遗传变异的物质基础 微生物的遗传物质 基因突变 基因的转移与重组 菌种选育和保藏

点突变 碱基对置换 基因突变 移码突变 染色体畸变：染色体在数目和结构上发生的变化 转化 基因重组 接合 转导 原生质体融合 变异--新基因型的出现

1、基因与性状 基因（gene）— 功能蛋白质或RNA所必需的全部核苷酸序列,是遗传物质的功能单位。 基因组（genome）— 一个细胞或一种生物体的一套完整单倍体遗传信息的总和。 基因型（genotype）— 生物的全部遗传因子。 表型（phenotype）— 与基因型相对，是生物在特定条件下表现出来的全部性状。 表型是由基因型所决定，但也和环境有关。 大多数生物的基因是DNA，少数如RNA病毒的基因为RNA。 染色体倍性是指细胞内同源染色体的数目，其中只有一组的称为“单套”或“单倍体”。

1、基因与性状 野生型（wild type）— 从自然界获得的、未发生突变的菌株。 突变型（mutant）— 发生基因突变后，性状改变了的菌株。 正向突变(forward mutation) — 由野生型向突变型的过程。 回复突变(back mutation) — 从突变型经过又一次突变，成为与野生型有相同表型的过程。

基因的表示方法 基因型常以该基因功能特性的英文词的前3个字母表示（小写），一般用斜体，该基因的功能特性在右上角以＋/－、r/s表示。 his-和his+ ，分别表示组氨酸缺陷型和野生型。 表型：同基因型，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC gal+、gal-分别表示能发酵半乳糖和不能发酵半乳糖； strs、strr分别表示对链霉素敏感和具抗性。

(1)基因突变 (gene mutation)：生物遗传物质的核苷酸序列发生了稳定的可遗传的变化，导致生物的某些性状发生可遗传的变异。 2、基因突变的规律与类型 (1)基因突变 (gene mutation)：生物遗传物质的核苷酸序列发生了稳定的可遗传的变化，导致生物的某些性状发生可遗传的变异。 点突变：DNA链上一对或少数几对碱基发生置换、缺失或插入引起的突变，涉及范围小 。 染色体畸变：大段染色体的缺失、重复、异位和倒位，即较大范围内遗传物质结构的改变。 The three major single chromosome mutations 1.deletion； 2.duplication；3.inversion

2、基因突变的规律与类型 ⑵ 表型饰变 (phenotypic modification)： 表型饰变的特点： 指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。（橘生于淮南为橘，生于淮北则为枳） 表型饰变的特点： 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； 因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。 引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。 不同环境下相同基因型的微生物表现出不同的表型，是暂时的，非遗传性的改变。

（2）表型饰变 (phenotypic modification) 0.1%石炭酸抑制变形杆菌的鞭毛生长 粘质沙雷菌在25℃培养时产生深红色灵杆菌素 0.1%石炭酸培养基 普通琼脂培养基

（3）基因突变的基本特点 自发性和不对应性 稀少性 ( 突变率10-6-10-9 ) 可诱发性 独立性 稳定可遗传性 稀少性 ( 突变率10-6-10-9 ) 可诱发性 独立性 稳定可遗传性 可逆性：突变株、野生型菌株、回复突变 野生型菌株、突变株 (Wild type 、 mutant)

基因突变的自发性和不对应性 三个经典实验 变量实验、涂布实验、影印实验 判断下面表述是否正确： 抗药性突变是由于接触了药物所引起的。 抗紫外线的突变是由于接触了紫外线所引起的。 三个经典实验 变量实验、涂布实验、影印实验

变量实验Salvador Luria and Max Delbruck（1943） The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969

Newcombe的涂布实验（1949）

影印实验Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952） J. Lederberg is awarded the Noble Prize in Medicine and Physiology in 1958

突变的性状与引起突变的原因间没有直接的对应关系！ 以上实验证明 基因突变的非对应性 突变的性状与引起突变的原因间没有直接的对应关系！

3、突变株的类型及实际应用 1）营养缺陷型（auxotroph）：微生物经突变后失去对某种生长因子（维生素、氨基酸、核苷酸等）的合成能力，必须依靠外界供应才能生长，这种突变株称为营养缺陷型。 如：hisC 表示组氨酸缺陷型，大写字母C表示同一表型中不同基因的突变，hisC-和hisC+ 分别表示组氨酸缺陷型和野生型。 表型：HisC 负选择标记：在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长,在完全培养基上可以生长。 微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段。

营养缺陷型突变株的应用 Ames试验（检测药物是否具有诱变和致癌作用）： 利用是否能引起鼠伤寒沙门氏菌组氨酸缺陷型（hisˉ）菌株的回复突变来判断化学物质是否为诱变剂或致癌剂。 “生物化学统一性”法则： 人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。 Ames Test—美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于1966年发明，用于检测某种新药是否具有诱变和致癌作用。 S9是大鼠肝匀浆经 9000 ×g低温离心得到的上清液，其主要有效成分为混合功能氧化酶(mixed function oxidase , MPO) 系统，具有活化氧分子和与底物结合的双重功能，是许多体外实验常用的体外代谢活化系统。目前制备大鼠肝S9 (Hepatic post-mitochondrial supernatant)常用的诱导剂多氯联苯（Polychlorinated biphenyls , PCBs）主要是四、五、六氯联苯的混合物，能诱导产生许多前致突变剂、致癌性化学物生物转化所需要的细胞色素酶。

注意 有的致癌物的诱变性是被哺乳动物肝细胞中的羟化酶系统活化的，而细菌却没有这种酶系统，故加入鼠肝匀浆的酶系统能增加检测的灵敏度。

Ames试验要点 1.用途：用于检测食品、饮料、药品等是否具有诱变作用（“三致”:致突变、致畸、致癌）； 2.菌株：鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium)组氨酸缺陷型（hisˉ）； 3.原理：药物作用于实验菌，如有诱变作用，则回复突变，能在基本培养基上生长，超过正常几率即为阳性； 4.诱变和致癌：Ames试验阳性和致癌之间有十分明显的相关性（95％的致癌剂有诱变作用，90%非致癌剂无诱变作用）； 5.优点：方法灵敏，检出率高，简便、易行，不需特殊器材，容易推广。 试验菌株特征：具有不同的、经遗传学确证的组氨酸营养缺陷；细胞壁组成（脂多糖）缺陷，对有机化合物有高度渗透性；DNA切除修复功能缺陷 诱变剂的共性原则：化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比。

药品开发过程中，必须有“三致”实验的数据，才能够获得批准。 20世纪60-70年代，一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停” 十分流行。 但随后发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停”。采用Ames试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用。 药品开发过程中，必须有“三致”实验的数据，才能够获得批准。 药品的三致作用是指药品的致癌、致畸、致突变作用

2） 高产突变株 正变株：产量提高 负变株：产量降低 3、突变株的类型及实际应用 2） 高产突变株 正变株：产量提高 负变株：产量降低 3）抗性突变型（resistant mutant） 分为抗药性、抗噬菌体和抗紫外线等。 抗药性：细菌对某种抗菌药物敏感性降低或产生耐药性，是遗传学研究中重要的选择性标记。 正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得） 表示方法：所抗药物的前三个小写、斜体、英文字母加上“r” strr 和 strs 分别表示对链霉素的抗性和敏感性

4）条件致死突变型 （conditional lethal mutant） 3、突变株的类型及实际应用 4）条件致死突变型 （conditional lethal mutant） 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。 负选择标记 如温度敏感突变型（Ts，temperature sensitive mutant ）, 在高温下(如42℃)是致死的，可以在低温(如25-30℃)下得到这种突变。 常被用来分离生长繁殖必需的突变基因。

5）毒力突变型（Virulence mutant） 3、突变株的类型及实际应用 5）毒力突变型（Virulence mutant） 胆汁、甘油、马铃薯培养基 牛型结核杆菌 卡介苗                    13年 ( 230代 ) (BCG) 疫苗 生物武器

4、基因突变分子机制 自发突变（自学） 诱发突变：人为用理化因素诱导生物体遗传物质发生变异，突变以较高的频率产生。 碱基对置换 直接作用：HNO2诱变机制 间接作用：5-溴尿嘧啶（5-BU）诱变机制 移码突变：一个或几个核苷酸的增减 染色体畸变：大段DNA损伤 物理诱变：紫外线诱变机制 诱变剂（mutagen）：能提高突变率的任何理化因子。 自发突变（spotaneous mutation） 没有人工参与下生物体自然发生的突变，一般频率较低，通常为10-6-10-9 。 机制： 环境因素的诱变；碱基结构的变化（T和G酮式和烯醇式构型的互变, C与A氨基式和亚氨式构型的互变）；环出效应；转座效应

（1） 碱基置换（substitution） 诱发突变---- （1） 碱基置换（substitution） 定义：DNA复制中，一对碱基被另一对碱基取代，造成配对错误。一般也称点突变。 分类： 转换（transition），即DNA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； 颠换（transversion），即一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换。 对某一具体诱变剂来说，可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一种功能。

（1） 碱基置换（substitution） 诱发突变---- （1） 碱基置换（substitution） 引起碱基置换的化学诱变剂： ①间接引起置换的碱基类似物：5-溴尿嘧啶（5-BU）; ②直接与碱基作用的碱基修饰剂:亚硝酸（HNO2）。

①间接引起置换的诱变剂－ 5-BU 5-BU: 5溴尿嘧啶 是胸腺嘧啶T的代谢类似物

①间接引起置换的诱变剂－ 5-BU 主要 转换 转换

②直接与碱基作用的碱基修饰剂—亚硝酸（HNO2） 腺嘌呤脱氨成次黄嘌呤

（2）移码突变 移码突变（Frame Shift Mutation）：DNA分子中一对或少数几对核苷酸的增加或缺失而造成突变点以后的全部遗传密码的转录和翻译都发生错误。 吖啶类染料、溴化乙啶等，均为DNA分子嵌入剂。

（3）物理诱变：UV诱变 主要机制：胸腺嘧啶二聚体的形成（T-T） DNA在链间或链内形成胸腺嘧啶二聚体，会阻碍双链的分开、复制与配对。 将经紫外线照射后的细胞立即暴露在可见光下时，可明显降低其死亡率，这种现象称为光复活作用（photoreactivation）。

遗传变异的物质基础 微生物的遗传物质 基因突变 基因的转移与重组 菌种选育和保藏

基因的转移和重组 基因重组（genetic recombination）： 两个不同个体内的遗传基因通过重新组合，形成新遗传型个体的方法。 重组子（recombinant）：经基因重组后形成的有新遗传特性的细胞。

基因重组的主要方式 转化 接合 转导 原生质体融合

1、转化（transformation） 转化：受体菌接受供体菌裸露的DNA片段，从而获得供体菌部分遗传性状的过程。 转化子（ transformant ）：转化后能稳定表达供体菌部分遗传性状的重组子。  1928年Griffith首先进行了细菌转化试验。  1944年Avery利用转化试验证实了DNA是遗传的物质基础。

转化的前提条件 供体DNA片段应为dsDNA，且大小合适（0.5~15kb） 供体菌与受体菌之间有一定的亲缘关系（同源性）; 受体菌必须处于感受态。 感受态(competence)： 受体细胞能接受转化的生理状态。只有处于感受态的细菌才能接受转化因子，从出现到消失约为40分钟。 感受态细胞: 具有摄取外源DNA能力的细胞。 与菌的特异性，生长期及培养条件有关（ 对数生长期后期或人工诱导）。 Ca2+、Mg2+；

转化(transformation) 每个受体细胞表面约有30 -80个转化因子结合点，当转化因子结合到受体表面结合位点上，DNA一条链被受体细胞膜上的核酸酶分解，另一条链被摄入受体细胞，通过整合与受体细胞进行基因重组。 有人发现DNA也可通过双链形式进入受体细胞形成双倍体的转化子。

感受态的人工诱导转化 Ca 2+：CaCl2 热转化：先用冰预冷，再用42oC水浴热休克90s左右，再冰浴后培养观察 电转化

基因重组的主要方式 转化 接合 转导 原生质体融合

2、接合(conjugation) 供体菌和受体菌通过细胞的直接接触，遗传物质自供体菌转移入受体菌，使后者获得前者的部分遗传性状。

F质粒结构 复制和不相容区 转移区 插入区（重组区） F plasmid

F因子的存在方式及E.coli的四种接合型菌株

F因子的四种细胞形式 根据细胞中是否存在F因子以及其存在方式的不同，把E.coli分成四种结合型的菌株。 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+）； Hfr（高频重组）菌株：F因子插入到染色体DNA上，细胞表面有性菌毛。 Hfr菌株与F-菌株接合时，能带动细菌染色体转移入F-菌株，并以很高频率与受体菌染色体重组，由此而得名为高频重组菌株（high frequency of recombination strain ，Hfr strain）。 4、 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。 不同菌株与F－菌株接合的结果？

F+ F- F+ F+ + ×

F+ F- F+ F+ + × Donor F+ F- Recipient

Hfr F- Hfr + F- × Hfr F-

Hfr × F- Hfr + F- 　　Hfr菌株仍然保持着F＋细胞的特征，具有性菌毛，并象F＋一样与F－细胞进行接合。所不同的是，F因子的先导区（leading region）结合着染色体DNA向受体细胞转移，F因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此F因子不易转入受体细胞中，故Hfr×F－杂交后的受体细胞（或接合子）大多数仍然是F－。

F’ F- F’ F’ + × F’ F-

基因重组的主要方式 转化 接合 转导 原生质体融合 基因重组的主要方式 转化 接合 转导 原生质体融合

转导（transduction） 转导：以噬菌体为媒介，将供体菌的遗传物质转移入受体菌，通过基因重组而使受体菌获得了供体菌的部分遗传性状。 转导噬菌体（transducing phage）：能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体。 转导子（transductant）通过转导而获得新遗传性状的受体菌。 转导分为： ⑴普遍性转导：完全缺陷噬菌体（烈性或温和噬菌体） — 供体菌任何DNA片断。 ⑵局限性转导：部分缺陷的温和噬菌体—供体菌少数特定基因。

(generalized transduction) 普遍性转导 (generalized transduction) 特点：在选择培养基平板上形成微小菌落 转导DNA不能进行重组和复制，但其 携带的基因可经过转录而得到表达。 流产转导（abortive transduction） 完全转导（complete transduction）－外源DNA通过与受体细胞染色体的基因重组而形成稳定的转导子。 外源DNA被降解，转导失败。

(restricted /specialized transduction) 局限性转导 (restricted /specialized transduction) ——通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌的现象。 gal bio 举例： E.coli 的λ噬菌体，插入位点两侧为gal和bio基因，不正常切割时可包装入噬菌体外壳，形成缺陷噬菌体，再感染时形成局限性转导。

溶源转变 Lysogenic conversion 溶源转变：温和噬菌体感染中，前噬菌体整合入宿主菌染色体而使其溶源化，同时使宿主菌的表型发生改变。不同于转导！ β-噬菌体 白喉杆菌 产生白喉外毒素

基因重组的主要方式 转化 接合 转导 原生质体融合 基因重组的主要方式 转化 接合 转导 原生质体融合

原生质体融合 (protoplast fusion) 原生质体融合：两种细胞经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后相互融合的过程。 意义：打破了微生物的种界界限，可实现远缘菌株的基因重组。

遗传变异的物质基础 微生物的遗传物质 基因突变 基因的转移与重组 菌种选育和保藏

菌种保藏 影响因素：低温、干燥、隔绝空气 传代培养保藏法 斜面培养、穿刺培养、疱肉培养基培养等（保藏厌氧细菌） 液体石蜡保藏法、甘油管保藏法 沙土保藏法 液氮保藏法 寄主保藏法 冷冻干燥保藏法

菌悬液/甘油管

权威菌种保藏机构 中国医学微生物菌种保藏管理中心 （CMCC） 美国模式培养物集存库(American type culture collection,ATCC)

Review 遗传、变异、基因型、表型的概念； 微生物的遗传物质； 质粒的概念、特点、类型及应用；转座因子的概念及种类 基因突变的概念、特点及分子机制； 营养缺陷突变株及其应用； 基因的转移和重组（转化、接合、转导的概念和过程） 菌种保藏的常用方法

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