08第八章微生物遗传

第八章微生物遗传与育种•遗传型（genotype）：基因型，指生物个体所包含的全部遗传因子，即基因组所携带的遗传信息。•表型（phenotype）：表现型，指某一生物所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是遗传型在适合环境条件下通过代谢和发育得到的具体体现。•遗传型+环境条件→表型（可能性）（现实性）•变异：指生物体在某种外因或（和）内因作用下，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：几率低（10-5~10-10），性状变化大，新性状稳定、可遗传。•饰变（modification）：指外表的修饰性改变，是一种不涉及遗传物质结构改变而仅发生在转录、转译水平上的表型变化。–特点：群体几乎所有个体发生同样变化，性状变化幅度小，且不稳定、不可遗传。•野生型(wildtype)：从自然界中分离到的微生物菌株，称野生型菌株，简称野生型。•突变型：野生型菌株经突变后形成的带有新性状的菌株，称突变株，或突变体、突变型。一、三大经典实验1.经典转化实验•1928F.Griffith以Streptococcuspneumoniae（肺炎链球菌）为研究对象。它使人患肺炎，鼠患败血症。S.pneumoniae有两种菌株：S型：有荚膜，菌落表面光滑（Smooth）,有致病性R型：无荚膜，菌落表面粗糙（Rough）,无致病性什么是遗传的物质基础？第一节微生物遗传的物质基础1）动物试验2）细菌培养试验3）S型菌的无细胞抽提液试验活R菌+S型菌的无细胞抽提液大量R菌和少量S菌说明在死的S型细菌体内可能存在某种具有遗传转化能力的物质，可以进入R型菌细胞，使R性菌株获得表达S型荚膜性状的遗传物质。培养皿培养•1944年，O.T.Avery等从热死S型菌株提纯了几种可能的转化因子进行体外转化。第一证据确定DNA是遗传的物质基础2.噬菌体感染实验1952年，A.D.Hershey&M.Chase利用噬菌体感染实验证明DNA是噬菌体的遗传物质基础。3.植物病毒重建实验1956年，H.Fraenkel-Conrat用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）与霍氏车前花叶病毒(HMV)进行著名的植物病毒重建实验，证明RNA是病毒的遗传物质。三大经典实验证明核酸是遗传的物质基础二、微生物中遗传物质的存在部位和方式（一）7个水平1.细胞水平1)原核生物大部分的DNA存在于核区（核质体），真核生物的存在细胞核内。2)不同种微生物的细胞核或核区的数目有所不同。如：Aspergillusniger(黑曲霉）单核杆菌细胞两核区A.oryzae(米曲霉）双核球菌细胞一个核区3)同种微生物不同细胞中细胞核或核区的数目也有所不同。如：藻状菌类（真菌）和放线菌的菌丝细胞为多核，孢子为单核.2.细胞核水平除核基因组外，还有核外染色体•真核细胞核外染色体有：细胞质基因：线粒体、叶绿体共生生物：草履虫的卡巴颗粒，属于Caedibacter属的共生细菌2um质粒：存在Saccharomycecerevisiae(酿酒酵母)细胞核，不与核基因组整合。•原核细胞核外染色体统称质粒。如：F因子（F质粒）R因子（R质粒）Ti质粒等3.染色体水平1）染色体数目：不同微生物染色体数目差别比较大，真核微生物有较多染色体，原核生物每个核区仅一个染色体。2）染色体倍数：单倍体：细胞中只有一套染色体。双倍体：细胞中含有两套功能相同的染色体。自然界的微生物多数是单倍体，少数微生物如S.cerevisiae(酿酒酵母)的营养细胞，两个单倍体性细胞接合成的合子为双倍体。4.核酸水平•核酸种类：大部分微生物的遗传物质是DNA，部分病毒少数噬菌体的遗传物质是RNA•核酸结构：大部分微生物的DNA是双链，双链DNA有环状（原核生物和部分病毒）、线状（部分病毒）、超螺旋状（质粒DNA）；少数病毒如E.coli的ΦX174和fd噬菌体等的DNA为单链。•DNA长度：即基因组的大小，用bp(碱基对)、kb、Mb为单位，不同微生物基因组的大小差别很大，表现出多样性。已经了解30多种微生物基因数据。5.基因水平•基因是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传单位。众多基因构成染色体。•从基因的功能来看，原核生物的基因是通过调控系统来发挥功能。启动基因（启动子）操纵子操纵基因基因调控系统结构基因调节基因•基因及表达产物的名称表示①基因名称a)3个小些字母斜体表示，如biob)若同一基因不同位点则在基因后用正体大写字母或数字表示，如lacZ②抗型基因在基因符号右上角写大写的R。如tetR③基因表达产物用3个大写字母（或1个大写、2个小些），如LacZ：真核微生物的基因与原核微生物的最明显差异：无操纵子，有大量不编码序列和重复序列，转录和转译被分隔，基因被内含子阻隔。6、密码子水平7、核苷酸水平（二）、原核生物的质粒1、定义、构型和用途质粒：是DNA分子，游离原核生物核基因组或染色体以外，具有独立复制能力的小型的遗传因子。有三种构型：•CCC型：共价闭合环状的超螺旋dsDNA。•OC型：开放环型•L型：线型2.质粒的类型1）F质粒：F因子、致育因子、性因子与育性有关的质粒是E.coli等细菌决定性别、具有转移能力的质粒。大小100kb，CCC型质粒。•F+菌株：携带F质粒的菌株称F+菌株（雄性）。•F-菌株：不携带F质粒的菌株称F-菌株（雌性）。组成：转移起点可转移因子转移区（tra区）2）R质粒：抗性因子、R因子与抗性有关的质粒由两部分组成：•抗性转移因子（RTF）：主要含调节DNA复制和拷贝数的基因、转移基因，具有转移功能。•抗性决定因子：r-决定因子，主要含各种抗性基因如Tetr、Ampr等基因，有些R质粒使宿主细胞产生抗金属离子抗性。由两部分组成：抗性转移因子（RTF）抗性决定因子3）Col质粒：大肠杆菌素质粒与细菌素的产生有关的质粒•大肠杆菌素由E.coli某些菌株产生的细菌素，具有通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等方式专一杀死或抑制近缘细菌或同种不同菌株的能力，是由Col质粒编码的蛋白质。•Col质粒有两类：1)分子量小（9kb，5×106），无接合作用，松弛型控制，多拷贝。如ColE1。2)分子量大（94kb，8×107），具通过接合而转移的功能，严紧型控制，1-2拷贝。如ColIb。TheColE1plasmidcarriesthefollowinggenes:•cea：thecolicintoxin•imm：immunityprotein•kil：lysisprotein•inc：RNAI-incompatibilitydeterminant•RNAII：primerforreplication•rop：proteinthatregulatesprimingandcopynumber•mob：proteinsformobilizationduringconjugation•cer：maintainsplasmidasmonomers•exc：exclusionprotein4)Ti质粒：诱癌质粒、冠瘿质粒与致病性有关的质粒•根癌农杆菌（Agrobacteriumtumefaciens）侵染双子叶植物的根细胞，释放出Ti质粒，通过Ti质粒的T-DNA与植物核基因组整合，合成正常植物没有的冠瘿碱类，在植物上形成癌细胞。•Ti质粒，环状，200kb，主要分四部分：毒性区（Vir）接合转移区（con）复制启始区T-DNA区毒性区（Vir）接合转移区（con）复制启始区T-DNA区5)Ri质粒与再生根形成有关的质粒•与Ti质粒相似，有Ri质粒转化的根部不形成根瘤，仅生出可再生新植株的毛状根。•在基因工程中，Ri质粒作为外源基因的载体。6）mega质粒：巨大质粒•存在根瘤菌属（Rhizobium）中,质粒上有一系列于与共生固氮有关的基因，分子量大（2.0×108）。7）降解性质粒：代谢性质粒•主要存在假单胞菌属（Pseudomonas）细菌内。•质粒DNA上含有能降解某些复杂有机物的酶的编码基因，细菌携带该类质粒可将复杂化合物降解简单形式或能源。8）隐秘质粒（Crypticplasmid）•隐秘质粒：不赋予寄主任何表型效应的质粒。•只有通过物理检测才能发现。第二节微生物的基因突变基因突变简称突变•广义突变：细胞内或病毒颗粒内遗传物质的分子结构或数量突然发生可遗传的变化。包括基因突变和染色体畸变。•狭义突变：基因突变（点突变）•野生型(wildtype)：从自然界中分离到的微生物菌株，称野生型菌株，简称野生型。•突变型：野生型菌株经突变后形成的带有新性状的菌株，称突变株，或突变体、突变型。一、基因突变•选择性突变株与非选择性突变株：凡是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称选择性突变株，反之称为非选择性突变株(一)、微生物发生选择性突变的类型：1.营养缺陷型（auxotroph）如亮氨酸缺陷型菌株表示为Leu-，对应的野生型表示为Leu+2.抗性突变型（resistantmutant）如抗链霉素菌株表示为strR，对应的敏感型菌株表示为strs。3.条件致死突变型(conditionallethalmutant)(二)、微生物发生非选择性突变的类型：1)形态突变型（morphologicalmutant）2)抗原突变型（antigenicmutant）由于基因突变引起的抗原结构发生突变的变异类型，如细胞壁缺陷、荚膜或鞭毛变异。3)产量突变型（metabolitequantitativemutant）通过基因突变获得在有用代谢产物产量高于原始菌株的突变株的变异类型。产量提高一般逐步积累。（三）、突变率•每一细胞在每一世代中发生某一性状的突变几率，称突变率。•突变率也表示每单位群体在在繁殖一代时产生突变株的数目。如：突变率为10-8表示细胞在108次分裂中会发生一次突变，或表示108个细胞的群体分裂为2×108个细胞时可产生一个突变株。（四）、微生物基因突变的特点1)自发性：没有人为诱变因素可自发产生2)稀有性：突变率比较低，范围10-6~10-93)独立性：某基因突变率不受别的基因影响。多基因同时突变几率极低。4)可诱变性：诱变剂可提高突变率5)稳定性：突变后新性状是稳定的、可遗传的。6)规律性：特定性状具有较稳定的突变率的规律。7)可逆性：野生型突变型正向突变回复突变8)不对应性：突变的性状与引起突变的原因（环境）之间无直接的关系。•两种观点：抗生素、紫外线或高温诱变产生相对应的突变性状（非自发性）。认为突变是通过生物对某特定环境(例如化学药物、抗生素和高温等)的适应而产生的，这种环境正是突变的诱因，所产生的抗性性状是与该环境因素相对应的，并认为这就是环境因素对生物体的“驯化”、“驯养”、“蒙导”或“定向变异”。抗生素、紫外线或高温淘汰原有非突变个体（自发性）。抗性突变是可以自发产生的，即使诱发产生，其产生的性状与诱变因素间也是不对应的，即最终适应了的化学药物等不良因素并非诱变因素，而仅仅是一种用于筛选的环境而已。有三个经典实验证明自发突变产生突变株。微生物突变的自发性和不对应性证明取敏感于噬菌体的E.coli指数期的肉汤培养物，用新鲜培养稀释成浓度为103/mL的细菌悬液，然后在甲、乙两试管各装10mL。接着把甲管中的菌液先分装在50支小试管中(每管0.2mL)，保温24-36h。微生物突变的自发性和不对应性证明把各小管的菌液分别倒在50个预先涂满噬菌体T1的平板上，经培养后分别计算各皿上所产生的抗噬菌体的菌落数。微生物突变的自发性和不对应性证明乙管中的10mL菌不经分装先整管保温24—36h，然后分成50份分别倒在同样涂满T1的平板上，经同样培养后，也分别计算各皿上所产生的抗噬菌体菌落数。微生物突变的自发性和不对应性证明结果：在来自甲管的50皿中，各皿出现的抗性菌落数相差极大，而来自乙管的则各皿上抗性菌落数基本相同。微生物突变的自发性和不对应性证明结论：E．coli抗噬菌体性状的产生，并非由所抗的环境因素(即噬菌体T1)诱导出来的，而是在它接触T1前，在某次细胞分裂过程中自