第七章第七章 微生物的遗传变异和育种微生物的遗传变异和育种( ( Microbial geneticsMicrobial genetics and breeding )and breeding )遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础基因突变和微生物育种基因突变和微生物育种基因重组和杂交育种基因重组和杂交育种基因工程基因工程菌种的衰退、复壮和保藏菌种的衰退、复壮和保藏内内 容容第一节第一节 微生物遗传变异的物质基微生物遗传变异的物质基础础 一、证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验一、证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验vv（一）肺炎双球菌的转化实验（一）肺炎双球菌的转化实验vv（二）噬菌体的感染实验（二）噬菌体的感染实验vv（三）烟草花叶病毒的拆开与重（三）烟草花叶病毒的拆开与重组实验组实验组实验组实验 遗传物质类型遗传物质类型核核基因组基因组核外核外染色体染色体真核生物真核生物细胞质基因细胞质基因线粒体线粒体叶绿体等叶绿体等共生生物共生生物2 2 mm质粒等质粒等原核生物原核生物F F因子（因子（F F质粒）质粒）R R因子（因子（R R质粒）质粒）ColCol质粒质粒TiTi质粒质粒巨大质粒巨大质粒降解性质粒等降解性质粒等二、遗传物质在细胞中的存在方式二、遗传物质在细胞中的存在方式l l核基因组：又称染色体基因组或基因组，核基因组：又称染色体基因组或基因组，是一个物种的单倍体是一个物种的单倍体细胞核细胞核内的全部内的全部 DNADNA分子。分子。l l基因：编码蛋白质或基因：编码蛋白质或RNARNA等具有特定功等具有特定功能产物的遗传信息的基本单位，是染色体能产物的遗传信息的基本单位，是染色体 或基因组的一段或基因组的一段DNADNA序列序列 。（一）（一） 核基因组和基因核基因组和基因1 1、 原核生物的基因组原核生物的基因组vv(1)(1)小，为双链的小，为双链的DNADNA分子，一般具有单一的复制起点分子，一般具有单一的复制起点；vv(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；vv(3)(3)功能相关的基因构成操纵子或形成重叠基因，且常转录功能相关的基因构成操纵子或形成重叠基因，且常转录 为多顺反子为多顺反子mRNA(mRNA(一个顺反子决定一条多肽链一个顺反子决定一条多肽链 ) )。vv(4)(4)基因组的重复序列少而短；基因组的重复序列少而短；vv(5)(5)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。细菌染色体细菌染色体DNADNA的大小和结构的大小和结构乳糖操纵子乳糖操纵子 一半乳糖苷透性酶一半乳糖苷透性酶 -半乳糖苷乙酰转移酶半乳糖苷乙酰转移酶 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 （1 1）典型的染色体结构典型的染色体结构，大，具有许多复制起点；，大，具有许多复制起点；（2 2）一个基因组包含若干染色体，一般不呈环状；）一个基因组包含若干染色体，一般不呈环状；（3 3）功能上密切相关的基因集中程度不如原核生物，很少有）功能上密切相关的基因集中程度不如原核生物，很少有关于操纵子的报道，一般为单顺反子；关于操纵子的报道，一般为单顺反子；（4 4）基因不连续，分外显子和内含子；）基因不连续，分外显子和内含子；（5 5）有大量重复序列，有很多是不编码序列。）有大量重复序列，有很多是不编码序列。2 2、真核微生物的基因组真核微生物的基因组真核生物细胞中的DNA中只有不到5的DNA用于所需蛋白质的基因表达，其 余的DNA起“结构”作用或“调节”作用。DNA被紧密地包装在多条染色体中，每条染色体中含有一个线状DNA分子，它 以左手螺旋方向围着一个个组蛋白八聚体绕圈1.8周，形成串珠状的染色质，被 串在一起的小颗粒称为核小体，染色质进一步卷曲形成每圈6个核小体、直径30 nm的染色质丝，它折叠成许多超螺旋环附着在中央骨架上。真核生物的染色体结构真核生物的染色体结构真核生物基因结构真核生物基因结构3 3、基因的命名、基因的命名三字命名法三字命名法（1 1）基因名称一般用三个小写字母表示，且排成斜体；）基因名称一般用三个小写字母表示，且排成斜体；例：赖氨酸基因：例：赖氨酸基因： lysinelysinelyslysLysLys（基因）基因） （基因产物）（基因产物）（2 2）产生同一突变型表型的不同基因，用三个字母后面所加）产生同一突变型表型的不同基因，用三个字母后面所加的斜体大写字母表示；的斜体大写字母表示；例：组氨酸基因例：组氨酸基因hishis; ; 各组氨酸基因各组氨酸基因hisAhisA；hisBhisB（3 3）抗性基因，一般把）抗性基因，一般把“ “抗抗” ”用大写用大写R R注在基因符号右上角。注在基因符号右上角。 如抗链霉素的基因为如抗链霉素的基因为strstrR R。（二）原核生物的质（二）原核生物的质 粒粒 定义：是一类小型共价闭合环状的超螺旋定义：是一类小型共价闭合环状的超螺旋dsDNAdsDNA分子分子(circular(circular covalentlycovalently closed DNA, closed DNA, cccDNAcccDNA) ) 。 大小：大小为大小：大小为1.5-300kb1.5-300kb，相对分子量，相对分子量10106 610108 8DaDa，携带有，携带有数个到数十个甚至上百个基因数个到数十个甚至上百个基因。性质：性质：质粒是一种复制子，根据自我复制能力的不同质粒是一种复制子，根据自我复制能力的不同，分为严紧型复制控制和松弛型复制控制两种。，分为严紧型复制控制和松弛型复制控制两种。在细胞质中独立存在，也可以整合入染色体上在细胞质中独立存在，也可以整合入染色体上，以附加体的形式存在；，以附加体的形式存在；对于细菌的生存并不是必要的。对于细菌的生存并不是必要的。受理化因素影响，可消除。受理化因素影响，可消除。 功能：进行细胞间接合，并带有一些基因功能：进行细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、，如产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。降解功能等。 存在范围：很多细菌等。存在范围：很多细菌等。 制备和鉴定：本质是制备和鉴定：本质是DNADNA 应用：基因工程中的载体。应用：基因工程中的载体。（一） 基因工程中应用的质粒 作为克隆载体的质粒应具备以下特点：作为克隆载体的质粒应具备以下特点：1 1、体积小，便于、体积小，便于DNADNA的分离和培养；的分离和培养；2 2、分子量相对较小，呈环状，化学分离过程中保持、分子量相对较小，呈环状，化学分离过程中保持性能稳定；性能稳定； 3 3、有不受核基因组独立的复制起始点；、有不受核基因组独立的复制起始点；4 4、能稳定存在于细菌体内，有较高的拷贝数；、能稳定存在于细菌体内，有较高的拷贝数；5 5、具有、具有1 1个以上的遗传标志，便于筛选；个以上的遗传标志，便于筛选；（1 1） pBR322pBR322质粒质粒（2 2） pUCpUC质质 粒粒2674bp2674bp（1 1） F F质粒质粒100Kb100Kb转移区：负责合成和装配转移区：负责合成和装配 性菌毛（约性菌毛（约2828个基因）个基因）重组区：含有多个插入顺重组区：含有多个插入顺 序，通过这些插入顺序进序，通过这些插入顺序进 行同源重组行同源重组 复制区：两个复制起始点复制区：两个复制起始点 ：一个是：一个是OriSOriS，供给，供给F F因子因子在宿主中自主复制时使用在宿主中自主复制时使用 ；另一个是；另一个是OriTOriT，供接合，供接合时进行滚环复制的起始点时进行滚环复制的起始点 。 （二）（二） 几种典型的质粒几种典型的质粒R100 R100抗性转移因子抗性转移因子抗性决定抗性决定R R因子因子 抗性转移因子抗性转移因子：控：控 制质粒制质粒copycopy数及复制数及复制 抗性决定抗性决定R R因子因子含含有各种抗性基因。有各种抗性基因。（2 2）R R质粒质粒又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子 。大肠杆菌素大肠杆菌素是由是由E.coliE.coli的某些菌株所分泌的某些菌株所分泌的细菌素，能通过抑制复制、转录、转译的细菌素，能通过抑制复制、转录、转译 或能量代谢等而专一地杀死其它肠道细菌或能量代谢等而专一地杀死其它肠道细菌 。大肠杆菌素都是由大肠杆菌素都是由ColCol质粒质粒编码的。编码的。（3 3）ColCol质粒质粒200Kb200Kb(4) Ti(4) Ti质粒质粒T-DNAT-DNA的染色体的染色体 整合机制整合机制乙酰丁香酸乙酰丁香酸 羟基乙酰丁香酸羟基乙酰丁香酸 只在只在假单胞菌属假单胞菌属中发现。中发现。 降解性质粒是一系列能降解复杂物质的降解性质粒是一系列能降解复杂物质的酶编码酶编码， 从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。 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，XYLXYL（二甲苯）质粒，二甲苯）质粒，SALSAL （水杨酸）质粒，水杨酸）质粒，MDLMDL（扁桃酸）质粒，扁桃酸）质粒，NAPNAP（ 奈）质粒和奈）质粒和TOLTOL（甲苯）质粒等。甲苯）质粒等。（5 5）降解性质粒）降解性质粒近年来在根瘤菌属中发现的一种质粒，近年来在根瘤菌属中发现的一种质粒，分子量为分子量为20030020030010106 6DaDa，比一般质粒大，比一般质粒大几十倍到几百倍，其上有一系列固氮基因。几十倍到几百倍，其上有一系列固氮基因。(6) (6) 巨大质粒巨大质粒第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种一、基因突变一、基因突变vv突变：指细胞内（病毒内）遗传物质的分子突变：指细胞内（病毒内）遗传物质的分子 结构或数量突然发生的可遗传的变化。结构或数量突然发生的可遗传的变化。vv野生型：从自然界分离到的任何微生物在其野生型：从自然界分离到的任何微生物在其 发生突变前的原始菌株。发生突变前的原始菌株。vv突变体：发生了突变的微生物细胞或菌株。突变体：发生了突变的微生物细胞或菌株。按按是否容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：是否容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分： 选择性突变株：选择性突变株：具有选择标记具有选择标记（如营养缺陷性、抗性（如营养缺陷性、抗性 突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条 件，如培养基、温度、件，如培养基、温度、pHpH值等，就比较容易检出和分值等，就比较容易检出和分离到。离到。 非选择性突变株：非选择性突变株：无选择标记无选择标记（如产量突变型、抗原（如产量突变型、抗原 突变型、形态突变型），检查大量菌落并找出差异。突变型、形态突变型），检查大量菌落并找出差异。（一）基因突变的类型（一）基因突变的类型依表型的改变分为：依表型的改变分为：vv营养缺陷型营养缺陷型vv抗性突变型抗性突变型vv条件致死突变型条件致死突变型vv形态突变型形态突变型vv抗原突变型抗原突变型vv产量突变型产量突变型vv定义：某一细胞在每一世代中发生某一性定义：某一细胞在每一世代中发生某一性 状突变的几率。状突变的几率。（二）突变（二）突变 率率若干细菌某一性状的自发突变率vv菌菌 名名 突变性状突变性状突变率突变率vvE. coliE. coli 抗抗T1T1噬菌体噬菌体3 103 1