丝状真菌的遗传分析

1、第十章第十章 丝状真菌的遗传丝状真菌的遗传 担子菌担子菌接合菌接合菌子囊菌子囊菌卵菌卵菌1. 毛霉属（毛霉属（Mucor）2. 根霉属（根霉属（Rhizopus）3. 曲霉属（曲霉属（Aspergillus）4. 青霉属（青霉属（Pericillium）5. 木霉属（木霉属（Trichoderma）等）等 丝状真菌的代表属：丝状真菌的代表属：真菌是在细胞结构和遗传体制上具有特殊性的真核微生物真菌是在细胞结构和遗传体制上具有特殊性的真核微生物1. 它们具有类似于高等动植物的细胞核和染色体结构，可进它们具有类似于高等动植物的细胞核和染色体结构，可进行有性生殖行有性生殖2. 具有微生物的生长迅速、生

2、活周期短、便于培养等优点具有微生物的生长迅速、生活周期短、便于培养等优点因此，丝状真菌，尤其是粗糙脉孢菌因此，丝状真菌，尤其是粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)和和构巢曲霉构巢曲霉(Aspergillus nidulans)一直是研究真核生物遗传重组、一直是研究真核生物遗传重组、基因结构和基因表达调节的模式系统。基因结构和基因表达调节的模式系统。第一节第一节 微生物的生活史微生物的生活史细菌、不完全菌（真菌半知菌纲）、高等动植物生活史的细菌、不完全菌（真菌半知菌纲）、高等动植物生活史的主要区别点：主要区别点：1. 营养体是单倍体还是双倍体营养体是单倍体还是双倍体2. 营养细胞一再

3、分裂成无性繁殖系还是形成多细胞个体营养细胞一再分裂成无性繁殖系还是形成多细胞个体3. 异核体和双倍体是暂时过渡还是可以生存繁殖异核体和双倍体是暂时过渡还是可以生存繁殖4. 性别分化的程度性别分化的程度什么是不完全菌？什么是不完全菌？双倍体细胞双倍体细胞双倍体细胞双倍体细胞减数分裂减数分裂单倍体细胞单倍体细胞单倍体细胞单倍体细胞异核体细胞异核体细胞（暂时存在）（暂时存在）双倍体细胞双倍体细胞（结合子）（结合子）个体个体高等动植物生活史高等动植物生活史单倍体细胞单倍体细胞单倍体细胞单倍体细胞减数分裂减数分裂异核体异核体细胞细胞单倍体细胞单倍体细胞无性繁殖系无性繁殖系双倍体双倍体细胞细胞暂时存在暂时

4、存在单倍体细胞单倍体细胞单倍体细胞单倍体细胞减数分裂减数分裂异核菌异核菌丝体丝体单倍体细胞单倍体细胞无性繁殖系无性繁殖系双倍菌双倍菌丝体丝体无性繁殖系无性繁殖系无性繁殖系无性繁殖系细菌生活史细菌生活史不完全菌生活史不完全菌生活史1. 高等动植物以双倍体为主，细菌以单倍体为主，不完全菌介于二高等动植物以双倍体为主，细菌以单倍体为主，不完全菌介于二者之间，但更接近于细菌。者之间，但更接近于细菌。2. 高等动植物的双倍体细胞一再分裂的结果形成个体，细菌的单倍高等动植物的双倍体细胞一再分裂的结果形成个体，细菌的单倍体分裂形成无性繁殖系，不完全菌也是多细胞，但更接近于细菌。体分裂形成无性繁殖系，不完全菌

5、也是多细胞，但更接近于细菌。3. 异核体在高等动植物和细菌中都暂时存在，而在不完全菌中单倍异核体在高等动植物和细菌中都暂时存在，而在不完全菌中单倍体、双倍体或异核体都能形成无性繁殖系。体、双倍体或异核体都能形成无性繁殖系。4. 就性的分化而言，细菌和不完全菌没有性细胞和体细胞之分，这就性的分化而言，细菌和不完全菌没有性细胞和体细胞之分，这和高等动植物有明显的区别。在微生物中除产生有性孢子的种类之和高等动植物有明显的区别。在微生物中除产生有性孢子的种类之外，细菌和不完全菌的双倍体世代和单倍体世代的细胞没有明显的外，细菌和不完全菌的双倍体世代和单倍体世代的细胞没有明显的形态和生理区别。形态和生理区

6、别。三类生物的生活史的特点：三类生物的生活史的特点：粗糙脉孢菌的顺序排列四分体粗糙脉孢菌的顺序排列四分体第二节第二节 粗糙脉孢菌的遗传分析粗糙脉孢菌的遗传分析菌丝菌丝a原子原子囊果囊果子囊果子囊果子囊孢子子囊孢子子囊孢子子囊孢子无性繁殖无性繁殖无性繁殖无性繁殖分生孢子分生孢子分生孢子分生孢子接合子接合子菌丝菌丝A发芽发芽菌丝融合菌丝融合发芽发芽有性繁殖有性繁殖原子原子囊果囊果第二次第二次分裂分裂第一次第一次分裂分裂减数分裂减数分裂原子原子囊果囊果一、粗糙脉孢菌的生活史一、粗糙脉孢菌的生活史减数分裂的产物在一个子囊内形成顺序排列的四分体，是粗减数分裂的产物在一个子囊内形成顺序排列的四分体，是粗糙

7、脉孢菌有性杂交的特点。对顺序排列的四分体可以进行如糙脉孢菌有性杂交的特点。对顺序排列的四分体可以进行如下的遗传分析：下的遗传分析：判断第一次分裂分离和第二次分裂分离判断第一次分裂分离和第二次分裂分离计算着丝粒距离计算着丝粒距离计算重组频率计算重组频率 二、粗糙脉孢菌有性杂交的四分体遗传分析二、粗糙脉孢菌有性杂交的四分体遗传分析1. 第一次分裂分离和第二次分裂分离第一次分裂分离和第二次分裂分离 第一次减数分裂第一次减数分裂第二次减数分裂第二次减数分裂有丝分裂有丝分裂第一次减数分裂第一次减数分裂第二次减数分裂第二次减数分裂有丝分裂有丝分裂I型和型和型：第一次分裂分离型：第一次分裂分离型、型、型、型

8、、V型、型、型：第二次分裂分离型：第二次分裂分离 粗糙脉孢菌的子囊孢子的排列共有下面粗糙脉孢菌的子囊孢子的排列共有下面6种方式种方式I A A A A a a a aII a a a a A A A A A A a a A A a a a a A A a a A AV A A a a a a A A a a A A A A a a2.着丝粒距离着丝粒距离粗糙脉孢菌中粗糙脉孢菌中8个子囊孢子的排列方式可反映基因分离的方式个子囊孢子的排列方式可反映基因分离的方式以及基因与着丝粒之间是否有染色体交换发生。以及基因与着丝粒之间是否有染色体交换发生。经典遗传学研究巳证明，经典遗传学研究巳证明，染色体上两

9、个位点之间的距离越远，染色体上两个位点之间的距离越远，则这两位点之间发生交换的频率也就越高。则这两位点之间发生交换的频率也就越高。着丝粒距离着丝粒距离=1/2第二次分裂分离子囊数第二次分裂分离子囊数总子囊数总子囊数100图距单位图距单位粗糙脉孢菌的接合型基因的着丝粒距离的测定：粗糙脉孢菌的接合型基因的着丝粒距离的测定：分裂分离分裂分离子囊类型子囊类型子囊数目子囊数目第一次分裂分离第一次分裂分离第二次分裂分离第二次分裂分离AAAAaaaaaaaaAAAAAAaaAAaaaaAAaaAAAAaaaaAAaaAAAAaa105129951016着丝粒距离着丝粒距离=1/2(9+5+10+16)105

10、+129+9+5+10+16100=7.3图距图距3. 着丝粒距离和重组频率着丝粒距离和重组频率用重组频率来表示基因之间遗传距离。用重组频率来表示基因之间遗传距离。两个基因之间的重组距离是这两个基因与着丝粒距离之和或两个基因之间的重组距离是这两个基因与着丝粒距离之和或之差。之差。可以进行粗糙脉孢菌的连锁群分析。可以进行粗糙脉孢菌的连锁群分析。真菌的准性生殖真菌的准性生殖是指异是指异核体真菌菌丝细胞（体核体真菌菌丝细胞（体细胞）中细胞）中2个遗传物质个遗传物质不同的细胞核结合成杂不同的细胞核结合成杂合二倍体的细胞核，这合二倍体的细胞核，这种二倍体细胞核在有丝种二倍体细胞核在有丝分裂过程中可以发生

11、染分裂过程中可以发生染色体交换和单倍体化，色体交换和单倍体化，最后形成遗传物质重组最后形成遗传物质重组的单倍体的过程。的单倍体的过程。 第三节第三节 真菌的准性生殖（真菌的准性生殖（parasexual cycle）准性生殖和有性生殖的主要区别：准性生殖和有性生殖的主要区别：1. 有性生殖过程导致有性孢子的产生，这些有性孢子在形态、有性生殖过程导致有性孢子的产生，这些有性孢子在形态、生理上都和营养体细胞不同，而且产生在特殊的囊器中。生理上都和营养体细胞不同，而且产生在特殊的囊器中。准性生殖过程虽然也导致基因重组，但重组体细胞和一般准性生殖过程虽然也导致基因重组，但重组体细胞和一般的营养细胞没有

12、不同，也不产生在特殊的囊器中。的营养细胞没有不同，也不产生在特殊的囊器中。2. 在有性生殖中通过减数分裂使染色体交换和随机分配而导在有性生殖中通过减数分裂使染色体交换和随机分配而导致基因重组，其染色体的交换和每对染色体减为半数是一致基因重组，其染色体的交换和每对染色体减为半数是一个很有规律的协调过程。在准性生殖过程中，染色体的交个很有规律的协调过程。在准性生殖过程中，染色体的交换和染色体减少是不规则且不协调的过程。换和染色体减少是不规则且不协调的过程。准性生殖过程包括准性生殖过程包括: 异核体的形成异核体的形成 二倍体的形成二倍体的形成 染色体单倍化和体细胞交换染色体单倍化和体细胞交换当带有不

13、同遗传性状的两个单倍体细胞或菌丝相互融合时，当带有不同遗传性状的两个单倍体细胞或菌丝相互融合时，会导致在一个细胞或菌丝中并存有两种或两种以上不同遗传会导致在一个细胞或菌丝中并存有两种或两种以上不同遗传型的细胞核，这样的细胞或菌丝就叫型的细胞核，这样的细胞或菌丝就叫异核体异核体。异核体的形成是进行准性生殖的第一步。异核体的形成是进行准性生殖的第一步。1. 异核体的形成异核体的形成构巢曲霉构巢曲霉A接合型接合型(leu- met+)突变株与突变株与A接合型接合型 (leu+ met-)突变株突变株少量原养型菌落少量原养型菌落菌落是异核体菌落是异核体混合接种在基本培养基上培养混合接种在基本培养基上培

14、养(1)异核体的证实：将两个营养缺陷型菌株混合培养，出现原异核体的证实：将两个营养缺陷型菌株混合培养，出现原养型菌落的原因可能是由于互养、异核体、二倍体或单倍重养型菌落的原因可能是由于互养、异核体、二倍体或单倍重组体的存在。组体的存在。a.互养的排除：互养的排除： 将原养型菌落上取下的少量菌丝接种于养料将原养型菌落上取下的少量菌丝接种于养料贫乏的培养基上。在放大镜下将从接种处向外长出的菌丝的贫乏的培养基上。在放大镜下将从接种处向外长出的菌丝的尖端连同小块培养基切下，放在基本培养基上。尖端连同小块培养基切下，放在基本培养基上。b.二倍体或单倍体的排除：二倍体或单倍体的排除： 将将leu- met

15、+株和株和 leu+ met-株的分株的分生孢子混合接种在基本培养基上，取出其上长出的菌落的单生孢子混合接种在基本培养基上，取出其上长出的菌落的单个菌丝尖端，接种于基本培养基上，得到由单个菌丝尖端所个菌丝尖端，接种于基本培养基上，得到由单个菌丝尖端所长成的培养物。长成的培养物。(2)异核体的生物学意义：异核体的生物学意义： 异核体包含着不同基因型的细胞核：异核体包含着不同基因型的细胞核： 具有生长优势具有生长优势 具有更好的环境适应能力具有更好的环境适应能力 此外，异核体在遗传分析中也很重要，由于异核体内的两此外，异核体在遗传分析中也很重要，由于异核体内的两个不同营养缺陷型的细胞具有互补作用，

16、因此可以用异核体个不同营养缺陷型的细胞具有互补作用，因此可以用异核体进行基因等位性的测定等研究。进行基因等位性的测定等研究。 异核体的形成与异核体的形成与A、a接合型之间没有关系，但接合型可影接合型之间没有关系，但接合型可影响形成异核体的难易程度，相同接合型的菌株间更容易形成响形成异核体的难易程度，相同接合型的菌株间更容易形成异核体。异核体是由基因型决定的，在粗糙脉孢菌中已发现异核体。异核体是由基因型决定的，在粗糙脉孢菌中已发现至少有至少有10个基因与异核体的形成有关。个基因与异核体的形成有关。2. 杂合二倍体的形成杂合二倍体的形成 1956年，年，Pontecorvo等人在用构巢曲霉等人在用

17、构巢曲霉 白色突变株白色突变株(w- y+)和和黄色突变株黄色突变株(w+ y-) 进行共培养进行共培养 在培养基上得到产生形成绿色孢子的菌株。在培养基上得到产生形成绿色孢子的菌株。由异核体由异核体(w- y+/ w+ y-)所产生的孢子应该是白色和黄色两所产生的孢子应该是白色和黄色两种，那么绿色的孢子是怎样形成的呢种，那么绿色的孢子是怎样形成的呢?经研究发现该绿色的分生孢子并不稳定，在形成大菌落时，经研究发现该绿色的分生孢子并不稳定，在形成大菌落时，常常会以很低的频率出现白色或黄色的扇形面常常会以很低的频率出现白色或黄色的扇形面角变。角变。核融合：核融合：是指两个单倍体核融合形成一个二倍体核

18、的现象。基是指两个单倍体核融合形成一个二倍体核的现象。基因型相同的核融合形成纯合二倍体，基因型不同的核融合形成因型相同的核融合形成纯合二倍体，基因型不同的核融合形成杂合二倍体。杂合二倍体。异核体中两个基因型不同的细胞核以极低频率异核体中两个基因型不同的细胞核以极低频率(10-710-5) 融合融合成杂合二倍体。成杂合二倍体。某些理化因素某些理化因素(如紫外线、樟脑蒸气或高温如紫外线、樟脑蒸气或高温)处理，可提高杂合处理，可提高杂合二倍体产生的频率。原因可能是由于在处理过程中使某些抑制二倍体产生的频率。原因可能是由于在处理过程中使某些抑制核融合的基因发生突变的结果。核融合的基因发生突变的结果。大

19、小：大小：构巢曲霉、黑曲霉等的二倍体分生孢子大于单倍体的分生孢子构巢曲霉、黑曲霉等的二倍体分生孢子大于单倍体的分生孢子数量：数量：酱油曲霉中，尽管分生孢子的大小是一样的，但每个分生孢子中染色体酱油曲霉中，尽管分生孢子的大小是一样的，但每个分生孢子中染色体的数目不同，二倍体分生孢子中的数目不同，二倍体分生孢子中DNA含量约为单倍体分生孢子的一倍。含量约为单倍体分生孢子的一倍。 根据杂合体细胞二倍体的特性，不难将它们与异核体菌落根据杂合体细胞二倍体的特性，不难将它们与异核体菌落及回复突变产生的原养型菌落区别开来。及回复突变产生的原养型菌落区别开来。 通过测定通过测定培养特征、稳定性、分生孢子核型、

20、分生孢子大培养特征、稳定性、分生孢子核型、分生孢子大小及小及DNA含量含量和采用双标记菌株实验，即可排除异核体、单和采用双标记菌株实验，即可排除异核体、单倍体和回复突变。倍体和回复突变。二倍体分生孢子与单倍体分生孢子、异核体的不同：二倍体分生孢子与单倍体分生孢子、异核体的不同：准性生殖过程中产生的二倍体并不像有性生殖过程中的二倍准性生殖过程中产生的二倍体并不像有性生殖过程中的二倍体那样进行减数分裂，它们仍以有丝分裂的形式增殖。体那样进行减数分裂，它们仍以有丝分裂的形式增殖。二倍体细胞比异核体较为稳定。二倍体细胞比异核体较为稳定。稳定性是相对的，从异核体中可以得到少数二倍体，从大量稳定性是相对的

21、，从异核体中可以得到少数二倍体，从大量的二倍体分生孢子中也可以得到少数体细胞分离子。的二倍体分生孢子中也可以得到少数体细胞分离子。3. 体细胞交换和单元化体细胞交换和单元化 w- y+w+ y-绿色绿色w- y+w+ y-w+ y-w- y-w+ y+w- y+w+ y-w- y-w+ y+w- y+黄色黄色w+ y-w- y-w+ y+w- y+白色白色所谓分离子包括重组体和非整倍体或单倍体。产生非整倍体所谓分离子包括重组体和非整倍体或单倍体。产生非整倍体或单倍体的过程称为单元化，产生重组体的过程称为或单倍体的过程称为单元化，产生重组体的过程称为体细胞体细胞交换交换。体细胞交换体细胞交换非整

22、倍体或单倍体非整倍体或单倍体 在准性生殖过程中异核体产生二倍体的概率是在准性生殖过程中异核体产生二倍体的概率是 10-6，二倍体，二倍体产生单倍体的概率是产生单倍体的概率是10-3，二倍体核中发生体细胞交换的概，二倍体核中发生体细胞交换的概率是率是10-2。体细胞交换和单元化是两个独立发生的事件，二者发生在体细胞交换和单元化是两个独立发生的事件，二者发生在同一细胞中的概率很小，同一染色体上发生两次交换的概同一细胞中的概率很小，同一染色体上发生两次交换的概率同样很小。率同样很小。第四节第四节 丝状真菌的遗传物质丝状真菌的遗传物质 真菌的遗传物质包括真菌的遗传物质包括5种成分：种成分： 染色体基因

23、染色体基因 线粒体基因线粒体基因 质粒质粒 转座因子转座因子 病毒基因病毒基因除丝状真菌基因组含有较少的除丝状真菌基因组含有较少的(约为约为25)重复重复DNA序列序列外，丝状真菌的核基因组和线粒体基因组及其结构功能与高外，丝状真菌的核基因组和线粒体基因组及其结构功能与高等真核生物类似。丝状真菌单倍体通常含有等真核生物类似。丝状真菌单倍体通常含有68个线状染色个线状染色体，基因组大小平均为体，基因组大小平均为21074107bp。真菌的基因也有内含子，但一般较短，大约真菌的基因也有内含子，但一般较短，大约50200bp。如粗。如粗糙脉孢菌单倍体基因组为糙脉孢菌单倍体基因组为4.3107bp，G

24、+C含量为含量为54，每，每条染色体的大小为条染色体的大小为410.3Mb。已经对粗糙脉孢菌中的。已经对粗糙脉孢菌中的2000多个不同的基因进行了鉴定。多个不同的基因进行了鉴定。 一、核基因组结构一、核基因组结构丝状真菌线粒体丝状真菌线粒体DNA是大小为几十是大小为几十kb的环状结构，它含的环状结构，它含16S和和23S rRNA基因和基因和20多个多个tRNA基因，还有几个与电子传递基因，还有几个与电子传递链有关的结构基因。链有关的结构基因。线粒体基因组在正常复制过程中经常发生分子内重组，造线粒体基因组在正常复制过程中经常发生分子内重组，造成基因组大小的多变。重组的内容和方式有多种，如线粒成

25、基因组大小的多变。重组的内容和方式有多种，如线粒体体DNA重排、重排、DNA片段的插入或缺失，还有因内含子剪接片段的插入或缺失，还有因内含子剪接不同造成基因内所含内含子数目不等等。不同造成基因内所含内含子数目不等等。二、线粒体基因组二、线粒体基因组自从自从1989年从自然界分离的粗糙脉孢菌中发现了丝状真年从自然界分离的粗糙脉孢菌中发现了丝状真菌的第一个转座子菌的第一个转座子Tad以来，从许多其他丝状真菌中也以来，从许多其他丝状真菌中也发现了转座因子，而且转座因子与植物病原菌的致病和发现了转座因子，而且转座因子与植物病原菌的致病和培养性状的高度变异有关。很多真菌细胞内带有质粒，培养性状的高度变异

26、有关。很多真菌细胞内带有质粒，有些真菌细胞内含有病毒。有些真菌细胞内含有病毒。 三、质粒、转座因子及病毒三、质粒、转座因子及病毒大多数丝状真菌中的质粒位于线粒体内，目前还没有发现质大多数丝状真菌中的质粒位于线粒体内，目前还没有发现质粒对寄主真菌的生长有明显的影响。也许质粒能够赋予寄主粒对寄主真菌的生长有明显的影响。也许质粒能够赋予寄主选择优势，如在线粒体代谢或分裂的某些方面。另外，有些选择优势，如在线粒体代谢或分裂的某些方面。另外，有些质粒与宿主真菌的老化有关。质粒与宿主真菌的老化有关。 第五节第五节 丝状真菌中的质粒丝状真菌中的质粒真菌细胞中的质粒一般是环状或线性的双链真菌细胞中的质粒一般是

27、环状或线性的双链DNA分子，而且分子，而且大多是不编码任何表型性状的隐蔽质粒，位于细胞核或线粒大多是不编码任何表型性状的隐蔽质粒，位于细胞核或线粒体内。体内。1. 线性质粒线性质粒 有末端反向重复序列有末端反向重复序列(TIR)，其长度因质粒种类而异，其长度因质粒种类而异质粒的两个质粒的两个5末端各有一个结合蛋白，保护质粒不受核酸外末端各有一个结合蛋白，保护质粒不受核酸外切酶的破坏切酶的破坏有两个非重叠的有两个非重叠的ORF，每个，每个 ORF都起始于末端反向重复序都起始于末端反向重复序列内，但转录方向相反，即转录方向都是从末端指向中央。其列内，但转录方向相反，即转录方向都是从末端指向中央。其

28、中一个中一个ORF编码编码DNA聚合酶，另一个编码聚合酶，另一个编码RNA聚合酶，它们聚合酶，它们与噬菌体和酵母线粒体中的聚合酶具有相似性。在两个与噬菌体和酵母线粒体中的聚合酶具有相似性。在两个ORF之之间有基因间隔区，虽然含有转录信号，但尚未发现有什么功能。间有基因间隔区，虽然含有转录信号，但尚未发现有什么功能。一、质粒的类型一、质粒的类型2. 环状质粒环状质粒 Fiji和和LaBelle这两种环状质粒编码这两种环状质粒编码DNA聚合酶；聚合酶；Mauriceville和和 Varkud这两种质粒编码反转录酶。这两种质粒编码反转录酶。脉孢菌属中的环状质粒都产生全长的脉孢菌属中的环状质粒都产生

29、全长的RNA转录物，特别是转录物，特别是Mauriceville和和Varkud质粒。质粒。 大多数真菌的线性质粒也具有末端重复序列（大多数真菌的线性质粒也具有末端重复序列（TIR）和共价）和共价结合蛋白结合蛋白(TP) 。有些质粒具有像脉孢菌那样的两个。有些质粒具有像脉孢菌那样的两个ORF，但有些只有一个但有些只有一个ORF。不同的质粒，其不同的质粒，其ORF的排列可能也不同。有些质粒如尖孢镰的排列可能也不同。有些质粒如尖孢镰刀菌中的质粒：刀菌中的质粒：pFOXC1、pFOXC2、pFOXC3则编码反转则编码反转录酶。录酶。立枯丝核菌中的立枯丝核菌中的3个线性质粒在几方面表现出非典型性，它个线性质粒在几方面表现出非典型性，它们的末端似乎是闭合的发夹结构，其们的末端似乎是闭合的发夹结构，其ORF都不大于都不大于91个氨基个氨基酸。酸。3. 其他丝状真菌中的质粒其他丝状真菌中的质粒一般线粒体质粒的遗传与线粒体和线粒体一般线粒体质粒的遗传与线粒体和线粒体DNA(mtDNA)有有相同的遗传方式。在有性杂交中，母本的质粒绝大