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6章：微生物遗传与变异遗传heredity—亲代将其特有的生物学特性传递给子代。遗传性—子代总保持与亲代相同的生物学特性。遗传型genotype—生物体所具有的全套遗传物质总称。又称基因型。表型phenotype—特定环境中生物体表现出的种种形态与生理特征。*代谢、发育遗传型+环境条件-----------→表型变异variation—遗传型的改变。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。变异频率一般为10-5—10-10、变化后新性状稳定、可遗传。适应或饰变modification—表型的改变。指不涉及遗传物质结构而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。它是不遗传的。基因—指带有足以决定一个蛋白质全部组成所需信息的最短DNA片段。菌株&克隆—指一组遗传型相同的细胞群。微生物在遗传上特点：1、微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。2、很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。3、对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。大多是无性生殖，变异易保留。微生物的变异性和遗传性的特点1、大多数微生物为单细胞构造简单，通常为单倍体，而且直接接触外界环境，任何条件的变化，都可影响微生物，从而降低了遗传的保守性。2、繁殖速度快，可在短时间重复多次，即使变异的频率十分低，也可在短时间内产生大量的变异后代。3、常见的变异形式是基因突变,它可以涉及到任何性状:形态构造、代谢途径、生理类型等。4、大多数M为无性繁殖,一旦发生变异很容易在性状上表现和保留出来,有利于筛选好的特性。生物基因数基组大小(bp)MS2噬菌体(MS2Phage)33×103λ噬菌体(λPhage)505×104T40噬菌体(T4Phage)1502×105生殖道枝原体(Mycoplasmagenitalium)4730.58×106詹氏甲烷球菌(Methanococcusjannaschii)*16821.66×106幽门螺杆菌(Helicobacterpylori)1.66×106流感嗜血菌(Hacmophilusinfluenzae)17601.83×106枯草杆菌(Bacillussubtilis)37004.2×106大肠杆菌(Escherichiacoli)41004.7×106黄色粘球菌(Myxococcusxanthus)80009.4×106啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)580013.5×106脉孢菌属(Neurospora)＞500060×106果蝇(Drosophilamelanogaster)12000165×106Nicotianatobacum(一种烟草)430004500×106拟南芥菜(Arabidopsisthaliana)16000～3300070-145×106人(human)30×109细菌的基因组大肠杆菌基因组为双链环状的DNA分子*，其基因组结构特点如下：1.遗传信息的连续性大肠杆菌和其它原核生物中基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质、RNA；用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别2.功能相关的结构基因组成操纵子结构大肠杆菌总共有2584个操纵子，基因组测序推测出2192个操纵子。其中73%只含一个基因，16.6%含有2个基因，4.6%含有3个基因，6%含有4个或4个以上的基因。大肠杆菌有如此多的操纵子结构，可能与原核基因表达多采用转录调控有关，因为组成操纵子有其方便的一面。此外有些功能相关的RNA基因也串联在一起，如构成核糖核蛋白体的三种RNA基因转录在同一个转录产物中，它们依次是16SrRNA、23SrRNA和5SrRNA。乳糖操纵子学说(原核基因的表达调控)3.结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝在大多数情况下结构基因在基因组中是单拷贝的，但是编码rRNA的基因rrn往往是多拷贝的，大肠杆菌有7个rRNA操纵子，其特征都与基因组的复制方向有关，即按复制方向表达。7个rrn操纵子中就有6个分布在大肠杆菌DNA的双向复制起点oric(83分钟处)附近，而不是在复制终点(33分钟)附近，可以设想，在一个细胞周期中，复制起点处的基因的表达量几乎相当于处于复制终点的同样基因的两倍，有利于核糖体的快速组装，便于在急需蛋白质合成时，细胞可以在短时间内有大量核糖体生成。大肠杆菌及其它原核生物(如枯草杆菌的rrn有10个拷贝)rrn多拷贝及结构基因的单拷贝，也反映了它们基因组经济而有效的结构。4.基因组的重复序列少而短原核生物基因组存在一定数量的重复序列，但比真核生物少得多，而且重复的序列比较短，一般为4～40个碱基，重复的程度有的是十多次，有的可达上千次**。*典型的原核生物染色体是环状DNA分子，酵母的基因组啤酒酵母是是第一个完成测序的真核生物基因组。该基因大小为13.5×106bp，分布在16个不连续的染色体中。染色体DNA上没有明显的操纵子结构，有间隔区或内含子序列。酵母菌基因组最显著的特点是高度重复，tRNA基因在每个染色体上至少是4个，多则30多个，总共约有250个拷贝(大肠杆菌约60个拷贝)。rRNA基因只位于ⅩⅠⅠ号染色体的近端粒处，每个长9137bp，有100～200个拷贝。酵母基因组全序列测定完成后，在其基因组上还发现了许多较高同源性的DNA重复序列，并称之为遗传丰余(geneticredundancy)。酵母基因组的高度重复或遗传丰余是进化的策略，所有现存的生物在自然的不断选择下，总是以合适的结构特征来完成其生命过程。也许是在份数这么多的丰余基因中，如果有少数基因突变而失去功能的话，可不影响生命的生存；也许是为了适应复杂多变的环境，多余的基因可使生物体能够在不同的环境中分别使用多个功能相同或者相似的基因产物，做到有备无患。因此从这个意义上讲酵母确实比细菌和病毒“进步”且“富有”，而细菌和病毒(许多病毒基因组上的基因是重叠的)似乎更“聪明”，知道如何尽量经济和有效地利用其有限的遗传资源。啤酒酵母的染色体染色体长度(kbp)基因数tRNA基因数Ⅰ2301064Ⅱ81342313Ⅲ31517210Ⅳ153281427Ⅴ57729213Ⅵ27013610Ⅶ109157333Ⅷ56329111Ⅸ43923110Ⅹ74538724Ⅺ66633416ⅩⅠⅠ107855022ⅩⅠⅠⅠ92448721ⅩⅠⅤ78442115ⅩⅤ109257120ⅩⅤⅠ94849917注：ⅩⅠⅠ号染色体长度只包括了二个拷贝rDNA，实际上有100-200个，长1-2×106bp。染色体外遗传物质—质粒1、定义：凡游离于原核生物核基因组之外，具有独立复制能力的小型双链DNA分子，称为质粒（plasmid）2、特点：①具有超螺旋结构，大小1.5-300kb，分子量106-108，相当于1%核基因组大小。②质粒也能进行复制、遗传，含有核基因组没有的少量基因。③质粒虽含有少量基因，但不象染色体那样重要。因为丧失了质粒，生物体并不死亡，只是丧失由它们所决定的某些性状。④质粒的种类很多，有致育F因子、抗药性R因子、大肠杆菌毒素Col因子、诱癌Ti因子、假单胞菌的“降解”质粒等。plasmidplasmid2节：基因突变（一）基因突变的概念基因突变：简称突变，是指细胞内（或病毒粒子内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。从自然界分离的菌株称野生型，突变后的菌株称突变型（株）狭义：基因突变（点突变）：只涉及DNA分子一对碱基或少数几对碱基的变化。广义：包括染色体畸变和基因突变。染色体畸变:某些因素使DNA发生大的损伤，使染色体产生畸变，结构上出现缺失、重复、倒位和易位的现象，数目上有所增减。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：野生型某一性状可发生正向突变，也可发生相反的回复突变。基因突变自发性和不对应性的证明变量试验涂布试验影印培养试验大肠杆菌稀释培养物10ml10ml(培养前先分成50小管)(在同一个大管中作整体培养)23714435抗噬菌体菌落数抗噬菌体菌落数变量试验甲管乙管噬菌体起淘汰原始未突变株和鉴别抗噬菌体突变株的作用。（10mL）（10mL）涂布试验涂布敏感菌5×104个共12个平板5×104个菌落5000个细菌/菌落喷入T1保温重新涂布后喷入T1保温6个平板共353个菌落6个平板共28个菌落噬菌体的加入只起鉴别抗噬菌体的自发突变是否发生。E.coli影印培养无药培养基含药培养基影印培养试验原始敏感菌种证明微生物的抗药性突变是在接触药物前自发产生的，且这一突变与相应的药物毫不相干。E.coli1.碱基变化与遗传信息的改变不同的碱基变化对遗传信息的改变是不同的，可分为四种类型基因突变的机制1）自发突变不经诱变剂处理而自然发生的突变称自发突变引起自发突变的原因很多，包括DNA复制过程中，由DNA聚合酶产生的错误，DNA的物理损伤，重组和转座等。但是这些错误和损伤将会被细胞内大量的修复系统修复，使突变率降到最低限度。自然突变的一个最主要的原因是碱基能以称之为互变异构体(taumer)的不同形式存在，互变异构体能够形成不同的碱基配对，因此在DNA复制时，当腺嘌呤以正常的氨基形式出现时，便与胸腺嘌呤进行正确配对(A-T)；如果以亚氨基(imino)形式(互变异构)出现时，则与胞嘧啶配对，这意味着C代替T插入到DNA分子中，如果在下一轮复制之前未被修复，那么DNA分子中的A-T碱基对就变成了G-C突变机制自发突变的频率是很低的，一般为10-6-10-10。许多化学、物理和生物因子能够提高其突变频率，将这些能使突变率提高到自发突变水平以上的物理、化学和生物因子称为诱变剂(mutagen)。所谓诱发突变并非是用诱变剂产生新的突变，而是通过不同的方式提高突变率。常用的诱变剂有：(1)碱基类似物(Baseanalog)例如：5-溴尿嘧啶(胸腺嘧啶结构类似物)和2-氨基嘌呤(腺嘌呤结构类似物)，在DNA复制过程中能够整合进DNA分子，但由于它们比正常碱基产生异构体的频率高，因此出现碱基错配的机率也高，从而提高突变频率。(2)插入染料(intercalatingdye)这是一类扁平的具有三个苯环结构的化合物，在分子形态上类似于碱基对的扁平分子。所以它们是通过插入DNA分子的碱基对之间，使其分开，从而导致DNA在复制过程中的滑动，这种滑动增加了一小段DNA插入和缺失的机率，导致突变率的增加，常引起移码突变。溴化乙锭和吖啶橙是这类诱变剂的代表。(3)直接与DNA碱基起化学反应的诱变剂最常见的有亚硝酸、羟胺和烷化剂。亚硝酸能引起含NH2基的碱基(A.G.C)产生氧化脱氨反应，使氨基变为酮基，从而改变配对性质造成碱基置换突变。羟胺(NH2OH)几乎只和胞嘧啶发生反应，因此只引起GC→AT的转换。甲磺酸乙酯(EMS)和亚硝基胍(NTG)都属于烷基化试剂，其烷基化位点主要在鸟嘌呤的N-7位和腺嘌呤N-3位上。但这两个碱基的其它位置以及其它碱基的许多位置也能被烷化，烷化后的碱基也像碱基结构类似物一样能引起碱基配对的错误。亚硝基胍是一种诱变作用特别强的诱变剂，因而有超诱变剂之称，它可以使一个群体中任何一个基因的突变率高达1%，而且能引起多位点突点，主要集中在复制叉附近，随复制叉的移动其作用位置也移动。此外，硫酸二乙酯(DES)、乙基磺酸乙酯(EES)以及二乙基亚硝酸胺(DEN)等也都是常用的诱变烷化剂。4)辐射紫外线(ultraviolet,简称UV)是实验室中常用的非电离辐射诱变因子，其作用机制也了解得比较清楚，由UV引起的主要损伤是相邻碱基形成二聚体(dimer)，阻碍碱基的正常配对而导致碱基置换突变。另方面当细胞用一种称之为SOS