8微生物的遗传

第七章微生物的遗传第一节、遗传的物质基础第二节、微生物基因组结构第三节、质粒第四节、基因突变第五节、基因重组第六节、微生物育种第一节遗传变异的物质基础三个经典实验P2041、经典转化试验1928年英国细菌学家F·Griffith肺炎球菌Avery的试验分别用降解蛋白质、荚膜多糖、RNA或DNA的酶，作用于S型细胞抽提物，再和活的R菌混合，在离体的条件下观察转化实验。2、2、T2噬菌体的感染试验3、3、烟草花叶病毒的重建试验朊病毒的思考具侵染性并在宿主细胞内复制的蛋白质颗粒基因和基因组P207基因是负载遗传信息的功能单位基因组就是存在于细胞或病毒中的所有基因许多非编码序列具有重要的功能因此目前基因组指所有的DNA序列（结构基因、调控序列和功能尚不清楚的DNA序列）最小的基因组P207总的来说，微生物的基因组都很小。最小的基因组是大肠杆菌的MS2噬菌体，只有3000bp，含三个基因。能独立生活的最小基因组是一种生殖道支原体，含473个基因第二节、微生物基因组结构一、大肠杆菌的基因组P2081、遗传信息的连续性2、功能相关的结构基因组成操纵子结构3、结构基因单拷贝及rRNA基因的多拷贝4、基因组的重复序列少而短P207-P208表8-1说明基因组DNA绝大部分是功能性的序列不含内含子或间隔序列。遗传信息是连续的。注意个别细菌（鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌）和古生菌的rRNA和tRNA发现有内含子或间隔序列。大肠杆菌有2584个操纵子典型代表乳糖操纵子大大肠肠杆杆菌菌乳乳糖糖操操纵纵子子i基因POLacZLacYlacA有乳糖时调节蛋白亚基调节蛋白阻遏蛋白RNA聚合酶i基因POLacZLacYlacA诱导物乳糖无活性的阻遏蛋白转录翻译β-半乳糖苷酶β-半乳糖苷通透酶β-半乳糖苷乙酰转移酶mRNA没有乳糖时操纵子好处没有乳糖时都不需要，都不合成；有乳糖时，都需要都合成；需要时1：1：1，就能1：1：1，否则浪费或需要一个复杂的调节机构来调节再如组成核糖体RNA的16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA的基因串联在一起转录。如不在同一转录物中,则有可能比例失调,影响功能,或者需要一个极其复杂的调节的系统.结构基因单拷贝及rRNA基因的多拷贝一家要用的一份，多家要用的多份。如rRNA基因7个拷贝，便于在急需蛋白质时合成时，细胞可在短时间内有大量核糖体生成反映了基因组经济而有效的结构。二、啤酒酵母的基因组P2091997年欧、美国、加拿大和日本共96个实验室633位科学家完成了全基因组测序工作第一个完成测序的真核生物基因组。1、重复序列多，且具有遗传丰余2、没有明显的操纵子结构，有间隔区或内含子重复序列、遗传丰余如tRNA基因有250个拷贝，rRNA基因有100—200个拷贝。遗传丰余：功能不清楚的间隔区序列重复重复序列的意义进化的策略：少数基因突变，其它重复基因代替不同的环境中分别使用功能相同的或者相似的多个基因的产物三、詹氏甲烷球菌的基因组P210发现于1982年。1996年美国基因组研究所和其他5个单位共40人联合完成其测序第一个古生菌和自养型生物的基因组序列完全证实了1977年由Woese等人提出的三（原）界学说,是“里程碑”的研究成果。三原界学说70年代初Woese等对200多种原核生物16srRNA和真核18SrRNA进行研究得出的,即：所有生物是从共同祖先沿三条路线进化发展的，即形成了三个原界：古细菌原界、真细菌原界、真核生物原界。古细菌独立为界的原因1、几乎有一半的基因通过同源搜索在现有的基因数据库中找不到同源序列。如只40%左右的基因与其它二界生物有同源性，其中有些类似真细菌，有的则类似于真核生物，有的就是二者融合。60%左右的基因与其它二界生物没有有同源性。2、一般古生菌基因组在结构上类似于细菌。如环形DNA，功能相关基因组成操纵子结构，共转录成一个多顺反子转录子，基本上无内含子，无核膜。但负责信息传递功能的基因（复制、转录和翻译）则类真核生物、与细菌载然不同。如古细菌RNA聚合酶类同于真核RNA聚合酶II和III，不同于真细菌RNA聚合酶，启动子也类真核，翻译延伸因子类真核。还有5个组蛋白基因可能有真正染色体。第三节、质粒P211游离于细胞染色体外的具有独立复制能力的小型DNA分子通常以共价闭合环状（covalentlyclosedcircular)超螺旋双链DNA分子存在于细胞中，简称CCCDNA。近年在疏螺旋体、链霉菌和酵母菌中也发现了线型双链DNA质粒和RNA质粒。质粒对生物不是必需的，但赋予某些特性。从细胞中分离得到的大多是三种构型：CCC型、OC型、L型质粒类型P212根据质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应1、F因子2、R因子3、COL因子4、毒性质粒5、代谢质粒6、隐秘质粒1、F因子，又称致育因子或性因子大肠杆菌决定性别的质粒F因子------性菌毛-----雄性雄性：根据F因子存在的方式的不同分为F+菌株（F因子游离）Hfr菌株（F因子整合在核染色体组上）F’菌株雌性：没有F因子则无性菌毛称为F-菌株F因子与性别F+菌株Hfr菌株F’菌株F-菌株返返回回F’因子和F’菌株F’因子：游离但携带有一小段染色体基因的特殊F因子F’菌株：携带有F’因子的菌株2、R因子，又称抗性因子，R质粒主要抗药性和抗重金属二大类带有抗药性因子的细菌有时对于几种抗生素或其他药物呈现抗性；许多带有抗重金属R质粒能使宿主细胞对许多金属离子呈现抗性，包括碲、砷、汞、镍、钴、银、镉等。许多R因子也致育因子作用。3、COL因子即产大肠杆菌素因子首先发现于大肠杆菌而得名。大肠杆菌COL因子——产大肠杆菌素可以杀死近缘（其他肠道细菌）且不含COL质粒的菌株，而自身不受其产生的细菌素的影响（COL因子本身偏码一种免疫蛋白）。许多细菌可产生------细菌素细菌产生的一种能抑制甚至杀死密切相关种类或者同一种的不同菌株的物质如一种乳酸链球菌产生的乳酸链球菌素(NisinA)能强烈地抑制某些G+细菌生长，而被用于食品保藏。4、毒性质粒5、代谢质粒质粒上携带有能降解某些基质的酶的基因只在假单胞菌属中发现能将复杂的有机化合物降解成能简单形式，尢其是对一些有毒的化合物，如芳香族化合物，农药、辛烷和樟脑等，在环境保护方面有重要作用。6、隐秘质粒可检测到，但不显示任何表型效应如酵母菌的2μm质粒微生物的变异基因突变基因内部化学结构的改变突变染色体畸变染色体结构，染色体数目变异转导基因重组转化接合一个细胞中的基因与另一个细胞中的基因重新排列返返回回第四节、基因突变一、突变类型p218根据表型可分为：1、抗性突变型（Strr—Strs）2、形态突变型（细胞、菌落和噬菌斑形态改变）3、产量突变型（青霉素500倍）4、发酵突变型（能发酵某种糖到不能发酵该糖）5、毒力突变型6、营养缺陷型（Met—）营养缺陷型P218野生型：从自然界分离的任何微生物在其发生营养缺陷前的原始菌株，均称野生型。营养缺陷型：一种缺乏合成其生存所必需的营养物的突变型，因而只能在加有该营养物或其前体物的培养基中生长。与营养缺陷型相关的几个概念1、基本培养基（MM）仅能满足某微生物的野生型菌株生长需要的最低成分组合培养基，称基本培养基。不同微生物的基本培养基是很不相同的，有的极其复杂，如一些乳酸菌，酵母菌或梭菌；有的极其简单，如大肠杆菌的基本培养基。相应微生物野生型菌株生长，所有营养缺陷型菌株都不能生长2、完全培养基（CM）凡可满足某微生物一切营养缺陷型菌株营养要求的天然或半组合培养基，一般可在基本培养基中加入一些富含氨基酸、维生素和碱基之类的天然物质（如蛋白胨或酵母膏等）相应微生物的野生型菌株和所有营养缺陷型菌株都能生长。二、突变的特点p2191、不对应性突变的性状和引起突变的原因间无直接的对应关系2、自发性3、独立性4、稀有性（10-6~10-10）5、诱发性（诱发剂可提高突变的频率，本质无差别）6、稳定性（突变性状可遗传）7、可逆性（正向突变、回复突变）三、突变自发性和不对应性的验证1、变量试验2、涂布试验3、平板影印培养试验第五节、基因重组1、转化定义：受体菌直接吸收了来自供体细胞游离的DNA片段，整合到自己的基因组中，从而获得了供体细胞部分遗传特性的现象。条件：受体菌处于感受态供体DNA一般双链（线状双链，在细胞内以单链整合；质粒；噬菌体DNA，叫转染）感受态定义：受体细胞最易接受外源DNA片段并实现其转化的一种生理状态。感受态的决定因素细胞遗传性决定和菌龄有关（有些菌种感受态出现在指数期后期，一些出现在指数期末及稳定期）环腺苷酸CAmp可提高10000倍Ca2+能促使细胞进入感受态感受态出现过程细胞分泌一种小分子蛋白质，成为感受态因子，感受态因子又与细胞表面受体相互作用，诱导一些感受态特异蛋白质的表达，其中一种是自溶素，它的表达使细胞表面的DNA结合蛋白及核酸裸露出来，使其具有DNA结合活性。转化过程每个受体细胞表面约有30-80个转化因子(DNA)结合点，当转化因子结合到受体表面结合点上时，DNA一条链被受体细胞膜上的核酸酶分解，另一条链与感受态特异蛋白质结合，进入受体细胞，通过整合与受体细胞进行基因重组2、接合定义：细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程F+菌株×F-菌株结果：供体和受体都成为F+菌株F’菌株×F-菌株结果：形成两个F’菌株返返回回F’F’F’F’F’F-F’F-3、转导定义：遗传物质通过缺陷或部分缺陷噬菌体的携带而转移的基因重组普遍性转导定义通过完全缺陷噬菌体对供体任何DNA小片段的“误包”，而实现其遗传性状传递至受体菌的转导现象噬菌体一般烈性噬菌体，也可温和噬菌体效率：低局限性转导定义：部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并获得表达的转导现象噬菌体：温和噬菌体效率：高第六节微生物育种一、基因突变与育种二、基因重组与育种原核生物基因重组与育种转化转导接合原生质体融合真核生物基因重组与育种有性杂交P244定义：指性细胞的接合和随之发生的染色体重组，并产生新遗传型后代的一种育种技术条件：凡能产生有性孢子的酵母菌和霉菌，原则上都可通过有性杂交的方法进行育种准性生殖类似于有性生殖，但比有性生殖更原始的一种生殖方式它可以使同种生物两个不同菌株的体细胞发生融合，且不以减数分裂的方式而导致低频率的基因重组并产生重组子常见于某些真菌，尤其是半知菌中准性生殖的过程1、菌丝联结2、形成异核体3、核融合4、体细胞交换和单倍体化菌丝联结形态没有差别但遗传上有差别的同一菌种的不同菌株的单倍体体细胞频率低形成异核体异核体：同时有两种或以上基因型核的细胞，独立生活核融合双倍体百万分之一频率理化因素可提高体细胞交换和单倍体化体细胞交换：在有丝分裂过程中，体细胞染色体间的交换，也叫有丝分裂交换。单倍体化：双倍体杂合子的遗传性状极不稳定，在有丝分裂过程中，极少数的核内染色体会因分配不均或者畸变等原因，出现单倍体杂合子。准性生殖和有性生殖差别返返回回准性杂交的应用灰黄霉素生产菌——荨麻青霉育种荨麻青霉准性杂交步骤1、选择亲本2、强制异合3、移单菌落4、验稳定性5、促进变异