微生物学讲义 第十章

1、微生物是遗传学研究的优良材料：微生物是遗传学研究的优良材料：t 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。t易于人工培养，快速、大量生长繁殖易于人工培养，快速、大量生长繁殖。t 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。第一节 遗传的物质基础一、DNA作为遗传物质二、RNA作为遗传物质三、朊病毒的发现与思考3、 T2噬菌体感染实验（噬菌体感染实验（1952年）年）1、 Griffith转化实验（转化实验（1928年）年）2、 Avery进一步证明进一步证明DNA为遗传

2、物质（为遗传物质（1944年）年）一、一、DNA作为遗传物质作为遗传物质第一节 遗传的物质基础（参见（参见 P194）AveryAvery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验分别用降解分别用降解DNADNA、RNARNA、蛋白质的酶蛋白质的酶作用于有毒的作用于有毒的S S型菌细胞抽提物型菌细胞抽提物只有只有DNADNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性被酶降解破坏的抽提物无转化活性DNADNA是转化所必需的转化因子是转化所必需的转化因子 灭活的灭活的S + 活的活的 R 型型 活的活的S （不致死（不致死 ） （不致死（不致死 ） （致死（致死 ）判

3、断：灭活的判断：灭活的S 中的遗传物质进入活的中的遗传物质进入活的 R 型菌并表达毒性型菌并表达毒性 Griffith（1928年）称之为转化现象年）称之为转化现象1、 Griffith转化实验（转化实验（1928年）年）2、 Avery进一步证明进一步证明DNA为遗传物质（为遗传物质（1944年）年）只有只有DNADNA被酶降解破坏的被酶降解破坏的灭活灭活S的的抽提物无转化活性抽提物无转化活性分别用降解分别用降解DNADNA、RNARNA、蛋白质的酶处理蛋白质的酶处理灭活灭活S的的细胞抽提物细胞抽提物DNA为遗传物质为遗传物质3、 T2（Type 2）噬菌体感染实验（）噬菌体感染实验（195

4、2年）年）第一节 遗传的物质基础（参见（参见 P195）二、二、RNA作为遗传物质作为遗传物质分别提取病毒（TMV）的蛋白质外壳和病毒（HR）的核酸（RNA） 抗血清处理，证明杂种病毒的蛋白质外壳来自病毒（TMV），而非病毒（HR）杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为病毒（HR），而非病毒（TMV）遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质HRHRTMVTMVHRTMV第一节 遗传的物质基础三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考（参见（参见 P191 和和 P195）亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚未 发现该蛋白内含有核酸。其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrP c改变折叠状

5、态为PrP sc所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。人的库鲁病(kuru)、克雅氏病(Creutzfeldt Jakob disease, CJD)等羊搔痒症(scrapie)牛海绵状脑病(spongiform encephalopathy)Prusiner (1982)提出羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒（proteinaceous infectious particle），并将之称做Prion或Virino。 -朊病毒1997年，Stanley B. Prusiner荣获诺贝尔奖 诺贝尔奖（始于1901） 诺贝尔奖包括金质奖章、证书和奖金支票。诺贝尔奖包括金质奖章、证书和奖金支票。其

6、中奖金数视基金会的收入而定，奖金的面其中奖金数视基金会的收入而定，奖金的面值由于通货膨胀逐年有所提高：值由于通货膨胀逐年有所提高： 最初：万美元最初：万美元 世纪年代：万美元世纪年代：万美元 年代：万美元年代：万美元 年代：万美元年代：万美元 年：万美元。年：万美元。 诺贝尔奖的证书（诺贝尔奖的证书（Diplomas）各具风采，）各具风采，是独一无二的艺术品。左侧是由艺术家是独一无二的艺术品。左侧是由艺术家根据各位诺贝尔奖得主获奖工作的特质根据各位诺贝尔奖得主获奖工作的特质为其创作的画作，右侧是书法家用瑞典为其创作的画作，右侧是书法家用瑞典文或挪威文书写的、说明其获奖事宜的文或挪威文书写的、说

7、明其获奖事宜的正文。设立物理、化学、生理与医学、正文。设立物理、化学、生理与医学、文学及和平、经济六种奖项。文学及和平、经济六种奖项。 物理学生理学、医学经济学和平（Diplomas）化学文学第一节 遗传的物质基础三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考（参见（参见 P191 和和 P195）1）蛋白质是否可以作为遗传物质？ prion是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？2）蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？DNARNARNA肽链肽链蛋白质蛋白质（参见（参见 P197）第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构一、概念一、概念基因组（基因组（genomegeno

8、me）：）：一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称。息的总称。原核生物（如细菌），一般为单倍体，只有一条染色体原核生物（如细菌），一般为单倍体，只有一条染色体真核微生物：真核微生物：多为多为二倍体，有多条染色体，例如啤酒二倍体，有多条染色体，例如啤酒 酵母有酵母有1616条染色体，有时为双倍体。条染色体，有时为双倍体。（参见（参见 P197）第二节 微生物的基因组结构二、微生物与人类基因组计划二、微生物与人类基因组计划人类基因组计划 （Human Genome Project）1985年提出；年提出； 1990年正式开始实施；年正式

9、开始实施； 计划计划2005年年2月，测序工作完成月，测序工作完成后基因组时代（Postgenome Era）人类基因组计划人类基因组计划 （Human Genome Project） 人类基因组计划是美国科学家于年率先提人类基因组计划是美国科学家于年率先提出的，旨在阐明人类基因组碱基对的序列，发现所出的，旨在阐明人类基因组碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。计划于年正式启动，原计划于认识自我。计划于年正式启动，原计划于年完成

10、。这一价值亿美元的计划的目年完成。这一价值亿美元的计划的目标是，为亿个碱基对构成的人类基因组精确测标是，为亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作序，从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作用。用。 我国是参与计划的唯一发展中国家我国是参与计划的唯一发展中国家 年，被誉为生命年，被誉为生命“登月计划登月计划”的国的国际人类基因组计划启动。年月，际人类基因组计划启动。年月，我国获准参与人类基因组计划，负责测定人我国获准参与人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的，也就是号染色类基因组全部序列的，也就是号染色体上的万个碱基对，我国因此成为体上的万个碱基对，我

11、国因此成为参与计划的唯一发展中国家。我国参与计划的唯一发展中国家。我国于年月日绘制完成年月日绘制完成“中国卷中国卷”。 人类基因组计划的研究目标已实现人类基因组计划的研究目标已实现 年月日，美国联邦国家年月日，美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯人类基因组研究项目负责人弗朗西斯柯柯林斯博士在华盛顿宣布，美、英、日、林斯博士在华盛顿宣布，美、英、日、法、德和中国科学家经过年努力共法、德和中国科学家经过年努力共同绘制完成了人类基因组序列图，人类同绘制完成了人类基因组序列图，人类基因组计划的目标全部实现。基因组计划的目标全部实现。 结论 初步分析表明，人类基因组由初步分析表明，人类基因组由亿

12、个碱基对组成，共有万至万个基亿个碱基对组成，共有万至万个基因，比线虫仅多万个，比果蝇多万个，因，比线虫仅多万个，比果蝇多万个，远小于原先万个基因的估计。另外，科远小于原先万个基因的估计。另外，科学家还发现与蛋白质合成有关的基因只占整学家还发现与蛋白质合成有关的基因只占整个基因组的。个基因组的。 目前正在实施人类基因组单体型图计划目前正在实施人类基因组单体型图计划 继人类基因组计划之后，继人类基因组计划之后，美国美国、英国英国、日本日本、加拿大加拿大和中国科学家共同发起和和中国科学家共同发起和参与了人类基因组单体型图计划，旨在参与了人类基因组单体型图计划，旨在分析各主要人类群体的差异，并在此基分

13、析各主要人类群体的差异，并在此基础上进一步分析所有与疾病相关的序列础上进一步分析所有与疾病相关的序列差异，为世纪的差异，为世纪的“个人医学个人医学”奠定奠定基础，基础，“只有在那个时候，人类基因组只有在那个时候，人类基因组计划才能显示出全部意义。计划才能显示出全部意义。” 中国承担的任务中国承担的任务 参与单体型图个国家的任务已经确定：参与单体型图个国家的任务已经确定：美国，日本，英国，美国，日本，英国，加拿大，中国。加拿大，中国。“中国卷中国卷”的具体内容是构建号、号染色体和的具体内容是构建号、号染色体和号染色体短臂的人类基因组单体型图。号染色体短臂的人类基因组单体型图。 （参见（参见 P1

14、97）第二节 微生物的基因组结构二、微生物与人类基因组计划被选择进行全基因组测序的微生物：被选择进行全基因组测序的微生物：1、人类基因组计划中的模式生物、人类基因组计划中的模式生物2、与人类生活关系密切的微生物、与人类生活关系密切的微生物重要的致病菌及一些工业生产菌：大肠杆菌、幽门螺杆菌、结核杆菌、梅毒螺旋体、流感病毒、大肠杆菌、幽门螺杆菌、结核杆菌、梅毒螺旋体、流感病毒、耐超高温热棒菌、产气荚膜梭菌耐超高温热棒菌、产气荚膜梭菌 3、对阐明生物学基本问题有价值的微生物、对阐明生物学基本问题有价值的微生物例如一些古生菌：如Methanococcus jannaschii (詹氏甲烷球菌)等啤酒酵

15、母1994年美国发起了微生物基因组研究计划（年美国发起了微生物基因组研究计划（MGP ）（参见（参见 P201）第二节 微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点1、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）细菌染色体为）细菌染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；（参见（参见 P197-200）第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点1、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）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNA

16、分子（单倍体）；分子（单倍体）；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；基因数接近由它的基因组大小所估计的基因数参见表8-1（通常以1000bp1500bp为一个基因进行计算）一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。（参见（参见 P197-200）第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点1、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）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；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；3）功能相

17、关的结构基因组成操纵子结构；）功能相关的结构基因组成操纵子结构；4）结构基因的单拷贝及）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；基因的多拷贝；5）基因组的重复序列少而短；）基因组的重复序列少而短；古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统(复制、转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生物。操纵子（operon）：是一个结构上、功能上协同作用的整体，受同一调节基因和启动区的调控，包括启动子、操作子和结构基因。第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点（参见（参见 P197-200）2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组、真核微生物（啤

18、酒酵母）的基因组1）典型的真核染色体结构；）典型的真核染色体结构；2）没有明显的操纵子结构；）没有明显的操纵子结构；啤酒酵母基因组大小为13.5106bp，分布在16条染色体中。3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；4）重复序列多。）重复序列多。 真核细胞中单拷贝顺序和重复顺序常常真核细胞中单拷贝顺序和重复顺序常常是间隔排列的。不仅如此，在一个基因是间隔排列的。不仅如此，在一个基因内部往往被一个或几个额外的顺序分割内部往往被一个或几个额外的顺序分割成若干片段，这种插入到基因内部的顺成若干片段，这种插入到基因内部的顺序称为插入顺序或内含子（序称为插入顺序或

19、内含子（intron）。内）。内含子是不编码的顺序，而编码的碱基顺含子是不编码的顺序，而编码的碱基顺序则称为外显子（序则称为外显子（exon）。插入顺序是）。插入顺序是真核细胞真核细胞DNA最主要的特征。最主要的特征。 第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子（参见（参见 P200）质粒（质粒（plasmid）：）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传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。因子，主要存在于各种微生物细胞中。吖啶类染料、高温、某些离子作用可消除质粒。吖啶类染料、高温、某些离子作用可消除质粒。 转座因子（转座因子（transpo

20、sable element）：）：位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，序列，广泛分布于原核和真核细胞中。广泛分布于原核和真核细胞中。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子遗传因子第三节 质粒和转座因子（参见（参见 P201）一、质粒的分子结构一、质粒的分子结构1、结构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；也发现有线型双链也发现有线型双链DNA质粒和质粒和RNA质粒；质粒；质粒分子的大小范围从质粒分子的大

21、小范围从1kb左右到左右到1000kb；（细菌质粒多在（细菌质粒多在10kb以内）以内）第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子（参见（参见 P201）一、质粒的分子结构一、质粒的分子结构2、质粒的检测、质粒的检测t 提取所有胞内提取所有胞内DNA后电镜观察；后电镜观察；t 超速离心或琼脂糖凝胶电泳与染色体超速离心或琼脂糖凝胶电泳与染色体DNA分开后观察分开后观察；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。第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子（参见（参见 P201）二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型在

22、某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以在某些特殊条件下，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。特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。质粒所含的质粒所含的基因基因对宿主细胞一般是非必需的；对宿主细胞一般是非必需的；第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子（参见（参见 P202）二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应致育因子（Fertility factor，F因子）抗性因子（Resistance factor，R因子）产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）毒性质粒（virulence plasmid

23、）代谢质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒（cryptic plasmid）第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子（参见（参见 P202）二、质粒的主要类型1、致育因子致育因子(Fertility factor，F因子因子)又称又称F质粒，其大小约质粒，其大小约100kb，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（接合作用）有关的质粒。的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。携带携带F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F+菌株菌株（相当于雄性），无（相当于雄性），无F质粒的质粒的菌株称为菌株称为F-菌株（相当于雌性）。菌株（相当于雌性）。第三节第三节 质

24、粒和转座因子质粒和转座因子（参见（参见 P202）二、质粒的主要类型2、抗性因子（Resistance factor，R因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。R1质粒可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：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）这些抗性基因是成簇地存在于抗性质粒上。抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座

25、因子（参见（参见 P202）二、质粒的主要类型3、产细菌素的质粒（产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid） Col（产大肠杆菌素）质粒（产大肠杆菌素）质粒细菌素结构基因、 涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、 赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因携带该质粒的菌株，产生的细菌素携带该质粒的菌株，产生的细菌素(大肠菌素）大肠菌素）可以杀死周围近源不携带该质粒的菌株。可以杀死周围近源不携带该质粒的菌株。所编码基因：所编码基因：抑制近缘或同类菌株生长。抑制近缘或同类菌株生长。第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子（参见（

26、参见 P203）二、质粒的主要类型4、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。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素编码的质粒。苏云金杆菌含有编码内毒素(伴孢晶体中)的质粒根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子（参见（参见 P203）二、质粒的主要类型5、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，如能降解某些基质的酶，进行共生

27、固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。降解质粒：第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子（参见（参见 P203）二、质粒的主要类型6、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

28、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）（一般加上抗性基因）重要性状基因重要性状基因 重组插入质粒重组插入质粒 整合到表达细胞的染色体上整合到表达细胞的染色体上病毒蛋白疫苗病毒蛋白疫苗三、转座因子三、转座因子 transposible element 位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，序列，广泛分布于原核和真核细胞中。广泛分布于原核和真核细胞中。第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子原核生物转座因子有三类：原核生物转座因子有三类：插入序列插入序列 IS：最简单，只含转座酶基因，引起转座效

29、应，不：最简单，只含转座酶基因，引起转座效应，不 含其它基因。含其它基因。转座子转座子 Tn ：含有几个至十几个具有遗传特性的基因。：含有几个至十几个具有遗传特性的基因。Mu噬菌体：最大，含有噬菌体：最大，含有20多个基因。多个基因。转座因子是重要的遗传学研究和基因工程研究工具转座因子是重要的遗传学研究和基因工程研究工具 通过转座引起通过转座引起插入突变插入突变第四节第四节 基因突变及修复基因突变及修复（参见（参见 P 206）一个基因内部遗传结构或一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变序列的任何改变基因突变：第四节第四节 基因突变及修复基因突变及修复（参见（参见 P 206）一个基因内部

30、遗传结构或一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变序列的任何改变基因突变：基因突变基因突变DNA损伤修复机制损伤修复机制突变突变自发突变诱变DNA复制过程中自发产生的突变，复制过程中自发产生的突变，频率较低，通常为频率较低，通常为10-6-10-9 。某些物理、化学因素对某些物理、化学因素对DNA直接直接作用产生的突变，频率高作用产生的突变，频率高。前突可以通过DNA复制而成为真正的突变，也可以重新变为原来的结构，这取决于修复作用和其它多种因素。1）非对应性）非对应性（突变与环境之间）（突变与环境之间）2）稀有性）稀有性（突变率）（突变率）3）规律性）规律性（特定性状突变率）（特定性状突变率

31、）4）独立性）独立性（各种性状之间）（各种性状之间）5）遗传和回复性）遗传和回复性（突变型与野生型）（突变型与野生型）6）可诱变性）可诱变性（提高突变率）（提高突变率）第四节第四节 基因突变及修复基因突变及修复一、自发突变一、自发突变（参见（参见 P 209）特点：特点： 诱变剂：诱变剂： 能提高突变率的物理、化学和生物因子。能提高突变率的物理、化学和生物因子。 P211 种类：种类： 1、碱基类似物：、碱基类似物： 替代碱基整合进入替代碱基整合进入DNA 异构化异构化 碱基错配（转换）碱基错配（转换） 2、插入染料（吖啶类）、插入染料（吖啶类） 插入碱基对之间使其分开插入碱基对之间使其分开

32、DNA复制滑动复制滑动 移码移码 3、反应诱变剂、反应诱变剂 亚硝酸、羟胺和各种烷化剂亚硝酸、羟胺和各种烷化剂 转换、颠换、缺失转换、颠换、缺失 4、辐射、热、辐射、热 碱基聚合碱基聚合 碱基错配（转换）碱基错配（转换） C 脱氨脱氨 U 5、生物诱变因子、生物诱变因子 转座因子（转座因子（Tn、Mu）插入序列）插入序列 移码移码 （一般携带可选择标记，如抗性基因）（一般携带可选择标记，如抗性基因） 第四节第四节 基因突变及修复基因突变及修复二、诱变突变二、诱变突变第四节第四节 基因突变及修复基因突变及修复三、常见的微生物突变类型三、常见的微生物突变类型（参见（参见 P 207-209）1）营

33、养缺陷型（）营养缺陷型（auxotroph）一种缺乏合成其生存所必须的营养物（一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素包括氨基酸、维生素、碱基等、碱基等）的合成能力的突变型，只有从周围环境获得这些）的合成能力的突变型，只有从周围环境获得这些营养或其前体物才能生长。营养或其前体物才能生长。营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段育种的重要手段表型判断的标准：在基本培养基上能否生长在基本培养基上能否生长第四节第四节 基因突变及修复基因突变及修复三、常见的微生物突变类型三、常见的微生物突变类型（参见（参见 P 207-20

34、9）1）营养缺陷型（）营养缺陷型（auxotroph）特点：在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长负选择标记负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得突变株不能通过选择平板直接获得1）营养缺陷型（auxotroph）实验步骤见 P 208影印平板（影印平板（Replica plating）法是法是LederbergLederberg夫妇在夫妇在19521952年建立年建立第四节 基因突变及修复三、常见的微生物突变类型三、常见的微生物突变类型（参见（参见 P 207-209）营养缺陷型的表示方法：营养缺陷型的表示方法：1）营养缺陷型（）营养缺陷型（auxo

35、troph）基因型：基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC（组氨酸缺陷型，其中的大写字母组氨酸缺陷型，其中的大写字母C表示突变的基因表示突变的基因）表型：表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：第一个字母大写，且不用斜体：HisCHisC在具体使用时多用在具体使用时多用hisC-和和hisC+，分别表示缺陷型和野生型分别表示缺陷型和野生型。第四节 基因突变及修复三、常见的微生物突变类型三、常见的微生物突变类型（参见（参见 P 207-209）2）抗药性突变型（）抗药性突变型（resistant mutant）基因突变使菌株对某种或某几

36、种药物，特别是抗生素，产生抗性。基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。特点：特点：正选择标记正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得）（突变株可直接从抗性平板上获得）表示方法：表示方法：所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示表示strr 和和 strs 分别表示对链霉素的抗性和敏感性分别表示对链霉素的抗性和敏感性第四节 基因突变及修复三、常见的微生物突变类型三、常见的微生物突变类型（参见（参见 P 207-209）3）条件致死突变型（）条件致死突变型（conditional lethal mutant） 在某一条件下具有致死效应，

37、而在另一条件下没有致死在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。效应的突变型。常用的条件致死突变是温度敏感突变，用常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts（temperaturesensitive）表示，这类突变在高温下（如表示，这类突变在高温下（如42）是致死的，在低温（如）是致死的，在低温（如25-30）下生长。下生长。特点：负选择标记负选择标记这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因：耐高温基因第四节第四节 基因突变及修复基因突变及修复二、常见的微生物突变类型二、常见的微生物突变类型（参见（参见 P 207-209）4）形态突变型（）形态突变型（morpholog

38、ical mutant）造成形态改变的突变型特点：非选择性突变突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。举例：产蛋白酶缺陷突变株的筛选菌落颜色变化形成芽孢缺陷菌株第四节第四节 基因突变及修复基因突变及修复四、诱变剂与致癌物质四、诱变剂与致癌物质Ames试验试验（参见（参见 P 212）“生物化学统一性生物化学统一性”法则：人和细菌在人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，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也会使人能使微生物发生突变的诱变剂也会使人DNA发发生突变。生突变。回复突变回复突变(reverse mutation或或back mutation)：突变体失

39、去的野生型性状，可以通过第二次突变突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变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 - )的回复突变率的回复突变率Ames试验证明证明Ames试验重要性的应用实例：试验重要性的应用实例：在60-70年代十分流行“反应停” 但随后人们就发现畸形儿的出生率明

40、显增高，后来采用Ames试验证明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但如果能在这种药物上市之前就进行Ames试验检测，悲剧完全可以避免。第五节第五节 微生物育种微生物育种自发突变与育种自发突变与育种从生产中选育从生产中选育定向培育优良品种定向培育优良品种二、诱变育种二、诱变育种 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 3、筛选突变株的方法、筛选突变株的方法一、一、三、体内基因重组三、体内基因重组1、结合、转化、转导、原生质体融合、结合、转化、转导、原生质体融合2、杂交育种、杂交育种四、体外基因重组（四、体外基因重组（DNA Shuff

41、ling技术）技术）青霉素产量：青霉素产量：诱变育种的效果诱变育种的效果1945时间1943194319431947195519711977目前发酵单位(u/ml)10025050085085080002万5万510万 效价：指有效成分的浓度。效价：指有效成分的浓度。1ug/ul称为称为1 单位单位一、诱变育种的基本环节一、诱变育种的基本环节出发菌株出发菌株计算出计算出诱变诱变大多死亡大多死亡少数存活少数存活存活率存活率多数未变多数未变少数突变少数突变突变率突变率多数负变多数负变少数正变少数正变正变率正变率多数幅度小多数幅度小少数幅度大少数幅度大高产率高产率投产率投产率多数不宜投产多数不宜投产

42、少数适宜投产少数适宜投产 选择简便有效的诱变剂选择简便有效的诱变剂：紫外线、烷化剂：紫外线、烷化剂选优良的出发菌株选优良的出发菌株：生产中优良变异株：生产中优良变异株处理单孢子（或单细胞）悬液处理单孢子（或单细胞）悬液：易于纯化：易于纯化选用最适剂量选用最适剂量：杀菌率为：杀菌率为40-70%为宜为宜利用复合处理的协同效应利用复合处理的协同效应：两中、多种诱变剂：两中、多种诱变剂利用形态、生理与产量间的相关指标利用形态、生理与产量间的相关指标： 菌落形态、颜色、变色圈、抑制圈菌落形态、颜色、变色圈、抑制圈设计或采用高效筛选方案或方法：设计或采用高效筛选方案或方法：初筛、复筛初筛、复筛时期：对数

43、生长期时期：对数生长期二、诱变育种的原则二、诱变育种的原则三、筛选突变株的方法三、筛选突变株的方法1、高产突变、高产突变2、抗性突变、抗性突变3、营养缺陷型突变、营养缺陷型突变春日霉素产生春日霉素产生菌的孢子悬液菌的孢子悬液突变突变1 1、高高产产突突变变株株的的筛筛选选 含供试菌种含供试菌种（拮抗对象）（拮抗对象）的琼脂平板的琼脂平板培养基培养基( (含氯霉素含氯霉素) ) 接入接入解烃棒杆菌解烃棒杆菌（含抗性突变株）（含抗性突变株） 涂布涂布培养培养抗氯霉素的抗氯霉素的解烃棒杆菌解烃棒杆菌可筛选出可筛选出棒杆菌素高产菌棒杆菌素高产菌2、抗性突变的筛选、抗性突变的筛选 目的：目的：抗生素高产

44、菌抗生素高产菌 其它产物高产菌其它产物高产菌P233完全培养基完全培养基影印接种影印接种基本培养基基本培养基营养缺陷型营养缺陷型3、营养缺陷型、营养缺陷型突变筛选突变筛选影印法影印法3、营养缺陷型、营养缺陷型突变筛选突变筛选限量补充培养法限量补充培养法P232图图 含微量蛋白质的完全培养基上微量蛋白质的完全培养基上 小菌落是营养缺陷型突变株小菌落是营养缺陷型突变株第五节第五节 微生物育种微生物育种三、体内基因重组三、体内基因重组1、杂交育种、杂交育种原核微生物：转化、接合、转导原核微生物：转化、接合、转导 P215-222转化：转化：受体细胞直接吸收来自供体细胞的受体细胞直接吸收来自供体细胞的

45、DNADNA片断，并把它整合片断，并把它整合 到自己的基因组中，细胞部分遗传性状发生变化的现象。到自己的基因组中，细胞部分遗传性状发生变化的现象。 特点：特点：供体供体DNADNA片断片断注入受体细胞，通过细胞膜注入受体细胞，通过细胞膜 方法：方法： CaClCaCl2 2 、电穿孔法使受体细胞成为感受态、电穿孔法使受体细胞成为感受态转导：转导：遗传物质通过噬菌体的携带而转移的基因重组遗传物质通过噬菌体的携带而转移的基因重组 特点：特点：供体供体DNADNA片断通过媒介（噬菌体）携带进入受体片断通过媒介（噬菌体）携带进入受体 方法：方法：噬菌体感染给体细胞噬菌体感染给体细胞 含给体细胞含给体细胞DNA的的 子代噬菌体子代噬菌体 感染受体细胞感染受体细胞 重组细胞重组细胞第五节第五节 微生物育种微生物育种三、体内基因重组三、体内基因重组1、杂交育种、杂交育种接合：接合：通过细胞间的直接接触能进行大段的转移通过细胞间的直接接触能进行大段的转移 的过程。的过程。 特点：特点：供体进入受体通过性毛供体进