化生微生物第8章微生物的遗传上传演示课件

1、,微生物学Microbiology,三峡大学 化学与生命科学学院 The College of Chemistry and Life Science Three Gorges University,第8章 Chapter 8,微生物的遗传 Microbial Genetics,遗传和变异是生命的最本质特性之一。所谓遗传（heredity），就是发生在亲子之间即上下代间的关系，指上代生物如何将自身的一整套遗传物质稳定地传递给下一代的行为或功能，具有及其稳定的特性。,遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。,表型（phenotype）：指某

2、一生物体所具有的一切外表特征和内在特征的总和，是遗传型在特定环境条件下通过代谢和发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。,变异（variation）：指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。特点是在群体中以极低的几率出现，性状变化幅度大，新性状稳定、可遗传。,饰变（modification）：是指外表的修饰性改变，是一种不涉及遗传物质的结构而只发生在转录、翻译水平的表型变化。特点是群体中几乎每个个体都发生同样变化，性状变化幅度小，新性状不可遗传。,Chapter8 -1- 遗传的物质基础,生物的遗传变异的物质基础是什么？这是生命科学中的一个重大的基础理论问题，在研究这

3、个问题的过程中有一系列的实验和假说，最后，利用微生物所做的3个著名实验真正证明核酸是遗传物质。,一、3个经典实验 （Three traditional tests）,人物：F.Griffith， O.T.Avery； 时间：1928，1944； 材料：肺炎链球菌（S型菌株、R型菌株）；,1、转化（transformation）,2、噬菌体感染实验,人物： A.D.Hershey、M.Chase ； 时间：1952； 材料： 大肠杆菌，大肠杆菌噬菌体；,3、植物病毒的重建实验,人物： H.Fraenkel-Conrat； 时间：1956； 材料： 烟草花叶病毒，霍氏车前花叶病毒；,二、遗传物质的

4、存在方式,大部分遗传物质集中在细胞核或核区中，还可能具有在细胞器、共生生物和质粒上的遗传物质。 核DNA往往和一定的蛋白质结合形成一定形态，形成染色体。不同生物染色体的数目不同，营养体染色体的套数也有不同。,核酸（DNA或RNA）存在的形式有单链、双链、环状、线状等；不同生物的基因组的大小差别很大。 基因是有遗传功能的核酸片断，大约11.5kb。 密码子是一个信息单位，由3个核苷酸组成，表示一个氨基酸或其他翻译信息。 核苷酸是组成核酸的基础单元，是最小的突变单位。,质粒：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。,三、质粒（plasmid）,质粒通常以共价

5、闭合环状（covalently closed circle，简称CCC）的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；（细菌质粒多在10kb以内）。,又称F质粒、性因子，大小约100kb，为cccDNA，含有与质粒复制和转移有关的许多基因，与大肠杆菌的接合作用有关。能以游离状态和以与染色体相结合的状态存在于细胞中。,A、致育因子（fertility factor，F因子）,B、抗性因子（resistance factor，R因子）,也称R质粒，包括抗药性和抗重金属两大类。 抗性质粒可以用做遗传标记，但其在细菌间的传递是

6、细菌产生抗药性的重要原因之一。,R100质粒（89kb）可使宿主具有的抗性： 汞（mercuric ion ，mer） 四环素（tetracycline，tet ） 链霉素(Streptomycin, Str)、 磺胺(Sulfonamide, Su)、 氯霉素(Chlorampenicol, Cm) 夫西地酸（fusidic acid，fus）,许多细菌能产生抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的代谢物，称为细菌素。 细菌素一般根据产生菌的种类进行命名，如大肠杆菌（E. coli）产生的细菌素为大肠杆菌素（colicins ），而质粒被称为Col质粒。,C、产细菌素的质粒 （bacterio

7、cin production plasmid）,D、毒性质粒（virulence plasmid）,许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。,含编码肠毒素质粒的产毒素大肠杆菌引起人类和动物腹泻； 苏云金杆菌含有编码内毒素的质粒，能杀死昆虫； 根癌土壤杆菌所含Ti质粒引起双子叶植物冠瘿瘤。,E、代谢质粒（metabolic plasmid）,质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。,降解质粒能将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，在环境保护方面具

8、有重要的意义。 比如假单胞菌具有降解一些有毒化合物，如芳香族化合物、辛烷和樟脑等的能力。,F、隐秘质粒（cryptic plasmid）,隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现，它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。,在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体,Chapter8 - 2 - 基因突变（Gene Mutation）,基因突变是变异的一种，泛指细胞内部遗传物质的分子结构或数量发生的的任何可遗传性的改变。 自发突变的几率很低，可以通过诱变提高突变率，并采用一定的筛选方法，挑出符合目的的突变株用于研究和生产。,自发突

9、变（spontaneous mutation）： 生物体在无人工干预的条件下，由于环境因素或自身代谢物的影响、DNA复制过程的偶然错误等而导致低频率突变。,诱发突变（induced mutation）： 通过人为的方法，利用某些物理、化学或生物因素处理均匀而分散的微生物群体，突变以较高的频率产生。,一、突变类型 （Types of mutation）,1、按突变发生的原因（based on reason）,2、按碱基成分改变的情况 （based on bases changing）,（1）营养缺陷型（auxotroph）,某一野生型菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子的的能力，无法在

10、基本培养基上正常生长繁殖的突变型。它们可在加有相应营养物的基本培养基上选出。,3、按突变体表型特征的不同 （based on characteristic of phenotype）,营养缺陷型基因的表示方法：用所需营养物的前3个英文小写斜体字母表示；如：his-表示组氨酸缺陷型；,（2）抗药性突变型（resistant mutant）,指野生型菌株因发生基因突变而产生对某种或某几种药物或致死物理因子的抗性的突变类型。它们可在加有相应药物或用相应物理因子处理的培养基上选出。,抗性突变基因型的表示方法：用所抗药的前3个英文小写斜体字母加上“R”表示； 如：str R 表示对链霉素的抗性； str

11、 S 表示对链霉素的敏感性。,（3）条件致死突变型（conditional lethal mutant）,某菌株经基因突变后， 在某条件下可正常生长繁殖并呈现固有的表型，在另一种条件下却无法生长繁殖的突变类型。如温度敏感突变株。,（4）形态突变型（morphological mutant）,指突变引起个体或菌落的变异的类型， 如细胞鞭毛的有无；菌落颜色变化、表面形态变化等。,自发性：突变可自发产生； 非对应性：突变性状与引起突变的原因无直接 对应关系； 稀有性：自发突变的几率在10-610-9； 独立性：某基因的突变率不受它种基因突变率 的影响； 可诱变性：可用诱变剂提高突变率（104105）

12、 ； 稳定性：基因突变后的遗传性状稳定； 可逆性：某性状可发生回复突变。,二、基因突变的特点,证明基因突变的自发性和非对应性的实验举例 变量实验（fluctuation test） （1943）,即碱基能以互变异构体的不同形式存在，形成不同的碱基配对。,A T,A C,A T,G C,A T,三、突变的机制 （Mechanism of gene mutation）,1、互变异构效应,自发突变的频率很低，一般为10-610-9，许多化学、物理和生物因子能够显著提高突变频率，称为诱变剂。 根据引起的不同突变结果，分为：碱基类似物、插入染料、直接与碱基起反应的化学物质和辐射与热4种类型。,2、诱变剂

13、（mutagen）的影响,（1）碱基类似物（base analog）,T的类似物5-溴尿嘧啶（5-BU）,5-BU有两种形式： 酮式，和A配对 烯醇式，和G配对,通过细胞的代谢活动渗入DNA分子中，引起间接的碱基置换。 如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氨基尿嘧啶（5-AU）、8-氮鸟嘌呤（8-NG）、2-氨基嘌呤（2-AP）和6-氯嘌呤（6-CP）。,（2）直接与碱基起反应的化学物质,亚硝酸使碱基发生氧化脱氨作用，把A变成H,H有两种形式： 烯醇式He和酮式Hk， 可与C配对。,直接与一个或多个碱基发生化学反应，引起碱基的直接置换。 如亚硝酸、羟胺、烷化剂等。,此外，强烈的理化因子、转座因子还

14、会导致染色体大段损伤，如倒位、重复、插入等。,很多种化学物质，能以各种机制导致DNA的突变，因此可以被利用来获得各类遗传突变，进行诱变育种，还能对有害微生物进行控制，但同时，这些物质也危害人类自身的健康。,3、诱变剂与致癌物质 Ames试验,人物：美国加利福尼亚大学，Bruce Ames 材料：鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhmurium） 组氨酸营养缺陷型菌株（his-）,艾姆氏试验（Ames test）：是一种利用细菌营养缺陷型的回复突变来检测环境或食品中是否存在化学致癌剂的简便有效的方法。,艾姆氏试验,四、DNA损伤的修复 （Reparation of DNA）,DNA损伤

15、的类型很多，机体对其修复的方法也各异，比如有些DNA聚合酶本身就有35的外切酶活性。机体主要的修复方式有：光复活作用、暗修复作用、重组修复和SOS修复。,光复活作用：把经过紫外线照射后的微生物暴露在可见光下时，就可出现明显降低其死亡率的现象。,可见光,紫外光,1、光复活作用（photoreactivation）,条件：可见光，光解酶,切除修复：又称暗修复（dark repair），是一种不依赖可见光，只通过酶切作用除去损伤部位，随后又重新合成一段正常DNA链的修复方式。,2、切除修复（excision repair）,条件：内切核酸酶、外切核酸酶、 DNA聚合酶、连接酶,自发突变,生产中选择

16、定向培育,诱发突变,出发菌 诱变条件 筛选方案,诱变剂种类 诱变剂量 样品处理：表型延迟,琼脂块培养法 梯度平板法 夹层平板法、影印平板法 限量补充培养法,五、突变与育种 （Mutation and Breeding）,春日霉素产生 菌的孢子悬液,诱变,含供试菌种 （拮抗对象）的琼脂平板,琼脂块培养法,抑菌圈 检查,Chapter8 -3- 基因重组（Gene Recombination）,两个独立基因组内的遗传基因，通过一定的途径转移到一起，形成新的稳定的基因组的过程，称为基因重组，是遗传物质在分子水平的杂交。,接合：细胞与细胞的直接接触（F因子介导） 转导：由缺陷噬菌体介导 转化：游离DN

17、A分子 + 感受态细胞 原生质体融合：双亲细胞 准性生殖 有性生殖,基因重组的方式,1、转化（transformation）,转化（transformation） ：受体菌（receptor）直接吸收供体菌（donor cell）的DNA片段而获得后者部分遗传性状的现象。通过转化方式形成的杂种后代称为转化子（transformant） 。,感受态（competent ） ：是指受体细胞最易接受外源DNA片段并能实现转化的一种生理状态。感受态细胞（competent cell）就是 处于感受态的微生物细胞。,接合（conjugation）： 供体菌通过性菌毛与受体菌直接接触，把F质粒或其携带的不

18、同长度的核基因组片段传递给后者，使后者获得若干新遗传性状的现象。通过接合而获得新遗传性状的受体细胞称为接合子（conjugant） 。,2、接合（conjugation）,大肠杆菌的4种接合型菌株（stains of conjugation）,F-菌株：也称为“雌性”菌株，细胞内无F因子，细胞表面无性菌毛。,F+菌株：也称为“雄性”菌株，细胞内独立存在1个至几个F因子，细胞表面有性菌毛。,Hfr菌株：F因子整合在到染色体特定位点上，细胞表面有性菌毛。,F菌株：Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，称F因子。 细胞表面有性菌毛。,A、F+F -

19、,杂交结果：供体细胞和受体细胞均成为F+细胞,接合过程中，F质粒的一条单链在特定位点上断裂，以滚环方式F质粒复制，以线性方式转移到F 中。,B、Hfr F -,Hfr菌株高频重组菌株：F因子整合在染色体DNA上，在发生接合转移过程，可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F -细胞并发生重组。 在Hfr 和F 接合时，Hfr的染色体双链中的一条单链在F质粒处断裂，由线状变成环状，质粒中与性别有关的基因位于染色体末端，供体细胞的染色体DNA以线性方式向受体细胞转移。,杂交结果：受体细胞大多数仍然是F -,C、FF -,这种基因转移过程又称为性导（sexduction）、F因子转导（F-duction）

20、，或F因子媒介的转导（F-mediated transduction）。,携带F质粒的菌株称为初生F菌株（primary F-strain），通过F菌株与F -菌株接合，后者也可成为F菌株，是次生F菌株（secondary F-strain），是一个部分双倍体。,杂交结果：受体细胞是F,3、转导（transduction）,转导（transduction）：通过缺陷噬菌体（defective phage）的媒介，把供体细胞的小片段DNA携带到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象。由转导作用而获得部分新性状的重组细胞称为转导子（transductant）。,将遗传性状不同

21、的两种菌（种间、种内、属间）融合为一个新细胞的技术。,原生质体的制备：去壁（溶菌酶，蜗牛酶） 原生质体融合和再生：诱导融合（PEG，电击），再生培养基 融合子的选择：选择标记（营养缺陷型、荧光染色）,4、原生质体融合,Chapter8 -4- 基因工程（Genetic Engineering）,也称重组DNA技术(recombinant DNA technology)，是指对遗传信息的分子操作和施工，即把分离到的或合成的基因经过改造，插入载体中，导入宿主细胞内，使其扩增和表达，从而获得大量基因产物，或者令生物表现出新的性状。,基因工程操作的基本过程： 基因分离 体外重组 重组载体的传递与筛选 在特定的宿主中表达，得到基因工程产品,Chapter8 -5- 菌种保藏（Culture Preservation）,由于微生物的变异，某些特征会在生长繁殖中衰退或消失，这与在科学研究和生产实践中希望保持微生物的一些有利特征是矛盾的，因此，需要一定的方法来控制不利变异，这就涉及到菌种保藏和复壮。,一、菌种的衰退和复壮,衰退：是指由于自发突变而使某物种原有的一系列生物学特征发生量变或质变的现象。,复壮：是指在菌种已经发生衰退的情况下，通过纯种分离和测定典型性状、生产性能等指标，从群体中筛选出未退化的个体，以达到恢复原菌株固有性状的措施。,防止衰退的方法：控制传代次数； 使用良好的培养条件； 利