第七章微生物的遺傳與變異2

1、1第七章第七章 微生物的遺傳變異與育種微生物的遺傳變異與育種2遺傳與變異的概念遺傳與變異的概念n遺傳和變異是生物體的最本質的屬性之一。遺傳和變異是生物體的最本質的屬性之一。n遺傳遺傳(heredity)：親代生物的性狀在子代得到表親代生物的性狀在子代得到表現；親代生物傳遞給子代一套實現與其相同形現；親代生物傳遞給子代一套實現與其相同形狀的遺傳信息。特點：具穩(wěn)定性。狀的遺傳信息。特點：具穩(wěn)定性。遺傳型（遺傳型（genotype）：又稱基因型，指某一生）：又稱基因型，指某一生物個體所含有的全部基因的總和；物個體所含有的全部基因的總和；-是一種是一種內在可能性或潛力。內在可能性或潛力。遺傳型遺傳型

2、+ 環(huán)境條件環(huán)境條件 表型表型表型（表型（phenotype）：）：指生物體所具有的一切外指生物體所具有的一切外表特征和內在特性的總和表特征和內在特性的總和;-是一種是一種現實存在，現實存在，是具一定遺傳型的生物在一定條件下所表現出是具一定遺傳型的生物在一定條件下所表現出的具體性狀。的具體性狀。代謝代謝發(fā)育發(fā)育3變異變異(variation):生物體在外因生物體在外因或內因的作用下，或內因的作用下，遺傳物遺傳物質的結構或數量發(fā)生改變。質的結構或數量發(fā)生改變。變異的特點：變異的特點：a.a.在群體中以在群體中以極低的幾率出現，（一般為極低的幾率出現，（一般為1010-6-61010-10-10）

3、；）；b.b.性狀變化性狀變化的幅度大；的幅度大； c. c. 變化后形成的新性狀是穩(wěn)定的，可遺傳變化后形成的新性狀是穩(wěn)定的，可遺傳的。的。飾變（飾變（modification）：指不涉及遺傳物質結構改變而只指不涉及遺傳物質結構改變而只發(fā)生在轉錄、轉譯水平上的表型變化。發(fā)生在轉錄、轉譯水平上的表型變化。特點是：特點是：a.幾乎幾乎整個群體中的每一個個體都發(fā)生同樣的變化；整個群體中的每一個個體都發(fā)生同樣的變化；b.性狀變性狀變化的幅度??；化的幅度??；c.因遺傳物質不變，故飾變是不遺傳的。因遺傳物質不變，故飾變是不遺傳的。引起飾變的因素消失后，表型即可恢復。引起飾變的因素消失后，表型即可恢復。例如

4、：粘質沙雷氏菌：例如：粘質沙雷氏菌：在在25下培養(yǎng)，產生深紅色的靈下培養(yǎng)，產生深紅色的靈桿菌素；在桿菌素；在37下培養(yǎng)，不產生色素；如果重新將溫度下培養(yǎng)，不產生色素；如果重新將溫度降到降到25，又恢復產色素的能力。，又恢復產色素的能力。遺傳與變異的概念遺傳與變異的概念4研究微生物遺傳的意義n微生物的獨特生物學特性：（1）個體的體制極其簡單；（2）營養(yǎng)體一般都是單倍體；（3）易于在成分簡單的組合培養(yǎng)基上大量生長繁殖；（4）繁殖速度快；（5）易于積累不同的中間代謝產物或終產物；（6）菌落形態(tài)特征的可見性和多樣性；（7）環(huán)境條件對微生物群體中各個個體作用的直接性和均一性；（8）易于形成營養(yǎng)缺陷型；（

5、9）各種微生物一般都有相應的病毒；（10） 存在多種處于進化過程中的原始有性生殖方式；5v微生物是研究現代遺傳學和其它許多主要的生物學基本理論問題中最熱衷的研究對象。v對微生物遺傳規(guī)律的深入研究，不僅促進了現代分子生物學和生物工程學的發(fā)展，而且為育種工作提供了豐富的理論基礎，促使育種工作從不自覺到自覺、從低效到高效、從隨機到定向、從近緣雜交到遠緣雜交的方向發(fā)展。研究微生物遺傳學的意義6第一節(jié)第一節(jié) 遺傳變異的物質基礎遺傳變異的物質基礎：18831889年間Weissmann提出。認為遺傳物質是一種具有特定分子結構的化合物。：二十世紀初發(fā)現了染色體并提出基因學說，使得遺傳物質基礎的范圍縮小到染色

6、體上。：1944年以后，利用微生物為實驗對象進行的三個著名實驗（肺炎球菌的轉化試驗、噬菌體感染試驗、病毒的拆開與重建試驗）71928年，Griffith進行了以下三組實驗：1）動物實驗對小鼠注射活R菌或死S菌 小鼠存活對小鼠注射活S菌小鼠死亡對小鼠注射活R菌和熱死S菌 小鼠死亡 抽取心血分離活的S菌一、證明核酸是遺傳物質基礎的證明核酸是遺傳物質基礎的三個經典實驗v（一）（一）經典轉化實驗經典轉化實驗（transformation）：F.Griffith，v研究對象：Streptococcus pneumoniae（肺炎雙球菌）vS型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有莢膜vR型菌株：無致病性，菌落

7、表面粗糙，無莢膜8Griffith轉化試驗轉化試驗示意示意混合培養(yǎng)混合培養(yǎng)RII型活菌型活菌SIII型活菌型活菌SIII型熱死菌型熱死菌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病死病死病死病死9（2）細菌培養(yǎng)實驗熱死S菌不生長活R 菌長出R菌熱死S菌+活R 菌長出大量R菌和10-6S菌（3）S型菌的無細胞抽提液試驗活R菌+S菌無細胞抽提液長出大量R菌和少量S菌10v加S菌DNAv加S菌DNA及DNA酶以外的酶v加S菌的DNA和DNA酶v加S菌的RNAv加S菌的蛋白質v加S菌的莢膜多糖活R菌長出S菌只有R菌1944年O.T.Avery

8、、C.M.MacLeod和M. McCarty從熱死S型S. pneumoniae中提純了可能作為轉化因子的各種成分，在離體條件下進行了轉化試驗：只有S型細菌的DNA才能將S. Pneumoniae的R型轉化為S型。且DNA純度越高，轉化效率也越高。說明S型菌株轉移給R型菌株的，是遺傳因子。11（二）噬菌體感染實驗（二）噬菌體感染實驗nA. D. Hershey和M. Chase， 1952年（1）含32P-DNA的一組：放射性85%在沉淀中12沉淀中含沉淀中含25%放射性放射性以以32S標記蛋白質外殼做噬菌體感染實驗標記蛋白質外殼做噬菌體感染實驗n（2）含）含35S-蛋白質的一組：放射性蛋白

9、質的一組：放射性75%在上清液中在上清液中 所以，進入細胞的是噬菌體的核酸而不是蛋白質。所以，進入細胞的是噬菌體的核酸而不是蛋白質。10分鐘后分鐘后用搗碎器用搗碎器使空殼脫離使空殼脫離吸附吸附離心離心沉淀細胞進一步培沉淀細胞進一步培養(yǎng)后，可產生大量養(yǎng)后，可產生大量完整的子代噬菌體完整的子代噬菌體上清液中含上清液中含75%放射性放射性（三）植物病毒的重建實驗n為了證明核酸是遺傳物質，H. Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的煙草花葉病毒（TMV）進行了著名的植物病毒重建實驗。n將TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質外殼與RNA核心相分離。分離后的RNA在沒有蛋白質包

10、裹的情況下，也能感染煙草并使其患典型癥狀，而且在病斑中還能分離出正常病毒粒子。1314選用選用TMV和霍氏車前花葉病毒和霍氏車前花葉病毒（HRV），分別拆分取得各），分別拆分取得各自的自的RNA和蛋白質，將兩種和蛋白質，將兩種RNA分別與對方的蛋白質外分別與對方的蛋白質外殼重建形成兩種雜合病毒：殼重建形成兩種雜合病毒： （1）RNA(TMV)- 蛋白質蛋白質(HRV)（2）RNA(HRV)- 蛋白質蛋白質(TMV)n用兩種雜合病毒感染寄主：用兩種雜合病毒感染寄主：（1）表現）表現TMV的典型癥狀病分的典型癥狀病分離到正常離到正常TMV粒子粒子（2）表現）表現HRV的典型癥狀病分的典型癥狀病分離

11、到正常離到正常HRV粒子。粒子。n上述結果說明，在上述結果說明，在RNA病毒病毒中，遺傳的物質基礎也是核中，遺傳的物質基礎也是核酸。酸。MTV HRVHRV MTV15 朊病毒的發(fā)現和思考n朊病毒含有微量的核酸，仍未發(fā)現？n朊病毒僅由蛋白質構成？n朊病毒的遺傳物質為蛋白質？16l（一）核酸存在的七個水平（一）核酸存在的七個水平細胞水平：存在于細胞核或核質體，單核或多核細胞水平：存在于細胞核或核質體，單核或多核細胞核水平細胞核水平: 原與真核生物的細胞核結構不同，核外原與真核生物的細胞核結構不同，核外DNA染色體水平染色體水平: 倍性倍性(真核真核)和染色體數和染色體數核酸水平：在原核中同染色體

12、水平、存在部分二倍體核酸水平：在原核中同染色體水平、存在部分二倍體 DNA或或RNA，復合或裸露，雙鏈或單鏈，復合或裸露，雙鏈或單鏈基因水平：具自主復制能力的遺傳功能單位，長度與信息量，基因水平：具自主復制能力的遺傳功能單位，長度與信息量，轉錄轉錄翻譯翻譯密碼子水平：密碼子水平： 信息單位信息單位,起始和終止起始和終止,核苷酸水平：核苷酸水平： 突變或交換單位，四種堿基突變或交換單位，四種堿基二、遺傳物質在細胞內的存在部位和方式二、遺傳物質在細胞內的存在部位和方式172、核外、核外DNA的種類的種類n核外染色核外染色體體真核生物真核生物的的“質粒質?！痹松镌松锏馁|粒的質粒線粒體線粒體細

13、胞質基因細胞質基因葉綠體葉綠體（質體）（質體）中心體中心體動動 體體共生生物：共生生物：卡巴顆粒卡巴顆粒酵母菌的酵母菌的2 m質粒質粒F因子因子R因子因子Col質粒質粒Ti質粒質粒巨大質粒巨大質粒降解性質粒降解性質粒184 4、核酸水平、核酸水平一些真核生物和原核生物基因組的比較一些真核生物和原核生物基因組的比較生生 物物 單倍體的分子量單倍體的分子量 核苷酸核苷酸 已知染色體數已知染色體數 約數（約數（DaDa） 對數對數 基因數基因數 人人 3232 3 35 5 10101212 5 57 7 10109 9 40004000 黑腹果蠅黑腹果蠅 4 4 7.9 7.9 10101010

14、8.0 8.0 10107 7 5000 500060006000粗糙脈孢菌粗糙脈孢菌7 7 2.8 2.8 10101010 4.5 4.5 10107 7 500 500 大腸桿菌大腸桿菌1 1 2.5 2.5 10109 9 3.8 3.8 10106 6 10271027 噬菌體噬菌體T4T41 1 1.1 1.1 10108 8 2.0 2.0 10105 5 135135 噬菌體噬菌體 1 1 3.2 3.2 10107 7 4.8 4.8 10104 4 3535噬菌體噬菌體MS2MS21 1 1.1 1.1 10106 6 3.5 3.5 10103 3 3 3DNA或RNA1

15、95、基因水平、基因水平基因：基因：能夠表達和產生基因產物：能夠表達和產生基因產物（蛋白質或（蛋白質或RNA）的）的DNA序列。序列。原核生物基因系統(tǒng)：原核生物基因系統(tǒng)： 啟動子（基因）啟動子（基因） 操縱子操縱子 操縱子（基因）操縱子（基因）基因調控系統(tǒng)基因調控系統(tǒng) 結構基因結構基因 調節(jié)基因調節(jié)基因20（二）原核生物的質粒（二）原核生物的質粒n1 1、定義：、定義：是一類小型閉合環(huán)狀核外雙螺旋是一類小型閉合環(huán)狀核外雙螺旋DNADNA分子，能獨立于細胞核分子，能獨立于細胞核進行自主復制。進行自主復制。n大小：大?。杭s為約為2100210010106 6DaltonDalton，上面攜帶有數個

16、到數十個甚至上百個，上面攜帶有數個到數十個甚至上百個基因?；?。n特點：特點：n可以在細胞質中獨立于染色體之外獨立存在（游離態(tài)），也可以通可以在細胞質中獨立于染色體之外獨立存在（游離態(tài)），也可以通過交換摻入染色體上，以過交換摻入染色體上，以附加體（附加體（episomeepisome）的形式存在；的形式存在；n質粒是一種質粒是一種復制子（復制子（repliconreplicon），根據自我復制能力的不同，可把，根據自我復制能力的不同，可把質粒復制的控制形式分為嚴緊型和松弛型兩種，質粒復制的控制形式分為嚴緊型和松弛型兩種，嚴緊型質粒嚴緊型質粒的復制受的復制受細胞核控制，與染色體細胞核控制，與染色

17、體DNADNA復制相伴隨復制相伴隨, ,一般一個寄主細胞內只有少數一般一個寄主細胞內只有少數幾個（幾個（1 15 5）個拷貝；）個拷貝；松弛型質粒松弛型質粒的復制不受細胞核控制，在染色體的復制不受細胞核控制，在染色體DNADNA復制停止的情況下仍可以進行復制，在細胞內的數量可以達到復制停止的情況下仍可以進行復制，在細胞內的數量可以達到1010200200個或更多。個或更多。21可以通過轉化、轉導或接合作用而由一個細菌細可以通過轉化、轉導或接合作用而由一個細菌細胞轉移到另一個菌細胞中，使兩個細胞都成為帶有胞轉移到另一個菌細胞中，使兩個細胞都成為帶有質粒的細胞；質粒轉移時，它可以單獨轉移，也可質粒

18、的細胞；質粒轉移時，它可以單獨轉移，也可以攜帶著染色體（片段）一起進行轉移，所以它可以攜帶著染色體（片段）一起進行轉移，所以它可成為基因工程的載體。成為基因工程的載體。對于細菌的生存并不是必要的對于細菌的生存并不是必要的功能多樣化功能多樣化原核生物的質粒原核生物的質粒22功能：功能：進行細胞間接合，并帶有一些基因，如產生進行細胞間接合，并帶有一些基因，如產生毒素、抗藥性、固氮、產生酶類、降解功能等。毒素、抗藥性、固氮、產生酶類、降解功能等。重組：重組：在質粒之間、質粒與染色體之間菌可發(fā)生。在質粒之間、質粒與染色體之間菌可發(fā)生。存在范圍存在范圍：很多細菌如：很多細菌如E.coli、Shigell

19、a、S.aureus、Streptococcus lactis、根癌土壤桿菌等、根癌土壤桿菌等制備：制備：包括增殖、裂解細胞、分離質粒與染色體和包括增殖、裂解細胞、分離質粒與染色體和蛋白質等成分、去除蛋白質等成分、去除RNA和蛋白質等步驟。和蛋白質等步驟。3、鑒定：、鑒定：電鏡觀察、電泳、密度梯度離心、限制電鏡觀察、電泳、密度梯度離心、限制性酶切圖譜等方法性酶切圖譜等方法原核生物的質粒原核生物的質粒235、幾種代表性質粒：、幾種代表性質粒：1. F因子（因子（fertility factor）：又稱致育：又稱致育因子或性因子，因子或性因子，62106Dalton，94.5kb，相當于核染色體相

20、當于核染色體DNA2%的環(huán)狀雙鏈的環(huán)狀雙鏈DNA，足以編碼，足以編碼94個中等大小多肽，其個中等大小多肽，其中中1/3基因（基因（tra區(qū)）與接合作用有關。區(qū)）與接合作用有關。存在于腸細菌屬、假單胞菌屬、嗜血桿存在于腸細菌屬、假單胞菌屬、嗜血桿菌、奈瑟氏球菌、鏈球菌等細菌中，決菌、奈瑟氏球菌、鏈球菌等細菌中，決定性別。定性別。24最初發(fā)現于痢疾志賀氏菌（最初發(fā)現于痢疾志賀氏菌（Shigella dysenteriae），后來發(fā)），后來發(fā)現還存在于現還存在于Salmonella、Vibrio、Bacillus、Pseudomonas和和Staphylococcus中。中。R因子由相連的兩個因子由

21、相連的兩個DNA片段組成，即抗性轉移因子片段組成，即抗性轉移因子（resistence transfor factor， RTF ）和抗性決定）和抗性決定R因子因子（r-determinant），），RTF為分子量約為為分子量約為11106Dalton，控制質粒控制質粒copy數及復制，抗性決定質粒大小不固定，從數及復制，抗性決定質粒大小不固定，從幾百萬到幾百萬到100106Dalton以上。其上帶有其它抗生素的以上。其上帶有其它抗生素的抗性基因?？剐曰颉-因子在細胞內的因子在細胞內的copy數可從數可從12個到幾十個，分為嚴個到幾十個，分為嚴緊型和松弛型兩種，經氯霉素處理后，松弛型質粒可

22、達緊型和松弛型兩種，經氯霉素處理后，松弛型質粒可達20003000個個/細胞。細胞。2. R因子（因子（resistence factor）25n產大腸桿菌素因子。產大腸桿菌素因子。n大腸桿菌素是由大腸桿菌素是由E.coli的某些菌株所分泌的細菌素，能的某些菌株所分泌的細菌素，能通過抑制復制、轉錄、轉譯或能量代謝等而專一地殺死通過抑制復制、轉錄、轉譯或能量代謝等而專一地殺死其它腸道細菌。其分子量約其它腸道細菌。其分子量約41048104Dalton。大腸。大腸桿菌素都是由桿菌素都是由Col因子編碼的。因子編碼的。nCol因子可分為兩類，分別以因子可分為兩類，分別以ColE1和和ColIb為代表

23、。為代表。nColE1分子量約為分子量約為5106Dalton，無接合作用，是，無接合作用，是多多copy的；的； ColE1研究得很多，并被廣泛地用于重研究得很多，并被廣泛地用于重組組DNA 的研究和用于體外復制系統(tǒng)上。的研究和用于體外復制系統(tǒng)上。nColIb分子量約為分子量約為80106Dalton，它與它與F因子相似，因子相似，具具有通過接合作用轉移的功能，屬于嚴緊型控制，只有通過接合作用轉移的功能，屬于嚴緊型控制，只有有12個個copy。n凡帶凡帶Col因子的菌株，由于質粒本身編碼一種免疫蛋白，因子的菌株，由于質粒本身編碼一種免疫蛋白，從而對大腸桿菌素有免疫作用，不受其傷害。從而對大腸

24、桿菌素有免疫作用，不受其傷害。3. Col因子（因子（colicinogenic factor）26n即誘癌質粒。即誘癌質粒。n存在于根癌土壤桿菌（存在于根癌土壤桿菌（Agrobacterium tumefaciens）中）中,可引起許多雙子葉植物的根癌可引起許多雙子葉植物的根癌n。當細菌侵入植物細胞中后，在其細胞中溶解，把細菌。當細菌侵入植物細胞中后，在其細胞中溶解，把細菌的的DNA釋放到植物細胞中。這時，含有復制基因的釋放到植物細胞中。這時，含有復制基因的Ti質粒的小片段與植物細胞中的核染色體發(fā)生整合，破壞質粒的小片段與植物細胞中的核染色體發(fā)生整合，破壞控制細胞分裂的激素調節(jié)系統(tǒng)，從而使它

25、轉變成癌細胞?？刂萍毎至训募に卣{節(jié)系統(tǒng)，從而使它轉變成癌細胞。nTi質粒長質粒長200kb，是一個大型質粒。當前，是一個大型質粒。當前，Ti質粒已成質粒已成為植物遺傳工程研究中的重要載體。一些具有重要性狀為植物遺傳工程研究中的重要載體。一些具有重要性狀的外源基因可借的外源基因可借DNA重組技術設法插入到重組技術設法插入到Ti質粒中，質粒中，并進一步使之整合到植物染色體上，以改變該植物的遺并進一步使之整合到植物染色體上，以改變該植物的遺傳性，達到培育植物優(yōu)良品種的目的。傳性，達到培育植物優(yōu)良品種的目的。4. Ti質粒（質粒（tumor inducing plasmid）275.Ri質粒 Agr

26、obacterium rhizogenes(發(fā)根土壤桿菌或發(fā)根農桿菌) 侵染雙子葉植物根部將大型Ri質粒（250kb）中一段T-DNA整合到宿主根部細胞的核基因組中并誘生毛狀根。此毛狀根做離體培養(yǎng)可產生次生代謝產物。Ri質?？勺鐾庠椿虻牧己幂d體及用于生產次生代謝產物。28n是近年來在是近年來在Rhizobium（根瘤菌屬）中發(fā)現（根瘤菌屬）中發(fā)現的一種質粒，分子量為的一種質粒，分子量為200300106Dalton，比一般質粒大幾十倍到幾百倍，故稱巨大質比一般質粒大幾十倍到幾百倍，故稱巨大質粒，其上有一系列固氮基因。粒，其上有一系列固氮基因。6. 6. 巨大質粒（巨大質粒（mega質粒）質粒

27、）29v降解性質粒降解性質粒只在假單胞菌屬中發(fā)現。它們的降解性質粒只在假單胞菌屬中發(fā)現。它們的降解性質?？蔀橐幌盗心芙到鈴碗s物質的酶編碼，從而能可為一系列能降解復雜物質的酶編碼，從而能利用一般細菌所難以分解的物質做碳源。這些利用一般細菌所難以分解的物質做碳源。這些質粒以其所分解的底物命名，例如有分解質粒以其所分解的底物命名，例如有分解CAMCAM（樟腦）質粒，（樟腦）質粒，XYLXYL（二甲苯）質粒，（二甲苯）質粒，SALSAL（水（水楊酸）質粒，楊酸）質粒，MDLMDL（扁桃酸）質粒，（扁桃酸）質粒，NAPNAP（奈）（奈）質粒和質粒和TOLTOL（甲苯）質粒等。（甲苯）質粒等。7. 降解性

28、質粒降解性質粒30第二節(jié)第二節(jié) 基因突變和誘變育種基因突變和誘變育種指生物體的表型突然發(fā)生的可遺傳的指生物體的表型突然發(fā)生的可遺傳的變化。變化。n染色體畸變染色體畸變細胞學上可以看到染色體的變化細胞學上可以看到染色體的變化n基因突變基因突變細胞學上看不到遺傳物質的變化細胞學上看不到遺傳物質的變化n突變體（突變體（mutant）：發(fā)生了突變的微生物細胞或菌株：發(fā)生了突變的微生物細胞或菌株n野生型（野生型（wild type）：）：從自然界分離到的任何微生物在其從自然界分離到的任何微生物在其發(fā)生突變前的原始菌株發(fā)生突變前的原始菌株31n依表型的改變分為：依表型的改變分為：n1.營養(yǎng)缺陷型營養(yǎng)缺陷型

29、因突變而喪失產生某種生物合成酶的能力，因突變而喪失產生某種生物合成酶的能力，并因而成為必須在培養(yǎng)基中添加某種物質才能生長的突變類并因而成為必須在培養(yǎng)基中添加某種物質才能生長的突變類型。型。n2.抗性突變型抗性突變型因突變而產生了對某種化學藥物或致死物因突變而產生了對某種化學藥物或致死物理因子的抗性。理因子的抗性。n3.條件致死突變型條件致死突變型突變后在某種條件下可正常生長繁殖，突變后在某種條件下可正常生長繁殖，而在另一條件下卻無法生長繁殖的突變型。而在另一條件下卻無法生長繁殖的突變型。n4.形態(tài)突變型形態(tài)突變型指由于突變引起的個體或菌落形態(tài)的變異指由于突變引起的個體或菌落形態(tài)的變異n5.抗原

30、突變型抗原突變型因突變而引起的抗原結構發(fā)生改變。因突變而引起的抗原結構發(fā)生改變。n6.產量突變型產量突變型由于基因突變而產生的在代謝產物產量上由于基因突變而產生的在代謝產物產量上明顯有別于原始菌株的突變株。明顯有別于原始菌株的突變株。n發(fā)酵突變型發(fā)酵突變型喪失產生某種生物合成酶能力的突變型。喪失產生某種生物合成酶能力的突變型。（一）基因突變的類型（一）基因突變的類型32按是否比較容易、迅速地分離到發(fā)生突變的細胞按是否比較容易、迅速地分離到發(fā)生突變的細胞來分：來分：選擇性突變株（選擇性突變株（selective mutant）：）：具有選擇標記具有選擇標記（如營養(yǎng)缺陷性、抗性突變型、條件致死突變

31、型），（如營養(yǎng)缺陷性、抗性突變型、條件致死突變型），只要選擇適當的環(huán)境條件，如培養(yǎng)基、溫度、只要選擇適當的環(huán)境條件，如培養(yǎng)基、溫度、pH值值等，就比較容易檢出和分離到。等，就比較容易檢出和分離到。非選擇性突變株（非選擇性突變株（non-selective mutant）：無選擇：無選擇標記（如產量突變型、抗原突變型、形態(tài)突變型），標記（如產量突變型、抗原突變型、形態(tài)突變型），能鑒別這種突變體的惟一方法是檢查大量菌落并找能鑒別這種突變體的惟一方法是檢查大量菌落并找出差異。出差異。3334n突變株的表型突變株的表型成因成因檢出方法檢出方法n營養(yǎng)缺陷型營養(yǎng)缺陷型 因突變而喪失合成一因突變而喪失合成一

32、補充培養(yǎng)基補充培養(yǎng)基n（auxotroph） 種或幾種生長因子的種或幾種生長因子的n 能力不能在基本培養(yǎng)能力不能在基本培養(yǎng)n 基上生長突變株基上生長突變株n抗性突變型抗性突變型 因突變而產生了對某因突變而產生了對某藥物培養(yǎng)基藥物培養(yǎng)基（resistant mutant） 種化學藥物或致死種化學藥物或致死n 物理因子的抗性物理因子的抗性n條件致死突變型條件致死突變型 突變后在某種條件下突變后在某種條件下 培養(yǎng)條件改變培養(yǎng)條件改變n（conditional 可正常生長、繁殖并可正常生長、繁殖并nlethal mutant） 實現其表型，而在另實現其表型，而在另n 一條件下卻無法生長一條件下卻無法生

33、長n 繁殖的突變型繁殖的突變型突變類型35n突變株的表型突變株的表型成因成因 檢出方法檢出方法n形態(tài)突變型形態(tài)突變型 因突變而產生的個體因突變而產生的個體 形態(tài)形態(tài)nMorphologycal 或菌落形態(tài)的非選擇或菌落形態(tài)的非選擇 （常用顏色變（常用顏色變化）化）n mutant 性變異性變異n抗原突變型抗原突變型 因突變而引起的抗原因突變而引起的抗原 借助于抗原借助于抗原nantigenic 結構發(fā)生改變結構發(fā)生改變 抗體反應抗體反應 nmutantn產量突變型產量突變型 因突變而獲得的在有因突變而獲得的在有 測定產量或測定產量或 nhigh producing 用代謝物產量上高于用代謝物產

34、量上高于 其它其它nmutant 原始菌株的突變株原始菌株的突變株n其它突變型：毒力、糖發(fā)酵能力、代謝產物等其它突變型：毒力、糖發(fā)酵能力、代謝產物等36n定義：定義：每一細胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的幾率。每一細胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的幾率。n突變率為突變率為10108 8是指是指?n突變是突變是。某一基因發(fā)生突變。某一基因發(fā)生突變的的突變率。在同一個細胞中同時發(fā)生兩個基因突變的幾率突變率。在同一個細胞中同時發(fā)生兩個基因突變的幾率是極低的，因為雙重突變型的幾率只是各個突變幾率的是極低的，因為雙重突變型的幾率只是各個突變幾率的乘積。乘積。n由于突變的幾率一般都極低，因此，必須采用檢出

35、選擇由于突變的幾率一般都極低，因此，必須采用檢出選擇性突變株的手段，尤其是采用檢出營養(yǎng)缺陷型的恢復突性突變株的手段，尤其是采用檢出營養(yǎng)缺陷型的恢復突變株（變株（back mutantback mutant或或reverse mutantreverse mutant）或抗性突變株特）或抗性突變株特別是抗藥性突變株的方法來加以確定。別是抗藥性突變株的方法來加以確定。（二）突變率（二）突變率37若干細菌某一性狀的自發(fā)突變率若干細菌某一性狀的自發(fā)突變率n菌菌 名名 突變性狀突變性狀突變率突變率nE. coliE. coli抗抗T1T1噬菌體噬菌體3 3 10108 8nE. coliE. coli抗抗

36、T3T3噬菌體噬菌體1 1 10107 7 nE. coliE. coli不發(fā)酵乳糖不發(fā)酵乳糖1 1 10101010nE. coliE. coli 抗紫外線抗紫外線1 1 10105 5nStaphylococcus aureusStaphylococcus aureus 抗青霉素抗青霉素1 1 10107 7nS. aureusS. aureus 抗鏈霉素抗鏈霉素1 1 10109 9 nSalmonella typhiSalmonella typhi抗抗2525 g/Lg/L鏈霉素鏈霉素1 1 10106 6 nBacillus megateriumBacillus megaterium

37、 抗異煙肼抗異煙肼5 5 10105 5 38（三）基因突變的特點（三）基因突變的特點適用于整個生物界，以細菌的抗藥性為例。適用于整個生物界，以細菌的抗藥性為例。不對應性不對應性：突變的性狀與突變原因之間無直接的對應關系。：突變的性狀與突變原因之間無直接的對應關系。自發(fā)性自發(fā)性：突變可以在沒有人為誘變因素處理下自發(fā)地產生。：突變可以在沒有人為誘變因素處理下自發(fā)地產生。稀有性稀有性：突變率低且穩(wěn)定。：突變率低且穩(wěn)定。獨立性獨立性：各種突變獨立發(fā)生，不會互相影響。：各種突變獨立發(fā)生，不會互相影響?？烧T發(fā)性可誘發(fā)性：誘變劑可提高突變率。：誘變劑可提高突變率。穩(wěn)定性穩(wěn)定性：變異性狀穩(wěn)定可遺傳。：變異性

38、狀穩(wěn)定可遺傳?？赡嫘钥赡嫘裕簭脑嫉囊吧突虻阶儺愔甑耐蛔兎Q為正向突：從原始的野生型基因到變異株的突變稱為正向突變（變（forward mutation），從突變株回到野生型的），從突變株回到野生型的過程則稱為回復突變或回變（過程則稱為回復突變或回變（back mutation或或reverse mutation）。）。39（四）基因突變的自發(fā)性和不對應性的證明（四）基因突變的自發(fā)性和不對應性的證明n在各種基因突變中，抗性突變最為常見。但在過去在各種基因突變中，抗性突變最為常見。但在過去相當長時間內對這種抗性產生的原因爭論十分激烈。相當長時間內對這種抗性產生的原因爭論十分激烈。n一種觀點認為

39、，一種觀點認為，突變是通過適應而發(fā)生的，即各種抗突變是通過適應而發(fā)生的，即各種抗性是由其環(huán)境（指其中所含的抵抗對象）誘發(fā)出來的，性是由其環(huán)境（指其中所含的抵抗對象）誘發(fā)出來的，突變的原因和突變的性狀間是相對應的，并認為這就突變的原因和突變的性狀間是相對應的，并認為這就是是“定向變異定向變異”，也有人稱它為，也有人稱它為“馴化馴化”或或“馴養(yǎng)馴養(yǎng)”。n另一種看法則認為另一種看法則認為，基因突變是自發(fā)的，且與環(huán)境是，基因突變是自發(fā)的，且與環(huán)境是不相對的。由于其中有自發(fā)突變、誘發(fā)突變、誘變劑不相對的。由于其中有自發(fā)突變、誘發(fā)突變、誘變劑與選擇條件等多種因素錯綜在一起，所以難以探究問與選擇條件等多種因

40、素錯綜在一起，所以難以探究問題的實質。題的實質。40n變量試驗變量試驗又稱波動又稱波動試驗或彷試驗或彷徨試驗。徨試驗。n19431943年，年，S. E. S. E. Luria Luria 和和M. M. DelbrDelbrck ck 根據統(tǒng)計根據統(tǒng)計學原理，學原理，設計了左設計了左方的實驗。方的實驗。1. 變量試驗變量試驗fluctuation test412.涂布試驗原理與變量試驗相同，方法更為簡原理與變量試驗相同，方法更為簡便，且可計算突變率。便，且可計算突變率。423. 平板影印培養(yǎng)試驗（平板影印培養(yǎng)試驗（replica plating）n19521952年，年，J. Lederb

41、ergJ. Lederberg夫婦的論文夫婦的論文平板影印培養(yǎng)法和細平板影印培養(yǎng)法和細菌突變株的間接選擇菌突變株的間接選擇，更好地證明了微生物的抗藥性是，更好地證明了微生物的抗藥性是在未接觸藥物前自發(fā)地產生的，這一突變與相應藥物環(huán)境在未接觸藥物前自發(fā)地產生的，這一突變與相應藥物環(huán)境毫不相干。毫不相干。n平板影印培養(yǎng)法平板影印培養(yǎng)法，是一種能達到在，是一種能達到在一系列培養(yǎng)皿一系列培養(yǎng)皿的的相同位相同位置上置上出現出現相同遺傳型菌落相同遺傳型菌落的接種培養(yǎng)方法的接種培養(yǎng)方法. .通過影印培養(yǎng)法，通過影印培養(yǎng)法，就可以就可以在非選擇性條件下生長的細菌群體中，分離出各在非選擇性條件下生長的細菌群體中

42、，分離出各種類型的突變株。種類型的突變株。4344平平板板影影印印培培養(yǎng)養(yǎng)法法在根本未接觸過任何一點鏈霉素的情況下，就可以篩選到大量抗鏈霉在根本未接觸過任何一點鏈霉素的情況下，就可以篩選到大量抗鏈霉素的突變株，充分說明了突變是自發(fā)產生的，鏈霉素只是起到了一種檢出素的突變株，充分說明了突變是自發(fā)產生的，鏈霉素只是起到了一種檢出作用。作用。平板影印培養(yǎng)不僅在微生物遺傳理論的研究中有重要應用，而且在育平板影印培養(yǎng)不僅在微生物遺傳理論的研究中有重要應用，而且在育種時間和其它研究中均有應用，值得很好地領會。種時間和其它研究中均有應用，值得很好地領會。45（五）基因突變的機制（五）基因突變的機制n基因突變

43、的原因是多種多樣的，可以是自發(fā)的或誘發(fā)的，基因突變的原因是多種多樣的，可以是自發(fā)的或誘發(fā)的，誘變又誘變又可分為點突變和畸變。具體類型可分為點突變和畸變。具體類型可歸納如下：可歸納如下：461. 誘發(fā)突變機制誘發(fā)突變機制n誘變劑（誘變劑（mutagenmutagen）：凡能提高突變率）：凡能提高突變率的任何理化因子，就稱為誘變劑的任何理化因子，就稱為誘變劑n種類：誘變劑的種類很多，作用方式多種類：誘變劑的種類很多，作用方式多樣。即使是同一種誘變劑，也常有幾種樣。即使是同一種誘變劑，也常有幾種作用方式。作用方式。n按照遺傳物質結構變化的特點討論幾種按照遺傳物質結構變化的特點討論幾種有代表性的誘變劑

44、的作用機制。有代表性的誘變劑的作用機制。47（1）堿基置換（）堿基置換（substitution）n定義定義：對：對DNADNA來說，堿基的置換屬于一種染色體的微小損傷來說，堿基的置換屬于一種染色體的微小損傷（microlesionmicrolesion），一般也稱點突變（），一般也稱點突變（point mutationpoint mutation）。）。它只涉及一對堿基被另一對堿基所置換。它只涉及一對堿基被另一對堿基所置換。n分類：分類：轉換（轉換（transitiontransition），），即即DNADNA鏈中的一個嘌呤被另一鏈中的一個嘌呤被另一個嘌呤或是一個嘧啶被另一個嘧啶所置換；個

45、嘌呤或是一個嘧啶被另一個嘧啶所置換； 顛換（顛換（transversiontransversion），），即一個嘌呤被一個嘧啶即一個嘌呤被一個嘧啶, ,或或是一個嘧啶被一個嘌呤所置換。是一個嘧啶被一個嘌呤所置換。對某一具體誘變劑來對某一具體誘變劑來說，即可同時引起轉說，即可同時引起轉換與顛換，也可只具換與顛換，也可只具其中的一種功能。根其中的一種功能。根據化學誘變劑是據化學誘變劑是直接直接還是還是間接間接地引起置換，地引起置換，可把置換的機制分成可把置換的機制分成以下兩類來討論。以下兩類來討論。4849直接引起置換的誘變劑直接引起置換的誘變劑n定義：一類可直接與核酸的堿基發(fā)生化學反應的誘變劑，

46、定義：一類可直接與核酸的堿基發(fā)生化學反應的誘變劑，不論在機體內或是在離體條件下均有作用。不論在機體內或是在離體條件下均有作用。n種類：很多。例如亞硝酸、羥胺和各種烷化劑（硫酸二種類：很多。例如亞硝酸、羥胺和各種烷化劑（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，乙酯，甲基磺酸乙酯，N-甲基甲基-N硝基硝基-N-亞硝基胍，亞硝基胍，N-甲基甲基-N-亞硝基脲，乙烯亞胺，環(huán)氧乙酸，氮芥等）。亞硝基脲，乙烯亞胺，環(huán)氧乙酸，氮芥等）。n作用：它們可與一個或幾個核苷酸發(fā)生化學反應，從而作用：它們可與一個或幾個核苷酸發(fā)生化學反應，從而引起引起DNA復制時堿基配對的轉換，并進一步使微生物發(fā)復制時堿基配對的轉換，并進一步使微生

47、物發(fā)生變異。生變異。n羥胺只引起羥胺只引起GCA : T，n其余都是可使其余都是可使GC=A : T發(fā)生互變的。發(fā)生互變的。n能引起顛換的誘變劑很少，只是部分烷化劑才有（參能引起顛換的誘變劑很少，只是部分烷化劑才有（參見下表）。見下表）。50亞硝酸引起的亞硝酸引起的AT-GC轉換細節(jié)轉換細節(jié)51這類誘變劑主要是一些這類誘變劑主要是一些堿基類似物堿基類似物 ,如：如：5-溴尿嘧溴尿嘧啶啶(5-BU)和和5-氨基尿嘧啶（氨基尿嘧啶（5AU）、疊氮胸腺嘧啶（）、疊氮胸腺嘧啶（AIT）等等；）等等； 作用方式作用方式：通過活細胞的代謝活動參入到：通過活細胞的代謝活動參入到DNA分子中，分子中，主要是在

48、主要是在DNA復制時堿基類似物插入復制時堿基類似物插入DNA中，引起堿基中，引起堿基對配對錯誤，造成堿基置換。對配對錯誤，造成堿基置換。以以5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)為例：為例： 5-BU是胸腺嘧啶（是胸腺嘧啶（T）的）的的類似物的類似物 ，酮式的，酮式的5-BU可以和可以和A配對，配對，烯醇式的烯醇式的5-BU可以和可以和G配對，在配對，在DNA分子復制的過程中，由于分子復制的過程中，由于5-BU的的插入和互變異構導致堿基置換。插入和互變異構導致堿基置換。間接引起置換的誘變劑間接引起置換的誘變劑52535-BU引起的轉換引起的轉換545-BU引起的轉換引起的轉換n從上圖中，還可以看到從

49、上圖中，還可以看到5-BU的摻入引起的的摻入引起的GC回復到回復到A?T的過程。通過這兩個圖示，就很容易的過程。通過這兩個圖示，就很容易理解為什么同一種誘變劑既可造成正向突變，又理解為什么同一種誘變劑既可造成正向突變，又可使它產生回復突變的原因了?？墒顾a生回復突變的原因了。n也可以知道，為什么像也可以知道，為什么像5-BU這類代謝類似物只有這類代謝類似物只有對正在進行新陳代謝和繁殖著的微生物才起作用，對正在進行新陳代謝和繁殖著的微生物才起作用，而對休止細胞、游離的噬菌體粒子或離體的而對休止細胞、游離的噬菌體粒子或離體的DNA分子卻不起作用。分子卻不起作用。55（2）移碼突變）移碼突變nfra

50、me-shift mutation 或或 phase-shift mutation，指誘變劑使指誘變劑使DNA分子中增加（插入）或缺失一分子中增加（插入）或缺失一個或少數幾個核苷酸，從而使該部位后面的全部個或少數幾個核苷酸，從而使該部位后面的全部遺傳密碼發(fā)生轉錄和轉譯錯誤的一類突變。遺傳密碼發(fā)生轉錄和轉譯錯誤的一類突變。n由移碼突變所產生的突變株，稱為由移碼突變所產生的突變株，稱為（frame-shift mutant）。與染色體畸變相比，）。與染色體畸變相比，移碼突變也只能算是移碼突變也只能算是DNA分子的微小損傷。分子的微小損傷。n丫啶類染料，包括原黃素、丫啶黃、丫啶橙和丫啶類染料，包括原

51、黃素、丫啶黃、丫啶橙和-氨基丫啶等，以及一系列稱為氨基丫啶等，以及一系列稱為ICR類的化合物，類的化合物，都是移碼突變的有效誘變劑。都是移碼突變的有效誘變劑。56圖圖8-14能誘發(fā)移碼突變的幾種代表性化合物能誘發(fā)移碼突變的幾種代表性化合物引起移碼突變的誘變劑：主要是引起移碼突變的誘變劑：主要是吖啶類染料，如吖啶吖啶類染料，如吖啶黃、吖啶橙等等。黃、吖啶橙等等。這類化合物都是平面型的三環(huán)分子，它們的結構與一這類化合物都是平面型的三環(huán)分子，它們的結構與一個嘌呤個嘌呤嘧啶對十分相似。嘧啶對十分相似。57（3）染色體畸變（）染色體畸變（chromosomal aberration）n某些理化因子，如某

52、些理化因子，如X X射線等的輻射及烷化劑、射線等的輻射及烷化劑、亞硝酸等，除了能引起點突變外，還會引起亞硝酸等，除了能引起點突變外，還會引起DNADNA的大損傷（的大損傷（macrolesionmacrolesion）染色體畸染色體畸變，它包括：變，它包括：n染色體結構上的變化：染色體結構上的變化：n缺失（缺失（deletiondeletion）n重復（重復（duplicationduplication）n易位（易位（translocationtranslocation）n倒位（倒位（inversioninversion）n染色體數目的變化染色體數目的變化58轉座因子轉座因子（transpos

53、ible element）n由由4040年代年代B. McClintockB. McClintock對的遺傳研究而發(fā)現染色體易位，對的遺傳研究而發(fā)現染色體易位，自自19671967年以來，已在微生物和其它生物中得到普遍證實，年以來，已在微生物和其它生物中得到普遍證實，并已成為分子遺傳學研究中的一個熱點。并已成為分子遺傳學研究中的一個熱點。n舊概念舊概念基因是固定在染色體基因是固定在染色體DNADNA上的一些不可移動的核上的一些不可移動的核苷酸片段。苷酸片段。n新發(fā)現新發(fā)現有些有些DNADNA片段不但可在染色體上移動，還可從一片段不但可在染色體上移動，還可從一個染色體跳到另一個染色體，從一個質粒

54、跳到另一個質粒個染色體跳到另一個染色體，從一個質粒跳到另一個質?；蛉旧w，甚至還從一個細胞轉移到另一個細胞。在這些或染色體，甚至還從一個細胞轉移到另一個細胞。在這些DNADNA順序的跳躍過程中，往往導致順序的跳躍過程中，往往導致DNADNA鏈的斷裂或重接，從鏈的斷裂或重接，從而產生重組交換或使某些基因啟動或關閉，結果導致突變而產生重組交換或使某些基因啟動或關閉，結果導致突變的發(fā)生。的發(fā)生。n轉座因子（轉座因子（transposible elementtransposible element）在染色體組中或染在染色體組中或染色體組間能改變自身位置的一段色體組間能改變自身位置的一段DNADNA順序

55、。也稱作順序。也稱作跳躍基跳躍基因（因（jumping genejumping gene）或或可移動基因（可移動基因（movable genemovable gene）。）。59（六）紫外線對（六）紫外線對DNA的損傷及其修復的損傷及其修復n已知的已知的DNA損傷類型很多，機體對其修復的方式也各異。損傷類型很多，機體對其修復的方式也各異。發(fā)現較早和研究得較深入的是紫外線（發(fā)現較早和研究得較深入的是紫外線（U.V.，ultraviolet ray）的作用。）的作用。n嘧啶對紫外線的敏感性要比嘌呤強得多。嘧啶的光化產嘧啶對紫外線的敏感性要比嘌呤強得多。嘧啶的光化產物主要是二聚體和水合物。其中了解較

56、清楚的是胸腺嘧物主要是二聚體和水合物。其中了解較清楚的是胸腺嘧啶二聚體的形成和消除。啶二聚體的形成和消除。n紫外線的主要作用是使紫外線的主要作用是使DNA的相鄰嘧啶的相鄰嘧啶形成共價形成共價結合的結合的胸腺嘧啶二聚體胸腺嘧啶二聚體。二聚體的出現會減弱雙鏈間氫二聚體的出現會減弱雙鏈間氫鍵的作用，并引起雙鏈結構扭曲變形，阻礙堿基間的正鍵的作用，并引起雙鏈結構扭曲變形，阻礙堿基間的正常配對，從而有可能引起突變或死亡。在常配對，從而有可能引起突變或死亡。在互補雙鏈間互補雙鏈間形形成嘧啶二聚體的機會較少。但一旦形成，就會妨礙雙鏈成嘧啶二聚體的機會較少。但一旦形成，就會妨礙雙鏈的解開，因而影響的解開，因而

57、影響DNA的復制和轉錄，并使細胞死亡。的復制和轉錄，并使細胞死亡。6061光復活作用光復活作用（photoreactivation）n定義：經紫外線照射后的微生物立即暴露于可見光下時，可明顯降低其定義：經紫外線照射后的微生物立即暴露于可見光下時，可明顯降低其死亡率的現象，稱為光復活作用。死亡率的現象，稱為光復活作用。n這一現象最早是這一現象最早是A.Kelner（1949）在）在Strepotomyces griseus（灰色（灰色鏈霉菌）中發(fā)現的。后來，在許多微生物中都得到了證實。最明鏈霉菌）中發(fā)現的。后來，在許多微生物中都得到了證實。最明顯的是在顯的是在E.coli的實驗中：的實驗中：n對

58、照：對照：8106個個/ml E.coli U.V. 100個個/ml E.colin試驗：試驗：8106個個/ml E.coli U.V. 360490nm 2106個個/ml E.colin可見光，可見光，30分分n光激活酶（光激活酶（photoreactivating enzyme）即光裂合酶（即光裂合酶（photolyase）結合，）結合，當形成的復合物暴露在可見光（當形成的復合物暴露在可見光（300500nm）下時，此酶會因獲得光能）下時，此酶會因獲得光能而發(fā)生解離，從而使二聚體重新分解成單體。而發(fā)生解離，從而使二聚體重新分解成單體。n由于一般的微生物中都存在著光復活作用，所以進行紫

59、外線誘變育種時，由于一般的微生物中都存在著光復活作用，所以進行紫外線誘變育種時，只能在紅光下照射及處理照射后的菌液。只能在紅光下照射及處理照射后的菌液。62圖圖:光復活作用光復活作用63暗修復作用暗修復作用（dark repair）n又稱切除修復（又稱切除修復（excision repair）。是活細胞內）。是活細胞內一種用于修復被紫外線等誘變劑（包括烷化劑、一種用于修復被紫外線等誘變劑（包括烷化劑、X射射線和線和射線等）損傷后的射線等）損傷后的DNA的機制。這種修復作用的機制。這種修復作用與光無關。與光無關。n有四種酶參與有四種酶參與n在胸腺嘧啶二聚體的在胸腺嘧啶二聚體的5一側切開一一側切開

60、一個個3-OH和和5-P的單鏈缺口；的單鏈缺口；n從從5-P至至3-OH方向切除二聚體，方向切除二聚體，并擴大缺口；并擴大缺口；n以以DNA的另一條互補鏈為模板，的另一條互補鏈為模板，從原有鏈上暴露的從原有鏈上暴露的3-OH端起逐個延長，重新合成一端起逐個延長，重新合成一段缺失的段缺失的DNA鏈；鏈；n通過通過的作用，把新合成的寡核苷酸的的作用，把新合成的寡核苷酸的3-OH末端與原鏈的末端與原鏈的5-P末端相連接，從而完成了修末端相連接，從而完成了修復作用。復作用。64暗修復作用暗修復作用（dark repair）1、由、由核酸內切酶核酸內切酶切開二聚體切開二聚體的的5末端，形成末端，形成3-