第八章 微生物遗传

以内。每个质粒含有几个到数百个基因。每一个质细粒胞可含有1—几
百个质粒。 2019/12/30
DNA
（3）质粒的特性
a.是细菌非必须的遗传物质。
b.具有不相容性。
c.具有可转移性。某些质粒能以较高的频率（>10-6）通过细胞间的接合作 用或其他机制从供体细胞转移到受体细胞中。 d.可整合性。
e.可重组性。
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典型质粒：
F质粒：F因子、致育因子或性因子，是大肠杆菌等细菌决定性别 并有转移能力的质粒。
R质粒：R因子。1957年，日本出现经抗生素治愈的痢疾病人中， 可分离到同时对许多抗生素或化学治疗剂如链霉素、氯霉素、四 环素或磺胺等呈抗药性的痢疾志贺氏菌。且这种抗药基因可传递。
Col质粒：大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子。 细菌素：许多细菌都能产生抑制或杀死其它近缘细菌或同种不同 菌株的代谢产物，因为它是由质粒编码的蛋白质，且不像抗生素 具有很广的杀菌谱，所以称细菌素。
培养皿培养
不生长 长出R菌 长出大量R菌和10-6S菌
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（3）S型菌的无细胞提取液试验
培养皿培养
活R菌 + S菌无细胞抽提液
长出大量R菌和少量S菌
实验说明：加热杀死的S型细菌，在其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形细胞获得表达S 型荚膜性状的遗传特性。
修饰是非遗传的。如粘质沙雷氏菌: 25℃培养,产深红色的灵杆菌素，菌落染成鲜血状（宗教神显灵）； 37℃培养，此菌群体中的一切个体都不产色素； 重新降温到25℃，所有个体恢复产色素能力。
由于微生物所具有的独特的生物学特性，使之成为了现代遗传 学和其他许多生物学基本理论研究的最理想材料，不仅促进了现代 分子生物学和生物工程学的发展，而且也为育种工作提供了丰富理 论基础。
下，通过自身的代谢和发育，才能使其具体化，转变为表型。
（2）表型（Phenotype）： 是指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是基因 型在适当环境条件下的具体体现。 表型与遗传型不同，是一种现实性。
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（3）修饰（Modification）或饰变：
指不涉及遗传物质结构的改变，而只发生在转录、转译水平上 的表型变化。
每个密码子（coden）由三个核苷酸序列即1个三联体所组成， 它是负载遗传信息的基本单位。密码子一般都用mRNA上3个连续 核苷酸序列来表示。因为4个核苷酸按三联体的方式排列可有64种 组合，有同一氨基酸由几个密码子编码的情况。
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(7)核苷酸水平
基因水平是遗传的功能单位，密码子水平是信息单位，而核苷 酸水平（即碱基水平）则可认为是一个最低突变单位或交换单位。
1.突变的类型
按突变后突变株能否在选择性培养基上被迅速筛选出划分为选 择性突变株（Selective mutant）和非选择性突变株（Non-selective mutant）。
突变株的表型
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选择性突变株 非选择性突变株
营养缺陷型 抗性突变型 条件致死突变型 形态突变型 抗原突变型 产量突变型
（1）动物试验 （2）细菌培养试验 （3）S型菌的无细胞提取液试验
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（1）动物试验
小鼠(活)
加活R菌或死S菌 加活S菌
加活R菌和热死S菌
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小鼠(活)
小鼠(死)
小鼠(死) 抽心血 分离
活的S菌
（2）细菌培养试验
热死S菌 活R菌
培养皿培养 培养皿培养
热死S菌 + 活R菌
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第一节 遗传变异的物质基础
一.证明遗传物质基础的三个经典实验 二.遗传物质在胞内的存在部位及方式
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一.证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验
1.细菌的转化（Transformation）实验
1928年，F.Griffith首先发现细菌的转化现象。肺炎链球菌 是一种成双或成链排列的球菌，可使人患肺炎，也可使小鼠患败血 症而死亡。肺炎链球菌有两种菌株，1种称为S型(Smooth)，菌落光 滑、可形成荚膜、具有致病性；另1种R型(Rough)，菌落粗糙、不 形成荚膜、无致病性。Griffith做了几组实验：
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， 如抗药性菌株等。
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(3)条件致死突变型(Conditional lethal mutant) 是指菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常生长繁殖 并呈现其固有的表型，而在另一条件下却无法生长繁殖的突变类型。
Ts突变株即温度敏感突变株，如大肠杆菌的某些菌株在37℃可 正常生长，不能在42℃下生长。原因是突变使某些重要蛋白质的结 构功能改变，以致出现37℃可生长而42℃下不能生长的特点。
第八章 微生物遗传
教学内容
1.掌握遗传变异的物质基础 2.掌握基因突变和诱变育种 3.了解原核生物和真菌的基因重组 4.了解基因工程原理 5.了解菌种的保藏与复壮
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遗传（Heredity or Inheritance）与变异（Variation）是生物界 最本质的属性之一。
遗传是指亲代生物将自身的一整套遗传因子（基因，Gene）传 递给子代的行为或功能，它具有极其稳定的特性。
(2)细胞核水平
真核生物与原核生物的细胞核存在明显的差别。
除细胞核外，有的微生物细胞质内还存在一些能自主复制的核 外染色体——质粒(Plasmid)。
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(3)染色体水平
为17，脉孢菌 属为7；而原核生物只有一个裸露的、在光学显微镜下无法看到的 环状染色体。
2.噬菌体感染试验
1952年，Hershey和Chase利用同位素标记试验证明DNA是噬菌体的遗传物质 基础，在其DNA中，含有包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。
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3.植物病毒的重建实验
1956年，Fraenkel-Conrat利用烟草花叶病毒（TMV）和霍氏 车前花叶病毒（HRV）进行了植物病毒的重建实验。TMV与HRV 亲缘关系相近。 结果证实：RNA病毒中，遗传的物质基础是RNA。
(1)营养缺陷型(Auxotroph)
是指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 长因子的能力，因而无法在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。
可在加有相应营养物质的基本培养基平板上选出。
(2)抗性突变型(Resisant mutant)
是指野生型菌株因发生基因突变，而产生的对某种化学药物或 致死物理因子的抗性变异类型。
一.基因突变 二.突变与育种
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一.基因突变
基因突变(Gene mutation) 是指生物体内遗传物质的分子结构突 然发生可遗传的变化。
根据突变的原因又可将其分为自发突变(Spontaneous mutation) 和诱发突变(Induced mutation)两种类型。
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(4)形态突变型(Morphological mutant)
是指由于基因突变而使个体或菌落形态发生的变异类型。
如细菌荚膜鞭毛的有无、霉菌或放线菌孢子着色的变化，菌落 表面的粗糙或光滑等。
大肠杆菌素是一类由大肠杆菌某些菌株所产生的细菌素，具有专 一地杀死其它种肠道菌或同种其它菌株的能力。大肠杆菌素由Col 质粒20编19/1码2/30。
Ti质粒：即诱癌质粒或冠瘿质粒。
根癌土壤杆菌或根癌农杆菌从一些双子叶植物的受伤根部侵 入根部细胞后，在其中溶解并释放出Ti质粒，其上的T－DNA片段 会与植物细胞的核基因组整合，合成正常植株所没有的冠瘿碱类， 破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转为癌细胞。
在绝大多数生物的DNA中，都只含腺苷酸(AMP)、胸苷酸 (TMP)、鸟苷酸(GMP)和胞苷酸(CMP) 4种脱氧核苷酸，但也有少 数例外，如E.coli的T偶数噬菌体的DNA上就含有少量的稀有碱基— —5-羟甲基胞嘧啶。
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2.原核生物的质粒（Plasmid）
一种独立于微生物染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因 子，只控制微生物的次要性状。
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1944年，O.T.Avery等利用单细胞成分进一步证明了转化因子是DNA。
加S菌的DNA
加S菌的DNA及DNA酶以外的酶
活S菌
活R菌
加S菌的DNA及DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质
活R菌
加S菌的荚膜多糖 O.T.Avery
由这些结果可知，只有S型细菌DNA才能将肺炎链球菌由R型转化成S型；并 且DNA的纯度越高，转化效率也越高，当所用的DNA量低于6×10-8g时，仍具有 感染力20，19/1这2/3说0 明，由S型菌株转移给R型的只有DNA。
f.可消除性。在高温或某些化学药物（丝裂霉素C、紫外线、利福平、重 金属离子）的处理下，质粒可以被消除，同时宿主细胞也将失去质粒控 制的表型性状。
g.耐碱20性19/1。2/30与染色体的DNA比较，质粒DNA具有较强的耐碱性。
（4）质粒的类型
质粒按功能 和赋予宿主 的表型效应
接合质粒(Fertility factor，F因子) 抗性质粒(Resistance factor，R因子) 细菌素质粒(Bacteriocin plasmid) 毒性质粒(Virulence plasmid) 代谢质粒(Metabolic plasmid)
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(5)基因水平
在生物体内，一切具有自主复制能力的遗传功能单位，都可称 为基因。基因的物质基础是一个具有特定核苷酸顺序的核酸片段， 由众多基因构成了染色体。每个基因大体在1000-1500bp，分子量 约为6.7×105Dal。
(6)密码子水平
遗传密码是指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。
因T－DNA片段可携带任何外源基因整合到植物基因组中， 所以是当前植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体。
降解性质粒：只在假单胞菌中发现。可为降解一系列复杂有机物 的酶编码，用于污水处理、环境保护等方面。并可通过遗传工程 手段构建具有数种降解质粒的菌株称“超级菌”。
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第二节 基因突变和诱变育种
（1）质粒的构型
质粒一般以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC) 的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中。
质粒和近R年N来A质在粒疏。螺旋体、链霉菌和酵母菌中发现了线型双染链D色NDA体NA
（2）质粒的大小
质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb，细菌质粒多在10kb
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二.遗传物质在胞内的存在部位及方式
1.七个水平
细胞水平 细胞核水平 染色体水平 核酸水平 基因水平 密码子水平 核苷酸水平
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(1)细胞水平 在微生物细胞中，其大部或几乎全部的DNA都集中于细胞核。
不同细胞或同种微生物的不同细胞中，核的数目不同： 酿酒酵母、黑曲霉、产黄青霉是单核； 粗糙脉孢菌、米曲霉是多核； 放线菌的菌丝细胞是多核，而孢子则是单核； 细菌中，杆菌细胞大多存在两个核区，而球菌一般仅一个。
DNA长度：即基因组大小。真核生物的DNA要比原核生物长得多， 基因数量也较多。
如啤酒酵母DNA的长度约6.5mm，大肠杆菌为1.1~1.4mm；大 肠杆菌含有7500个基因，T2-噬菌体约有360个基因，而最小的RNA 噬菌体MS2只有3个。
DNA状态：在原核生物中DNA都是环状；在病毒粒子中有的呈环 状，有的呈线状；细菌质粒的DNA是超螺旋结构的。
变异是指生物体在外因或内因的作用下，由于遗传物质结构或 数量的改变（即基因型的改变），而引起某些相应的表型性状发生 变化。变异所形成的新性状是稳定的、可遗传的。
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（1）基因型（Genotype）或遗传型： 是指生物体所含有的全部基因的总合。 基因型只是一种内在的可能性或潜力，只有在适当的环境条件
染色体倍数：即同一细胞中相同染色体的套数。多数微生物是单倍 体，少数真核微生物（酿酒酵母）的营养细胞及合子是双倍体，高 等动植物的体细胞是双倍体。
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(4)核酸水平
核酸种类： 绝大多数生物的遗传物质是DNA，只有部分病毒为 RNA。
核酸结构：绝大多数微生物的DNA是双链的，少数病毒，如E.coli 的ΦX174和fd噬菌体的核酸为单链结构。