《微生物学教程》(第二版)课件.ppt

1、a1 第第7章章 微生物的遗传微生物的遗传第第1节节 微生物遗传研究的起源微生物遗传研究的起源第第2节节 微生物的遗传因子微生物的遗传因子第第3节节 原核生物的基因重组原核生物的基因重组第第4节节 真核微生物的基因重组真核微生物的基因重组第第5节节 菌种的保藏菌种的保藏a2第第1节节 微生物遗传研究的起源微生物遗传研究的起源 微生物遗传的研究起源于微生物遗传的研究起源于对对“细菌变异细菌变异”现现象象的早期研究。的早期研究。一、证实微生物具有种的稳定性一、证实微生物具有种的稳定性 1870年年巴斯德，科恩。巴斯德，科恩。球菌球菌 球菌，杆菌球菌，杆菌 杆菌。杆菌。1882年年科赫。科赫。固体培

2、养基，分离纯化技术。固体培养基，分离纯化技术。a3二、发现细菌变异现象二、发现细菌变异现象 19世纪最后世纪最后20年，越来越多的证据表明细菌物年，越来越多的证据表明细菌物种不稳定。种不稳定。1907年年马西尼（马西尼（R.Massini）首次对细菌首次对细菌变异进行专门研究，发表了可突变的大肠杆菌变异进行专门研究，发表了可突变的大肠杆菌的论文。在这篇论文中，他第一次使用了定量研的论文。在这篇论文中，他第一次使用了定量研究的方法。究的方法。a4三、探索细菌变异的本质三、探索细菌变异的本质 1928年年格里非斯（格里非斯（Friderick Griffith）发发表了一篇论文，描述了肺炎球菌培养

3、物中的转化表了一篇论文，描述了肺炎球菌培养物中的转化现象。现象。格里非斯的这篇文章非常重要，对于理解转化格里非斯的这篇文章非常重要，对于理解转化作用和最终阐明作用和最终阐明DNA是遗传物质打下了基础。是遗传物质打下了基础。a5a6a7 1933年年 奥洛韦（奥洛韦（J.L.Alloway）证明转化因证明转化因子是一种可溶性的物质，至少是亚细胞的物质。子是一种可溶性的物质，至少是亚细胞的物质。有毒菌株有毒菌株 有毒菌株无细胞提取物有毒菌株无细胞提取物无毒菌株无毒菌株 老鼠死亡老鼠死亡有毒菌株有毒菌株加热杀菌加热杀菌+注射注射a8 1944年年埃弗里（埃弗里（O.T.Avery）和他的同事们和他的

4、同事们通过一系列精密的实验，证明转化中起作用的分子通过一系列精密的实验，证明转化中起作用的分子是是DNA。a9a10四、发现并阐明细菌的接合作用四、发现并阐明细菌的接合作用 1945年年塔特姆（塔特姆（E.L.Tatum）和莱德伯格（和莱德伯格（Lederberg）证实了大肠杆菌证实了大肠杆菌K12菌株菌株的两个营养缺陷型菌株的两个营养缺陷型菌株之间的遗传重组。之间的遗传重组。a11a12戴维斯（戴维斯（B.D.Davis）进一步证明进一步证明细胞细胞与与细胞细胞的接的接触触对这种遗传重组发生是必不可少的。对这种遗传重组发生是必不可少的。a13 1952年年海斯（海斯（William Haye

5、s）在自然在自然上发表论文宣布接合和重组是供体细胞遗传物质上发表论文宣布接合和重组是供体细胞遗传物质发生发生单向转移单向转移的结果。的结果。1952年年莱德伯格和卡瓦利（莱德伯格和卡瓦利（L.L.Cavalli）证实了这一点，创造了证实了这一点，创造了F+和和F-等术语。同年，他等术语。同年，他们发现了高频重组菌株（们发现了高频重组菌株（Hfr）。）。影印平板法也是由莱德伯格发明的。影印平板法也是由莱德伯格发明的。a14a15影印平板法影印平板法 replica platinga16 1953年年4月月沃森沃森-克里克在自然的一篇短克里克在自然的一篇短文中公布了文中公布了DNA的结构模型。的结

6、构模型。a17 1955-1958年年雅各布（雅各布（F.Jacob）和沃尔曼和沃尔曼（F.L.Wollman）以一系列独创性的研究工作阐以一系列独创性的研究工作阐明了大肠杆菌明了大肠杆菌K12的基因转移机制。在这些工作的基因转移机制。在这些工作中，最著名和关键性的是中，最著名和关键性的是“中断杂交实验中断杂交实验”a18a19a20a21五、阐明细菌抗药性产生的原因五、阐明细菌抗药性产生的原因 1961年年渡边、戴塔（渡边、戴塔（N.Datta）、）、梅内耳梅内耳（F.Meynell）和安德森（和安德森（E.S.Anderson）的工的工作揭示了抗药性是以一种或多种作揭示了抗药性是以一种或多

7、种“接合促进因子接合促进因子”为媒介来传播的。每类接合促进因子与它所在的为媒介来传播的。每类接合促进因子与它所在的细胞表面上的细胞表面上的某种特异的纤毛某种特异的纤毛结合在一起，并证结合在一起，并证明这种结构确能造成明这种结构确能造成供体和受体细胞之间的特异供体和受体细胞之间的特异粘附粘附，并有可能形成让遗传物质从中通过的接合，并有可能形成让遗传物质从中通过的接合管。管。a22电镜观察到的接合现象电镜观察到的接合现象a23抗药性质粒在细菌之间的转移抗药性质粒在细菌之间的转移a24第第2节节 微生物的遗传因子微生物的遗传因子 遗传因子（遗传因子（Genetic elements）：）：承载遗传物

8、承载遗传物质的结构。质的结构。遗传因子必须具备遗传因子必须具备2点：能自我复制，能编码。点：能自我复制，能编码。基因组：一个细胞或病毒所含的完整基因。基因组：一个细胞或病毒所含的完整基因。基因：编码一种蛋白，一种基因：编码一种蛋白，一种tRNA或一种或一种rRNA的的DNA片段。片段。a25一、原核微生物的遗传因子一、原核微生物的遗传因子原核微生物的遗传因子有原核微生物的遗传因子有3类：类：染色体染色体，质粒质粒，噬菌体噬菌体。（一）细菌的染色体（一）细菌的染色体 1、形状、大小、形状、大小 1条环状条环状dsDNA。负超螺旋。约负超螺旋。约50个超螺旋区域。个超螺旋区域。正超螺旋（少数，都生

9、活在极高温度下）。正超螺旋（少数，都生活在极高温度下）。a26超螺旋的形成超螺旋的形成a27 伯氏疏螺旋体的伯氏疏螺旋体的DNA是线性的，其末端为发卡是线性的，其末端为发卡结构。结构。Streptomyces lividans的的DNA是线性的，其末端是线性的，其末端与蛋白质共价结合。与蛋白质共价结合。最小的细菌染色体：最小的细菌染色体：580kbp（一种枝原体）一种枝原体）最大的细菌染色体：最大的细菌染色体：9500kbp（一种粘细菌）一种粘细菌）a282、结构、结构（1）一般没有间隔基因（内含子）一般没有间隔基因（内含子）原核细胞原核细胞a29真核细胞真核细胞a30（2）一般没有重复序列）

10、一般没有重复序列 细菌的基因一般都是单拷贝的。细菌的基因一般都是单拷贝的。（3）相关的细菌，染色体上基因的排列顺序也相相关的细菌，染色体上基因的排列顺序也相似，否则不相似。似，否则不相似。（4）许多细菌在）许多细菌在DNA复制起始附近的结构相似，复制起始附近的结构相似，同样，在复制终止附近的结构也相似。同样，在复制终止附近的结构也相似。a31（二）细菌的质粒（二）细菌的质粒 质粒（质粒（plasmid）存在于绝大多数原核生物，存在于绝大多数原核生物，但只在少数真核生物中发现。但只在少数真核生物中发现。质粒是能独立于宿主细胞染色体进行自我复质粒是能独立于宿主细胞染色体进行自我复制的遗传因子，以核

11、酸的形式存在于细胞内，无制的遗传因子，以核酸的形式存在于细胞内，无细胞外存在形式。细胞外存在形式。a321、质粒的物理性状、质粒的物理性状 环状环状 dsDNA，一般为超螺旋状。一般为超螺旋状。大小大小 11000kbp。2、质粒的复制质粒的复制 DNA合成靠细胞中的酶。合成靠细胞中的酶。复制起始复制起始 子细胞中质粒的拷贝数子细胞中质粒的拷贝数 质粒控制质粒控制质粒在细胞中的拷贝数质粒在细胞中的拷贝数13/细胞细胞100/细胞细胞a33绝大多数绝大多数G+菌的菌的环状质粒环状质粒的复制是的复制是滚环式滚环式复制。复制。a34绝大多数绝大多数G 菌菌环状质粒环状质粒的复制是的复制是 式式复制复

12、制a35绝大多数线性质绝大多数线性质粒的复制是将一粒的复制是将一种蛋白质结合于种蛋白质结合于每条链的每条链的5端端作为引物。作为引物。a363、各种质粒之间的相容性、各种质粒之间的相容性相容性质粒（相容性质粒（compatible plasmids）：不同的不同的质粒共存于同一个细胞，这些质粒互为相容性质粒共存于同一个细胞，这些质粒互为相容性质粒，否则称为质粒，否则称为不相容性质粒（不相容性质粒（incompatible plasmids）。相容与否由质粒基因控制。相容与否由质粒基因控制。4、质粒在细胞中的存在、转移和消除质粒在细胞中的存在、转移和消除（1）存在）存在 游离于细胞质中。游离于细

13、胞质中。整合到细胞染色体上。附加体（整合到细胞染色体上。附加体（episome）a37 （2）转移）转移 有些质粒可在细胞之间通过接合作用转移，有些质粒可在细胞之间通过接合作用转移，这类质粒叫可接合质粒。这类质粒叫可接合质粒。质粒的接合转移由质粒编码的基因控制。质粒的接合转移由质粒编码的基因控制。（3）消除）消除 质粒可自发从细胞中消除。质粒可自发从细胞中消除。可通过多种物理化学方法将质粒从细胞中消除。可通过多种物理化学方法将质粒从细胞中消除。a38F质粒的基因图谱质粒的基因图谱见教材见教材199页页a395、质粒赋予细菌的性状、质粒赋予细菌的性状 质粒可携带多种基因，但这些基因必须不影质粒可

14、携带多种基因，但这些基因必须不影响质粒自身的复制和宿主细胞的生存。响质粒自身的复制和宿主细胞的生存。隐质粒（隐质粒（cryptic plasmids）：）：除自身复制的基因，除自身复制的基因，不含其他基因。不含其他基因。a40质粒赋予细菌的一些性状：质粒赋予细菌的一些性状：根瘤菌根瘤菌固氮，结瘤固氮，结瘤 假单胞菌假单胞菌降解一些难以降解的化合物降解一些难以降解的化合物 致病性大肠杆菌致病性大肠杆菌吸附抗原，溶血素，肠毒素吸附抗原，溶血素，肠毒素 大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌素大肠杆菌素 金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌凝固酶，溶血素，溶纤维蛋凝固酶，溶血素，溶纤维蛋 白酶，肠毒素，黄色色素等白酶，肠

15、毒素，黄色色素等 乳酸细菌乳酸细菌细菌素细菌素NisinA 抗药性抗药性a41（三）细菌的噬菌体（三）细菌的噬菌体 从自然界分离到的细菌中，绝大多数是溶原菌。从自然界分离到的细菌中，绝大多数是溶原菌。许多证据证明，细菌的一些基因群来自染色体许多证据证明，细菌的一些基因群来自染色体外的遗传因子，如质粒和噬菌体。外的遗传因子，如质粒和噬菌体。a42二、真核微生物的遗传因子二、真核微生物的遗传因子 真核微生物的遗传因子有：真核微生物的遗传因子有：染色体染色体，线粒体线粒体DNA，叶绿体叶绿体DNA，质粒质粒，病毒病毒。真核微生物可以单倍体或真核微生物可以单倍体或/和二倍体形式存在，和二倍体形式存在，

16、但在但在绝大多数真核微生物中绝大多数真核微生物中，二倍体阶段是很短暂二倍体阶段是很短暂的。的。酿酒酵母是最常用于真核遗传研究的真核微生酿酒酵母是最常用于真核遗传研究的真核微生物之一，也是第一个测定基因组全序列的真核生物。物之一，也是第一个测定基因组全序列的真核生物。a43（一）酿酒酵母的染色体（一）酿酒酵母的染色体 单倍体：单倍体：16条条 大小：大小：2452200kbp 单倍体碱基数：单倍体碱基数：12 106 bp（二）酿酒酵母的二）酿酒酵母的2质粒质粒 绝大多数酵母菌株含有绝大多数酵母菌株含有2质粒。质粒。酿酒酵母中酿酒酵母中2质粒的拷贝数约质粒的拷贝数约30-50/细胞。细胞。2质粒

17、：环状质粒：环状dsDNA，6318 bp。编码编码4种蛋种蛋 白质。不赋予细胞任何性状。白质。不赋予细胞任何性状。a44三、病毒的遗传因子三、病毒的遗传因子 DNA，RNA 有重叠基因有重叠基因 噬菌体噬菌体X174的基因图谱的基因图谱a45第第3节节 原核微生物的基因重组原核微生物的基因重组 在原核中，基因重组以下列在原核中，基因重组以下列3中方式中的一种中方式中的一种实现：实现：转化，转导，接合。转化，转导，接合。a46a47一、转化（一、转化（transformation）1、定义：定义：受体菌受体菌直接吸收直接吸收供体菌供体菌的的DNA片段而获得后者片段而获得后者部分遗传性状的现象，

18、称为转化或转化作用。部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。2、可转化微生物的种类、可转化微生物的种类 许多微生物是自然可转化的，包括许多微生物是自然可转化的，包括G+和和G-的一的一些种类，以及一些古细菌。些种类，以及一些古细菌。a483、感受态（、感受态（competence）能吸收能吸收DNA并被转化的细胞叫感受态细胞。并被转化的细胞叫感受态细胞。感受态似乎是一种遗传特性：感受态似乎是一种遗传特性：DNA结合蛋白，结合蛋白，细胞壁自溶，各种核酸酶。细胞壁自溶，各种核酸酶。4、DNA的吸收的吸收 细菌转化所需的最小细菌转化所需的最小DNA量为量为1 10-5g/mL。dsDNA结合到细胞表

19、面结合到细胞表面整条双链整条双链DNA被吸收被吸收一条链被降解，另一条被吸收一条链被降解，另一条被吸收a49动物细胞：吞噬的方式将动物细胞：吞噬的方式将DNA吞入。吞入。真菌：消化细胞壁，然后让真菌：消化细胞壁，然后让DNA被吸收。被吸收。电穿孔法电穿孔法 基因枪法基因枪法a50a51a52a53a54a55二、转导（二、转导（transduction）由病毒介导，由病毒介导，DNA由一个细胞转移到另一个由一个细胞转移到另一个细胞，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为细胞，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。转导。转导子（转导子（transductant）：）：由转导作用而获得由转导

20、作用而获得部分新性状的重组细胞。部分新性状的重组细胞。a56a57流产转导流产转导普通转导普通转导generalized transductiona58特殊转导（特殊转导（specialized transduction）局限转导局限转导a59a60a61三、接合（三、接合（conjugation）（）（教材教材229-232页）页）接合是细胞接合是细胞-细胞间转移质粒的一种机制。细胞间转移质粒的一种机制。F质粒的基因图谱质粒的基因图谱a621a63a64a65a662a67a68a69a70a71a72 3a73a74a75a76a77第第4节节 真核微生物的基因重组真核微生物的基因重组 真

21、核微生物的基因重组方式主要有：有性真核微生物的基因重组方式主要有：有性杂交，准性杂交，原生质体融合和遗传转化。杂交，准性杂交，原生质体融合和遗传转化。a78一、真核微生物的有性生殖和有性杂交一、真核微生物的有性生殖和有性杂交酿酒酵母有性生殖的分子机制：酿酒酵母有性生殖的分子机制：酵母有两种配子，分别为酵母有两种配子，分别为a和和。a 配子的配子的MAT位点是位点是 a基因：产生基因：产生a 因子；细胞表因子；细胞表面只有面只有 因子的受体。因子的受体。配子的配子的MAT位点是位点是基因：产生基因：产生 因子；细胞表因子；细胞表面只有面只有 a 因子的受体。因子的受体。在每种配子细胞中，基因组的

22、其他位置上有在每种配子细胞中，基因组的其他位置上有a和和基因的拷贝，他们是转型的贮备基因。这种机制基因的拷贝，他们是转型的贮备基因。这种机制叫叫“暗盒暗盒”机制（机制（cassette mechanism）a79a80有性杂交（有性杂交（sexual hybridization）：）：一般指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的一种育种技术。酿酒酵母生活史a81准性杂交（准性杂交（parasexual hybridization）：）：是利用准性生殖对一些没有有性生殖的半知菌类进行杂交育种的一种技术。准性生殖是一种类似于有性生殖生殖方式，是一种在同种而不

23、同菌株的体细胞间发生的融合，它可不借助减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子。二、真核微生物的准性生殖和准性杂交二、真核微生物的准性生殖和准性杂交a82准性生殖过程：（1）菌丝联结（n+n，频率极低）（2）形成异核体，异核体能独立生活。（3）核融合产生双倍体杂合子（频率低）（4）体细胞交换和单倍体化 a83体细胞交换有丝分裂（产生错误，导致染色体分配不均）染色体逐步丢失，单倍体化 新的稳定的单倍体杂合子a84第第5节节 菌种的衰退、复壮和保藏菌种的衰退、复壮和保藏在在DNA复制过程中发生自发突变的几率为：复制过程中发生自发突变的几率为：10-710-11每碱基对每次复制每碱基对每次复制一个基

24、因自发突变率约一个基因自发突变率约 10-6/代代无意突变率约无意突变率约 10-610-8/代代RNA基因组的突变率比基因组的突变率比DNA的高的高103。a85一、衰退的防止一、衰退的防止1、控制传代次数、控制传代次数2、创造良好的培养条件、创造良好的培养条件3、利用不易衰退的细胞传代、利用不易衰退的细胞传代4、采用有效的菌种保藏方法、采用有效的菌种保藏方法二、菌种的复壮二、菌种的复壮1、纯种分离、纯种分离2、通过宿主体复壮、通过宿主体复壮3、淘汰已衰退的个体、淘汰已衰退的个体a86三、菌种的保藏三、菌种的保藏著名的菌种保藏中心著名的菌种保藏中心常用的菌种保藏方法：斜面保藏常用的菌种保藏方法：斜面保藏 沙土管保藏沙土管保藏 甘油悬液保藏法甘油悬液保藏法 液氮保藏法液氮保藏法