1、第八章第八章微生物遗传微生物遗传遗传遗传（heredity, inheritance） ：亲代与子代相似亲代与子代相似变异变异（variation） ：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传遗传（inheritance）和和变异变异（variation）是生命的最本质特性之一是生命的最本质特性之一（1）遗传型遗传型（genotype）生物的全部遗传因子及基因生物的全部遗传因子及基因 又称又称基因型基因型，指某一生物个体所含有的全指某一生物个体所含有的全部遗传因子即部遗传因子即基因组基因组（genome）所携带的遗所携带的遗传信息。传信息。（2）表型表型（p
2、henotype）具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生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形态等生物学特征的总和。长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。 又称又称表现型表现型，指某一生物体所具有的一切，指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境下通过代谢和发育而得到的具体表现。适环境下通过代谢和发育而得到的具体表现。 表型是由遗传型所决定，表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。但也和环境有关。遗传型环境条件遗传型环境条件表型表型代谢代谢发育发育（3）变异变异遗传型变异遗传型变异（基因变异、
3、基因突变基因变异、基因突变）： 指生物体在某种外因或内因的作用下所指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗 传型的改变。传型的改变。遗传物质改变，导致表型改变遗传物质改变，导致表型改变特点：特点：遗传性、群体中极少数个体的行为遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为（自发突变频率通常为1010- -9 91010-6-6）表型饰变：表型饰变：指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。录、翻译水平上的表型变化。表型的差异只与环境有关表型的差异只与环境有关特点：暂
4、时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。（4）饰变饰变（modification）微生物是遗传学研究中的明星！微生物是遗传学研究中的明星！ 模式生物（模式生物（model organism）遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础第一节第一节一、一、3 3个经典实验个经典实验（一）（一）经典转化实验经典转化实验（二）（二）噬菌体感染实验噬菌体感染实验（三）（三）植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验（一）（一）经典转化实验经典转化实验 最早进行最早进行转化转化（transformation）实
5、验的是实验的是F. Griffith（1928年年），以以Streptococcus pneumoniae（肺炎链球菌，旧称肺炎链球菌，旧称“肺炎双球菌肺炎双球菌”）作为研究对）作为研究对象。象。实验材料：实验材料： 肺炎双球菌肺炎双球菌（Streptococcus pneumoniae）光滑型（光滑型（S）粗糙型（粗糙型（R）有荚膜有荚膜无荚膜无荚膜菌落光滑菌落光滑菌落粗糙菌落粗糙分泌毒素分泌毒素无无 毒毒致致 病病不致病不致病S、S、S三个血清型三个血清型R、R、R三个血清型三个血清型（）动物实验（）动物实验S型型R型型加热灭菌加热灭菌热死热死S菌活菌活R菌菌 实验说明：实验说明： 加热杀
6、死的加热杀死的S型细菌，其细胞内可能存在型细菌，其细胞内可能存在 一种具有遗传转化能力的物质，通过某种一种具有遗传转化能力的物质，通过某种 方式进入方式进入R型细胞，并使型细胞，并使R型细菌获得表达型细菌获得表达 S型荚膜性状的遗传特性。型荚膜性状的遗传特性。 1944年，年，O. T. Avery等从热等从热死的死的S型型Spneumoniae中提纯中提纯了可能作为转化因子的各种成了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了更分，并在离体条件下进行了更为精密的转化实验。为精密的转化实验。（1 1）从活的）从活的S S菌中抽提各种细胞成分菌中抽提各种细胞成分 （DNADNA，蛋白质，荚膜
7、多糖等）蛋白质，荚膜多糖等）（2 2）对各组分进行转化试验）对各组分进行转化试验只有只有DNADNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性被酶降解破坏的抽提物无转化活性DNADNA是转化所必需的转化因子是转化所必需的转化因子 1944年年Avery和他的合作者发表了他和他的合作者发表了他们的实验结果，为们的实验结果，为Griffith的转化因子是的转化因子是DNA而不是蛋白质提供了第一证据。而不是蛋白质提供了第一证据。 DNA纯度越高，转化效率也越高；纯度越高，转化效率也越高； 转化效率随转化效率随DNA浓度的增加而增加。浓度的增加而增加。（二）（二）噬菌体感染实验噬菌体感染实验 1952 1952年
8、年，A.D.HersheyA.D.Hershey和和M.ChaseM.Chase发表了证明发表了证明DNADNA是噬菌体的遗传物质基础的著名实验是噬菌体的遗传物质基础的著名实验 噬菌体感染实验噬菌体感染实验大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌T2噬菌体噬菌体实验材料实验材料吸附吸附10 min后后 用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离离心离心上清液中含上清液中含15%放射性放射性 沉淀中含沉淀中含85%放射性放射性用含用含32P-DNA标记的噬菌体作感染实验标记的噬菌体作感染实验沉淀细胞进一沉淀细胞进一步培养后，可步培养后，可产生大量完整产生大量完整的子代噬菌体的子代噬菌体吸附吸附10 min后后
9、 用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离离心离心上清液中含上清液中含75%放射性放射性 沉淀中含沉淀中含25%放射性放射性沉淀细胞进一步培沉淀细胞进一步培养后，可产生大量养后，可产生大量完整的子代噬菌体完整的子代噬菌体用含用含35S-蛋白质标记的噬菌体作感染实验蛋白质标记的噬菌体作感染实验在在DNADNA中存在着中存在着包括合成蛋白质包括合成蛋白质外壳在内的整套外壳在内的整套遗传信息。遗传信息。（三）（三）植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验 为了证明核酸是遗传物质为了证明核酸是遗传物质，H. Fraenkel-Conrat（19561956）用含用含RNARNA的的烟草花叶病毒烟草花叶病毒 （
10、tobacco mosaic virus,TMV）进行了著名的进行了著名的植物植物病毒重建实验病毒重建实验。烟草花叶病毒的核酸烟草花叶病毒的核酸抗血清处理，证明杂抗血清处理，证明杂种病毒的蛋白质外壳种病毒的蛋白质外壳来自来自病毒病毒1 1，而非，而非病病毒毒2 2杂种病毒的后代的杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为蛋白质外壳表现为病毒病毒2 2，而非，而非病毒病毒1 1霍氏车前病毒霍氏车前病毒的蛋白质外壳的蛋白质外壳TMVHRV遗传物质是核酸遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质而非蛋白质二、二、遗传物质在细遗传物质在细 胞内存在的部位和方式胞内存在的部位和方式1. 1. 细胞水平细胞水平（一）（一）
11、7 7个水平个水平2. 2. 细胞核水平细胞核水平3. 3. 染色体水平染色体水平4. 4. 核酸水平核酸水平5. 5. 基因水平基因水平6. 6. 密码子水平密码子水平7. 7. 核苷酸水平核苷酸水平DNADNA都集中在细胞核或核质体中都集中在细胞核或核质体中1. 1. 细胞水平细胞水平2. 2. 细胞核水平细胞核水平3. 3. 染色体水平染色体水平（1 1）染色体数）染色体数（2 2）染色体倍数）染色体倍数单倍体单倍体（heploid）：）：一个细胞中只有一套染色体。一个细胞中只有一套染色体。双倍体双倍体（diploid）：）：一个细胞中含有两套功能相同的染色体。一个细胞中含有两套功能相同
12、的染色体。指同一细胞中相同染色体的套数指同一细胞中相同染色体的套数4. 4. 核酸水平核酸水平（1 1）核酸种类）核酸种类（2 2）核酸结构）核酸结构（3 3）DNADNA长度长度 DNADNA长度即基因组的大小，一般可用长度即基因组的大小，一般可用bpbp（碱基对，碱基对，base pair）、）、kbkb（千碱基对，千碱基对，kilo bp）和和MbMb（百万或百万或兆碱基对，兆碱基对，mega bp）作单位。作单位。5. 5. 基因水平基因水平基因基因是生物体内一切具有自主复制能力的是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位最小遗传功能单位，其物质基础是一条以直线排列、其物质基础是
13、一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的具有特定核苷酸序列的核酸片段核酸片段。基因调控系统基因调控系统操纵子操纵子启动基因（启动子）启动基因（启动子）操纵基因操纵基因结构基因结构基因调节基因调节基因6. 6. 密码子水平密码子水平遗传密码遗传密码（genetic code）是指是指DNADNA链上决定链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。 遗传密码的信息单位是遗传密码的信息单位是密码子密码子（codon），每，每一密码子由一密码子由3 3个核苷酸序列即一个三联体个核苷酸序列即一个三联体( (triplet）所所组成。一般都用组成。一般都用mRNAmRNA上上3
14、 3个连续个连续的的核苷序列表示。核苷序列表示。7. 7. 核苷酸水平核苷酸水平腺苷酸腺苷酸（AMPAMP）胸苷酸胸苷酸（TMPTMP）鸟苷酸鸟苷酸（GMPGMP）胞苷酸胞苷酸（CMPCMP）5-5-羟甲基胞嘧啶羟甲基胞嘧啶 每个碱基对每个碱基对（bp）的平均相对分子质量的平均相对分子质量 约为约为650； 1106的的dsDNA约为约为1.5 kb（千碱基对）千碱基对） 或或0.5 m（长度）；长度）； 3 nmol碱基的质量约等于碱基的质量约等于1 g。（二）（二）原核生物的质粒原核生物的质粒 1. 1. 定义和特点定义和特点质粒质粒（plasmid）：一种独立于一种独立于染色体外，能进行
15、自主复制染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。是在于各种微生物细胞中。是一种独立存在于细胞内的复一种独立存在于细胞内的复制子（制子（replicon）。）。质粒的质粒的3 3种构型种构型ocDNAl DNAcccDNAcccDNAocDNAl DNA质粒通常以共价闭合环状质粒通常以共价闭合环状（covalently closed circle，简称简称CCC）的超螺旋双链的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中。分子存在于细胞中。严紧型复制控制严紧型复制控制（stringent replication control）松弛型复制控制松弛型复制控
16、制（relaxed replication control）质粒的复制与核染色体的复制同步，质粒的复制与核染色体的复制同步，在这类细胞中，一般只含在这类细胞中，一般只含1 12 2个质粒；个质粒；另一类质粒的复制与核染色体的复制不同步，另一类质粒的复制与核染色体的复制不同步，在这类细胞中，一般含在这类细胞中，一般含10101515个或更多质粒。个或更多质粒。2. 2. 质粒在基因工程中的应用质粒在基因工程中的应用(1)(1)质粒质粒DNADNA鉴定鉴定: :电镜观察；电镜观察；(2)利用密度梯度离心法（利用密度梯度离心法（density gradient centrifugation）；）；
17、(4)对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，例如抗药性初步判断。特点，例如抗药性初步判断。3. 3. 质粒的分离与鉴定质粒的分离与鉴定(3)利用琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶电泳；利用琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶电泳；琼脂糖凝胶电泳后琼脂糖凝胶电泳后UVUV下观察质粒的结果下观察质粒的结果电镜下的质粒电镜下的质粒和染色体和染色体质粒的主要功能质粒的主要功能在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞在某些特殊条件下，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。以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；质粒所含的基因对宿主
18、细胞一般是非必需的；F质粒质粒（fertility factor，F因子因子）R质粒质粒（resistance factor，R因子因子）Col质粒质粒（colicin plasmid，col plasmid）Ti质粒质粒（tumor inducing plasmid）Ri质粒（质粒（root inducing plasmid）mega质粒质粒（megaplasmid）降解性质粒降解性质粒4. 4. 典型质粒简介典型质粒简介（1）F质粒质粒（F plasmid） 又称又称F因子、致育因子因子、致育因子（fertility factor）或性因子或性因子（sex factor），），其大其大小约
19、小约100 kb，为为cccDNA，这是最早发现这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。合作用）有关的质粒。携带携带F F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F F+ +菌株（相当于雄性），菌株（相当于雄性），无无F F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F F- -菌株（相当于雌性）。菌株（相当于雌性）。（2）R质粒质粒（R plasmid）抗药性抗药性抗重金属抗重金属 又称又称R因子因子（R factor）、抗性因子抗性因子（ resisitrance plasmid ）。抗抗性性转转移移因因子子抗抗性性决决定定因因子子R质粒一般由两个相连的质粒
20、一般由两个相连的DNA片段组成片段组成含调节含调节DNA复制和拷贝数的基因以及转移基因，复制和拷贝数的基因以及转移基因，相对分子质量约相对分子质量约11107，具有转移功能；具有转移功能；抗性转移因子抗性转移因子（resistance transfer factor，RTF）抗性决定因子抗性决定因子（r-determinant）大小不很固定，相对分子质量从几百万至大小不很固定，相对分子质量从几百万至111110108 8以上，以上，无转移功能，含各种抗性基因，如抗青霉素、氨苄青无转移功能，含各种抗性基因，如抗青霉素、氨苄青霉素、氯霉素、链霉素、卡那霉素和磺胺等基因。霉素、氯霉素、链霉素、卡那霉
21、素和磺胺等基因。R质粒一般由两个相连的质粒一般由两个相连的DNA片段组成片段组成 抗性质粒在细菌间的传递是细菌抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。产生抗药性的重要原因之一。（3）Col质粒质粒（colicin plasmid，col plasmid） 又称又称大肠杆菌素质粒大肠杆菌素质粒或或产大肠杆菌素产大肠杆菌素因子因子（colicinogenic factor，col factor）、细菌素细菌素（bacteriocin），是质粒编码的蛋白质，是质粒编码的蛋白质，一般由细菌产生，可抑制或杀死其他近缘细一般由细菌产生，可抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的代谢产物，但不具
22、有很菌或同种不同菌株的代谢产物，但不具有很广的杀菌谱。广的杀菌谱。细菌素细菌素抗生素抗生素抑制或杀死近缘，甚至同种不同株的细菌抑制或杀死近缘，甚至同种不同株的细菌较广的抗菌谱通过核糖体直接合成的多肽类物质通过核糖体直接合成的多肽类物质一般是次级代谢产物编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位于质粒或转座子上于质粒或转座子上一般无直接的结构基因，相关酶的基因多在染色体上细菌素结构基因、细菌素结构基因、 涉及细菌素运输及发挥作用涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、的蛋白质的基因、 赋予宿主对该细菌素具有赋予宿主对该细菌素具有“免疫力免
23、疫力”的相关产物的基因的相关产物的基因一般都位于质粒或转座子上，一般都位于质粒或转座子上，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：细菌素一般根据产生菌的种类进行命名： 大肠杆菌大肠杆菌（E. coli）产生的细菌素为产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），而质粒被称为大肠杆菌素），而质粒被称为Col质粒。质粒。（4）Ti质粒质粒（tumor inducing plasmid） 即即诱癌质粒诱癌质粒或或冠瘿质粒冠瘿质粒（crown gall plasmid）。T-DNAT-DNA区可携带任何外源基因整合到植物基因区
24、可携带任何外源基因整合到植物基因组中，组中，TiTi质粒是植物基因工程中使用最广、效质粒是植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体。果最佳的克隆载体。 Agrobacterium tumefaciens（根癌土壤杆菌或根癌农杆根癌土壤杆菌或根癌农杆菌）释放出的菌）释放出的TiTi质粒上的质粒上的T-T-DNADNA片段与植物细胞的核基因片段与植物细胞的核基因组整合，合成冠瘿碱类组整合，合成冠瘿碱类（opines）, ,破坏控制细胞分破坏控制细胞分裂的激素调节系统，使之变裂的激素调节系统，使之变成癌细胞。成癌细胞。（5）Ri质粒质粒（root inducing plasmid） 250 kb的
25、的Ri质粒中的一段质粒中的一段T-DNAT-DNA整合到整合到宿主根部细胞宿主根部细胞的核基因组中，可发生转化。的核基因组中，可发生转化。 Agrobacterium rhizogenes（发根土壤发根土壤杆菌或发根农杆菌）可侵染双子叶植物的杆菌或发根农杆菌）可侵染双子叶植物的根部，并诱发大量称为毛状根的不定根。根部，并诱发大量称为毛状根的不定根。RiRi质粒是外源基因的良好载体！质粒是外源基因的良好载体！（6）mega质粒质粒（megaplasmid） 即即巨大质粒巨大质粒，其相对分子质量，其相对分子质量比一般比一般质粒大几十倍至几百倍，存在于质粒大几十倍至几百倍，存在于Rhizobium（
26、根瘤菌属）中，其上有一系列与共生固根瘤菌属）中，其上有一系列与共生固氮相关的基因。氮相关的基因。（7）降解质粒降解质粒 这类质粒是由降解一系列复杂有机物的这类质粒是由降解一系列复杂有机物的酶编码，所以在污水处理、环境保护等方面酶编码，所以在污水处理、环境保护等方面发挥作用。发挥作用。只在假单胞菌属只在假单胞菌属（Pseudomonas）中发现降解质粒。中发现降解质粒。降解质粒以其所分解的底物命名，降解质粒以其所分解的底物命名，例如，例如，CAM（樟脑）质粒，樟脑）质粒，OCT（辛烷）质粒，辛烷）质粒，XYL（二甲苯）质粒，二甲苯）质粒，SAL（水杨酸）质粒，水杨酸）质粒，MDL（扁桃酸）质粒，扁桃酸）质粒，NAP（萘）质粒，萘）质粒，TOL（甲苯）质粒等。甲苯）质粒等。“超级菌超级菌”通过遗传工程手段构建具有数种降解质通过遗传工程手段构建具有数种降解质粒的菌株，具有广谱降解能力的工程菌。粒的菌株，具有广谱降解能力的工程菌。下节课再见了下节课再见了
