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第一节微生物的遗传与变异《药学微生物》教学重难点1、教学重点：基因突变与诱变育种2、教学难点：微生物遗传与变异的物质基础《药学微生物》亲代和子代相似的现象就叫遗传。遗传和变异是密切相关的，缺一不可。遗传是相对的，变异是绝对的，遗传中有变异，变异中有遗传。亲代和子代之间，子代的个体之间总有着不同程度的差异，这种子代和亲代之间表现出来的差异就是变异。一、微生物遗传与变异的物质基础遗传和变异是生物界最基本的属性。两者的关系：遗传是相对的，变异是绝对的，遗传中有变异，变异中有遗传，遗传和变异的辨证关系使微生物不断进化。《药学微生物》◆遗传变异的物质基础：遗传变异的物质基础是核酸（DNA或RNA），通过以下三个经典实验加以证明。（1）经典转化实验（2）噬菌体感染实验（3）植物病毒的重建实验(1)经典转化实验：证实DNA是遗传物质肺炎球菌有荚膜者是致病性的，其菌落表面光滑，称S型（光滑型）；无荚膜者无致病性，其菌落表面粗糙，称R型（粗糙型）；S型菌感染小鼠会导致小鼠患败血症死亡，但加热杀死的S型菌再感染小鼠不会引超患病；R型菌感染小鼠不会导致小鼠死亡；将R型菌和加热杀“死”的S型菌混合后感染小鼠，能引起小鼠死亡，并在其心血中检出有活的S型细菌。无毒R型菌加热杀死的S型菌R型菌加热杀死的S型菌R型细菌重现无细菌重现重现有毒S型细菌图肺炎球菌的转化现象分析认为加热杀死的S型细菌，在其细胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物质，他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。后来又通过体外实验，也得出了类似的结果。初步证实肺炎球菌中的DNA是遗传物质。《药学微生物》(2)噬菌体感染实验：进一步证实DNA是遗传物质实验过程：首先将T2噬菌体分别感染在含有放射性32P或35S培养基中的两组E.coli，细胞裂解后分别收集菌液。结果获得含32P-DNA（噬菌体核心）的噬菌体或含35S-蛋白质外壳的两种实验用噬菌体。在其DNA中，含有包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。图用含32P-DNA（核心）的噬菌体作感染实验图用含35S-蛋白质（外壳）的噬菌体作感染实验(3)植物病毒的重建实验：证明了RNA也是遗传物质图TMV病毒粒子的重建实验示意图注：烟草花叶病毒（TMV）霍氏车前花叶病毒（HRV）（一）遗传物质的存在形式DNA是遗传物质，而细胞中的DNA主要集中在细胞核的染色体上。此外，遗传物质还可以以质粒等形式存在于细胞核外。1.染色体（1）真核生物的染色体。真核生物的染色体主要由DNA和组蛋白构成，其次含有少量非组蛋白和RNA。（2）原核生物的染色体。原核生物的染色体一般是裸露的DNA或RNA分子。它们大多是双链的，呈环状或线状。真核生物和原核生物染色体的主要区别有：（1）真核生物的染色体主要由DNA、组蛋白组成，原核生物的染色体是单纯的DNA或RNA；（2）真核生物的染色体不止一个，而原核生物的染色体往往只有一个（3）真核生物的染色体为核膜所包被，原核生物的染色体外没有膜包被。2.质粒质粒是原核生物（细菌、放线菌）的染色体外的遗传物质。它与遗传物质的转移、耐药性等有密切的关系。（二）DNA的结构与复制DNA具有不同于生物体内其他物质的独特的分子结构，DNA分子结构的变化，是导致生物多样性的内在原因。1、DNA的结构（1）DNA的化学组成核酸有两种，即脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），它们都是由核苷酸聚合而成的大分子化合物。（2）DNA的双螺旋结构DNA的双螺旋结构2、DNA的复制DNA是生物遗传变异的物质基础，DNA分子上储存着全部的遗传信息，生物遗传性就是由DNA分子中碱基对的数目和排列顺序所决定的。为了确保子代与亲代的遗传性状不变，必须将亲代DNA分子上的遗传信息原样地传给子代，即在母代细胞中DNA碱基对地数目和排列顺序必须准确地被复制，传递到子代细胞中去。◆基因：基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸（DNA）序列，是遗传物质的最小功能单位。是一段具有特定功能和结构的DNA片段。◆基因是组成染色体的遗传单位，他能控制遗传性状的发育，也是突变、重组、交换的基本单位。二、基因突变与诱变育种•一个DNA分子携带有许多遗传信息，这与细胞的多种性状有关。我们可以根据功能把一个DNA分子分成若干片段，每一片段对应一种功能，这样的片段就叫做基因。•基因是在生物体内具有自主复制能力的遗传功能单位，每个基因约有1000个碱基对。根据功能，把基因分为结构基因和调控基因。结构基因是决定某种蛋白质分子结构的基因。调控基因对结构基因起着调节控制作用。碱基对基因核酸染色体染色体的构成：◆基因突变：简称突变，是变异的一类，指细胞内（或病毒颗粒内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，可自发或诱导产生。包括染色体畸变和基因突变。◆突变的概率一般很低，一般为10-9—10-6。基因突变的特点：①自发性——在无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。②不对应性——指突变性状（如抗青霉素）与引起突变的原因间无直接对应关系。③稀有性——自发突变不可避免，但突变的频率极低。④独立性——各种性状彼此间独立。⑤可诱导性——通过物理、化学诱发，提高突变率。⑥稳定性——突变后新的遗传性状是稳定的。⑦可逆性——实验证明，任何突变既可能正向突变，也可发生回复突变，频率基本相同。（一）基因突变体的主要种类基因突变的类型很多，按突变体的表型，可分为以下几种主要类型。1、形态突变型形态突变型是指微生物发生了可见的细胞形态变化或菌落形态改变的突变型。2、生化突变型营养缺陷型：丧失某种生长因素的合成能力。抗原突变型：引起抗原性变化。发酵突变型：发酵能力突变。毒力突变型：毒力改变。产量突变型：产量变化。（二）基因突变的机制⑴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。形成原因：①碱基的置换；②移码突变；③染色体畸变。⑵自发突变：指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。形成原因：①背景辐射和环境因素的诱变；②微生物自身有害代谢产物的诱变；③又DNA复制过程中碱基配对错误引起。⑶紫外线（UV）对DNA的损伤及其修复。基因突变是是好坏？其在工业生产中有何应用？例如：营养缺陷型突变；抗原突变型突变；发酵突变型突变；毒力突变型突变；产量突变型突变等等，都有不同的应用。《药学微生物》（三）诱变育种诱变育种：是指用人工的方法处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选出少数符合目的的突变株，以供科学实验或生产实践使用。根据微生物基因突变的理论，通过人工方法采用物理、化学和生物因素处理微生物，使其发生改变，然后从中筛选出符合需要的优良突变菌株，供生产和科学研究使用的菌种选育过程。凡能提高突变率的任何理化因子，都称为诱变剂。诱变种类很多，主要有物理诱变、化学诱变。物理诱变主要是各种辐射，如非电离辐射（紫外线）、电离辐射（X射线）等。化学诱变剂如烷化剂、亚硝酸和羟胺等。（四）诱变育种的基本过程出发菌株的选择制备单孢子悬液诱变处理筛选突变株（五）微生物突变体的筛选1、初筛初筛的方法要快速、简便，结果直观性强，缺点是由于培养皿的培养条件与三角瓶、发酵罐的培养条件有很大差别，有时会造成两者结果不一致。2、复筛复筛是指对初筛出的菌株的有关性状作精确的定量测定。遗传物质在离体条件下能进行剪切、组合吗？（六）基因工程20世纪70年代初，美国科学S.Cohen第一次将两个不同的质粒加以拼接，组合成一个杂合质粒，并将其引入到大肠杆菌体内进行表达。这就是基因工程的雏形。这种被称为基因转移或DNA重组技术立即在学术界引起很大轰动，很多科学家深刻认识到这一发现将会给生命科学带来巨大变化。基因工程指采用类似工程设计的方法，按照人们的意愿通过一定的程序，对不同生物的遗传物质在离体条件下进行剪切、组合和拼接，使遗传物质重新组合，然后再将人工重组的基因引入适当的受体中进行无性繁殖，并使所需的基因在受体细胞内表达，产生出人类所需的产物或组建新的生物类型。基因工程的出现使人类跨进了按照自己的意愿创建新生物的伟大时代，虽然它的诞生不足四十年，但这一学科却获得了突飞猛进的发展。