1、第七章第七章 微生物遗传与变异微生物遗传与变异 与育种通过本章的学习，要求掌握：1、遗传变异的物质基础2、基因突变的发生3、基因重组的原理和方法。4、基因工程的基本原理5、菌种保藏重点：细菌的基因重组 难点：低频转导，高频转导，准性生殖 v微生物是理想的遗传学研究材料：微生物是理想的遗传学研究材料：物种及代谢类型的多样性；物种及代谢类型的多样性；个体简单，营养体多为单倍体，基因组小；个体简单，营养体多为单倍体，基因组小；繁殖快，繁殖快，易于累积不同的最终代谢产物及中间易于累积不同的最终代谢产物及中间代谢物；代谢物；菌落形态特征的可见性与多样性；菌落形态特征的可见性与多样性；环境条件对微生物群体
2、中各个体作用的直接和环境条件对微生物群体中各个体作用的直接和均匀；均匀；易变异、易得到营养缺陷型突变株；易变异、易得到营养缺陷型突变株；一般都有相应的噬菌体；一般都有相应的噬菌体；存在着处于进化进程中的多种原始方式的有性存在着处于进化进程中的多种原始方式的有性生殖类型等。生殖类型等。v基因组基因组genome：一种生物的全套基因。一种生物的全套基因。v表现型表现型phenotype：生物可见的或可测定的生物可见的或可测定的性状性状v遗传型遗传型genotype：决定生物表现型的遗传因决定生物表现型的遗传因子子v同样遗传型的生物在不同外界条件下，会显同样遗传型的生物在不同外界条件下，会显现不同表
3、现型，但遗传型并没有改变，这种现不同表现型，但遗传型并没有改变，这种变异为非遗传性变异，只能称适应或饰变变异为非遗传性变异，只能称适应或饰变(modification)；只有遗传型改变，从而引；只有遗传型改变，从而引起表型变化才称为变异，它发生在基因水平起表型变化才称为变异，它发生在基因水平上，可以遗传给子代。上，可以遗传给子代。vSerretia marcescens在在25下培养时，会产下培养时，会产生一种深红色的灵杆菌生一种深红色的灵杆菌素，把菌落染成鲜红色。素，把菌落染成鲜红色。可是，当培养在可是，当培养在37下下时，群体中所有细胞都时，群体中所有细胞都不产色素。如果重新降不产色素。如
4、果重新降温至温至25，产色素能力，产色素能力又得到恢复。这就是一又得到恢复。这就是一种饰变。种饰变。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、证明一、证明DNA是遗传物质的经典实验是遗传物质的经典实验1928年，年，F.Griffith；1944年年O.T.Avery 肺炎链球菌（肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）转化试验。转化试验。1952年，年，A.D.Hershy、M.Chase的噬菌的噬菌体感染实验。体感染实验。1956年，年，H.Fraenkel-Conrat的的TMV拆拆开和重建实验。开和重建实验。Griffith的转化实验的转化实验SR转化
5、因子本质的阐明转化因子本质的阐明vHershey-ChaseHershey-Chase的噬菌体实验的噬菌体实验v用用3535S S和和3232P P去分别标记大肠杆菌，然后再用去分别标记大肠杆菌，然后再用T T2 2噬噬菌体感染，即可分别得到标有菌体感染，即可分别得到标有3535S S和和T T2 2和和3232P P的的T T2 2噬菌体噬菌体。v把标记噬菌体与其宿主大肠杆菌混合，经短时把标记噬菌体与其宿主大肠杆菌混合，经短时间间(如如10 10 min)min)保温后，使保温后，使T T2 2完成吸附和侵入过完成吸附和侵入过程。程。v在组织捣碎器中剧烈搅拌，使吸附在菌体外表在组织捣碎器中剧
6、烈搅拌，使吸附在菌体外表的的T T2 2蛋白外壳脱离细胞并均匀分布。蛋白外壳脱离细胞并均匀分布。v进行离心沉淀，再分别测定沉淀物和上清液中进行离心沉淀，再分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记。的同位素标记。v实验结果发现，几乎全部的实验结果发现，几乎全部的3232P P都和细菌一起出都和细菌一起出现在沉淀物中，而几乎全部现在沉淀物中，而几乎全部3535S S都在上清液中。都在上清液中。v这意味着噬菌体的蛋白外壳经自然分离后仍留这意味着噬菌体的蛋白外壳经自然分离后仍留在细胞外部，只有核酸芯子才进入宿主体内；在细胞外部，只有核酸芯子才进入宿主体内；v同时，由于最终能释放出一群具有与亲代同样同时，由
7、于最终能释放出一群具有与亲代同样蛋白外壳的完整的子代噬菌体，说明只有核酸蛋白外壳的完整的子代噬菌体，说明只有核酸才是其全部遗体信息的载体。才是其全部遗体信息的载体。v后来通过电子显微镜的观察也证实了这个论点。后来通过电子显微镜的观察也证实了这个论点。vTMVTMV重建实验重建实验(TMV)(HRV)霍氏车前花叶病毒霍氏车前花叶病毒DNA的的双双螺螺旋旋结结构构图图 二、遗传物质在细胞中的存在二、遗传物质在细胞中的存在1 1、真核生物、真核生物v染色体染色体:DNADNA分子与组蛋白结合构成染色体，每分子与组蛋白结合构成染色体，每条染色体有单一线性双链条染色体有单一线性双链DNADNA分子。一个
8、真核分子。一个真核生物细胞内有多条染色体（脉孢菌生物细胞内有多条染色体（脉孢菌7 7条，人条，人2323条）。真核细胞核物质外有核膜包围，形成完条）。真核细胞核物质外有核膜包围，形成完整细胞核。整细胞核。v线粒体线粒体:真菌线粒体基因组的大小介于动物和真菌线粒体基因组的大小介于动物和植物线粒体基因组之间。植物线粒体基因组之间。v叶绿体叶绿体：光合生物叶绿体中存在：光合生物叶绿体中存在DNADNA。v真菌的质粒真菌的质粒：酵母菌的质粒存在细胞核中。：酵母菌的质粒存在细胞核中。丝状真菌的质粒存在线粒体中。丝状真菌的质粒存在线粒体中。2 2、原核生物、原核生物v染色体染色体:染色体仅由一条染色体仅由
9、一条DNADNA组成，组成，DNADNA为共价闭合环状双为共价闭合环状双链链,DNADNA不与组蛋白结合，一个细胞内只有一条染色体（单倍不与组蛋白结合，一个细胞内只有一条染色体（单倍体体haploidhaploid）。）。无核膜膜包围，只在细胞中央形成核区。无核膜膜包围，只在细胞中央形成核区。v质粒质粒(plasmidplasmid):原核生物中，除染色体以外，还有能够自主原核生物中，除染色体以外，还有能够自主复制的共价闭合环状复制的共价闭合环状DNADNA分子。它们携带少量遗传基因，决定分子。它们携带少量遗传基因，决定细胞的某些性状，并非细菌生活必需。细胞的某些性状，并非细菌生活必需。致育质
10、粒致育质粒 能自我复制能自我复制(主要依赖宿主细胞的主要依赖宿主细胞的 抗性质粒抗性质粒 复制酶体系复制酶体系)细菌素质粒细菌素质粒 具不亲和群性具不亲和群性(不同质粒可在同一不同质粒可在同一)降解质粒降解质粒 细胞内共存细胞内共存)毒性质粒毒性质粒 稳定的遗传稳定的遗传 共生质粒共生质粒 代谢型质粒代谢型质粒 具有转移性具有转移性 隐蔽质粒隐蔽质粒(表型和功能未知的质粒表型和功能未知的质粒)质粒的种类质粒的种类质粒的特性质粒的特性 三、三、遗传信息的传递和基因表达遗传信息的传递和基因表达1 1、微生物的遗传信息储存在基因中、微生物的遗传信息储存在基因中v基因基因genegene DNA DN
11、A分子的一定区段，携带特定的遗传信息，是具有自主复制分子的一定区段，携带特定的遗传信息，是具有自主复制能力的遗传功能单位。能力的遗传功能单位。遗传信息通过遗传信息通过DNADNA连上的核苷酸排列顺序连上的核苷酸排列顺序表现出来。表现出来。遗传学上遗传学上每一基因都用每一基因都用3 3个小写斜体英文字母表示，如个小写斜体英文字母表示，如laclac表示表示乳糖基因乳糖基因。基因的表型也用与基因相同的。基因的表型也用与基因相同的3 3个字母表示，但不用个字母表示，但不用斜体，且第一个字母要大写，表示具有乳糖代谢特征的符号为斜体，且第一个字母要大写，表示具有乳糖代谢特征的符号为LacLac+，没有乳
12、糖代谢特征的符号为没有乳糖代谢特征的符号为LacLac-。v基因的种类基因的种类:结构基因结构基因:决定多肽形成的碱基顺序称结构基因。决定多肽形成的碱基顺序称结构基因。一个结构基因一个结构基因表达后，产生一个多肽；即表达后，产生一个多肽；即“一个基因一个酶一个基因一个酶”。调节基因：对结构基因起调节控制作用的基因称调节基因。调节基因：对结构基因起调节控制作用的基因称调节基因。跳跃基因：可在跳跃基因：可在DNADNA上转移位置的基因上转移位置的基因称称跳跃基因。跳跃基因。例如例如:插入序列插入序列（ISIS因子）因子）转座子转座子（TnTn因子）因子）（1）、等位基因的存在与表达：）、等位基因的
13、存在与表达：a.对抗性的：只有一个基因能够对抗性的：只有一个基因能够 表达表达,显性基因表达显性基因表达 真核生物真核生物 b.非对抗性的：两个显性，非对抗性的：两个显性，两个两个 隐性。隐性。在原核细胞中在原核细胞中:在完全单倍体原核细胞中，等在完全单倍体原核细胞中，等 位基因的概念是指决定某一性状位基因的概念是指决定某一性状 的基因在野生型菌株和突变型菌的基因在野生型菌株和突变型菌 株中是否都存在。株中是否都存在。基因表达基因表达2、基因的表达：、基因的表达：v基因表达机制基因表达机制:遵守中心法则遵守中心法则 以以DNADNA为模板，通过为模板，通过RNARNA聚合酶转录出聚合酶转录出m
14、RNAmRNA，然后将然后将mRNAmRNA包含的碱基顺序在核糖体中翻译成包含的碱基顺序在核糖体中翻译成相应氨基酸序列的多肽。相应氨基酸序列的多肽。转录（转录（transcriptiontranscription）双链双链DNADNA单链，以其中一条为模板单链，以其中一条为模板互补互补mRNAmRNA 翻译翻译(translation)translation)mRNAmRNA 多肽多肽 (2)、操纵子和操纵基因的表达：、操纵子和操纵基因的表达：一个操纵子是一段一个操纵子是一段DNA碱基顺序，包括一个碱基顺序，包括一个操纵基因和一个或几个结构基因。操纵基因和一个或几个结构基因。操纵子的模型是雅各
15、布和莫诺操纵子的模型是雅各布和莫诺1961年提出的，年提出的，根据这一模型基因有结构基因，调节基因，操根据这一模型基因有结构基因，调节基因，操纵基因和启动基因之分，基因的活动受调节系纵基因和启动基因之分，基因的活动受调节系统控制，而这种控制又与环境因子有关，如乳统控制，而这种控制又与环境因子有关，如乳糖操纵子，麦芽糖操纵子。糖操纵子，麦芽糖操纵子。乳糖操纵子乳糖操纵子没有乳糖时，没有乳糖时，调节基因产物调节基因产物与操纵基因结与操纵基因结合，阻止结构合，阻止结构基因表达基因表达有乳糖时，有乳糖时，乳糖与调乳糖与调节基因产节基因产物结合，物结合，操纵基因操纵基因启动结构启动结构基因表达基因表达D
16、NA链链麦芽糖操纵子麦芽糖操纵子没有麦芽糖时，调节基因产物没有麦芽糖时，调节基因产物激活蛋白不与启动子结合，结激活蛋白不与启动子结合，结构基因不表达构基因不表达有麦芽糖时，麦芽糖与调节基因有麦芽糖时，麦芽糖与调节基因产物激活蛋白结合，促进产物激活蛋白结合，促进RNA聚合酶与启动子结合，结构基因聚合酶与启动子结合，结构基因表达表达DNA链链 第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种 1.突变：指突变：指DNA上的核苷酸顺序发生了稳定的，可遗上的核苷酸顺序发生了稳定的，可遗传的变化。传的变化。基因突变：基因突变：DNA链上一对或少数几对碱基发生链上一对或少数几对碱基发生 改变而引起。改变
17、而引起。染色体畸变：染色体畸变：DNA链的大片段损失。链的大片段损失。自发突变：在自然条件下发生的基因突变，细自发突变：在自然条件下发生的基因突变，细 菌的自发突变频率为菌的自发突变频率为10-5-10-7。诱发突变：利用物理化学因子处理微生物使其产诱发突变：利用物理化学因子处理微生物使其产 生的突变。生的突变。回复突变：突变菌株发生突变，回复到出发菌株回复突变：突变菌株发生突变，回复到出发菌株 的状态。的状态。突变突变包括包括突变突变分为分为突变机制：突变机制：转换：转换：DNA上一个嘌呤被另一个嘌呤或上一个嘌呤被另一个嘌呤或 者一个嘧啶被另一个嘧啶所替代者一个嘧啶被另一个嘧啶所替代v 颠换
18、：颠换：DNA上一个嘌呤被一个嘧啶替代上一个嘌呤被一个嘧啶替代v 或者一个嘧啶或者一个嘧啶 被另一个嘌呤替代被另一个嘌呤替代 v 添加添加 DNA分子中多了一个或几个碱基，导致编分子中多了一个或几个碱基，导致编 码码v aa三联密码发生了改变，从而引起突变。三联密码发生了改变，从而引起突变。缺失缺失 DNA分子中少了一个或几个碱基引起突变。分子中少了一个或几个碱基引起突变。如：如：GGG AAA UUU AAA CCC 甘甘 赖赖 苯丙苯丙 赖赖 脯脯 加一个碱基后就变成了：加一个碱基后就变成了：AGG GAA AUU UAA ACC C 精精 谷谷 异亮异亮 终止终止 添加：添加：abc X
19、 defg 缺失：缺失：abc D efg 畸变（染色体大损伤）畸变（染色体大损伤）重复：重复：abc abc de （由（由X射线等的辐射烷射线等的辐射烷 移位：移位：abc par de 化剂，亚硝酸等引起）化剂，亚硝酸等引起）倒位：倒位：abc fed g 碱基碱基置换置换移码移码突变突变点突变点突变诱发突变诱发突变基因突变类型：基因突变类型：1 1、营养缺陷型、营养缺陷型 2 2、抗性突变型、抗性突变型 3 3、条件致死突变型、条件致死突变型 4 4、形态突变型、形态突变型 5 5、抗原突变型、抗原突变型 6 6、产量突变型、产量突变型 基因突变的特点：基因突变的特点：不对应性不对应性
20、 自发性自发性 稀有性稀有性 独立性独立性 诱变性诱变性 稳定性稳定性 可逆性可逆性 正向突变正向突变(forward mutation)forward mutation)回复突变回复突变(back back matationmatation或或reversereverse mutation mutation）基因突变自发性和不对应性的证明v1、变量试验：（Fluctuation Test）：v 又称波动试验或彷徨试验。1943年美国学者鲁里亚（S、Luria）和德尔波留克（M、Delbrack）设计了此试验。2.涂布实验：（涂布实验：（Newcombe Expetiment）v1949年Ne
21、wcombe设计了这一实验：先在12只培养皿中涂以数目相等的大肠杆菌细胞，经大约5小时培养，于是在平板上长出大量的微菌落，取其中6支直接喷上噬菌体，另6支先用灭菌玻璃棒均匀涂布一遍，然后再喷噬菌体，经过夜培养计算两组培养皿中抗性菌落数。（涂布可将抗性株涂开）。3.平板影印培养试验（平板影印培养试验（Replica Plating）v1952年莱德伯格夫妇（V，Lederberg）设计的实验：v 印章的做法是取一块比培养皿略小的木块，一端用绒布包起来，绒布上许多小纤维起到接种针的作用。在进行试验时，先用培养液培养大肠杆菌，再将菌液涂布在固体培养基上，待长出菌落后，用影印法先在新鲜的固体培养基上打
22、一个印，再在含链霉素的另一个培养皿上打一个印。在含链霉素的培养皿上长出来的是抗链霉素突变体菌落然后再在不含链霉素的培养基上找出相应位置上的菌落，用含链霉素的培养基上找出相应位置上的菌落，用含链霉素的培养基鉴别，发现也是抗链霉素突变体，由于两者来源相同，说明是非链霉素诱变，而是自发的。微生物育种：微生物育种：1 1、自发突变育种、自发突变育种 生产育种生产育种 定向培育定向培育：在某一特定条件下，长期培：在某一特定条件下，长期培养某一微生物菌群，通过不断转接传代以养某一微生物菌群，通过不断转接传代以积累自发突变积累自发突变，并最终获得优良菌株的过，并最终获得优良菌株的过程。如预防结核病的制剂程。
23、如预防结核病的制剂卡介苗，卡介苗，经经历了历了1313年，牛型结核分支杆菌转接年，牛型结核分支杆菌转接230230代。代。2、诱变育种、诱变育种 用物理（用物理（X-ray、UV等）化学（吖啶、亚等）化学（吖啶、亚硝酸、碱基类似物）因素诱变育种，获得硝酸、碱基类似物）因素诱变育种，获得突突变机率提高变机率提高。艾姆氏试验（Ames test）v利用细菌营养缺陷型的回复突变来检测环境或食品中的潜在三致物质。诱变育种的基本原则v挑选优良的出发菌株 自发突变株、具有有利形状、对诱变剂敏感v敏感时期和合适对象的选择v 选择简便有效地诱变剂v选用最适剂量v高效的初筛和复筛 透明圈法、抑菌圈法、变色圈法、
24、生长圈法等 突变体的筛选：突变体的筛选：A、营养突变体的筛选营养突变体的筛选:完全培养基：基本培养基中加入了天然物质（蛋完全培养基：基本培养基中加入了天然物质（蛋白胨，酵母膏等），能满足各种营养缺陷型白胨，酵母膏等），能满足各种营养缺陷型M.生长的生长的培养基。培养基。基本培养基：只含有野生型菌生长繁殖所必须养基本培养基：只含有野生型菌生长繁殖所必须养料的合成培养基叫基本培养基。料的合成培养基叫基本培养基。a、青霉素浓缩法：青霉素浓缩法：用基本培养基培养细菌，并用基本培养基培养细菌，并在其中加入青霉素，由于青霉素只能抑制生长着的细在其中加入青霉素，由于青霉素只能抑制生长着的细菌，故只杀死在基本
25、培养基中生长的野生型细菌，而菌，故只杀死在基本培养基中生长的野生型细菌，而营养缺陷型突变体因不能在基本培养基中生长，青霉营养缺陷型突变体因不能在基本培养基中生长，青霉素对它们不起作用而被保留下来。素对它们不起作用而被保留下来。b、菌丝过滤法：把霉菌和放线菌的孢子放在基本菌丝过滤法：把霉菌和放线菌的孢子放在基本培养基里生长，这时只有野生型菌会萌发长出菌丝，培养基里生长，这时只有野生型菌会萌发长出菌丝，而缺陷型孢子不会长成菌丝，通过过滤可除去野生型而缺陷型孢子不会长成菌丝，通过过滤可除去野生型菌丝，而保留突变体孢子。菌丝，而保留突变体孢子。营养缺陷型的检出v点种法v夹层培养法v限量补充培养法(含0
26、0.1以下蛋白胨的基本培养基)v影印接种法 B、抗性突变体的筛选抗性突变体的筛选:采用梯度培养法采用梯度培养法:C、产量突变体的筛选产量突变体的筛选:采用琼脂块培养法采用琼脂块培养法:用梯度平板法筛选抗性突变体用梯度平板法筛选抗性突变体 用琼脂块用琼脂块法筛选产量法筛选产量突变体突变体 DNA DNA的损伤及其修复：的损伤及其修复：A A、光复活修复：光复活修复：在光复活酶的作用下，将嘧啶二聚体内的环丁在光复活酶的作用下，将嘧啶二聚体内的环丁酰环打开，使酰环打开，使DNADNA恢复正常。恢复正常。B B、错配修复：错配修复：在在DNADNA复制后清除错误配对的碱基。复制后清除错误配对的碱基。C
27、 C、无碱基修复：无碱基修复：无碱基修复能够恢复无碱基位置上的核苷酸，无碱基修复能够恢复无碱基位置上的核苷酸，参与修复的酶是参与修复的酶是APAP核酸内切酶，该酶作用于核酸内切酶，该酶作用于DNADNA链上无碱基位置链上无碱基位置的糖基，留下的单链缺口被的糖基，留下的单链缺口被DNADNA聚合酶和连接酶修复。聚合酶和连接酶修复。D D、核苷酸和碱基切除修复核苷酸和碱基切除修复：首先由具有：首先由具有DNADNA识别活性的识别活性的DNADNA内切内切核酸酶识别突变的碱基，然后在突变碱基两侧固定数目的碱基处，核酸酶识别突变的碱基，然后在突变碱基两侧固定数目的碱基处，将包含有突变碱基的核苷酸片段切
28、除，再在将包含有突变碱基的核苷酸片段切除，再在DNADNA聚合酶的作用下，聚合酶的作用下，修补合成一段新的修补合成一段新的DNADNA。E E、复制后修复复制后修复：在含有嘧啶二聚体或其他损伤的位置上，：在含有嘧啶二聚体或其他损伤的位置上，DNADNA仍然可以进行复制，但是在复制得到的子代中，其仍然可以进行复制，但是在复制得到的子代中，其DNADNA链在损伤链在损伤的对应部位上会留下缺口。在细胞内重组蛋白的作用下，可进行的对应部位上会留下缺口。在细胞内重组蛋白的作用下，可进行DNADNA分子间的重组，从原来完整的母链上，将相应的碱基序列转分子间的重组，从原来完整的母链上，将相应的碱基序列转移到
29、子链的空缺处。而母链中失去的部分再在移到子链的空缺处。而母链中失去的部分再在DNADNA聚合酶的作用聚合酶的作用下，以其对应子链为模板，合成单链下，以其对应子链为模板，合成单链DNADNA来填补。最后在连接酶来填补。最后在连接酶的作用下，以磷酸二酯键连接新旧链，完成重组修复过程，即复的作用下，以磷酸二酯键连接新旧链，完成重组修复过程，即复制后修复。制后修复。F F、SOSSOS修复修复:SOSSOS修复由修复由SOSSOS调控完成，涉及复杂的基因表达网调控完成，涉及复杂的基因表达网络。络。化学诱变化学诱变亚硝酸引起亚硝酸引起DNADNA的碱基转换的碱基转换5-5-BUBU尿嘧啶引起碱基的转换尿
30、嘧啶引起碱基的转换第三节第三节 基因重组和杂交育种基因重组和杂交育种v克隆克隆cloneclone 不经过有性细胞的结合，由体细胞发育成新个体，不经过有性细胞的结合，由体细胞发育成新个体，即无性繁殖。即无性繁殖。v基因重组基因重组gene recombinationgene recombination 两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形成新的基因型的过程重新组合，形成新的基因型的过程。重组获得的后代。重组获得的后代具有新的基因组合，表现出不同于亲本的新性状。具有新的基因组合，表现出不同于亲本的新性状。转化转化 原核微生物的基因重组原
31、核微生物的基因重组 转导转导 接合接合 原生质体融合原生质体融合 1 1、转化、转化Transformation:Transformation:遗传转化是指同源或异源的遗传转化是指同源或异源的DNADNA分子（质粒分子（质粒DNADNA和和染色体染色体DNADNA）被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达的基因转移过程。达的基因转移过程。转化后的受体菌称为转化子。转化后的受体菌称为转化子。被被转转移的移的DNADNA称为转化称为转化因因子。子。转化的条件是：受体菌必须处于感受态才能接受转转化的条件是：受体菌必须处于感受态才能接受转化因子，感受态既可以是自然的，
32、也可以是人工的。转化因子，感受态既可以是自然的，也可以是人工的。转化因子通常是双链化因子通常是双链DNADNA。感受态：受体菌最容易接受外源感受态：受体菌最容易接受外源DNADNA片段并实现转化片段并实现转化的生理状态称为感受态。的生理状态称为感受态。转化过程：转化过程：受体细胞处于感受态。受体细胞处于感受态。外源外源DNADNA与感受态细胞结合并被吸收。与感受态细胞结合并被吸收。外源外源DNADNA整合到受体菌中，成为受体菌染色体的一部分。整合到受体菌中，成为受体菌染色体的一部分。v转染转染 transfectiontransfection:指用提纯的病毒核酸去感染其宿主指用提纯的病毒核酸去
33、感染其宿主细胞可增殖出一群正常病毒后代的现象。细胞可增殖出一群正常病毒后代的现象。转转化化示示意意图图自然转化原理自然转化原理感受态因子与细胞表面受体感受态因子与细胞表面受体(M)相互作用产生自溶素相互作用产生自溶素,自溶素使细胞表面的自溶素使细胞表面的DNA结合蛋白和核酸酶裸露结合蛋白和核酸酶裸露DNA双链在双链在细胞上的几细胞上的几个位点结合个位点结合并遭到酶的并遭到酶的切割切割,一条链一条链被核酸酶降被核酸酶降解解,另一条链另一条链与感受态特与感受态特异蛋白结合异蛋白结合进入细胞进入细胞通过通过DNA的的重组产重组产生转化生转化子子2 2、转导、转导transductiontransdu
34、ction 通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体为媒介，通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体为媒介，把一个供体细胞的把一个供体细胞的 DNA DNA 片段转移到另一个受体片段转移到另一个受体细胞中，并使后者发生遗传变异的过程。细胞中，并使后者发生遗传变异的过程。通过转导获得供体细胞部分遗传性状的重通过转导获得供体细胞部分遗传性状的重组受体细胞，称为转导子组受体细胞，称为转导子（transductanttransductant）。）。携携带供体部分遗传物质（带供体部分遗传物质（DNA DNA 片段）的噬菌体称为片段）的噬菌体称为转导噬菌体或转导颗粒。转导噬菌体或转导颗粒。缺陷噬菌体：带有外源缺陷噬菌体：带有外源
35、(如细菌如细菌)DNADNA片段而片段而失去了部分自身失去了部分自身DNADNA的噬菌体称为缺陷噬菌体。的噬菌体称为缺陷噬菌体。v1952 1952 年年ZinderZinder 和和 LederbergLederberg 在验证鼠伤在验证鼠伤寒沙门氏菌寒沙门氏菌(Salmonella Salmonella typhimuriumtyphimurium)是否也存是否也存在接合现象时发现了转在接合现象时发现了转导现象。导现象。鼠伤寒沙门氏菌有两种缺陷型鼠伤寒沙门氏菌有两种缺陷型 LT LT2222A(trpA(trp-):):色氨酸缺陷型色氨酸缺陷型 LT LT2 2(his(his-):):组
36、氨酸缺陷型组氨酸缺陷型vLTLT2222A A溶原性溶原性噬菌体噬菌体P P2222 感染感染LTLT2 2（非溶原非溶原性）性）可能释放带可能释放带trptrp+的的P P2222LTLT2222A(A(trptrp-)-)呈原养型。呈原养型。v普遍转导普遍转导(generalized transduction)generalized transduction)噬菌体可误包供体菌中的任何基因噬菌体可误包供体菌中的任何基因(包括质粒包括质粒)，使受体菌实现各，使受体菌实现各种性状的转导种性状的转导.v完全普遍完全普遍 性转导性转导 能形成遗能形成遗 传性稳定传性稳定 的转导子的转导子裂解循环裂
37、解循环细菌细菌噬噬菌菌体体噬菌体噬菌体转导噬转导噬菌体菌体转导转导细菌细菌转导细胞转导细胞重组重组细菌细胞细菌细胞噬菌体噬菌体噬菌体噬菌体裂解循环裂解循环转导噬菌体转导噬菌体含有供体含有供体DNA的转导噬菌体的转导噬菌体细菌细胞细菌细胞转导噬菌体侵入转导噬菌体侵入转导转导外源外源DNA与细与细菌菌DNA重组重组转导细胞转导细胞 流产转导流产转导(abortive transduction):abortive transduction):在许多获得在许多获得供体菌供体菌DNADNA片段的受体菌内，如果转导片段的受体菌内，如果转导DNADNA不能进不能进行重组和复制，其上的基因仅经过转录而得到表行
38、重组和复制，其上的基因仅经过转录而得到表达。达。能在选择性能在选择性 培养基平板培养基平板 上形成微小上形成微小 菌落是流产菌落是流产 转导的特点。转导的特点。v 局限转导局限转导(也称专性转导也称专性转导):):某些温和噬菌体某些温和噬菌体只能将细菌的少数特定基因转移到受体菌中的只能将细菌的少数特定基因转移到受体菌中的现象。现象。当溶原菌经诱导后，其中极少数前噬菌体当溶原菌经诱导后，其中极少数前噬菌体从宿主染色体脱落时产主错误切割，从而把宿从宿主染色体脱落时产主错误切割，从而把宿主的某些基因（主的某些基因（前噬菌体位点两端是细菌前噬菌体位点两端是细菌染色体的染色体的galgal和和biobi
39、o ），故形成的转导噬菌，故形成的转导噬菌体通常带有体通常带有ga1ga1或或biobio基因基因 ，当这样的噬菌，当这样的噬菌体侵染另一宿主细菌时，噬菌体体侵染另一宿主细菌时，噬菌体 DNA DNA 与受体与受体菌的菌的 DNA DNA 同源区段配对，通过双交换而整合同源区段配对，通过双交换而整合到受体菌的染色体上，使受体菌获得了供体菌到受体菌的染色体上，使受体菌获得了供体菌的这部分遗传特性，而形成了专性转导子。的这部分遗传特性，而形成了专性转导子。噬菌体噬菌体DNA的不正常切割的不正常切割v缺陷噬菌体（缺陷噬菌体（defective phagedefective phage）:丢失了自丢失
40、了自身部分基因，并被同等长度的宿主基因所取代身部分基因，并被同等长度的宿主基因所取代的噬菌体称为缺陷噬菌体的噬菌体称为缺陷噬菌体。如如dgaldgal或或dbiodbio。v低频转导（低频转导（low low frequancyfrequancy transduction,transduction,LFTLFT）:形成转导子频率很低的转导，通常只有形成转导子频率很低的转导，通常只有1010-4-4 10 10-6-6 。v高频转导（高频转导（high high frequancyfrequancy transduction,transduction,HFT HFT）:形成转导子的频率很高形成转
41、导子的频率很高,理论上可达理论上可达 50%50%。v高频转导可通过双重溶源实现：高频转导可通过双重溶源实现：E.coli k12 E.coli K12(/dgal)F dgal UV 转导噬菌体（转导噬菌体（gal）转导子菌落转导子菌落 辅助噬菌体（辅助噬菌体（）噬菌斑噬菌斑 v溶源转变溶源转变(lysoneniclysonenic conversion)conversion)当温和噬菌体感染其宿主而使之发生溶源当温和噬菌体感染其宿主而使之发生溶源化时，因噬菌体的基因整合到宿主的基因组上，化时，因噬菌体的基因整合到宿主的基因组上，而使后者获得了除免疫性以外的新性状的现象。而使后者获得了除免疫
42、性以外的新性状的现象。当宿主丧失这一噬菌体时，通过溶源转变当宿主丧失这一噬菌体时，通过溶源转变而获得的性状也同时消失。溶源转变与转导有而获得的性状也同时消失。溶源转变与转导有本质上的不同，首先是它的温和噬菌体不携带本质上的不同，首先是它的温和噬菌体不携带任何供体菌的基因；其次，这种噬菌体是完整任何供体菌的基因；其次，这种噬菌体是完整的，而不是缺陷的。的，而不是缺陷的。溶源转变的典型例子是不产毒素的白喉棒溶源转变的典型例子是不产毒素的白喉棒杆菌杆菌(CorynebacteriumCorynebacterium diphtheriaediphtheriae)菌株在菌株在被被噬菌体感染而发生溶源化时
43、，会变成产白噬菌体感染而发生溶源化时，会变成产白喉毒素的致病菌株。喉毒素的致病菌株。v接合接合conjugationconjugation 通过供体菌与受体菌间细胞直接接触而传递大段通过供体菌与受体菌间细胞直接接触而传递大段DNADNA的过程的过程。1946 1946年，年，LederbergLederberg和和TatumTatum的的E.coliE.coli k12 k12营养缺陷型株混营养缺陷型株混合培养实验中发现。合培养实验中发现。E.coliE.coli k12 k12两个突变株两个突变株Bio-Met-The+Bio-Met-The+LeuLeu+Bio+Met+The-Bio+M
44、et+The-LeuLeu-(生生)（蛋）（苏）（亮）（蛋）（苏）（亮）两种菌混合培养后，两种菌混合培养后，出现原养菌出现原养菌（Bio+Met+The+Bio+Met+The+LeuLeu+）可在基本培养基上生长。可在基本培养基上生长。细菌接合现象研究得最清楚的是大肠杆菌。细菌接合现象研究得最清楚的是大肠杆菌。大肠杆菌是有性别分化的。决定它们性别的因大肠杆菌是有性别分化的。决定它们性别的因子称为子称为F F因子因子(即致育因子或称性质粒即致育因子或称性质粒)，呈超，呈超螺旋状态，具有自主的与染色体进行同步复制螺旋状态，具有自主的与染色体进行同步复制和转移到其他细胞中去的能力。也可插入和转移到
45、其他细胞中去的能力。也可插入(即即整合整合)到染色体组上；到染色体组上；它既可经过接合作用而获得，也可通过一它既可经过接合作用而获得，也可通过一些理化因素些理化因素(如吖啶橙、如吖啶橙、NiNi2+2+、CoCo2+2+、丝裂霉素丝裂霉素C C、硫酸十二酯钠、亚硝基胍、利福平、溴化乙锭、硫酸十二酯钠、亚硝基胍、利福平、溴化乙锭、环己亚胺和加热等环己亚胺和加热等)的处理，而从细胞中消失。的处理，而从细胞中消失。F F因子的分子量为因子的分子量为5 510107 7。在大肠杆菌中，。在大肠杆菌中，F F因子的因子的DNADNA含量约占总染色体含量的含量约占总染色体含量的2%2%。F F+菌株菌株:
46、含含F F质粒，细胞表面产生性毛质粒，细胞表面产生性毛(sex sex pilipili)，与与F F-细胞接合形成细胞接合形成2 2个个F F+细胞细胞。F F-菌株：菌株：无无F F质粒，质粒，不产生性不产生性 菌毛，可菌毛，可 接受外来接受外来 F F质粒。质粒。F F 因子的存在方式及其相互关因子的存在方式及其相互关系系细菌染色体细菌染色体质粒质粒质粒转移质粒转移质粒整合质粒整合F质粒的接合转移质粒的接合转移F+xF-=2F+Hfr x F-=Hfr+F-vHfrHfr菌株菌株 高频重组菌株（高频重组菌株（high frequency recombinationhigh frequen
47、cy recombination）与与F F-接合后，重组频率比接合后，重组频率比F F+高几百倍。在高几百倍。在HfrHfr细胞中，细胞中，存在与染色体特定位点相整合的存在与染色体特定位点相整合的F F因子因子(产生频率约产生频率约1010-5-5)。当它与。当它与F F-菌株发生接合时，菌株发生接合时，HfrHfr染色体在染色体在F F因子因子处发生断裂，由环状变成线状。整段线状染色体转移处发生断裂，由环状变成线状。整段线状染色体转移至至F F-细胞的全过程约需细胞的全过程约需100 100 minmin。在转移时，由于断在转移时，由于断裂发生在裂发生在F F因子中，所以必然要等因子中，所
48、以必然要等HfrHfr的整条染色体组的整条染色体组全部转移完成后，全部转移完成后，F F因子才能完全进入因子才能完全进入F F-细胞。但转细胞。但转移过程由于环境因素如震动等影响会使转移中断，所移过程由于环境因素如震动等影响会使转移中断，所以越在前端的基因，进入的机会就越多，而在末端的以越在前端的基因，进入的机会就越多，而在末端的F F因子很难进入因子很难进入F F-细胞中细胞中,故在故在HfrHfr x F x F-中出现中出现2 2个个HfrHfr的机会很少。的机会很少。Hfr用于基因定位用于基因定位vFF菌株菌株 当当HfrHfr菌株内的菌株内的F F因子因不正常切割而脱离其因子因不正常
49、切割而脱离其染色体时，可形成游离的携带一小段染色体基染色体时，可形成游离的携带一小段染色体基因的因的F F因子，特称因子，特称FF因子。携带有因子。携带有FF因子的因子的菌株，其性状介于菌株，其性状介于F+F+与与HfrHfr之间，这就是初生之间，这就是初生FF菌株。初生菌株。初生FF菌株与菌株与F F-菌株接合，可使后者菌株接合，可使后者转变成转变成FF菌株，这就是次生菌株，这就是次生FF菌株，它既获菌株，它既获得了得了F F因子，又获得了来自初生因子，又获得了来自初生FF菌株的若干菌株的若干遗传性状。以这种接合来传递供体菌基因的方遗传性状。以这种接合来传递供体菌基因的方式，称为式，称为F
50、F因子转导因子转导(F-F-ductionduction)、性导性导(sexductionsexduction)。在次生的在次生的FF群体中，大约有群体中，大约有10%10%的的FF因子因子重新整合到染色体组上，而恢复成重新整合到染色体组上，而恢复成HfrHfr菌。菌。v原生质体融合原生质体融合 通过人工的方法，使遗传性状不同的两细胞通过人工的方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体发生融合并产生重组体的过程称为的原生质体发生融合并产生重组体的过程称为原生质体融合（原生质体融合（protoplast fusionprotoplast fusion）。微生物细胞融合的研究开始于微生物细胞融合的研究
