1、第九章第九章 微生物的遗传变异微生物的遗传变异遗传：遗传：亲代生物传递给子代生物的一套实现亲代生物传递给子代生物的一套实现与其相同性状的遗传信息。与其相同性状的遗传信息。变异：变异：由于内外环境作用，子代某一或几个由于内外环境作用，子代某一或几个性状与亲代不一致，且能遗传下一代。性状与亲代不一致，且能遗传下一代。主要内容主要内容l第一节第一节 遗传的物质基础遗传的物质基础l第二节第二节 微生物发生变异的机制微生物发生变异的机制 l第三节第三节 基因重组基因重组l第四节第四节 基因工程基因工程l第五节第五节 菌种的衰退、复壮和保藏菌种的衰退、复壮和保藏第一节第一节 遗传的物质基础遗传的物质基础l
2、一、证实遗传物质的三个经典实验一、证实遗传物质的三个经典实验l二、脱氧核糖核酸二、脱氧核糖核酸l三、基因组三、基因组DNADNA和染色体和染色体l四、染色体以外的遗传因子四、染色体以外的遗传因子一、三个证明一、三个证明DNA是遗传物质的经典实验是遗传物质的经典实验1、经典转化实验、经典转化实验肺炎链球菌：肺炎链球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力）型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力）R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）1928年，年，F.Griffth作了作了3组实验组实验:1944年，年，Avery精确重复了转化实验，确定了
3、转化因子精确重复了转化实验，确定了转化因子实验证明，将实验证明，将R菌转化为菌转化为S菌的转化因子是菌的转化因子是DNA2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验实验证明，进入实验证明，进入细菌细胞内部的细菌细胞内部的物质是物质是DNA。DNA包含有产生包含有产生完整噬菌体的全完整噬菌体的全部信息。部信息。3、植物病毒重建实验、植物病毒重建实验实验证明，遗传信息的流向与实验证明，遗传信息的流向与DNA的传递是一致的。的传递是一致的。结结 论论l细胞生物的遗传物质是双链细胞生物的遗传物质是双链DNADNAl病毒的遗传物质可以是单链的或双链的病毒的遗传物质可以是单链的或双链的DNADNA或或RNARNA，
4、即：即：ssDNAssDNA，dsDNAdsDNA，ssRNAssRNA或或dsRNAdsRNA。二、脱氧核糖核酸二、脱氧核糖核酸l1核酸的化学组成和结构 l2DNA的复制方式 l3DNA的理化性质1 1、核酸的化学组成和结构、核酸的化学组成和结构lDNA分子是由两条相互平行、方向相反的多核苷酸单链以右手螺旋方向相互缠绕而形成的双螺旋。l脱氧核糖和磷酸构成的主链位于外围，通过氢键相互交联的碱基处于双螺旋的内部。lA-T,G-C；两条单链互补；一条链的碱基序列限定了另一条链的序列。2 2、DNADNA的复制方式的复制方式 细菌细菌DNADNA的的q-q-形复制形复制 真核生物真核生物DNADNA
5、的复制的复制10100 m mm 复制叉复制叉复制叉复制叉复制原点复制原点模板模板新生链新生链DNADNA的滚环复制模式的滚环复制模式 切切口口55333模板模板新生链新生链新链连续复制新链连续复制互补链合成互补链合成3 3、DNADNA的理化性质的理化性质l（1）DNA的稳定性l（2）DNA的光学性质l（3）DNA的热变性l（4）复性、退火或杂交l（5）分子特征与微生物分类鉴定（1 1）DNADNA的稳定性的稳定性l在溶液中，DNA具有一定的粘性，易受剪切力的破坏；易被核酸酶降解；l在强酸中，DNA能被水解成碱基、糖和磷酸；l在特定的稀酸中(如pH3-4)，不同碱基与核糖之间的糖苷键会发生特
6、异性的断裂，根据这种特异性可测定DNA的碱基序列；l在稀碱如0.2当量NaOH中，双链DNA很快变性产生单链DNA，继而单链DNA被进一步破坏。（2 2）DNADNA的光学性质的光学性质lDNA中的碱基属于芳香簇化合物，能够吸收紫外光(UV)。DNA吸收峰的光波波长为260nm；当浓度为1mg/ml时，dsDNA：A260=20ssDNA、RNA：A26025l人们根据A260测定DNA的浓度，根据A260/A280和估算DNA的纯度。（3 3）DNADNA的热变性的热变性l双链DNA在一定的高温下解链(变性)产生单链DNA。双链DNA完全解链后，紫外吸收值A260可以提高40，当吸收值的提高
7、达到中点时的温度称为解链温度（Tm）。1.41.21.070 80 90 100CTm（4）复性、退火或杂交l当温度缓慢降低时，序列互补的单链DNA能够渐渐地重新配对，即复性。l不同来源的DNA之间碱基序列互补的区段进行的碱基配对，称为退火或杂交，这被广泛应用于DNA的扩增、定点诱变、基因鉴别。（5）分子特征与微生物分类鉴定lDNA中的GC含量通常通过Tm值来测定。同一个属的细菌，GC含量的变化一般小于10。lDNADNA杂交技术用于研究亲缘关系近的微生物。l如果两菌株在最适条件下杂交，DNA相关性70%，且Tm值差别5，它们就被认为同种。三、基因组三、基因组DNADNA和染色体和染色体l基因
8、组：基因组：是指一种生物体内单套遗传物质的全部遗传基因。l染色体：染色体：指携带细胞功能所必备的基因的遗传单元。l非细胞生物，它们的全套遗传基因称为基因组，但不足以形成染色体。l原核生物的染色体常为一个环状的DNA分子。l真核生物的细胞有几条至几十条染色体，各含一个线状的DNA分子。四、染色体以外的遗传因子四、染色体以外的遗传因子l线粒体和叶绿体中含有的DNA能够自体复制，并编码执行线粒体和叶绿体功能的蛋白，属于染色体以外的遗传因子。l质粒一般指存在于细菌、真菌等微生物细胞中，独立于染色体以外，能进行自我复制的遗传因子。质粒的大小为11000 kb，常为环状的双链DNA分子，也有线状DNA或R
9、NA质粒。l有些质粒既能够整合到染色体上，又能以游离状态存在，并能携带部分染色体基因进行转移，它们被称为附加体。质粒的特性质粒的特性 可转移性：可转移性：可以细胞间的接合作用或其它途径从供可以细胞间的接合作用或其它途径从供体细胞向受体细胞转移体细胞向受体细胞转移 可整合性：可整合性：可以可逆性地整合到宿主细胞染色体上可以可逆性地整合到宿主细胞染色体上 可重组性：可重组性：不同来源的质粒之间，质粒与宿主细胞不同来源的质粒之间，质粒与宿主细胞染色体间的基因可以发生重组染色体间的基因可以发生重组 可消除性：可消除性：某些理化因素如加热、加丫啶橙或丝裂某些理化因素如加热、加丫啶橙或丝裂霉素、溴化乙锭等
10、均可使质粒消除霉素、溴化乙锭等均可使质粒消除 此外，还有此外，还有互不相容性、耐碱性互不相容性、耐碱性等。等。1.F因子（因子（fertility factor）又称致育因子或性因子，又称致育因子或性因子，2106 D，94.5kb，相当，相当于核染色体于核染色体DNA2%的环状双链的环状双链DNA，足以编码，足以编码94个中等大小多肽个中等大小多肽其中其中1/3基因（基因（tra区）与接合作用有关。区）与接合作用有关。存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别。球菌、链球菌等细菌中，决定性别。几种代表性质粒几种代表性
11、质粒2.R因子（因子（resistence factor）最初发现于痢疾志贺氏菌（最初发现于痢疾志贺氏菌（Shigella dysenteriaeShigella dysenteriae），），后来发现还存在于后来发现还存在于SalmonellaSalmonella、VibrioVibrio、BacillusBacillus、PseudomonasPseudomonas和和StaphylococcusStaphylococcus中。中。R R因子由相连的两个因子由相连的两个DNADNA片段组成，即抗性转移因子片段组成，即抗性转移因子（resistence transforresistence
12、transfor factor factor，RTF RTF）和抗性决定）和抗性决定R R因子（因子（r-determinantr-determinant），），RTFRTF为分子量约为为分子量约为111110106 6 DaltonDalton，控制质粒，控制质粒copycopy数及复制，抗性决定质粒大小不数及复制，抗性决定质粒大小不固定，从几百万到固定，从几百万到10010010106 6DaltonDalton以上。其上带有其它抗以上。其上带有其它抗生素的抗性基因。生素的抗性基因。几种代表性质粒几种代表性质粒3.Col因子（因子（colicinogenic factor）产大肠杆菌素因子
13、。产大肠杆菌素因子。大肠杆菌素是由大肠杆菌素是由E.coli的某些菌株所分泌的细菌素，能通的某些菌株所分泌的细菌素，能通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其它肠道细菌。大肠杆菌素都是由它肠道细菌。大肠杆菌素都是由Col因子编码的。因子编码的。Col因子可分为两类，分别以因子可分为两类，分别以ColE1和和ColIb为代表。为代表。ColE1无接合作用，是多拷贝的；无接合作用，是多拷贝的；ColIb具有通过接合作具有通过接合作用转移的功能，只有用转移的功能，只有12个拷贝。个拷贝。凡带凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，
14、因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。几种代表性质粒几种代表性质粒4.4.降解性质粒降解性质粒只在假单胞菌属中发现。只在假单胞菌属中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编 码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。这些质粒以其所分解的底物命名，例如有分解这些质粒以其所分解的底物命名，例如有分解CAMCAM（樟（樟 脑）质粒，脑）质粒，XYLXYL（二甲苯）质粒，（二甲苯）质粒，SALSAL（水杨酸）质（
15、水杨酸）质 粒，粒，MDLMDL（扁桃酸）质粒，（扁桃酸）质粒，NAPNAP（奈）质粒和（奈）质粒和TOLTOL（甲（甲 苯）质粒等。苯）质粒等。几种代表性质粒几种代表性质粒5.Ti质粒（质粒（tumor inducing plasmid）即诱癌质粒。存在于根癌土壤杆菌（即诱癌质粒。存在于根癌土壤杆菌（Agrobacterium tumefaciens）中中,可引起许多双子叶植物的根癌可引起许多双子叶植物的根癌当细菌侵入植物细胞中后，在其细胞中溶解，把细菌的当细菌侵入植物细胞中后，在其细胞中溶解，把细菌的DNA释放到释放到植物细胞中。这时，含有复制基因的植物细胞中。这时，含有复制基因的Ti质粒
16、的小片段与植物细胞中质粒的小片段与植物细胞中的核染色体发生整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使的核染色体发生整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。它转变成癌细胞。Ti质粒长质粒长200kb，是一个大型质粒。当前，是一个大型质粒。当前，Ti质粒已成为植物遗传质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体。一些具有重要性状的外源基因可借工程研究中的重要载体。一些具有重要性状的外源基因可借DNA重重组技术设法插入到组技术设法插入到Ti质粒中，并进一步使之整合到植物染色体上，质粒中，并进一步使之整合到植物染色体上，以改变该植物的遗传性，达到培育植物优良品种的目的。以改变该植物的遗
17、传性，达到培育植物优良品种的目的。几种代表性质粒几种代表性质粒6.6.巨大质粒（巨大质粒（mega质粒）质粒）是近年来在是近年来在Rhizobium（根瘤菌属）中发现（根瘤菌属）中发现的一种质粒，分子量为的一种质粒，分子量为200300106 Dalton，比一般质粒大几十倍到几百倍，故，比一般质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒，其上有一系列固氮基因。称巨大质粒，其上有一系列固氮基因。几种代表性质粒几种代表性质粒第二节第二节 遗传物质的变异遗传物质的变异l突变：突变：生物体表象在遗传物质基础上发生可遗生物体表象在遗传物质基础上发生可遗传的变化；传的变化；l按原因可分为：按原因可分为：自发突变和
18、诱变，诱变又可分自发突变和诱变，诱变又可分为点突变和畸变；为点突变和畸变；突变突变诱变诱变点突变点突变畸变畸变转换：转换：A G,T CA G,T C颠换：颠换：A T,A CA T,A C G C,G T G C,G T缺失：缺失：ABC ABC AB ABCAAB ABCA添加：添加：ABC ABC A BCABCA BCABC缺失：缺失：abcabc ghijklghijkl添加添加重复：重复：abcabc abcabcdefdef插入：插入：abcabc pqrpqr def def易位：易位：abcabc pqrpqr ghi ghi倒位：倒位：abcabc f fed ghied
19、ghi自发突变自发突变移码移码突变突变碱基碱基置换置换一、自发突变一、自发突变l1.1.定义：定义：微生物在无人工参与情况下生物体自然发生的突变l2.2.突变机制：突变机制：l（1）自然界中的短波辐射和射线l（2）微生物自身有害产物的诱变效应 如H2O2对脉胞菌有诱变作用l（3）碱基的互变异构 酮式至烯醇式的互变异构，烯醇式为突变型l（4）环出效应：环状突出效应l（5）紫外线对DNA的损伤及修复 嘧啶碱基受紫外辐射后产生的衍生物嘧啶碱基受紫外辐射后产生的衍生物 3.3.修复方法修复方法l光复活作用：光复活作用：把经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下，可明显降低其死亡率的现象。称为光复活作用
20、；l暗修复作用：暗修复作用：是活细胞内一种用于修复被紫外线等诱变剂（包括烷化剂，X射线、r射线等）损伤后的DNA的机制，修复过程中有4种酶参与，内切酶、外切酶、DNA聚合酶、连接酶；二、诱变二、诱变l1.1.定义：定义：在外界诱变剂的参与下是生物体发生在外界诱变剂的参与下是生物体发生的突变的突变l2.2.诱变剂：诱变剂：凡能使诱变率提高的物理化学因素凡能使诱变率提高的物理化学因素（1 1）物理诱变剂：紫外线、放射线、同位素；）物理诱变剂：紫外线、放射线、同位素；（2 2）化学诱变剂：）化学诱变剂：HNOHNO2 2、H H2 2O O2 2、硫酸二乙酯、氮芥硫酸二乙酯、氮芥3.3.诱变的机制诱
21、变的机制l（1）碱基对的置换 属于一种染色体的微小损伤，它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换 转换：转换：一种嘌呤（嘧啶）被另一种嘌呤（嘧啶）所置换 A=T G=T C=G T=G 颠换：颠换：一个嘌呤（嘧啶）被另一个嘧啶（嘌呤）所置换（2 2）移码突变：微小损伤）移码突变：微小损伤l指诱变剂使指诱变剂使DNADNA分子中的一个或少数几个核苷分子中的一个或少数几个核苷酸的增添或丢失，从而使该部位后面的全部遗酸的增添或丢失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。传密码发生转录和转译错误的一类突变。l缺失：缺失：ABC ABC A CA CA BCAA BCAl 正常正常 AB
22、C ABC ABCABC ABC ABCl添加：添加：ABC ABC A BA B CABC CABC（3 3）染色体畸变）染色体畸变l某些理化因子，如某些理化因子，如x x射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸盐，射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸盐，除了能引起点突变外，还会引起除了能引起点突变外，还会引起DNADNA的大损伤的大损伤染色染色体畸变，它既包括染色体结构上的缺失、重复、插入、体畸变，它既包括染色体结构上的缺失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化；易位和倒位，也包括染色体数目的变化；l染色体内畸变：增加、缺失、倒位、易位（在同一染色染色体内畸变：增加、缺失、倒位、易位（在同一染色体上
23、）；体上）；l染色体外畸变：非同源染色体间易位；染色体外畸变：非同源染色体间易位；同源染色体：形态和结构相同的一对染色体同源染色体：形态和结构相同的一对染色体 非同源染色体：一对染色体与另一对形态结构不同的非同源染色体：一对染色体与另一对形态结构不同的 染色体染色体三、基因突变三、基因突变l（一）突变类型（一）突变类型突变株的表型突变株的表型选择性选择性突变株突变株营养缺陷性营养缺陷性抗性突变型抗性突变型条件致死突变型条件致死突变型非选择性非选择性突变株突变株形态突变型形态突变型抗原突变型抗原突变型产量突变型产量突变型（一）突变类型（一）突变类型l选择性突变株：选择性突变株：凡能用选择性培养基
24、快速选择出来的突变型；l非选择性突变株：非选择性突变株：凡用选择性培养基不能快速选择出来的突变型；l营养缺陷型：营养缺陷型：由于突变的原因使某些菌株丧失合成一种或几种生长因子的能力，因而无法在基础培养基上正常生长繁殖的变异类型；l抗性突变型：抗性突变型：由于基因突变而使原始菌株产生了对某种化学药物或致死物理因子抗性的变异类型；（一）突变类型（一）突变类型l条件致死突变型：条件致死突变型：某菌株或病毒经基因突变后，某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并实现其表型，在某种条件下可正常地生长、繁殖并实现其表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖的突变型；而在另一种条件下却无法生长、
25、繁殖的突变型；l形态突变型：形态突变型：由于突变而产生的个体或菌落形态由于突变而产生的个体或菌落形态所发生的非选择性变异；所发生的非选择性变异；l抗原突变型：抗原突变型：由于细胞表面成分发生变化而引起由于细胞表面成分发生变化而引起抗原结构发生突变的变异类型；抗原结构发生突变的变异类型；l产量突变型：产量突变型：由于突变而使微生物产生代谢产物由于突变而使微生物产生代谢产物产量大大高于原始菌株的突变型；产量大大高于原始菌株的突变型；（二）突变率（二）突变率l每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率，称突变率。率，称突变率。l自发突变率一般为自发突变率一般为1010-8-8-10-10-9-9（三）突变的特点（三）突变的特点
