第八章微生物遗传与变异

第第八八章章微微生生物物遗遗传传和和变变异异第一节微生物的遗传和变异遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。特点：具稳定性。遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；------是一种内在可能性或潜力。表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;------是一种现实存在，是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。遗传型+环境条件=表型表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。变异：亲代与子代及子代个体之间，在形态结构和生理特性上的差异。微生物的变异分为遗传性变异和非遗传性变异。遗传性变异：是细菌的基因结构发生了改变，故又称基因型变异。常发生于个别的细菌，不受环境因素的影响，变异发生后是不可逆的，产生的新性状可稳定地遗传给后代。非遗传性变异：细菌在一定的环境条件影响下产生的变异，其基因结构未改变，称为表型变异。易受到环境因素的影响，凡在此环境因素作用下的所有细菌都出现变异，而且当环境中的影响因素去除后，变异的性状又可复原，表型变异不能遗传。遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。表型饰变：表型的差异只与环境有关特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。一微生物遗传变异的特点◆个体的体制极其简单；◆营养体一般都是单倍体；◆易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖；◆繁殖速度快，生活史周转快，容易发生变异；◆易于积累不同的中间代谢产物或终产物；◆菌落形态特征的可见性和多样性；◆环境条件对微生物群体中各个个体作用的直接性和均一性；◆易于形成营养缺陷型；◆各种微生物一般都有相应的病毒；◆存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式；微生物是遗传学研究中的明星：微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。二变异的类型1形态结构的变异大小和形态在不同的生长时期可不同，生长过程中受外界环境的影响也可发生变异。如：鼠疫耶氏菌在陈旧培养物上细菌的多形态性、细菌L型。特殊结构如：荚膜（肺炎链球菌）、芽胞（炭疽芽孢杆菌）、鞭毛（变形杆菌H-O变异）也可发生变异。2毒力变异毒力增强：无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，不致病；当感染了β-棒状噬菌体后变成溶原性细菌，则获得产生白喉毒素的能力，引起白喉。毒力减弱：有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可是细菌的毒力减弱或消失。卡介苗(BCG)是有毒的牛分枝杆菌在含有胆汁的甘油、马铃薯培养基上，经过13年，连续传230代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。3耐药性变异耐药性变异：微生物对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。有些微生物还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性。耐药性变异成为当今医学、农业上的重要难题。4菌落变异细菌的菌落主要有光滑(smooth,S)型和粗糙(rough,R)型两种。S型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。经人工培养多次传代后菌落表面边为粗糙、干燥、边缘不整齐，称S—R变异。S—R变异常见于肠道杆菌，是由于失去LPS的特异性寡糖重复单位而引起的。变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状也发生了变化。S型菌的致病性强，但有少数R型菌的致病性强，如结核分枝杆菌。三研究微生物遗传学的意义＊＊微微生生物物是是研研究究现现代代遗遗传传学学和和其其它它许许多多主主要要的的生生物物学学基基本本理理论论问问题题中中最最热热衷衷的的研研究究对对象象。。＊＊对对微微生生物物遗遗传传规规律律的的深深入入研研究究，，不不仅仅促促进进了了现现代代分分子子生生物物学学和和生生物物工工程程学学的的发发展展，，而而且且为为育育种种工工作作提提供供了了丰丰富富的的理理论论基基础础，，促促使使育育种种工工作作从从不不自自觉觉到到自自觉觉、、从从低低效效到到高高效效、、从从随随机机到到定定向向、、从从近近缘缘杂杂交交到到远远缘缘杂杂交交的的方方向向发发展展。。＊＊筛筛选选菌菌株株，，控控制制性性状状，，满满足足要要求求。。第二节微生物的遗传、变异的物质基础种质连续理论：1883-1889年间Weissmann提出。认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物。基因学说：1933年摩尔根（ThomasHuntMorgan）发现了染色体，并证明基因在染色体上呈直线排列，提出了基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。但染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。20多种氨基酸经过不同排列组合，可以演变出的蛋白质数目几乎可以达到一个天文数字，而核酸的组成却简单得多，一般仅由4种不同的核苷酸组成，它们通过排列组合只能产生较少种类的核酸，因此当时认为决定生物遗传型的染色体和基因，起活性成分是蛋白质。一、遗传和变异的物质基础—核酸DNA是遗传变异的物质基础的证明：1944年以后，先后有利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证（肺炎球菌的转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验），才使人们普遍接受核酸才是真正的遗传物质。1证明核酸是遗传物质的三个经典实验（1）经典转化实验（transformation）(P204)研究对象：Streptococcuspneumoniae（肺炎球菌）SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性1928年，Griffith进行了以下几组实验：①动物实验对小鼠注射活RII菌或死SIII菌————小鼠存活对小鼠注射活SIII菌————————小鼠死亡对小鼠注射活RII菌和热死SIII菌———小鼠死亡1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从热死S型S.pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。一、DNA作为遗传物质分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶作用于有毒的S型菌细胞抽提物只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性DNA是转化所必需的转化因子1941年，Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验②细菌培养实验热死SIII菌—————不生长活RII菌—————长出RII菌活RII菌和热死SIII菌—————长出大量RII菌和少量SIII菌③S型菌的无细胞抽提液试验活R菌+S菌无细胞抽提液——长出大量R菌和少量S菌以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。（2）噬菌体感染实验A.D.Hershey和M.Chase，1952年（3）植物病毒的重建实验为了证明核酸是遗传物质，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：TMVHRV（1）RNA（TMV）­蛋白质（HRV）（2）RNA（HRV）­蛋白质（TMV）用两种杂合病毒感染寄主：（1）表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子（2）表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子。上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。二、朊病毒的发现与思考亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚未发现该蛋白内含有核酸。其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrPc改变折叠状态为PrPsc所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。Prusiner(1982)提出羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒particle），并将之称做Prion或Virino-------朊病毒1997年，StanleyB.Prusiner荣获诺贝尔奖三、基因和遗传信息的传递1、基因（gene）是一段DNA基因是遗传信息的功能单位。基因表达就是将基因所携带的遗传信息释放出来指导生物体性状表达的过程。基因表达的过程是十分复杂的，具有不同的形式和精确的调控。2、基因分类结构基因：在生物体内，大部分遗传性状都是直接或间接通过蛋白质表现出来的。DNA→RNA→protein调节基因（启动子和终止子）与RNA转录起始相关的顺式调控元件称为启动子与转录终止有关的顺式调控元件称为终止子。操纵基因几个作用相关的基因在染色体上串连排列在一起，由同一个调控系统来控制。这样的一个整体称为一个操纵元(operon)。第三节质粒和转座因子质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。转座因子（transposableelement）：位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子一、质粒性质：①可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以附加体（episome）的形式存在；②质粒是一种复制子（replicon），根据自我复制能力的不同，可把质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种，严紧型质粒的复制受细胞核控制，与染色体DNA复制相伴随,一般一个寄主细胞内只有少数几个（1-5）个拷贝；松弛型质粒的复制不受细胞核控制，在染色体DNA复制停止的情况下仍可以进行复制，在细胞内的数量可以达到10-200个或更多。③可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒转移时，它可以单独转移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它可成为基因工程的载体。④对于细菌的生存并不是必要的⑤功能多样化功能：进行细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。重组：在质粒之间、质粒与染色体之间菌可发生。存在范围：很多细菌如E.coli、Shigella（志贺菌属）、Streptococcuslactis（链球菌）、根癌土壤杆菌等制备：包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋白质等成分、去除RNA和蛋白质等步骤。鉴定：电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱等方法二、质粒的分子结构1、结构通常以共价闭合环状(covalentlyclosedcircle，简称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；（细菌质粒多在10kb以内）2、质粒的检测提取所有胞内DNA后电镜观察（P211图8-3）；超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药性初步判断。三、质粒的主要类型致育因子（Fertilityfactor，F因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性质粒（virulenceplasmid）代谢质粒（Metabolicplasmid）隐秘质粒（crypticplasmid）质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应1、致育因子(Fertilityfactor，F因子)又称F质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当