微生物的遗传与变异

微生物的遗传与变异遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。

遗传性：指世代间子代和亲代相似的现象；变异性：是子代与子代之间及子代与亲代之间的差异。

遗传性保证了种的存在和延续；而变异性则推动了种的进化和发展。

遗传型（基因型）：某一生物个体所含有全部遗传因子即基因的总和。

它是一种内在潜力，只有在适当的环境条件下，通过自身的发代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型。

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，是遗传型在合适环境下的具体体现。

变异：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。

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。

如粘质沙雷氏菌，在25℃培养时，可产生深红色的灵杆菌素，这是一种饰变，但当在37℃培养时，则不产生色素，再在25℃下培养时，又恢复产生色素的能力。

微生物在遗传学中的地位：✧个体微小，结构简单；✧营养体一般都是单倍体；✧易培养；✧繁殖快；✧易于累积不同的中间代谢物；✧菌落形态可见性与多样性；✧环境条件对微生物群体中每个个体的直接性与一致性；✧易于形成营养缺陷型；✧存在多种处于进化过程中的原始有性生殖过程。

对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展，而且还为育种工作提提供了丰富的理论基础，促使育种工作向着不自觉到自觉，从低效到高效，从随机到定向，从近缘杂交到远缘杂交等方向发展。

第一节遗传变异的物质基础遗传变异有无物质基础以及何种物质可承担遗传变异功能的问题，是生物学中的一个重大理论问题。

对此有着不同的猜测。

直到1944年后，利用微生物这一实验对象进行了三个著名的实验，才以确凿的事实证实了核酸尤其是DNA才是遗传变异的真正物质基础。

一、证明核酸是遗传物质的三个经典实验（一）转化实验✧发现者：英国人Griffith于1928年首次发现这一现象。

✧研究对象：肺炎链球菌S型和R型✧过程：1944年Avery等证明遗传物质是DNA。

其过程：SⅢ杀死细菌分离提取多糖脂类 RNA 蛋白质 DNA DNA+DNaseRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ不杀死不杀死不杀死不杀死可杀死不杀死小鼠小鼠小鼠小鼠小鼠小鼠RⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ+SⅢRⅡ图9-2 O.Avery等的体外转化实验说明：活的ⅡR菌从死亡的ⅢS菌中吸收了荚膜的特征即由于DNA的存在而形成了荚膜，况且到了1949年，进一步提纯DNA（蛋白质不足0.02％），转化效果也随之增加。

（二）噬菌体感染实验✧研究人：美国的Hershey 和 Chase于1952年✧研究对象：噬菌体✧过程：✧说明：在噬菌体侵染细菌过程中蛋白质外壳留在细菌细胞外，只有DNA进入了细胞，又一次证明遗传物质是DNA，而不是蛋白质。

（三）植物病毒的重建实验✧研究人：Conrat 和 Singer于1956年✧研究对象：TMV 与 HRV✧过程：✧说明：只有核酸才是负荷遗传信息的真正物质基础。

（四）朊病毒的发现和思考无论是DNA还是RNA作为遗传物质的基础已是无可辨驳的事实。

但朊病毒的发现对“蛋白质不是遗传物质的定论也带来一些疑云。

PrP是具有传染性的蛋白质致病因子，迄今未发现蛋白内有核酸，但已知的传染性疾病的传播必须有核酸组成的遗传物质，才能感染宿主并在宿主体内自然繁殖。

那么这是生命界的又一特例呢？还是因为目前人们的认识和技术所限而尚未揭示的生命之谜呢？还有待于生命科学家去认识和探索。

二、遗传物质在细胞内的存在形式基因（gene):实现一定遗传效应的核苷酸片断（为一条多肽或RNA分子合成编码所需的完整的一段核酸序列）。

基因组（genome）：一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称。

遗传型(基因型）：生物的全部遗传因子及基因组成。

表型（表现型）：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。

除部分病毒的遗传物质是RNA外，其余病毒及全部具有典型细胞结构的生物体的遗传物质都是DNA。

按其在细胞中存在形式可分成染色体DNA和染色体外DNA。

原核细胞和真核细胞中的DNA存在形式不完全相同。

（一）．DNA在原核细胞中的存在方式原核细胞的细胞学特点：无核膜与核仁的分化，只有一个核区称拟核。

1.遗传物质的存在方式：✧染色体DNA处于拟核区，无组蛋白（近年来发现与非组蛋白结合）。

结构上为一条裸露的闭合环状DNA，以紧密的超螺旋状态存在。

✧染色体外DNA主要指质粒（如F因子、R 因子、Col因子）。

微生物核酸种类形状大肠杆菌dsDNA 环状T2噬菌体dsDNA 线状λ噬菌体dsDNA 线状或环状ΦX174 ssDNA 环状TMV ssRNA 线状2.基因组特点：✧染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）✧基因组上遗传信息具有连续性；✧功能相关的结构基因组成操纵子结构；✧结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；✧基因组的重复序列少而短；（二）．DNA在真核细胞中的存在方式1.真核细胞DNA分为核DNA和核外DNA。

✧核DNA即染色体DNA，它与组蛋白结合构成具有复杂结构的染色体。

✧核外DNA是指线粒体和叶绿体等DNA，其结构与原核细胞的DNA相似，亦能编码结构蛋白。

2.基因组的特点：✧典型的真核染色体结构（染色体由核小体组成）；✧没有明显的操纵子结构；✧有间隔区和内含子序列；✧重复序列多。

（三）. 非细胞型微生物遗传物质存在方式除朊病毒外的其它病毒的遗传物质均为核酸分子——DNA或RNA（四）.质粒1.定义：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。

2.存在方式：通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；3.基本特性：✧ 化学组成：通常以共价闭合环状(covalently closed circle ，简称CCC)的超螺旋双链DNA 分子存在于细胞中；质粒分子的大小范围从1kb 左右到1000kb ；（细菌质粒多在10kb 以内）✧ 质粒能自主复制：高拷贝数质粒（每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝）——松弛型质粒低拷贝数质粒（每个宿主细胞中可以有1-4个拷贝）——严谨型质粒✧ 质粒的相容性与不相容性相容性(compatibility)：两种不同类型的质粒能稳定地共存于一个宿主细胞内。

不相容性(incompatibility)：两种不同类型的质粒不能稳定地共存于一个宿主细胞内。

✧ 质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。

如致育性、抗药性、产毒素性等。

✧ 质粒可分接合型和非接合型两种；自身能通过接合方式复制后传递给另一个细菌的质粒叫接合型质粒。

接受质粒一方为受体菌，提供质粒一方为供体菌。

✧ 质粒有时能自宿主细胞自发消除。

自发消除的频率很低，如用理化因素高温、紫外线、丫啶类染料处理，可提高消除率。

4.质粒的主要类型 致育因子（Fertility factor ，F 因子）抗性因子（Resistance factor ，R 因子） 产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid ） 毒性质粒（virulence plasmid ） 代谢质粒（Metabolic plasmid ）隐秘质粒（cryptic plasmid ）（1）致育因子（Fertility factor ，F 因子）又称F 质粒，其大小约100kb ，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。

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）。

F 因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。

质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应（2）抗性质粒（Resistance factor，R因子）使宿主微生物对抗生素、化学药物或重金属离子等表现出抗性，又称R质粒。

根据其能否靠接合转移将其分为两类：接合型抗药性：含抗药转移因子和抗药决定因子非接合型抗药性：只含抗药决定因子抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。

带有抗药性的细菌有时对于几种抗生素或其它药物均呈现抗性——R100质粒(89kb)可使宿主对汞、磺胺、链霉素、夫西地酸、氯霉素、四环素呈现抗性。

并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。

第二节基因突变及机制一基本概念突变（mutation)：是微生物遗传物质的核苷酸序列发生了稳定而可遗传的变化，可导致微生物的某些形状发生遗传性的变异。

突变自发突变：环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等而导致。

频率低——10-6-10-9 诱变：某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接作用，频率较高。

表型饰变：在不同的环境条件下，相同基因型的微生物表现出不同的表型称为表型改变。

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遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变，也称基因型突变。

特点：遗传性、群体中极少数个体的行为二、基因突变的特点✧ 自发性与不对应性 ✧稀有性✧ 可诱变性✧ 独立性✧ 稳定可遗传性✧ 可逆性三、突变的机制——通过几种诱变剂的机制加以阐述1. 亚硝酸：脱氨基作用2. 5Bu ：5Bu 正常状态类似于T ，将只与DNA 中的A 配对，(Bu=A)；稀有状态：5Bu 类似于C ，3.紫外线：紫外线照射对DNA 效应之一是在DNA链上的嘧啶分子间形成异常的化学键，多数诱导的是邻近的胸腺嘧啶---形成胸腺嘧啶二聚体（thymine dimers）TT少数CC、CT和TC二聚体。

异常配对→在DNA链中产生膨胀（凸出部分），引起双螺旋构型的局部变化。

4.吖啶类染料：第三节细菌基因转移和重组细菌的三种水平基因转移形式：接合、转导和自然转化一、细菌的接合作用（conjugation）✧定义：通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程称接合(conjugation)✧试验证据：Iederberg和Tatum于1946年设计了一个有名的实验——U型管实验，才证明了原核生物的接合现象。

他们筛选出了两种不同营养缺陷型的大肠杆菌K12突变株，其中A菌株是met-、bio-，B菌株是thr-、Leu-，将它们在完全培养基上混合培养后，再涂布于基本培养基上。

结果发现，在基本培养基上出现了met+、bi0+、thr+、1eu+的原养型菌落(约为10-7)，而分别涂布的两种亲本菌株对照组都不出现任何菌落。

进一步的实验证实，上述遗传重组的形成，是两个亲本细胞接合以后发生基因重组的结果。