第七章微生物的遗传变异

第七章微生物的遗传变异与育种微生物的亲代子代下一代，并且相对稳定地一代一代地传下去，这就是微生物的遗传性。微生物的遗传性与其他生物一样是相对稳定的。微生物群体中少数个体遗传性发生改变，这就是微生物的变异性。变异由于是在遗传物质水平发生改变，因此是可遗传的，并且是普遍的，其变异现象很多。遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变异，变异中有遗传，从而使微生物不断进化。变异了的微生物与原来的微生物有所不同，称为变种。由于微生物有一系列非常独特的生物学特性，因而在现代遗传学研究中往往把它作为研究对象。这些生物学特性包括：1.个体结构简单；2.营养体一般都是（n）；适宜的环境条件下代谢和发育生长繁殖遗传特性在内因和外因的相互作用下在遗传物质水平上发生了改变3.生长能力强、繁殖速度快、易于在成分简单的合成培养基上大量生长繁殖；4.易于累积不同的中间代谢产物和终端代谢产物；5.环境条件对微生物各个群体作用直接均一，且重复性好；6.易于形成营养缺陷型等突变类型；7.各种微生物都有其相应的病毒；8.特殊的生殖方式：无性及原始的有性；9.菌落形态的多样性和可见性。第一节遗传变异的物质基础在遗传学的研究和学习中，已经证明遗传变异的物质基础是核酸。这个结论的得出就是以微生物为研究对象而得来的。一、三个著名经典实验1.经典转化实验：以有荚膜和无荚膜的Streptococcuspneumoniae（肺炎链球菌）为试验对象；2.噬菌体感染实验：E.coli及其噬菌体；3.植物病毒的重建实验：TMV及与其近缘的HRV。通过这三个实验以确凿的事实证实了核酸尤其是DNA（RNA病毒为RNA）才是遗传变异的真正物质基础，只有核酸才是负荷遗传信息的真正物质基础。但就微生物而言，其核酸类型、结构、存在部位等和其他生物相比，有相同之处，也有其独特之处。二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式（一）七个水平1.细胞水平大部分DNA集中在核区，不同微生物或同种不同细胞中细胞核数目常不同。2.细胞核水平真核、原核，DNA含量少、能自主复制的核外染色体。3.染色体水平（1）染色体数：不同生物染色体数目差别很大。（2）染色体倍数自然界中微生物染色体多为（n），只有少数营养细胞及合子为（2n）原核生物通过转化、转导或接合可形成不稳定的部分（2n）。4.核酸水平（1）核酸种类（2）核酸结构（3）DNA长度用bp、kb、mb表示。5.基因水平原核生物的基因组成以下调控系统而发挥作用：6.密码子水平7.核苷酸水平AMP、TMP、GMP、CMP，E.COLI的T偶数噬菌体的DNA中有5—羟甲基胞嘧啶。（二）原核生物的质粒1.质粒凡游离于原核生物基因组外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，称为质粒。2.质粒的特征（1）形状大小：超螺旋结构、106~108Da、1%核基因组大小。（2）数量：每个菌体内有一个或几个、或很多。（3）质粒上携带有某些核基因组上所没有的基因，使原核生物的生长繁殖过程中增添了一些特殊功能，如：接合、产毒、抗药、固氮、产特殊酶、降解毒物等。（4）是一种独立存在于细胞内的复制子。严紧型复制控制：复制行为与核染色体的复制同步。松弛型复制控制：复制行为与核染色体的复制不同步。（5）少数质粒可在不同菌株间转移，如：F因子、R因子。（6）质粒消除：因某些理化因素的影响致使质粒复制受抑而核染色体的复制仍继续进行，从而引起子代细胞中不带质粒的现象。（7）有些质粒具有与核染色体整合和脱离的功能——附加体。（8）质粒还有重组的功能：可在质粒与质粒间、质粒与核染色体间发生基因重组。3.几种典型质粒（1）F质粒（F因子、致育因子、性因子）是E.coli等细菌决定性别并有转移能力的质粒。（2）R质粒（R因子）存在于某些肠道细菌中的抗药性质粒，这些细菌不仅能抗多种抗生素等药物，还能把抗药基因传递到其他肠道细菌中。（3）Col质粒（大肠杆菌素质粒、大肠杆菌素因子）使E.coli等细菌产生大肠杆菌素等细菌素，具有通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等方式专一地抑制或杀死其他肠道细菌生长。（4）Ti质粒（致癌质粒）存在与根癌杆菌中，可引起许多双子叶植物根癌。（5）Ri质粒发根土壤杆菌或发根农杆菌中，可侵染双子叶植物的根部，并诱生大量毛状的不定根。（6）mega质粒（巨大质粒）根瘤菌中，其上有一系列与固氮相关的基因。（7）降解性质粒假单胞菌中发现，可为降解一系列复杂有机物的酶编码。在污水处理、环境保护等方面有特有作用。第二节基因突变和诱变育种一、基因突变（突变）是变异的一类。凡指细胞内或病毒粒内遗传物质的分子结构突然发生的可遗传的变化。可自发或诱导产生。狭义的突变：专指基因突变（点突变）。广义的突变：包括基因突变和染色体突变。突变的几率很低——10-6~10-9。野生型菌株（wildtypestrain，野生型）：从自然界分离到的菌株。突变株（mutant，突变体、突变型）：野生型经突变后形成的带有新性状的菌株。（一）突变类型按突变后极少数突变株的表型能否在选择培养基上迅速选出和鉴别，可分为：选择性突变株：凡能用选择性培养基或其他选择性培养条件快速选择出来的突变株（selectablemutant）。如：营养缺陷型、抗性突变型、条件致死突变型。非选择性突变株：不能用选择性培养基或其他选择性培养条件快速选择出来的突变株（non-selectablemutant）。如：形态突变型、抗原突变型、产量突变型。1.营养缺陷型（auxotroph）某一野生菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法在基本培养基（minimummedium，MM）上正常生长繁殖的变异类型。2.抗性突变型（resistantmutant）野生菌株因发生基因突变，而产生的对某化学药物或致死物理因子的抗性变异类型。3.条件致死突变型（conditionallethalmutant）某菌株经基因突变后，在某种条件下可正常地生长繁殖，而在另一条件下却无法生长繁殖的突变类型。如：温度敏感突变株（Ts突变株）。4.形态突变型（morphologicalmutant）由基因突变引起的个体或菌落形态的变异类型。5.抗原突变型（antigenicmutant）由基因突变引起的细胞抗原结构发生变化的变异类型。6.产量突变型（metabolitequantitativemutant）因基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株。若产量明显高于原始菌株者，称为正突变；反之称负突变。（二）基因突变的特点1.自发性：可自发地发生突变。2.不对应性：突变性状与引起的原因间无直接对应关系。3.稀有性：通常自发突变的频率在10-6~10-9间。4.独立性：某基因的突变率不受他种基因突变率的影响。5.可诱变性：自发突变的频率可因诱变剂的影响而大为提高（10~105倍）。6.稳定性：基因突变后的新遗传性状是稳定的。7.可逆性：野生型菌株某一性状可发生正向突变，也可发生相反的回复突变。（三）基因突变自发性和不对应性的实验证明1.Luria等的变量实验2.Newcombe的涂布实验3.Lederberg等的影印平板培养法（四）基因突变及其机制基因突变的机制是多样性的，可以是自发的或诱发的。1.诱发突变（诱变）指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。诱变剂：凡具有诱变效应的任何因素。诱发突变又可分：（1）碱基的置换——点突变（移码突变）一对碱基被另一对碱基置换。1）转换DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤（一个嘧啶被另一个嘧啶）所置换。2）颠换DNA链中的一个嘌呤被另一个嘧啶（一个嘧啶被另一个嘌呤）所置换。（2）移码突变DNA序列中的一个或少数几个核苷酸发生增添（插入）或缺失，而使其后面的全部遗传密码发生改变，并进一步引起转录和转译错误。（3）染色体畸变影响一段染结构的色体的变化（染色体上基因的缺失、添加、易位、倒位）。2.自发突变指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。引起自发突变的原因：（1）由背景辐射和环境因素引起；（2）由微生物自身有害代谢产物引起；（3）由DNA复制过程中碱基配对错误引起。★自发突变频率约为10-6。对细菌作一般液体培养时，因细胞浓度可达108/mL，常会在其中产生自发突变菌株。（五）紫外线对DNA的损伤及其修复已知的DNA损伤类型很多，机体对其修复方法各异。1.紫外线对DNA的损伤DNA中嘧啶对UV的敏感性较强，经UV照射后相邻嘧啶会形成嘧啶二聚体（TT，TC，CC）和水合物。形成二聚体后，造成局部DNA分子无法配对，从而引起微生物的死亡或突变。2.微生物修复受损DNA的作用（1）光复活作用把经UV造熟射后的微生物立即暴露于可见光下，就可出现明显降低其死亡率的现象。对照：8×106个/mlE.coli100个/mlE.coli实验：8×106个/mlE.coli2×106个/mlE.coli作用机制：经UV照射后带有嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗下会被一种光激活酶（光解酶、光裂合酶）结合，这种复合物在300~500nm可见光下时，此酶会因获得光能而激活，并使二聚体分解成单体；光解酶也会从复合物中释放出来，以便从新执行功能。2.切除修复（暗修复）是活细胞内一种不依赖可见光就可对被紫外线等诱变剂损伤后的DNA进行修复的方式。作用机制：通过酶切作用去除嘧啶二聚体，随后从新合成一段正常DNA链的核酸。在整个修复过程中，共有四种酶参与。UVUV360~490nm可见光，30min二、突变与育种（一）自发突变与育种1.从生产中育种生产中，自发突变的微生物中有可能出现一定几率的正突变。2.定向培育优良菌株是一种利用微生物的自发突变，并采用特定的选择条件，不断地移植以选育出较优良菌株的古老方法。如：炭疽芽孢杆菌活菌苗、卡介苗的选育。费时费力、工作被动、效果很难医疗预测。（二）诱变育种利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、快速高效的筛选方法从中挑选出少数符合目的的突变株，以供科学实验和生产实践用。方法简便易行、条件和设备要求简单。1.诱变育种的基本环节2.诱变育种中的几个原则（1）选择简便有效的诱变剂诱变剂的种类很多，有物理因素（UV、激光、离子束、X射线、γ射线快中子）和化学因素（亚硝酸、氮芥、烷化剂、碱基类似物、吖啶化合物）。使用UV照射最为方便：取5ml单细胞悬液置于直径6cm的培养皿中，开盖照射；15W、30cm、不短于10~20s，也不长于10~20min。（2）挑选优良的出发菌株选用合适的出发菌株有利于提高诱变效率。（自发突变菌株、具有有利于进一步研究或应用性状的菌株、已发生过其他突变的菌株、对诱变剂敏感性较高的菌株）（3）处理单细胞或单孢子悬液可使每个细胞均匀接触诱变剂并防止长出不纯菌落。（4）选用最适的诱变剂量选用既能提高诱变效率又能扩大变异幅度，并促使变异移向正变范围的剂量。（5）充分利用复合处理的协同效应诱变剂的复合使用常表现明显的协同效应，有利于育种。（6）利用和创造形态、生理与产量间的相关指标（7）设计高效筛选方案（8）创造新型筛选方法3.三类突变株的筛选方法（1）产量突变株的筛选——琼脂块培养法用此法筛选春日霉素生产菌。优点：在此条件下，各琼脂块所含养料和接触空气面积基本相同，且产生的抗生素等代谢产物不致扩散到琼脂块外，因此测得的结果与摇瓶实验结果十分相似，而工作效率却大为提高。（2）抗药性突变株的筛选——梯度平板法是定向筛选抗药性突变株的一种有效方法。用此法筛选抗异烟肼的吡哆醇高产菌株。（3）营养缺陷型突变株的筛选1）与营养缺陷型突变有关的三类遗传型个体野生型（wildtype，wildstrain）：从自然界分离到的任何微生物在其发生人为营养缺陷型突变前的原始菌株。[A+B+]。营养缺陷型（auxotroph）：野生型菌株经诱变剂处理后，由于发生了丧失某酶合成能力的突变，因而只能在加有某酶合成产物的培养基中才能生长的突变菌株称为营养缺陷型突变菌株，简称营养缺陷型。[A+B