第七章 微生物的遗传变异和育种

第七章微生物的遗传变异和育种重点：四个概念：遗传型、表型、变异和饰变。三个经典实验：经典转化实验、噬菌体感染实验和植物病毒重建实验。基因突变、诱变育种:相关概念营养缺陷型的筛选环节。基因重组方式基因工程：概念及步骤。第一节微生物的遗传变异的概述遗传：指生物的上一代将自己的一整套遗传因子稳定地传递给下一代的行为或功能，它具有极其稳定的特性。变异：指子代与亲代之间的不相似性。应掌握的几个概念：（一）遗传型（又称基因型）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。（二）表型指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是其遗传型在合适环境下通过代谢和发育而得到的具体体现。（三）变异指在某种外因或内因的作用下生物体遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。变异的特点是在群体中以极低的概率(一般为10-5～10-10)出现，性状变化的幅度大，且变化后的新性状是稳定的、可遗传的。（四）饰变指一种不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。特点是整个群体中的几乎每一个体都发生同样变化；性状变化的幅度小；因其遗传物质不变，故饰变是不遗传的。为什么微生物是研究现代遗传学和其他许多重要的生物学基本理论问题的最佳材料和研究对象？答案：从遗传学研究的角度来看，微生物有着许多重要的生物学特性：1.微生物结构简单，个体易于变异；2.营养体一般都是单倍体；3.易于在成分简单的合成培养基上大量生长繁殖；4.繁殖速度快；5.易于累积不同的最终代谢产物及中间代谢物；6.菌落形态特征的可见性与多样性；7.环境条件对微生物群体中各个体作用的直接性和均一性；易于形成营养缺陷型；8.各种微生物一般都有相应的病毒；9.存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式。★第二节遗传变异的物质基础一、证明核酸是遗传变异的物质基础的经典实验★★（一）经典转化实验英国医生F.Griffith（1928年）以肺炎链球菌（旧称肺炎双球菌）作为研究对象。有荚膜肺炎链球菌是致病性的，它的菌落表面光滑，所以称S型；无荚膜肺炎链球菌无致病性，菌落外观粗糙，故称R型。F.Griffith做了以下3组实验：1．动物试验2．细菌培养试验抽心血分离小白鼠（活）加入活R菌或死S菌加入活S菌加入活R菌和热死S菌小白鼠（活）小白鼠（死）小白鼠（死）活的S菌培养皿培养培养皿培养培养皿培养肺炎链球菌热死S菌不生长活S菌长出R菌热死S菌＋活R菌长出大量R菌＋10-6S菌3．S型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明，加热杀死的S型细菌细胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物质，能通过某种方式进入R型细胞，并使R型细胞获得表达S型荚膜性状的遗传特性。1944年，Avery等人从热死的S型肺炎链球菌中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并深入到离体条件下进行了转化实验。(1)从活的S菌中抽提各种细胞成分（DNA、蛋白质、荚膜多糖等）(2)对各生化组分进行转化试验①加S菌的DNA②加S菌的DNA和DNA酶以外的酶长出S菌③加S菌的DNA和DNA酶活R菌④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白质只长R菌⑥加S菌的荚膜多糖结果只有S型菌株的DNA才能将肺炎链球菌的R型转化为S型，而且DNA的纯度越高，其转化效率也越高，只取用6×10-8g的纯DNA时，仍保持转化活力。说明S型转移给R型的绝不是遗传性状（在这里是荚膜多糖）的本身，而是以DNA为物质基础的遗传信息。（二）噬菌体感染实验1952年，A.D.Hershey和M.Chase发表了证实DNA是噬菌体的遗传物质的著名实验——噬菌体感染实验。活R菌＋S菌的无细胞抽提液培养皿培养长出大量R菌和少量S菌先将大肠杆菌培养在以放射性32PO43-或35SO42-作为磷源或硫源的合成培养基中，获得含32P-DNA核心或含35S-蛋白质外壳的两种实验用噬菌体。接着做以下两组实验（略P.191）。在噬菌体的感染过程中，蛋白质外壳未进入宿主细胞。进入宿主细胞的虽只有DNA，但经增殖、装配后，却能产生一大群既有DNA核心、又有蛋白质外壳的完整的子代噬菌体粒。证明，在DNA中存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。（三）植物病毒的重建实验H.Fraenkel-Conrat(1956年)进一步用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。把TMV放在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将它的蛋白质外壳与RNA核心相分离。结果发现裸露的RNA也能感染烟草，并使其患典型症状，且在病斑中还能分离到完整的TMV粒子。由于提纯的RNA缺乏蛋白质衣壳的保护，所以感染频率要比正常TMV粒子低些。在实验中，还选用了另一株与TMV近缘的霍氏车前花叶病毒(HRV)。整个实验的过程和结果如下：当用TMV-RNA与HRV-衣壳重建后的杂合病毒去感染烟草时，烟叶上出现的是典型的TMV病斑，再从中分离出来的新病毒也是未带任何HRV痕迹的典型TMV病毒。用HRV-RNA与TMV-衣壳进行重建时，也可获得相同的结论。证明：在RNA病毒中遗传的物质基础也是核酸（RNA）。3个经典实验的共同结论：只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础。二、遗传物质在细胞中的存在方式从7个层次探讨。（一）细胞水平真核微生物核外有核膜，叫真核。原核微生物核外无核膜，叫拟核或原核，也称核区。在不同的微生物细胞中，细胞核的数目是不同的，但孢子只有一个核。（二）细胞核水平真核微生物的DNA与组蛋白结合在一起形成染色体，由核膜包裹，形成有固定形态的真核。原核微生物的DNA不与任何蛋白质结合，也有少数与非组蛋白结合在一起，形成无核膜包裹的呈松散状态存在的核区，其中的DNA呈环状双链结构。不论是真核微生物还是原核微生物，除细胞核外，在细胞质中还有能自主复制的遗传物质。例如，真核微生物的中心体、线粒体、叶绿体等细胞器，还有2μm质粒。原核微生物的质粒种类很多，常见的质粒有细菌的致育因子（F因子）、抗药因子（R因子）以及大肠杆菌素因子等。（三）染色体水平真核微生物的细胞核中染色体数目较多，而原核微生物中只有一条。除染色体的数目外，染色体的套数也不相同。有单倍体、双倍体之分。（四）核酸水平考虑：遗传物质是DNA还是RNA、是双链还是单链结构、长短差别、呈环状还是线状。（五）基因水平原核生物的基因可分为调节基因、启动基因、操纵基因和结构基因。（六）密码子水平遗传密码是指DNA链上特定的核苷酸排列顺序。基因中携带的遗传信息通过mRNA传给蛋白质。遗传密码的单位是密码子。三联密码子一般都用mRNA上的3个核苷酸序列来表示。（七）核苷酸水平核苷酸是核酸的组成单位，大多数微生物的DNA中只含有dAMP、dTMP、dGMP和dCMP4种脱氧核糖核苷酸；在大多数RNA中只含有AMP、UMP、GMP和CMP4种核糖核苷酸。核苷酸是最小的突变单位或交换单位。第三节基因突变和诱变育种一、基因突变基因突变：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换，而导致的遗传变化。又称点突变或狭义的突变。染色体畸变：是指大段染色体的缺失、重复、倒位、易位。广义的突变包括染色体畸变和点突变。从自然界分离得到的菌株一般称野生型菌株，简称野生型。野生型经突变后形成的带有新性状的菌株，称突变株。★(一)基因突变的类型根据突变体表型不同，可把突变分成以下几种类型：1.营养缺陷型概念：某一野生型菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法在基本培养基（MM）上正常生长繁殖的变异类型，称为营养缺陷型，它们可在加有相应营养物质的基本培养基平板上选出。营养缺陷型突变株在遗传学、分子生物学、遗传工程和育种等工作中十分有用。2.抗性突变型概念：抗性突变型是指野生型菌株因发生基因突变，而产生的对某化学药物或致死物理因子的抗性变异类型，它们可在加有相应药物或用相应物理因子处理的培养基平板上选出。抗性突变型菌株在遗传学、分子生物学、遗传育种和遗传工程等研究中极其重要。3.条件致死突变型概念：某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并呈现其固有的表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖，这种突变类型称为条件致死突变型。广泛应用的一类是温度敏感突变型。这些突变型在一定温度条件下并不致死，所以可以在这一温度中保存下来。它们在另一温度下是致死的，通过它们的致死作用，可以用来研究基因的作用等问题。4.形态突变型概念：形态突变型是指由突变引起的个体或菌落形态的变异，一般属非选择性突变。例如，细菌的鞭毛或荚膜的有无，霉菌或放线菌的孢子有无或颜色变化，菌落表面的光滑、粗糙以及噬菌斑的大小、清晰度等的突变。5.抗原突变型概念：抗原突变型是指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异类型。包括细胞壁缺陷变异（L型细菌等）、荚膜或鞭毛成分变异等，一般也属非选择性突变。6.其他突变型如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种类和产量以及对某种药物的依赖性等的突变型。(二)突变率概念：某一细胞（或病毒颗粒）在每一世代中发生某一性状突变的概率，称突变率。为方便突变率也可以用某一单位群体在每一世代（即分裂一次）中产生突变株的数目来表示。例如，一个含108个细胞的群体，当其分裂为2×108个细胞时，即平均发生1次突变的突变率也是10-8。某一基因的突变一般是独立发生的，它的突变率不会影响其他基因的突变率。要在同一细胞中同时发生两个或两个以上基因突变的概率是极低的，因为双重或多重基因突变的概率是各个基因突变概率的乘积，例如某一基因的突变率为10-8，另一为10-6，则双重突变的概率仅10-14。★(三)基因突变的特点1.不对应性即突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。突变性状都可通过自发的或其他任何诱变因子诱发得到。青霉素、紫外线或高温仅是起着淘汰原有非突变型(敏感型)个体的作用。2.自发性在没有人为诱发因素的情况下，各种遗传性状的改变可以自发地产生。3.稀有性指自发突变的频率较低，而且稳定，一般在10-6～10-9间。4.独立性突变的发生一般是独立的，即在某一群体中，既可发生抗青霉素的突变型，也可发生抗链霉素或任何其他药物的抗药性。某一基因的突变，即不提高也不降低其他任何基因的突变率。突变不仅对某一细胞是随机的，且对某一基因也是随机的。5.可诱变性通过各种物理、化学诱变剂的作用，可提高突变率，一般可提高10～105倍。6.稳定性突变产生的新性状是稳定的和可遗传的。7.可逆性由原始的野生型基因变异为突变型基因的过程称为正向突变，相反的过程则称为回复突变。(四)基因突变的机制1.诱发突变概念：诱发突变简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。凡具有诱变效应的任何因素，都可称为诱变剂。（1）碱基的置换碱基置换可分为两类：一类叫转换，即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；另一类叫颠换，即一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换。①直接引起置换的诱变剂：是一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，在体内或离体条件下均有作用。例如：亚硝酸、羟胺和各种烷化剂等，后者包括硫酸二乙酯（DES）、甲基磺酸乙酯（EMS）、N-甲基-N′-硝基-N-亚硝基胍（NTG）、乙烯亚胺、环氧乙酸、氮芥等。它们可与一个或几个碱基发生生化反应，引起DNA复制时发生转换。能引起颠换的诱变剂很少。②间接引起置换的诱变剂：是一些碱基类似物，如5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-氨基尿嘧啶(5-AU)、8-氮鸟嘌呤(8-NG)、2-氨基嘌呤(2-AP)和6-氯嘌呤(6-CP)等。诱变作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子中而引起的，是间接的。（2）移码突变概念：指诱变剂会使DNA序列中一个或少数几个核苷酸发生增添(插入)或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和翻译错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株。与染色体畸变相比，移码突变只能算是DNA分子的微小损伤。能引起移码突变的因素：吖啶类染料，包括原黄素、吖啶黄、吖啶橙和α-氨基吖啶等，以及一系列“ICR”类化合物。吖啶类