第七章微生物遗传变异

1、遗传遗传： 亲代与子代相似亲代与子代相似变异变异： 亲代与子代、子代间不同个体不完全相同亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传（遗传（inheritance）和变异（）和变异（variation）是生命的最本质特性之一）是生命的最本质特性之一遗传型遗传型：表型表型：生物所携带的全部遗传因子或者基因的总称生物所携带的全部遗传因子或者基因的总称具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态特征和生理特征的总和。长发育所表现出来的形态特征和生理特征的总和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型

2、饰变：表型饰变：表型的差异，只与环境有关表型的差异，只与环境有关production of a red pigment (prodigiosin) by serratia marcescens. from left to right: slant culture grown at 25c, slant culture grown at 37c, broth culture grown at 25c, broth culture grown at 37c. 特点：特点：表现为全部个体的行为，变化幅度小；表现为全部个体的行为，变化幅度小； 暂时性、不可遗传性。暂时性、不可遗传性。遗传型变异（基因变

3、异、基因突变）遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变。遗传物质改变，导致表型改变。特点：特点：群体中极少数个体的行为群体中极少数个体的行为 （自发突变频率通常为（自发突变频率通常为1010-6-6-10-10-9-9）；）； 遗传性（稳定性）遗传性（稳定性）微生物是遗传学研究中的明星：微生物是遗传学研究中的明星：t 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体， 方便建立纯系；方便建立纯系；t 很多常见微生物都易于人工培养，快速、大很多常见微生物都易于人工培养，快速、大 量生长繁殖，易于积累不同的代谢产物和中量生长繁殖，易于积累不同的代谢

4、产物和中 间代谢物，菌落形态具有可见性与多样性；间代谢物，菌落形态具有可见性与多样性；t 物种和代谢类型多样；物种和代谢类型多样；t 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株， 操作性强。操作性强。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、三个证明一、三个证明dna是遗传物质的经典实验是遗传物质的经典实验1、经典转化实验、经典转化实验肺炎链球菌：肺炎链球菌：s型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有 致病能力）致病能力） r型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无 致病能力）致病能力）1928

5、年，年，f.griffth作了作了3组实验组实验:实验说明：加热杀死的实验说明：加热杀死的s型细菌，其细胞内存在型细菌，其细胞内存在一种具有遗传转化能力的物质，以某种方式进一种具有遗传转化能力的物质，以某种方式进入入r型细菌，使之转化为型细菌，使之转化为s型细菌。型细菌。1944年，年，avery精确重复了转化实验，确定了转化因子精确重复了转化实验，确定了转化因子实验证明，将实验证明，将r r菌转化为菌转化为s s菌的转化因子是菌的转化因子是dnadna；而且；而且dnadna纯度越高，转化效率也越高。纯度越高，转化效率也越高。2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验实验证明，进入实验证明，进入细菌

6、细胞内部的细菌细胞内部的物质是物质是dnadna。dnadna包含有产生完包含有产生完整噬菌体的全部整噬菌体的全部信息。信息。3、植物病毒重建实验、植物病毒重建实验实验证明，遗传信息的流向与核酸的传递是一致的。实验证明，遗传信息的流向与核酸的传递是一致的。二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式（一）遗传物质在（一）遗传物质在7个水平上的形式个水平上的形式1、细胞水平、细胞水平2、细胞核水平、细胞核水平3、染色体水平、染色体水平4、核酸水平、核酸水平5、基因水平、基因水平6、密码子水平、密码子水平7、核苷酸水平、核苷酸水平1、细胞水平、细胞水平真核微

7、生物：细胞核真核微生物：细胞核原核微生物：核质体原核微生物：核质体细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的2、细胞核水平、细胞核水平真核生物真核生物 细胞核细胞核 核染色体核染色体原核生物原核生物 核区核区 dna链链核基因组核基因组在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质质粒质粒3、染色体水平、染色体水平l染色体是由组蛋白与染色体是由组蛋白与dnadna构构 成的线状结构；成的线状结构；l染色体的数目在不同的生染色体的数目在不同的生物中是不同的；物中是不同的；l染色体的倍数在同一生物染色体的倍数在同一

8、生物的不同生活时期是不同的；的不同生活时期是不同的； 单倍体单倍体 二倍体二倍体4、核酸水平、核酸水平核酸种类：核酸种类：dna，rna 染色体染色体核酸结构：双链、单链；核酸结构：双链、单链； 环状，线状，超螺旋状环状，线状，超螺旋状dna长度：因种而异长度：因种而异微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为研究微生物学的最有力的手段。研究微生物学的最有力的手段。5、基因水平、基因水平 基因是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗基因是生物体内一

9、切具有自主复制能力的最小遗传功能单位，其物质基础是一条以直线排列、具有特传功能单位，其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段，众多基因，构成染色体。定核苷酸序列的核酸片段，众多基因，构成染色体。每个基因的长度大体在每个基因的长度大体在1000-1500bp1000-1500bp。l结构基因结构基因l调节基因调节基因 原核生物的原核生物的基因通过基因通过基因调基因调控系统控系统起作用的。起作用的。基因调控系统由基因调控系统由一个一个操纵子操纵子和它和它的的调节基因调节基因组成。组成。每一操纵子包括每一操纵子包括3 3种功能上相关种功能上相关的基因：的基因：结构基结构基因因、操纵基

10、因操纵基因和和启动基因启动基因。真核生物的基因无操纵子结构，存在真核生物的基因无操纵子结构，存在着大量不编码序列和重复序列。着大量不编码序列和重复序列。l内含子内含子l外显子外显子微生物基因组结构的特点微生物基因组结构的特点、原核生物（细菌、古生菌）的基因组、原核生物（细菌、古生菌）的基因组1 1）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的dnadna分子（单倍体）；分子（单倍体）；2 2）基因组上遗传信息具有连续性；）基因组上遗传信息具有连续性； 一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。 3 3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；）功能相关的结

11、构基因组成操纵子结构； 4 4）结构基因的单拷贝及）结构基因的单拷贝及rrnarrna基因的多拷贝；基因的多拷贝； 5 5）基因组的重复序列少而短；）基因组的重复序列少而短； 个别细菌个别细菌( (鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌) )和古生菌的和古生菌的rrnarrna和和trnatrna中也发现有内含子或间插序列。中也发现有内含子或间插序列。、真核微生物（啤酒酵母）的基因组、真核微生物（啤酒酵母）的基因组1 1）典型的真核染色体结构；）典型的真核染色体结构；2 2）没有明显的操纵子结构；）没有明显的操纵子结构；3 3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；）有间隔区（即非编码

12、区）和内含子序列； 4 4）重复序列多。）重复序列多。、原核生物和真核生物的基因组比较、原核生物和真核生物的基因组比较6、密码子水平、密码子水平遗传密码遗传密码是指dna链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。遗传密码的信息单位是密码密码子子。每一密码子由3个核苷酸序列，即1个三联体组成。密码子一般用mrna上3个连续核苷酸序列来表示。7、核苷酸水平、核苷酸水平 核苷酸是最小突变单位和交换单位核苷酸是最小突变单位和交换单位 绝大多数生物的dna组分中，含有四种核苷酸：腺苷酸（amp）、胸苷酸（tmp）、鸟苷酸（gmp）、胞苷酸（cmp）。 rna组分中，含有四种核苷酸：腺苷酸（amp）、尿苷

13、酸（ump）、鸟苷酸（gmp）、胞苷酸（cmp）。 （二）原核生物的质粒（二）原核生物的质粒1、定义、定义质粒（质粒（plasmid）：）：一种独立于染色体外，能进行自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主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。胞中。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。的机能，从而使宿主得到生长优势。 例：接合、产毒、固氮、解毒、抗药例：接合、产毒、固氮、解毒、抗

14、药2、结构特点、结构特点 通常以共价闭合环状(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（细菌质粒多在10kb以内）以内）3、质粒的类型、质粒的类型严密型质粒严密型质粒(stringent plasmid)(stringent plasmid)： 复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数松弛型质粒松弛型质粒(relaxed plasmid)(relaxed plasmid)： 复制行为与核染色体的复

15、制不同步，高拷贝数复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数窄宿主范围质粒窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid)（只能在一种特定的宿主细胞中复制）（只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒广宿主范围质粒(broad host range plasmid)（可以在许多种细菌中复制）（可以在许多种细菌中复制）4、质粒在基因工程中的应用、质粒在基因工程中的应用质粒的优点：质粒的优点：（1）体积小，易分离和操作；）体积小，易分离和操作；（2）环状，稳定；）环状，稳定；（3）独立复制；）独立复制；（4）拷贝数多；）拷贝数多；（5）存在标记位点，易筛选）存在标记位点，易筛

16、选e. colie. coli的的pbr322pbr322质粒是一个常用的克隆载体质粒是一个常用的克隆载体pbr322pbr322质粒质粒优点：优点：（1 1）体积小，仅）体积小，仅4361bp4361bp；（2 2）宿主细胞中稳定维持高拷贝；）宿主细胞中稳定维持高拷贝；（3 3）一定条件下可扩增至）一定条件下可扩增至1k-3k1k-3k个；个；（4 4）分离极其容易；）分离极其容易；（5 5）可插入较多外源）可插入较多外源dnadna；（6 6）结构完全清楚；）结构完全清楚；（7 7）有两个选择性抗药标记；）有两个选择性抗药标记；（8 8）很方便通过转化导入宿主细胞。）很方便通过转化导入宿主

17、细胞。5、质粒的分离与检测、质粒的分离与检测t 提取所有胞内提取所有胞内dnadna后电镜观察；后电镜观察；t 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；t 对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点， 如抗药性初步判断。如抗药性初步判断。分离：分离：细胞裂解、蛋白质和rna的去除、质粒与染色体dna分离等。检测：检测： 质粒可以从菌体内自行消失，也可以通过质粒可以从菌体内自行消失，也可以通过物理化学手段，如重金属、吖啶类染料或高温物理化学手段，如重金属、吖啶类染料或高温处理使其消除或抑制。处理使其消除或抑制。 没有质粒的细菌可以通

18、过接合、转化或转没有质粒的细菌可以通过接合、转化或转导等方式从具有质粒的细菌中获得，但不能自导等方式从具有质粒的细菌中获得，但不能自发产生。发产生。6、质粒的主要种类、质粒的主要种类质粒所编码质粒所编码的功能和赋的功能和赋予宿主的表予宿主的表型效应型效应致育因子致育因子（fertility factor，f因子）因子）抗性因子抗性因子（resistance factor，r因子）因子）产细菌素的质粒产细菌素的质粒（bacteriocin production plasmid）毒性质粒毒性质粒（virulence plasmid）代谢质粒代谢质粒（metabolic plasmid）隐秘质粒隐秘

19、质粒（cryptic plasmid）致育因子致育因子(fertility factor，f因子因子)又称又称f f质粒，其大小约质粒，其大小约100kb100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象的有性生殖现象（接合作用）（接合作用）有关的质粒。有关的质粒。携带携带f f质粒的菌株称为质粒的菌株称为f f+ +菌株菌株（相当于雄性），无（相当于雄性），无f f质粒的质粒的菌株称为菌株称为f f- -菌株（相当于雌菌株（相当于雌性）。性）。f因子能以游离状态因子能以游离状态(f+)和以和以与染色体相结合的状态与染色体相结合的状态(hfr)存在于细胞中，所

20、以又称之存在于细胞中，所以又称之为附加体为附加体(episome)。抗性因子（抗性因子（resistance factor，r因子）因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称包括抗药性和抗重金属二大类，简称r r质粒。质粒。抗性质粒在细菌间传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。抗性质粒在细菌间传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。r质粒质粒抗性转移因子（抗性转移因子（rtf）：转移和复制基因转移和复制基因抗性决定因子抗性决定因子：抗性基因抗性基因r100质粒质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（汞（mercuric ion ，mer）、）、磺胺磺胺

21、(sulfonamide, sul)、链霉素链霉素(streptomycin, str)、夫西地酸（夫西地酸（fusidic acid，fus） 、氯霉素氯霉素(chlorampenicol, cml)、四环素（四环素（tetracycline，tet ）并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。细细 菌菌 素素抗抗 生生 素素抑抑 制制 或或 杀杀 死死 近近 缘缘 ， 甚甚 至至 同同 种种 不不 同同 株株 的的 细细 菌菌较 广 的 抗 菌 谱通通 过过 核核 糖糖 体体 直直 接接 合合 成成 的的 多多 肽肽 类类 物物 质质一

22、 般 是 次 级 代 谢 产 物编编 码码 细细 菌菌 素素 的的 结结 构构 基基 因因 及及 相相 关关 的的 基基 因因 一一 般般 位位于于 质质 粒粒 或或 转转 座座 子子 上上一 般 无 直 接 的 结 构 基 因 ， 相 关 酶 的 基 因 多 在染 色 体 上产细菌素的质粒（产细菌素的质粒（bacteriocin production plasmid）细菌性的蛋白类毒素，能杀死其他细菌。细菌性的蛋白类毒素，能杀死其他细菌。一般都位于一般都位于质粒或转座质粒或转座子上，因此，子上，因此，细菌素可以细菌素可以杀死同种但杀死同种但不携带该质不携带该质粒的菌株。粒的菌株。细菌素一般根

23、据产生菌的种类进行命名：细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（大肠杆菌（e. coli）产生的细菌素为）产生的细菌素为colicins（大肠杆（大肠杆菌素），而质粒被称为菌素），而质粒被称为col质粒。质粒。细菌素结构基因涉及细菌素运输及细菌素结构基因涉及细菌素运输及发挥作用的蛋白质的基因、赋予宿发挥作用的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有主对该细菌素具有“免疫力免疫力”的相的相关产物的基因。关产物的基因。毒性质粒（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，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

24、对宿主（动物、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。植物）造成伤害。产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。素编码的质粒。苏云金杆菌含有编码苏云金杆菌含有编码内毒素内毒素( (伴孢晶体中伴孢晶体中) )的质粒。的质粒。根癌土壤杆菌所含根癌土壤杆菌所含titi质粒是引起双子叶植物冠质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子。瘿瘤的致病因子。根癌土壤杆菌根癌土壤杆菌-ti-ti质粒质粒植物冠瘿瘤植物冠瘿瘤 l诱癌质粒；诱癌质粒；l根癌土壤

25、杆菌的根癌土壤杆菌的titi质粒可引起许多双子叶植物质粒可引起许多双子叶植物的根癌；的根癌；l含有复制基因的含有复制基因的titi质粒的小片段与植物细胞中质粒的小片段与植物细胞中的核染色体组发生整合，破坏控制细胞分裂的的核染色体组发生整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。 ti质粒质粒中的中的t-dna可携带任何外源基因整合到植物基可携带任何外源基因整合到植物基因组中，是植物基因工程中有效的克隆载体。因组中，是植物基因工程中有效的克隆载体。代谢质粒（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

26、解某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（某些放些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。线菌）等。将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利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用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。，环境保护方面具有重要的意义。降解质粒：降解质粒：l 只在只在pseudomonaspseudomonas（假单胞菌属）中发现。它们（假单胞菌属）中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质作碳码，从而

27、能利用一般细菌所难以分解的物质作碳源。源。l 这些质粒以其所分解的底物命名，例如有分解这些质粒以其所分解的底物命名，例如有分解camcam（樟脑）质粒，（樟脑）质粒，octoct（辛烷）质粒，（辛烷）质粒，xylxyl（二甲（二甲苯）质粒，苯）质粒，salsal（水杨酸）质粒，（水杨酸）质粒，mdlmdl（扁桃酸）（扁桃酸）质粒，质粒，napnap（萘）质粒和（萘）质粒和toltol（甲苯）质粒等。（甲苯）质粒等。 假单胞菌：假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香族化合物具有降解一些有毒化合物，如芳香族化合物( (苯苯) )、农药农药(2,4-(2,4-二氯苯氧乙酸二氯苯氧乙酸dichlor

28、ophenoxyacetic dichlorophenoxyacetic acid)acid)、辛烷和樟脑等的能力。、辛烷和樟脑等的能力。隐秘质粒（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。才能发现。 它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。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在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）（一般

29、加上抗性基因）l 发根土壤杆菌可侵染双子叶植物的根部，并发根土壤杆菌可侵染双子叶植物的根部，并诱生大量不定根；诱生大量不定根；l riri质粒中的一段质粒中的一段t-dnat-dna整合到宿主根部细胞的整合到宿主根部细胞的核基因组中。核基因组中。 l在在rhizobiumrhizobium（根瘤菌属）中发现的一种质粒，（根瘤菌属）中发现的一种质粒，分子量为分子量为20020030030010106 6dada，比一般质粒大几，比一般质粒大几十倍至几百倍，故称十倍至几百倍，故称巨大质粒巨大质粒，其上有一系列，其上有一系列固氮基因。固氮基因。 第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种一、

30、基因突变一、基因突变 一个基因内部遗传结构或一个基因内部遗传结构或dnadna序列的任何改变、序列的任何改变、可遗传、自发或诱变产生。可遗传、自发或诱变产生。基因突变基因突变狭义：点突变狭义：点突变广义：基因突变和染色体畸变广义：基因突变和染色体畸变染色体畸变：染色体畸变：染色体的添加、重复、易位、倒位染色体的添加、重复、易位、倒位（一）突变类型（一）突变类型l营养缺陷型营养缺陷型 又称营养突变型（又称营养突变型（auxotroph mutant ） 指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指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、碱基或氨基酸的能力，因而无法再在

31、基本培养基上正常长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法再在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。生长繁殖的变异类型。l抗性突变型（抗性突变型（resistant mutant） 指野生型菌株因发生基因突变，而产生的对某化学药物或致指野生型菌株因发生基因突变，而产生的对某化学药物或致死物理因子的抗性变异类型。死物理因子的抗性变异类型。l条件致死突变型（条件致死突变型（conditional lethal mutant） 某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖，并呈现其固有的表型，而在另一种条件下却无法生长、繁繁殖，并呈现其固有的表

32、型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖，这种突变类型称为条件致死突变型。殖，这种突变类型称为条件致死突变型。 温度敏感突变型（温度敏感突变型（ts） l形态突变型（形态突变型（morphological mutant） 指由突变引起的个体或菌落形态的变异。例如：细指由突变引起的个体或菌落形态的变异。例如：细菌的鞭毛或荚膜的有无，菌落的大小、外形的光滑、粗菌的鞭毛或荚膜的有无，菌落的大小、外形的光滑、粗糙和颜色的变化，放线菌或霉菌孢子的有无或颜色变化。糙和颜色的变化，放线菌或霉菌孢子的有无或颜色变化。l抗原突变型（抗原突变型（antigenic mutant） 指由于基因突变引起的细胞抗原结构（指

33、由于基因突变引起的细胞抗原结构（细胞壁、糖细胞壁、糖被、鞭毛被、鞭毛）发生的变异类型。）发生的变异类型。l产量突变型（产量突变型（metabolite quantitative mutant） 通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株。有正突变和负突变之分。于原始菌株的突变株。有正突变和负突变之分。 每一细胞在每一世代中发生某一性状突变每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率，称突变率。的几率，称突变率。 突变一般是独立发生的。某一基因发生突突变一般是独立发生的。某一基因发生突变不会影响其他基因的突变率。变不会影响其他基因的突

34、变率。 突变率一般为突变率一般为1010-6-6-10-10-9-9。突变的检出突变的检出 采用检出营养缺陷型的回复突变株或抗性采用检出营养缺陷型的回复突变株或抗性突变株的方法来加以测定。突变株的方法来加以测定。（三）基因突变的特点（三）基因突变的特点l自发性自发性: : 指可自发地产生突变。指可自发地产生突变。l不对应性：不对应性：指突变性状与引起突变的原因间无对应关系。指突变性状与引起突变的原因间无对应关系。l稀有性：稀有性：通常自发突变的几率在通常自发突变的几率在1010-6 -6 - 10- 10-9-9间。间。l独立性：独立性：某种基因的突变率不受它种基因突变率的影响。某种基因的突变

35、率不受它种基因突变率的影响。 例：巨大芽孢杆菌例：巨大芽孢杆菌 突变率突变率 抗异烟肼抗异烟肼 5 51010-5-5 抗氨基柳酸抗氨基柳酸 1 11010-6-6 双抗双抗 8 81010-10-10l诱变性：诱变性：自发突变的频率可因诱变剂的影响而大自发突变的频率可因诱变剂的影响而大 为提高。为提高。l稳定性：稳定性：基因突变后的新遗传性状是稳定的。基因突变后的新遗传性状是稳定的。l可逆性：可逆性：野生型菌株某一性状可发生正向突变，野生型菌株某一性状可发生正向突变， 也可发生相反的回复突变。也可发生相反的回复突变。基因突变的特点基因突变的特点（四）基因突变自发性和不对应性的实验证明（四）基

36、因突变自发性和不对应性的实验证明三个经典实验三个经典实验变量实验变量实验涂布实验涂布实验影印实验影印实验证明突变是自发产生证明突变是自发产生的，并且突变的性状的，并且突变的性状与引起突变的原因间与引起突变的原因间无直接对应关系。无直接对应关系。野生型野生型（原始性状）（原始性状）特定环境特定环境突变型突变型（适应环境的新性状）（适应环境的新性状）驯化驯化定向定向诱变诱变筛选筛选？突变的原因突变的原因？变量实验（变量实验（fluctuation analysis）salvador luria and max delbruck（1943）salvador luriamax delbruckthe

37、nobel prize in physiology or medicine 19691.变量实验（变量实验（fluctuation analysis） 抗噬菌体性状的突变不是有环境因素诱抗噬菌体性状的突变不是有环境因素诱导出来的，而是接触噬菌体之前在某一次导出来的，而是接触噬菌体之前在某一次细菌分裂过程中就随即发生了。细菌分裂过程中就随即发生了。噬菌体仅噬菌体仅起着淘汰原始的未突变的敏感菌和鉴别抗起着淘汰原始的未突变的敏感菌和鉴别抗噬菌体突变的作用。噬菌体突变的作用。2.newcombe的涂布实验（的涂布实验（1949） 抗性突变在接触抗性突变在接触t1之前就发生了发生了。之前就发生了发生了。

38、噬菌体仅起着淘汰原始的未突变的敏感菌噬菌体仅起着淘汰原始的未突变的敏感菌和鉴别抗噬菌体突变的作用，不是诱发突和鉴别抗噬菌体突变的作用，不是诱发突变的原因。变的原因。3.影印实验（影印实验（replica plating ）joshua lederberg and esther lederberg（1952）joshua lederbergj. lederberg is awarded the noble prize in j. lederberg is awarded the noble prize in medicine and physiology in 1958medicine and

39、physiology in 1958 影印平板培养法：一种通过盖章的方式，使影印平板培养法：一种通过盖章的方式，使在一系列培养皿的相同位置能出现相同菌落的接在一系列培养皿的相同位置能出现相同菌落的接种培养方法。种培养方法。（五）基因突变及其机制（五）基因突变及其机制诱变剂诱变剂物理诱变剂物理诱变剂化学诱变剂化学诱变剂-射线、射线、-射线、射线、-射线、射线、x-射线、射线、快中子快中子 紫外线紫外线烷化剂烷化剂碱基类似物碱基类似物吖啶化合物吖啶化合物 1、诱发突变：、诱发突变： 物理、化学和生物的因素，提高突变率。非电离辐射：非电离辐射：电离辐射：电离辐射：（1）辐射对遗传物质的作用机制）辐射

40、对遗传物质的作用机制 电离辐射的作用机制电离辐射的作用机制直接作用：直接作用：当射线作用于生物时，首先从细胞中各当射线作用于生物时，首先从细胞中各种原子或分子的外层击出电子，在射线径迹中的种原子或分子的外层击出电子，在射线径迹中的细胞中产生很多细胞中产生很多离子对离子对，引起细胞内原子或分子，引起细胞内原子或分子的的电离和激发电离和激发。当细胞内的染色体或。当细胞内的染色体或dnadna分子被分子被射线作用产生电离和激发时，便会引起这些遗传射线作用产生电离和激发时，便会引起这些遗传物质的改变。物质的改变。h2o 电离辐射电离辐射 h2o+ + e h2o + e h2o- h2o+ h+ +

41、oh0 oh0 + oh0 h2o2h2o h0 + oh- h0 + o2 ho20l集中于染色体变化方面，主要是由于集中于染色体变化方面，主要是由于dna经辐射而经辐射而发生发生碱基的改变，糖和磷酸基的改变或键的不同变碱基的改变，糖和磷酸基的改变或键的不同变化并造成染色体的断裂，化并造成染色体的断裂，然后通过然后通过末端的不同连接末端的不同连接状况形成状况形成缺失、重复、易位和断片缺失、重复、易位和断片等染色体的结构等染色体的结构变异，从而导致表型的突变。变异，从而导致表型的突变。l 在细胞质方面，可使之在细胞质方面，可使之渗透性提高，粘性加大，甚渗透性提高，粘性加大，甚至影响到一些酶的性

42、质至影响到一些酶的性质，造成代谢过程的紊乱，破，造成代谢过程的紊乱，破坏细胞的正常功能，最终出现遗传变异。坏细胞的正常功能，最终出现遗传变异。电离辐射的作用机制电离辐射的作用机制l辐射诱发的基因突变和染色体断裂频率在一定辐射诱发的基因突变和染色体断裂频率在一定范围内与辐射剂量成正比；范围内与辐射剂量成正比；l辐射效应有积累作用。辐射效应有积累作用。引起引起dna变化：变化： dnadna链的断裂、链的断裂、 dnadna分子内和分子间的交分子内和分子间的交联、联、dnadna与蛋白质的交联、碳的水合作用及与蛋白质的交联、碳的水合作用及嘧嘧啶二聚体啶二聚体的形成。的形成。 非电离辐射的作用机制非

43、电离辐射的作用机制紫外线：紫外线： 被物质吸收后，只要会引起分子内的电子产被物质吸收后，只要会引起分子内的电子产生生激发激发而变成而变成激发分子或活化分子激发分子或活化分子。正常分子获。正常分子获得能量成为活化分子后，可能发生化学变化。得能量成为活化分子后，可能发生化学变化。（2）化学诱变剂的作用机制）化学诱变剂的作用机制特点：特点： 损伤小，诱变频率较低，突变谱不广而可育损伤小，诱变频率较低，突变谱不广而可育的有利突变较多；具有特异性，即一定性质的诱的有利突变较多；具有特异性，即一定性质的诱变剂能诱发一定类型的变异。变剂能诱发一定类型的变异。 碱基的置换碱基的置换l直接引起置换的诱变剂直接引

44、起置换的诱变剂 一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。例如例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂亚硝酸、羟胺和各种烷化剂。 l间接引起置换的诱变剂间接引起置换的诱变剂 通过活细胞的代谢活动掺入到通过活细胞的代谢活动掺入到dnadna分子中后而分子中后而引起的。诱变剂是一些引起的。诱变剂是一些碱基类似物碱基类似物，如，如5-5-溴尿嘧溴尿嘧啶（啶（5-bu5-bu）、）、5-5-氨基尿嘧啶（氨基尿嘧啶（5-au5-au）。）。碱基的置换引起的突变碱基的置换引起的突变例：人血红蛋白例

45、：人血红蛋白链第链第6个个aa发生突变发生突变 正常正常 异常（颠换）异常（颠换） 异常（转换）异常（转换）dna ctt cat tttmrna gaa gua aaa蛋白质蛋白质 正常正常 val lys 镰刀型贫血症镰刀型贫血症 轻度贫血轻度贫血错义突变：错义突变： 当碱基替代产生出一个能转译出另一种当碱基替代产生出一个能转译出另一种aaaa的密的密码时，在蛋白质的一级结构中便会出现一个码时，在蛋白质的一级结构中便会出现一个aaaa的差的差异，有时会引起明显的变化。异，有时会引起明显的变化。例：例： 正常正常 异常异常dna atg att mrna uac uaa蛋白质蛋白质 tyr

46、终止终止无义突变无义突变 有时碱基替代会产生一个终止密码，多肽链的有时碱基替代会产生一个终止密码，多肽链的合成会半途停止，形成一条不完全的多肽链，使蛋合成会半途停止，形成一条不完全的多肽链，使蛋白质失去活性或正常的代谢功能。白质失去活性或正常的代谢功能。例：例： 无义突变无义突变 正常正常 同义突变同义突变mrna uag uac uagtrna - aug auc蛋白质蛋白质 终止终止 tyr tyr 同义突变同义突变 由于由于trnatrna基因突变引起反密码子改变，有时基因突变引起反密码子改变，有时会会“以错就错以错就错”的转译出某种蛋白质，表现出抑的转译出某种蛋白质，表现出抑制突变的效

47、应，又称为抑制突变。制突变的效应，又称为抑制突变。 移码突变移码突变 诱变剂会使诱变剂会使dna序列中的一个或几个核苷酸发序列中的一个或几个核苷酸发生增添或缺失，从而使该处后面的全部遗传密码的生增添或缺失，从而使该处后面的全部遗传密码的阅读框架发生改变，并进一步引起转录和转译错误阅读框架发生改变，并进一步引起转录和转译错误的一类突变。的一类突变。 吖啶类染料是吖啶类染料是移码突变的有移码突变的有效诱变剂效诱变剂- 错误错误+ 错误错误-+ 正常正常- 正常正常+ 正常正常 染色体畸变：染色体畸变：缺失、重复、插入、易位、倒位 dna序列通过非同源重组的方式，从染色体某一部位转移到同一染色体上另

48、一部位或其他染色体上某一部位的现象。转座因子主要有三类l插入序列（插入序列（isis， insertion sequenceinsertion sequence）l转座子（转座子（tntn，transposontransposon， 又称转位子，易位子）又称转位子，易位子）lmumu噬菌体（即噬菌体（即mutator phagemutator phage， 诱变噬菌体）诱变噬菌体） 例：例：p211 p211 表表7-67-62 2、自发突变：、自发突变：没有人为因素下自然发生的低频率没有人为因素下自然发生的低频率 突变。突变。原因：原因：（1 1）背景辐射：）背景辐射： 短波辐射、高温、低浓

49、度的诱变物质等短波辐射、高温、低浓度的诱变物质等（2 2）有害产物积累：）有害产物积累： 过氧化氢过氧化氢（3 3）碱基错配）碱基错配 嘧啶对紫外线嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤的敏感性要比嘌呤强得多。嘧啶的光强得多。嘧啶的光化产物主要是化产物主要是二聚二聚体和水合物体和水合物； 紫外线的主要紫外线的主要作用是使同链作用是使同链dnadna的的相邻嘧啶间形成共相邻嘧啶间形成共价结合的胸腺嘧啶价结合的胸腺嘧啶二聚体。二聚体。 （六）紫外线对（六）紫外线对dnadna的损伤及其修复的损伤及其修复（1 1）光复活作用（）光复活作用（photo reactivationphoto reactivatio

50、n） l把经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光把经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象；下时，可明显降低其死亡率的现象； l光解酶（光裂合酶）；光解酶（光裂合酶）； l一般的微生物中都存在着光复活作用；一般的微生物中都存在着光复活作用； l紫外线诱变育种时，只能在红光下进行。紫外线诱变育种时，只能在红光下进行。 （2 2）暗修复作用（）暗修复作用（dark repairdark repair） 又称切除修复（又称切除修复（excisionrepairexcisionrepair）有四种酶参与有四种酶参与l内切核酸酶内切核酸酶 l外切核酸酶外切核酸酶 ldnadn

51、a聚合酶聚合酶 l连接酶连接酶 特点：不需要立即从亲代的dna分子中去除损伤的部位，仍能保证dna复制的继续进行。重组蛋白dna聚合酶dna连接酶 微生物育种的目的是人为地使某种代谢产物过量积微生物育种的目的是人为地使某种代谢产物过量积累，最大程度降低成本，把生物合成的途径朝人们所希累，最大程度降低成本，把生物合成的途径朝人们所希望的方向引导，最终获得高产、优质和低耗的菌种。望的方向引导，最终获得高产、优质和低耗的菌种。微生物育种所经历的大致历程：微生物育种所经历的大致历程： 从生产中选育或定向培育选育（未采用诱变剂，自从生产中选育或定向培育选育（未采用诱变剂，自发突变株）发突变株）采用诱变剂

52、进行诱变，提高突变频率，采用诱变剂进行诱变，提高突变频率，筛选有用菌株筛选有用菌株利用接合、原生质体融合等技术使基利用接合、原生质体融合等技术使基因发生重组（细胞水平）因发生重组（细胞水平）体外体外dnadna重组技术（基因工重组技术（基因工程技术）创造具有新的生物性状的生物程技术）创造具有新的生物性状的生物二、突变与育种二、突变与育种（一）自发突变与育种（一）自发突变与育种： 主要是通过实践经验选择生产中发生自发突变主要是通过实践经验选择生产中发生自发突变的菌株或不断转接微生物菌株以期获得其自发突变菌的菌株或不断转接微生物菌株以期获得其自发突变菌株。株。l 生产中选育生产中选育 例：宇佐美曲

53、霉例：宇佐美曲霉- -上酒白种上酒白种l 定向培育定向培育 例：卡介苗的筛选，连续接种例：卡介苗的筛选，连续接种230230代代特点：费时、费力，工作被动，守株待兔式的，特点：费时、费力，工作被动，守株待兔式的， 效果难以确定效果难以确定（二）诱变育种（二）诱变育种 指利用物理、化学等指利用物理、化学等诱变诱变剂处理均匀而分散的微剂处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、快速和高效的用简便、快速和高效的筛选筛选方法，从中挑选出少数符方法，从中挑选出少数符合目的的突变株，以供科学实验或生产实践使用。合目的的突变株，以供

54、科学实验或生产实践使用。l应用方面，可获得各种突变菌株；应用方面，可获得各种突变菌株；l生产方面，既能大幅度提高有用代谢产物的产生产方面，既能大幅度提高有用代谢产物的产量，又能达到减少杂质、提高质量、扩大品种量，又能达到减少杂质、提高质量、扩大品种和简化工艺的目的；和简化工艺的目的；l方法方面，具有简便易行、条件设备要求低等方法方面，具有简便易行、条件设备要求低等优点。优点。1、诱变育种的基本环节、诱变育种的基本环节2、诱变育种的原则、诱变育种的原则（1）使用简便有效的诱变剂）使用简便有效的诱变剂诱变剂诱变剂物理因素物理因素化学因素化学因素紫外线紫外线激光激光离子束离子束x射线射线、射线射线快

55、中子快中子烷化剂烷化剂碱基类似物碱基类似物吖啶化合物吖啶化合物ames试验：试验：利用细菌模型了解潜在化学致癌物的诱变作用。利用细菌模型了解潜在化学致癌物的诱变作用。“生物化学统一性生物化学统一性”法则：法则：人和细菌在人和细菌在dnadna的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的突变的诱变剂必然也会作用于人的dnadna，使其发生突变，最后，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。造成癌变或其他不良的后果。诱变剂的共性原则：诱变剂的共性原则：化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比。化学药剂对细菌的诱变率与其对动

56、物的致癌性成正比。超过超过95%95%的致癌物质对微生物有诱变作用的致癌物质对微生物有诱变作用90%90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用 美国加利福尼亚大学的美国加利福尼亚大学的bruce ames教授于教授于1966年发明，年发明，因此称为因此称为ames试验。试验。具体操作：检测具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌鼠伤寒沙门氏菌(salmonella typhmurium)组氨酸营养缺陷型菌株组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变的回复突变率。率。回复突变：回复突变：突变体失去的野生型性状，可以通过第二突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复

57、，这种第二次突变称为回复突变。次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。证明证明ames试验重要性的应用实例：试验重要性的应用实例：国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停反应停”，由于，由于其药效显著，在其药效显著，在60-7060-70年代十分流行。年代十分流行。但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用的妇女大多曾服用“反应停反应停”，后来采用，后来采用amesames试验发现这种物试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用。质的确具有很强

58、的致突变作用，因此这种药物被禁止使用。但如果能在这种药物上市之前就进行但如果能在这种药物上市之前就进行amesames试验检测，那么这种试验检测，那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免。大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免。l常用诱变剂是常用诱变剂是紫外线紫外线和和亚硝基胍亚硝基胍。l紫外线：紫外线： 无菌，红光下进行无菌，红光下进行 紫外诱变箱：紫外诱变箱：高高 30-40cm30-40cm，15w15w紫外灯管紫外灯管 装有磁力搅拌器的小平皿装有磁力搅拌器的小平皿 分散均匀的单细胞悬液分散均匀的单细胞悬液 一定的照射时间：一定的照射时间：死亡率死亡率60%-70%60%-70% 照射完毕立即

59、梯度稀释进行选择。照射完毕立即梯度稀释进行选择。 （2 2）选用优良的出发菌株）选用优良的出发菌株仅凭经验仅凭经验: :l来自生产中的自发突变菌株；来自生产中的自发突变菌株；l具有有利于进一步研究或应用性状的菌株；具有有利于进一步研究或应用性状的菌株；l已发生其他突变的菌株；已发生其他突变的菌株；l对诱变剂敏感性较高的增变变异株。对诱变剂敏感性较高的增变变异株。（3 3）处理单细胞或单孢子悬浮液）处理单细胞或单孢子悬浮液 不纯菌落不纯菌落: : 多核、多核、dsdna dsdna 表型延迟表型延迟表型延迟：遗传型虽已改变，但表型却要经染色体复制、表型延迟：遗传型虽已改变，但表型却要经染色体复制

60、、分离和细胞分开才表现出来的现象。分离和细胞分开才表现出来的现象。 细菌一般以对数期为最好；霉菌或者放线菌的细菌一般以对数期为最好；霉菌或者放线菌的 孢子稍加萌发后再进行诱变可以提高诱变率。孢子稍加萌发后再进行诱变可以提高诱变率。 无菌的玻璃珠打碎成团的细胞，再用脱脂棉过滤。无菌的玻璃珠打碎成团的细胞，再用脱脂棉过滤。 诱变后的不纯菌落可用适当的纯种分离方法加以诱变后的不纯菌落可用适当的纯种分离方法加以分离纯化。分离纯化。（4）使用最佳诱变剂量）使用最佳诱变剂量 剂量剂量 = = 强度（浓度）强度（浓度） 作用时间作用时间 相对剂量相对剂量 = = 杀菌率杀菌率在产量性状的诱变育种中，凡在提高