微生物学第七章 微生物遗传与变异

（三）基因突变的机制 转换 碱基置换 基因突变 诱变 突变 移码突变 添加 染色体畸变：缺失、重复、易位、倒 位 自发突变 颠换 缺失
1、诱发突变（induced mutation）
诱发突变：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。 简称诱变。 诱变剂：凡具有诱变效应的任何因素。
若干诱变剂的作用机制及诱变功能
诱变因素 碱基类似物 羟 胺 亚硝酸 烷化剂 在DNA上的初级效应 掺入作用 与胞嘧啶起反应 A、G、C的氧化脱氨作用 交 联 烷化碱基（主要是G） 烷化磷酸基团 丧失烷化的嘌呤 糖-磷酸骨架的断裂 碱基之间的相互作用（双链变形） 形成嘧啶的水合物 形成嘧啶的二聚体 碱基的羟基化核降解 DNA降解 糖-磷酸骨架的断裂 C脱氨基 结合到一个基因中间 遗传效应 AT=GC双向转换 GC→AT的转换 AT=GC双向转换 缺失 AT=GC双向转换 AT→TA的颠换 GC→CG的颠换 巨大损伤（缺失、重复、倒位、易位） 码组移动（＋或－） GC→AT转换 码组移动（＋或－） AT=GC双向转换 码组移动（＋或－） 巨大损伤（缺失、重复、倒位、易位） 丧失嘌呤 CG→TA转换 码组移动
诱变处理 （UV照射60s） 中间培养 （30度振荡过夜培养）
淘汰野生型 （青霉素法）
营养缺陷型菌株的检出（影印培养法） 氨基酸缺陷型菌株的营养要求的鉴定
第三节 基因重组和杂交育种
基因重组的定义：两个独立基因组内的遗传基因， 通过一定的途径转移到一起，形成新的稳定基因 组的过程称为基因重组或遗传重组，简称重组。
（三）植物病毒的重建实验
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。 将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其 蛋白质外壳与RNA核心相分离。
HRV TMV
TMV HRV
原始株
拆开
重建
感染
分离纯化
结 论
核酸是负载遗传信息的真正物质基础
1、普遍转导 (generalized transduction) 定义：通过极少数完全缺陷噬菌体对供体菌基因 组上任何DNA小片段的“误包”，而将其遗传性 状传递给受体菌的现象。
（1）完全普遍转导( generalized transduction)
（2）流产普遍转导
2、局限转导(restricted transduction) 定义：通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌少数 特定基因携带到受体菌中，并与后者的基因组整 合、重组，形成转导子的现象；
第七章 微生物的遗传变异
Heredity variation
Contents
1
2 3
遗传变异的物质基础 基因突变和诱变育种
基因重组和杂交育种
基因工程 菌种的衰退、复壮和保藏
4
5 5
第一节 遗传变异的物质基础
一、三个经典实验证明核酸是微生物遗传物质
（一）转化实验（1928年，Griffith） 1、实验材料：肺炎双球菌 （ Streptococcus pneumoniae ）
②与营养缺陷型突变有关的菌体 野生型 (wild type) — 能在[-]中生长； 营养缺陷型 (auxotroph)— 能在[+]或[A]生长； 原养型 (prototroph)— 能在[-]中生长。
③营养缺陷型突变株的筛选方法
原菌株(出发菌株) 诱变剂处理
青霉素法
抗生素法 淘汰野生型 菌丝过滤法 同一培养皿 检出缺陷型 夹层培养法 限量补充培养法 逐个检出法 影印接种法 制霉菌素法
（1）低频转导（LFT）
定义：指通过一般溶 源菌释放的噬菌体所 进行的转导，引起只 能形成极少数（104~10-6）转导子，故 称低频转导。
（2） 高频转导（HFT）
定义：局限转导中，若对双重溶源菌进行诱导， 就会产生含50%左右的局限转导噬菌体的高频转 导裂解物，用这种裂解物去转导受体菌，可获得 高达50%左右的转导子，故称高频转导。 双重溶源菌：同时感染有正常噬菌体和缺陷噬菌 体的受体菌。双重溶源菌被紫外线等诱导时，正 常的噬菌体（如）具有补偿缺陷噬菌体（如 dgal）所缺失的部分基因的功能，使两种噬菌体 同时获得复制；存在于双重溶源菌的正常噬菌体 被称作助体噬菌体。
（一）突变的类型 按是否在选择性培养基上比较容易、迅速地分离 和鉴别来分：
营养缺陷型 抗性突变型 条件致死突变型 选择性突变株
突变株的表型
形态突变型
非选择性突变株 抗原突变型 产量突变型
（二）突变的特点
1、稀有性：突变率低； 2、独立性：各种突变独立发生，不会互相影响； 3、可诱变性：诱变剂可提高突变率； 4、稳定性：变异性状稳定，可遗传； 5、可逆性：正向突变；回复突变或回变； 6、自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自 发地产生； 7、不对应性：突变的性状与引起突变原因之间无直 接的对应关系。
丫啶类 紫外线
电离辐射
加热 Mu噬菌体
2、自发突变 (spontaneous mutation)
自发突变 ：是指生物体在无人工干预下自然发生 的低频率突变。
原因： （1）由背景辐射和环境因素引起； （2）由微生物自身有害代谢物引起； （3）由DNA复制过程中碱基配对错误引起等； （4）转座（Indel诱变假说）。
（1）碱基置换 转换：嘌呤被嘌呤所置换或嘧啶被嘧啶所置换； 颠换：嘌呤被嘧啶所置换或嘧啶被嘌呤所置换。
（2）移码突变 诱变剂使DNA序列中一个或少数几个核苷酸增添 或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码的阅 读框架发生改变，引起转录和转译错误的突变；
（3）染色体畸变
某些强烈理化因子， 如电离辐射（X射 线等）和烷化剂、 亚硝酸等引起DNA 分子的大片段损伤。
（四）紫外线对DNA的损伤及其修复 1、损伤机制 紫外线的主要作用是使同链DNA的相邻嘧啶 间形成共价结合的嘧啶二聚体。二聚体的出现会 减弱双链间氢键的作用，并引起双链结构扭曲变 形，阻碍碱基间的正常配对，影响DNA的复制和 转录，从而引起突变或使细胞死亡。
2、修复机制
（1）光复活作用 经紫外线照射后的 微生物立即暴露于 可见光下时，可明 显降低其死亡率的 现象，称为光复活 作用。（光解酶）
光滑型（S） 粗糙型（R）
有 荚 膜 菌落光滑 分泌毒素 致 病
无 荚 膜 菌落粗糙 无 毒 不 致 病
S型
R型
2、方法 转化实验（1）动物实验
转化实验（2）细菌培养实验
热死S菌—————不生长 活 R 菌—————长出R菌 热死S菌—————长出大量R菌和10-6S菌
+活R菌
平皿培养
பைடு நூலகம்
转化实验（3）S型菌无细胞抽提液试验 活R菌+S菌无细胞抽提液 长出大量R菌和少量S菌
（2）切除修复（暗修复）
是活细胞内一种用于修 复被紫外线等诱变剂 （包括烷化剂、X射线和 γ射线等）损伤后的DNA 的机制。这种修复作用 与光无关。
二、突变与育种
（一）自发突变与育种 （二）诱变育种 指利用物理、化学等诱变剂处理均匀分散 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 试验或生产实践使用。
不同培养皿 鉴定缺陷型
生长谱法
抗生素法
菌丝过滤法
夹层培养法
逐个检出法
影印接种法
营养缺陷型的鉴定——生长谱法 [+]
无菌水洗下
离心清洗后配成菌悬 液（107-108/ml）
0.1ml
培养
.
[-]
举例——枯草杆菌氨基酸缺陷型
菌体前培养
（使细胞处于对数生长期）
细胞悬浮液制备 （调整细胞浓度为108个/ml）
2、质粒的种类 按其功能划分： （1）接合性质粒：如F质粒； （2）抗药性质粒：如R质粒； （3）产细菌素的质粒：如Col质粒； （4）具有生理功能的质粒：如固氮的mega质粒、 降解性质粒等； （5）产毒质粒：如Ti质粒。
第二节 基因突变和诱变育种
一、基因突变（gene mutation） 基因突变简称突变，泛指细胞内遗传物质的分子 结构或数量突然发生的可遗传的变化，可自发或 诱导产生。（野生型、突变型） 突变率：每一细胞在每一世代中发生某一性状突 变的几率。也可以用每一单位群体在每一世代中 产生突变株的数目来表示。 突变率=突变细胞数/分裂前群体细胞数
1、诱变育种的基本环节
2、诱变育种的原则
（1）选择简便有效的诱变剂； （2）挑选优良的出发菌株； （3）处理单细胞或单孢子悬液； （4）选用最适的诱变剂量； （5）充分利用复合处理的协同效应； （6）利用和创造形态、生理与产量间的相关指标； （7）设计高效筛选方案； （8）创造新型筛选方法。
Ames test
3、转化过程
4、转染 (transfection)
用提纯的病毒核酸（DNA或RNA）去感染其宿主 细胞，可增殖出一群正常病毒后代的现象称为转 染。 与转化的区别： ①病毒或噬菌体并非遗传基因的供体菌； ②中间不发生任何遗传因子的交换或整合； ③最后不产生具有杂种性质的转化子。
（二）转导 (transduction) 定义：通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的小 片段DNA携带到受体细胞中，通过交换与整合， 使后者获得前者部分遗传性状的现象。由转导作 用而获得部分新性状的重组细胞称为转导子。
一、原核生物的基因重组
（一）转化（transformation）
1、定义：受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获 得后者部分遗传性状的现象。形成的重组细胞称 为转化子。 2、影响菌株间发生转化的因素 ①与它们在进化过程中的亲缘关系有关； ②最易与细胞表面结合的是dsDNA； ③转化需要的最低DNA浓度极低（10-5µ g/ml）; ④ 发生转化的细胞必须处于感受态（受体细胞 最易接受外源DNA片段并能实现转化的一种生 理状态）。
3、溶源转变
（lysogenic conversion） 当温和噬菌体感染其宿 主而使之发生溶源化时， 因噬菌体基因整合到宿 主基因上，而使后者获 得了除免疫性以外新性 状的现象，称溶源转变。
理论依据：一切生物的遗传物质基础都是核酸， 所以任何能改变核酸结构的因素都可引起核酸生 物学功能的改变。 生物的“三致”（致突变、致畸变、致癌变） 物质可引起核酸结构的改变，从而引起其功能的 改变。 基本原理：Salmonella typhimurium 的his-菌株在 [-]的平板上不能生长，如发生回复突变，则能生 长。
3、3类突变株的筛选方法
春日霉素产生菌的孢子悬液 诱变 （1）产量突 涂布平板 变株的筛选 培养2天（ 29℃）
培养4-5天
生物鉴定板上含供试菌种
(29℃ )
培养17-18小时 (29℃） 检查抑菌圈的大小
（2）抗药性突变株的筛选
（3）营养缺陷型突变株的筛选
①与筛选营养缺陷型有关的三类培养基 基本培养基(minimal midium，MM) — [-]； 完全培养基(complete medium，CM) — [+]； 补充培养基(supplemental medium，SM) —[A]
O.T.Avery、C.M.MacLeod和M.McCarty, 1944
①加S菌DNA ②加S菌DNA及DNA酶以外的酶 ③加S菌的DNA和DNA酶 ④加S菌的RNA ⑤加S菌的蛋白质 ⑥加S菌的荚膜多糖
长出S菌
活R菌
只有R菌
（二）噬菌体感染实验
A. D. Hershey和 M. Chase， 1952年 DNA含P不含S， Pr含S不含P。
（二）原核生物的质粒 1、质粒的定义和特点 定义：指游离于原核生物核基因组以外，具有独 立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子， 即cccDNA(circular covalently closed DNA)。
特点
（1）超螺旋结构； （2）携带某些核基因组上所缺少的特殊功能的基因； （3）独立存在于细胞内的复制子； （4）当用一些理化因素处理时，可使子代细胞中的质 粒消除； （5）某些质粒可与核染色体发生整合或脱离 — 附加体； （6）质粒与质粒间、质粒与染色体之间具有重组功能； （7）有些质粒不表现任何功能 — 隐蔽性质粒。