第八章微生物的遗传与变异,第一节 遗传的物质基础及其特性 第二节 微生物的遗传物质 第三节 细菌的基因转移和重组 第四节 微生物的诱变育种和遗传工程,一、遗传物质的鉴定二、基因组DNA和染色体三、染色体以外的遗传因子,第一节 遗传变异的物质基础,一、遗传物质的鉴定,证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验,1928年英国人Griffith发现转化的现象 1944年very 等人证实是遗传物质 1953年美国人利用噬菌体证实DNA是遗传物质3 1956美国人H.Fraenkel-Conrat植物病毒的重建实验证实是遗传物质,有 荚 膜 菌落光滑 分泌毒素 致 病,无 荚 膜 菌落粗糙 无 毒 不 致 病,SSS三个血清型,RRR三个血清型,实验材料： 肺炎双球菌,转化实验,转化实验（1）动物实验,结论：加热杀死的型细菌，在其细胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物质，它能以某种方式进入型细胞，并使型细菌获得表达型荚膜性状的遗传特性,转化实验（2）细菌培养实验,转化实验（3）S型菌无细胞抽提液试验,Cncnc-micro,以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。,噬菌体感染实验,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: 让标记的T2感染没有标记的大肠杆菌,A. D. Hershey和M. Chase， 1952年,（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中,上清液中含 15%放射性,沉淀中含 85%放射性,说明进入细胞的是DNA，是遗传物质,沉淀中含 25%放射性,以32S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验,（2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中,上清液中含 75%放射性,DNA,说明进入细胞的是DNA，是遗传物质,植物病毒蛋白质和RNA可以人为地分开, 同时又可把它们重新组合成具感染性的病毒.,植物病毒的重建实验,原始株 拆开 重建 感染 分离纯化,植物病毒的重建实验,结论,细胞生物的遗传物质是DNA或,朊病毒的发现和思考,朊病毒含有微量的核酸，仍未发现？ 朊病毒仅由蛋白质构成 朊病毒的遗传物质为蛋白质？,亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚为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),引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病,基因是一段DNA,第二节 微生物的遗传物质,DNA就是脱氧核糖核酸（长链）,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,胸腺嘧啶（T）,胞嘧啶（C）,基因测序就是读出 A-C-G-T-G-G-A-C-G.,基因控制Pr因而控制性状,基因是什么？,Cncnc-micro,基因是生命的密码。 基因记录和传递遗传信息。 基因决定生物体的生长、病、老死等一切生命现象。,基因组（genome）：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,真核生物和原核生物的遗传物质,细胞质基因2um质粒F因子 R因子 Col质粒 毒性质粒 降解性质粒,遗传物质类型,核染色体核外染色体(质粒),真核生物细胞核原核生物核区真核生物的原核生物的,线粒体 叶绿体,与组蛋白相结合,真核生物的核DNA,核小体是染色体的基本结构单位，由DNA和组蛋白(histone)构成，由4种组蛋白H2A、H2B、H3和H4， 每一种组蛋白各二个分子，形成一个组蛋白八聚体，约200 bp的DNA分子盘绕在组蛋白八聚体构成的核心结构外面，形成了一个核小体,染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；,链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式 存在于细胞中，该小体称为拟核(nucliod)，其上结合有类组蛋白蛋 白质,原核生物的染色体,性质：质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的 存在方式：游离态或附加体 重组：质粒转移时，它可以单独转移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它可成为基因工程的载体。 功能：进行细胞间接合并带有一些基因，如产生毒素、抗药性、降解功能等。,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。,原核生物的质粒,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。,类型：严紧型松弛型,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） 代谢质粒（Metabolic plasmid）,质粒的主要类型,1、致育因子(Fertility factor，F因子),又称F质粒，其大小约100kb，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。,携带F质粒的菌株称为F+菌株 （相当于雄性），无F质粒的 菌株称为F-菌株（相当于雌性）。,质粒的常见类型,存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、等细菌中，决定性别。,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。,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。,质粒的主要类型,抗性转移因子,抗性决定子,R100质粒(89kb)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） 并且负责这些抗性的基因是 成簇地存在于抗性质粒上。,3、Col的质粒（Col plasmid）,大肠杆菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。,质粒的主要类型,编码大肠杆菌（E. coli）产生的大杆菌素为（colicins），的质粒。,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。,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。,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,质粒的主要类型,5、代谢质粒（Metabolic plasmid）,质粒上携带有分解多种特殊有机化合物能力的因子。,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。,质粒的主要类型,第三节细菌的基因转移和重组,接合 转化 转导 原生质体融合,野生型：从自然界中分离到的没有发生任何突变的微生物。能在基本培养基中生长，如以A和B两个基因表示这两种物质的合成能力。遗传型A+B+ 突变型：野生型突变之后，丧失了合成某物质的能力。不能在基本培养基上生长，只能生长在完全培养基上，如以A和B两个基因表示其丧失这两种物质的合成能力。遗传型A-B-,根据微生物对生长因子的需要存在差异，可分为：,所含的营养物质能满足一般微生物生长繁殖所需的氮源、 碳源和无机盐等。(基础培养基),（一）接合（conjugation）,通过接合而获得新性状的受体细胞就是接合子conjugant 研究方法：1946年J.Lederberg等采用E.coli的两株营养缺陷型进行实验，为以后的微生物遗传学提供了必要的条件。,定义：通过细胞间的直接接触能进行大段的转移的过程，叫接合,1946年用E.coli的两个营养缺陷型所作的实验：,1、接合及其发现,A,B,供体菌 受体菌,F因子的分子量通常为5107，上面有编码细菌产生性菌毛 （sex pili）及控制接合过程进行的20多个基因。,接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导,含有F因子的细胞：“雄性”菌株（F+），其细胞表面有性菌毛,不含F因子的细胞：“雌性”菌株（F-），细胞表面没有性菌毛,2. 机制,接合的具体过程,F因子的四种细胞形式,a）F-菌株， 不含F因子，没有性菌毛，但可以通过 接合作用接收F因子而变成雄性菌株（F+）；,b）F+菌株， F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。,c）Hfr菌株，F因子插入到染色体DNA上，细胞表面有性菌毛。,d）F菌株，Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，特称为F因子。 细胞表面同样有性菌毛。,F菌株 和F因子,可逆的,F+（“雄性”）菌株与F 相接触时，可通过性菌毛将F因子转移到F 细胞中，使之也变成F+菌株。 F因子以很高的频率传递，但含F因子的宿主细胞的染色体DNA一般并不被转移。,接合的几种杂交结果,1 F+ F,2 Hfr F,Hfr菌株的F因子插入到染色体DNA上，因此只要发生接合转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F-细胞并发生重组，由此而得名为高频重组菌株。该菌株与F 接合后的重组频率比F+ 菌株高几百倍而得名,Hfr (high frequency recombination)高频重组菌株,1. Hfr染色体双链中的一条单链在F因子处发生断裂，F因子位于环状单链DNA的两端，F因子的头先进入受体细胞，然后是细菌核染色体组，只有细菌核染色体组完全进入受体细胞之后，F因子的尾才能进入受体菌细胞，完成DNA的传递。 在没有外界干扰的情况下，全部转移过程的完成需要约120分钟。2. 由于种种原因DNA转移过程常会发生中断，所以越是前端的基因进入F 细胞的机会越大。F因子位于线状DNA的末端，进入受体细胞的机会最小，故这种接合引起转性的频率最低，但可以出现各种重组子。,接合过程:,接合中断试验与染色体图：,接合中断试验：由Wollman和Jacob首创（1955），首先认识了原核微生物染色体的环状特性。 原理：接合试验的DNA转移过程存在着严格的顺序性，在接合进行中采用定时人为中断的方法，可以获得呈现不同数量 Hfr 性状的 F 接合子，最后，根据F中出现Hfr菌株中各种形状的时间顺序（分钟），可以绘出较为完整的环状染色体图（chromosome map）。,a,b,c,d,e,利用HfrF-的接合过程，在不同时间取样，并把样品猛烈搅拌以 分散接合中的细菌，然后分析受体细菌基因型，以时间(分钟)为 单位绘制遗传图谱，该图谱是细菌染色体上基因顺序的直接反映。,3 F F-,F+ F,FF-与F+F-的不同：给体的 部分染色体基因随F一起转入受体细胞,R型活菌+S型死菌 S型活菌 定义：受体菌直接摄取来自供体菌的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。 有关名词： 受体菌：recipient/receptor，转化基因的接受者 供体菌：donor，转化基因的提供者 转化因子：来自供体菌的DNA片段 转化子：transformant，将转化基因重组进入自身染色体组的重组子,