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第八章微生物的遗传第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传遗传（heredityinheritance）：亲代与子代相似变异（variation）：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一第八章微生物的遗传（1）遗传型（genotype）生物的全部遗传因子及基因又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组（genome）所携带的遗传信息。遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。第八章微生物的遗传（2）表型（phenotype）具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。又称表现型，指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境下通过代谢和发育而得到的具体表现。第八章微生物的遗传表型是由遗传型所决定，但也和环境有关第八章微生物的遗传（3）变异遗传型变异（基因变异、基因突变）：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，亦即遗传型的改变。遗传物质改变，导致表型改变特点：遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为10-6-10-9）表型饰变：指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。表型的差异只与环境有关特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。（4）饰变（modification）微生物是遗传学研究中的明星：微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。第八章微生物的遗传第一节遗传变异的物质基础第八章微生物的遗传一、DNA作为遗传物质二、RNA作为遗传物质三、朊病毒的发现与思考第八章微生物的遗传一、3个经典实验（一）经典转化试验最早进行转化（transformation）实验的是F.Griffith（1928年），他以Streptococcuspneumoniae（肺炎链球菌）作为研究对象。（1）动物实验著名的肺炎球菌转化试验S型，致病菌，具荚膜，菌落表面光滑（smooth）R型，非致病菌，无荚膜，菌落表面粗糙（rough）S型R型加热灭菌热死S菌＋活R菌第八章微生物的遗传第八章微生物的遗传（2）细菌培养试验第八章微生物的遗传（3）S型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明了什么？第八章微生物的遗传至此，并不知道是夹膜还是核酸。O.T.Avery和他的同事进行了这方面的工作。以上实验说明：加热杀死的S型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入R型细胞并使R型细胞获得稳定的遗传性状，转变为S型细胞。这时能确认这种转化物质是什么吗？核酸还是荚膜？第八章微生物的遗传Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验（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）对各组分进行转化试验只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型，且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，决不是夹膜多糖，而是以DNA为物质基础的遗传信息。①加R菌DNA②加R菌DNA及DNA酶以外的酶③加R菌的DNA和DNA酶④加R菌的RNA⑤加R菌的蛋白质⑥加R菌的荚膜多糖？活S菌长出？菌只有？菌若该实验用下列组合进行结果会怎样？该组合有何缺陷？无法证明荚膜多糖能用死R菌代替吗?第八章微生物的遗传（二）噬菌体感染实验1952年，A.D.Hershey和M.Chase发表了证明DNA是噬菌体的遗传物质基础的著名实验——噬菌体感染实验该上清液和沉淀中不同比例的放射性是如何形成的？10分钟后用捣碎器使空壳脱离吸附离心沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体上清液中含15%放射性沉淀中含85%放射性（1）以32P标记DNA做噬菌体感染实验沉淀中含25%放射性（2）以35S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验10分钟后用捣碎器使空壳脱离吸附离心沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体上清液中含75%放射性该上清液和沉淀中不同比例的放射性是如何形成的？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为了证明核酸是遗传物质，H.Fraenkel-Conrat（1956）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。选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：（1）RNA（TMV）蛋白质（HRV）（2）RNA（HRV）蛋白质（TMV）用两种杂合病毒感染寄主：（1）表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子（2）表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子。上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。TMVHRVHRVMTV亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚为发现该蛋白内含有核酸。其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrPc改变折叠状态为PrPsc所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。二、朊病的发现与思考思考1）蛋白质是否可以作为遗传物质？prion是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？2）蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？DNA→RNA→肽链→蛋白质三、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式（一）7个水平1.细胞水平DNA大部分集中在细胞核或核区中2.细胞核水平3.染色体水平（1）染色体数316真3（2）染色体倍数单倍体（heoloid）：一个细胞中只有一套染色体。双倍体（diploid）：一个细胞中含有两套功能相同的染色体。指同一细胞中相同染色体的套数4.核酸水平（1）核酸种类:DNA,RNA（2）核酸结构:ds,ss（3）DNA长度DNA长度即基因组的大小，一般可用bp（碱基对，basepair）、kb（千碱基对，kilobp）和Mb（百万或兆碱基对，megabp）作单位。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功能单位，其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段。(原核)乳糖操纵子lacoperontayzopstructuralgenepromoterterminatoroperatorß-galactosidase半乳糖苷酶zß-galactosidepermease透酶yß-galactosidetransacetylase半乳糖苷乙酰转移酶a6.密码子水平遗传密码（geneticcode）是指DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。遗传密码的信息单位是密码子（codon），每一密码子由3个核苷酸序列即一个三联体（triplet）所组成。一般都用mRNA上3个连续核苷序列表示。7.核苷酸水平腺苷酸（AMP）胸苷酸（TMP）鸟苷酸（GMP）胞苷酸（CMP）5－羟甲基胞嘧啶（T偶数噬菌体）基因－遗传的功能单位密码子－遗传的信息单位核苷酸－最低突变单位或交换单位（二）原核生物的质粒1.定义和特点质粒：是一类小型闭合环状核外双螺旋DNA分子，能独立于细胞核进行自主复制。分子量约为106－108，上面携带有数个到数十个甚至上百个基因。可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以附加体（episome）的形式存在。cccDNAocDNALDNA另一类质粒的复制与核染色体的复制不同步，在这类细胞中，一般含10～15个或更多质粒。严紧型复制控制（stringentreplicationcontrol）松弛型复制控制（relaxedreplicationcontrol）质粒的复制与核染色体的复制同步，在这类细胞中，一般只含1～2个质粒；质粒是一种独立存在于细胞内的复制子（replicon），根据自我复制能力的不同分为两种。通常以共价闭合环状（covalentlyclosedcircle，简称CCC）的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；（细菌质粒多在10kb以内）2.质粒的分子结构提取所有胞内DNA后电镜观察；超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药性初步判断。特定的质粒提取方法和后处理使染色体和RNA均被除掉。3.质粒的检测质粒的主要功能：质粒带有一些基因，可产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。质粒基因编码的这些特性有利于宿主细胞在特定环境条件下的生存。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的，除去质粒后细胞可依然存活；重组的功能：在质粒之间、质粒与染色体之间菌可发生。（1）F质粒（Fplasmid）又称F因子、致育因子（fertilityfactor）或性因子（sexfactor），其大小约100kb，为cccDNA，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。4.几种代表性质粒携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。（2）R质粒（Rplasmid）包括抗药性和抗重金属二大类。又称R因子（Rfactor）、抗性因子（resistanceplasmid）。含调节DNA复制和拷贝数的基因以及转移基因，相对分子量约11×107，具有转移功能；抗性转移因子（resistancetransferfactor，RTF）抗性决定因子（r-determinant）大小不很固定，相对分子量从几百万至11×108以上，无转移功能，含各种抗性基因，如抗青霉素、氨苄青霉素、氯霉素、链霉素、卡那霉素和磺胺等基因。R质粒一般由两个相连的DNA片段组成R100质粒（89kb）可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（mercuricion，mer）四环素（tetracycline，tet）链霉素（Streptomycin,Str）、磺胺（Sulfonamide,Su）、氯霉素（Chlorampenicol,Cm）夫西地酸（fusidicacid，fus）并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。R质粒的种类很多，例如，R1（94kb）和R100（89.3kb）等。（3）Col质粒（colicinplasmid，colplasmid）又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子（colicinogenicfactor，colfactor），可使E.coli某些菌株所产生的细菌素。细菌素（bacteriocin）是质粒编码的蛋白质，一般由细菌产生，可抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的代谢产物，但不具有很广的杀菌谱。细菌素抗生素抑制或杀死近缘，甚至同种不同株的细菌较广的抗菌谱通过核糖体直接合成的多肽类物质一般是次级代谢产物编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位于质粒或转座子上一般无直接的结构基因，相关酶的基因多在染色体上细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因一般都位于质粒或转座子上，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。携带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（E.coli）产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），而质粒被称为Col质粒。ColE1质粒：相对分子量小（9kb，约5×106），无接合作用，是松弛性控制、多拷贝的；ColⅠb质粒：相对分子量大（94kb，约8×107），具有通过接合而转移的功能，属严紧型控制，只有1～2个拷贝。（4）Ti质粒（tumorinducingplasmid）即诱癌质粒或冠瘿质粒（crowngallplasmid），存在于根癌土壤杆菌或根癌农杆菌种。Ti质粒是一种200kb的环状质粒，包括毒性区（vir）、接合转移（con）、复制起始区（or