1、第一节第一节 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异 药学微生物药学微生物 教学重难点1 1、教学、教学重点重点：基因突变：基因突变与诱变育种与诱变育种 2 2、教学、教学难点难点：微生物遗：微生物遗传与变异的物质基础传与变异的物质基础 药学微生物药学微生物 亲代和子代相似的现象就叫亲代和子代相似的现象就叫遗传遗传。遗传和变异是密切相关的，缺一不可。遗传和变异是密切相关的，缺一不可。遗传是相对的，变异是绝对的，遗传是相对的，变异是绝对的，遗传中遗传中有变异，变异中有遗传。有变异，变异中有遗传。亲代和子代之间，亲代和子代之间，子代的个体之间总子代的个体之间总有着不同程度的差有着不同程度的差异，这种
2、子代和亲异，这种子代和亲代之间表现出来的代之间表现出来的差异就是差异就是变异变异。一、微生物遗传与变异的物质基础一、微生物遗传与变异的物质基础 遗传和变异是生物界最基本的属性。遗传和变异是生物界最基本的属性。两者的关系：遗传是相对的，变异是绝对两者的关系：遗传是相对的，变异是绝对的，遗传中有变异，变异中有遗传，的，遗传中有变异，变异中有遗传，遗传和遗传和变异的辨证关系使微生物不断进化。变异的辨证关系使微生物不断进化。药学微生物药学微生物 遗传变异的物质基础：遗传变异的物质基础：遗传变异的物质基础是核酸遗传变异的物质基础是核酸（DNADNA或或RNARNA），），通过以下三个经典实验加以证明。通
3、过以下三个经典实验加以证明。（1 1）经典转化实验）经典转化实验 （2 2）噬菌体感染实验）噬菌体感染实验 （3 3）植物病毒的重建实验）植物病毒的重建实验 (1)(1)经典转化实验：经典转化实验：证实证实DNADNA是遗传物质是遗传物质 肺炎球菌有荚膜者是致病性的，其菌落表面肺炎球菌有荚膜者是致病性的，其菌落表面光滑，称光滑，称S S型（光滑型）；型（光滑型）；无荚膜者无致病性，其菌落表面粗糙，称无荚膜者无致病性，其菌落表面粗糙，称R R型（粗糙型）；型（粗糙型）；S S型菌型菌感染小鼠感染小鼠会导致小鼠患败血症死亡会导致小鼠患败血症死亡，但但加热杀死的加热杀死的S S型菌再感染小鼠不会引超
4、患病；型菌再感染小鼠不会引超患病；R R型菌型菌感染小鼠感染小鼠不会导致小鼠死亡不会导致小鼠死亡；将将R R型菌和加热杀型菌和加热杀“死死”的的S S型菌型菌混合后感染混合后感染小小鼠，能引起小鼠死亡，并在其心血中检出有活的鼠，能引起小鼠死亡，并在其心血中检出有活的S S型细菌。型细菌。无毒R型菌 加热杀死的S型菌 R型菌 加热杀死的S型菌 R型细菌重现 无细菌重现 重现有毒S型细菌 图图 肺炎球菌的转化现象肺炎球菌的转化现象 分析认为加热杀死的分析认为加热杀死的S S型细菌，在其细型细菌，在其细胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物质，他能通过某种方式进入质
5、，他能通过某种方式进入R R型细胞，并型细胞，并使使R R型细胞获得表达型细胞获得表达S S型荚膜性状的遗传型荚膜性状的遗传特性。特性。后来又通过体外实验，也得出了类似的后来又通过体外实验，也得出了类似的结果。结果。初步证实肺炎球菌中的初步证实肺炎球菌中的DNADNA是遗传物是遗传物质。质。药学微生物药学微生物(2)(2)噬菌体感染实验：噬菌体感染实验：进一步证实进一步证实DNADNA是遗传物质是遗传物质 实验过程：首先将实验过程：首先将T2T2噬菌体分别感染噬菌体分别感染在含在含有放射性有放射性3232P P或或3535S S培养基中的两组培养基中的两组E.cE.colioli，细胞裂解后分
6、别收集菌液。结果获，细胞裂解后分别收集菌液。结果获得含得含3232P-DNAP-DNA（噬菌体核心）的噬菌体或（噬菌体核心）的噬菌体或含含3535S-S-蛋白质外壳的两种实验用噬菌体。蛋白质外壳的两种实验用噬菌体。在其在其DNADNA中，含有包括合成蛋白质外壳中，含有包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。在内的整套遗传信息。图图 用含用含32P-DNA（核心）的噬菌体作感染实验（核心）的噬菌体作感染实验图图 用含用含35S-蛋白质（外壳）的噬菌体作感染实验蛋白质（外壳）的噬菌体作感染实验(3)(3)植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验 ：证明了证明了RNARNA也是遗传物质也是遗传物质图图 T
7、MV病毒粒子的重建实验示意图病毒粒子的重建实验示意图注：烟草花叶病毒（TMV）霍氏车前花叶病毒（HRV）（一）遗传物质的存在形式（一）遗传物质的存在形式 DNADNA是遗传物质，而细胞中的是遗传物质，而细胞中的DNADNA主要集主要集中在细胞核的染色体上中在细胞核的染色体上。此外，遗传物质。此外，遗传物质还可还可以以质粒等形式存在于细胞核外以以质粒等形式存在于细胞核外。1.1.染色体染色体（1 1）真核生物的染色体真核生物的染色体。真核生物的染色体。真核生物的染色体主要主要由由DNADNA和组蛋白和组蛋白构成，其次含有少量非组构成，其次含有少量非组蛋白和蛋白和RNARNA。（2 2）原核生物的
8、染色体。原核生物的染色体。原核生物的原核生物的染色体一般是染色体一般是裸露的裸露的DNADNA或或RNARNA分子分子。它们大多是双链的，呈环状或线状。它们大多是双链的，呈环状或线状。真核生物和原核生物染色体的主要区别有：真核生物和原核生物染色体的主要区别有：（1 1）真核生物的染色体主要由）真核生物的染色体主要由DNADNA、组蛋白组、组蛋白组成，原核生物的染色体是单纯的成，原核生物的染色体是单纯的DNADNA或或RNARNA；（2 2）真核生物的染色体不止一个，而原核生物）真核生物的染色体不止一个，而原核生物的染色体往往只有一个的染色体往往只有一个（3 3）真核生物的染色体为核膜所包被，原
9、核生）真核生物的染色体为核膜所包被，原核生物的染色体外没有膜包被。物的染色体外没有膜包被。2.2.质粒质粒 质粒是原核生物（细菌、放线菌）质粒是原核生物（细菌、放线菌）的染色体外的遗传物质。的染色体外的遗传物质。它与遗传物它与遗传物质的转移、耐药性等有密切的关系。质的转移、耐药性等有密切的关系。（二）（二）DNADNA的结构与复制的结构与复制 DNADNA具有不同于生物体内其他物质的独具有不同于生物体内其他物质的独特的分子结构，特的分子结构，DNADNA分子结构的变化，是分子结构的变化，是导致生物多样性的内在原因。导致生物多样性的内在原因。1 1、DNADNA的结构的结构 （1 1）DNADN
10、A的化学组成的化学组成 核酸有两种，即脱氧核糖核酸（核酸有两种，即脱氧核糖核酸（DNADNA）和核糖核酸（和核糖核酸（RNARNA），它们都是），它们都是由核苷酸由核苷酸聚合而成的大分子聚合而成的大分子化合物。化合物。（2 2）DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构DNA的双螺旋结构的双螺旋结构2 2、DNADNA的复制的复制 DNADNA是生物遗传变异的物质基础，是生物遗传变异的物质基础，DNADNA分子上储存着全部的遗传信息，生物遗传性分子上储存着全部的遗传信息，生物遗传性就是由就是由DNADNA分子中碱基对的数目和排列顺序分子中碱基对的数目和排列顺序所决定的。所决定的。为了为了确保子代与亲
11、代的遗传性状确保子代与亲代的遗传性状不变，不变，必须将亲代必须将亲代DNADNA分子上的遗传信息原分子上的遗传信息原样地传给子代，即在母代细胞中样地传给子代，即在母代细胞中DNADNA碱基对碱基对地数目和排列顺序必须准确地被地数目和排列顺序必须准确地被复制复制，传递，传递到子代细胞中去。到子代细胞中去。基因：基因：基因是一个含有特定遗基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸（传信息的核苷酸（DNADNA）序列，是）序列，是遗传物质的最小功能单位。遗传物质的最小功能单位。是一段是一段具有特定功能和结构的具有特定功能和结构的DNADNA片段。片段。基因是组成染色体的遗传单位，基因是组成染色体的遗传单位，
12、他能控制遗传性状的发育，也是突他能控制遗传性状的发育，也是突变、重组、交换的基本单位。变、重组、交换的基本单位。二、基因突变与诱变育种二、基因突变与诱变育种 一个一个DNADNA分子携带有许多遗传信息，这分子携带有许多遗传信息，这与细胞的多种性状有关。我们可以根据与细胞的多种性状有关。我们可以根据功能把一个功能把一个DNADNA分子分成若干片段，分子分成若干片段，每每一片段对应一种功能，一片段对应一种功能，这样的片段就叫这样的片段就叫做基因。做基因。基因是在生物体内具有自主复制能力的基因是在生物体内具有自主复制能力的遗传功能单位，遗传功能单位，每个基因约有每个基因约有10001000个碱个碱基
13、对。基对。根据功能，把基因分为结构基因根据功能，把基因分为结构基因和调控基因。结构基因是决定某种蛋白和调控基因。结构基因是决定某种蛋白质分子结构的基因。调控基因对结构基质分子结构的基因。调控基因对结构基因起着调节控制作用。因起着调节控制作用。碱基对碱基对基因基因核酸核酸染色体染色体染色体的构成：染色体的构成：基因突变：基因突变：简称突变，是变异简称突变，是变异的一类，指细胞内（或病毒颗粒内）的一类，指细胞内（或病毒颗粒内）遗传物质的分子结构或数量突然发遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，可自发或诱导生的可遗传的变化，可自发或诱导产生。产生。包括染色体畸变和基因突变。包括染色体畸变和
14、基因突变。突变的概率一般很低，一般为突变的概率一般很低，一般为 1010-9-91010-6-6。基因突变的特点：基因突变的特点：自发性自发性在无人为诱发因素的情况下，各种遗传在无人为诱发因素的情况下，各种遗传性状的改变可以性状的改变可以自发自发地产生。地产生。不对应性不对应性指突变性状（如抗青霉素）与引起突指突变性状（如抗青霉素）与引起突变的原因间变的原因间无直接对应关系无直接对应关系。稀有性稀有性自发突变不可避免，但突变的自发突变不可避免，但突变的频率极低频率极低。独立性独立性 各种各种性状彼此间独立性状彼此间独立。可诱导性可诱导性通过通过物理、化学诱发物理、化学诱发，提高突变率。，提高突
15、变率。稳定性稳定性 突变后突变后新的遗传新的遗传性状是稳定的。性状是稳定的。可逆可逆性性实验证明，任何突变既可能正向突变，实验证明，任何突变既可能正向突变，也可发生回复突变，频率基本相同。也可发生回复突变，频率基本相同。（一）基因突变体的主要种类（一）基因突变体的主要种类 基因突变的类型很多，按突变体的表型，基因突变的类型很多，按突变体的表型，可分为以下几种主要类型。可分为以下几种主要类型。1 1、形态突变型、形态突变型 形态突变型形态突变型是指微生物发生了可见的细胞是指微生物发生了可见的细胞形态变化或菌落形态改变的突变型。形态变化或菌落形态改变的突变型。2 2、生化突变型生化突变型 营养缺陷
16、型：丧失某种生长因素的合成能力。营养缺陷型：丧失某种生长因素的合成能力。抗原突变型：引起抗原性变化。抗原突变型：引起抗原性变化。发酵突变型：发酵能力突变。发酵突变型：发酵能力突变。毒力突变型：毒力改变。毒力突变型：毒力改变。产量突变型：产量变化。产量突变型：产量变化。（二）基因突变的机制（二）基因突变的机制 诱发突变诱发突变：简称诱变，是指简称诱变，是指通过人通过人为的方法，为的方法，利用物理、化学或生物因素显利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。著提高基因自发突变频率的手段。形成原因：形成原因：碱基的置换；碱基的置换；移码突变；移码突变；染色体畸变。染色体畸变。自发突变自发
17、突变：指生物体在指生物体在无人工干预无人工干预下自然发生下自然发生的低频率突变。的低频率突变。形成原因：形成原因：背景辐射和环境因素的诱背景辐射和环境因素的诱变；变；微生物自身有害代谢产物的诱变；微生物自身有害代谢产物的诱变；又又DNADNA复制过程中碱基配对错误引起。复制过程中碱基配对错误引起。紫外线（紫外线（UVUV）对）对DNADNA的损伤及其修复。的损伤及其修复。基因突变是是好坏？其在工业生产中有何应用？基因突变是是好坏？其在工业生产中有何应用？例如：例如：营养缺陷型突变；营养缺陷型突变；抗原突变型突变；抗原突变型突变；发酵突变型突变；发酵突变型突变；毒力突变型突变；毒力突变型突变；产
18、量突变型突变等等，都有不同的应用。产量突变型突变等等，都有不同的应用。药学微生物药学微生物（三）诱变育种（三）诱变育种 诱变育种：诱变育种：是指用人工的方法处理均是指用人工的方法处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、快速和率显著提高的基础上，采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选出少数符合目高效的筛选方法，从中挑选出少数符合目的的突变株，以供科学实验或生产实践使的的突变株，以供科学实验或生产实践使用。用。根据微生物基因突变的理论，通过人根据微生物基因突变的理论，通过人工方法采用物理、化学和生物因素处理微工方法采用物理、化学
19、和生物因素处理微生物，使其发生改变，然后从中筛选出符生物，使其发生改变，然后从中筛选出符合需要的优良突变菌株，供生产和科学研合需要的优良突变菌株，供生产和科学研究使用的菌种选育过程。究使用的菌种选育过程。凡能提高突变率的任何理化因子，凡能提高突变率的任何理化因子，都称为都称为诱变剂。诱变剂。诱变种类很多，主要有诱变种类很多，主要有物理诱变、物理诱变、化学诱变。化学诱变。物理诱变主要是各种辐射，如非物理诱变主要是各种辐射，如非电离辐射（紫外线）、电离辐射（电离辐射（紫外线）、电离辐射（X X射线）等。射线）等。化学诱变剂如烷化剂、亚硝酸和化学诱变剂如烷化剂、亚硝酸和羟胺等。羟胺等。（四）诱变育种
20、的基本过程（四）诱变育种的基本过程出发菌株的选择出发菌株的选择制备单孢子悬液制备单孢子悬液诱变处理诱变处理筛选突变株筛选突变株（五）微生物突变体的筛选（五）微生物突变体的筛选 1 1、初筛初筛 初筛的方法要快速、简便，结果直观性强，初筛的方法要快速、简便，结果直观性强，缺点是由于培养皿的培养条件与三角瓶、发酵缺点是由于培养皿的培养条件与三角瓶、发酵罐的培养条件有很大差别，有时会造成两者结罐的培养条件有很大差别，有时会造成两者结果不一致。果不一致。2 2、复筛复筛 复筛是指对初筛出的菌株的有关性状作精复筛是指对初筛出的菌株的有关性状作精确的定量测定。确的定量测定。遗传物质在离遗传物质在离体条件下
21、能进体条件下能进行剪切、组合行剪切、组合吗？吗？（六）基因工程（六）基因工程 2020世纪世纪7070年代初，美国科学年代初，美国科学S.Cohen S.Cohen 第一次将两第一次将两个不同的质粒加以拼接，组合成一个杂合质粒，并个不同的质粒加以拼接，组合成一个杂合质粒，并将其引入到大肠杆菌体内进行表达。这就是基因工将其引入到大肠杆菌体内进行表达。这就是基因工程的雏形。这种被称为基因转移或程的雏形。这种被称为基因转移或DNADNA重组技术立即重组技术立即在学术界引起很大轰动，很多科学家深刻认识到这在学术界引起很大轰动，很多科学家深刻认识到这一发现将会给生命科学带来巨大变化。一发现将会给生命科学
22、带来巨大变化。基因工程基因工程指采用类似工程设计的方法，按照人们指采用类似工程设计的方法，按照人们的意愿通过一定的程序，的意愿通过一定的程序，对不同生物的遗传物质在对不同生物的遗传物质在离体条件下进行剪切、组合和拼接，使遗传物质重离体条件下进行剪切、组合和拼接，使遗传物质重新组合，新组合，然后再将人工重组的基因引入适当的受体然后再将人工重组的基因引入适当的受体中进行无性繁殖，并使所需的基因在受体细胞内表中进行无性繁殖，并使所需的基因在受体细胞内表达，产生出人类所需的产物或组建新的生物类型。达，产生出人类所需的产物或组建新的生物类型。基因工程的出现使人类跨进了按照自己的意愿创基因工程的出现使人类跨进了按照自己的意愿创建新生物的伟大时代，虽然它的诞生不足四十年，建新生物的伟大时代，虽然它的诞生不足四十年，但这一学科却获得了突飞猛进的发展。但这一学科却获得了突飞猛进的发展。
