第七講微生物的遺傳與變異

1、第八章 微生物的遺傳與變異,（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(chǎn)物或終產(chǎn)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；（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；,

2、微生物是遺傳學研究的最好材料和對象,微生物是研究現(xiàn)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。對微生物遺傳規(guī)律的深入研究，不僅促進了現(xiàn)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(chǔ)，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,遺傳與變異的概念,遺傳和變異是生物體的最本質(zhì)的屬性之一。遺傳(heredity)：親代生物的性狀在子代

3、得到表現(xiàn)；親代生物傳遞給子代一套實現(xiàn)與其相同形狀的遺傳信息。特點：具穩(wěn)定性。遺傳型（genotype）：又稱基因型，指某一生物個體所含有的全部基因的總和；------是一種內(nèi)在可能性或潛力。 遺傳型 + 環(huán)境條件 表型表型（phenotype）：指生物體所具有的一切外表特征和內(nèi)在特性的總和;------是一種現(xiàn)實存在，是具一定遺傳型的生物在一定

4、條件下所表現(xiàn)出的具體性狀。,變異(variation):生物體在外因或內(nèi)因的作用下，遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或數(shù)量發(fā)生改變。變異的特點：a.在群體中以極低的幾率出現(xiàn)，（一般為10-6～10-10）；b.形狀變化的幅度大； c. 變化后形成的新性狀是穩(wěn)定的，可遺傳的。飾變（modification）：指不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上的表型變化。特點是：a.幾乎整個群體中的每一個個體都發(fā)生同樣的變化；b.性狀變化的幅度小；c.因遺

5、傳物質(zhì)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。,例如：粘質(zhì)沙雷氏菌：在25℃下培養(yǎng)，產(chǎn)生深紅色的靈桿菌素；在37℃下培養(yǎng)，不產(chǎn)生色素；如果重新將溫度降到25℃，又恢復產(chǎn)色素的能力。,遺傳與變異的概念,表型飾變：,表型的差異只與環(huán)境有關(guān)特點：暫時性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個體的行為,Production of a red pigment (prodigiosin) by Serratia marcescens.

6、60; From left to right: slant culture grown at 25°C, slant culture grown at 37°C, broth culture grown at 25°C, broth culture grown at 37°C.,遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)-核酸微生物的遺傳物質(zhì)微生物遺傳物質(zhì)的復制基因突變與誘變育種基因重組與雜交菌種的衰退與保藏,

7、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ),種質(zhì)連續(xù)理論：1883~1889年間Weissmann提出。認為遺傳物質(zhì)是一種具有特定分子結(jié)構(gòu)的化合物?；?qū)W說：1933年摩爾根（Thomas Hunt Morgan）發(fā)現(xiàn)了染色體，并證明基因在染色體上呈直線排列，提出了基因?qū)W說，使得遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的范圍縮小到染色體上。但染色體是由核酸和蛋白質(zhì)兩種長鏈高分子組成。20多種氨基酸經(jīng)過不同排列組合，可以演變出的蛋白質(zhì)數(shù)目幾乎可以達到一個天文數(shù)字，而核酸的組成卻簡單得多

8、，一般僅由4種不同的核苷酸組成，它們通過排列核組合只能產(chǎn)生較少種類的核酸，因此當時認為決定生物遺傳型的染色體和基因，起活性成分是蛋白質(zhì)。DNA是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)的證明：1944年以后，先后有利用微生物為實驗對象進行的三個著名實驗的論證（肺炎球菌的轉(zhuǎn)化試驗、噬菌體感染試驗、病毒的拆開與重建試驗），才使人們普遍接受核酸才是真正的遺傳物質(zhì)。,轉(zhuǎn)化實驗噬菌體的感染實驗植物病毒重建實驗朊病毒的發(fā)現(xiàn)與思考,,1928年，Griffi

9、th進行了以下幾組實驗：（1）動物實驗對小鼠注射活RII菌或死SIII菌 ————小鼠存活對小鼠注射活SIII菌————————小鼠死亡對小鼠注射活RII菌和熱死SIII菌 ———小鼠死亡抽取心血分離活的SIII菌,（一）經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗（transformation）：F.Griffith，研究對象：Streptococcus pneumoniae（肺炎雙球菌）SIII型菌株：有莢膜，菌落表面光滑，有致病性

10、RII型菌株：無莢膜，菌落表面粗糙，無致病性,,Griffith轉(zhuǎn)化試驗示意,混合培養(yǎng),RII型活菌,SIII型活菌,SIII型熱死菌,RII型活菌,SIII型活菌,健康,健康,健康,健康,健康,健康,健康,病死,病死,病死,（2）細菌培養(yǎng)實驗,（3）S型菌的無細胞抽提液試驗,以上實驗說明：加熱殺死的SIII型細菌細胞內(nèi)可能存在一種轉(zhuǎn)化物質(zhì)，它能通過某種方式進入RII型細胞并使RII型細胞獲得穩(wěn)定的遺傳性狀，轉(zhuǎn)變?yōu)镾III型細胞。,

11、熱死SIII菌—————不生長活 RII 菌—————長出RII菌熱死SIII菌—————長出大量RII菌和10-6SIII菌,活R菌+S菌無細胞抽提液——長出大量R菌和少量S菌,+活RII菌,平皿培養(yǎng),①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白質(zhì)⑥加S菌的莢膜多糖,活R菌,長出S菌,只有R菌,1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCa

12、rty從熱死S型S. pneumoniae中提純了可能作為轉(zhuǎn)化因子的各種成分，并在離體條件下進行了轉(zhuǎn)化試驗：,只有S型細菌的DNA才能將S. pneumoniae的R型轉(zhuǎn)化為S型。且DNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高。說明S型菌株轉(zhuǎn)移給R型菌株的，是遺傳因子。,,美國微生物學家赫爾希（A·D·Hershey，1908～）,,植物病毒的重建實驗,為了證明核酸是遺傳物質(zhì)，H. Fraenkel-Conrat（1956）用含R

13、NA的煙草花葉病毒（TMV）進行了著名的植物病毒重建實驗。將TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質(zhì)外殼與RNA核心相分離。分離后的RNA在沒有蛋白質(zhì)包裹的情況下，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。,選用TMV和霍氏車前花葉病毒（HRV），分別拆分取得各自的RNA和蛋白質(zhì)，將兩種RNA分別與對方的蛋白質(zhì)外殼重建形成兩種雜合病毒：,（1）RNA（TMV）­ 蛋白質(zhì)（HRV）（2）RNA

14、（HRV）­ 蛋白質(zhì)（TMV）用兩種雜合病毒感染寄主：（1）表現(xiàn)TMV的典型癥狀病分離到正常TMV粒子（2）表現(xiàn)HRV的典型癥狀病分離到正常HRV粒子。上述結(jié)果說明，在RNA病毒中，遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)也是核酸。,MTV HRV,HRV MTV,,朊病毒的發(fā)現(xiàn)和思考,朊病毒含有微量的核酸，仍未發(fā)現(xiàn)？朊病毒僅由蛋白質(zhì)構(gòu)成朊病毒的遺傳物質(zhì)為蛋白質(zhì)？,人的庫魯病(kuru)、克雅氏病(Creutzfeldt Jak

15、ob disease, CJD)等,羊搔癢癥(scrapie),牛海綿狀腦病(spongiform encephalopathy),其致病作用是由于動物體內(nèi)正常的蛋白質(zhì)PrP c改變折疊狀態(tài)為PrP sc所致，而這二種蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)并沒有改變。,Prusiner (1982)提出羊搔癢病因子是一種蛋白質(zhì)侵染顆粒（proteinaceous infectious particle），并將之稱做Prion或Virino。

16、 -------朊病毒,1997年，Stanley B. Prusiner榮獲諾貝爾獎,1）蛋白質(zhì)是否可以作為遺傳物質(zhì)？ prion是生命的一個特例？還是僅僅為表達調(diào)控的一種形式？,2）蛋白質(zhì)折疊與功能的關(guān)系，是否存在折疊密碼？,DNA→RNA→肽鏈→蛋白質(zhì),,原核生物的遺傳物質(zhì)真核生物的遺傳物質(zhì)病毒的遺傳物質(zhì),,染色體/類核/

17、擬核/核質(zhì)—裸露的共價、閉合、環(huán)狀的ds-DNA。質(zhì)粒轉(zhuǎn)座因子,,原核生物的質(zhì)粒,定義：是一類小型共價閉合環(huán)狀核外DNA，能獨立于細胞核進行自主復制?？梢酝ㄟ^交換摻入細胞核成為附加體；可以從寄主細胞中消除。 近年來也發(fā)現(xiàn)了線性雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒大?。?~100×106Da，含有數(shù)個到數(shù)十個甚至上百個基因。性質(zhì)：質(zhì)粒是一種復制子，分為嚴緊型和松弛型，嚴緊型質(zhì)粒的復制受細胞核控制，一般一個寄主細胞內(nèi)

18、有2~3個；松弛型質(zhì)粒的復制不受細胞核控制，在細胞內(nèi)的數(shù)量可以達到10-15個。功能：進行細胞間接合并帶有一些基因，如產(chǎn)生毒素、抗藥性、降解功能等。重組：在質(zhì)粒之間、質(zhì)粒與染色體之間菌可發(fā)生。,原核生物的質(zhì)粒,存在范圍：很多細菌如E.coli、Shigella、S.aureus、Streptococcus lactis Agrobacterium tumefaciens et al。制備：包括增殖、裂解細胞、分離質(zhì)粒與染色體和蛋白

19、質(zhì)等成分、去除RNA和蛋白質(zhì)等步驟。鑒定：電鏡觀察、電泳、密度梯度離心、限制性酶切圖譜等方法。,質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)特點通常以共價閉合環(huán)狀(covalently closed circle，簡稱CCC)的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細胞中；也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒；質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb； （ 細菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）,質(zhì)粒的類型,嚴謹型質(zhì)粒(stringent plasmid)：復制行為與

20、核染色體的復制同步，低拷貝數(shù)松弛型質(zhì)粒(relaxed plasmid)：復制行為與核染色體的復制不同步，高拷貝數(shù),窄宿主范圍質(zhì)粒(narrow host range plasmid)（只能在一種特定的宿主細胞中復制）,廣宿主范圍質(zhì)粒(broad host range plasmid)（可以在許多種細菌中復制）,,,質(zhì)粒的基本特性：,1、質(zhì)粒一般是閉合、環(huán)狀、雙鏈DNA（ccc dsDNA）分子；2、能自主復制；3、相容性

21、或不相容性（incompatility）;4、質(zhì)粒所攜帶的基因不是細胞生長所必需的，常賦予宿主細胞某些特性；5、質(zhì)粒能從宿主細胞自發(fā)消除；6、質(zhì)?？梢詮囊粋€細菌轉(zhuǎn)移給另一個細菌。,質(zhì)粒在基因工程中的應用質(zhì)粒的優(yōu)點：（1）體積小，易分離和操作（2）環(huán)狀，穩(wěn)定（3）獨立復制（4）拷貝數(shù)多（5）存在標記位點，易篩選E. coli的pBR322質(zhì)粒是一個常用的克隆載體,質(zhì)粒的檢測：,提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；,超速離

22、心或瓊脂糖凝膠電泳后觀察；,對于實驗室常用菌，可用質(zhì)粒所帶的某些特點， 如抗藥性初步判斷。,質(zhì)粒的主要種類,質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應,,致育因子（Fertility factor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistance factor，R因子）產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）毒性質(zhì)粒（

23、virulence plasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolic plasmid）隱秘質(zhì)粒（cryptic plasmid）,,幾種代表性質(zhì)粒：,1.F-因子（fertility factor）致育因子/性因子，62×106Dalton，94.5kb，相當于核染色體DNA2%的環(huán)狀雙鏈DNA，足以編碼94個中等大小多肽，其中1/3基因（tra區(qū)）與接合作用有關(guān)。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

24、細菌中，決定性別。,,2.R（抗生素抗性和重金屬抗性）因子（resistence factor）最初發(fā)現(xiàn)于痢疾志賀氏菌（Shigella dysenteriae），后來發(fā)現(xiàn)還存在于Salmonella、Vibrio、Bacillus、Pseudomonas和Staphylococcus中。R因子由相連的兩個DNA片段組成，即抗性轉(zhuǎn)移因子（resistence transfor factor， RTF ）和抗性決定因子（r-deter

25、minant），RTF控制質(zhì)粒copy數(shù)及復制，抗性決定因子帶有抗生素或重金屬的抗性基因。R-因子在細胞內(nèi)的copy數(shù)可從1~2個到幾十個，分為嚴緊型和松弛型兩種，經(jīng)氯霉素處理后，松弛型質(zhì)粒可達2000~3000個/細胞。,,3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）,細菌素結(jié)構(gòu)基因、 涉及細菌素運輸及發(fā)揮作用（processing）的蛋白質(zhì)的基因、 賦予

26、宿主對該細菌素具有“免疫力”的相關(guān)產(chǎn)物的基因,一般都位于質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，因此，細菌素可以殺死同種但不攜帶該質(zhì)粒的菌株。,,,3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）,細菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進行命名：,大腸桿菌（E. coli）產(chǎn)生的細菌素為colicins（大腸桿菌素），而質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。,由G+細菌產(chǎn)生的細菌素或與細菌素類似的因子與colicins有所不同，但通常也是由質(zhì)粒基因

27、編碼，有些甚至有商業(yè)價值，例如一種乳酸細菌產(chǎn)生的細菌素NisinA能強烈抑制某些G+細菌的生長，而被用于食品工業(yè)的保藏。,3.Col因子（colicinogenic factor）產(chǎn)大腸桿菌素因子。大腸桿菌素是一種由E.coli的某些菌株所分泌的細菌蛋白，具有通過抑制復制、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯或能量代謝等而專一地殺死不含Col因子的近緣的其它腸道細菌。凡帶Col因子的菌株，由于質(zhì)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

28、害。有些G+細菌也產(chǎn)生細菌素，如用于食品保藏的NisinColE1研究得很多，并被廣泛地用于重組DNA 的研究和用于體外復制系統(tǒng)上。,,4.毒性質(zhì)粒（virulence plasmid） 與致病菌的致病性有關(guān)。許多致病性是由所攜帶的質(zhì)粒引起的。如產(chǎn)毒素大腸桿菌中腸毒素編碼的質(zhì)粒；蘇云金芽胞桿菌編碼δ內(nèi)毒素的質(zhì)粒等。,,5.降解性（代謝）質(zhì)粒如假單胞菌屬中發(fā)現(xiàn)。它們的降解性質(zhì)?？蔀橐幌盗心芙到鈴碗s物質(zhì)的酶編

29、碼，從而能利用一般細菌所難以分解的物質(zhì)做碳源。這些質(zhì)粒以其所分解的底物命名，例如有分解CAM（樟腦）質(zhì)粒，XYL（二甲苯）質(zhì)粒，SAL（水楊酸）質(zhì)粒，MDL（扁桃酸）質(zhì)粒，，NAP（奈）質(zhì)粒和TOL（甲苯）質(zhì)粒等。,,6.隱秘質(zhì)粒不顯示任何表型效應，只能通過物理的方法檢測的質(zhì)粒。如酵母菌的2um質(zhì)粒。,,40年代B. McClintock對玉米的遺傳研究而發(fā)現(xiàn)染色體易位，打破了基因是固定在染色體DNA上的一些不可移動的核苷酸片段的說法

30、。有些DNA片段不但可在染色體上移動，而且還可從一個染色體跳到另一個染色體，從一個質(zhì)粒跳到另一個質(zhì)?；蛉旧w，甚至還可從一個細胞轉(zhuǎn)移到另一個細胞。在這些DNA順序的跳躍過程中，往往導致DNA鏈的斷裂或重接，從而產(chǎn)生重組交換或使某些基因啟動或關(guān)閉，結(jié)果導致突變的發(fā)生。這似乎就是自然界所固有的“基因工程”。目前已把在染色體組中或染色體組間能改變自身位置的一段DNA順序稱為轉(zhuǎn)座因子（transposible element），也稱作跳躍基因（

31、jumping gene）或可移動基因（movable gene）。,轉(zhuǎn)座因子,,插入（IS）序列轉(zhuǎn)座子(Tn)特殊病毒（Mu噬菌體）,,定義：可在DNA鏈上改變自身位置的一段DNA序列。,原核生物中的轉(zhuǎn)座子類型,,插入序列（IS，insertion sequence),分子量最小（僅0.7~1.4kb），只有引起轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座酶基因而不含其它基因，具有反向末端重復序列。已在染色體、F因子等質(zhì)粒上發(fā)現(xiàn)IS序列。E . coli的F因子和

32、核染色體組上有一些相同的IS，通過這些同源序列間的重組，就可使 F因子插入到E . coli的核染色體組上，形成Hfr菌株。因IS在染色體組上插入的位置和方向的不同，其引起的突變效應也不同。IS被切離時引起的突變可以回復，如果因切離部位有誤而帶走IS以外的一部分DNA序列，就會在插入部位造成缺失，從而發(fā)生新的突變。,,轉(zhuǎn)座子（Tn，transposon),轉(zhuǎn)座子又稱轉(zhuǎn)位子或易位子分子量居中（一般為2~25kb）。除了與轉(zhuǎn)座作用有關(guān)的基因

33、外，還含有抗性基因（對抗生素、某些毒物）、乳糖發(fā)酵基因等幾個至十幾個基因。從結(jié)構(gòu)來看， Tn 有兩種類型，即末端為反向或順向重復的IS，或末端為反向重復的序列。Tn雖能插到受體DNA分子的許多位點上，但并不完全是隨機的，某些區(qū)域更易插入。,,Mu噬菌體（即 mutator phage）,Mu噬菌體即 誘變噬菌體是E . coli的一種溫和噬菌體。含有噬菌體生長繁殖和轉(zhuǎn)座所必需的基因，其分子量最大（39kb），含有20多個基因，但并沒有固

34、定的整合位置。Mu噬菌體引起的轉(zhuǎn)座可以引起插入突變，其中約有2%是營養(yǎng)缺陷型突變。,轉(zhuǎn)座的遺傳效應,插入突變；插入位置上出現(xiàn)新的基因，如抗藥性基因等；促進發(fā)生染色體畸變，包括缺失和倒位等；基因的移動和重排；轉(zhuǎn)座子可以從插入位置上消失；這一過程稱為切離，精確切離可導致回復突變。,,DNA → 核小體 → 螺旋管 → 超螺旋體 → 染色體 化學組成（1）核蛋白體 亞單位—

35、核小體（nucleosome） 核心顆?！诵腄NA（約200bp），組蛋白8聚體（H2A，H2B，H3和H4各二分子） 連接DNA H1（組蛋白）—在核心顆粒上，將DNA進出顆粒處連接起來。（2）組蛋白—含較多的堿性AA（Arg，Lys）為堿性蛋白（3）染色質(zhì)—纖維狀結(jié)構(gòu)，也叫染色絲，由最基本的單位（核小體）成串排列而成，真核細胞的染色體在細胞生活周期中，大部分時間是以染色質(zhì)的形式存在。,,原核微生物（細菌，放線菌）一個染

36、色體，一個復制起始點ori和終點，“θ”復制。 真核微生物    多條染色體，多個復制起始點，同時復制。 virus/phage（1）“θ”復制（2）“滾環(huán)復制”（“σ”復制）,,,突變（mutatuion） DNA或RNA中核苷酸序列發(fā)生了穩(wěn)定可遺傳的變化，微生物性狀發(fā)生遺傳性的變異?；蛲蛔?DNA鏈上一對或少數(shù)幾對堿基發(fā)生改變?nèi)旧w畸變 DNA的大片段變

37、化（插入，缺失，重復，易位等）自發(fā)突變和誘變,,基因突變（gene mutation）簡稱突變，是變異的一種，指生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)或數(shù)量突然發(fā)生的可遺傳的變化。突變率常在10-8~10-9范圍內(nèi)。,,基因突變的類型* 突變體和突變的表示方法基因突變的特點基因突變的分子機制,,形態(tài)突變致死突變營養(yǎng)缺陷型抗性突變型抗原突變型,,,總結(jié),形態(tài)突變型（morphological mutant）,造成形態(tài)改變的突

38、變型,特點：,非選擇性突變突變株和野生型菌株均可生長，但可從形態(tài)特征上進行區(qū)分。,舉例：,產(chǎn)蛋白酶缺陷突變株的篩選,菌落顏色變化,形成芽孢缺陷菌株,細胞水平上的形態(tài)突變，突變株的檢出更加困難。,細胞形態(tài)鞭毛，芽孢，莢膜有無菌落形態(tài)大小，光滑和粗糙，顏色等，孢子顏色。,,條件致死突變型（conditional lethal mutant）,在某一條件下具有致死效應，而在另一條件下沒有致死效應的突變型。,常用的條件致死突變是

39、溫度敏感突變，用ts（temperature sensitive）表示，這類突變在高溫下（如42℃）是致死的，但可以在低溫（如25-30℃）下得到這種突變。,特點：,負選擇標記,這類突變型常被用來分離生長繁殖必需的突變基因,,營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）,一種缺乏合成其生存所必須的營養(yǎng)物（包括氨基酸、維生素、堿基等）的突變型，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（precursor）才能生長。,營養(yǎng)缺陷型是微生物遺

40、傳學研究中重要的選擇標記和育種的重要手段,表型判斷的標準：,在基本培養(yǎng)基上能否生長,特點：,在選擇培養(yǎng)基（一般為基本培養(yǎng)基）上不生長,,負選擇標記,突變株不能通過選擇平板直接獲得,1）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）,影印平板（Replica plating）法是Lederberg夫婦在1952年建立,營養(yǎng)缺陷型的表示方法：,基因型：,所需營養(yǎng)物的前三個英文小寫斜體字母表示：hisC（組氨酸缺陷型，其中的大寫字母C同一表型中不同基因的

41、突變）,表型：,同上，但第一個字母大寫，且不用斜體：HisC,在具體使用時多用hisC-和hisC+，分別表示缺陷型和野生型。,,抗藥性突變型（resistant mutant）,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。,特點：,正選擇標記（突變株可直接從抗性平板上獲得-----在加有相應抗生素的平板上，只有抗性突變能生長。所以很容易分離得到。）,表示方法：,所抗藥物的前三個小寫斜體英文字母加上“r”表示strr

42、 和 strs 分別表示對鏈霉素的抗性和敏感性,采用梯度平板法篩選,,（1）抗原成分（鞭毛，莢膜等）的變異 eg.L型細菌，cell wall缺陷導致抗原性改變。（2）毒力—代謝途徑（產(chǎn)物種類），產(chǎn)物產(chǎn)量等。,,突變類型(根據(jù)表型)突變株的表型成因 檢出方法營養(yǎng)缺陷型 因突變而喪失合成一 補充培養(yǎng)基（auxotroph） 種或幾種生長因子的

43、 能力不能在基本培養(yǎng) 基上生長突變株抗性突變型 因突變而產(chǎn)生了對某 藥物培養(yǎng)基（resistant mutant） 種化學藥物或致死 物理因子的抗性條件致死突變型 突變后在某種條件下 培養(yǎng)條件改變（conditio

44、nal 可正常生長、繁殖并lethal mutant） 實現(xiàn)其表型，而在另 一條件下卻無法生長 繁殖的突變型,,,,,,,,,突變株的表型成因 檢出方法形態(tài)突變型 因突變而產(chǎn)生的個體 形態(tài)Morpholog

45、ycal 或菌落形態(tài)的非選擇 （常用顏色變化） mutant 性變異抗原突變型 因突變而引起的抗原 借助于抗原antigenic 結(jié)構(gòu)發(fā)生改變 抗體反應 mutant產(chǎn)量突變型 因突變而獲得的在有 測定產(chǎn)量或 high

46、 producing 用代謝物產(chǎn)量上高于 其它mutant 原始菌株的突變株其它突變型：毒力、糖發(fā)酵能力、代謝產(chǎn)物等,,,,,,,,,,,,,自發(fā)性和不對應性稀少性誘發(fā)性獨立性穩(wěn)定可遺傳性可逆性（回復突變）——Ames test,,,1、不對應性,即突變的性狀與引起突變的原因間無直接的對應關(guān)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；

47、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，會認為正是由于青霉素、紫外線或高溫的"誘變"，才產(chǎn)生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、紫外線或高僅是起著淘汰原有非突變型(敏感型)個體的作用。,2、自發(fā)性,各種性狀的突變，可以在沒有人為的誘變因素處理下自發(fā)地發(fā)生。 "自發(fā)突變"決不意味著這

48、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。,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10-6~10-9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1×10-8者，就意味著當10 8個細胞群體分裂成2×10 8個細胞時，平均會形成一個突變體。,4、獨立性,突變的發(fā)生一般是獨立的，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

49、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。,5、誘變性,通過誘變劑的作用，可提高自發(fā)突變的頻率，一般可提高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。,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)生的新性狀也是穩(wěn)定的、可遺傳的。,7、可逆性,由原始的野生型基因變異為突變

50、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。,,,,物理誘變化學誘變突變與育種,,誘變因素（紫外線、X射線、γ射線等）誘變機制（以紫外線為例）輻射劑量＝輻射強度 x 時間影響輻射的因素光復活作用氧分壓藥物,,化學誘變劑（堿基類似物、烷化劑、亞硝酸等）化學誘變機制直接置換（以亞硝酸為例）間接置換（以5－溴尿嘧啶為例）移碼突變?nèi)旧w畸變使用

51、化學誘變劑應注意的事項誘變劑的種類、劑量、pH和溫度、終止反應等,,,,自發(fā)突變與育種,從生產(chǎn)中選育 eg：從污染噬菌體的發(fā)酵液中有可能分離到抗噬菌體的菌株定向培育優(yōu)良菌種 eg：用農(nóng)藥長期處理土壤，有可能從污染了的土壤中分離到農(nóng)藥降解菌 特點：自發(fā)突變頻率很低，培育新種的過程十分緩慢,誘變育種,原始菌種,純化,斜面/肉湯培養(yǎng),單孢子/單細胞懸液,誘變劑處理,平板分離,移至斜面,小試,中試,初篩,復篩,,,

52、,,,,,,,,計算存活率,觀察形態(tài)變異，挑單菌落,良種保藏,原菌種特性鑒定,,出發(fā)菌株的選擇單孢子懸液的制備確定合適的 劑量注意復合處理及其協(xié)同效應尋找和利用形態(tài)、生理和產(chǎn)量變異間的相關(guān)性，找出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的菌株,第三節(jié) 基因重組與雜交,基因重組 兩個不同個體內(nèi)的遺傳基因轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過遺傳分子間的重新組合，形成新遺傳型個體的方法， 稱為基因重組（gene recombinant）。 原核M的基因重組轉(zhuǎn)化（tra

53、nsformation）轉(zhuǎn)導（transduction）接合（conjugation）轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導、接合的比較真核M的基因重組基因工程與原生質(zhì)體融合,,受體菌接受供體菌裸露的DNA片段，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化的條件轉(zhuǎn)化的類型轉(zhuǎn)化的過程特殊的轉(zhuǎn)化—轉(zhuǎn)染,,（1）供體DNA片段的大小 MW為106~108，同源性（一般30%以上即認為同源性較高，如酶基因，啟動子等）。（2）受體菌的生理狀態(tài) 感受態(tài)—

54、受體菌能吸收裸露DNA片段的暫時性生理狀態(tài)與菌的特異性，生長期及培養(yǎng)條件有關(guān)； Ca2+、Mg2+； 感受態(tài)因子（蛋白質(zhì)），如鏈球菌，芽孢桿菌。,,自然轉(zhuǎn)化；人工誘導（CaCl2）；原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化(PEG)；電擊,,,Binding of free DNA by a membrane-bound DNA binding protein. (b) Passage of one of the two strands in

55、to the cell while nuclease activity degrades the other strand. (c) The single strand in the cell is bound by specific proteins, and recombination with homologous regions of the bacterial chromosome mediated by RecA pro

56、tein occurs.,The introduction of DNA into cells by mixing the DNA and the cell,Transformed cell,,提取噬菌體或病毒的DNA/RNA感染已具感受態(tài)的受體菌,產(chǎn)生正常的噬菌體或病毒后代同源性 兩種核酸分子的核苷酸序列之間的相同程度。同源染色體 減數(shù)分裂中配對的染色體，各自來自父本，母本，其大小，形狀，著絲點相同，包含有相同的基因

57、序列。,,以噬菌體為媒介，將供體菌的DNA片段攜帶到受體細胞，通過交換與整合，從而使受體菌獲得供體菌的部分遺傳性狀。,普遍轉(zhuǎn)導流產(chǎn)轉(zhuǎn)導局限轉(zhuǎn)導溶源轉(zhuǎn)變,,定義 完全缺陷噬菌體將DNA小片段從供體菌轉(zhuǎn)移到受體菌.媒介—烈性或溫和噬菌體過程 供體菌遺傳物質(zhì) →（媒介）→ 受體菌 → 轉(zhuǎn)化子,,由phage帶入的供體菌基因不交換，整合，復制，也不迅速消失；只進行轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)譯和性狀表達

58、 （eg.產(chǎn)酶等）,,定義—通過噬菌體把供體菌的少數(shù)特定基因攜帶到受體菌并表達媒介—部分缺失噬菌體（溫和）過程 供體菌基因 →（部分缺失噬菌體）→ 受體菌 舉例： E.coli 的λ噬菌體，在其插入位點兩側(cè)為gal和bio基因，不正常切割時可包裝入噬菌體外殼，形成缺陷噬菌體，再感染時形成局限性轉(zhuǎn)導。,,噬菌體自身的基因起作用，非供體菌基因所為；噬菌體是完整的，非缺陷的； 非轉(zhuǎn)導

59、子，獲得的性狀可隨噬菌體消失而消失。肉毒梭菌 →（溫和噬菌體）→ 溶源菌（產(chǎn)C型或D型肉毒毒素）白喉桿菌 →（β-溫和噬菌體感染）→ 溶源菌（產(chǎn)白喉毒素）,,通過供體菌與收體菌細胞之間的直接接觸，遺傳物質(zhì)自供體菌轉(zhuǎn)移入受體菌（原核微生物遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移方式，較廣泛）。,F因子（F質(zhì)粒/致育因子）R 因子（抗藥質(zhì)粒）,,特征E.coli的三種不同的F+菌株接合過程,,性狀—凡F+菌株，有1~4根性菌毛；特點—F因子可游離與

60、細胞內(nèi)，也可插入或整合到染色體上；功能區(qū)自主復制和不相容性轉(zhuǎn)移基因（tra）群區(qū)重組區(qū),,F+菌株Hfr菌株（Hfr, high frequency Recombination）F/菌株 帶有細菌DNA片段的F因子游離（ F/菌株）,,,接合型抗藥轉(zhuǎn)移因子（RTF）抗藥決定子（r-det）非接合型（只有r-det）,,,有性雜交準性生殖菌絲聯(lián)結(jié)異核體的形成形成雙倍體分離子的產(chǎn)生,,菌種的衰退菌