質(zhì)包裹的情況下，也能感染煙草并使其患典型癥狀，而且在病斑中還能分離出正常病毒粒子。,選用TMV和霍氏車前花葉病毒（HRV），分別拆分取得各自的RNA和蛋白質(zhì)，將兩種RNA分別與對(duì)方的蛋白質(zhì)外殼重建形成兩種雜合病毒：,（1）RNA（TMV）­ 蛋白質(zhì)（HRV）（2）RNA

14、（HRV）­ 蛋白質(zhì)（TMV）用兩種雜合病毒感染寄主：（1）表現(xiàn)TMV的典型癥狀病分離到正常TMV粒子（2）表現(xiàn)HRV的典型癥狀病分離到正常HRV粒子。上述結(jié)果說(shuō)明，在RNA病毒中，遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)也是核酸。,MTV HRV,HRV MTV,,朊病毒的發(fā)現(xiàn)和思考,朊病毒含有微量的核酸，仍未發(fā)現(xiàn)？朊病毒僅由蛋白質(zhì)構(gòu)成朊病毒的遺傳物質(zhì)為蛋白質(zhì)？,人的庫(kù)魯病(kuru)、克雅氏病(Creutzfeldt Jak

15、ob disease, CJD)等,羊搔癢癥(scrapie),牛海綿狀腦病(spongiform encephalopathy),其致病作用是由于動(dòng)物體內(nèi)正常的蛋白質(zhì)PrP c改變折疊狀態(tài)為PrP sc所致，而這二種蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變。,Prusiner (1982)提出羊搔癢病因子是一種蛋白質(zhì)侵染顆粒（proteinaceous infectious particle），并將之稱做Prion或Virino。

16、 -------朊病毒,1997年，Stanley B. Prusiner榮獲諾貝爾獎(jiǎng),1）蛋白質(zhì)是否可以作為遺傳物質(zhì)？ prion是生命的一個(gè)特例？還是僅僅為表達(dá)調(diào)控的一種形式？,2）蛋白質(zhì)折疊與功能的關(guān)系，是否存在折疊密碼？,DNA→RNA→肽鏈→蛋白質(zhì),,原核生物的遺傳物質(zhì)真核生物的遺傳物質(zhì)病毒的遺傳物質(zhì),,染色體/類核/

17、擬核/核質(zhì)—裸露的共價(jià)、閉合、環(huán)狀的ds-DNA。質(zhì)粒轉(zhuǎn)座因子,,原核生物的質(zhì)粒,定義：是一類小型共價(jià)閉合環(huán)狀核外DNA，能獨(dú)立于細(xì)胞核進(jìn)行自主復(fù)制。可以通過(guò)交換摻入細(xì)胞核成為附加體；可以從寄主細(xì)胞中消除。 近年來(lái)也發(fā)現(xiàn)了線性雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒大?。?~100×106Da，含有數(shù)個(gè)到數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)基因。性質(zhì)：質(zhì)粒是一種復(fù)制子，分為嚴(yán)緊型和松弛型，嚴(yán)緊型質(zhì)粒的復(fù)制受細(xì)胞核控制，一般一個(gè)寄主細(xì)胞內(nèi)

18、有2~3個(gè)；松弛型質(zhì)粒的復(fù)制不受細(xì)胞核控制，在細(xì)胞內(nèi)的數(shù)量可以達(dá)到10-15個(gè)。功能：進(jìn)行細(xì)胞間接合并帶有一些基因，如產(chǎn)生毒素、抗藥性、降解功能等。重組：在質(zhì)粒之間、質(zhì)粒與染色體之間菌可發(fā)生。,原核生物的質(zhì)粒,存在范圍：很多細(xì)菌如E.coli、Shigella、S.aureus、Streptococcus lactis Agrobacterium tumefaciens et al。制備：包括增殖、裂解細(xì)胞、分離質(zhì)粒與染色體和蛋白

19、質(zhì)等成分、去除RNA和蛋白質(zhì)等步驟。鑒定：電鏡觀察、電泳、密度梯度離心、限制性酶切圖譜等方法。,質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通常以共價(jià)閉合環(huán)狀(covalently closed circle，簡(jiǎn)稱CCC)的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細(xì)胞中；也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒；質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb； （ 細(xì)菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）,質(zhì)粒的類型,嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒(stringent plasmid)：復(fù)制行為與

20、核染色體的復(fù)制同步，低拷貝數(shù)松弛型質(zhì)粒(relaxed plasmid)：復(fù)制行為與核染色體的復(fù)制不同步，高拷貝數(shù),窄宿主范圍質(zhì)粒(narrow host range plasmid)（只能在一種特定的宿主細(xì)胞中復(fù)制）,廣宿主范圍質(zhì)粒(broad host range plasmid)（可以在許多種細(xì)菌中復(fù)制）,,,質(zhì)粒的基本特性：,1、質(zhì)粒一般是閉合、環(huán)狀、雙鏈DNA（ccc dsDNA）分子；2、能自主復(fù)制；3、相容性

21、或不相容性（incompatility）;4、質(zhì)粒所攜帶的基因不是細(xì)胞生長(zhǎng)所必需的，常賦予宿主細(xì)胞某些特性；5、質(zhì)粒能從宿主細(xì)胞自發(fā)消除；6、質(zhì)?？梢詮囊粋€(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移給另一個(gè)細(xì)菌。,質(zhì)粒在基因工程中的應(yīng)用質(zhì)粒的優(yōu)點(diǎn)：（1）體積小，易分離和操作（2）環(huán)狀，穩(wěn)定（3）獨(dú)立復(fù)制（4）拷貝數(shù)多（5）存在標(biāo)記位點(diǎn)，易篩選E. coli的pBR322質(zhì)粒是一個(gè)常用的克隆載體,質(zhì)粒的檢測(cè)：,提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；,超速離

22、心或瓊脂糖凝膠電泳后觀察；,對(duì)于實(shí)驗(yàn)室常用菌，可用質(zhì)粒所帶的某些特點(diǎn)， 如抗藥性初步判斷。,質(zhì)粒的主要種類,質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng),,致育因子（Fertility factor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistance factor，R因子）產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）毒性質(zhì)粒（

23、virulence plasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolic plasmid）隱秘質(zhì)粒（cryptic plasmid）,,幾種代表性質(zhì)粒：,1.F-因子（fertility factor）致育因子/性因子，62×106Dalton，94.5kb，相當(dāng)于核染色體DNA2%的環(huán)狀雙鏈DNA，足以編碼94個(gè)中等大小多肽，其中1/3基因（tra區(qū)）與接合作用有關(guān)。存在于腸細(xì)菌屬、假單胞菌屬、嗜血桿菌、奈瑟氏球菌、鏈球菌等

24、細(xì)菌中，決定性別。,,2.R（抗生素抗性和重金屬抗性）因子（resistence factor）最初發(fā)現(xiàn)于痢疾志賀氏菌（Shigella dysenteriae），后來(lái)發(fā)現(xiàn)還存在于Salmonella、Vibrio、Bacillus、Pseudomonas和Staphylococcus中。R因子由相連的兩個(gè)DNA片段組成，即抗性轉(zhuǎn)移因子（resistence transfor factor， RTF ）和抗性決定因子（r-deter

25、minant），RTF控制質(zhì)粒copy數(shù)及復(fù)制，抗性決定因子帶有抗生素或重金屬的抗性基因。R-因子在細(xì)胞內(nèi)的copy數(shù)可從1~2個(gè)到幾十個(gè)，分為嚴(yán)緊型和松弛型兩種，經(jīng)氯霉素處理后，松弛型質(zhì)?？蛇_(dá)2000~3000個(gè)/細(xì)胞。,,3、產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）,細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因、 涉及細(xì)菌素運(yùn)輸及發(fā)揮作用（processing）的蛋白質(zhì)的基因、 賦予

26、宿主對(duì)該細(xì)菌素具有“免疫力”的相關(guān)產(chǎn)物的基因,一般都位于質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，因此，細(xì)菌素可以殺死同種但不攜帶該質(zhì)粒的菌株。,,,3、產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）,細(xì)菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進(jìn)行命名：,大腸桿菌（E. coli）產(chǎn)生的細(xì)菌素為colicins（大腸桿菌素），而質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。,由G+細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素或與細(xì)菌素類似的因子與colicins有所不同，但通常也是由質(zhì)?；?/p>

27、編碼，有些甚至有商業(yè)價(jià)值，例如一種乳酸細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素NisinA能強(qiáng)烈抑制某些G+細(xì)菌的生長(zhǎng)，而被用于食品工業(yè)的保藏。,3.Col因子（colicinogenic factor）產(chǎn)大腸桿菌素因子。大腸桿菌素是一種由E.coli的某些菌株所分泌的細(xì)菌蛋白，具有通過(guò)抑制復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯或能量代謝等而專一地殺死不含Col因子的近緣的其它腸道細(xì)菌。凡帶Col因子的菌株，由于質(zhì)粒本身編碼一種免疫蛋白，從而對(duì)大腸桿菌素有免疫作用，不受其傷

28、害。有些G+細(xì)菌也產(chǎn)生細(xì)菌素，如用于食品保藏的NisinColE1研究得很多，并被廣泛地用于重組DNA 的研究和用于體外復(fù)制系統(tǒng)上。,,4.毒性質(zhì)粒（virulence plasmid） 與致病菌的致病性有關(guān)。許多致病性是由所攜帶的質(zhì)粒引起的。如產(chǎn)毒素大腸桿菌中腸毒素編碼的質(zhì)粒；蘇云金芽胞桿菌編碼δ內(nèi)毒素的質(zhì)粒等。,,5.降解性（代謝）質(zhì)粒如假單胞菌屬中發(fā)現(xiàn)。它們的降解性質(zhì)?？蔀橐幌盗心芙到鈴?fù)雜物質(zhì)的酶編

29、碼，從而能利用一般細(xì)菌所難以分解的物質(zhì)做碳源。這些質(zhì)粒以其所分解的底物命名，例如有分解CAM（樟腦）質(zhì)粒，XYL（二甲苯）質(zhì)粒，SAL（水楊酸）質(zhì)粒，MDL（扁桃酸）質(zhì)粒，，NAP（奈）質(zhì)粒和TOL（甲苯）質(zhì)粒等。,,6.隱秘質(zhì)粒不顯示任何表型效應(yīng)，只能通過(guò)物理的方法檢測(cè)的質(zhì)粒。如酵母菌的2um質(zhì)粒。,,40年代B. McClintock對(duì)玉米的遺傳研究而發(fā)現(xiàn)染色體易位，打破了基因是固定在染色體DNA上的一些不可移動(dòng)的核苷酸片段的說(shuō)法

30、。有些DNA片段不但可在染色體上移動(dòng)，而且還可從一個(gè)染色體跳到另一個(gè)染色體，從一個(gè)質(zhì)粒跳到另一個(gè)質(zhì)?；蛉旧w，甚至還可從一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞。在這些DNA順序的跳躍過(guò)程中，往往導(dǎo)致DNA鏈的斷裂或重接，從而產(chǎn)生重組交換或使某些基因啟動(dòng)或關(guān)閉，結(jié)果導(dǎo)致突變的發(fā)生。這似乎就是自然界所固有的“基因工程”。目前已把在染色體組中或染色體組間能改變自身位置的一段DNA順序稱為轉(zhuǎn)座因子（transposible element），也稱作跳躍基因（

31、jumping gene）或可移動(dòng)基因（movable gene）。,轉(zhuǎn)座因子,,插入（IS）序列轉(zhuǎn)座子(Tn)特殊病毒（Mu噬菌體）,,定義：可在DNA鏈上改變自身位置的一段DNA序列。,原核生物中的轉(zhuǎn)座子類型,,插入序列（IS，insertion sequence),分子量最?。▋H0.7~1.4kb），只有引起轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座酶基因而不含其它基因，具有反向末端重復(fù)序列。已在染色體、F因子等質(zhì)粒上發(fā)現(xiàn)IS序列。E . coli的F因子和

32、核染色體組上有一些相同的IS，通過(guò)這些同源序列間的重組，就可使 F因子插入到E . coli的核染色體組上，形成Hfr菌株。因IS在染色體組上插入的位置和方向的不同，其引起的突變效應(yīng)也不同。IS被切離時(shí)引起的突變可以回復(fù)，如果因切離部位有誤而帶走IS以外的一部分DNA序列，就會(huì)在插入部位造成缺失，從而發(fā)生新的突變。,,轉(zhuǎn)座子（Tn，transposon),轉(zhuǎn)座子又稱轉(zhuǎn)位子或易位子分子量居中（一般為2~25kb）。除了與轉(zhuǎn)座作用有關(guān)的基因

33、外，還含有抗性基因（對(duì)抗生素、某些毒物）、乳糖發(fā)酵基因等幾個(gè)至十幾個(gè)基因。從結(jié)構(gòu)來(lái)看， Tn 有兩種類型，即末端為反向或順向重復(fù)的IS，或末端為反向重復(fù)的序列。Tn雖能插到受體DNA分子的許多位點(diǎn)上，但并不完全是隨機(jī)的，某些區(qū)域更易插入。,,Mu噬菌體（即 mutator phage）,Mu噬菌體即 誘變噬菌體是E . coli的一種溫和噬菌體。含有噬菌體生長(zhǎng)繁殖和轉(zhuǎn)座所必需的基因，其分子量最大（39kb），含有20多個(gè)基因，但并沒(méi)有固

34、定的整合位置。Mu噬菌體引起的轉(zhuǎn)座可以引起插入突變，其中約有2%是營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變。,轉(zhuǎn)座的遺傳效應(yīng),插入突變；插入位置上出現(xiàn)新的基因，如抗藥性基因等；促進(jìn)發(fā)生染色體畸變，包括缺失和倒位等；基因的移動(dòng)和重排；轉(zhuǎn)座子可以從插入位置上消失；這一過(guò)程稱為切離，精確切離可導(dǎo)致回復(fù)突變。,,DNA → 核小體 → 螺旋管 → 超螺旋體 → 染色體 化學(xué)組成（1）核蛋白體 亞單位—

35、核小體（nucleosome） 核心顆?！诵腄NA（約200bp），組蛋白8聚體（H2A，H2B，H3和H4各二分子） 連接DNA H1（組蛋白）—在核心顆粒上，將DNA進(jìn)出顆粒處連接起來(lái)。（2）組蛋白—含較多的堿性AA（Arg，Lys）為堿性蛋白（3）染色質(zhì)—纖維狀結(jié)構(gòu)，也叫染色絲，由最基本的單位（核小體）成串排列而成，真核細(xì)胞的染色體在細(xì)胞生活周期中，大部分時(shí)間是以染色質(zhì)的形式存在。,,原核微生物（細(xì)菌，放線菌）一個(gè)染

36、色體，一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)ori和終點(diǎn)，“θ”復(fù)制。 真核微生物    多條染色體，多個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)，同時(shí)復(fù)制。 virus/phage（1）“θ”復(fù)制（2）“滾環(huán)復(fù)制”（“σ”復(fù)制）,,,突變（mutatuion） DNA或RNA中核苷酸序列發(fā)生了穩(wěn)定可遺傳的變化，微生物性狀發(fā)生遺傳性的變異?；蛲蛔?DNA鏈上一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)堿基發(fā)生改變?nèi)旧w畸變 DNA的大片段變

37、化（插入，缺失，重復(fù)，易位等）自發(fā)突變和誘變,,基因突變（gene mutation）簡(jiǎn)稱突變，是變異的一種，指生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)或數(shù)量突然發(fā)生的可遺傳的變化。突變率常在10-8~10-9范圍內(nèi)。,,基因突變的類型* 突變體和突變的表示方法基因突變的特點(diǎn)基因突變的分子機(jī)制,,形態(tài)突變致死突變營(yíng)養(yǎng)缺陷型抗性突變型抗原突變型,,,總結(jié),形態(tài)突變型（morphological mutant）,造成形態(tài)改變的突

38、變型,特點(diǎn)：,非選擇性突變突變株和野生型菌株均可生長(zhǎng)，但可從形態(tài)特征上進(jìn)行區(qū)分。,舉例：,產(chǎn)蛋白酶缺陷突變株的篩選,菌落顏色變化,形成芽孢缺陷菌株,細(xì)胞水平上的形態(tài)突變，突變株的檢出更加困難。,細(xì)胞形態(tài)鞭毛，芽孢，莢膜有無(wú)菌落形態(tài)大小，光滑和粗糙，顏色等，孢子顏色。,,條件致死突變型（conditional lethal mutant）,在某一條件下具有致死效應(yīng)，而在另一條件下沒(méi)有致死效應(yīng)的突變型。,常用的條件致死突變是

39、溫度敏感突變，用ts（temperature sensitive）表示，這類突變?cè)诟邷叵拢ㄈ?2℃）是致死的，但可以在低溫（如25-30℃）下得到這種突變。,特點(diǎn)：,負(fù)選擇標(biāo)記,這類突變型常被用來(lái)分離生長(zhǎng)繁殖必需的突變基因,,營(yíng)養(yǎng)缺陷型（auxotroph）,一種缺乏合成其生存所必須的營(yíng)養(yǎng)物（包括氨基酸、維生素、堿基等）的突變型，只有從周圍環(huán)境或培養(yǎng)基中獲得這些營(yíng)養(yǎng)或其前體物（precursor）才能生長(zhǎng)。,營(yíng)養(yǎng)缺陷型是微生物遺

40、傳學(xué)研究中重要的選擇標(biāo)記和育種的重要手段,表型判斷的標(biāo)準(zhǔn)：,在基本培養(yǎng)基上能否生長(zhǎng),特點(diǎn)：,在選擇培養(yǎng)基（一般為基本培養(yǎng)基）上不生長(zhǎng),,負(fù)選擇標(biāo)記,突變株不能通過(guò)選擇平板直接獲得,1）營(yíng)養(yǎng)缺陷型（auxotroph）,影印平板（Replica plating）法是Lederberg夫婦在1952年建立,營(yíng)養(yǎng)缺陷型的表示方法：,基因型：,所需營(yíng)養(yǎng)物的前三個(gè)英文小寫斜體字母表示：hisC（組氨酸缺陷型，其中的大寫字母C同一表型中不同基因的

41、突變）,表型：,同上，但第一個(gè)字母大寫，且不用斜體：HisC,在具體使用時(shí)多用hisC-和hisC+，分別表示缺陷型和野生型。,,抗藥性突變型（resistant mutant）,基因突變使菌株對(duì)某種或某幾種藥物，特別是抗生素，產(chǎn)生抗性。,特點(diǎn)：,正選擇標(biāo)記（突變株可直接從抗性平板上獲得-----在加有相應(yīng)抗生素的平板上，只有抗性突變能生長(zhǎng)。所以很容易分離得到。）,表示方法：,所抗藥物的前三個(gè)小寫斜體英文字母加上“r”表示strr

42、 和 strs 分別表示對(duì)鏈霉素的抗性和敏感性,采用梯度平板法篩選,,（1）抗原成分（鞭毛，莢膜等）的變異 eg.L型細(xì)菌，cell wall缺陷導(dǎo)致抗原性改變。（2）毒力—代謝途徑（產(chǎn)物種類），產(chǎn)物產(chǎn)量等。,,突變類型(根據(jù)表型)突變株的表型成因 檢出方法營(yíng)養(yǎng)缺陷型 因突變而喪失合成一 補(bǔ)充培養(yǎng)基（auxotroph） 種或幾種生長(zhǎng)因子的

43、 能力不能在基本培養(yǎng) 基上生長(zhǎng)突變株抗性突變型 因突變而產(chǎn)生了對(duì)某 藥物培養(yǎng)基（resistant mutant） 種化學(xué)藥物或致死 物理因子的抗性條件致死突變型 突變后在某種條件下 培養(yǎng)條件改變（conditio

44、nal 可正常生長(zhǎng)、繁殖并lethal mutant） 實(shí)現(xiàn)其表型，而在另 一條件下卻無(wú)法生長(zhǎng) 繁殖的突變型,,,,,,,,,突變株的表型成因 檢出方法形態(tài)突變型 因突變而產(chǎn)生的個(gè)體 形態(tài)Morpholog

45、ycal 或菌落形態(tài)的非選擇 （常用顏色變化） mutant 性變異抗原突變型 因突變而引起的抗原 借助于抗原antigenic 結(jié)構(gòu)發(fā)生改變 抗體反應(yīng) mutant產(chǎn)量突變型 因突變而獲得的在有 測(cè)定產(chǎn)量或 high

46、 producing 用代謝物產(chǎn)量上高于 其它mutant 原始菌株的突變株其它突變型：毒力、糖發(fā)酵能力、代謝產(chǎn)物等,,,,,,,,,,,,,自發(fā)性和不對(duì)應(yīng)性稀少性誘發(fā)性獨(dú)立性穩(wěn)定可遺傳性可逆性（回復(fù)突變）——Ames test,,,1、不對(duì)應(yīng)性,即突變的性狀與引起突變的原因間無(wú)直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 例如，細(xì)菌在有青霉素的環(huán)境下，出現(xiàn)了抗青霉素的突變體；

47、在紫外線的作用下，出現(xiàn)了抗紫外線的突變體；在較高的培養(yǎng)溫度下，出現(xiàn)了耐高溫的突變體等。表面上看來(lái)，會(huì)認(rèn)為正是由于青霉素、紫外線或高溫的"誘變"，才產(chǎn)生了相對(duì)應(yīng)的突變性狀。事實(shí)恰恰相反，這類性狀都可通過(guò)自發(fā)的或其任何誘變因子誘發(fā)而行。這里的青霉素、紫外線或高僅是起著淘汰原有非突變型(敏感型)個(gè)體的作用。,2、自發(fā)性,各種性狀的突變，可以在沒(méi)有人為的誘變因素處理下自發(fā)地發(fā)生。 "自發(fā)突變"決不意味著這

48、種突變是沒(méi)有原因的，而只是說(shuō)明人們對(duì)它們還沒(méi)有很好認(rèn)識(shí)而已。,3、稀有性,自發(fā)突變雖可隨時(shí)發(fā)生，但突變的頻率是較低和穩(wěn)定的，一般在10-6~10-9間。所謂突變率，一般指每一細(xì)胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的機(jī)率。例如，突變率為1×10-8者，就意味著當(dāng)10 8個(gè)細(xì)胞群體分裂成2×10 8個(gè)細(xì)胞時(shí)，平均會(huì)形成一個(gè)突變體。,4、獨(dú)立性,突變的發(fā)生一般是獨(dú)立的，即在某一群體中，既可發(fā)生抗青霉素的突變型，也可發(fā)生抗鏈霉素或

49、任何其他藥物的抗藥性，而且還可發(fā)生其他不屬抗藥性的任何突變。某一基因的突變，既不提高也不降低其他基因的突變率。,5、誘變性,通過(guò)誘變劑的作用，可提高自發(fā)突變的頻率，一般可提高10-10 5倍。不論是自發(fā)突變或誘發(fā)突變(誘變)得到的突變型，它們之間并無(wú)本質(zhì)上的差別，因?yàn)檎T變劑僅起著提高突變率的作用。,6、穩(wěn)定性,由于突變的根源是遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了穩(wěn)定的變化，所以產(chǎn)生的新性狀也是穩(wěn)定的、可遺傳的。,7、可逆性,由原始的野生型基因變異為突變

50、型基因的過(guò)程，稱為正向突變，相反的過(guò)程則稱為回復(fù)突變或回變。實(shí)驗(yàn)證明，任何性狀既有正向突變，也可發(fā)生回復(fù)突變。,,,,物理誘變化學(xué)誘變突變與育種,,誘變因素（紫外線、X射線、γ射線等）誘變機(jī)制（以紫外線為例）輻射劑量＝輻射強(qiáng)度 x 時(shí)間影響輻射的因素光復(fù)活作用氧分壓藥物,,化學(xué)誘變劑（堿基類似物、烷化劑、亞硝酸等）化學(xué)誘變機(jī)制直接置換（以亞硝酸為例）間接置換（以5－溴尿嘧啶為例）移碼突變?nèi)旧w畸變使用

51、化學(xué)誘變劑應(yīng)注意的事項(xiàng)誘變劑的種類、劑量、pH和溫度、終止反應(yīng)等,,,,自發(fā)突變與育種,從生產(chǎn)中選育 eg：從污染噬菌體的發(fā)酵液中有可能分離到抗噬菌體的菌株定向培育優(yōu)良菌種 eg：用農(nóng)藥長(zhǎng)期處理土壤，有可能從污染了的土壤中分離到農(nóng)藥降解菌 特點(diǎn)：自發(fā)突變頻率很低，培育新種的過(guò)程十分緩慢,誘變育種,原始菌種,純化,斜面/肉湯培養(yǎng),單孢子/單細(xì)胞懸液,誘變劑處理,平板分離,移至斜面,小試,中試,初篩,復(fù)篩,,,

52、,,,,,,,,計(jì)算存活率,觀察形態(tài)變異，挑單菌落,良種保藏,原菌種特性鑒定,,出發(fā)菌株的選擇單孢子懸液的制備確定合適的 劑量注意復(fù)合處理及其協(xié)同效應(yīng)尋找和利用形態(tài)、生理和產(chǎn)量變異間的相關(guān)性，找出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的菌株,第三節(jié) 基因重組與雜交,基因重組 兩個(gè)不同個(gè)體內(nèi)的遺傳基因轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過(guò)遺傳分子間的重新組合，形成新遺傳型個(gè)體的方法， 稱為基因重組（gene recombinant）。 原核M的基因重組轉(zhuǎn)化（tra

53、nsformation）轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）接合（conjugation）轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合的比較真核M的基因重組基因工程與原生質(zhì)體融合,,受體菌接受供體菌裸露的DNA片段，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化的條件轉(zhuǎn)化的類型轉(zhuǎn)化的過(guò)程特殊的轉(zhuǎn)化—轉(zhuǎn)染,,（1）供體DNA片段的大小 MW為106~108，同源性（一般30%以上即認(rèn)為同源性較高，如酶基因，啟動(dòng)子等）。（2）受體菌的生理狀態(tài) 感受態(tài)—

54、受體菌能吸收裸露DNA片段的暫時(shí)性生理狀態(tài)與菌的特異性，生長(zhǎng)期及培養(yǎng)條件有關(guān)； Ca2+、Mg2+； 感受態(tài)因子（蛋白質(zhì)），如鏈球菌，芽孢桿菌。,,自然轉(zhuǎn)化；人工誘導(dǎo)（CaCl2）；原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化(PEG)；電擊,,,Binding of free DNA by a membrane-bound DNA binding protein. (b) Passage of one of the two strands in

55、to the cell while nuclease activity degrades the other strand. (c) The single strand in the cell is bound by specific proteins, and recombination with homologous regions of the bacterial chromosome mediated by RecA pro

56、tein occurs.,The introduction of DNA into cells by mixing the DNA and the cell,Transformed cell,,提取噬菌體或病毒的DNA/RNA感染已具感受態(tài)的受體菌,產(chǎn)生正常的噬菌體或病毒后代同源性 兩種核酸分子的核苷酸序列之間的相同程度。同源染色體 減數(shù)分裂中配對(duì)的染色體，各自來(lái)自父本，母本，其大小，形狀，著絲點(diǎn)相同，包含有相同的基因

57、序列。,,以噬菌體為媒介，將供體菌的DNA片段攜帶到受體細(xì)胞，通過(guò)交換與整合，從而使受體菌獲得供體菌的部分遺傳性狀。,普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)局限轉(zhuǎn)導(dǎo)溶源轉(zhuǎn)變,,定義 完全缺陷噬菌體將DNA小片段從供體菌轉(zhuǎn)移到受體菌.媒介—烈性或溫和噬菌體過(guò)程 供體菌遺傳物質(zhì) →（媒介）→ 受體菌 → 轉(zhuǎn)化子,,由phage帶入的供體菌基因不交換，整合，復(fù)制，也不迅速消失；只進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)譯和性狀表達(dá)

58、 （eg.產(chǎn)酶等）,,定義—通過(guò)噬菌體把供體菌的少數(shù)特定基因攜帶到受體菌并表達(dá)媒介—部分缺失噬菌體（溫和）過(guò)程 供體菌基因 →（部分缺失噬菌體）→ 受體菌 舉例： E.coli 的λ噬菌體，在其插入位點(diǎn)兩側(cè)為gal和bio基因，不正常切割時(shí)可包裝入噬菌體外殼，形成缺陷噬菌體，再感染時(shí)形成局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。,,噬菌體自身的基因起作用，非供體菌基因所為；噬菌體是完整的，非缺陷的； 非轉(zhuǎn)導(dǎo)

59、子，獲得的性狀可隨噬菌體消失而消失。肉毒梭菌 →（溫和噬菌體）→ 溶源菌（產(chǎn)C型或D型肉毒毒素）白喉?xiàng)U菌 →（β-溫和噬菌體感染）→ 溶源菌（產(chǎn)白喉毒素）,,通過(guò)供體菌與收體菌細(xì)胞之間的直接接觸，遺傳物質(zhì)自供體菌轉(zhuǎn)移入受體菌（原核微生物遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移方式，較廣泛）。,F因子（F質(zhì)粒/致育因子）R 因子（抗藥質(zhì)粒）,,特征E.coli的三種不同的F+菌株接合過(guò)程,,性狀—凡F+菌株，有1~4根性菌毛；特點(diǎn)—F因子可游離與

60、細(xì)胞內(nèi)，也可插入或整合到染色體上；功能區(qū)自主復(fù)制和不相容性轉(zhuǎn)移基因（tra）群區(qū)重組區(qū),,F+菌株Hfr菌株（Hfr, high frequency Recombination）F/菌株 帶有細(xì)菌DNA片段的F因子游離（ F/菌株）,,,接合型抗藥轉(zhuǎn)移因子（RTF）抗藥決定子（r-det）非接合型（只有r-det）,,,有性雜交準(zhǔn)性生殖菌絲聯(lián)結(jié)異核體的形成形成雙倍體分離子的產(chǎn)生,,菌種的衰退菌