第八章微生物的遺傳與變異

微生物學(xué)主講：張學(xué)舒目錄第一章緒論第二章原核微生物第三章真核微生物第四章病毒第五章微生物的營(yíng)養(yǎng)第六章微生物的代謝第七章微生物的生長(zhǎng)及其控制第八章微生物的遺傳與變異第九章微生物的生態(tài)學(xué)第十章傳染與免疫第十一章微生物的分類第八章

微生物的遺傳與變異第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)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四節(jié)基因工程第五節(jié)菌種的衰退、復(fù)壯和保藏遺傳和變異遺傳：生物繁殖與自已相同或相似的后代的現(xiàn)象變異：生物親代與子代之間，子代個(gè)體之間有差異的現(xiàn)象主要體現(xiàn)在形態(tài)和生理性狀遺傳型→遺傳信息表型→具體性狀變異→改變了的遺傳型飾變→不涉及遺傳的表型變化第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)染色體：DNA+組蛋白（真核生物）

DNA（原核生物）DNA：脫氧核糖核酸

RNA：核糖核酸

基因：能夠貯存和傳送出一個(gè)遺傳信息的DNA片段質(zhì)粒：獨(dú)立于染色體外，能進(jìn)行自主復(fù)制的細(xì)胞質(zhì)遺傳因子轉(zhuǎn)座因子：位于染色體或質(zhì)粒上的一段能改變自身位置的DNA序列基因組基因組：細(xì)胞中基因以及非基因的DNA序列組成的總稱，包括編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因、調(diào)控序列以及目前功能尚不清楚的DNA序列。一般情況下，細(xì)菌是一套基因（單倍體），真核微生物是二套基因（二倍體）。微生物基因組隨不同類型（真細(xì)菌、古生菌、真核微生物）表現(xiàn)出多樣性。核酸是遺傳物質(zhì)的證明1.轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn):只有S型菌株的DNA才能將R型菌株轉(zhuǎn)化為S型,S型轉(zhuǎn)移給R型的不是遺傳性狀,而是遺傳信息;2.噬菌體感染:進(jìn)入宿主細(xì)胞的只有DNA,在DNA中存在著包括合成蛋白質(zhì)外殼在內(nèi)的整套遺傳信息;3.植物病毒重建實(shí)驗(yàn):在RNA病毒中,遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)也是核酸.遺傳物質(zhì)在微生物細(xì)胞內(nèi)存在的部位和方式(一)細(xì)胞水平:大部分DNA集中在細(xì)胞核或核區(qū),不同種微生物或同種微生物的不同細(xì)胞中細(xì)胞核數(shù)量有所不同;細(xì)胞核水平:真核生物有細(xì)胞核,核內(nèi)DNA與組蛋白構(gòu)成核染色體.原核生物具無(wú)核膜的核區(qū),DNA呈環(huán)狀雙鏈結(jié)構(gòu),不與蛋白質(zhì)結(jié)合;染色體水平:不同生物的染色體數(shù)差別很大,微生物多數(shù)是單倍體;遺傳物質(zhì)在微生物細(xì)胞內(nèi)存在的部位和方式(二)核酸水平:多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)是DNA,少數(shù)是RNA.DNA和RNA有雙鏈和單鏈之分;不同微生物的基因組大小差別很大;基因水平:最小的遺傳功能單位,構(gòu)成染色體.原核生物和真核生物的基因調(diào)控不同.密碼子水平:DNA鏈上決定各具體氨基酸合成的特定核苷酸排列順序;核苷酸水平:是遺傳變異中的最低突變單位和交換單位.原核生物的質(zhì)粒定義：獨(dú)立于基因組以外的,能進(jìn)行自主復(fù)制的細(xì)胞質(zhì)遺傳因子。構(gòu)型：CCC型—共價(jià)閉合環(huán)狀質(zhì)粒

OC型—開環(huán)狀質(zhì)粒

L型—線型質(zhì)粒特點(diǎn)：攜帶某些核基因組上缺少的基因，從而獲得某些對(duì)其生存并非必不可少的特殊功能。

質(zhì)粒在基因工程中的應(yīng)用質(zhì)粒利于基因工程操作的優(yōu)點(diǎn):1.體積小,便于DNA的分離和操作;2.環(huán)狀結(jié)構(gòu)在操作過程中能保持性能穩(wěn)定;3.有獨(dú)立復(fù)制的起始點(diǎn);4.拷貝量多,外源DNA能很快擴(kuò)增;5.存在選擇性標(biāo)記,便于含質(zhì)?？寺〉臋z出和選擇.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),可分為:1.致育因子(F因子)：與大腸桿菌的有性生殖有關(guān)；2.抗性因子(R因子)：帶有抗藥性和抗金屬的基因；3.Col質(zhì)粒：含有編碼大腸菌素的基因；4.毒性質(zhì)粒(Ti質(zhì)粒)：具有編碼毒素的基因；5.代謝質(zhì)粒(Ri質(zhì)粒、mega質(zhì)粒、降解性質(zhì)粒）：帶有能降解某些基質(zhì)的酶的基因；6.隱秘質(zhì)粒：不顯示任何表型效應(yīng)。質(zhì)粒的不親和性一種類型的質(zhì)粒導(dǎo)入到含有一種質(zhì)粒的宿主細(xì)胞，幾代后，子細(xì)胞中只含其中一種質(zhì)粒，這種質(zhì)粒不能共存同一細(xì)胞的特性稱為不親和性。同一細(xì)菌中并存的質(zhì)粒屬于不同的不親和群；同一細(xì)菌中不能并存的質(zhì)粒屬于同一不親和群；質(zhì)粒的不親和性主要與復(fù)制和分配有關(guān)，有不同復(fù)制因子或不同分配系統(tǒng)的質(zhì)粒才能共存于同一細(xì)胞中。轉(zhuǎn)座因子位于染色體或質(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(xì)胞中。類型：1.插入順序(IS):最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)座因子,只含有編碼轉(zhuǎn)座所必須的轉(zhuǎn)座酶的基因;2.轉(zhuǎn)座子(Tn):攜帶有授予宿主某些遺傳特性的基因(抗生素和毒物的抗性基因)。3.某些特殊病毒.轉(zhuǎn)座的遺傳效應(yīng)轉(zhuǎn)座因子的轉(zhuǎn)座可引發(fā)多種遺傳學(xué)效應(yīng),在生物進(jìn)化上有重要的意義,也成為遺傳學(xué)研究的重要工具.這些遺傳變化包括:1.插入突變:轉(zhuǎn)座因子插入到某一基因中后,此基因的功能喪失,發(fā)生突變;2.染色體畸變:同一染色體上不同位置的二個(gè)復(fù)制的轉(zhuǎn)座可能發(fā)生同源重組,這種重組可導(dǎo)致DNA的缺失或倒位—染色體畸變；3.基因移動(dòng)和重排:轉(zhuǎn)座可使染色體上相距甚遠(yuǎn)的基因組合一起,構(gòu)成操縱子或表達(dá)單元,也可能產(chǎn)生具有新的生物學(xué)功能的基因或新的蛋白質(zhì)分子。第二節(jié)基因重組和雜交育種基因重組：兩個(gè)獨(dú)立基因組的遺傳基因，通過一定的途徑轉(zhuǎn)移到一起，形成新的穩(wěn)定基因組的過程。細(xì)胞水平上的遺傳重組稱為雜交，基因重組是在分子水平上進(jìn)行的。細(xì)胞水平上的雜交必然包含了分子水平上的重組?；蛑亟M是水平方向的基因轉(zhuǎn)移；這種轉(zhuǎn)移可以發(fā)生在不同的微生物之間，也可能發(fā)生在微生物與高等動(dòng)植物之間。一、原核生物的基因重組重組形式轉(zhuǎn)化:受體菌直接吸收供體菌的DNA片段而獲得后者部分遺傳性狀的現(xiàn)象.轉(zhuǎn)導(dǎo):通過缺陷噬菌體的媒介,把供體細(xì)胞的小片段DNA攜帶到受體細(xì)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)象接合:供體菌通過性菌毛與受體菌直接接觸,把F質(zhì)?；蚱鋽y帶的不同長(zhǎng)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.原生質(zhì)體融合:通過人為的方法使遺傳性狀不同的兩個(gè)細(xì)胞的原生質(zhì)體進(jìn)行融合,借以獲得兼有雙親遺傳性狀的重組子的過程.二、真核生物的基因重組重組形式有性雜交:不同遺傳型的兩性細(xì)胞間發(fā)生的接合和隨之進(jìn)行的染色體重組,進(jìn)而產(chǎn)生新遺傳型后代.準(zhǔn)性生殖:在同種而不同菌株的體細(xì)胞間發(fā)生融合,它可不借減數(shù)分裂而導(dǎo)致低頻率基因重組并產(chǎn)生重組子.原生質(zhì)體融合:遺傳轉(zhuǎn)化:第三節(jié)基因突變和誘變育種概念狹義：一個(gè)基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變而導(dǎo)致的遺傳變化（點(diǎn)突變）；廣義：大段染色體的缺失、重復(fù)、倒位所導(dǎo)致的遺傳變化（染色體畸變）；基因突變是一切生物變化的根源，它與基因轉(zhuǎn)移、基因重組一起推動(dòng)了生物進(jìn)化的遺傳多變性。突變類型1.營(yíng)養(yǎng)缺陷型:缺乏合成其生存所必須的營(yíng)養(yǎng)物的突變;2.抗性突變型:基因突變使菌株對(duì)某些藥物(抗生素)產(chǎn)生抗性的突變;3.條件致死突變型:在某一條件下具有致死效應(yīng),而另一條件下沒有致死效應(yīng)的突變;4.形態(tài)突變型:造成形態(tài)改變的突變;5.抗原突變型:由于基因突變引起細(xì)胞抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生的變異;6.產(chǎn)量突變型:因基因突變而在代謝產(chǎn)物產(chǎn)量上明顯差別的突變;基因突變的特點(diǎn)1.自發(fā)性:突變可自發(fā)產(chǎn)生;2.不對(duì)應(yīng)性:突變性狀與引起突變的原因間無(wú)直接對(duì)應(yīng)關(guān)系;3.稀有性:自發(fā)突變的機(jī)率在10-6～10-94.獨(dú)立性:一種基因的突變率不受它種基因突變率的影響;5.可誘變性:自發(fā)突變可因誘發(fā)劑的影響而大大提高(10～105);6.穩(wěn)定性:突變后的新遺傳性狀是穩(wěn)定的;7.可逆性:某一性狀的突變可以是“正向”的,也可以是相反的.基因突變的機(jī)制1.自發(fā)突變：不經(jīng)誘變劑處理而自然發(fā)生的突變。2.誘發(fā)突變:通過使用誘發(fā)劑而提高了突變率的自發(fā)突變.能使突變率提高到自發(fā)突變水平以上的物理、化學(xué)和生物因子稱為誘變劑。誘變劑的使用不會(huì)產(chǎn)生新的突變，而只是提高了自發(fā)突變的突變率。自發(fā)突變特點(diǎn)1.非對(duì)應(yīng)性:突變的發(fā)生與環(huán)境因子無(wú)對(duì)應(yīng)性。2.稀有性:自發(fā)突變的頻率(突變率)很低,一般在10-6–10-9

。3.規(guī)律性:特定微生物的某一特定性狀的突變率具有一定的規(guī)律性。4.獨(dú)立性:引起各種性狀改變的基因突變彼此是獨(dú)立的,即某種細(xì)菌均可以一定的突變率產(chǎn)生不同的突變,一般互不干擾。5.遺傳和回復(fù)性:突變是遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變,因此是可以穩(wěn)定的遺傳的.但同樣的原理也可以導(dǎo)致突變的回復(fù),使表型回復(fù)到野生型狀態(tài)。6.可誘變性:通過理化因子等誘變劑的誘變作用可提高自發(fā)突變的頻率,但不改變突變的本質(zhì).。誘發(fā)突變誘發(fā)突變點(diǎn)突變：堿基置換移碼突變畸變：缺失添加易位倒位人工誘變方法1.物理誘變電離輻射：x-射線、

-射線非電離輻射：紫外線、激光、離子束2.化學(xué)誘變烷化劑堿基類似物吖啶化合物電離輻射直接打擊細(xì)胞核酸，引起核酸電離直接打擊細(xì)胞內(nèi)水，引起水電離，形成自由基H、OH與核酸反應(yīng)，產(chǎn)生次生電離作用結(jié)果：DNA大分子斷裂，雙螺旋氫鏈斷裂等，導(dǎo)致基因突變或細(xì)胞死亡非電離輻射原理：DNA對(duì)波長(zhǎng)254nm紫外線有強(qiáng)吸收作用作用：DNA斷裂，形成胸腺嘧啶二聚體結(jié)果：堿基順序變化→突變第四節(jié)基因工程是指對(duì)遺傳信息的分子操作和施工,把分離到的或合成的基因經(jīng)過改造,插入載體中,導(dǎo)入宿主細(xì)胞內(nèi),使其擴(kuò)增和表達(dá),從而獲得大量基因產(chǎn)物,或者令生物表現(xiàn)出新的性狀.基因工程在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)。DNA的特異切割、DNA的分子克隆和DNA的快速測(cè)序三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的建立為基因工程奠定了基礎(chǔ)。微生物在基因工程的興起和發(fā)展中起著不可替代的作用?；蚬こ痰幕具^程1.分離或合成基因;2.通過體外重組將基因插入載體;3.將重組DNA導(dǎo)入細(xì)胞;4.擴(kuò)增克隆的基因;5.篩選重組體克隆;6.對(duì)克隆的基因進(jìn)行鑒定或測(cè)序;7.控制外源基因的表達(dá);8.得到基因產(chǎn)物或轉(zhuǎn)基因動(dòng)物、轉(zhuǎn)基因植物。外源供體克隆載體(染色體DNA

或表達(dá)載體或化學(xué)合成DNA)

酶切和連接└──────────┬──────┘

↓

重組載體

↓←轉(zhuǎn)化宿主細(xì)胞

↓←擴(kuò)增

↓←篩選定位誘變重組體克隆寡核苷酸

│←鑒定、測(cè)序┌──────────┬──────────┐工程菌工程動(dòng)物工程植物↓←后處理└────┬─────┘表達(dá)產(chǎn)物↓←選育優(yōu)良品種第五節(jié)菌種的衰退、復(fù)壯和保藏遺傳性的變異是絕對(duì)的,而其穩(wěn)定性是相對(duì)的;在變異中退化性的變異是大量的,而進(jìn)化性的變異是個(gè)別的.衰退:由于自發(fā)突變的結(jié)果,物種原有一系列生物學(xué)性狀發(fā)生量變或質(zhì)變的現(xiàn)象.復(fù)壯:采取純種分離和生產(chǎn)性狀的測(cè)定工作,選擇具有典型特征或生產(chǎn)性狀的菌種.保藏:采用低溫冷藏的方式,將典型菌種或典型培養(yǎng)物的優(yōu)良純種長(zhǎng)期休眠,使之不死、不衰、不亂，保持原菌優(yōu)良性狀，以達(dá)到便于研究、交換和使用等目的。細(xì)菌衰退的表現(xiàn)1.原有形態(tài)性狀典型性消退;2.生長(zhǎng)速度變慢,產(chǎn)生的孢子變少;3.代謝產(chǎn)物生產(chǎn)能力下降,出現(xiàn)負(fù)變;4.致病菌對(duì)宿主侵染力下降或消失;5.對(duì)外界不良條件的抵抗力下降.菌種的衰退是發(fā)生在微生物細(xì)胞群中一個(gè)由量變到質(zhì)變的逐步演化過程.菌種的復(fù)壯1.純種分離法——菌落純和菌株純；平板表面涂布法菌落純平板劃線法瓊脂培養(yǎng)基澆注法純種分離