第八章 微生物遗传和变异

F因子的四种细胞形式
a）F-菌株(“雌性”菌株)，不含F 因子，没有性菌毛，但可以通过接 合作用接收F因子而变成F+菌株；
b）F+菌株(“雄性”菌株)， F因子
独立存在，细胞表面有性菌毛。 c）Hfr菌株，F因子插入到染色体
DNA上，细胞表面有性菌毛。
d）F′菌株，Hfr菌株内的F因子因 不正常切割而脱离染色体时，形成 游离的但携带一小段染色体基因的 F因子，特称为F′因 子。 细胞表面 同样有性菌毛。
1、定义
质粒（plasmid）：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。
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。
2、结构特点
(1) 通常以共价闭合环状超螺旋双链 DNA分子存在 (2) 具有自我复制能力； (3) 质粒基因不是生长所必需，但决 定宿主细胞的某些特性； (4) 具有不相容性； (5) 可自行或以人工方法消除 (6) 可从一个细菌转移给另一个细菌
可遗传、自发或诱变产生
狭义：点突变 基因突变 广义：基因突变和染色体畸变 基因突变 突变型（新性状）
野生型（原始性状）
（一）突变类型
营养缺陷型 选择性突变株 突变株的表型 形态突变型 抗性突变型 条件致死突变型
非选择性突变株
抗原突变型 产量突变型
（二）基因突变的特点
1、自发性：各种性状的突变，可以在没有人为诱变因素下自 发发生。 2、不对应性：突变性状与引起突变的原因间无直接对应关系。 3、稀有性：一般在 10 -6 ~10 -10 。 4、独立性：两个基因发生突变是各不相关的两个事件。 5、可诱变性：过诱变剂的作用，可提高自发突变的频率，一 般可提高 10~105 。
第八章 微生物的遗传和变异
遗传： 亲代与子代相似 变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同 遗传型： 生物的全部遗传因子所携带的遗传信息
表型：
具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育 所表现出来的外表特征和内在特征的总和。
遗传型 （可能性）
环境条件
代谢，发育
表型 （现实性）
表型饰变：表型的差异只与环境有关
局限转导与普遍转导的主要区别： （a）局限转导中被转导的基因共价地与噬菌体 DNA连接，与噬菌体DNA一起进行复制、包
装以及被导入受体细胞中。而普遍性转导包
装的可能全部是宿主菌的基因。 （b）局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固 定的个别基因导入受体，故称为局限性转导。 而普遍性转导携带的宿主基因具有随机性。
证明Ames试验重要性的应用实例：
国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停
”，由于其药效显著，在60-70年代十分流行。 但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生 产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停”，后来采用Ames试 验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这种药 物被禁止使用。 但如果能在这种药物上市之前就进行Ames试验检测， 那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免。
（二）细菌的转导（transduction）
由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式
一个细胞的DNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中
普遍转导 细菌转导的类型：
局限转导
普遍转导（generalized transduction）
噬菌体可以转导供体菌染色体的任何部分到受体细胞中 的转导过程.
转化过程的特点：
a）对核酸酶敏感；
b）不需要活的DNA供体细胞；
c）转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化供体菌 株和转化受体菌株之间的亲源关系； d）通常情况下质粒的自然转化效率要低得多
转染(transfection)：
噬菌体DNA被感受态细胞摄取并产生有活性的病毒颗粒 转染的特点：提纯的噬菌体DNA以转化的（而非感染）途径进入细 胞并表达后产生完整的病毒颗粒。
1） F+×F-杂交
理化因子的处理可将F因子消除而使F+菌株变成F-菌株
2）Hfr ×F-杂交
Hfr菌株仍然保持着F+细胞的特征，具 有F性菌毛，并象F+一样与F-细胞进行接合。 所不同的是，当OriT序列被缺刻螺旋酶 识别而产生缺口后，F因子的先导区(leading region)结合着染色体DNA向受体细胞转移。 F因子除先导区以外，其余绝大部分是 处于转移染色体的末端，由于转移过程常被 中断，因此F因子不易转入受体细胞中。 Hfr×F-杂交后的受体细胞(或接合子)大 多数仍然是F-。
3、质粒的主要种类
致育因子（Fertility factor，F因子） 抗性因子（Resistance factor，R因子） 质粒所编码 的功能和赋 予宿主的表 型效应 产细菌素的质粒（Bacteriocin production
plasmid）
毒性质粒（virulence plasmid） 代谢质粒（Metabolic plasmid）
1、建立了感受态的受体细胞 感受态细胞：具有摄取外源DNA能力的细胞
自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性，受细
菌自身的基因控制；
人工感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNA 的能力，或人为地将DNA导入细胞内 2、外源游离DNA分子（转化因子）
转化过程（革兰氏阳性菌的转化模型）
三、菌种的衰退、复壮和保藏
性状稳定的菌种是微生物学工作最重要的基 本要求，否则生产或科研都无法正常进行。 影响微生物菌种稳定性的因素： a）变异； b）污染； c）死亡。
（一）菌种的衰退与复壮
衰退：菌种出现或表现出负变性状
菌种衰退的原因：大量群体中的自发突变
自发突变
纯菌种
不纯菌种
传代增殖
衰退菌种
突变个体
原始个体
菌种的复壮：
1）从衰退的菌种群体中把少数个体再找出来，重新 获得具有原有典型性状的菌种。 a）纯种分离； b）通过寄主体进行复壮；
2）有意识地利用微生物会发生自发突变的特性，在 日常的菌种维护工作中不断筛选“正变”个体。
பைடு நூலகம்
+ -+ --+++
错误
错误 正常 正常 正常
（3）染色体畸变：缺失、重复、插入、易位、倒位
2、自发突变：无人为因素下的低频率突变原因：
（1）背景辐射
（2）有害产物积累
（3）碱基错配
第三节 基因重组
一、原核生物的基因重组 （一）转化
DNA片段 供体菌
受体菌
1928年，Griffith发现肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）的转化现象,目前已知有二十多个种的细菌具有 自然转化的能力 进行自然转化，需要二方面必要的条件：
3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；
4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝； 5）基因组的重复序列少而短；
2、真核微生物的基因组 1）典型的真核染色体结构；
2）没有明显的操纵子结构；
3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；
4）重复序列多；
3、原核生物和真核生物的基因组比较
（二）原核生物的质粒
普遍性转导的三种后果：
进入受体的外源DNA通过 与细胞染色体的重组交换 而形成稳定的转导子
流产转导
外源DNA被降解，转导失败。
局限转导
温和噬菌体感染
整合到细菌染色体的特定位点上
宿主细胞发生溶源化
溶源菌因诱导而发生裂解时，在 前噬菌体两侧的少数宿主基因因 偶尔发生的不正常切割而连在噬 菌体DNA上 部分缺陷的温和噬菌体 把供体菌的少数特定基因转移到 受体菌中
一、菌种选育 （一）自然选育 （二）诱变选育
以微生物的自然变异作为基础的生产选种的机率并不 很高，一个基因的自然突变频率仅10-6-10-10左右。 诱变育种：以诱发突变为基础的育种，是迄今为止国 内外提高菌种产量、性能的主要手段。 诱变育种的原理是用物理或化学的方法人工诱导基因 发生突变，从而引起菌体发生遗传的变异，在用合理的筛 选方法从群体中筛选出少数具有优良性状的菌株。
隐秘质粒（cryptic plasmid）
4、质粒在基因工程中的应用
质粒的优点： （1）体积小，易分离和操作 （2）环状，稳定 （3）独立复制 （4）拷贝数多 （5）存在标记位点，易筛选 E. coli的pBR322质粒是一个常用的克隆载体
第二节
一、基因突变
基因突变
一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变、
（三）接合(conjugation)
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。
接合机制(大肠杆菌的接合机制)
接合作用是由一种被称为F因子 的质粒介导。 F因子的分子量通常为5×107，上 面有编码细菌产生性菌毛及控制接 合过程进行的20多个基因。 F因子为附加体质粒 既可以脱离染色体在细胞内独 立存在，也可插入（整合）到 染色体上
变量实验（fluctuation analysis）
Newcombe的涂布实验（1949）
影印实验（replica plating ）
（四）基因突变及其机制
1、诱发突变：物理、化学核生物的因素，提高突 变率的人为的作法
（1）碱基的置换
碱基的置换引起的突变
（2）移码突变：添加或缺失核苷酸，引起阅读错误
特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为
粘质沙雷氏菌产色素，斜面 和液体在25 ℃培养产生红 色色素，在 37 ℃条件下培 养则不产生色素。 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 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10-610-9）.
第一节
遗传变异的物质基础