微生物的遺傳變異和誘變育種

微生物的遺傳變異和誘變育種第一頁，共七十九頁，2022年，8月28日學習微生物遺傳學的意義遺傳學中很多重要的成果都是以微生物作為材料而研究獲得的。微生物遺傳學的結果是分子生物學的重要理論基礎。微生物遺傳學的原理和方法是遺傳工程的基石，并已被生物學其他學科廣泛采用，產(chǎn)生了積極地影響。第二頁，共七十九頁，2022年，8月28日微生物是遺傳學研究中的明星：

微生物細胞結構簡單，營養(yǎng)體一般為單倍體，方便建立純系。

很多常見微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長繁殖。

對環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，操作性強。第三頁，共七十九頁，2022年，8月28日一、基因突變(GeneMutation)

在自然界，微生物的形態(tài)和生理特性由于環(huán)境條件的改變，常會發(fā)生表型的變化。由遺傳物質(zhì)發(fā)生變化引起的表型的變化稱為基因突變，這種突變引起表型變異是遺傳性的，稱為遺傳性變異。第一節(jié)基因突變和誘變育種第四頁，共七十九頁，2022年，8月28日廣義的突變基因突變（點突變）狹義的突變?nèi)旧w畸變野生型菌株（wildtypestrain)突變株(mutant)

第五頁，共七十九頁，2022年，8月28日(一）突變的類型1形態(tài)突變型

細胞形態(tài)改變：芽胞、莢膜、鞭毛、分生孢子的喪失；

菌落形態(tài)改變：表觀、顏色、大小、噬菌斑大小、混濁度；2生化突變型代謝途徑變化:營養(yǎng)缺陷型，抗性突變型抗藥物、抗噬菌體。3條件致死突變型4其他突變型：影響次生代謝產(chǎn)物突變型、毒力突變型、糖發(fā)酵能力突變型、影響質(zhì)粒轉(zhuǎn)移功能突變型。第六頁，共七十九頁，2022年，8月28日1）突變是自發(fā)產(chǎn)生的，與環(huán)境條件無關2）自發(fā)突變的隨機性和突變率3）各種突變的發(fā)生彼此無關4）突變是可逆的5）某些理化因子可顯著提高突變率（二）突變的規(guī)律第七頁，共七十九頁，2022年，8月28日1）突變是自發(fā)產(chǎn)生的

基因的突變是自發(fā)產(chǎn)生的，并且自發(fā)突變與環(huán)境條件是不對應的。證明突變是自發(fā)產(chǎn)生的兩個實驗：

1.波動試驗（fluctuation）

2.影印培養(yǎng)試驗（replicaplating）第八頁，共七十九頁，2022年，8月28日

1234假設1：突變在各個世代隨機發(fā)生，與環(huán)境條件無關，則不同群體中子代中突變細胞數(shù)目不同，產(chǎn)生波動。波動試驗fluctuation1943，LuriaandDelbruck用統(tǒng)計學原理設計了波動試驗，E.coli

及其噬菌體T1做抗性試驗。第九頁，共七十九頁，2022年，8月28日

1234假設2：突變與環(huán)境條件有關，則不同群體中子代中突變細胞數(shù)目大概相同，不會產(chǎn)生波動。第十頁，共七十九頁，2022年，8月28日1952年Lederberg夫婦設計了影印培養(yǎng)法，直接證明突變菌株是預先存在的，與相應的環(huán)境因素無關。影印培養(yǎng)試驗replicaplating第十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日

自發(fā)突變在時間、地點上是隨機的、偶然的，但是偶然性表現(xiàn)在必然性之中，突變的必然性表現(xiàn)在一定的突變有一定的突變率。突變率是某一細胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的幾率。細菌中自發(fā)突變的概率一般是10-6-10-9。2）自發(fā)突變的隨機性和突變率第十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日

基因突變是隨機的，獨立的，因此兩個不同突變同時發(fā)生的幾率是兩者各自發(fā)生幾率的乘積。在實踐中，可同時使用兩種藥物，以防止細菌抗性突變的產(chǎn)生，提高療效。3）獨立性第十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日4）突變是可逆的突變是可逆的：正向突變野生型突變型

回復突變回復突變也有一定的機率。第十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日

真正的回復突變突變基因上被改變的堿基對在第二次突變時恢復成原來的堿基順序，真正恢復到野生型基因的功能。抑制基因突變在DNA的不同位置上發(fā)生第二次突變抑制了原來突變基因的表達，恢復野生型表型，而不是直接改變回原來的野生基因型。第一次突變一條多肽鏈無活性第二次突變恢復活性抑制基因突變第二次突變第十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日5）某些理化因子可顯著提高突變率

自發(fā)突變率一般在10-6-10-9，而理化誘變劑引起的誘發(fā)突變率可提高103-104倍。第十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日（三）突變的機制

基因突變一般又稱點突變，是由于DNA上1個或多個堿基順序變化的結果。突變的形式：

1)堿基置換

2）移碼突變

3）染色體畸變

第十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日1）堿基置換（basesubstitution）在這種突變中，堿基對的數(shù)量沒有變，只是一對堿基對被另一對堿基對所代替：轉(zhuǎn)換transiton：顛換transversion：

G-CC-GT-AA-T

轉(zhuǎn)換顛換第十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日堿基置換的結果

(1)錯義突變

(2)無義突變

(3)同義突變第十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日因堿基改變使相應氨基酸變化，進而使多肽失活或活性下降。例如：DNAACCACCCC

TGGTGGGGmRNAUGGGGG多肽色氨酸甘氨酸(1)錯義突變第二十頁，共七十九頁，2022年，8月28日

堿基改變使編碼某一氨基酸的密碼子變?yōu)榻K止密碼子，使蛋白質(zhì)合成中斷，產(chǎn)生無活性的多肽，例如：

DNAATAAGTmRNAUAU（酪氨酸)UCA（絲氨酸）

DNA上ATTATCACTmRNAUAAUAG

UGA

赭色突變琥珀突變?nèi)榘淄蛔兘K止子（Ochre）（Amber）(Opal)（2）無義突變第二十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日突變后的密碼子編碼相同的氨基酸，如：

DNATTTTTCmRNAAAAAAG

多肽LysLys(3)同義突變第二十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日在正常的堿基序列中插入或減少一個或多個堿基，造成突變位點下游密碼子的錯讀，產(chǎn)生氨基酸順序完全改變了的蛋白質(zhì)，一般無活性。

DNAGATCGTACATATCCCmRNACAUGCAUGUAUAGGG

多肽LeuAlaCysIleGly

插入

DNAGATACGTACATATCCCmRNACUAUGCAUGUAUAGG

多肽LeuCysMetTyrArg

2）移碼突變

frameshiftmutation第二十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日染色體缺失、重復、倒位、易位引起的大范圍變化叫～。染色體畸變可引起生物表型明顯的改變。染色體內(nèi)畸變：只涉及同一條染色體上的核酸。染色體間畸變：涉及不同染色體間的核酸。易位現(xiàn)象：轉(zhuǎn)座子、跳躍基因。3）染色體畸變第二十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日（四）人工誘變與誘變劑

自發(fā)突變的機率很低，一般在10－6～10－9。某些物理、化學因子可以誘發(fā)突變，提高突變率，這些因子稱為誘變劑；理化誘變劑引起的突變率可提高103～104倍。第二十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日1.化學誘變劑1）堿基類似物2）嵌入誘變劑3）改變DNA結構的誘變劑第二十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日堿基類似物：

定義：一類與正常堿基類似的化合物。

機理：在DNA復制時可以替代正常堿基，摻入DNA；在DNA再次復制時，這些類似物發(fā)生異構，發(fā)生錯配，導致堿基置換。

常見的有：2-氨基嘌呤和5-溴尿嘧啶。第二十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日第二十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日第二十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日A??TA??BUG???BUG???CG???BUA???BU突變第三十頁，共七十九頁，2022年，8月28日嵌入誘變劑

一類結構上扁平的化合物，能夠插入DNA鏈的兩個堿基之間，使得DNA在復制時會插入一個額外的堿基，最終導致移碼突變。常見的有丫啶橙類化合物。

第三十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日改變DNA結構的誘變劑

這類化合物可以直接使得堿基發(fā)生變化，在DNA復制時造成錯誤配對，產(chǎn)生堿基置換，常用的有羥胺、亞硝酸、各種烷化劑（亞硝基胍、氮芥）等。第三十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日2．物理誘變劑

(1)紫外線

(2)電離輻射

直接作用：輻射直接擊中DNA鏈，造成DNA損傷，DNA重接后可能產(chǎn)生缺失、倒位、易位、重復等畸變。

間接作用：輻射使DNA周圍的水分子發(fā)生電離，產(chǎn)生大量游離基，這些游離基又可與DNA發(fā)生作用，使堿基氧化，在復制時發(fā)生錯配，導致突變。第三十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日Chapter7MicrobialGenetics第三十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.突變與修復修復系統(tǒng)：光復活作用切除修復第三十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日修復與突變形成的關系細胞外的誘變劑DNA損傷（前突變）

不修復修復

死亡無誤修復易誤修復

恢復正常易誤修復

基因突變

分離突變基因型表達突變表型細胞分裂突變克隆第三十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日第二節(jié)基因重組和雜交育種

兩個不同生物個體交換遺傳物質(zhì)并進行重新組合以產(chǎn)生具有新基因型和表型個體的過程。第三十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日原核生物基因重組的特點1.非等量交換;2.單向進行的;

供體：提供DNA

受體：接受DNA第三十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日細菌基因重組的3種方式：

細胞接觸 DNA載體 涉及DNA片斷 接合

＋ F因子部分染色體轉(zhuǎn)導 －噬菌體 1個/少數(shù)基因 轉(zhuǎn)化 －－1個/少數(shù)基因 第三十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日1．轉(zhuǎn)化

transformation

來自供體的DNA片斷或質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)移到受體菌并整合進染色體的過程叫轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的受體菌叫轉(zhuǎn)化子。第四十頁，共七十九頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)化的3個階段1）感受態(tài)階段

competence2）DNA的結合和吸收

bindinganduptake3）整合

integration第四十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日1）感受態(tài)階段competence感受態(tài)：受體菌細胞容易接收DNA片斷的生理狀態(tài)。感受態(tài)是細菌的一種遺傳特性，并且受培養(yǎng)條件的影響，感受態(tài)一般在對數(shù)中期或后期出現(xiàn)，因菌種而異。第四十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日2）DNA的結合和吸收

細胞壁上的受體蛋白與DNA片斷相互作用，吸附DNA。結合的DNA雙鏈被核酸內(nèi)切酶切成約14kb大小的片斷，然后再被分解成單鏈，一條單鏈被降解，另一條單鏈進入細胞。第四十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日3）

整合

進入細胞的DNA單鏈取代受體菌染色體上的同源片斷的一條單鏈，被取代的那條單鏈被降解。這樣形成的雜合雙鏈經(jīng)修復后將成為含有供體基因的轉(zhuǎn)化子或正常的受體DNA的后代。第四十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)化的過程第四十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日第四十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)化的特性

細胞接觸 DNA載體涉及DNA片斷 － －1個/少數(shù)基因 第四十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日2.轉(zhuǎn)導

供體基因通過噬菌體作為中間載體轉(zhuǎn)移至受體的過程叫轉(zhuǎn)導。轉(zhuǎn)導后的受體菌叫轉(zhuǎn)導子。兩種:

普遍性轉(zhuǎn)導局限性轉(zhuǎn)導第四十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日1）普遍性轉(zhuǎn)導

generalizedtransduction

轉(zhuǎn)導噬菌體：噬菌體在裝配時，會錯把大小與其DNA相似的細菌染色體片斷包裝進殼體中，形成轉(zhuǎn)導噬菌體。當這種噬菌體侵染下一個寄主細胞后，就把供體的DNA片斷帶進受體細胞。供體片斷可與受體染色體上同源片斷配對，通過雙交換整合進受體染色體，形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導子。第四十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日流產(chǎn)轉(zhuǎn)導

但是約有90％的供體DNA片斷并不能整合進受體染色體上，能表達卻不能復制，只能將供體DNA片斷傳遞給一個子細胞，在選擇性培養(yǎng)基上形成微小的菌落，叫流產(chǎn)轉(zhuǎn)導。第五十頁，共七十九頁，2022年，8月28日-鼠傷寒沙門氏菌的P22，大腸桿菌的P1，B.Subtilis的PBS1，PS10等。能進行普遍性轉(zhuǎn)導的噬菌體：第五十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日2）局限性轉(zhuǎn)導

specializedtransduction

原噬菌體受誘導從寄主DNA上脫離下來時，因不正常切割，會偶爾把其整合位點兩側(cè)的寄主基因切下并包裝進殼體，進而帶進下一個受感染的細胞，并可能通過整合帶進受體染色體。如E.coli

：λ、φ80phage.第五十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日只能使供體的一個或少數(shù)幾個基因以噬菌體為媒介轉(zhuǎn)移到受體的轉(zhuǎn)導作用稱為局限性轉(zhuǎn)導。大腸桿菌的溫和噬菌體λ只能轉(zhuǎn)導大腸桿菌的gal或bio基因。第五十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日

基因 頻率 穩(wěn)定性 普遍性轉(zhuǎn)導 任何 10－6～10－8 90％流產(chǎn) 局限性轉(zhuǎn)導 少數(shù) 10－4～10－6 2/3不穩(wěn)定 兩類轉(zhuǎn)導的比較第五十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日3．接合conjugation

通過細胞接觸而進行的基因轉(zhuǎn)移，叫接合。得到了供體DNA的受體菌叫接合子。接合是借F因子（致育因子）實現(xiàn)的。

F（fertility）因子是一種小分子的雙鏈環(huán)狀DNA，約有40個基因。第五十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日F因子基因組3個區(qū)段:1.控制自主復制，含有復制酶基因(rep)、決定不相容性的基因(inc)和復制起點(oviV)。2.轉(zhuǎn)移區(qū)段3.插入?yún)^(qū)段第五十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日F因子的特性1.可在細胞之間轉(zhuǎn)遞;2.可插入核染色體上;3.可從核染色體上脫落第五十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日F+細胞和F-細胞F+細胞:帶有F因子的細胞，每個F+細胞帶有1～多個性絲。F-細胞:不帶有F因子的細胞,無性絲.F+細胞可以將F因子通過接合方式傳給F-細胞。使之成為F+.

導致了基因重組.第五十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日第五十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日高頻重組菌株（Hfr）：

比通過一般接合方式基因重組頻率高出1000倍的菌株。原因:由于F因子可整合在染色體上，又可斷裂后帶動染色體上基因通過接合方式進入寄主細胞。第六十頁，共七十九頁，2022年，8月28日第六十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日F因子可以通過重組插入細菌染色體中形成Hfr的細胞。Hfr細胞中的F因子既可以從染色體上沿原插入位點正常脫離下來恢復成F+，也可以誤差脫離而形成F′細胞。第六十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日F′因子:

整合在染色體上的F因子在脫離的過程中，由于不正常的切割，而形成的帶有寄主基因的F因子。初生F′細胞：含有F′因子的寄主細胞。次生F′細胞：F′×F–

性導：第六十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日F′×F-的接合作用：由于在F′×F-的接合作用中能專一性地向F-轉(zhuǎn)移F′質(zhì)粒攜帶的供體菌基因，因而也有人把通過F′因子的轉(zhuǎn)移而使受體菌改變其遺傳性狀的現(xiàn)象稱為F因子轉(zhuǎn)導或性因子轉(zhuǎn)導。第六十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日第六十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日不同類型細胞接合的結果見表接合類型 受體菌變化 染色體基因重組F因子轉(zhuǎn)移 F+×F－

F－→F+ 10－4～10－5 100％ Hfr×F－

F－→F－

10－1～10－2

極少 F′×F－

F－→F’ 10－1 100％

第六十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日第三節(jié)真菌的基因重組方式：

1．有性生殖

2.準性生殖

第六十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日1．異核現(xiàn)象

heterocaryon異核體：

真菌菌絲內(nèi)含有2個以上不同基因型的細胞核。異核現(xiàn)象是普遍存在的。異核體的形成方式：菌絲內(nèi)一個核發(fā)生突變，形成不同質(zhì)的核；不同菌絲的融合。異核體的意義：不同質(zhì)的核彼此互補，有利生存。第六十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日

2．準性生殖

是真菌通過體細胞進行有絲分裂時發(fā)生的基因重組過程。第六十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日

準性生殖的過程1）異核體

2）二倍體化異核體中的兩個核一般不融合，只以10－6概率發(fā)生融合，形成雜合二倍體。這種二倍體形成后，相當穩(wěn)定，可以進行有絲分裂。

3）有絲分裂交換（體細胞交換）單元化

第七十頁，共七十九頁，2022年，8月28日3-1）有絲分裂交換

雜合的二倍體核在進行有絲分裂時，以很低的頻率發(fā)生同源染色體交換，產(chǎn)生各種重組子。第七十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日

AbCdAbCdaBcDaBcDAbCd13241423AbCdaBCd1234aBCd

AbcDAbcDaBcDaBcD第七十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日

3-2）單元化

經(jīng)過有絲分裂后,由于少部分染色體著絲粒不分離可形成2n+1或2n-1的非整倍體核，2n+1可能失去一條染色體再次成2n。2n-1不穩(wěn)定，將會逐