微生物学课件教材课程

第7章

微生物的遗传变异和育种遗传：亲代与子代相似变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性遗传型：表型（表现型）：生物的全部遗传因子及基因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等生物学特征的总和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型饰变：表型的差异只与环境有关特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变特点：遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为10-6-10-9）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，方便建立纯系。t很多常见微生物都易于人工培养，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。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—第第一一节节遗遗传传的的物物质质、、DDNNAA作作为为遗遗传传物物质质基础Avery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DNA、RNA、蛋白质的酶作用于有毒的S型菌细胞抽提物只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性DNA是转化所必需的转化因子第一节遗传的物质基础（参见P195）T2噬菌体感染实验（人的库鲁病(kuru)、克雅氏病(Creutzfeldt

Jakob

disease,CJD)羊搔痒症(scrapie)牛海绵状脑病(spongiform

encephalopath引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病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荣获诺贝尔奖第一节遗传的物质基础？三三、、朊朊病病毒毒的的发发现现与与思思考考11））蛋蛋白白质质是是否否可可以以作作为为遗遗传传物物质质？？pprriioonn是是生生命命的的一一个个特特例例？？还还是是仅仅仅仅为为表表达达调调控控的的一一种种形形式式22））蛋蛋白白质质折折叠叠与与功功能能的的关关系系，，是是否否存存在在折折叠叠密密码码？？DNA→RNA→肽链→蛋白质核苷酸水平细胞核水平染色体水平遗传物质存在的核酸水平基

因

水

平密

码

子

水

平细胞水平核苷酸水平核糖核酸和脱氧核糖核酸基因水平

基因是生物体内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、具有特定核苷酸序列的核酸片段。

基因组是指存在于细胞或病毒中的所有基因。由于现在发现许多非编码序列具有重要的功能，因此目前基因组的含义实际上是指细胞中基因以及非基因的DNA序列组成的总称，包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能还尚不清楚的DNA序列。原核生物基因的组成操纵子结构基因操作基因启动基因调节基因原核生物基因的特点遗传信息的连续性功能相关的结构基因组成操纵子结构结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝基因组的重复序列少而短真核生物的基因的特点基因的不连续性：内含子、外显子。高度拷贝和重复顺序：遗传丰余。转录和转译在细胞中有空间分隔。原核生物的质粒质粒的概念：

游离于原核生物基因组以外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，即cccDNA。

质粒赋予细菌某些对其生存并非必不可少的特殊功能。

如：产毒、抗药、产特殊酶、降解有毒化合物等质粒的主要类型高拷贝数(high

copy

number)质粒（每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝）———————松弛型质粒低拷贝数(low

copy

number)质粒（每个宿主细胞中只有1-2个拷贝）———————严紧型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）广宿主范围质粒(broad

host

range

plasmid)（可以在许多种细菌中复制）典型质粒简介F质粒：别并具有转移能力的质粒。R质粒：Col质粒：细菌素的概念在医疗中具有危害，但可用于微生大肠杆菌等部分细菌内存在，决物定筛其选性和基因工程的标记部分细菌由质粒编码的蛋表现为对抗生素等白药质物产的生抗的性能。抑制或杀死其他近源细菌的代谢产物。用于“残害手足”月季根癌Ti质粒：诱癌质粒，导致植物产生根癌，膨大等现象；用于植物基因工程。Ri质粒：发根质粒，诱发大量称为毛状根的不定根。降解性质粒：仅在假单胞菌（Pseudomonas）中发现。具有降解复杂有毒化合物的能力。“超级菌”。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（一般加上抗性基因）第二节 基因突变和诱变育种基因突变突变类型突变率基因突变的特点基因突变自发性和不对应性的实验证明基因突变及机制紫外线对DNA的损伤及其修复基因突变（gene

mutation）基因突变的概念：泛指遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，可自发或诱导产生。野生型菌株（wild

type

strain）：从自然界分离到的菌株。突变株（mutant）：野生型经突变后形成的带有新性状的菌株。基因突变的类型株的表型选择性突变株（selectable

mutant）非选择性突变株（

non－selectable

mutant

）营养缺陷型抗性突变型条件致死突变型形态突变型抗原突变型产量突变型突变率（mutation

rate）

细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。

某一基因的突变一般是独立发生的，他的突变率不影响其他基因的突变。通常突变发生的几率为10-6～10-91.自发性。2.不对应性基因突变的细胞特可点自点发的3.稀有性产生突变突变性状与引起突变的原因间无直接对应关系突变几率为10-6～10-94.独立性5.可诱变性诱变剂的使用可大大提高突变几率6.稳定性7.可逆性正向突变/回复突变基因突变自发性和不对应性的证明1.Luria等的变量实验（fluctuation

test）2.Newcomb的涂布实验3.Lederberg等的影印平板法（replica

plat变量实验（fluctuation

analysis）Salvador

Luria

and

Max

Delbruck（1Salvador

LuriaMax

DelbruckThe

Nobel

Prize

in

Physiology

or

Medicine

196Newcombe的涂布实验（1949）影印实验（replica

plating

）Joshua

Lederberg

and

Esther

Lederberg（Joshua

LederberJ.

Lederberg

is

awarded

the

Noble

Prize

inMedicine

and

Physiology

in

1958突变真的与选择压力无关吗？适应性突变（adaptive

mutability）和高频突变（hypermutatBenson

S.Adaptivemutation:ageneralphenomenon

or

special

case?Bioessays.

1997

Jan;19(1):9-11.

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search

for

a

general

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adaptive

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Andersson,

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RothEvidence

That

Gene

Amplification

Underlies

Adaptive

Mutability

of

the

Bactelac

Operon。

Science

1998

November

6;

282:

1133-1135.Godoy

VG,

FoxMS.Transposon

stability

and

a

role

for

conjugational

transfer

in

adaptive

mutaProc

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Hastings

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stationary-phase

hypermutation

in

the

Escherichia

coli

chrompromoted

by

recombination.

Genetics.

2000

Apr;154(4):1427-37.基因突变及其机制因突变诱变点突变畸变移码突变碱基置换缺失添加易位、倒位自发突变紫外线对DNA的损伤及其修复

UV导致遗传物质产生嘧啶二聚体（TT、TC、CC），造成局部DNA分子无法配对，引起微生物的死亡或突变。一般微生物具有光复活作用。

在利用UV进行诱变育种等工作时，应在红光灯下进行照射和后继操作，并放置在黑暗条件下培养。突变与育种illus。做“伯乐”

菌株。accine）：Bain一、自发突变与育种（breeding

by

spontaneous

mutation）1.从生产中育种仔细观察，

2.定向培育优良卡介苗（BCG

v

cCalmette-GuerC.Guerin

A.Calmette诱变育种（breeding

by

induced

mutation）

诱变育种是指利用物理、化学等诱变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，采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选出少数符合目的的突变株，以供科学试验和生产实践使用。诱变育种的几个原则1.选择简便有效的诱变剂物理诱变剂：紫外线、激光、离子束、r－Ray诱变剂化学诱变剂：烷化剂、碱基类似物等很多种化学物质，能以各种机制导致DNA的突变利用各种诱变剂获得各类遗传突变，进行诱变育种对有害微生物进行控制；c）危害人类自身的健康“生物化学统一性”法则：人和细菌在DNA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DNA，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。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超过95%的致癌物质对微生物有诱变作用90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用回复突变(reverse

mutation或back

mutation)：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美国加利福尼亚大学的Bruce

Ames教授于1966年发明，因此称为Ames试验具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella

typhmurium)组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率Ames试验证明Ames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“反应停”，由于其药效显著，在60-70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，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停”，后来采用Ames试验发现这种物质的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，那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免，第四节 基因突变及修复三、诱变剂与致癌物质——Ames试验由于生物体内、体外可能存在的差异，可在体外加入哺乳动物（如大鼠）微粒体酶系统，使待测物活化，使Ames试验的准确率达80-90%。诱变育种的几个基本原则2.挑选优良的出发菌株依靠经验诱变育种的几个基本原则3.处理单细胞或单孢子悬液诱变育种的细胞应尽量选用单核细胞，丝状菌应选用单孢子。诱变育种的几个基本原则4.选用最适的诱变剂量剂量存活率曲线，剂量诱变率曲线。诱变育种的几个基本原则5.充分利用复合处理的协同效应诱变育种的几个基本原则6.利用和创造形态、生理与产量间的相关指标利用蛋白酶水解圈、淀粉酶变色圈、纤维素水解圈等诱变育种的几个基本原则设计高效筛选方案创造新型筛选方法结合具体的目标，大胆尝试，勇于创新。法3类突变株的筛选方法1.产量突变株的筛选2.抗药性突变株的筛