微生物的遺傳變異和育種課件

微生物學第七章微生物的遺傳變異和育種1微生物學第七章微生物的遺傳變異和育種1遺傳：親代與子代相似變異：親代與子代、子代間不同個體不完全相同遺傳（inheritance）和變異（variation）是生命的最本質(zhì)特性之一遺傳型：表型（表現(xiàn)型）：生物的全部遺傳因子及基因遺傳型+環(huán)境條件→→→→生長發(fā)育→→→→形態(tài)等生物學特征的總和表型是由遺傳型所決定，但也和環(huán)境有關(guān)。2遺傳：親代與子代相似變異：親代與子代、子代間不同個體不完全相表型飾變：表型的差異只與環(huán)境有關(guān)，只在轉(zhuǎn)錄、翻譯水平的表型變化特點：暫時性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個體的行為橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳。遺傳型變異（基因變異、基因突變）：遺傳物質(zhì)改變，導致表型改變特點：遺傳性、群體中極少數(shù)個體的行為（自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）3表型飾變：表型的差異只與環(huán)境有關(guān)，只在轉(zhuǎn)錄、翻譯水平的表型變球形節(jié)桿菌少生物素

的培養(yǎng)基--少細胞壁諾卡氏菌屬完全培養(yǎng)基放射土壤桿菌4蛋白胨瓊脂腦心浸出液瓊脂球形節(jié)桿菌少生物素的培養(yǎng)基--諾卡氏菌屬完全培養(yǎng)基放射土壤微生物是遺傳學研究中的明星（模式生物）：微生物細胞結(jié)構(gòu)簡單，營養(yǎng)體一般為單倍體，方便建立純系。很多常見微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長繁殖。對環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，操作性強。5微生物遺傳學的意義：促進遺傳學向分子水平發(fā)展，促進生化、

分子生物學和生物工程學發(fā)展、促進育種工作、

人類（微生物）基因組測序、2015年，美國人類聯(lián)合微生物組研究計劃微生物是遺傳學研究中的明星（模式生物）：微生物細胞結(jié)構(gòu)簡單第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎第二節(jié)基因突變和誘變育種第三節(jié)基因重組和雜交育種第五節(jié)菌種保藏三個經(jīng)典實驗的原理與方法遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)存在的部位和形式原核生物的質(zhì)?；蛲蛔兊囊?guī)律三種基因水平轉(zhuǎn)移方式及其應用微生物菌種保藏的基本方法突變與育種第四節(jié)基因工程6第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎第二節(jié)基因突變和誘變育種第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎關(guān)于遺傳物質(zhì)的爭論：7種質(zhì)連續(xù)理論：1883-1889年間Weismann提出：生物體的物質(zhì)分為體質(zhì)和種質(zhì)，認為種質(zhì)具有穩(wěn)定性和遺傳性，是一種具有特定分子結(jié)構(gòu)的化合物。基因?qū)W說：1933年摩爾根（ThomasHuntMorgan）發(fā)現(xiàn)了染色體，并證明基因在染色體上呈直線排列，提出了基因?qū)W說，使得遺傳物質(zhì)基礎的范圍縮小到染色體上。

但染色體是由核酸和蛋白質(zhì)兩種長鏈高分子組成。什么是遺傳物質(zhì)？第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎關(guān)于遺傳物質(zhì)的爭論：7種質(zhì)連續(xù)理一、證明遺傳物質(zhì)是核酸的三個經(jīng)典實驗1944年，Avery離體條件下的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗1952年，Hershey和Chase

噬菌體感染實驗1957年，H.Fraenkel-Conrat煙草花葉病毒重建實驗一、證明遺傳物質(zhì)是核酸的三個經(jīng)典實驗1944年，Avery離（一）經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗

最早進行轉(zhuǎn)化（transformation）實驗的是F.Griffith（1928年），以Streptococcuspneumoniae（肺炎鏈球菌，舊稱“肺炎雙球菌”）作為研究對象。9（一）經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗最早進行轉(zhuǎn)化（transformaS型R型加熱滅菌熱死S菌＋活R菌（１）動物實驗10S型R型加熱滅菌熱死S菌＋活R菌（１）動物實驗10（2）細菌培養(yǎng)試驗（3）S型菌的無細胞抽提液試驗活Ｒ菌＋Ｓ菌的無細胞提取液

培養(yǎng)皿培養(yǎng)長出大量Ｒ菌和少量Ｓ菌11實驗說明：加熱殺死的S型細菌，其細胞內(nèi)可能存在一種具有遺傳轉(zhuǎn)化能力的物質(zhì)，通過某種方式進入R型細胞，并使R型細菌獲得表達S型莢膜性狀的遺傳特性。（2）細菌培養(yǎng)試驗（3）S型菌的無細胞抽提液試驗活Ｒ菌＋Ｓ菌1944年，O.T.Avery等從熱死的S型S．pneumoniae中提純了可能作為轉(zhuǎn)化因子的各種成分，并在離體條件下進行了更為精密的轉(zhuǎn)化實驗。為Griffith的轉(zhuǎn)化因子是DNA而不是蛋白質(zhì)提供了第一證據(jù)。12O.T.Avery(1877-1955)1944年，O.T.Avery等從熱死的（1）從活的S菌中抽提各種細胞成分（DNA，蛋白質(zhì)，莢膜多糖等）（2）對各組分進行轉(zhuǎn)化試驗13（1）從活的S菌中抽提各種細胞成分（DNA，蛋白質(zhì)，莢膜多糖只有DNA被酶降解破壞的抽提物無轉(zhuǎn)化活性DNA是轉(zhuǎn)化所必需的轉(zhuǎn)化因子DNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高；

DNA濃度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高。141950年，有人提出應給Avery授予諾貝爾獎，但當時許多科學家包括諾貝爾獎評委仍然對Avery的轉(zhuǎn)化因子持有異議，提議被擱置.只有DNA被酶降解破壞的抽提物無轉(zhuǎn)化活性DNA是轉(zhuǎn)化所必需的人們?nèi)圆幌嘈臘NA是遺傳物質(zhì),這是由于：（1）因認為蛋白分子量大，結(jié)構(gòu)復雜，二十種氨基酸的排列組合將是個天文數(shù)字，可作為一種遺傳信息。而DNA分子量小，只含4種不同的堿基，人們一度認為不同種的有機體的核酸只有微小的差異。（2）認為轉(zhuǎn)化實驗中DNA并未能提得很純，還附有其它物質(zhì)。（3）認為即使轉(zhuǎn)化因子確實是DNA，但也可能DNA只是對莢膜形成起著直接的化學效應，而不是充當遺傳信息的載體。人們?nèi)圆幌嘈臘NA是遺傳物質(zhì),這是由于：（1）因認為蛋白分子（二）噬菌體感染實驗—經(jīng)典實驗之二1952年，A.D.Hershey和M.Chase發(fā)表了證明DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)基礎的著名實驗16（三）植物病毒的重建實驗--RNA作為遺傳物質(zhì)噬菌體轉(zhuǎn)化實驗成功后Avery的研究才得到廣泛認同。當諾貝爾獎評選委員會準備為Avery授獎時，這位杰出的科學家已于1955年去世。由于諾貝爾獎評委們的失誤，使人們對DNA的誤解延長了差不多10年。（二）噬菌體感染實驗—經(jīng)典實驗之二1952年，A.D.Her17頒獎詞：發(fā)現(xiàn)了病毒的復制和遺傳結(jié)構(gòu)，證明遺傳物質(zhì)是DNA而不是蛋白質(zhì)1969年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎17頒獎詞：發(fā)現(xiàn)了病毒的復制和遺傳結(jié)構(gòu)，證明遺傳物質(zhì)是DNA二、遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)存在的

部位和方式（一）7個水平具體內(nèi)容看書p189-19418細胞水平：（單細胞與多細胞、性細胞與體細胞和單核與多核細胞）細胞核水平：（真核與原核、核內(nèi)與核外和單核與多核等）染色體水平：（一份染色體與多份染色體及染色體基因組的大小等）核酸水平：（是DNA還是RNA、是復合還是露裸及是長還是短等）基因水平：（依基因功能可分為結(jié)構(gòu)基因及調(diào)控基因等）密碼子水平：（由結(jié)構(gòu)密碼子及起始與終止密碼等）堿基水平：（突變的最低交換單位有A,T,G,C等）二、遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)存在的

部位和方式（一）7個水平1、概念基因組（genome）：一個物種的單倍體的所有染色體及其所包含的遺傳信息的總稱原核生物（如細菌），多為單倍體（在一般情況下只有一條染色體）真核微生物，多條染色體，例如啤酒酵母有16~17條染色體。有時為雙倍體原核及真核微生物基因組的基本特征191、概念基因組（genome）：原核生物（如細菌），多為單倍2、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點1）原核生物（細菌、古生菌）的基因組染色體為雙鏈環(huán)狀的DNA分子（單倍體）；基因組上遺傳信息具有連續(xù)性；功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)基因的單拷貝及rRNA基因的多拷貝；基因組的重復序列少而短；古生菌的基因組在結(jié)構(gòu)上類似于細菌。但是信息傳遞系統(tǒng)(復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯)則與細菌不同而類似于真核生物。202、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點1）原核生物（細菌、古生菌）的基因2、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點2）真核微生物（啤酒酵母）的基因組典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；沒有明顯的操縱子結(jié)構(gòu)；啤酒酵母基因組大小為13.5×106bp，分布在16條染色體中。有間隔區(qū)（即非編碼區(qū)）和內(nèi)含子序列；重復序列多；212、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點2）真核微生物（啤酒酵母）的基因組微生物的遺傳變異和育種課件（二）原核生物的質(zhì)粒質(zhì)粒（plasmid）：一種獨立于染色體外，能進行自主復制的細胞質(zhì)遺傳因子，主要存在于各種微生物細胞中。轉(zhuǎn)座因子（transposableelement）：位于染色體或質(zhì)粒上的一段能改變自身位置的DNA序列，廣泛分布于原核和真核細胞中。質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子是細胞中除染色體以外的另外二類遺傳因子質(zhì)粒的基本特征及類型√23（二）原核生物的質(zhì)粒質(zhì)粒（plasmid）：一種獨立于一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)通常以共價閉合環(huán)狀的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細胞中；也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒；質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb；（細菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）CovalentlyclosedcircularDNA(cccDNA)24一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)通常以共價閉合環(huán)狀的超螺旋雙鏈DN一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)2、質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；瓊脂糖凝膠電泳或超速離心后觀察；對于由于三種構(gòu)型同時存在時造成的多帶現(xiàn)象（提取質(zhì)粒時造成或自然存在），可以進行特異性單酶切，使其成為一條帶。特定的質(zhì)粒提取方法和后處理使染色體和RNA均被除掉。25一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)2、質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)2、質(zhì)粒的檢測

提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；瓊脂糖凝膠電泳或超速離心后觀察；

對于實驗室常用菌，可用質(zhì)粒所帶的某些特點，如抗藥性初步判斷。26一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)2、質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡二、質(zhì)粒的主要類型質(zhì)粒與宿主的關(guān)系：質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷毎话闶欠潜匦璧模辉谀承┨厥鈼l件下，質(zhì)粒有時能賦予宿主細胞以特殊的機能，從而使宿主得到生長優(yōu)勢。27二、質(zhì)粒的主要類型質(zhì)粒與宿主的關(guān)系：27二、質(zhì)粒的主要類型質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應致育因子（Fertilityfactor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）28二、質(zhì)粒的主要類型質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應致育因二、質(zhì)粒的主要類型1、致育因子(Fertilityfactor，F(xiàn)因子)又稱F質(zhì)粒，其大小約100kb，這是最早發(fā)現(xiàn)的一種與大腸桿菌的有性生殖現(xiàn)象（接合作用）有關(guān)的質(zhì)粒。攜帶F質(zhì)粒的菌株稱為F+菌株（相當于雄性），無F質(zhì)粒的菌株稱為F-菌株（相當于雌性）。F因子存在形式：1|）游離狀態(tài)(F+)2）與染色體相結(jié)合的狀態(tài)存在于細胞(Hfr)中，所以又稱之為附加體(episome)。有關(guān)內(nèi)容在講細菌的接合作用（conjugation）時具體介紹！自身特性的體現(xiàn)29二、質(zhì)粒的主要類型1、致育因子(Fertilityfact二、質(zhì)粒的主要類型2、抗性因子（Resistancefactor，R因子）包括抗藥性和抗重金屬二大類，簡稱R質(zhì)粒。R100質(zhì)粒(89kb)可使宿主對下列藥物及重金屬具有抗性：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）并且負責這些抗性的基因是成簇地存在于抗性質(zhì)粒上。！威力的體現(xiàn)30大環(huán)質(zhì)粒：脆弱類桿菌，抗克林霉素。小質(zhì)粒，大腸桿菌，四環(huán)素抗性抗性質(zhì)粒在細菌間的傳遞是細菌產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一。二、質(zhì)粒的主要類型2、抗性因子（Resistancefac二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細菌素：能抑制或殺死近緣、甚至同種不同株的細菌的因子（細菌蛋白），！同類競爭的武器31二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細菌素（bacteriocin）1.細菌產(chǎn)生的一種抗生代謝產(chǎn)物，對同源種或近似種才有拮抗作用；2.蛋白質(zhì)是主要成分；3.有一定的作用機制（殺菌模式）；4.由質(zhì)?？刂啤?2二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進行命名：大腸桿菌（E.coli）產(chǎn)生的細菌素為colicins（大腸桿菌素），而質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。由G+細菌產(chǎn)生的細菌素或與細菌素類似的因子與colicins有所不同，但通常也是由質(zhì)?；蚓幋a，有些甚至有商業(yè)價值，例如一種乳酸細菌產(chǎn)生的細菌素NisinA能強烈抑制某些G+細菌的生長，而被用于食品工業(yè)的保藏。33二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin產(chǎn)嗜鹽菌素嗜鹽古菌菌株篩選某些極端嗜鹽菌（古生菌）也被發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生具有廣譜殺菌效果的嗜鹽菌素（耐熱、穩(wěn)定）34產(chǎn)嗜鹽菌素嗜鹽古菌菌株篩選某些極端嗜鹽菌（古生菌）也被發(fā)現(xiàn)能二、質(zhì)粒的主要類型4、毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）許多致病菌的致病性是由其所攜帶的質(zhì)粒引起的，這些質(zhì)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。編碼腸毒素的質(zhì)粒（產(chǎn)毒素大腸桿菌：引起人類和動物腹瀉）編碼δ內(nèi)毒素(伴孢晶體中)的質(zhì)粒（蘇云金桿菌）Ti質(zhì)粒（根癌土壤桿菌）：雙子葉植物冠癭瘤35二、質(zhì)粒的主要類型4、毒性質(zhì)粒（virulenceplas二、質(zhì)粒的主要類型5、代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）質(zhì)粒上攜帶有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基質(zhì)的酶，進行共生固氮，或產(chǎn)生抗生素（某些放線菌）等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，環(huán)境保護方面具有重要的意義。假單胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、農(nóng)藥(2,4dichlorophenoxyaceticacid)、辛烷和樟腦等的能力。亦稱降解質(zhì)粒：！人類的公仆36二、質(zhì)粒的主要類型5、代謝質(zhì)粒（Metabolicplas二、質(zhì)粒的主要類型6、隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）隱秘質(zhì)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)。他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(zhì)粒被加以改造作為基因工程的載體（一般加上抗性基因）37二、質(zhì)粒的主要類型6、隱秘質(zhì)粒（crypticplasmi二、質(zhì)粒的主要類型高拷貝數(shù)(highcopynumber)質(zhì)粒（每個宿主細胞中可以有10-100個拷貝）

———————松弛型質(zhì)粒(relaxedplasmid)低拷貝數(shù)(lowcopynumber)質(zhì)粒（每個宿主細胞中可以有1-4個拷貝）

———————嚴謹型質(zhì)粒(stringentplasmid)窄宿主范圍質(zhì)粒(narrowhostrangeplasmid)（只能在一種特定的宿主細胞中復制）廣宿主范圍質(zhì)粒(broadhostrangeplasmid)（可以在許多種細菌中復制）38二、質(zhì)粒的主要類型高拷貝數(shù)(highcopynumber三、質(zhì)粒的不親和性質(zhì)粒之間的不親和性、以及質(zhì)?？截悢?shù)的多少、能適應的宿主范圍的寬窄等特性均與質(zhì)粒的復制控制類型有關(guān)，欲了解詳細內(nèi)容請選參考“微生物遺傳學”。39三、質(zhì)粒的不親和性質(zhì)粒之間的不親和性、以及質(zhì)?？截悢?shù)的多少、第二節(jié)基因突變和誘變育種一個基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變基因突變：微生物的基因突變及其應用40第二節(jié)基因突變和誘變育種一個基因內(nèi)部基因突變：微生物突變自發(fā)突變誘變環(huán)境因素的影響，DNA復制過程的偶然錯誤等而導致，一般頻率較低，通常為10-6-10-9。某些物理、化學因素對生物體的DNA進行直接作用，突變以較高的頻率產(chǎn)生。誘變育種滅菌處理危害健康（輻射、化學等的致癌作用）第二節(jié)基因突變和誘變育種41突變自發(fā)突變誘變環(huán)境因素的影響，DNA復制過程的偶然錯誤等而一個基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變基因突變：基因突變是重要的生物學現(xiàn)象，它是一切生物變化的根源，連同基因轉(zhuǎn)移、重組一起提供了推動生物進化的遺傳多變性。基因突變DNA損傷修復機制

DNA復制→→真正的突變；損傷修復→→原來的結(jié)構(gòu)；第二節(jié)基因突變和誘變育種42一個基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變基因突變：基因突變1、特點1）自發(fā)性2）非對應性：突變性狀與引起該突變的原因3）稀有性4）獨立性5）遺傳和回復性6）可誘變性一、基因突變﹖第二節(jié)基因突變和誘變育種431、特點1）自發(fā)性一、基因突變﹖第二節(jié)基因突變和誘變抗性突變引起的爭論和斗爭觀點之一：“馴化”或“馴養(yǎng)”論

突變是生物對某特定環(huán)境的適應而產(chǎn)生的，環(huán)境正是突變的誘因，抗性性狀與該環(huán)境因素相對應，這就是“定向變異”。觀點之二：自發(fā)突變論

基因突變是自發(fā)的，即使誘發(fā)產(chǎn)生，其產(chǎn)生的性狀與誘變因素間也是不對應的，即最終適應了的化學藥物等不良因素并非誘變因素，而僅僅是一種用于篩選的環(huán)境而已。44抗性突變引起的爭論和斗爭觀點之一：“馴化”或“馴養(yǎng)”論觀點證明突變的性狀與引起突變的原因間無直接對應關(guān)系！如何證明基因突變的非對應性?三個經(jīng)典實驗變量實驗、涂布實驗、影印實驗2、實驗證據(jù)45一、基因突變?nèi)绾巫C明基因突變的非對應性?三個經(jīng)典實驗變量實驗、涂布實驗、變量實驗（fluctuationanalysis），又稱波動試驗或彷徨試驗；1943年，SalvadorLuriaandMaxDelbruck（1943）根據(jù)統(tǒng)計學的原理設計46抗噬菌體抗性產(chǎn)生并非由所抗的環(huán)境因素—T1誘導出來的，而是在接觸T1之前，在某次細胞分裂過程中自發(fā)產(chǎn)生的；發(fā)生越早，抗性菌落越多；T1只是起淘汰和篩選作用敏感于T1的Ecoli，培養(yǎng)涂T1板103/ml103/ml變量實驗（fluctuationanalysis），又稱波變量實驗（fluctuationanalysis）SalvadorLuriaandMaxDelbruck（1943）SalvadorLuriaMaxDelbruckTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine196947變量實驗（fluctuationanalysis）SalvNewcombe的涂布實驗（1949）√NATURE，實驗方法更簡單48353/28Newcombe的涂布實驗（1949）√NATURE，實驗方影印實驗（replicaplating）JoshuaLederbergandEstherLederberg（1952）J.LederbergisawardedtheNoblePrizeinMedicineandPhysiologyin1958證明微生物的抗藥性在未接觸藥物前自發(fā)產(chǎn)生，突變與相應的藥物環(huán)境毫不相干49影印實驗（replicaplating）JoshuaL突變真的與選擇壓力無關(guān)嗎？適應性突變（adaptivemutability）和高頻突變（hypermutation）BensonS.Adaptivemutation:ageneralphenomenonorspecialcase?Bioessays.1997Jan;19(1):9-11.Review.GalitskiT,RothJR.

Asearchforageneralphenomenonofadaptivemutability.Genetics.1996Jun;143(2):645-59.DanI.Andersson,E.SusanSlechta,andJohnR.RothEvidenceThatGeneAmplificationUnderliesAdaptiveMutabilityoftheBacteriallacOperon。Science1998November6;282:1133-1135.

GodoyVG,FoxMS.

Transposonstabilityandaroleforconjugationaltransferinadaptivemutability.ProcNatlAcadSciUSA.2000Jun20;97(13):7393-8.BullHJ,McKenzieGJ,HastingsPJ,RosenbergSM.Evidencethatstationary-phasehypermutationintheEscherichiacolichromosomeispromotedbyrecombination.Genetics.2000Apr;154(4):1427-37.50突變真的與選擇壓力無關(guān)嗎？適應性突變（adaptivemu突變誘因基因突變?nèi)旧w畸變：斷裂、重排等自發(fā)突變誘發(fā)突變復制錯誤化學錯誤堿基錯配DNA復制跳格脫嘌呤脫氨基氧化損傷放射線-----產(chǎn)生嘌呤二聚體化學誘變劑堿基類似物:5BU,2AP堿基修飾物:NA,HA,烷化劑DNA插入劑:吖啶類３、基因突變及其機制多樣性第二節(jié)基因突變和誘變育種突變誘因基因突變?nèi)旧w畸變：斷裂、重排等自發(fā)突變誘發(fā)突４、紫外線對DNA的損傷及其修復嘧啶（敏感性）＞嘌呤紫外線（ultravioletray，UV）嘧啶二聚體（TT，TC，CC）和水合物52第二節(jié)基因突變和誘變育種４、紫外線對DNA的損傷及其修復嘧啶（敏感性）＞嘌呤紫外線（經(jīng)UV照射后的微生物立即暴露于可見光下時，可明顯降低其死亡率的現(xiàn)象。1）光復活作用（photoreactivationphotorestoration）E.coli的實驗①對照：8×106個／mLE.coli→100個／mL②試驗：8×106個／mLE.coli→－－－－→2×106個／mLUVUV360～490nm可見光，30min53注意：在一般的微生物中都存在光復活作用，在利用UV進行誘變育種等工作時，應在紅光下進行照射和后續(xù)操作，并放置在黑暗條件下培養(yǎng)。經(jīng)UV照射后的微生物立即暴露于可見光下時，可明顯降低其死亡率使二聚體（dimer）重新分解成單體（monomer）帶有嘧啶二聚體的DNA分子DNA分子UV照射黑暗下結(jié)合光激活酶——光解酶（光裂合酶，photolyase）復合物300～500nm可見光獲得光能而激活釋放光解酶54使二聚體（dimer）重新分解成單體（monomer）帶有嘧修復DNAPol3'→5'外切酶活性光復活—光裂合酶直接修復復制后修復AP內(nèi)切酶糖基酶GO系統(tǒng)-MutM,MutY,MutT錯配修復-Dam,MutL,MutH,UvrD重組修復-RecASOS修復-RecA,LexA,UvrAB,UmuC,HimA雙鏈斷裂的修復切除修復一般切除修復——UvrABC系統(tǒng)特殊切除修復同源重組修復非同源重組修復2015年諾貝爾化學獎授予3位研究ＤＮＡ損傷與修復的科學家修復DNAPol3'→5'外切酶活性直接修復復制后修復A５、常見的微生物突變類型表型基因型這里主要介紹幾種常用的由于基因突變而造成微生物表型變化的突變型及其分離第二節(jié)基因突變和誘變育種56毒力、生產(chǎn)某種代謝產(chǎn)物的發(fā)酵能力的變化等在實際應用中具有重要意義突變類型一般都不具有很明顯或可直接檢測到的表型。其突變株的獲得往往需要較大的工作量。５、常見的微生物突變類型表型基因型這里主要介紹幾種常用的由于1）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）第二節(jié)基因突變和誘變育種57與營養(yǎng)缺陷型相關(guān)的三類遺傳型個體：野生型：自然界中分離的原始菌株，營養(yǎng)缺陷型：誘變劑處理后產(chǎn)生原養(yǎng)型：營養(yǎng)缺陷型菌株回復突變或重組后產(chǎn)生缺乏合成其生存所必須的營養(yǎng)物（包括氨基酸、維生素、堿基等）的突變型，只有從周圍環(huán)境或培養(yǎng)基中獲得這些營養(yǎng)或其前體物（precursor）才能生長。５、常見的微生物突變類型回復突變(reversemutation或backmutation)：突變體失去的野生型性狀，可以通過第二次突變得到恢復，這種第二次突變稱為回復突變。

1）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）第二節(jié)基因突變和基本培養(yǎng)基（minimalmedium，MM，符號為［－］）與篩選營養(yǎng)缺陷型突變株有關(guān)的3類培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基（CM，符號為［＋］）補充培養(yǎng)基（SM，符號為［A］或［B］等）僅能滿足某微生物的野生型菌株生長所需的最低成分的組合培養(yǎng)基。凡可滿足一切營養(yǎng)缺陷型菌株營養(yǎng)需要的天然或半組合培養(yǎng)基一般可在基本培養(yǎng)基中加入一些富含氨基酸、維生素、核苷酸和堿基之類的天然物質(zhì)，如蛋白胨或酵母膏等配制而成。凡只能滿足相應的營養(yǎng)缺陷型突變株生長需要的組合或半組合培養(yǎng)基。58基本培養(yǎng)基（minimalmedium，MM，符號為［－1）營養(yǎng)缺陷型微生物遺傳學研究中重要的選擇標記和育種的重要手段表型判斷的標準：在基本培養(yǎng)基上能否生長第二節(jié)基因突變和誘變育種59特點：在選擇培養(yǎng)基（一般為基本培養(yǎng)基）上不生長負選擇標記（突變株不能通過選擇平板直接獲得）５、常見的微生物突變類型1）營養(yǎng)缺陷型微生物遺傳學研究中重要的選擇標記和育種的重要手負篩選模擬實驗60負篩選模擬實驗60營養(yǎng)缺陷型的表示方法：1）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）基因型：所需營養(yǎng)物的前三個英文小寫斜體字母表示：hisC（組氨酸缺陷型，大寫字母C代表同一表型中不同基因的突變）表型：同上，但第一個字母大寫，且不用斜體：HisC在具體使用時多用hisC-和hisC+，分別表示缺陷型和野生型。第二節(jié)基因突變和誘變育種61５、常見的微生物突變類型營養(yǎng)缺陷型的表示方法：1）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）基2）抗藥性突變型（resistantmutant）基因突變使菌株對某種或某幾種藥物，特別是抗生素，產(chǎn)生抗性。特點：正選擇標記（突變株可直接從抗性平板上獲得-----在加有相應抗生素的平板上，只有抗性突變能生長。所以很容易分離得到。）表示方法：所抗藥物的前三個小寫斜體英文字母加上“r”表示strr和strs分別表示對鏈霉素的抗性和敏感性第二節(jié)基因突變和誘變育種62５、常見的微生物突變類型2）抗藥性突變型（resistantmutant）基因突變3）條件致死突變型（conditionallethalmutant）在某一條件下具有致死效應，而在另一條件下沒有致死效應的突變型。溫度敏感突變：（temperaturesensitive，ts）：

在高溫下（原來可以生活的溫度如42℃）致死的；在低溫下（如25-30℃）生活正常；特點：負選擇標記這類突變型常被用來分離生長繁殖必需的突變基因63５、常見的微生物突變類型3）條件致死突變型（conditionallethal4）形態(tài)突變型（morphologicalmutant）造成形態(tài)改變的突變型特點：非選擇性（非致死性）突變突變株和野生型菌株均可生長，但可從形態(tài)特征上進行區(qū)分。舉例：產(chǎn)蛋白酶缺陷突變株的篩選菌落顏色變化β半乳糖苷酶基因的插入失活，使重組子菌落為白色而與藍色的非重組子分開。第二節(jié)基因突變和誘變育種64形成芽胞缺陷菌株細胞水平上的形態(tài)突變，突變株的檢出更加困難。５、常見的微生物突變類型4）形態(tài)突變型（morphologicalmutant）造（一）自發(fā)突變與育種

1.從生產(chǎn)中育種:生產(chǎn)第一線易獲得較優(yōu)良的生產(chǎn)菌株

2.定向培育優(yōu)良菌株是一種利用微生物自發(fā)突變，并采用特定的選擇條件，通過對微生物群體不斷移植以選育出較優(yōu)良菌株的古老方法?？ń槊绲暮Y選230代從污染噬菌體的發(fā)酵液中分離到抗噬菌體的自發(fā)突變株65二、突變與育種（一）自發(fā)突變與育種

1.從生產(chǎn)中育種:生產(chǎn)第一篩選誘變誘變育種定向的——更重要隨機的（二）誘變育種獲得各種菌株；提高產(chǎn)品質(zhì)量、有用代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量等；誘變育種具有重大的實踐意義：誘變育種的特點：高效（突變率）、廣譜（多性狀）66篩選誘變誘變育種定向的——更重要隨機的（二）誘變育種獲得各種1.誘變育種的基本環(huán)節(jié)671.誘變育種的基本環(huán)節(jié)67出發(fā)菌株純化，同步培養(yǎng)培養(yǎng)液離心，洗滌，打散細胞或孢子懸液誘變處理平板分離初篩復篩保藏及擴大試驗活菌計數(shù)存活細胞計數(shù)，致死率計算變異率計算68出發(fā)菌株純化，同步培養(yǎng)培養(yǎng)液離心，洗滌，打散細胞或孢子懸液誘

2.誘變育種幾個原則

（1）選擇簡便有效的誘變劑（2）挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株（3）處理單細胞或單孢子懸液（4）選用最適的誘變劑量（5）充分利用復合處理的協(xié)同效應（6）利用和創(chuàng)造形態(tài)、生理與產(chǎn)量間的相關(guān)指標（7）設計高效篩選方案（8）創(chuàng)造新型篩選方法692.誘變育種幾個原則（1）選擇簡便有效的誘變劑（2）（3）處理單細胞或單孢子懸液因為:分散的細胞可均勻地接觸誘變劑誘變劑一般只作用于DNA雙鏈中的某一條單鏈，故某一突變無法在當代的表型上反映。只有經(jīng)過DNA的復制和細胞分裂后，這一變異才會在表型上表達出來，這就叫表型延遲(phenotypelag）。70（3）處理單細胞或單孢子懸液因為:分散的細胞可均勻地接觸誘變表型延遲（phenotypelag）用于誘變育種的細胞應盡量選用單核單細胞71表型延遲用于誘變育種的細胞應盡量選用單核單細胞71提高育種時初篩的效率，必須進行大量的分析測定和統(tǒng)計工作，找到形態(tài)、生理變異與產(chǎn)量變異兩者間的相關(guān)性。（6）利用和創(chuàng)造形態(tài)、生理與產(chǎn)量間的相關(guān)指標產(chǎn)量性狀轉(zhuǎn)化為與之相平行的肉眼可見的性狀?？焖倨桨鍣z出法72提高育種時初篩的效率，必須進行大量的分析測定和統(tǒng)計工作，找到蛋白酶水解圈淀粉酶變色圈（用碘液使淀粉顯色）氨基酸顯色圈（菌落轉(zhuǎn)移到濾紙上，再用茚三酮試劑顯色）抗生素抑制圈指示菌生長圈（測定生長因子產(chǎn)量）纖維素酶對纖維素水解圈（用剛果紅染色）外毒素的沉淀反應圈均可為初篩工作中估計某突變株代謝產(chǎn)物量的指標。73蛋白酶水解圈7374743.3類突變株的篩選方法（1）產(chǎn)量突變株的篩選（2）抗藥性突變株的篩選（3）營養(yǎng)缺陷型突變株的篩選753.3類突變株的篩選方法（1）產(chǎn)量突變株（1）產(chǎn)量突變株的篩選

1971年，國外有人報道了篩選春日霉素（kasugamycin）高產(chǎn)菌時所采用瓊脂塊培養(yǎng)法，一年內(nèi)曾使該抗生素產(chǎn)量提高10倍。76（1）產(chǎn)量突變株的篩選1971年，國外有人報道了篩選

此法的關(guān)鍵是用打孔器取出含有一個小菌落的瓊脂塊作分別培養(yǎng)。這樣，各瓊脂塊所含養(yǎng)料和接觸空氣面積基本相同，且產(chǎn)生的抗生素等代謝產(chǎn)物不致擴散出瓊脂塊外。數(shù)據(jù)精確，效率高77此法的關(guān)鍵是用打孔器取出含有一個小菌落的瓊脂塊作分別（2）抗藥性突變株的篩選正選擇標記：（突變株可直接從抗性平板上獲得——在加有相應抗生素的平板上，只有抗性突變能生長。）78梯度平板法（gradientplate）：定向篩選抗藥性突變株制備藥物濃度梯度的平板；涂布誘變處理后的細胞懸液；培養(yǎng)---選擇抗藥性菌落；（2）抗藥性突變株的篩選正選擇標記：（突變株可直接從抗性平板誘變檢出突變株淘汰野生型鑒定突變株富集培養(yǎng)（抗生素法）（菌絲過濾法）夾層培養(yǎng)法限量補充培養(yǎng)法逐個檢出法影印平板法（3）營養(yǎng)缺陷型突變株（auxotrophicmutant）的篩選---用于理論、應用、生產(chǎn)生長譜法誘變檢出突變株淘汰野生型鑒定突變株富集培養(yǎng)夾層培養(yǎng)法（3）營第二步，淘汰野生型,濃縮營養(yǎng)缺陷性菌絲過濾法抗生素法青霉素法（細菌）制霉菌素法（真菌）MM:野生型生長，缺陷型不長孢子菌絲體（過濾、離心）野生型生長

缺陷型不生長MM+青霉素/制霉菌素死亡幸存80第二步，淘汰野生型,濃縮營養(yǎng)缺陷性菌絲過濾法青霉素法（細菌）夾層培養(yǎng)法----1個培養(yǎng)皿限量補充培養(yǎng)法----1個培養(yǎng)皿逐個檢出法----2個培養(yǎng)皿影印平板法----2個培養(yǎng)皿第三步，檢出缺陷型81夾層培養(yǎng)法----1個培養(yǎng)皿第三步，檢出缺陷型81夾層培養(yǎng)法（layerplatingmethod）82限量補充培養(yǎng)法：MM+微量CM

野生型迅速生長，大菌落

缺陷型營養(yǎng)有限，小菌落夾層培養(yǎng)法（layerplatingmethod）82限逐個檢出法83影印平板法逐個檢出法83影印平板法生長譜法（auxanography）第四步，鑒定缺陷型84在混有供試菌的基本培養(yǎng)基表面，點加微量營養(yǎng)物生長譜法（auxanography）第四步，鑒定缺陷型84在三、誘變劑與致癌物質(zhì)——Ames試驗a）利用各種誘變劑獲得各類遺傳突變，進行誘變育種；c）危害人類自身的健康；b）對有害微生物進行控制；很多種化學物質(zhì)，能以各種機制導致DNA的突變第二節(jié)基因突變和誘變育種85三、誘變劑與致癌物質(zhì)——Ames試驗a）利用各種誘變劑獲得各“生物化學統(tǒng)一性”法則：人和細菌在DNA的結(jié)構(gòu)及特性方面是一致的，能使微生物發(fā)生突變的誘變劑必然也會作用于人的DNA，使其發(fā)生突變，最后造成癌變或其他不良的后果所有生物的DNA在結(jié)構(gòu)及特性上具有一致性86三、誘變劑與致癌物質(zhì)——Ames試驗誘變劑共性原則：化學藥劑對細菌的誘變率與其對動物的致癌性成正比超過95%的致癌物質(zhì)對微生物有誘變作用90%以上的非致癌物質(zhì)對微生物沒有誘變作用“生物化學統(tǒng)一性”法則：人和細菌在DNA的結(jié)構(gòu)及特性方面是一美國加利福尼亞大學的BruceAmes教授于1966年發(fā)明，因此稱為Ames試驗。

具體操作：檢測鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphmurium)組氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株(his-)的回復突變率

87利用細菌營養(yǎng)缺陷型的回復突變來檢測環(huán)境和食品中是否存在化學致癌劑的簡便有效方法三、誘變劑與致癌物質(zhì)——Ames試驗美國加利福尼亞大學的BruceAmes教授于1966年發(fā)明1.無大量菌落生長2.濾紙片周圍有抑菌圈，其外圍出現(xiàn)大量菌落3.濾紙片周圍出現(xiàn)大量菌落方法：1.營養(yǎng)缺陷性菌涂ＭＭ板2.加入浸泡過測試藥物的濾紙片３．培養(yǎng)，觀察1.無大量菌落生長方法：證明Ames試驗重要性的應用實例：國外曾開發(fā)了一種降低婦女妊娠反應的藥物“反應?！?，由于其藥效顯著，在60-70年代十分流行，

但隨后人們就發(fā)現(xiàn)（1萬余名無臂）畸形兒的出生率明顯增高，而且生產(chǎn)畸形兒的婦女大多曾服用“反應?！?，后來采用Ames試驗發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)的確具有很強的致突變作用，因此這種藥物被禁止使用但如果能在這種藥物上市之前就進行Ames試驗檢測，那么這種大量出生畸形兒的悲劇完全可以避免。89證明Ames試驗重要性的應用實例：國外曾開發(fā)了一種降微生物學第七章微生物的遺傳變異和育種90微生物學第七章微生物的遺傳變異和育種1遺傳：親代與子代相似變異：親代與子代、子代間不同個體不完全相同遺傳（inheritance）和變異（variation）是生命的最本質(zhì)特性之一遺傳型：表型（表現(xiàn)型）：生物的全部遺傳因子及基因遺傳型+環(huán)境條件→→→→生長發(fā)育→→→→形態(tài)等生物學特征的總和表型是由遺傳型所決定，但也和環(huán)境有關(guān)。91遺傳：親代與子代相似變異：親代與子代、子代間不同個體不完全相表型飾變：表型的差異只與環(huán)境有關(guān)，只在轉(zhuǎn)錄、翻譯水平的表型變化特點：暫時性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個體的行為橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳。遺傳型變異（基因變異、基因突變）：遺傳物質(zhì)改變，導致表型改變特點：遺傳性、群體中極少數(shù)個體的行為（自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）92表型飾變：表型的差異只與環(huán)境有關(guān)，只在轉(zhuǎn)錄、翻譯水平的表型變球形節(jié)桿菌少生物素

的培養(yǎng)基--少細胞壁諾卡氏菌屬完全培養(yǎng)基放射土壤桿菌93蛋白胨瓊脂腦心浸出液瓊脂球形節(jié)桿菌少生物素的培養(yǎng)基--諾卡氏菌屬完全培養(yǎng)基放射土壤微生物是遺傳學研究中的明星（模式生物）：微生物細胞結(jié)構(gòu)簡單，營養(yǎng)體一般為單倍體，方便建立純系。很多常見微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長繁殖。對環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，操作性強。94微生物遺傳學的意義：促進遺傳學向分子水平發(fā)展，促進生化、

分子生物學和生物工程學發(fā)展、促進育種工作、

人類（微生物）基因組測序、2015年，美國人類聯(lián)合微生物組研究計劃微生物是遺傳學研究中的明星（模式生物）：微生物細胞結(jié)構(gòu)簡單第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎第二節(jié)基因突變和誘變育種第三節(jié)基因重組和雜交育種第五節(jié)菌種保藏三個經(jīng)典實驗的原理與方法遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)存在的部位和形式原核生物的質(zhì)?；蛲蛔兊囊?guī)律三種基因水平轉(zhuǎn)移方式及其應用微生物菌種保藏的基本方法突變與育種第四節(jié)基因工程95第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎第二節(jié)基因突變和誘變育種第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎關(guān)于遺傳物質(zhì)的爭論：96種質(zhì)連續(xù)理論：1883-1889年間Weismann提出：生物體的物質(zhì)分為體質(zhì)和種質(zhì)，認為種質(zhì)具有穩(wěn)定性和遺傳性，是一種具有特定分子結(jié)構(gòu)的化合物?；?qū)W說：1933年摩爾根（ThomasHuntMorgan）發(fā)現(xiàn)了染色體，并證明基因在染色體上呈直線排列，提出了基因?qū)W說，使得遺傳物質(zhì)基礎的范圍縮小到染色體上。

但染色體是由核酸和蛋白質(zhì)兩種長鏈高分子組成。什么是遺傳物質(zhì)？第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎關(guān)于遺傳物質(zhì)的爭論：7種質(zhì)連續(xù)理一、證明遺傳物質(zhì)是核酸的三個經(jīng)典實驗1944年，Avery離體條件下的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗1952年，Hershey和Chase

噬菌體感染實驗1957年，H.Fraenkel-Conrat煙草花葉病毒重建實驗一、證明遺傳物質(zhì)是核酸的三個經(jīng)典實驗1944年，Avery離（一）經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗

最早進行轉(zhuǎn)化（transformation）實驗的是F.Griffith（1928年），以Streptococcuspneumoniae（肺炎鏈球菌，舊稱“肺炎雙球菌”）作為研究對象。98（一）經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗最早進行轉(zhuǎn)化（transformaS型R型加熱滅菌熱死S菌＋活R菌（１）動物實驗99S型R型加熱滅菌熱死S菌＋活R菌（１）動物實驗10（2）細菌培養(yǎng)試驗（3）S型菌的無細胞抽提液試驗活Ｒ菌＋Ｓ菌的無細胞提取液

培養(yǎng)皿培養(yǎng)長出大量Ｒ菌和少量Ｓ菌100實驗說明：加熱殺死的S型細菌，其細胞內(nèi)可能存在一種具有遺傳轉(zhuǎn)化能力的物質(zhì)，通過某種方式進入R型細胞，并使R型細菌獲得表達S型莢膜性狀的遺傳特性。（2）細菌培養(yǎng)試驗（3）S型菌的無細胞抽提液試驗活Ｒ菌＋Ｓ菌1944年，O.T.Avery等從熱死的S型S．pneumoniae中提純了可能作為轉(zhuǎn)化因子的各種成分，并在離體條件下進行了更為精密的轉(zhuǎn)化實驗。為Griffith的轉(zhuǎn)化因子是DNA而不是蛋白質(zhì)提供了第一證據(jù)。101O.T.Avery(1877-1955)1944年，O.T.Avery等從熱死的（1）從活的S菌中抽提各種細胞成分（DNA，蛋白質(zhì)，莢膜多糖等）（2）對各組分進行轉(zhuǎn)化試驗102（1）從活的S菌中抽提各種細胞成分（DNA，蛋白質(zhì)，莢膜多糖只有DNA被酶降解破壞的抽提物無轉(zhuǎn)化活性DNA是轉(zhuǎn)化所必需的轉(zhuǎn)化因子DNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高；

DNA濃度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高。1031950年，有人提出應給Avery授予諾貝爾獎，但當時許多科學家包括諾貝爾獎評委仍然對Avery的轉(zhuǎn)化因子持有異議，提議被擱置.只有DNA被酶降解破壞的抽提物無轉(zhuǎn)化活性DNA是轉(zhuǎn)化所必需的人們?nèi)圆幌嘈臘NA是遺傳物質(zhì),這是由于：（1）因認為蛋白分子量大，結(jié)構(gòu)復雜，二十種氨基酸的排列組合將是個天文數(shù)字，可作為一種遺傳信息。而DNA分子量小，只含4種不同的堿基，人們一度認為不同種的有機體的核酸只有微小的差異。（2）認為轉(zhuǎn)化實驗中DNA并未能提得很純，還附有其它物質(zhì)。（3）認為即使轉(zhuǎn)化因子確實是DNA，但也可能DNA只是對莢膜形成起著直接的化學效應，而不是充當遺傳信息的載體。人們?nèi)圆幌嘈臘NA是遺傳物質(zhì),這是由于：（1）因認為蛋白分子（二）噬菌體感染實驗—經(jīng)典實驗之二1952年，A.D.Hershey和M.Chase發(fā)表了證明DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)基礎的著名實驗105（三）植物病毒的重建實驗--RNA作為遺傳物質(zhì)噬菌體轉(zhuǎn)化實驗成功后Avery的研究才得到廣泛認同。當諾貝爾獎評選委員會準備為Avery授獎時，這位杰出的科學家已于1955年去世。由于諾貝爾獎評委們的失誤，使人們對DNA的誤解延長了差不多10年。（二）噬菌體感染實驗—經(jīng)典實驗之二1952年，A.D.Her106頒獎詞：發(fā)現(xiàn)了病毒的復制和遺傳結(jié)構(gòu)，證明遺傳物質(zhì)是DNA而不是蛋白質(zhì)1969年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎17頒獎詞：發(fā)現(xiàn)了病毒的復制和遺傳結(jié)構(gòu)，證明遺傳物質(zhì)是DNA二、遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)存在的

部位和方式（一）7個水平具體內(nèi)容看書p189-194107細胞水平：（單細胞與多細胞、性細胞與體細胞和單核與多核細胞）細胞核水平：（真核與原核、核內(nèi)與核外和單核與多核等）染色體水平：（一份染色體與多份染色體及染色體基因組的大小等）核酸水平：（是DNA還是RNA、是復合還是露裸及是長還是短等）基因水平：（依基因功能可分為結(jié)構(gòu)基因及調(diào)控基因等）密碼子水平：（由結(jié)構(gòu)密碼子及起始與終止密碼等）堿基水平：（突變的最低交換單位有A,T,G,C等）二、遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)存在的

部位和方式（一）7個水平1、概念基因組（genome）：一個物種的單倍體的所有染色體及其所包含的遺傳信息的總稱原核生物（如細菌），多為單倍體（在一般情況下只有一條染色體）真核微生物，多條染色體，例如啤酒酵母有16~17條染色體。有時為雙倍體原核及真核微生物基因組的基本特征1081、概念基因組（genome）：原核生物（如細菌），多為單倍2、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點1）原核生物（細菌、古生菌）的基因組染色體為雙鏈環(huán)狀的DNA分子（單倍體）；基因組上遺傳信息具有連續(xù)性；功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)基因的單拷貝及rRNA基因的多拷貝；基因組的重復序列少而短；古生菌的基因組在結(jié)構(gòu)上類似于細菌。但是信息傳遞系統(tǒng)(復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯)則與細菌不同而類似于真核生物。1092、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點1）原核生物（細菌、古生菌）的基因2、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點2）真核微生物（啤酒酵母）的基因組典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；沒有明顯的操縱子結(jié)構(gòu)；啤酒酵母基因組大小為13.5×106bp，分布在16條染色體中。有間隔區(qū)（即非編碼區(qū)）和內(nèi)含子序列；重復序列多；1102、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點2）真核微生物（啤酒酵母）的基因組微生物的遺傳變異和育種課件（二）原核生物的質(zhì)粒質(zhì)粒（plasmid）：一種獨立于染色體外，能進行自主復制的細胞質(zhì)遺傳因子，主要存在于各種微生物細胞中。轉(zhuǎn)座因子（transposableelement）：位于染色體或質(zhì)粒上的一段能改變自身位置的DNA序列，廣泛分布于原核和真核細胞中。質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子是細胞中除染色體以外的另外二類遺傳因子質(zhì)粒的基本特征及類型√112（二）原核生物的質(zhì)粒質(zhì)粒（plasmid）：一種獨立于一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)通常以共價閉合環(huán)狀的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細胞中；也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒；質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb；（細菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）CovalentlyclosedcircularDNA(cccDNA)113一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)通常以共價閉合環(huán)狀的超螺旋雙鏈DN一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)2、質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；瓊脂糖凝膠電泳或超速離心后觀察；對于由于三種構(gòu)型同時存在時造成的多帶現(xiàn)象（提取質(zhì)粒時造成或自然存在），可以進行特異性單酶切，使其成為一條帶。特定的質(zhì)粒提取方法和后處理使染色體和RNA均被除掉。114一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)2、質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)2、質(zhì)粒的檢測

提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；瓊脂糖凝膠電泳或超速離心后觀察；

對于實驗室常用菌，可用質(zhì)粒所帶的某些特點，如抗藥性初步判斷。115一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)2、質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡二、質(zhì)粒的主要類型質(zhì)粒與宿主的關(guān)系：質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷毎话闶欠潜匦璧?；在某些特殊條件下，質(zhì)粒有時能賦予宿主細胞以特殊的機能，從而使宿主得到生長優(yōu)勢。116二、質(zhì)粒的主要類型質(zhì)粒與宿主的關(guān)系：27二、質(zhì)粒的主要類型質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應致育因子（Fertilityfactor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）117二、質(zhì)粒的主要類型質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應致育因二、質(zhì)粒的主要類型1、致育因子(Fertilityfactor，F(xiàn)因子)又稱F質(zhì)粒，其大小約100kb，這是最早發(fā)現(xiàn)的一種與大腸桿菌的有性生殖現(xiàn)象（接合作用）有關(guān)的質(zhì)粒。攜帶F質(zhì)粒的菌株稱為F+菌株（相當于雄性），無F質(zhì)粒的菌株稱為F-菌株（相當于雌性）。F因子存在形式：1|）游離狀態(tài)(F+)2）與染色體相結(jié)合的狀態(tài)存在于細胞(Hfr)中，所以又稱之為附加體(episome)。有關(guān)內(nèi)容在講細菌的接合作用（conjugation）時具體介紹！自身特性的體現(xiàn)118二、質(zhì)粒的主要類型1、致育因子(Fertilityfact二、質(zhì)粒的主要類型2、抗性因子（Resistancefactor，R因子）包括抗藥性和抗重金屬二大類，簡稱R質(zhì)粒。R100質(zhì)粒(89kb)可使宿主對下列藥物及重金屬具有抗性：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）并且負責這些抗性的基因是成簇地存在于抗性質(zhì)粒上。！威力的體現(xiàn)119大環(huán)質(zhì)粒：脆弱類桿菌，抗克林霉素。小質(zhì)粒，大腸桿菌，四環(huán)素抗性抗性質(zhì)粒在細菌間的傳遞是細菌產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一。二、質(zhì)粒的主要類型2、抗性因子（Resistancefac二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細菌素：能抑制或殺死近緣、甚至同種不同株的細菌的因子（細菌蛋白），！同類競爭的武器120二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細菌素（bacteriocin）1.細菌產(chǎn)生的一種抗生代謝產(chǎn)物，對同源種或近似種才有拮抗作用；2.蛋白質(zhì)是主要成分；3.有一定的作用機制（殺菌模式）；4.由質(zhì)?？刂?。121二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進行命名：大腸桿菌（E.coli）產(chǎn)生的細菌素為colicins（大腸桿菌素），而質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。由G+細菌產(chǎn)生的細菌素或與細菌素類似的因子與colicins有所不同，但通常也是由質(zhì)?；蚓幋a，有些甚至有商業(yè)價值，例如一種乳酸細菌產(chǎn)生的細菌素NisinA能強烈抑制某些G+細菌的生長，而被用于食品工業(yè)的保藏。122二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin產(chǎn)嗜鹽菌素嗜鹽古菌菌株篩選某些極端嗜鹽菌（古生菌）也被發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生具有廣譜殺菌效果的嗜鹽菌素（耐熱、穩(wěn)定）123產(chǎn)嗜鹽菌素嗜鹽古菌菌株篩選某些極端嗜鹽菌（古生菌）也被發(fā)現(xiàn)能二、質(zhì)粒的主要類型4、毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）許多致病菌的致病性是由其所攜帶的質(zhì)粒引起的，這些質(zhì)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。編碼腸毒素的質(zhì)粒（產(chǎn)毒素大腸桿菌：引起人類和動物腹瀉）編碼δ內(nèi)毒素(伴孢晶體中)的質(zhì)粒（蘇云金桿菌）Ti質(zhì)粒（根癌土壤桿菌）：雙子葉植物冠癭瘤124二、質(zhì)粒的主要類型4、毒性質(zhì)粒（virulenceplas二、質(zhì)粒的主要類型5、代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）質(zhì)粒上攜帶有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基質(zhì)的酶，進行共生固氮，或產(chǎn)生抗生素（某些放線菌）等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，環(huán)境保護方面具有重要的意義。假單胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、農(nóng)藥(2,4dichlorophenoxyaceticacid)、辛烷和樟腦等的能力。亦稱降解質(zhì)粒：！人類的公仆125二、質(zhì)粒的主要類型5、代謝質(zhì)粒（Metabolicplas二、質(zhì)粒的主要類型6、隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）隱秘質(zhì)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)。他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(zhì)粒被加以改造作為基因工程的載體（一般加上抗性基因）126二、質(zhì)粒的主要類型6、隱秘質(zhì)粒（crypticplasmi二、質(zhì)粒的主要類型高拷貝數(shù)(highcopynumber)質(zhì)粒（每個宿主細胞中可以有10-100個拷貝）

———————松弛型質(zhì)粒(relaxedplasmid)低拷貝數(shù)(lowcopynumber)質(zhì)粒（每個宿主細胞中可以有1-4個拷貝）

———————嚴謹型質(zhì)粒(stringentplasmid)窄宿主范圍質(zhì)粒(narrowhostrangeplasmid)（只能在一種特定的宿主細胞中復制）廣宿主范圍質(zhì)粒(broadhostrangeplasmid)（可以在許多種細菌中復制）127二、質(zhì)粒的主要類型高拷貝數(shù)(highcopynumber三、質(zhì)粒的不親和性質(zhì)粒之間的不親和性、以及質(zhì)?？截悢?shù)的多少、能適應的宿主范圍的寬窄等特性均與質(zhì)粒的復制控制類型有關(guān)，欲了解詳細內(nèi)容請選參考“微生物遺傳學”。128三、質(zhì)粒的不親和性質(zhì)粒之間的不親和性、以及質(zhì)?？截悢?shù)的多少、第二節(jié)基因突變和誘變育種一個基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變基因突變：微生物的基因突變及其應用129第二節(jié)基因突變和誘變育種一個基因內(nèi)部基因突變：微生物突變自發(fā)突變誘變環(huán)境因素的影響，DNA復制過程的偶然錯誤等而導致，一般頻率較低，通常為10-6-10-9。某些物理、化學因素對生物體的DNA進行直接作用，突變以較高的頻率產(chǎn)生。誘變育種滅菌處理危害健康（輻射、化學等的致癌作用）第二節(jié)基因突變和誘變育種130突變自發(fā)突變誘變環(huán)境因素的影響，DNA復制過程的偶然錯誤等而一個基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變基因突變：基因突變是重要的生物學現(xiàn)象，它是一切生物變化的根源，連同基因轉(zhuǎn)移、重組一起提供了推動生物進化的遺傳多變性?；蛲蛔僁NA損傷修復機制

DNA復制→→真正的突變；損傷修復→→原來的結(jié)構(gòu)；第二節(jié)基因突變和誘變育種131一個基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變基因突變：基因突變1、特點1）自發(fā)性2）非對應性：突變性狀與引起該突變的原因3）稀有性4）獨立性5）遺傳和回復性6）可誘變性一、基因突變﹖第二節(jié)基因突變和誘變育種1321、特點1）自發(fā)性一、基因突變﹖第二節(jié)基因突變和誘變抗性突變引起的爭論和斗爭觀點之一：“馴化”或“馴養(yǎng)”論

突變是生物對某特定環(huán)境的適應而產(chǎn)生的，環(huán)境正是突變的誘因，抗性性狀與該環(huán)境因素相對應，這就是“定向變異”。觀點之二：自發(fā)突變論

基因突變是自發(fā)的，即使誘發(fā)產(chǎn)生，其產(chǎn)生的性狀與誘變因素間也是不對應的，即最終適應了的化學藥物等不良因素并非誘變因素，而僅僅是一種用于篩選的環(huán)境而已。133抗性突變引起的爭論和斗爭觀點之一：“馴化”或“馴養(yǎng)”論觀點證明突變的性狀與引起突變的原因間無直接對應關(guān)系！如何證明基因突變的非對應性?三個經(jīng)典實驗變量實驗、涂布實驗、影印實驗2、實驗證據(jù)134一、基因突變?nèi)绾巫C明基因突變的非對應性?三個經(jīng)典實驗變量實驗、涂布實驗、變量實驗（fluctuationanalysis），又稱波動試驗或彷徨試驗；1943年，SalvadorLuriaandMaxDelbruck（1943）根據(jù)統(tǒng)計學的原理設計135抗噬菌體抗性產(chǎn)生并非由所抗的環(huán)境因素—T1誘導出來的，而是在接觸T1之前，在某次細胞分裂過程中自發(fā)產(chǎn)生的；發(fā)生越早，抗性菌落越多；T1只是起淘汰和篩選作用敏感于T1的Ecoli，培養(yǎng)涂T1板103/ml103/ml變量實驗（fluctuationanalysis），又稱波變量實驗（fluctuationanalysis）SalvadorLuriaandMaxDelbruck（1943）SalvadorLuriaMaxDelbruckTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1969136變量實驗（fluctuationanalysis）SalvNewcombe的涂布實驗（1949）√NATURE，實驗方法更簡單137353/28Newcombe的涂布實驗（1949）√NATURE，實驗方影印實驗（replicaplating）JoshuaLederbergandEstherLederberg（1952）J.LederbergisawardedtheNoblePrizeinMedicineandPhysiologyin1958證明微生物的抗藥性在未接觸藥物前自發(fā)產(chǎn)生，突變與相應的藥物環(huán)境毫不相干138影印實驗（replicaplating）JoshuaL突變真的與選擇壓力無關(guān)嗎？適應性突變（adaptivemutability）和高頻突變（hypermutation）BensonS.Adaptivemutation:ageneralphenomenonorspecialcase?Bioessays.1997Jan;19(1):9-11.Review.GalitskiT,RothJR.

Asearchforageneralphenomenonofadaptivemutability.Genetics.1996Jun;143(2):645-59.DanI.Andersson,E.SusanSlechta,andJohnR.RothEvidenceThatGeneAmplificationUnderliesAdaptiveMutabilityoftheBacteriallacOperon。Science1998November6;282:1133-1135.

GodoyVG,FoxMS.

Transposonstabilityandaroleforconjugationaltransferinadaptivemutability.ProcNatlAcadSciUSA.2000Jun20;97(13):7393-8.BullHJ,McKenzieGJ,HastingsPJ,RosenbergSM.Evidencethatstationary-phasehypermutationintheEscherichiacolichromosomeispromotedbyrecombination.Genetics.2000Apr;154(4):1427-37.139突變真的與選擇壓力無關(guān)嗎？適應性突變（adaptivemu突變誘因基因突變?nèi)旧w畸變：斷裂、重排等自發(fā)突變誘發(fā)突變復制錯誤化學錯誤堿基錯配DNA復制跳格脫嘌呤脫氨基氧化損傷放射線-----產(chǎn)生嘌呤二聚體化學誘變劑堿基類似物:5BU,2AP堿基修飾物:NA,HA,烷化劑DNA插入劑:吖啶類３、基因突變及其機制多樣性第二節(jié)基因突變和誘變育種突變誘因基因突變?nèi)旧w畸變：斷裂、重排等自發(fā)突變誘發(fā)突４、紫外線對DNA的損傷及其修復嘧啶（敏感性）＞嘌呤紫外線（ultravioletray，UV）嘧啶二聚體（TT，TC，CC）和水合物141第二節(jié)基因突變和誘變育種４、紫外線對DNA的損傷及其修復嘧啶（敏感性）＞嘌呤紫外線（經(jīng)UV照射后的微生物立即暴露于可見光下時，可明顯降低其死亡率的現(xiàn)象。1）光復活作用（photoreactivationphotorestoration）