第七章 微生物的遗传变异和育种

1第六章微生物的生长及其控制6第一章原核生物的形态、构造和功能6第二章真核微生物的形态、结构和功能6第三章病毒和亚病毒4第四章微生物的营养和培养基6绪论、微生物的分类和鉴定4第八章微生物的生态6第五章微生物的新陈代谢10第九章传染与免疫4第七章微生物的遗传变异和育种823第七章微生物的遗传变异和育种教学要求（8学时）1、掌握遗传变异的物质基础。2、掌握基因突变和诱变育种、基因重组和杂交育种。3、了解基因工程的有关内容。4、掌握菌种的衰退、复壮、保藏。4第七章微生物的遗传变异和育种第一节遗传变异的物质基础第二节基因突变和诱变育种第三节基因重组和杂交育种第四节基因工程第五节菌种的衰退、复壮、保藏5第一节遗传变异的物质基础一、3个经典实验二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式第七章微生物的遗传变异和育种6第一节遗传变异的物质基础※基本概念遗传：指上一代生物如何将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的行为或功能，具有极其稳定的特性。基因：生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位。遗传型：即基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。遗传型是一种内在的可能性。表现型：指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体体现。表现型是一种现实性（具体性状）。代谢、发育遗传型+环境条件表现型（可能性）（现实性）7变异：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，即遗传型的改变。特点：变易频率极低；性状变化幅度大；新性状是稳定的、可遗传的。饰变：指外表的修饰性改变，即一种不涉及遗传物质结构或数量的改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。特点：几乎每一个个体都发生同样变化；性状变化的幅度小；饰变是不遗传的。※微生物在生物学研究中作为模式生物的原因：1、物种与代谢类型的多样性；2、个体微小，结构简单；3、营养体一般都是单倍体；4、易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖；5、繁殖快；6、易于累积不同的中间代谢物；7、菌落形态可见性与多样性；8、环境条件对微生物群体中各个体作用的直接性和均一性；9、易于形成营养性缺陷型突变株；10、各种微生物一般都有其相应的病毒；11、存在多种处于进化过程中、富有特色的原始有性生殖方式等。8一、证明核酸是遗传物质的三个经典实验（一）经典转化实验——肺炎链球菌转化实验1、实验者：Griffith（英国），1928年。2、研究对象：肺炎链球菌S型和R型S型：有荚膜，菌落光滑，属致病菌株。R型：无荚膜，菌落粗糙，非致病菌株。3、过程（1）动物实验9（2）细菌培养试验（3）S型菌的无细胞抽提液试验活R菌+S菌的无细胞抽提液长出大量R菌和少量S菌Griffith的实验说明，加热杀死的S菌细胞内可能有一种转化物质，它进入R型细胞后使R型细胞获得了表达S型荚膜性状的遗传特性。此现象为转化，但转化因子是什么？培养皿培养10（4）Avery等的转化实验——抽提转化因子1944年Avery等人（美国）从热死的S型中提纯了几种有可能作为转化因子的成分，并在离体条件下进行了转化实验。a、从活的S菌中抽提各种细胞成分（DNA、蛋白质、荚膜多糖等）b、对各种生化组分进行转化实验4、实验表明：只有S型的DNA才能将R型转化为S型，S型转移给R型的决不是遗传性状本身，而是以DNA为物质基础的遗传信息。11（二）噬菌体感染实验1、实验者：美国人Hershey和Chase，1952年2、研究对象：噬菌体3、过程（1）用同位素标记细菌（2）用噬菌体感染标记了同位素的细菌（3）用噬菌体感染未标记同位素的细菌4、实验表明：噬菌体的外壳未进入宿主细胞，进入宿主细胞的只有它的DNA，由DNA完成其自身的增殖、装配，最终产生一大群完整的子代噬菌体。35s32p12（三）植物病毒的重建实验1、实验者：Conrat（美国），1956年2、研究对象：烟草花叶病毒（TMV）、霍氏车前花叶病毒（HRV）3、过程：将两病毒的RNA和蛋白质外壳分别抽取出来并重新进行组合。随后去感染烟草，发现病斑由各自的RNA决定，而不是由蛋白质决定。4、实验表明：在只有RNA，而不具有DNA的病毒中，RNA是遗传物质。三个实验的共同结论：核酸是遗传物质的基础。13第一节遗传变异的物质基础一、3个经典实验二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式第七章微生物的遗传变异和育种14二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式（一）7个水平——细胞水平、细胞核水平、染色体水平、核酸水平、基因水平、密码子水平、核苷酸水平1、细胞水平大部分DNA都集中在细胞核或核区（核质体、原核、拟核）中。在不同微生物或同种微生物的不同细胞中，细胞核或核区的数目常有不同。2、细胞核水平——核基因组、核外染色体(1)核基因组（核染色体组、基因组）不论真核生物细胞核或原核生物的核区都集中了该种微生物最主要的遗传信息，被称为核基因组、核染色体组，简称基因组。a、原核生物的基因组无核膜包裹、无固定形态的原始细胞核（拟核），核区的主要成分是一个大型的环状双链DNA。b、真核生物的基因组有核膜包裹、有固定形态的真正的细胞核（真核），核内的DNA与组蛋白相结合构成光镜下可见的染色体。15（2）核外染色体除核基因组外，在真核生物和原核生物的细胞质中（仅酵母菌2um质粒例外，在核内），多数还存在着一类DNA含量少、能自主复制的核外染色体。a、真核生物的核外染色体细胞质基因：指线粒体和叶绿体等中的DNA，其结构与原核细胞的DNA相似，亦能编码结构蛋白。共生生物：草履虫放毒型品系中的卡巴颗粒。2um质粒：存在于酿酒酵母的细胞核中，但不与核基因组整合，每个酵母细胞核中约含30个2um质粒。b、原核生物的核外染色体通称质粒，种类很多。16遗传物质类型核基因组（核染色体组、基因组）核外染色体真核生物的细胞质基因线粒体叶绿体共生生物：卡巴颗粒2um质粒原核生物的（质粒）F因子（F质粒）R因子（R质粒）Col质粒Ti质粒巨大质粒降解性质粒等173、染色体水平不同生物的染色体数目差别很大，但对同一物种来说，染色体的数目是恒定的。染色体倍数：指同一细胞中相同染色体的套数。单倍体：细胞核中只有一套完整的染色体。二倍体：细胞核中含有二套功能相同的染色体。多倍体：细胞核中含有两套以上的完整染色体。4、核酸水平(1)核酸种类：DNA（大多数生物）、RNA（部分病毒）。(2)核酸结构：单链、双链，环状、线状、螺旋状。(3)DNA长度：即基因组的大小，用bp（碱基对）、kb（千碱基对）、Mb（兆碱基对或百万碱基对）作单位。多数细菌的核基因组为1～9Mb。185、基因水平（1）基因的概念基因：生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位，其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段。众多基因构成染色体。（2）基因的种类（以原核生物为例）结构基因：通过转录、转译合成结构蛋白和酶。操纵基因：位于结构基因的邻近，通过与阻遏蛋白是否结合，控制结构基因是否转录。本身无转录活性。启动基因：位于操纵基因的邻近，它的作用是与mRNA聚合酶结合，给出信号，使mRNA合成开始。本身无转录活性。调节基因：位于启动基因的邻近，通过转录、转译合成阻遏蛋白调节操纵基因的活动。操纵子：结构基因、操纵基因、启动基因共同构成的一个单位。19（3）真核生物的基因一般无操纵子结构，存在大量重复序列和不编码序列；转录在细胞核中进行，转译在细胞质中进行；基因不连续，分外显子和内含子。（4）基因的命名——三字命名法①基因名称一般用三个小写英文字母表示，基因表达产物用三个大写英文字母表示（或1个大写、2个小写），如：乳糖发酵基因：lac————LAC（基因）（基因产物）②若同一基因有不同位点，可在基因符号后加一正体大写字母或数字表示，如：乳糖发酵基因lac：lacZ、lacY、lacA③抗性基因，一般把“抗”用大写R注在基因符号右上角，如抗链霉素的基因strR。206、密码子水平遗传密码：指DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。密码子：遗传密码的信息单位，由mRNA上三个相邻的核苷酸组成。7、核苷酸水平（核苷酸或碱基是最低的突变单位）DNA：dAMP、dTMP、dGMP、dCMPRNA：AMP、UMP、GMP、CMP（二）原核生物的核外染色体——质粒1、定义质粒——凡游离于原核生物核基因组外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的双链DNA分子，即cccDNA。2、特点（1)具有麻花状的超螺旋结构，大小相当与核基因组的1%。21（2）质粒上携带着某些核基因组上所缺少的基因，使细菌等原核生物获得了某些对其生存并非必不可少的特殊功能。（3)质粒是一种独立存在于细胞内的复制子。严紧型复制控制——其复制行为与核染色体的复制同步。松弛型复制控制——其复制行为与核染色体的复制不同步。（4）少数质粒可在不同菌株间发生转移，与核染色体整合、脱离等。整合——指质粒等小型非染色体DNA插入核基因组等大型DNA分子中的现象。（5）质粒具有重组的功能，在质粒与质粒之间、质粒与染色体之间可发生重组。3、质粒在基因工程中的应用——克隆载体克隆载体：指能完成外源DNA片段复制的DNA分子。224、典型质粒简介（1)F质粒（接合性质粒、F因子、致育因子、性因子）决定细菌的性别，同时还具有转移能力。tra转移区：与质粒转移和性菌毛合成有关。转座因子：可整合到宿主染色体的一定部位，导致基因重组。23（2)R质粒（R因子、抗药性质粒）由两个相连的DNA片段，即RTF和r决定因子组成。RTF（抗性转移因子）：含调节DNA复制和拷贝数的基因以及转移基因，具有转移功能。r决定因子（抗性决定因子）：无转移功能，含各种抗性基因。作用：能引起致病菌对多种抗生素的抗性，对传染病的防治造成危害（它能将这类抗药性转移到其他菌株甚至其他种中）；R质粒可用做菌株筛选时的选择性标记或改造成外源基因的克隆载体。24（3)Col质粒（大肠杆菌素质粒、产细菌素质粒）大肠杆菌素：是一种由E.coli的某些菌株所分泌的细菌素，具有通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死它种肠道细菌或同种其他菌株的能力。大肠杆菌素是由Col质粒编码的，凡带有Col质粒的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。（4)Ti质粒（诱癌质粒）是植物基因工程的主要克隆载体。（5）Ri质粒（诱生不定根质粒）诱导大量毛状根的生成，再生新的植株。（6)mega质粒(巨大质粒、固氮质粒)发现于根瘤菌属中，上面有一系列固氮基因。（7）降解性质粒仅在假单孢菌属中发现。可编码一系列能降解复杂物质的酶，从而能利用一般细菌所难以分解的物质作碳源。25第一节重点知识回顾1、解释名词：遗传、变异、遗传型、表型、饰变、基因、基因组、质粒、操纵子2、证明核酸是遗传物质基础的3个经典实验的实验者、发表时间、实验要点。3、三个经典实验的共同结论：核酸是遗传物质的基础。4、基因：遗传的功能单位密码子：信息单位核苷酸或碱基：最小的突变单位5、除酵母菌2um质粒存在于核内外，所有核外染色体均存在于细胞质中。原核生物的核外染色体通称质粒（概念、特点），其中F质粒可以决定细菌的性别。26第七章微生物的遗传变异和育种第一节遗传变异的物质基础第二节基因突变和诱变育种第三节基因重组和杂交育种第四节基因工程第五节菌种衰退、复壮、保藏27第二节基因突变和诱变育种一、基因突变二、突变与育种第七章微生物的遗传变异和育种28第二节基因突变和诱变育种第七章微生物的遗传变异和育种一、基因突变二、突变与育种一、基因突变（突变）（一）概念突变：指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子结构或数量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），广义的突变则包括基因突变和染色体畸变。野生型菌株：指从自然界分离到的菌株。突变株：野生型经突变后形成的带有新性状的菌株。（突变体、突变型）29DNA复制中的碱基配对错误自发损伤脱嘌呤脱氨基氧化性损伤碱基可转移遗传因子的作用自发