微生物的遺傳和變異

作物生產(chǎn)技術(shù)專業(yè)/教學(xué)資源庫微生物的遺傳與變異遺傳（heredity

）:

上一代生物將自身的一整套遺傳基因穩(wěn)定地傳遞給下一代的特性。變異（variation）：

生物體在某種外因或內(nèi)因的作用下，發(fā)生遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量的改變，而且這種改變穩(wěn)定，具有可遺傳性。1.遺傳與變異遺傳保證了微生物種的相對穩(wěn)定性、種的存在和延續(xù)，而變異則推動了種的進(jìn)化和發(fā)展。2.遺傳型和表型遺傳型（genotype）表型(phenotype)某一生物體個體所含有的全部遺傳因子，即基因的總和

，又稱為基因型。某一生物體所具有的一切外表特征及內(nèi)在特性的總和。

表型的實(shí)現(xiàn)是由生物體的遺傳型和環(huán)境條件共同作用的結(jié)果。微生物是遺傳學(xué)研究中的明星:微生物細(xì)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(qiáng)。

遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)一、證明核酸是遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的三個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)二、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)存在部位和方式經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn):

證明DNA是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)。Avery在四十年代以更精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)重復(fù)了以上實(shí)驗(yàn)分別用S型菌中提取的DNA、RNA和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化R型菌且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)化因子一、三個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)T2噬菌體感染實(shí)驗(yàn)2.噬菌體感染實(shí)驗(yàn)（1952年，A.D.Hershey和M.Chase）3.植物病毒的重建實(shí)驗(yàn)證明雜種病毒的蛋白質(zhì)外殼來自TMV還是HRV,可用血清學(xué)反應(yīng)鑒定證明核酸（RNA）是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)血清學(xué)反應(yīng)說明病毒蛋白質(zhì)的特性由核酸而定H.Fraenkel-Conrat(1956年)病斑的特性和病毒核酸一致二、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)存在的部位和方式（一）七個水平細(xì)胞水平（單核，多核）細(xì)胞核水平（真核，擬核）染色體水平核酸水平（DNA，部分病毒為RNA；雙鏈，少數(shù)病毒為單鏈）基因水平（遺傳功能單位）密碼子水平（遺傳信息單位）核苷酸水平（最低突變單位和交換單位）（一套，兩套,核外染色體）基因（gene）是什么?

是實(shí)體，其物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA

（或RNA）；

是一個含有特定遺傳信息的DNA分子區(qū)段；

是遺傳信息傳遞和性狀分化發(fā)育的依據(jù)；

基因是可分的，根據(jù)功能不同，分為：編碼蛋白質(zhì)的基因結(jié)構(gòu)基因（結(jié)構(gòu)蛋白，酶）調(diào)節(jié)基因（阻遏蛋白或激活蛋白）無翻譯產(chǎn)物的基因tRNA基因（簡稱tDNA）

rRNA基因（簡稱rDNA）不轉(zhuǎn)錄的DNA區(qū)段啟動子（promotor）操縱基因（operator）基因是一個含有特定遺傳信息的核苷酸序列，它是遺傳的功能單位。第二節(jié)質(zhì)粒質(zhì)粒（plasmid）一種獨(dú)立于染色體外，能進(jìn)行自主復(fù)制的細(xì)胞質(zhì)遺傳因子，主要存在于各種微生物細(xì)胞中。附加體(episome)指哪些既可以整合到核染色體上，作為染色體的一部分而進(jìn)行復(fù)制，又可以再游離出來或攜帶一些寄主的染色體基因游離出來，這類質(zhì)粒被稱為附加體。

1、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(covalentlyclosedcircle，簡稱CCC)的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細(xì)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(xì)菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）2.質(zhì)粒的分離堿提取法：①菌體的培養(yǎng)和收集：一般采用豐富培養(yǎng)基對菌體進(jìn)行培養(yǎng)，當(dāng)細(xì)胞生長到指數(shù)期后期時，離心收集細(xì)胞。②溶菌：一般用溶菌酶去壁以形成原生質(zhì)體或原生質(zhì)球。③堿變性處理：在SDS等表面活性劑存在下加NaOH液使pH升至12.4，可使菌體蛋白質(zhì)、染色體DNA以及質(zhì)粒DNA變性。④質(zhì)粒復(fù)性：加入pH4.8的KAc-HAc緩沖液，將提取液調(diào)至中性，由于質(zhì)粒分子量小而容易復(fù)性，并穩(wěn)定存在于溶液中；染色體DNA分子量太大，在復(fù)性過程中形成DNA之間的交聯(lián)導(dǎo)致其形成更大分子的不溶性物質(zhì)。⑤離心分離：經(jīng)高速離心可以使細(xì)胞碎片和已變性的菌體蛋白及染色體DNA一起沉淀，上清液中主要是質(zhì)粒DNA，經(jīng)乙醇沉淀后，可獲得質(zhì)粒DNA。（參見P197）3.質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；氯化銫-溴化乙啶密度梯度超速離心；

對于實(shí)驗(yàn)室常用菌，可用質(zhì)粒所帶的某些特點(diǎn)，如抗藥性初步判斷。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(jìn)行特異性單酶切，使其成為一條帶。

瓊脂糖凝膠電泳后觀察；4.質(zhì)粒的特性(1)位于核基因組外；(3)自主復(fù)制；(2)cccDNA鏈霉菌和酵母菌中發(fā)現(xiàn)了線狀dsDNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒(4)有的質(zhì)?？烧系胶巳旧w上；(5)可重組（質(zhì)粒與質(zhì)粒間，質(zhì)粒與染色體間）；(6)人為消除（丫叮類，UV，電離輻射，利福平等）(7)有的質(zhì)?？稍诩?xì)胞間轉(zhuǎn)移（F因子，R因子）質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷?xì)胞一般是非必需的；有時能賦予宿主細(xì)胞以特殊的機(jī)能，從而使宿主得到生長優(yōu)勢5、質(zhì)粒的主要類型根據(jù)質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng)分類:致育因子（Fertilityfactor，F(xiàn)因子）抗性質(zhì)粒（Resistancefactor，R因子）產(chǎn)細(xì)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）2μm質(zhì)粒(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(dāng)于雄性），無F質(zhì)粒的菌株稱為F-菌株（相當(dāng)于雌性）。F因子能以游離狀態(tài)(F+)和以與染色體相結(jié)合的狀態(tài)(Hfr)存在于細(xì)胞中，所以又稱之為附加體(episome)。在志賀氏菌屬（Shigella）、沙門氏菌屬（Salmonella）和鏈球菌屬（Streptococcus）等其他細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)了與大腸桿菌類似的致育因子。在放線菌中，天藍(lán)色鏈霉菌含有SCP1和SCP2兩種致育質(zhì)粒，這兩種質(zhì)粒在天藍(lán)色鏈霉菌的接合過程中起重要作用，帶動染色體從供體細(xì)胞向受體細(xì)胞轉(zhuǎn)移。(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,sul)、氯霉素(Chlorampenicol,cml)夫西地酸（fusidicacid，fus）負(fù)責(zé)這些抗性的基因是成簇地存在于抗性質(zhì)粒上?？剐再|(zhì)粒在細(xì)菌間的傳遞是細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一。(3)Col質(zhì)粒：產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因、涉及細(xì)菌素運(yùn)輸及發(fā)揮作用（processing）的蛋白質(zhì)的基因、賦予宿主對該細(xì)菌素具有“免疫力”的相關(guān)產(chǎn)物的基因一般都位于質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，因此，細(xì)菌素可以殺死同種但不攜帶該質(zhì)粒的菌株。細(xì)菌素：許多細(xì)菌都能產(chǎn)生某些代謝產(chǎn)物，抑制或殺死其他近緣細(xì)菌或同種不同菌株，因?yàn)檫@些代謝產(chǎn)物是由質(zhì)粒編碼的蛋白質(zhì)，不象抗生素那樣具有很廣的殺菌譜，所以稱為細(xì)菌素（bacteriiocin）細(xì)菌素種類很多,一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進(jìn)行命名：大腸桿菌（E.coli）產(chǎn)生的細(xì)菌素為colicins（大腸桿菌素），而質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。此外還有枯草桿菌素、乳酸菌素、根瘤菌素等。由G+細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素或與細(xì)菌素類似的因子與colicins有所不同，但通常也是由質(zhì)粒基因編碼，有些甚至有商業(yè)價值，例如一種乳酸細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素NisinA能強(qiáng)烈抑制某些G+細(xì)菌的生長，而被用于食品工業(yè)的保藏。大腸桿菌素是產(chǎn)自大腸桿菌的一種蛋白質(zhì)，具有專一性地殺死其親緣關(guān)系很近的、不具Col質(zhì)粒的其它腸道細(xì)菌的功能。(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。產(chǎn)毒素大腸桿菌是引起人類和動物腹瀉的主要病原菌之一，其中許多菌株含有為一種或多種腸毒素編碼的質(zhì)粒。蘇云金桿菌含有編碼δ內(nèi)毒素(伴孢晶體中)的質(zhì)粒根癌土壤桿菌所含Ti質(zhì)粒是引起雙子葉植物冠癭瘤的致病因子(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(jìn)行共生