09第九章微生物的遗传变异和育种1

第九章遗传和变异遗传性是指亲代生物传递给子代的与自身相同性状的遗传信息，这种遗传性是相对稳定的。变异性凡在遗传物质水平上发生了改变从而引起某些相应性状发生改变的特性，称为变异性，这种变异性是可以遗传的。微生物的遗传和变异第一节微生物的遗传微生物的遗传---遗传的物质基础证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验①肺炎双球菌的转化实验②噬菌体感染实验③病毒的拆开和重建实验4（二）噬菌体感染实验A.D.Hershey和M.Chase，1952年实验证明，进入细菌细胞内部的物质是DNA。DNA包含有产生完整噬菌体的全部信息。DNA的结构与复制DNA的化学组成:DNA是一种高分子化合物，它由四种核苷酸组成，每一种核苷酸均含环状碱基、脱氧核糖和磷酸根三种组分。四种核苷酸的差异仅仅在于碱基的不同。四种碱基为：腺嘌呤(Adenine,简称A)、鸟嘌呤(Guanine简称G)、胸腺嘧啶(Thymine，简称T)、胞嘧啶(Cytosine，简称C)，含这四种碱基的核苷酸分别称为腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸、胸腺嘧啶核苷酸和胞嘧啶核苷酸。核酸低聚核苷酸核苷酸磷酸戊糖核苷碱基嘌呤碱结构示意图HCCNHCNCNNHCH嘌呤123456789CCNHCNCNNHCH腺嘌呤NH2CCNCHNCNNHCHO鸟嘌呤H2N嘧啶碱结构示意图CNHCNCHCHH嘧啶123456CCNNCHCHOH胞嘧啶NH2CHNCNCHCHOHO尿嘧啶CHNCNCHCOHO胸腺嘧啶CH3核苷结构图HHOHOHOHHCHNNCNHCNCC腺嘌呤核苷AHOH2CNH2核苷结构图OCHNNCHNCNCCH2NHHOHOHOHHHOH2C鸟嘌呤核苷G核苷结构图HHOHOHOHHHOH2COCHCHNNCCNH2C胞嘧啶核苷核苷酸结构1CCNCHNCNNCHOHHOHHOHHPOHOOH1'2'3'4'5'OH2CH2N()dGMP5'-脱氧鸟苷酸5'-核苷酸结构2CCNHCNCNNCHHOHOHHOHHPOHOOH2'3'4'5'1'NH2OH2C5-脱氧腺苷酸DNA的多核苷酸链的结构及其缩写式表示法5'3'OHOPHHOHHHOOOHOPOOHHOHHHOHOPOOHHOHHHOHOPOOHHOHHHO鸟嘌呤胞嘧啶腺嘌呤胸腺嘧啶腺嘌呤胞嘧啶胸腺嘧啶鸟嘌呤PPPP5'3'PAPCPTPGA.B.C.DNA多核苷酸链的结构及其缩写式表示法PACTG---H2CH2CH2CH2CDNA中多核苷酸链的一部分示意图PPPATGCATCG1'2'3'4'1'2'3'4'5'DNA中多核苷酸链的一部分示意图PPPPPPPDNA的结构Watson—Crick所提出的模型(称为B-DNA)螺旋是以DNA的X—射线衍射图谱为根据的，这个模型里螺旋每圈含约10个碱基，在此右手螺旋中碱基对平面垂直于螺旋轴。DNA的双螺旋结构模型DNA图DNA双螺旋结构的稳定性的三种力量互补碱基之间有氢键DNA分子中的碱基堆积力离子键DNA的复制DNA是生物遗传变异的物质基础，遗传信息就储存在DNA分子上，生物遗传性状就是由DNA分子中碱基对的数目和排列顺序所决定的。为了在细胞分裂中确保子代的遗传性状不变，必须将DNA分子上的遗传信息原封不动地传给子代，即母代细胞中的DNA中碱基对的数目和排列顺序十分精确地被复制。DNA的复制过程首先是DNA的双链从一端打开，分离成两条单链，然后以每条单链为模板，通过碱基配对逐渐建立起完全互补的一套核苷酸单位，新连接上的多核苷酸链与原有的多核苷酸链重新形成新的双螺旋DNA。这样，在DNA复制中，引起碱基缺失、置换或插入，改变了碱基排列顺序，就会发生子代的变异。在DNA聚合酶的催化下，一个DNA分子最终复制成两个结构完全相同的DNA，从而准确地将遗传特性传递给子代。复制后的DNA分子，各由一条新链和一条旧链构成双螺旋结构，这种复制方法称为半保留复制。二、遗传信息的传递——基因的表达染色体是由许多不同的基因所构成的，基因是某一特定遗传信息的贮藏场所，从分子水平上来看就是具有某一特定碱基排列顺序和数目的DNA分子片段。基因上贮存的遗传信息需要通过一系列物质和能量代谢过程才能在生理上或形态上表达出相应的遗传性状。所以，遗传信息的传递，即基因的表达过程就可以决定微生物表现出某种性状(如是否产生荚膜、鞭毛等)。在遗传信息传递过程中，必须存在一种称为核糖核酸(RNA)的物质，它也是由四种核苷酸所组成的高分子物质，与DNA的化学成分相似。不同的是核苷酸中不是脱氧核糖而是核糖，并且以尿嘧啶(U)代替了DNA中的胸腺嘧啶（T）。已知细胞中参与信息传递的RNA至少有三种类型：①信使核糖核酸(简称mRNA)，指导蛋白质的合成；②核蛋白体核糖核酸(简称rRNA)，rRNA与蛋白质组成核糖体(又称核蛋白体)，是蛋白质(或多肽)合成的场所；③转运核糖核酸(简称tRNA)，可识mRNA上的信息，并将特定的氨基酸送到rRNA上供蛋白质合成。分子遗传学研究指出，贮存DNA上的遗传信息是通过DNA的复制传给子代的，而通过RNA的中间作用来指导蛋白质(酶)的合成。这种关于DNA的复制和遗传信息传递的基本规律被称为分子遗传学的“中心法则”。中心法则1958年F．Crick提出了中心法则,中心法则表示了遗传信息传递的方向:信息可以通过复制一直世代传递下去；信息也可以从DNA传递到RNA，又从RNA传递到蛋白质。但信息不能离开蛋白质再传递到其它分子。转录能产生编码一个或几个遗传信息的RNA(包括mRNA)分子。翻译则将编码在mRNA核苷酸顺序中的信息转变为蛋白质中的氨基酸顺序。RNA沟通了遗传物质和蛋白质之间的联系。遗传信息的这种传递顺序在生物中是千真万确的。中心法则的完善70年代以后随着对病毒的认识，中心法则得到进一步的完善。如RNA病毒，遗传信息本来就编码在RNA中而不是在DNA里。所以能通过自身复制其RNA分子，并产生mRNA。另外，如RNA肿瘤病毒，它含有一种逆转录酶，能将病毒RNA复制成DNA分子，它产生了与中心法则规定的方向相反的信息流向。完整的中心法则路线中心法则转录RNADNA翻译蛋白质逆转录转录——mRNA的合成以DNA的双链中的一条链为模板，按互补方式合成RNA，这种遗传信息由DNA到RNA的传递过程称为转录。翻译转录后的mRNA作为合成蛋白质的模板，并且由mRNA的碱基排列顺序决定多肽链中氨基酸的排列顺序，这种遗传信息从mRNA到蛋白质的传递过程称为翻译。性状的表达遗传密码的主要特征密码子高度简并密码的通用性遗传密码的改变重叠基因与重叠密码遗传密码表大肠杆菌70s核糖体示意图3'大肠杆菌70S核糖体5'AA肽酰基位点氨酰基位点反密码子大亚基小亚基密码子结合位点mRNA（P位点）（A位点）蛋白质合成氨基酸的活化肽链的形成（包括肽链合成的起始、延长和终止）肽链的释放AA+tRNA+ATP氨酰-tRNA合成酶氨酰-tRNA+AMP+PPi第二节微生物的突变突变的原因随着科学的发展，人们越来越清楚地认识到，突变是DNA分子中碱基对发生变化的结果。即由于某些原因，引起DNA分子碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内部原有的排列顺序和数目，从而引起微生物性状的改变，并能够遗传给子代。所以，突变往往发生在DNA的复制过程中。DNA分子中碱基对的变化可以在自然条件下自发进行，也可以人为地诱发引起。因此，从发生突变的原因来看，可分为自发突变和诱发突变。自发突变可以由自然界中的某些物理、化学因子的干扰引起(如辐射、臭氧等)，可以由微生物体内的代谢产物亚硝酸、过氧化氢等引起；亦可由碱基本身的互变异构引起。自发突变的机率很低，一般自发突变率为10-5～10-9。诱发突变(又称诱变)是人为地应用物理化学因素引起的突变，这些引起诱发突变的物理化学因素称为诱变剂。常用的诱变剂有紫外线、亚硝酸等。诱发突变可以大大提高突变率。以往人们一直认为，突变是定向突变，直到1943年后，人们才通过大量科学实验得出突变的发生是非定向的结论，即认为突变的结果与突变的原因间是不相对应的。基因DNA上碱基对的改变是随机的，但突变体发生后能否生长、繁殖则取决于环境条件能否满足突变体的要求，即适者生存，不适者淘汰。基因突变及其机制341、诱发突变：物理、化学和生物的因素，提高突变率的人为的作法（1）碱基的置换35碱基的置换引起的突变36★直接引起置换的诱变剂定义：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。种类：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，N-甲基-N′硝基-N-亚硝基胍，N-甲基-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而引起DNA复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异。羟胺只引起G┇C→A:T，其余都是可使G┇C=A:T发生互变的。能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有。37这类诱变剂主要是一些碱基类似物,如：5-溴尿嘧啶(5-BU)和5-氨基尿嘧啶（5—AU）、叠氮胸腺嘧啶（AIT）等等；作用方式：通过活细胞的代谢活动参入到DNA分子中，主要是在DNA复制时碱基类似物插入DNA中，引起碱基对配对错误，造成碱基置换。以5-溴尿嘧啶(5-BU)为例：5-BU是胸腺嘧啶（T）的类似物，酮式的5-BU可以和A配对，烯醇式的5-BU可以和G配对，在DNA分子复制的过程中，由于5-BU的插入和互变异构导致碱基置换。★间接引起置换的诱变剂38（2）移码突变：添加或缺失核苷酸，引起阅读错误-错误+错误-+正常---正常+++正常39（3）染色体畸变：缺失、重复、插入、倒位、易位40（3）染色体畸变（chromosomalaberration）某些理化因子，如X射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起DNA的大损伤（macrolesion）——染色体畸变，它包括：染色体结构上的变化：缺失（deletion）重复（duplication）易位（translocation）倒位（inversion）染色体数目的变化41★染色体结构上的变化分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化，如发生染色体的部分缺失或重复时，其结果可造成基因的减少或增加；如发生倒位或易位时，则可造成基因排列顺序的改变，但数目却不改变。倒位--------是指断裂下来的一段染色体旋转180后，重新插入到原来染色体的原位置上，从而使其基因顺序与其它的基因顺序相反；易位--------是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入到同一条染色体的其它部位上。染色体间畸变：指非同源染色体间的易位。42染色体畸变第三节细菌的基因重组基因重组(Generecombination)是微生物变异的又一途径。所谓基因重组，就是指两个不同性状的生物细胞，其中一个生物细胞中的基因转移到另一个生物细胞中，并与这个细胞中的基因进行重新排列。转化受体细胞直接吸收了来自供体细胞的(处于游离状态的)DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，从而获得了供体细胞部分遗传性状的现象，称为转化(Transformation)。接合接合(conjugation)，就是指供体菌和受体菌的完整细胞经直接接触而传递大段DNA(包括质粒)遗传信息的现象。在细菌和放线菌中都存在着接合现象。转导通过噬菌体的媒介，把供体细胞中的DNA片段携带到受体细胞中，从而使后者获得了前者部分遗传性状的现象，称为转导(Transduction)。45一、原核生物的基因重组（一）转化概念：受体菌直接吸收了来自供体菌的DNA片段，通过交换，把它组合到自己的基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的现象。转化后的受体菌，称转化子transformant来自供体的DNA片段称为转化因子。供体菌受体菌DNA片段461928年，Griffith发现肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae）的转化现象,目前已知