第八章微生物的遗传变异和育种l第一节 遗传变异的物质基础l第二节 基因突变和诱变育种l第三节 基因重组l第四节 基因工程l第五节 菌种的衰退、复壮和保藏第一节 遗传变异的物质基础 一、三个经典实验 （一）经典转化试验FGriffith（1928年）肺炎双球菌，可使人患肺炎，也可使小 白鼠患败血症而死亡。它有多种菌株，其中 具有荚膜，且菌落表面光滑（smoth）的致 病菌株,称S型;另一种不形成荚膜,菌落粗糙 （rough）,无致病性,称R型。FGriffith作了3组实验如下图后来，有三位科学家将第三组实验进行如下改 进：从高温灭活的S型细菌中提取几种细胞成分(如 DNA、蛋白质、荚膜多糖等)分别进行转化实验Avery实验，如图示： 以上实验说明：高温灭活的S型肺炎球菌的 细胞内存在一种物质，能以某种方式进入R型细 胞使其表达出荚膜性状。其中Avery实验进一步 证明转化因子是DNA。（二）噬菌体感染试验1952年，A.D.Hershey和M.Chase将 E.coli分别培养在以放射性32PO43-或35SO42-作为 磷源或硫源的组合培养基中，得到两种噬菌体: 一种含32P-DNA为核心的噬菌体，一种含35S- 蛋白质外壳的噬菌体。实验如下图噬菌体感染实验Pr 只含S不含PDNA只含P不含S原理步骤1：用含同位素35, P32的培养基培养大肠杆菌 2：让T2感染上述大肠杆菌使其打是S35P32标记3：吸附10分钟后搅动离心上清液沉 淀结果：上清液中含15%放射击性；沉淀中含85%放射性（三） 植物病毒的重建试验烟草花叶病毒（TMV）是一种只含RNA的植物 病毒，其中94%是蛋白质外壳，6%是RNA。可在烟草 上引起病斑。把TMV放在水和苯酚中震荡，可将病 毒的蛋白质外壳和RNA分开，分开的蛋白质外壳和 RNA分子又能重新组合成具有感染力的完整病毒粒 子。另一株与TMV近缘的霍氏车前花叶病毒（HRV） ，也可引起病斑。但两种病斑的表征不同。 1956年，Fraenkel-conrat利用这两株植物病 毒的核酸和蛋白质的拆、合及相互对换进行实验如 下图。植物病毒的重建实验TMVHRVHRVTMV原始株 拆开 重建 感染 分离纯化 （一）七个水平细胞水平细胞核水平染色体水平核酸水平基因水平密码子水平核苷酸水平二、 遗传物质存在的部位和方式质粒：凡游离于原核生物核基因组以外，具有独立复 制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子。 质粒特点： a)从结构上看为超螺旋结构 b)从大小上看，相对分子质量为106108（相当核基因 组的1） c)从功能上看，质粒上存在核内没有的基因，赋予了原 核生物并非必不可少的特殊功能，如：产毒、接合、抗 药、固氮等。 d)从存在形式上看，是一种复制子，分为严紧型复制（ 与核染色体的复制同步）与松弛型复制（不与核染色体 的复制同步）。（二） 原核生物的质粒e)少量质粒可在不同菌株间转移，如：F 因子或R因子等。有些质粒具有与核染色体 发生整合或脱离的功能，称附加体.如F因 e)子。此外，质粒还有基因重组功能，可在 质粒间、质粒与核染色体之间发生基因重组。一些有代表性的质质粒：F因子、R因子、Col质粒、Ti质粒、巨 大质粒、Ti质粒。F因子：又称性因子，是E.coli等细菌决定性别 的质粒，当然除E.coli外，亦发现其他菌也有 此质粒。如假单胞菌属、链球菌属。有性菌毛 的细菌体内均含性质粒，且性菌毛根数与性质 粒数目相等（1-4），故属于松弛型。R因子：亦称抗药质粒、R质粒存在于细菌中， 使菌体具有抗药性的质粒。最初是在痢疾杆菌 中提取出来。Col质粒：又称大肠杆菌素质粒，许多细菌都 能产生使其他原核生物抑制或致死的蛋白质类 细菌毒素。大肠杆菌素都是由Col质粒编码。Ti质粒：亦称诱癌质粒主要存在于根癌 菌株中，由Ti质粒引起植物的根癌。巨大质粒：比一般质粒大几十倍至几百 倍。其他质粒：降解性质粒只存在于假单胞 菌属，能够编码 可降解复杂物质的酶类 。 返回目录几个重要概念：基因突变：简称突变，是遗传物质的分子结构 或数量突然发生的可遗传性的变化，可自发或 诱导产生。野生型菌株：从自然界分离到的菌株，简称野 生型。突变株：即野生型经突变后形成的带有新性状 的菌株。第二节基因突变和诱变育种一、基因突变 （一）突变类型根据突变的菌株能否在选择性培养基上加以鉴别，可分为：选择性突变和非选择性突变两大类。前者在选择性培养基上通过表型就可以区别开，主要有：营养缺陷型、抗性突变型、条件致死突变型；后者在选择培养基上不能用表型区别开，主要有：形态突变型、抗原突变型、产量突变型。选择性突变营养缺陷型：由于野生型基因发生突变，而丧失了合成某 一种或某几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，无法在基 本培养基上生长，此类菌株称为营养缺陷型。抗性突变型：由于基因突变，野生型菌株产生了对某种理 化因子抗性的突变类型。如一些抗生素抗药性菌株。 条件致死突变型：菌株在基因突变后，在一定条件下可正 常地生长、繁殖并呈现其固有的表型，而在另一条件下却 无法生长、繁殖，这类突变类型称为条件致死突变型。例 如：某些T4噬菌体突变株在25 下可感染其宿主E.coli ，而至37时却不能感染。非选择性突变形态突变型：指个体形态或群体形态因突变而 与野生型不同。例如： S形菌落突变为R形菌 落，鞭毛有无或荚膜有无的突变。抗原突变型：由于突变使抗原结构与野生型不 同。如：细胞壁缺陷变异（如L型细菌）。产量突变型：通过基因突变而获得在代谢产物 产量上明显有别于原始菌株的突变株。若产量 显著高于原始菌株者称正突变，反之则称负突 变。突变率：某一细胞（或病毒粒子）在某一世代中 发生某一性状突变的几率。如突变率为10-8表示细胞在1亿次分裂过程中 ，会发生1次突变。突变是独立发生的，互相不影响，同一细胞 中同时发生两个或两个以上突变的几率极低。双重或多重突变的几率是各个基因突变几率 的乘积。（二）突变率自发性：是在没有人为干涉的条件下产生的突。 不对应性：指突变性状与引起突变的原因之间无直接的对 应关系。 稀有性：一般突变尤其是自发突变，几率极小（几率为10 -6-10-9）。独立性：某基因的突变率不受它种基因突变率的影响。 可诱变性：使用诱变剂，可显著提高突变几率，在遗传育 种上较常用。 稳定性：突变后的新性状可以稳定地遗传给下一代。 可逆性：由野生型基因变异为突变型基因，称正向变异。由突变型基因返回到原始的野生型基因，称回复突变。（三） 突变的特点7个共同点：（四）基因突变自发性和不对应性的实验证明 变量实验 又称彷徨试验或波动实验 材料：噬菌体T1涂布在平板上作为所抗的环境因素 ；对噬菌体T1敏感的E.coli待实验菌株结论：结论：a.a.抗噬菌体抗噬菌体T1T1突变型是自发产生的，且产生的突变型是自发产生的，且产生的 越早，抗性菌落出现的就越多。越早，抗性菌落出现的就越多。b.b.噬菌体噬菌体T1T1仅起到淘汰原始未突变菌株和仅起到淘汰原始未突变菌株和 甄别抗噬菌体突变型的作用，并不是诱导因甄别抗噬菌体突变型的作用，并不是诱导因素。素。变量试验 大肠杆菌稀释培养物10 ml10 ml(在同一个大管中作整体培养)(培养前先分成50小管)2 3 7 1 4 4 3 5 抗噬菌体菌落数 抗噬菌体菌落数涂布试验 涂布敏感菌5104个 共12个平板5104个菌落 5000个细菌/菌落6个平板共353个菌落 6个平板共28个菌落喷入T1保温重新涂布后 喷入T1保温结论：该抗性突变发生在与噬菌体T1接触之前，噬 菌体的加入只起到甄别该类自发突变是否发生、存 在，决不是诱发该类突变的原因。影印培养试验 原始敏 感菌种影印培养无药 培养基含药 培养基结论：对链霉素敏感的E.coli K12细胞在未接触过任何一点 链霉素的条件下，由124568910 12的移种可筛选出大量抗链霉素的突变株。(五）基因突变的机制突变机制是多样性的，可以是自发的或诱发的，具体见 下图。诱发突变：简称诱变，指通过人为的方法，利用物 理、化学或生物因素显著提高基因自发突变几率 的手段。1.诱变机制诱变剂：能够提高突变几率的任何因素。 碱基的置换 移码突变 染色体畸变 （1）碱基置换它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换，属 于典型的点突变。 嘌呤置换嘌呤（嘧啶置换嘧啶）转换嘌呤置换嘧啶或者嘧啶置换嘌呤颠换 A. TA. TA. TG.CA. BU酮式G. BU 烯醇式置换置换G.CA. BUG.BUA. BUG.CA. T烯醇式酮式（2）移码突变指诱变剂使DNA序列中的一个或少数几个 核苷酸增加或减少，从而使该部位后面的全 部遗传密码的阅读框架改变，引起转录和转 译错误的一类突变。移码突变属于DNA的轻微损伤，也是一种 点突变，由移码突变所产生的突变株称为移 码突变株。移码突变的几种情况如下图示移码突变的结果：正常链上增加或是缺失1、2或4、5个 碱基时，均可引起移码突变，而增加或缺失3或6个不影 响读码，只引起较短的增加或缺失。（3）染色体畸变包括染色体结构的缺失、重复、插入、易位、倒位 几种情况，也包括染色体数目的变化。1染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化，上 述几种均可发生。 倒位：断裂下来的一段染色体逆转，然后，重新插入到 原位置。 易位：断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入同 一染色体的其他部位上。2染色体间畸变：非同源染色体间的易位。一小段 DNA断下后，可跳到另一条染色体上插入；质粒上的DNA 跳到另一个质粒上，此种情况亦属于染色体间畸变。 （原核微生物仅一条染色体，不存在“另一条”。)严格地说，DNA从一个细胞跳到另一个细胞的易位， 亦属于染色体间畸变。总之，原核、真核微生物都存在染色体间畸变。2.自发突变机制 自发突变：生物体在无人工干预下自然发生 的低频突变。自发突变的原因一般有：背景辐射和环境因素的诱变例如：宇宙辐射、南北极磁场等。微生物自身有害代谢产物的诱变效应例如：过氧化氢、过氧化物等。DNA复制过程中碱基配对错误引起据统计，DNA链在每次复制中每个碱基对错配频率是10 -7-10-11，这样一个基因的自发突变几率约为10-6。紫外线对DNA的损伤是引起相邻嘧啶形成嘧啶二聚 体（TT，TC，CC）。造成局部DNA分子无法配对。 微生物有多种修复受损DNA的作用，现举两例：光复活作用 经紫外线照射诱变的微生物立即暴露在可见光下， 则微生物的死亡率和突变率将明显降低的现象，称光复活作用。机理：诱变形成的嘧啶二聚体在暗处结合光激活酶，在有可见光的情况下，此酶吸收光能，解离嘧啶二聚体。暗修复作用 又称切除修复，经紫外线诱变损伤的DNA在不见光的条件下，依靠微 生物体内的四种酶来修复受损的DNA。即：内切核酸酶、外切核酸酶、DNA聚合酶、连接酶。 过程如下图（六）紫外线对DNA的损伤及其修复二、突变与育种 （一）自发突变与育种 1)从生产中育种在利用微生物进行大生产的过程中，微 生物会以10-6左右的突变率自发突变，其中 1)可能出现一定几率正突变株。 2)定向培育优良菌株。利用自然突变，对微生物群体采用特定 的选择条件选育出优良菌株。但总的来说， 方法古老，自发突变的目的性不强，周期 长。（二