微生物的遺傳與變異

1、10 微生物的遺傳(ychun)與變異 遺傳和變異是生物體最本質(zhì)的屬性之一。在遺傳性適宜的環(huán)境條件下時，通過代謝和發(fā)育才能使其后代轉(zhuǎn)化為與親代相同或相似的具體性狀。對微生物遺傳變異規(guī)律的深入研究，不僅促進了現(xiàn)代生物學的發(fā)展，而且還為微生物育種工作提供了豐富(fngf)的理論基礎。 共八十六頁10.1 遺傳(ychun)與變異的物質(zhì)基礎遺傳和變異是一切(yqi)生物的共同生命特征?！胺N瓜得瓜，種豆得豆”。遺傳：是指親代生物將自身的一整套遺傳基因傳遞給子代，從而使親代生物的特征在子代中得以延續(xù)。變異：親代和子代之間，子代和子代之間卻只有可能相似而不會完全相同。共八十六頁遺傳型（genotype）：

2、指某一生物個體所含有的全部遺傳因子。其實質(zhì)是遺傳物質(zhì)即基因組所攜帶(xidi)的遺傳信息的總和，又稱基因型。表型（phenotype）：指某一生物個體所具有的一切外表特征和內(nèi)在特性(txng)的總和，是其遺傳型在合適環(huán)境條件下通過代謝和發(fā)育而得到的具體表現(xiàn)。共八十六頁基因型變異：指生物體在某種外因或內(nèi)因的作用下所引起的基因結(jié)構(gòu)或數(shù)量的改變，亦即遺傳型的改變。如基因突變或基因轉(zhuǎn)移與重組等。基因型變異發(fā)生后是不可逆的，變化后的新性狀是穩(wěn)定(wndng)的、可遺傳的。表型改變：又稱飾變，指生物體受環(huán)境因素的影響產(chǎn)生(chnshng)的性狀改變的現(xiàn)象，只是外表的修飾性改變，即一種不涉及基因結(jié)構(gòu)改變而只

3、發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上的表型變化。飾變是不遺傳的。共八十六頁 例如(lr)，粘質(zhì)沙雷氏菌，在25下培養(yǎng)時，會產(chǎn)生一種深紅色的靈桿菌素，把菌落染成鮮紅色?？墒牵斉囵B(yǎng)在37下時，群體中所有細胞都不產(chǎn)色素。如果重新降溫至25，產(chǎn)色素能力又得到恢復。只有遺傳型的改變，即生物體基因結(jié)構(gòu)上發(fā)生的變化，才稱為變異。 共八十六頁10.1.1核酸遺傳變異的物質(zhì)基礎（3個經(jīng)典(jngdin)實驗）共八十六頁1、經(jīng)典(jngdin)轉(zhuǎn)化實驗Griffith F是第一個發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象(xinxing)的 ，雖然當時還不知道稱之為轉(zhuǎn)化因子的本質(zhì)是什么，但是他的工作為后來Avery等人進一步揭示轉(zhuǎn)化因子的實質(zhì)，確立DNA

4、為遺傳物質(zhì)奠定了重要基礎。共八十六頁共八十六頁結(jié)論(jiln)活的、非致病性的R型從已被殺死的S型中獲得了遺傳物質(zhì)，使其產(chǎn)生膜成為致病性的S型。Griffith將這種現(xiàn)象(xinxing)稱為轉(zhuǎn)化(transformation)。共八十六頁2、T2噬菌體感染(gnrn)實驗1952年，Hershey和Chase證實了DNA是T2噬菌體的遺傳物質(zhì)基礎(jch)的著名實驗。共八十六頁T2噬菌體的實驗(shyn)共八十六頁3、植物病毒(bngd)的拆分與重建實驗 1956年Fraenkel-Conrat等用含RNA的煙草花葉病毒進行了病毒重建實驗(shyn)，證實了RNA是RNA病毒的遺傳物質(zhì)。共八

5、十六頁共八十六頁(1)用表面活性劑處理標準TMV，得到它的蛋白質(zhì)；(2)從TMV的變種HRV通過弱堿處理得到它的RNA；(3)通過重建獲得雜種病毒(bngd)；(4)證實雜種病毒的蛋白質(zhì)外殼是來自TMV標準株。(5)雜種病毒感染煙草產(chǎn)生HR所特有的病斑，說明雜種病毒的感染特性是由HRV的RNA所決定，而不是二者的融合特征(6)從病斑中一再分離得到的子病毒的蛋白質(zhì)外殼是HR蛋白質(zhì)，而不是標準株的蛋白質(zhì)外殼。以上實驗結(jié)果說明雜種病毒的感染特征和蛋白質(zhì)的特性 是由它的RNA所決定，而不是由蛋白質(zhì)所決定，遺傳物質(zhì)是RNA。 共八十六頁10.1.2 核酸的結(jié)構(gòu)(jigu)與復制1、DNA的結(jié)構(gòu)(jigu

6、)（A、T、C、G）共八十六頁共八十六頁2、RNA的結(jié)構(gòu)(jigu)（A、U、C、G）3、核酸的復制(fzh)半保留復制共八十六頁1、認識遺傳物質(zhì)的7個層面（1）、細胞(xbo)層面1）原核生物的大部分DNA集中在細胞的核區(qū)中，而真核生物的DNA集中在細胞核內(nèi)。2）不同微生物，細胞核或核區(qū)的數(shù)目不同。3）細菌中，球菌一般僅一個核區(qū)；桿菌大多存在兩個或兩個以上的核區(qū)。10.1.3 遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)存在(cnzi)的部位和方式共八十六頁（2）、細胞核層面1）真核生物核內(nèi)的DNA與組蛋白結(jié)合在一起形成一種分裂期在光學顯微鏡下可見的染色體。2）原核(yun h)生物核區(qū)中的DNA呈環(huán)狀雙鏈結(jié)構(gòu)，

7、結(jié)合有類組蛋白和少量RNA。3)其內(nèi)的所有遺傳信息被總稱為核基因組、核染色體組，或簡稱基因組。4)核外遺傳物質(zhì)。共八十六頁3、染色體層面1）不同生物(shngw)的染色體數(shù)目相差很大。2）單倍體，雙倍體，三倍體，多倍體。3）部分雙倍體。共八十六頁4、核酸(h sun)層面DNA或RNA;DNA單鏈或雙鏈;RNA單鏈或雙鏈;bp（堿基對）;kp（千堿基對）;mp（兆堿基對）。共八十六頁5、基因?qū)用婊颍荷矬w內(nèi)一切具有自主復制能力(nngl)的最小遺傳功能單位，其物質(zhì)基礎是具有特定核苷酸序列的核酸片段。每個基因約為1000bp1500bp。共八十六頁6、密碼子層面1）遺傳密碼(m m)是指DNA

8、鏈上的特定核苷酸順序。2）遺傳密碼的信息單位為密碼子，每一密碼子由1個三聯(lián)體即3個核苷酸序列所組成。共八十六頁7、核苷酸層面核苷酸單位（主要是堿基單位）是一個最低突變單位或交換單位。含有(hn yu)稀有堿基。共八十六頁2、原核(yun h)生物的質(zhì)粒（1）定義質(zhì)粒是游離于原核生物核基因組以外，具有獨立復制能力的小型共價閉合環(huán)狀的超螺旋雙鏈DNA分子。大質(zhì)?？珊瑤装賯€基因。小質(zhì)粒僅含20個到30個基因。共八十六頁（2）特征1）自我復制能力(nngl)。2）質(zhì)粒DNA所編碼的基因產(chǎn)物賦予細菌某些性狀特征，如致育性、耐藥性、致病性和某些生化特性等。3）可自行丟失與消除。4）有轉(zhuǎn)移性。5）可分為相容

9、性與不相容性兩種。共八十六頁（3）種類（4）典型質(zhì)粒簡介1）F質(zhì)粒：又稱F因子、致育因子或性因子，是大腸桿菌等細菌決定(judng)性別并具有轉(zhuǎn)移能力的質(zhì)粒，大小約100bp。2）R質(zhì)粒：又稱R因子，也稱接合性耐藥質(zhì)粒，因該質(zhì)粒能使細菌對抗菌藥物或重金屬鹽類呈現(xiàn)抗性且它能通過接合方式在細菌間傳遞而得名。共八十六頁3）Col質(zhì)粒：又稱大腸桿菌素質(zhì)?；虍a(chǎn)大腸桿菌素因子。大腸桿菌素是一種細菌素，它是由大腸桿菌Col質(zhì)粒編碼的蛋白質(zhì)，能抑制或殺死其他近緣(jn yun)且不含Col質(zhì)粒的菌株以保護產(chǎn)該細菌素的細菌本身。共八十六頁4）Ti質(zhì)粒：即誘癌質(zhì)粒或冠癭質(zhì)粒。根癌土壤桿菌從一些雙子葉植物的受傷根部

10、侵入根部細胞后，釋放(shfng)出Ti質(zhì)粒，其上的T-DNA片段會與植物細胞的核基因組整合，合成正常植物所沒有的冠癭堿類，破壞控制細胞分裂的激素調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而使細胞轉(zhuǎn)變?yōu)榘┘毎?。共八十六?）mega質(zhì)粒：即巨大質(zhì)粒，存在于根瘤菌屬中，其上有一系列與共生固氮相關的基因。6）降解性質(zhì)粒：在假單胞菌屬中被發(fā)現(xiàn)。它可以編碼(bin m)對一系列復雜的有機物有降解作用的酶類，從而使具有該質(zhì)粒的細菌在污水處理、環(huán)境保護等方面發(fā)揮著重要作用。共八十六頁 遺傳性變異是由基因結(jié)構(gòu)發(fā)生改變所致，主要通過基因突變、基因損傷后的修復、基因的轉(zhuǎn)移(zhuny)與重組來實現(xiàn)。10.2 基因突變(j yn t bin)

11、及其應用共八十六頁10.2.1基因突變1、定義(dngy) 基因突變簡稱突變，指生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，導致生物體性狀的遺傳性變異。共八十六頁 點突變 DNA鏈上的一對 基因突變 或少數(shù)幾對堿基發(fā)生改變。 (堿 基置換 、移碼突變 ) 染色體畸變 DNA的大段變化(損傷)現(xiàn)象 (添加、缺失、易位、倒位 ) 基因重組：把兩個不同性狀個體內(nèi)的遺傳基因轉(zhuǎn)移 到一起，經(jīng)過遺傳分子(fnz)的重新組合后， 形成新遺傳型個體的方式，稱為基因重 組(原核生物、真核生物)遺傳性變異(biny)共八十六頁2、突變(tbin)類型共八十六頁根據(jù)突變后遺傳信息改變(gibin)的情況，可將突變分

12、為：同義突變：堿基對的改變并未影響多肽鏈上相應氨基酸的改變。錯義突變：堿基對的突變導致多肽鏈上相應氨基酸發(fā)生改變。無義突變：某堿基突變造成UAG，UAA和UGA等終止碼的出現(xiàn)，導致多肽鏈合成終止，原功能喪失。共八十六頁 3、表型變化及其分離 1、營養(yǎng)缺陷型是一種缺乏(quf)合成其生存所必需的營養(yǎng)物，只有從周圍環(huán)境或培養(yǎng)基中獲得這些營養(yǎng)或其前體物才能生長的突變型。2、抗藥性突變型指由于基因突變使菌株對某種或某幾種藥物，特別是抗生素，產(chǎn)生抗性的一種突變。 共八十六頁3、條件致死突變型指在某種條件下可正常地生長繁殖并呈現(xiàn)固有的表型，而在另外條件下卻有致死效應的突變型。4、形態(tài)突變型是指造成(zo

13、chn)形態(tài)改變的突變型，包括影響細胞和菌落的形態(tài)、顏色以及影響噬菌體噬菌斑形態(tài)的突變型。共八十六頁5、其他突變型 如毒力、糖發(fā)酵能力、代謝產(chǎn)物的種類和產(chǎn)量(chnling)以及對某種藥物的依賴性突變型等。共八十六頁4、突變方式（1）自發(fā)突變是指生物體在無人工干預下自然(zrn)發(fā)生的低頻率突變。產(chǎn)生的因素一般有：1）背景輻射和環(huán)境因素；2）DNA復制過程中堿基配對錯誤所引起；3）微生物代謝產(chǎn)物引起。共八十六頁（2）誘導突變簡稱誘變，指通過人工方法，利用物理、化學或生物因素(yn s)顯著提高基因突變頻率的手段。凡能產(chǎn)生誘變效應的因素(yn s)均被稱為誘變劑。共八十六頁 1）物理誘變(yu

14、bin)：紫外線、X射線等紫外線誘變機制輻射劑量光復活作用共八十六頁2）化學誘變： 誘變劑： 亞硝酸、硫酸二乙酯、亞硝基胍等注意事項： 選擇適宜(shy)的誘變劑及劑量，適當?shù)臏囟?和PH，終止反應，安全共八十六頁5、基因突變(j yn t bin)的特點(7個特點) 1 ）非對應性2 ）自發(fā)性3 ）稀有性4 ）獨立性5 ）誘變(yu bin)性6 ）穩(wěn)定性7 ）可逆性共八十六頁1）非對應性 即突變的性狀與引起突變的原因間無直接的對應關系。 例如，細菌在有青霉素的環(huán)境下，出現(xiàn)了抗青霉素的突變體；在紫外線的作用下，出現(xiàn)了抗紫外線的突變體；在較高的培養(yǎng)溫度下，出現(xiàn)了耐高溫的突變體等。表面上看來，會

15、認為正是由于青霉素、紫外線或高溫的“誘變”，才產(chǎn)生(chnshng)了相對應的突變性狀。事實恰恰相反，這類性狀都可通過自發(fā)的或其任何誘變因子誘發(fā)而行。這里的青霉素、紫外線或高溫僅是起著淘汰原有非突變型(敏感型)個體的作用。共八十六頁2）自發(fā)性 各種性狀的突變，可以在沒有人為的誘變因素(yn s)處理下自發(fā)地發(fā)生。 自發(fā)突變決不意味著這種突變是沒有原因的，而只是說明人們對它們還沒有很好認識而已。 共八十六頁3）稀有性 自發(fā)突變雖可隨時發(fā)生，但突變的頻率是較低和穩(wěn)定的，一般在10-610-9間。所謂突變率，一般指每一細胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的機率。例如，突變率為110-8者，就意味著當10

16、 8個細胞群體(qnt)分裂成210 8個細胞時，平均會形成一個突變體。共八十六頁4）獨立性 突變的發(fā)生一般是獨立(dl)的，即在某一群體中，既可發(fā)生抗青霉素的突變型，也可發(fā)生抗鏈霉素或任何其他藥物的抗藥性，而且還可發(fā)生其他不屬抗藥性的任何突變。某一基因的突變，既不提高也不降低其他基因的突變率。 共八十六頁5）誘變(yu bin)性 通過誘變劑的作用，可提高自發(fā)突變的頻率，一般(ybn)可提高10-10 5倍。不論是自發(fā)突變或誘發(fā)突變(誘變)得到的突變型，它們之間并無本質(zhì)上的差別，因為誘變劑僅起著提高突變率的作用。共八十六頁6)穩(wěn)定性 由于突變的根源是遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了穩(wěn)定的變化，所以產(chǎn)生(

17、chnshng)的新性狀也是穩(wěn)定的、可遺傳的。共八十六頁7)可逆性 某種菌株在自然環(huán)境下具有的表型稱為野生型，發(fā)生突變的菌株稱突變株。由原始的野生型基因變異(biny)為突變型基因的過程，稱為正向突變，相反的過程則稱為回復突變或回變。實驗證明，任何性狀既有正向突變，也可發(fā)生回復突變。共八十六頁6、DNA的損傷及其修復當DNA受到損傷時，細胞(xbo)會用有效的DNA修復系統(tǒng)進行細致的修復，使損傷降為最小。（1）光修復（2）暗修復共八十六頁1、 突變育種（1）自發(fā)突變育種1）從生產(chǎn)實踐中選育 選育步驟 (1)采樣(ci yn) (2)加富培養(yǎng) (3)平板分離 (4)性能測定10.2.2 突變(t

18、bin)的應用 共八十六頁定向培育一般是指用某一特定環(huán)境長期(chngq)處理某一微生物培養(yǎng)物(群體)，同時不斷對它們進行移種傳代，以達到積累和選擇合適的自發(fā)突變體的一種古老的育種方法。由于自發(fā)突變的頻率較低，變異程度較輕微，所以培育新種的過程一般十分緩慢。與誘變育種、雜交育種和基因工程技術(shù)相比，定向培育法帶有守株待兔的被動狀態(tài)。 2）定向培育(dngxingpiy)優(yōu)良菌種共八十六頁(2) 誘變(yu bin)育種 誘變育種就是利用物理或化學誘變劑處理均勻分散的微生物細胞群，促進其突變頻率大幅度提高，然后設法采用(ciyng)簡便、快速和高效的篩選方法，從中挑選少數(shù)符合育種目的突變株，以供生

19、產(chǎn)實踐或科學實驗之用。 誘變育種除提高產(chǎn)量外，還可改進產(chǎn)品質(zhì)量、擴大品種和簡化工藝等目的。它具有方法簡便、工作速度快和收效顯著等優(yōu)點，仍是目前最廣泛使用的育種手段。共八十六頁1）誘變育種(y zhng)的基本環(huán)節(jié)共八十六頁1、初篩：以量為主2、復篩：以質(zhì)為主2）誘變(yu bin)育種的步驟共八十六頁3）營養(yǎng)(yngyng)缺陷型的篩選 營養(yǎng)缺陷型(auxotroph)是指通過誘變而產(chǎn)生的，在一些營養(yǎng)物質(zhì)(如氨基酸、維生至少和堿基等)的合成能力上出現(xiàn)缺陷，因此必須在基本培養(yǎng)基(minimal medium)中加入(jir)相應的有機營養(yǎng)成分才能正常生長的變異菌株。野生型是指從自然界分離到的任何

20、微生物在其發(fā)生人為營養(yǎng)缺陷突變前的原始菌株。在其相應的基本培養(yǎng)基上生長。 共八十六頁篩選(shixun)營養(yǎng)缺陷型菌株4個環(huán)節(jié)： (1)誘變劑處理(chl) (2)淘汰野生型 (3)檢出缺陷型 (4)鑒定缺陷型 共八十六頁4）誘變(yu bin)育種工作中的幾個原則 a.選擇簡便有效的誘變劑 目前在實踐上常用的誘變劑主要有紫外線(u.v.)、氮芥、硫酸二乙酯、N-甲基-N-硝基-N-亞硝基胍(NTG或MNNG)和亞硝基甲脲(NMU)等。后兩種因為(yn wi)有突出的誘變效果，所以被譽為“超誘變劑”。 b.挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株 共八十六頁c.選用最適劑量要確定一個合適的劑量，常常要經(jīng)過多次試驗。

21、就一般微生物而言，誘變率往往隨劑量的增高而提高，但達到一定劑量后，再提高劑量反而會使誘率下降。根據(jù)對紫外線、X射線和乙烯亞胺等誘變效應的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)(fxin)正變轉(zhuǎn)多地出現(xiàn)在偏低的劑量中，而負變較多地出現(xiàn)于偏高的劑量中；還發(fā)現(xiàn)(fxin)經(jīng)多次誘變而提高產(chǎn)量的菌株中，更容易出現(xiàn)負變。因此，在誘變育種工作中，目前比較傾向于采用較低的劑量。 共八十六頁d.利用復合處理的協(xié)同效應 誘變劑的復合處理常常呈現(xiàn)一定的協(xié)同效應，這對育種實踐是很有參考價值的。 e.利用和創(chuàng)造形態(tài)、生理與產(chǎn)量間的相關指標 為了確切地了解某一突變株產(chǎn)量性狀的提高程度，必須(bx)進行大量的分析測定和統(tǒng)計工作。共八十六頁f.設

22、計和采用高效篩選方案和方法 通過誘變處理，在微生物群體中會出現(xiàn)種種突變型個體，絕大多數(shù)是負變體，要在其中把極個別的產(chǎn)量提高較顯著的正變體篩選到手，就要求采用效率較高的科學篩選方案和方法。篩選過程以分初篩與復篩兩階段(jidun)進行為好。前者以量(選留菌株的數(shù)量)為主，后者以質(zhì)(測定數(shù)據(jù)的精確度)為主。 共八十六頁2、突變在疾病診斷及預防中的作用細菌的變異可發(fā)生在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面。3、突變在檢測致癌物質(zhì)中的作用現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)一些化學誘變劑能引發(fā)癌癥，利用細菌突變來檢測環(huán)境中的致癌物質(zhì)是一種(y zhn)簡便、快捷而靈敏的方法。共八十六頁10.3 基因(jyn)重組 凡

23、把兩個不同性狀個體內(nèi)的遺傳基因轉(zhuǎn)移到一起(yq)，經(jīng)過遺傳分子的重新組合后，形成新遺傳型個體的方式，稱為基因重組。重組可使生物體在未發(fā)生突變的情況下，也能產(chǎn)生新遺傳型的個體。 重組是分子水平上的一個概念，可以理解成是遺傳物質(zhì)分子水平上的雜交。共八十六頁真核微生物中的有性雜交、準性雜交及原核生物中的轉(zhuǎn)化(zhunhu)、轉(zhuǎn)導、接合和原生質(zhì)體融合等都是基因重組在細胞水平上的反映?；蛑亟M是雜交育種的理論基礎。由于雜交育種是選用已知性狀的供體和受體菌種作為親本，因此不論在方向性還是自覺性方面，都比誘變育種前進了一大步。共八十六頁(一)接合(jih) 細菌通過性菌毛互相連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒

24、DNA）從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌的基因(jyn)重組方式。一、原核微生物的基因重組共八十六頁能通過結(jié)合方式(fngsh)轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，不能通過性菌毛在細菌間轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒為非接合性質(zhì)粒。共八十六頁共八十六頁共八十六頁共八十六頁共八十六頁共八十六頁共八十六頁 供體菌的游離DNA片段被受體菌直接攝取，通過交換，把它組合到自己的基因組中，從而使受體菌獲得(hud)新的性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)化作用。通過轉(zhuǎn)化而形成的雜種后代，稱轉(zhuǎn)化子。(二)轉(zhuǎn)化(zhunhu)共八十六頁感受態(tài)是指受體細胞最易接受外源DNA并能實現(xiàn)轉(zhuǎn)化的一種生理狀態(tài)。轉(zhuǎn)化因子本質(zhì)上是供體菌裂解產(chǎn)生(chnshng)的游離DNA片段。共八十六頁共八十六頁共八十六頁(三) 轉(zhuǎn)導(zhun do) 轉(zhuǎn)導以溫和(wnh)噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，從而使受體菌獲得新性狀，即由病毒介導的細胞之間進行遺傳轉(zhuǎn)移的一種方式。 根據(jù)轉(zhuǎn)導基因片段的范圍，可將轉(zhuǎn)導分為兩類：普遍性轉(zhuǎn)導（轉(zhuǎn)導的DNA可是供菌染色體上的任何部