1、第四章 微生物的遗传与变异 遗传和变异的概念 遗传变异的物质基础DNA 基因突变与基因重组 遗传工程内容第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传微生物的遗传遗传变异是菌种选育工作的理论 选种 育种 保藏 复壮微生物的遗传遗传物质DNA微生物的遗传 1953年华特生(James Watson)和克里克(Francis Crick)通过X射线衍射法观察DNA结构，提出了DNA双螺旋结构模型。1、DNA两个单链的相对位置上的碱基有严格的配对关系2、AT；G-C3、DNA链上的碱基对排列没有规律所以：DNA结构的变化是无穷无尽的多样性微生物的遗传证明DNA是遗传物质的Griffth转化实验微生物的遗传证
2、明DNA是遗传物质的嗜菌体感染实验微生物的遗传微生物中遗传物资主要存在形式：染色体1、真核生物的为DNA及蛋白质构成，原核生物是单纯的DNA或RNA2、真核生物的不止一个呈线性，原核生物只一个呈环形3、真核生物的有核膜包被，原核生物无核膜，是裸露的微生物的遗传真核微生物中染色体外的遗传物资细胞器DNA细胞器（叶绿体、线粒体、中心粒、毛基体等）DNA编码相应酶的基因细胞器及其DNA特征：1、结构复杂而多样2、功能不一3、数目多少不一4、自体复制5、消失后，后代细胞不再出现 数量只占染色体DNA1%以下微生物的遗传微生物中染色体外的DNA另外形式质粒1、原核微生物2、真核微生物的酵母菌微生物的遗传
3、抗药性质粒抗生素产生质粒芳香族化合物降解质粒大肠杆菌素质粒性质粒限制型核酸内切酶和修饰酶产生的质粒微生物的遗传有的微生物遗传的物质基础RNA微生物的遗传半保留复制（semiconservative replication）1、多聚酶：修复作用和连接片断功能2、多聚酶：修复作用3、多聚酶：新链的合成微生物的遗传真核微生物DNA半保留复制过程微生物的遗传证明DNA半保留复制的密度梯度离心试验微生物的遗传RNA在细胞里有三种类型：信使RNA（mRNA)转移RNA（tRNA)核糖体RNA（rRNA)微生物的遗传信使RNA（mRNA)约占总RNA的5%。不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。它的功能
4、是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地 核糖核蛋白体。微生物的遗传转移RNA（tRNA)约占总约占总RNARNA的的10-15%10-15%。它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。已知每一个氨基酸至少有一个相应的已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNAtRNA。RNA RNA分子的大小很相似，链长一般在分子的大小很相似，链长一般在73-7873-78个核个核苷酸之间。苷酸之间。微生物的遗传tRNA的空间结构微生物的遗传核糖体RNA（rRNA)约占全部RNA的80%是核糖核
5、蛋白体的主要组成部分 rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关微生物的遗传遗传信息的传递和表达：中心法则微生物的遗传20种氨基酸的遗传密码（64个密码）微生物的遗传密码AUG为翻译启动信号微生物的遗传密码UAA（UAG、UGA）为翻译终止信号微生物的遗传基因的表达是其遗传信息转化为生物学性状与功能的过程 酶活性的调节酶蛋白合成后进行的，是酶化学水平上的调节 酶量的调节合成多少酶，是转录水平或翻译水平的调节微生物的遗传酶量的转录水平调节操纵子结构：结构基因编码酶蛋白 操纵基因操控结构基因表达 调节基因编码作用于操作基因的调节蛋白 启动子控制转录起始第二节第二节 微生物的变异微生物的变异微生物的变异突
6、变类型：基因突变（gene mutation）或点突变(point mutation)染色体畸变（chromosomal aberration）染色体畸变类型：倒位(inversion)易位(translocation)缺失(deletion)插入(insertion)微生物的变异突变型：形态突变型鞭毛、芽孢、荚膜、菌落、S型、R型、颜色等变异 生化突变型代谢途径变异：营养缺陷型、抗性突变型、抗原突变型 致死突变型个体死亡活生活力下降（半致死）条件致死突变型如温度敏感突变型微生物的变异根据基因突变的方式分类：自发突变（spontaneous mutation）诱发突变（induced muta
7、tion）频率很低点突变微生物的变异自发突变：频率很低，频率很低，1010-6-61010-10-10 DNA DNA分子某种程度的改变分子某种程度的改变 长期综合效应长期综合效应 修复系统可以修复修复系统可以修复微生物的变异波动试验：突变是适应环境还是自发的？微生物的变异基因突变无定向性的影映试验证明微生物的变异诱发突变：人为利用物理化学因素（诱变剂）引起人为利用物理化学因素（诱变剂）引起 诱变剂可以诱导各种类型的点突变诱变剂可以诱导各种类型的点突变 某些情况下突变能修复某些情况下突变能修复诱发突变类型：点突变点突变(point mutation)point mutation)染色体畸变（染
8、色体畸变（chromosomal aberrationchromosomal aberration）点突变：碱基置换碱基置换(substiutionsubstiution)-)-转换和颠换二类转换和颠换二类 移码突变（移码突变（frame-shift mutationframe-shift mutation）移码突变株移码突变株微生物的变异染色体畸变：倒位(inversion)易位(translocation)微生物的变异基因突变：缺失(deletion)插入(insertion)微生物的变异常用诱变剂：紫外线 X射线 r射线 化学诱变剂修复方式：光复活作用光复活作用 切除修复切除修复 重组修
9、复重组修复 SOS SOS修复修复微生物的变异光复活作用主要是对由紫外线引起的DNA损伤进行修复光解酶微生物的变异紫外线引起DNA中相邻胸腺嘧啶碱基彼此结合微生物的变异切除修复是一种暗修复，其遗传信息来自DNA双螺旋的互补链重组修复从另外相同或相似的DNA分子上取得相应片断来修复SOS修复SOS是DNA修复最重要，最广泛的基因集团第三节第三节 微生物基因重组微生物基因重组接合转化转导微生物的变异一、原核微生物的基因重组基因重组类型：接合接合(conjugation)conjugation)转导转导(transductiontransduction)转化转化(transformation)tra
10、nsformation)微生物的变异基因重组：接合过程微生物的变异基因重组：接合微生物的变异E.coli strains undergoing conjugation(TEM x27,700).微生物的变异基因重组：转化微生物的变异基因重组：限制性转导微生物的变异基因重组：普遍性转导微生物的变异二、真核微生物的基因重组基因重组类型：有性杂交细胞水平，类似于高等动植物有性杂交细胞水平，类似于高等动植物 准性生殖比有性杂交原始，细胞融合且不经减数分裂准性生殖比有性杂交原始，细胞融合且不经减数分裂 酵母菌染色体外的酵母菌染色体外的DNADNA重组质粒重组质粒DNADNA或线粒体或线粒体DNADNA第
11、四节第四节 人工构建新菌株人工构建新菌株构建新菌株方式：诱变育种诱变育种 原生质体融合原生质体融合 基因工程基因工程微生物的变异微生物的变异诱变育种工作中应考虑的几个原则：选择简便有效的诱变剂 挑选优良的出发菌株(original strain）处理单泡子(或单细胞)悬液 选用最适剂量 充分利用复合处理的协同效应(synergism)利用和创造形态、生理与产量间的相关指标 设计或采用高效筛选方案或方法诱变育种：通过人工的方法处理微生物，使之发生突变，并应用合理的筛选程序和方法，把适合人类需要的优良菌种选育出来的过程。一、诱变育种微生物的变异 用人工的方法，使遗传性状不同的二个细胞的原生质体发生
12、融合，并产生重组子的过程。也称为细胞融合。无接合作用的菌株间也可以采用。图4-10。二、原生质体融合微生物的变异 用人工的方法通过体外基因重组和载体作用，使新构建的遗传物质组合进入新的个体，并在新的个体中得以稳定遗传和表达的过程。三、基因工程微生物的变异1、DNA的切割工具：限制性内切酶分子剪刀2、DNA的缝合工具：DNA连接酶分子针线3、DNA的转运工具：质粒或病毒分子载体微生物的变异1、限制性内切酶（restriction endonucleases）能识DNA分子上某种特殊的核苷酸序列，并在二个特定的碱基之间破坏其磷酸二酯键，从而将DNA分子的双链交错地切断。微生物的变异2、DNA连接酶
13、（DNA ligase）能在二个DNA分子片断的末端之间形成磷酸二酯键，从而将DNA分子连接起来。微生物的变异3、DNA运载体 能自由进出细胞，而且在装载了外来DNA分子片断后仍能照样复制的小分子DNA。如：细菌质粒DNA、噬菌体DNA、动物病毒DNA微生物的变异1、取得目的基因2、载体的选择2、目的基因与载体的体外重组3、杂种载体分子进入受体细胞微生物的变异1、取得目的基因 限制性内切酶处理DNA分子 反转录酶处理mRNA分子 化学方法合成DNA分子微生物的变异2、载体选择条件 复制子 高复制率 限制性内切酶切口 选择遗传标记微生物的变异3、目的基因与载体的体外重组 如嵌合质粒（chimer
14、a）微生物的变异4、杂种载体分子进入受体细胞微生物的变异1、在降解人工合成化合物和难降解物方面发挥重要作用2、教材例：降解石油的超级细菌、耐汞质粒、降解染料的质粒微生物的变异基因工程的安全防护 致癌病毒DNA的扩散 耐药质粒的传播 干扰和破坏正常细胞的功能 破坏生态平衡 制造巨大杀伤力的生物武器1、P126，第1至第5题6、证实DNA是遗传物质、DNA半保留复制的经典实验是什么？7、基因表达与细菌代谢有何联系？8、试述波动试验的实验设计逻辑思想。9、遗传密码本质是什么？能改变吗？10、中心法则的含义和步骤？11、举例说明微生物基因的某种调控方式。12、已知哪些化学和物理诱变剂引起突变？13、自发突变最重要的特性是什么？14、转化中的DNA片断在染色体还是质粒进行？15、人类基因能在细菌质粒插入并表达吗？
