第七章 微生物的遗传变异和育种 郑新添 2011-5-3

第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变和诱变育种★ 第三节 基因重组与杂交育种★ 第四节 基因工程 第五节 菌种的衰退、复壮和保藏★ 本章内容 第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变和诱变育种★ 第三节 基因重组与杂交育种★ 第四节 基因工程 第五节 菌种的衰退、复壮和保藏★

遗传与变异的概念 遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。 特点：具稳定性。 遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；------是一种内在可能性或潜力。 遗传型 + 环境条件 表型 代谢 发育 例如：粘质沙雷氏菌：在25℃下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37℃下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25℃，又恢复产色素的能力。 表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;------是一种现实存在，是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。

遗传与变异的概念 变异(variation):生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。 变异的特点： b.性状变化的幅度大； c.变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。 饰变（modification）：指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。例：粘质沙雷氏菌 特点是： a.几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化； b.性状变化的幅度小； c. 饰变是不遗传的。引起饰变的因素消失后， 表型即可恢复。 变异(variation)生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。变异的特点：a.在群体中以极低的几率出现，突变频率一般为10-6～10-10；b.形状变化的幅度大； c.变异使得生物在形态、结构、生理特性等性状面有所改变，形成新的性状，新性状是稳定的，可遗传的。 饰变（modification）：指生物体由于非遗传因素引起的表型改变，变化发生在转录、转译水平，特点是几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化，性状变化的幅度小，不遗传，引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。举例：Serratia marcescens 的红色素在25℃和37℃的变化。 微生物与其他生物一样,变异性是由遗传物质控制,也受环境的影响。微生物的变异性可概括为暂时变异性和永久变异性．暂时变异性即饰变．主要是由环境因子控制,因而微生物在某一个特殊环境下,发生变异性,然而当回到正常环境下,又回复为正常型．在实验室内采用各种化学成分均不相同的培养基培养细菌,例如,把培养在某一个培养基上面的细菌转到各种培养基上面生长,或者把细菌放在不同温度、氢离子浓度、氧分压等特殊的物理环境因子下培养,象这样培养的细菌经常在细胞体积和形态、芽抱有无、鞭毛有无、菌落形态、荚膜形成、色素增减、上理、抗原等

模式生物（model organism） 微生物作为模式生物的特点： 物种与代谢类型的多样性 个体的体制极其简单 营养体一般是单倍体 易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖 繁殖速度快 易于积累不同的中间代谢物或终产物 菌落形态的可见性与多样性 环境条件对微生物群体中各个体作用的直接性和均一性 易于形成营养缺陷型突变株 各种微生物一般都有其相应的病毒 存在多种处于进化过程中、富有特色的原始有性生殖方式

模 式 生 物 human Arabidopsis 拟南芥 Ureaplasma urealyticum Drosophila melanogaster Rickettsia prowazekii Bacillus subtilis Helicobacter pylori 模 式 生 物 Buchnerasp. APS Escherichia coli大肠杆菌 human Arabidopsis 拟南芥 Thermotoga maritima Thermoplasma acidophilum Caenorhabitis elegans mouse rat Borrelia burgorferi Plasmodium falciparum Neisseria meningitidis Z2491 Borrelia burgorferi Aquifex aeolicus Mycobacterium tuberculosis

第一节 遗传变异的物质基 核酸－－遗传变异的物质基础（3个经典实验） 肺炎链球菌的转化试验 噬菌体的侵染试验 病毒重建实验

(一)肺炎链球菌的转化试验 动物试验

分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化

（2）细菌培养实验 平皿培养 热死S菌 不生长 活 R 菌 长出R菌 热死S菌 长出大量R菌和少量S菌 +活R菌

实验说明： 加热杀死的S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R型细胞并使R型细胞获得稳定的遗传性状，转变为S型细胞。

1944年O.T.Avery等从热死S型pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分,并在离体条件下进行了转化试验: ①加S菌DNA ②加S菌DNA及DNA酶以外的酶 ③加S菌的DNA和DNA酶 ④加S菌的RNA ⑤加S菌的蛋白质 ⑥加S菌的荚膜多糖 长出S菌 活R菌 只有R菌

只有S型细菌的DNA才能将pneumoniae的R型转化为S型 Avery的实验说明： 只有S型细菌的DNA才能将pneumoniae的R型转化为S型 DNA纯度越高，转化效率也越高 S型菌株转移给R型菌株的决不是遗传性状的本身，而是以DNA为物质基础的遗传信息。

（二）噬菌体感染实验 1952 年Hershey和Chase利用示踪元素，对大肠杆菌 T2 噬菌体进行了这类实验 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. 让 T2 噬菌体侵染培养后的E.coli ，从而使 噬菌体打上 标记。 这种噬菌体再侵染不含标记元素的E.coli ，并在完成吸附和侵入后， 强烈搅拌洗涤，以便使吸附在菌体外表的 噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布，再进行离心沉淀，分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记

沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体 10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离 吸附 离心 沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体 上清液中含 15%放射性 沉淀中含 85%放射性 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，可以获得含32P-DNA的噬菌体或含35S-蛋白质的噬菌体。 将两种带有不同放射性的噬菌体分别感染寄主，10min后用捣碎器使噬菌体外壳脱离寄主细胞，离心后测定上清液和沉淀的放射性。 （1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中 （2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中 （1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中

沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体 以35S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验 10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离 吸附 离心 沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体 上清液中含 75%放射性 沉淀中含 25%放射性 （2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中

　实验结果：几乎全部 35S 都在上清液中，而几乎全部 32P 和细菌一起出现在沉淀物中。 　实验说明：在其DNA中，含有包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。

实验结果说明 杂种病毒的感染特征和蛋白质的特性 是由它的RNA所决定，而不是由蛋白质所决定，遗传物质是RNA。

结论 只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础

朊病毒的发现和思考 蛋白质是不是遗传物质？ 蛋白质的折叠与生物功能 “第二遗传密码”－－“折叠密码”？ 中心法则是否应表述为：DNA→RNA→多肽链→蛋白质呢?

（一）七个水平 细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 细胞核水平: 真核与组蛋白结合，原核不结合蛋白质 二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式 （一）七个水平 细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 细胞核水平: 真核与组蛋白结合，原核不结合蛋白质 染色体水平: 倍性(真核)和染色体数 核酸水平： DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链 基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位 一）核酸存在的七个水平及质粒 1、细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 2、细胞核水平：原核生物与真核生物的细胞核结构不同，核外 DNA 3、染色体水平：倍性(真核)和染色体组数， 4、核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体DNA或 RND，复合或裸露，双链或单链 5、基因（gene）水平：长度与信息量，自主复制，遗传功能,功能 单位, 6、密码子水平：第三位模糊,起始和终止,信息单位 7、核苷酸水平：突变单位和交换单位，四种碱基 密码子水平： 信息单位，起始和终止 核苷酸水平： 突变或交换单位，四种碱基

核外DNA的种类 核外染色体 线粒体 细胞质基因 叶绿体 （质体） 共生生物： 卡巴颗粒 酵母菌 : 2m质粒 真核生物的“质粒” 细胞质基因 叶绿体 （质体） 共生生物： 卡巴颗粒 酵母菌 : 2m质粒 真核生物的“质粒” 原核生物的质粒 核外染色体 F因子 R因子 Col质粒 Ti质粒 巨大质粒 降解性质粒

（二）、原核生物的质粒（plasmid） 定义：是一类小型闭合环状核外双螺旋DNA分子，能独立于细胞核进行自主复制(cccDNA)。 大小：约为1.5-300kb，分子量106-108上面携带有数个到数十个甚至上百个基因。 E.Coli 质粒 附加体：某些质粒具有与核染色体整合和脱离的功能， 如F因子。

质粒的性质 ①可在胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以附加体（episome）的形式存在； ②质粒是一种复制子（replicon），根据自我复制能力的不同，分为严紧型和松弛型两种， 严紧型质粒的复制受细胞核控制，与染色体DNA复制相伴随,一般一个寄主细胞内只有少数几个（1-5）个拷贝； 松弛型质粒的复制不受细胞核控制，在染色体DNA复制停止的情况下仍可以进行复制，在细胞内的数量可以达到10-200个或更多。

质粒的性质 ③可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞； 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。 ④对于细菌的生存并不是必要的 ⑤功能多样化

原核生物的质粒 功能：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、降解功能等。 重组：质粒之间、质粒与染色体之间均可发生 制备：包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋白质等成分、去除RNA和蛋白质等步骤。 鉴定：电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱等方法

几种代表性质粒 1. F–因子（fertility factor）致育因子或性因子 与接合作用有关 存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、 链球菌等细菌中，决定性别

2. R因子（resistence factor）抗性因子 存在于痢疾志贺氏菌（Shigella dysenteriae），Salmonella、 Vibrio、Bacillus、Pseudomonas和Staphylococcus等。 由两个DNA片段组成，即抗性转移因子（ RTF ）和抗 性决定R因子（r-determinant） RTF控制质粒copy数及复制 抗性决定因子大小不固定，其上带有其它抗生素的抗 性基因。

3. Col质粒（colicinogenic factor）产大肠杆菌素因子 编码大肠杆菌素 能专一地杀死其它肠道细菌。 Col因子可分为两类，分别以ColE1和ColIb为代表。 ColE1，无接合作用； 广泛地用于重组DNA 的研究和用于体外复制系统上。 ColIb，与F因子相似，具有通过接合作用转移的功能，属于严紧型控制，只有1~2个copy。 凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。

4. Ti质粒（tumor inducing plasmid）诱癌质粒） 存在于根癌土壤杆菌（Agrobacterium tumefaciens）中,可引起许多双子叶植物的根癌 Ti质粒长200kb，是一个大型质粒 植物遗传工程研究中的重要载体

6. 巨大质粒（mega质粒） 是近年来在Rhizobium（根瘤菌属）中发现的一种质粒， 分子量为200~300×106Dalton，比一般质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒， 其上有一系列固氮基因。

7. 降解性质粒 降解性质粒 只在假单胞菌属中发现。 降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。 以其所分解的底物命名 CAM（樟脑）质粒，XYL（二甲苯）质粒，SAL（水杨酸）质粒，MDL（扁桃酸）质粒，，NAP（奈）质粒和TOL（甲苯）质粒等。

本节小结 1、遗传的几个基本概念：遗传型与表型， 变异与饰变 2、证明核酸是一切生物遗传物质基础的 3个经典实验 3、遗传物质在细胞中的7个水平 4、质粒的特点、种类及其在基础理论和实际应用中的重要性

2、为何证明核酸是遗传物质基础的3个经典实验都不约而同的同时选用微生物作研究对象，且其中2个是病毒 思考题 1、名词解释 ：遗传型、表型 2、为何证明核酸是遗传物质基础的3个经典实验都不约而同的同时选用微生物作研究对象，且其中2个是病毒 3、什么是质粒？它有哪些特点？主要质粒有几类？各有何理论和 实际意义？