化生微生物微生物的遺傳上傳

化生微生物微生物的遺傳上傳第1頁/共59頁第8章

Chapter8微生物的遺傳MicrobialGenetics第2頁/共59頁遺傳和變異是生命的最本質特性之一。所謂遺傳（heredity），就是發(fā)生在親子之間即上下代間的關系，指上代生物如何將自身的一整套遺傳物質穩(wěn)定地傳遞給下一代的行為或功能，具有及其穩(wěn)定的特性。第3頁/共59頁遺傳型（genotype）：又稱基因型，指某一生物個體所含的全部遺傳因子即基因組所攜帶的遺傳信息。表型（phenotype）：指某一生物體所具有的一切外表特征和內在特征的總和，是遺傳型在特定環(huán)境條件下通過代謝和發(fā)育所表現(xiàn)出來的形態(tài)等生物學特征的總和。第4頁/共59頁變異（variation）：指生物體在某種外因或內因的作用下所引起的遺傳物質結構或數(shù)量的改變。特點是在群體中以極低的幾率出現(xiàn)，性狀變化幅度大，新性狀穩(wěn)定、可遺傳。飾變（modification）：是指外表的修飾性改變，是一種不涉及遺傳物質的結構而只發(fā)生在轉錄、翻譯水平的表型變化。特點是群體中幾乎每個個體都發(fā)生同樣變化，性狀變化幅度小，新性狀不可遺傳。第5頁/共59頁Chapter8-1-遺傳的物質基礎生物的遺傳變異的物質基礎是什么？這是生命科學中的一個重大的基礎理論問題，在研究這個問題的過程中有一系列的實驗和假說，最后，利用微生物所做的3個著名實驗真正證明核酸是遺傳物質。第6頁/共59頁一、3個經(jīng)典實驗

（Threetraditionaltests）人物：F.Griffith，O.T.Avery；時間：1928，1944；材料：肺炎鏈球菌（S型菌株、R型菌株）；1、轉化（transformation）第7頁/共59頁2、噬菌體感染實驗人物：A.D.Hershey、M.Chase

；時間：1952；材料：大腸桿菌，大腸桿菌噬菌體；第8頁/共59頁3、植物病毒的重建實驗人物：H.Fraenkel-Conrat；時間：1956；材料：煙草花葉病毒，霍氏車前花葉病毒；第9頁/共59頁二、遺傳物質的存在方式大部分遺傳物質集中在細胞核或核區(qū)中，還可能具有在細胞器、共生生物和質粒上的遺傳物質。核DNA往往和一定的蛋白質結合形成一定形態(tài)，形成染色體。不同生物染色體的數(shù)目不同，營養(yǎng)體染色體的套數(shù)也有不同。第10頁/共59頁

核酸（DNA或RNA）存在的形式有單鏈、雙鏈、環(huán)狀、線狀等；不同生物的基因組的大小差別很大。

基因是有遺傳功能的核酸片斷，大約1~1.5kb。

密碼子是一個信息單位，由3個核苷酸組成，表示一個氨基酸或其他翻譯信息。

核苷酸是組成核酸的基礎單元，是最小的突變單位。第11頁/共59頁質粒：一種獨立于染色體外，能進行自主復制的細胞質遺傳因子，主要存在于各種微生物細胞中。三、質粒（plasmid）質粒通常以共價閉合環(huán)狀（covalentlyclosedcircle，簡稱CCC）的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細胞中；也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質粒和RNA質粒；質粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb；（細菌質粒多在10kb以內）。第12頁/共59頁又稱F質粒、性因子，大小約100kb，為cccDNA，含有與質粒復制和轉移有關的許多基因，與大腸桿菌的接合作用有關。能以游離狀態(tài)和以與染色體相結合的狀態(tài)存在于細胞中。A、致育因子（fertilityfactor，F(xiàn)因子）第13頁/共59頁B、抗性因子（resistancefactor，R因子）也稱R質粒，包括抗藥性和抗重金屬兩大類?？剐再|粒可以用做遺傳標記，但其在細菌間的傳遞是細菌產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一。R100質粒（89kb）可使宿主具有的抗性：汞（mercuricion，mer）四環(huán)素（tetracycline，tet）鏈霉素(Streptomycin,Str)、磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素(Chlorampenicol,Cm)夫西地酸（fusidicacid，fus）第14頁/共59頁許多細菌能產(chǎn)生抑制或殺死其他近緣細菌或同種不同菌株的代謝物，稱為細菌素。細菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進行命名，如大腸桿菌（E.coli）產(chǎn)生的細菌素為大腸桿菌素（colicins），而質粒被稱為Col質粒。C、產(chǎn)細菌素的質粒（bacteriocinproductionplasmid）第15頁/共59頁D、毒性質粒（virulenceplasmid）許多致病菌的致病性是由其所攜帶的質粒引起的，這些質粒具有編碼毒素的基因，其產(chǎn)物對宿主（動物、植物）造成傷害。含編碼腸毒素質粒的產(chǎn)毒素大腸桿菌引起人類和動物腹瀉；蘇云金桿菌含有編碼δ內毒素的質粒，能殺死昆蟲；根癌土壤桿菌所含Ti質粒引起雙子葉植物冠癭瘤。第16頁/共59頁E、代謝質粒（metabolicplasmid）質粒上攜帶有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基質的酶，進行共生固氮，或產(chǎn)生抗生素（某些放線菌）等。降解質粒能將復雜的有機化合物降解成能被其作為碳源和能源利用的簡單形式，在環(huán)境保護方面具有重要的意義。比如假單胞菌具有降解一些有毒化合物，如芳香族化合物、辛烷和樟腦等的能力。第17頁/共59頁F、隱秘質粒（crypticplasmid）隱秘質粒不顯示任何表型效應，它們的存在只有通過物理的方法，例如用凝膠電泳檢測細胞抽提液等方法才能發(fā)現(xiàn)，它們存在的生物學意義，目前幾乎不了解。在應用上，很多隱秘質粒被加以改造作為基因工程的載體第18頁/共59頁Chapter8-2-基因突變（GeneMutation）基因突變是變異的一種，泛指細胞內部遺傳物質的分子結構或數(shù)量發(fā)生的的任何可遺傳性的改變。自發(fā)突變的幾率很低，可以通過誘變提高突變率，并采用一定的篩選方法，挑出符合目的的突變株用于研究和生產(chǎn)。第19頁/共59頁自發(fā)突變（spontaneousmutation）：

生物體在無人工干預的條件下，由于環(huán)境因素或自身代謝物的影響、DNA復制過程的偶然錯誤等而導致低頻率突變。誘發(fā)突變（inducedmutation）：

通過人為的方法，利用某些物理、化學或生物因素處理均勻而分散的微生物群體，突變以較高的頻率產(chǎn)生。一、突變類型（Typesofmutation）1、按突變發(fā)生的原因（basedonreason）第20頁/共59頁2、按堿基成分改變的情況（basedonbaseschanging）pointmutationaberrationsubstitutiontransitiontransversionframe-shiftmutationduplicationdeletioninversiontranslocationinsertion第21頁/共59頁（1）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）某一野生型菌株因發(fā)生基因突變而喪失合成一種或幾種生長因子的的能力，無法在基本培養(yǎng)基上正常生長繁殖的突變型。它們可在加有相應營養(yǎng)物的基本培養(yǎng)基上選出。3、按突變體表型特征的不同（basedoncharacteristicofphenotype）營養(yǎng)缺陷型基因的表示方法：用所需營養(yǎng)物的前3個英文小寫斜體字母表示；如：his-表示組氨酸缺陷型；第22頁/共59頁（2）抗藥性突變型（resistantmutant）指野生型菌株因發(fā)生基因突變而產(chǎn)生對某種或某幾種藥物或致死物理因子的抗性的突變類型。它們可在加有相應藥物或用相應物理因子處理的培養(yǎng)基上選出。抗性突變基因型的表示方法：用所抗藥的前3個英文小寫斜體字母加上“R”表示；如：strR表示對鏈霉素的抗性；

strS表示對鏈霉素的敏感性。第23頁/共59頁（3）條件致死突變型（conditionallethalmutant）某菌株經(jīng)基因突變后，在某條件下可正常生長繁殖并呈現(xiàn)固有的表型，在另一種條件下卻無法生長繁殖的突變類型。如溫度敏感突變株。（4）形態(tài)突變型（morphologicalmutant）指突變引起個體或菌落的變異的類型，如細胞鞭毛的有無；菌落顏色變化、表面形態(tài)變化等。第24頁/共59頁自發(fā)性：突變可自發(fā)產(chǎn)生；非對應性：突變性狀與引起突變的原因無直接對應關系；稀有性：自發(fā)突變的幾率在10-6~10-9；獨立性：某基因的突變率不受它種基因突變率的影響；可誘變性：可用誘變劑提高突變率（104~105）；穩(wěn)定性：基因突變后的遺傳性狀穩(wěn)定；可逆性：某性狀可發(fā)生回復突變。二、基因突變的特點第25頁/共59頁證明基因突變的自發(fā)性和非對應性的實驗舉例——變量實驗（fluctuationtest）（1943）第26頁/共59頁即堿基能以互變異構體的不同形式存在，形成不同的堿基配對。ATACATATGCGCAT三、突變的機制

（Mechanismofgenemutation）1、互變異構效應第27頁/共59頁自發(fā)突變的頻率很低，一般為10-6~10-9，許多化學、物理和生物因子能夠顯著提高突變頻率，稱為誘變劑。根據(jù)引起的不同突變結果，分為：堿基類似物、插入染料、直接與堿基起反應的化學物質和輻射與熱4種類型。2、誘變劑（mutagen）的影響第28頁/共59頁（1）堿基類似物（baseanalog）T的類似物5-溴尿嘧啶（5-BU）5-BU有兩種形式：酮式，和A配對烯醇式，和G配對ATA5-BUATATG

5-BUGC通過細胞的代謝活動滲入DNA分子中，引起間接的堿基置換。如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氨基尿嘧啶（5-AU）、8-氮鳥嘌呤（8-NG）、2-氨基嘌呤（2-AP）和6-氯嘌呤（6-CP）。第29頁/共59頁（2）直接與堿基起反應的化學物質亞硝酸使堿基發(fā)生氧化脫氨作用，把A變成HATHeTHkTATHkCHkCGCH有兩種形式：烯醇式He和酮式Hk，可與C配對。直接與一個或多個堿基發(fā)生化學反應，引起堿基的直接置換。如亞硝酸、羥胺、烷化劑等。第30頁/共59頁（3）插入染料（intercalatingdye）結構和一個堿基對相似，能插入兩個堿基對之間在DNA復制時導致堿基對的缺失或增添。如溴化乙錠和吖啶橙。（4）輻射和熱（radiationandheat）如紫外線形成胸腺嘧啶二聚體，在DNA修復中導致突變；熱引起堿基的化學反應導致錯配；此外，強烈的理化因子、轉座因子還會導致染色體大段損傷，如倒位、重復、插入等。第31頁/共59頁很多種化學物質，能以各種機制導致DNA的突變，因此可以被利用來獲得各類遺傳突變，進行誘變育種，還能對有害微生物進行控制，但同時，這些物質也危害人類自身的健康。3、誘變劑與致癌物質——Ames試驗第32頁/共59頁人物：美國加利福尼亞大學，BruceAmes材料：鼠傷寒沙門氏菌（Salmonellatyphmurium）組氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株（his-）艾姆氏試驗（Amestest）：是一種利用細菌營養(yǎng)缺陷型的回復突變來檢測環(huán)境或食品中是否存在化學致癌劑的簡便有效的方法。第33頁/共59頁艾姆氏試驗第34頁/共59頁四、DNA損傷的修復

（ReparationofDNA）DNA損傷的類型很多，機體對其修復的方法也各異，比如有些DNA聚合酶本身就有3’→5’的外切酶活性。機體主要的修復方式有：光復活作用、暗修復作用、重組修復和SOS修復。第35頁/共59頁光復活作用：把經(jīng)過紫外線照射后的微生物暴露在可見光下時，就可出現(xiàn)明顯降低其死亡率的現(xiàn)象。可見光紫外光TT光解酶1、光復活作用（photoreactivation）條件：可見光，光解酶第36頁/共59頁切除修復：又稱暗修復（darkrepair），是一種不依賴可見光，只通過酶切作用除去損傷部位，隨后又重新合成一段正常DNA鏈的修復方式。2、切除修復（excisionrepair）條件：內切核酸酶、外切核酸酶、DNA聚合酶、連接酶第37頁/共59頁自發(fā)突變生產(chǎn)中選擇定向培育誘發(fā)突變出發(fā)菌誘變條件篩選方案誘變劑種類誘變劑量樣品處理：表型延遲瓊脂塊培養(yǎng)法梯度平板法夾層平板法、影印平板法限量補充培養(yǎng)法五、突變與育種

（MutationandBreeding）第38頁/共59頁春日霉素產(chǎn)生菌的孢子懸液誘變含供試菌種（拮抗對象）的瓊脂平板瓊脂塊培養(yǎng)法抑菌圈檢查第39頁/共59頁Chapter8-3-基因重組（GeneRecombination）兩個獨立基因組內的遺傳基因，通過一定的途徑轉移到一起，形成新的穩(wěn)定的基因組的過程，稱為基因重組，是遺傳物質在分子水平的雜交。第40頁/共59頁接合：細胞與細胞的直接接觸（F因子介導）轉導：由缺陷噬菌體介導轉化：游離DNA分子+感受態(tài)細胞原生質體融合：雙親細胞準性生殖有性生殖基因重組的方式第41頁/共59頁1、轉化（transformation）轉化（transformation）：受體菌（receptor）直接吸收供體菌（donorcell）的DNA片段而獲得后者部分遺傳性狀的現(xiàn)象。通過轉化方式形成的雜種后代稱為轉化子（transformant）。感受態(tài)（competent）：是指受體細胞最易接受外源DNA片段并能實現(xiàn)轉化的一種生理狀態(tài)。感受態(tài)細胞（competentcell）就是處于感受態(tài)的微生物細胞。第42頁/共59頁接合（conjugation）：供體菌通過性菌毛與受體菌直接接觸，把F質?；蚱鋽y帶的不同長度的核基因組片段傳遞給后者，使后者獲得若干新遺傳性狀的現(xiàn)象。通過接合而獲得新遺傳性狀的受體細胞稱為接合子（conjugant）。2、接合（conjugation）第43頁/共59頁大腸桿菌的4種接合型菌株（stainsofconjugation）

F-菌株：也稱為“雌性”菌株，細胞內無F因子，細胞表面無性菌毛。

F+菌株：也稱為“雄性”菌株，細胞內獨立存在1個至幾個F因子，細胞表面有性菌毛。Hfr菌株：F因子整合在到染色體特定位點上，細胞表面有性菌毛。F’菌株：Hfr菌株內的F因子因不正常切割而脫離染色體時，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F因子，稱F’因子。細胞表面有性菌毛。第44頁/共59頁A、F+×F-雜交結果：供體細胞和受體細胞均成為F+細胞接合過程中，F(xiàn)質粒的一條單鏈在特定位點上斷裂，以滾環(huán)方式F質粒復制，以線性方式轉移到F–中。第45頁/共59頁B、Hfr×F-Hfr菌株—高頻重組菌株：F因子整合在染色體DNA上，在發(fā)生接合轉移過程，可以把部分甚至全部細菌染色體傳遞給F-細胞并發(fā)生重組。在Hfr和F–接合時，Hfr的染色體雙鏈中的一條單鏈在F質粒處斷裂，由線狀變成環(huán)狀，質粒中與性別有關的基因位于染色體末端，供體細胞的染色體DNA以線性方式向受體細胞轉移。雜交結果：受體細胞大多數(shù)仍然是F-第46頁/共59頁C、F’×F-這種基因轉移過程又稱為性導（sexduction）、F因子轉導（F-duction），或F因子媒介的轉導（F-mediatedtransduction）。攜帶F’質粒的菌株稱為初生F’菌株（primaryF’-strain），通過F’菌株與F-菌株接合，后者也可成為F’菌株，是次生F’菌株（secondaryF’-strain），是一個部分雙倍體。雜交結果：受體細胞是F’第47頁/共59頁3、轉導（transduction）轉導（transduction）：通過缺陷噬菌體（defectivephage）的媒介，把供體細胞的小片段DNA攜帶到受體細胞中，通過交換與整合，使后者獲得前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象。由轉導作用而獲得部分新性狀的重組細胞稱為轉導子（transductant）。第48頁/共59頁將遺傳性狀不同的兩種菌（種間、種內、屬間）融合為一個新細胞的技術。原生質體的制備：去壁（溶菌酶，蝸牛酶）原生質體融合和再生：誘導融合（PEG，電擊），再生培養(yǎng)基融合子的選擇：選擇標記（營養(yǎng)缺陷型、熒光染色）4、原生質體融合第49頁/共59頁Chapter8-4-基因工程（GeneticEngineering）

也稱重組DNA技術(recombinantDNAtechnology)，是指對遺傳信息的分子操作和施工，即把分離到的或合成的基因經(jīng)過改造，插入載體中，導入宿主細胞內，使其擴增和表達，從而獲得大量基因產(chǎn)物，或者令生物表現(xiàn)出新的性狀。第50頁/共59頁基因工程操作的基本過程：基因分離體外重組重組載體的傳遞與篩選在特定的宿主中表達，得到基因工程產(chǎn)品第51頁/共59頁Chapter8-5-菌種保藏（CulturePreservation）

由于微生物的變異，某些特征會在生長繁殖中衰退或消失，這與在科學研究和生產(chǎn)實踐中希望保持微生物的一些有利特征是矛盾的，因此，需要一定的方法來控制不利變異，這就涉及到菌種保藏和復壯。第52頁/共59頁一、菌種的衰退和復壯衰退：是指由于自發(fā)突變而使某物種原有的一系列生物學特征發(fā)生量變或質變的現(xiàn)象。復壯：是指在菌種已經(jīng)發(fā)生衰退的情況下，通過純種分離和測定典型性狀、生產(chǎn)性能等指標，從群體中篩選出未退化的個體，以達到恢復原菌株固有性狀的措施。第53頁/共59頁防止衰退的方法：控制傳代次數(shù)；使用良好的培養(yǎng)條件；