复习提纲复习提纲-第第6章微生物的遗传章微生物的遗传和变异和变异第一节微生物遗传的物质基础第一节微生物遗传的物质基础一、遗传的物质基础一、遗传的物质基础2(3)Col因子因子)赋予大肠杆菌产大肠杆菌素的能力。赋予大肠杆菌产大肠杆菌素的能力。Col l: 分子量小，多拷贝，为无接合作用；分子量小，多拷贝，为无接合作用；Col b:与与F因子相似，具有通过接因子相似，具有通过接 合合 转移的转移的功能。功能。 9(4)Ti质粒质粒诱癌质粒诱癌质粒,根癌为农杆菌特有根癌为农杆菌特有;Ti质粒长质粒长200kb，是一大型质粒。，是一大型质粒。特点特点: 当细菌侵入植物细后，含有复制基因的当细菌侵入植物细后，含有复制基因的Ti质粒质粒 的小片段（的小片段（T-DNA)与植物细胞中的与植物细胞中的核染色体组发生整合，破坏控制细胞分裂核染色体组发生整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。 Ti质粒可用于向植物染色体中导入外源质粒可用于向植物染色体中导入外源DNA。 10(5)巨大质粒巨大质粒根瘤菌属中发现的一种质粒根瘤菌属中发现的一种质粒 ，分子量为，分子量为200300106Da，比一般质粒大几十倍至几，比一般质粒大几十倍至几百倍，故称巨大质粒，其上有一系列固氮百倍，故称巨大质粒，其上有一系列固氮基基 因因 11(6)芳香化合物降解质粒芳香化合物降解质粒特点特点: 赋予寄主对一些难降解有机物的分解能力。赋予寄主对一些难降解有机物的分解能力。降解性质粒含有能降降解性质粒含有能降 解复杂物质酶的基因，解复杂物质酶的基因，从而使寄主能利用一般细菌所难以分解的从而使寄主能利用一般细菌所难以分解的物质作碳源。物质作碳源。作用作用: 可用于环境治理和修复可用于环境治理和修复 123. 转座因子转座因子插入序列插入序列(IS): 两端为两端为40-1000bp的反向重复的反向重复序列序列, 中部为与转座有关的基因中部为与转座有关的基因.能在染色体能在染色体DNA中移动或复制中移动或复制-移动的移动的DNA序列序列.转座子转座子: 由一或两个由一或两个IS 和一系列其他基因组和一系列其他基因组成成.13(三三) DNA的复制方式的复制方式14环状DNA的复制策略15线型DNA的复制策略16第二节第二节 微生物的变异微生物的变异 突变就是遗传物质突变就是遗传物质-核酸顺序突然产生了稳核酸顺序突然产生了稳定的可遗传的变化。突变包括基因突变，定的可遗传的变化。突变包括基因突变，又称点突变又称点突变)和染色体畸变两类。和染色体畸变两类。17基因点突变基因点突变 基因点突变是由于基因点突变是由于DNA链上的一对链上的一对或少数几对碱基发生改变而引起或少数几对碱基发生改变而引起 的。的。染色体畸变染色体畸变 染色体畸变则是染色体畸变则是DNA的大段变化的大段变化( 损伤损伤)现象，包括染色体的添加现象，包括染色体的添加(即即插入）、缺失、重复、易位和倒位。插入）、缺失、重复、易位和倒位。18一、突变类型一、突变类型(表型变化表型变化)1、形态突变型、形态突变型 发生细胞形态变化或引起菌落形态改变的那发生细胞形态变化或引起菌落形态改变的那些突变型。如细菌鞭毛、芽些突变型。如细菌鞭毛、芽 孢或荚膜的有孢或荚膜的有无，菌落的大小，外形的光滑无，菌落的大小，外形的光滑( 型型)、粗糙、粗糙( 型型)和颜色等的变异；放线菌或真和颜色等的变异；放线菌或真 菌产孢子菌产孢子的多少、外形或颜色的变异等。的多少、外形或颜色的变异等。 192、生化突变型、生化突变型 指一类发生代谢途经变异但没有明显的形态指一类发生代谢途经变异但没有明显的形态变化的突变型。变化的突变型。20(1)营养缺陷型营养缺陷型 由基因突变而引起代谢过程中某酶合成能力由基因突变而引起代谢过程中某酶合成能力丧丧 失的突变型，它们必须在原有培养基中失的突变型，它们必须在原有培养基中添加相应的营养成分才能正常生长。添加相应的营养成分才能正常生长。 21(2)抗性突变型抗性突变型 一类能抵抗有害理化因素的突变型。根据其一类能抵抗有害理化因素的突变型。根据其抵抗的对象可分抗药性、抗紫外线或抗噬抵抗的对象可分抗药性、抗紫外线或抗噬菌体等突变类型。菌体等突变类型。 22(3)抗原突变型抗原突变型 指细胞成分尤其是细胞表面成分指细胞成分尤其是细胞表面成分(细胞壁、荚细胞壁、荚膜、鞭毛膜、鞭毛)的细微变异而引起的细微变异而引起 抗原性变化的抗原性变化的突变型。突变型。233、致死突变型、致死突变型 造成个体死亡或生活力下降的突变型，后者造成个体死亡或生活力下降的突变型，后者称为半致死突变型。称为半致死突变型。 244、条件致死突变型、条件致死突变型 在某一条件下具有致死效应而在另一条件下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。没有致死效应的突变型。 温度敏感突变型温度敏感突变型是最典型的条件致死突变型，它们的一种是最典型的条件致死突变型，它们的一种重要酶蛋白重要酶蛋白(例如例如DNA聚合酶、氨基酸活化聚合酶、氨基酸活化酶等酶等)在某种温度下呈现活性，而在另一种在某种温度下呈现活性，而在另一种温度下却是钝化的。温度下却是钝化的。 25 二、基因突变二、基因突变(染色体改变染色体改变)1、自发突变、自发突变(1) 自发突变特性自发突变特性不对应性不对应性 即突变的性状与对微生物所施加的环境压力无关。即突变的性状与对微生物所施加的环境压力无关。 26自发性自发性 各种性状的突变，可以在没有人为诱变因素各种性状的突变，可以在没有人为诱变因素处理下自发地发生。处理下自发地发生。 27稀有性稀有性 自发突变的频率是较低和稳定的，一般在自发突变的频率是较低和稳定的，一般在106-109间。间。 28独立性独立性 基因的突变是独立的，某一基因的突变既不基因的突变是独立的，某一基因的突变既不提高也不降低其他基因的突变率。提高也不降低其他基因的突变率。 A突变率为突变率为10-6B突变率为突变率为10-8AB突变率为突变率为10-14此特点可用于标记微生物此特点可用于标记微生物29诱变性诱变性 通过诱变剂的作用，可提高自发突变的频率。通过诱变剂的作用，可提高自发突变的频率。不论是不论是 自发突变或诱变突变得到的突变型，自发突变或诱变突变得到的突变型，它们间并无本质上的差别。它们间并无本质上的差别。30稳定性稳定性 由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化，所以产生的新性状也是定的变化，所以产生的新性状也是 稳定的，稳定的，可遗传的。可遗传的。 31可逆性可逆性实验证明，任何性状既有正向突变，也可发实验证明，任何性状既有正向突变，也可发生回复突变。回复突变率同样是很低的。生回复突变。回复突变率同样是很低的。 32(2) 自发突变机制自发突变机制 背景辐射和环境因素的诱变背景辐射和环境因素的诱变原因不详的低剂量诱变因素的长期综合诱变效应。原因不详的低剂量诱变因素的长期综合诱变效应。例如，宇宙空间的各种短波辐射或高温诱变效例如，宇宙空间的各种短波辐射或高温诱变效应，以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱应，以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质变物质(的作用等。的作用等。 33微生物自身有害代谢产物的诱变效应微生物自身有害代谢产物的诱变效应 许多物质本身无诱变效应，但经过微生物的许多物质本身无诱变效应，但经过微生物的代谢后会转化成有诱变作用的物质。代谢后会转化成有诱变作用的物质。例如，过氧化氢是普遍存在于微生物体内的例如，过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物。可能是一种代谢产物。可能是“自发突变自发突变”中的一中的一种内源性诱变剂。种内源性诱变剂。 34互变异构效应互变异构效应T和和G会以酮式或烯醇式两种互变异构的状态会以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现，出现，A而而C和和 则会以氨基式或亚氨基式两则会以氨基式或亚氨基式两种互变异构的状态出现。当碱基以烯醇式种互变异构的状态出现。当碱基以烯醇式或亚氨式存在时就会产生碱基间的错配。或亚氨式存在时就会产生碱基间的错配。 35环出效应环出效应在在DNA的复制过程中，模板的复制过程中，模板DNA上偶然产生上偶然产生一个小环，造成环上的序列越过复制而发一个小环，造成环上的序列越过复制而发生遗传缺失，从而造成自发突变。生遗传缺失，从而造成自发突变。 362. 诱发突变诱发突变(1)碱基的置换碱基的置换 也称点突变。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置也称点突变。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。置换换。置换 又可分为两个亚类：又可分为两个亚类：转换转换 即即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；啶被另一个嘧啶所置换；颠换颠换 即一个嘌呤被一个嘧啶或是一个嘧啶被一嘌呤所置即一个嘌呤被一个嘧啶或是一个嘧啶被一嘌呤所置换。换。37能引起置换的诱变剂有：能引起置换的诱变剂有：直接引起置换的诱变剂：直接引起置换的诱变剂： 它们是一类可直接与核酸的碱基发生化学反应，它们是一类可直接与核酸的碱基发生化学反应，改变核酸结构的诱变剂，不论在机体内或是在改变核酸结构的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。主要有亚硝酸、羟胺和离体条件下均有作用。主要有亚硝酸、羟胺和各种烷化剂各种烷化剂(硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯等硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯等)。38间接引起置换的诱变剂：间接引起置换的诱变剂：这类诱变剂都是一些碱基类似物，如这类诱变剂都是一些碱基类似物，如5-溴尿溴尿嘧啶。它们的作用是通过活细胞的代谢活嘧啶。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到动掺入到DNA分子中后而引起的，故是间分子中后而引起的，故是间接的。接的。39(2)移码突变移码突变指在基因的指在基因的DNA序列中插入或缺失一个或几序列中插入或缺失一个或几个核苷酸，从而使该部位后面的全部遗传个核苷酸，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。密码发生转录和转译错误的一类突变。吖啶类染料以及一系列称为吖啶类染料以及一系列称为ICR类的化合类的化合 物，物，都是移码突变的有效诱变剂。都是移码突变的有效诱变剂。 40(3)染色体畸变染色体畸变缺失：一段缺失：一段DNA序列的丢失。序列的丢失。插入：在有效的基因中插入了一段插入：在有效的基因中插入了一段DNA序列，序列， 造成基因的失活。造成基因的失活。易位：一段易位：一段DNA序列从序列从A处移至处移至B处。处。倒位；断裂下来的一段染色体旋转倒位；断裂下来的一段染色体旋转180后，后， 重新插入到原来染色体的位置上重新插入到原来染色体的位置上 41引起染色体畸变的主要因素引起染色体畸变的主要因素重组错误：染色体在重组过程中发生错误。重组错误：染色体在重组过程中发生错误。转座子的诱变作用：转座子的转座作用可以转座子的诱变作用：转座子的转座作用可以造成造成DNA的插入、倒位和缺失。的插入、倒位和缺失。42四、四、DNA损伤及其修复损伤及其修复 (一一) 直接修复直接修复能直接修复能直接修复DNA损伤的碱基。损伤的碱基。光裂合酶的光复活作用光裂合酶的光复活作用 光裂合酶酶能与由光裂合酶酶能与由UV产生的嘧啶二聚体结产生的嘧啶二聚体结合，在可见光的催化作用下使其复原成两合，在可见光的催化作用下使其复原成两个单独个单独 的嘧啶碱。的嘧啶碱。43烷基转移酶烷基转移酶 由烷基化试剂引起的由烷基化试剂引起的DNA损伤可被损伤可被O6-甲基甲基鸟嘌呤甲基转移酶修复。修复后烷基转移鸟嘌呤甲基转移酶修复。修复后烷基转移至该酶上。该酶可被烷基化试剂所诱导。至该酶上。该酶可被烷基化试剂所诱导。44 (二二)切除修复切除修复 损伤的损伤的DNA序列从染色体上被切除，留下的序列从染色体上被切除，留下的缺口由缺口由DAN聚合酶聚合酶I和连结酶封闭。切除修和连结酶封闭。切除修复的遗传信息来自复的遗传信息来自DNA双螺旋的互补链。双螺旋的互补链。45 (三三)重组修复重组修复 从另外相同或相似的从另外相同或相似的DNA分子上取得相应的分子上取得相应的片段来修复损伤的片段来修复损伤的DNA。这种修复。这种修复DNA的的双链要重新排列组合，所以叫重组修复。双链要重新排列组合，所以叫重组修复。 46(四四)SOS反应对反应对DNA修复的诱导修复的诱导SOS是一组基是一组基 因，它是因，它是DNA修复最重要最广修复最重要最广泛的基因集团，通常称为泛的基因集团，通常称为DNA紧急修复基紧急修复基因，它们为因，它们为DNA的损伤所诱导。的损伤所诱导。SOS修复系统包括多种修复方式，其中有一修复系统包括多种修复方式，其中有一些不需要些不需要DNA模板，修复后不可能使模板，修复后不可能使DNA恢复到损伤前的状。因而可导致恢复到损伤前的状。因而可导致DNA的突的突变。变。 47五、突变与育种五、突变与育种(一一)自发突变与育种自发突变与育种1、从生产中选育、从生产中选育 在生产过程中筛选自发突变生成的生产性状在生产过程中筛选自发突变生成的生产性状改善的菌株。改善的菌株。 482、定向培养优良菌种、定向培养优良菌种 用某一特定环境长期处理某一微生物培养物，用某一特定环境长期处理某一微生物培养物，同时不断对它们进行移种传代，以达到积同时不断对它们进行移种传代，以达到积累和选择合适的自发突变体的一种古老的累和选择合适的自发突变体的一种古老的育种方法。育种方法。 49(二二)诱变育种诱变育种 利用物理或化学诱变剂处理微生物细胞，促利用物理或化学诱变剂处理微生物细胞，促进其突变频率大辐度进其突变频率大辐度 提高，然后从中挑选提高，然后从中挑选少数符合育种目的的突变株。少数符合育种目的的突变株。 502、诱变育种工作中的几个原则、诱变育种工作中的几个原则(1)选择简便有效的诱变剂选择简便有效的诱变剂(2)挑取优良有出发菌株挑取优良有出发菌株 (3)处理单孢子处理单孢子(或单细菌或单细菌)悬液悬液(4)选用最适剂量选用最适剂量(5)利用复合处理的协同效应利用复合处理的协同效应(6)利用和创造形态、生理与产量间的相关指标利用和创造形态、生理与产量间的相关指标(7)设计和采用高效筛选方案和方法设计和采用高效筛选方案和方法513、营养缺陷型的筛选、营养缺陷型的筛选诱变剂处理：诱变剂处理：淘汰野生型：淘汰野生型：检出缺陷型：检出缺陷型：52第三节第三节 微生物基因重组微生物基因重组 凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移在凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移在一起重新组合，形成新遗传型个体的一起重新组合，形成新遗传型个体的 方式方式 ，称基因重组，称基因重组(gene recombination)。 53转化转化: 受体菌接受外源受体菌接受外源DNA片段，经过交换将它组片段，经过交换将它组合到自己的基因组中，从而获得了供体菌合到自己的基因组中，从而获得了供体菌的部分遗传性状的现象，称为转化。转化的部分遗传性状的现象，称为转化。转化后的受体菌，称为转化子后的受体菌，称为转化子(transformant)。 541.转化的过程转化的过程吸附：双链吸附：双链DNA通过可逆通过可逆不可逆吸附作不可逆吸附作用结合至受体细胞的细胞上。用结合至受体细胞的细胞上。酶解酶解DNA：在位点上的：在位点上的DNA发生酶促分解，发生酶促分解，形成适当大小的形成适当大小的DNA片段；片段；DNA进入细胞：进入细胞：DNA双链中的一条单链逐步双链中的一条单链逐步降解，同时，另一条单链逐步降解，同时，另一条单链逐步 进入细胞。进入细胞。55 整合：转化整合：转化DNA单链与受体菌染色体组上的单链与受体菌染色体组上的同源区段配对，通过重组结合到受体细胞同源区段配对，通过重组结合到受体细胞DAN上。上。分离：受体菌染色体组进行复制，杂合区段分离：受体菌染色体组进行复制，杂合区段分离成两个其中之一类似供体菌，另一类分离成两个其中之一类似供体菌，另一类似受体菌似受体菌 。 ， 56(二二)转导转导 通过噬菌体的媒介，把供体细胞的通过噬菌体的媒介，把供体细胞的DNA片段片段携带到受体细胞中，从而使后者获得前者携带到受体细胞中，从而使后者获得前者部部 分遗传性状的现象，称为转导。转导又分遗传性状的现象，称为转导。转导又分为普遍性和局限性两类。分为普遍性和局限性两类。 571、普遍性转导、普遍性转导 噬菌体可误包供体菌中的任何基因，并使受噬菌体可误包供体菌中的任何基因，并使受 体菌实现各种性状的转导，称为普遍性转体菌实现各种性状的转导，称为普遍性转导，导， (1)完全转导完全转导 供体供体DNA片段与受体染色体组上的同源区段片段与受体染色体组上的同源区段配对，再通过双交换而重组到受体菌染色配对，再通过双交换而重组到受体菌染色体上体上 ，形成遗传性稳定的转导子。，形成遗传性稳定的转导子。 58(2)流产转导流产转导 供体供体DNA片段不能重组到受体菌染色体上片段不能重组到受体菌染色体上 ，但也不被受体细胞所降解，仅在一个细，但也不被受体细胞所降解，仅在一个细胞中保持其基因功能。胞中保持其基因功能。592、局限性转导、局限性转导 温和噬菌体将其在寄主温和噬菌体将其在寄主DNA插入位点处的少插入位点处的少数特定基因和噬菌体基因共同包装入噬菌数特定基因和噬菌体基因共同包装入噬菌体中并转入受体菌中中的转导现象。体中并转入受体菌中中的转导现象。60(三三)接合接合 通过含有质粒的供体菌和受体菌完整细胞间通过含有质粒的供体菌和受体菌完整细胞间的直接接触，在质粒的直接接触，在质粒DNA的带动下而传递的带动下而传递大段的大段的DNA过程，称为接合。过程，称为接合。 61 (四四)原生质体融合原生质体融合 通过人为方法，使遗传性状不同的两个细胞通过人为方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合，并产生重组子的过的原生质体发生融合，并产生重组子的过程，称为原生质体融合或细胞融合。程，称为原生质体融合或细胞融合。 62 二、真核微生物的基因重组二、真核微生物的基因重组(一一)有性杂交有性杂交 杂交是在细胞水平上发生的一种遗传重组杂交是在细胞水平上发生的一种遗传重组方式。有性杂交，一般指性细胞间的接合方式。有性杂交，一般指性细胞间的接合和随和随 之发生的染色体重组，并产生新遗传之发生的染色体重组，并产生新遗传型后代的一种育种技术。型后代的一种育种技术。63(二二)准性杂交准性杂交 是一种类似于是一种类似于 有性生殖，但比它更为原始有性生殖，但比它更为原始的一种生殖方式，它可使同种生物两个不的一种生殖方式，它可使同种生物两个不同菌株的体细胞发生融同菌株的体细胞发生融 合，且不以减数分合，且不以减数分裂的方式而导致低频率的基因重组并产生裂的方式而导致低频率的基因重组并产生重组子。重组子。 64(1)菌丝联结菌丝联结(amastomosis) 它发生于一些形态上没有区别的，但在遗传它发生于一些形态上没有区别的，但在遗传性上却有差别的同性上却有差别的同 一菌种的两个不同菌株一菌种的两个不同菌株的体细胞的体细胞(单倍体单倍体)间。发生联结的频率极低。间。发生联结的频率极低。65(2)形成异核体形成异核体(heterocaryon) 两个体细胞经联结后，使原有的两个单倍两个体细胞经联结后，使原有的两个单倍体核集中到同一体核集中到同一 个细胞中，于是就形成了个细胞中，于是就形成了双相的异核体。双相的异核体。 66(3)核融合核融合(nuclear fusion) 在异核体中的双核，偶尔可以发生核融合在异核体中的双核，偶尔可以发生核融合 ，产生双倍体杂合子核。产生双倍体杂合子核。 67(4)体细胞交换和单倍体化体细胞交换和单倍体化 在其进行有丝分裂过程中，其中极少数核的在其进行有丝分裂过程中，其中极少数核的染色体发生交换和单倍体化，从而形成了染色体发生交换和单倍体化，从而形成了极个别的具有新性状的单倍体杂合子。极个别的具有新性状的单倍体杂合子。 68第四节第四节 微生物基因工程微生物基因工程 一、基因工程的基本操作一、基因工程的基本操作 (1)目的基因的取得目的基因的取得(2)载体的选择载体的选择 (3)目的基因与载体目的基因与载体DNA的体外重组的体外重组(4)重组载体引入受体细胞重组载体引入受体细胞 69二、基因工程的载体70二、基因工程的主要工具酶1. 限制性内切酶限制性内切酶（1）限制性内切酶的生物学功能噬菌体侵染的限制现象限制性内切酶和甲基化酶的作用71（2）限制性内切酶的种类I型限制性内切酶II型限制性内切酶72三、基因工程的应用三、基因工程的应用1.微生物发酵微生物发酵各种酶制各种酶制Taq酶酶限制性内切酶限制性内切酶 肌氨酸氧化酶肌氨酸氧化酶抗生素生产抗生素生产732. 病毒疫苗病毒疫苗基因工程疫苗的优点基因工程疫苗的优点安全安全副作用小副作用小生产周期短生产周期短生产成本低生产成本低基因工程疫苗的种类基因工程疫苗的种类用酵母菌表达病毒表面抗原用酵母菌表达病毒表面抗原利用缺失突变的病毒利用缺失突变的病毒利用痘菌病毒利用痘菌病毒744. 转基因植物（利用根癌农杆菌）转基因植物（利用根癌农杆菌）原理：根癌农杆菌含有根癌农杆菌含有Ti质粒，在它的作用下能将质粒中的一段质粒，在它的作用下能将质粒中的一段DNA（T-DNA)转入植物。转入植物。方法：改造改造Ti质粒，使它失去致病能力。质粒，使它失去致病能力。合成一穿梭质粒，使它带有合成一穿梭质粒，使它带有T-NA和外源和外源DNA，将其转入根，将其转入根癌农杆菌中。癌农杆菌中。在在Ti质粒的作用下，可将穿梭质粒转入植物细胞。质粒的作用下，可将穿梭质粒转入植物细胞。75转基因植物转基因植物抗除草剂作物抗除草剂作物抗虫作物抗虫作物生产干扰素、抗体和疫苗生产干扰素、抗体和疫苗5. 环境生物技术环境生物技术 76