1、第六章、微生物的遗传与变异细菌的遗传与变异遗传(heredity或inheritance)：亲子间的关系，指生物的上一代将自己的一整套遗传因子传递给下一代的行为或功能，它具有极其稳定的特性。细菌的遗传与变异变异（variation）：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，亦即遗传型的改变。特点：在群体中以极低的几率(一般为105一101)出现；性状变化的幅度大；变化后的新性状是稳定的、可遗传的。细菌的遗传与变异细菌遗传物质DNA 基本单位脱氧核苷酸脱氧脱氧核糖核糖碱基碱基磷酸磷酸A G C TOHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2
2、-脱氧核糖细菌的遗传与变异脱氧核苷酸的种类（deoxyribonucleic acid）There are four nucleotides:those with cytosine(C),those with guanine(G),those with adenine(A),and those with thymine(T).AGCT腺嘌呤脱氧核苷酸腺嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸胞嘧啶脱氧核苷酸胞嘧啶脱氧核苷酸 胸腺嘧啶脱氧核苷酸胸腺嘧啶脱氧核苷酸ATGCATGC细菌的遗传与变异脱氧核苷酸的连接细菌的遗传与变异 1953年华特生(James Watson)和克里克(Franc
3、is 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。细菌的遗传与变异DNA的双螺旋结构：DNA分子是由两条反向平行的脱氧核糖核酸组成的螺旋状长链细菌的遗传与变异证明DNA是遗传物质的Griffth转化实验 如何证明如何证明DNA是遗传物质是遗传物质？（一）经典转化实验（一）经典转化实验（transformation）：）：F.Griffith，研究对象：研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌）（肺炎双球菌）SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性型菌
4、株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性1928年，年，Griffith进行了以下几组实验：进行了以下几组实验：（1）动物实验）动物实验对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌或死菌或死SIII菌菌 小鼠存活小鼠存活对小鼠注射活对小鼠注射活SIII菌菌小鼠死亡小鼠死亡对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌和热死菌和热死SIII菌菌 小鼠死亡小鼠死亡 抽取心血抽取心血 分离分离 活的活的SIII菌菌Griffith转化试验示意转化试验示意混合培养混合培养RII型活菌型活菌SIII型活菌型活菌SIII型热死菌型热死菌RII型活菌型活菌SIII型活菌型活菌健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康病死病死
5、病死病死病死病死（2）细菌培养实验）细菌培养实验（3）S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明：加热杀死的以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型型细胞并使细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。型细胞。热死热死SIII菌菌不生长不生长活活 RII 菌菌长出长出RII菌菌热死热死SIII菌菌长出大量长出大量RII菌和菌和10-6SIII菌菌活活R菌菌+S菌无细胞抽提液菌无细胞抽提液长出大量长出大量R菌菌和少量和少量S
6、菌菌+活活RII菌菌平皿培养平皿培养加加S菌菌DNA加加S菌菌DNA及及DNA酶以外的酶酶以外的酶加加S菌的菌的DNA和和DNA酶酶加加S菌的菌的RNA加加S菌的蛋白质菌的蛋白质加加S菌的荚膜多糖菌的荚膜多糖活活R菌菌长出长出S菌菌只有只有R菌菌1944年年O.T.Avery、C.M.MacLeod和和M。McCarty从热死从热死S型型S.pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：并在离体条件下进行了转化试验：只有只有S型细菌的型细菌的DNA才能将才能将S.pneumoniae的的R型转化为型转化为S型。且型。且
7、DNA纯度越高，转化效率也越高。说明纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转型菌株转移给移给R型菌株的，是遗传因子。型菌株的，是遗传因子。细菌的遗传与变异微生物中的DNA：染色体细菌的遗传与变异微生物中的DNA上含大量不同基因（Partial gene map of the operons）细菌的遗传与变异微生物中的质粒细菌的遗传与变异RNA在细胞里有三种类型：信使RNA（mRNA)转移RNA（tRNA)核糖体RNA（rRNA)细菌的遗传与变异信使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。它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地 核糖核蛋白体。细菌
8、的遗传与变异第四章细菌的生长和遗传变异转移RNA（tRNA)约占总RNA的10-15%。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。已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。RNA分子的大小很相似，链长一般在73-78个核苷酸之间。细菌的遗传与变异tRNA的空间结构细菌的遗传与变异核糖体RNA（rRNA)约占全部RNA的80%是核糖核蛋白体的主要组成部分 rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关细菌的遗传与变异DNA的复制：半保留复制（semiconservative replication）细菌的遗传与变异真核微生物DNA半保留复制过程细菌的遗传与变异遗传信息
9、的传递和表达：中心法则细菌的遗传与变异翻译：将RNA获得的信息（遗传密码：3个碱基序列决定一个氨基酸）翻译成蛋白质细菌的遗传与变异密码AUG为翻译启动信号细菌的遗传与变异密码UAA（UAG、UGA）为翻译终止信号细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异基因表达的调控：结构基因 调节基因 操纵基因细菌的遗传与变异大肠杆菌乳糖操纵子负控制细菌的遗传与变异大肠杆菌乳糖操纵子细菌的遗传与变异大肠杆菌乳糖操纵子细菌的遗传与变异变异的途径：基因突变（gene mutation）基因重组（gene recombination）基因突变类型：点突变(point mutation)倒位(inversio
10、n)易位(translocation)缺失(deletion)插入(insertion)基因重组类型：转化(transformation)转导(transduction)接合(conjugation)细菌的遗传与变异基因突变：倒位(inversion)易位(translocation)细菌的遗传与变异基因突变：缺失(deletion)插入(insertion)细菌的遗传与变异基因突变的主要特点：无定向性 稀有性 自发性 独立性 稳定性 可逆性 诱变性细菌的遗传与变异基因突变无定向性的变量试验证明细菌的遗传与变异基因突变无定向性的影映试验证明细菌的遗传与变异根据基因突变的方式分类：自发突变（sp
11、ontaneous mutation）诱发突变（induced mutation）细菌的遗传与变异自发突变：外界环境的自然作用引起 或细菌自身的变化引起 回复突变：突变体回复野生表型 菌种退化问题诱发突变：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 某些情况下突变能修复细菌的遗传与变异常用诱变剂：紫外线 X射线 r射线 化学诱变剂诱变育种：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。细菌的遗传与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
12、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细菌的遗传与变异紫外线引起DNA中相邻胸腺嘧啶碱基彼此结合NCH3HNOORNHNOORCH3NHNOORCH3NCH3HNOOROHNHNORCH3OHUVROOHNCH3NH2O细菌的遗传与变异基因重组：转化细菌的遗传与变异Certain types of bacteria can donate a piece of the their DNA to a recipient cell.The recombination is the ba
13、cterial equivalent of sexual reproduction in eukaryotes.Note that the entire DNA is not usually transferred,only a small piece.细菌的遗传与变异基因重组：限制性转导细菌的遗传与变异基因重组：普遍性转导细菌的遗传与变异基因重组：接合细菌的遗传与变异基因重组：接合过程细菌的遗传与变异E.coli strains undergoing conjugation(TEM x27,700).细菌的遗传与变异基因工程：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
14、新的个体，并在新的个体中得以稳定遗传和表达的过程。细菌的遗传与变异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细菌的遗传与变异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。细菌的遗传与变异2、DNA连接酶（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。细菌的遗传与变异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
15、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细菌的遗传与变异1、取得目的基因2、目的基因与运载体结合3、杂种DNA分子进入受体细胞细菌的遗传与变异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分子细菌的遗传与变异2、目的基因与运载体结合 如嵌合质粒（chimera）细菌的遗传与变异3、杂种DNA分子进入受体细胞细菌的遗传与变异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1、直接计数法与间接计数法、保藏与复壮、分批培养与连续培养、基因与DNA分子、突变与重组分别有何不同？2、什么叫细菌的生长曲线？各期有何特点？3、证实DNA是遗传物质、DNA半保留复制的经典实验是什么？4、基因表达与细菌代谢有何联系？5、试述波动试验的实验设计逻辑思想。6、遗传密码本质是什么？能改变吗？7、中心法则的含义和步骤？8、已知哪些化学和物理诱变剂引起突变？9、试讨论细菌的突变效应。10、转化中的DNA片断在染色体还是质粒进行？11、人类基因能在细菌质粒插入并表达吗？
