第七章微生物的遗传变异和育种1

E. coli的pBR322质粒
3、代表性质粒
（1）F质粒（fertility factor） 又称F因子、 致育因子或性因子，是 大肠杆菌等细菌中决定 “性别”的质粒。可通 过接合转移。
（2）R质粒（resistance factor） 又称R因子或抗药性 质粒，具有多种抗生素抗性基因，并且可以在不同细 菌中传递。可作为基因工程的载体。
（1）严谨型质粒：其复制过程与核染色体的复制同 步，一般细胞中只含有1~2个质粒；
（2）松弛型质粒：其复制过程与核染色体的复制不 同步，在细胞中一般有10~15个质粒。
质粒消除：质粒的复制受到理化因素的影响不能进行 复制，而核染色体的复制继续进行，从而引起子代细 胞中不带质粒的现象。
质粒整合：质粒插入到核基因组中的现象，如F因子。
5、基因水平
基因：生物体内，具有自主复制能力的遗传功能单位。
基因的物质基础是一个具有特定核苷酸顺序的核酸片段。每 一个基因的分子量约为6.7×105Da，约含1000~1500bp( 碱基 对)，每个细菌一般含有5,000~10,000个基因。
基因概念和种类；原核和真核的基因调控系统（遗传学书）
几个概念：
遗传（heredity）：是指亲子关系，上代生物如何将自身 的遗传基因稳定地传给子代的行为和功能，具有保守性。
遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含 有的全部遗传因子的总和。它是一种内在的可能性或潜力， 其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。
表型（phenotype）：指某一生物体所具有的一切外表特 征及内在特征的总和，是遗传型在合适环境下的具体体现， 是一种现实性。
DNA能使R型转化为S型。所以DNA是肺炎双球菌的遗 传物质。
2、噬菌体感染实验
• 1952年，A.D.Hershey和M.Chase发表了证明DNA是噬菌体的遗传物 质基础的著名实验。首先，他们将E. coli 培养在以放射性32PO43-或 35SO42-作为磷源或硫源的组合培养基中。结果，可以获得含32P-DNA 的噬菌体或含35S-蛋白质的两种实验用噬菌体。接着他们做了以下两 组实验：
• 当用TMV的RNA与 HRV的蛋白质外壳重 建后的杂合病毒去感 染烟草时，烟叶上出
现的是典型的TMV病 斑。再从中分离出来 的新病毒也是未带有
任何HRV痕迹的典型 TMV病毒。反之，用 HRV的RNA与TMV 的蛋白质外壳进行重 建时，也可获得同样 的结论。这充分说明，
在RNA病毒中，遗传 的物质基础也是核酸。
原核生物的基因调控系统
原核生物的基因调控系统是由一个操纵子(operon)和它的调节 基因(regulator gene)组成的。
一个操纵子又包含3种基因：
结构基因(structure gene)：结构基因是通过转录和翻译过程 来执行多肽(酶及结构蛋白)合成。
操纵基因(operator)：操纵基因是与结构基因紧密连锁在一 起的，是阻遏蛋白的附着部位，它能控制结构基 因转录的 开放或关闭。
3、染色体水平 （1）染色体数： 在不同生物体的每个细胞核内，往往有 不同数目的染色体。真核生物常有较多的染色体；而原核 生物的核质体中只有一个裸露的、光镜不可见的环状染色 体，所以对原核生物来说，染色体水平实际上与核酸水平 相同。 （2）染色体倍数：除染色体的数目外，染色体的套数也不 同。如果在一个细胞中只有一套相同功能的染色体，它就 是一个单倍体。在自然界中发现的微生物，多数都是单倍 体的；包含有两套相同功能 染色体的细胞，就称为双倍体。 只有少数微生物如酿酒酵母的营养细胞以及由两个单倍体 的性细胞通过接合或体细胞融合而形成的合子，才是双倍 体。在原核生物中，通过转化、转导或接合等过程而获得 外源染色体片段时，只能形成一种不稳定的称作部分双倍 体的细胞。
生物
一些真核生物和原核生物基因组的比较
单倍体的染色体 数
分子量约数
核苷酸对数
人
23
3~~5×1012
5~~7×109
黑腹果蝇
4
7．9×1010
8．0
4．5×107
大肠杆菌
1
2．5×109
3．8×106
噬菌体T4
1
1．1×108
2．0×105
噬菌体λ
1
3．2×107
2、细胞核水平 （1）核内染色体：真核生物的细胞核外被核膜，核内的
DNA与组蛋白结合在一起，形成结构稳定的染色体； 原核生物的类核无核膜，呈松散的核质体状态存在， DNA也不与任何蛋白质结合。 （2）核外染色体：核外遗传物质 A) 真核生物的“质粒” ： 细胞质基因：线粒体、叶绿体； 共生生物：卡巴颗粒； 酵母菌的2um质粒 B) 原核生物的质粒：F因子、R因子、Col质粒、Ti质粒、 巨大质粒、降解性质粒等。
围锁定在染色体上。 进一步的分析表明：染色体=核酸+蛋白质
核酸：四种不同的核苷酸，A、G、C、T（U）； 蛋白质：20种 氨基酸 结论：蛋白质是遗传物质。 1944年以后，三个经典实验得出结论：核酸是遗传物 质。
一、三个经典实验
1、转化实验：1928年，英国医生Griffith用肺炎双球菌作为研究
7、核苷酸水平 核苷酸：最低的突变单位。DNA中： A、T、C、G；
RNA中：A、U、C、G 稀有碱基：5-羟甲基胞嘧啶、5-溴尿嘧啶等
核苷酸及其衍生物：广泛地参与生物体内各类生物化学反应。
•腺苷三磷酸（ATP）和鸟苷三磷酸（GTP）是生命活动广泛需要 的能源； •环腺苷酸（cAMP）、环鸟苷酸（cGMP）和2’,5’-寡聚腺苷酸是 代谢调节信号分子； •烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）、烟酰胺腺膘吟二核苷酸磷酸 （NADP+）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和辅酶A （CoA）是 广泛存在的辅酶； •UDP-葡萄糖、CDP-胆碱等参与糖代谢和磷脂代谢。 •肌苷酸（5’-IMP）、鸟苷酸（5’-GMP）是味精的助鲜剂。
1984年后，发现线形质粒。
结构：超螺旋结构，麻花状。
大小：相对分子量106-108，相当基因组的1%大小。
存在意义：质粒上携带某些核基因组上所缺少的基 因，使细菌等原核生物获得了某些对其生存并非不 可缺少的特殊功能，例如接合、产毒、抗药、固氮、 产特殊酶或降解环境毒物等功能。
根据其复制行为分两种类型：
变异（variation）：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，即遗传型的改变。 其特点是出现频率低、可稳定遗传。
饰变（modification）：指不涉及遗传物质的改变而只发 生在转录、转译水平上的表型变化。其特点是在整个群体 中普遍出现，不能稳定遗传。
本章内容：
启动基因(promotor)：启动基因是转录的起始部位，是RNA 多聚酶附着和启动的部位。操纵基因和启动基因不能转录 RNA，不产生任何基因产物。调节基因一般与操纵子有一 定间隔距离(一般小于100个碱基)，它是调节操纵子中结构 基因活动的基因。
E. coil 乳糖操纵子模型：
6、密码子水平
密码子：负载遗传信息的基本单位，是由DNA链上的三个核 苷酸的特定顺序所决定的。三联密码子一般都用 mRNA上的 3个核苷酸顺序来表示。
存在于根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）之
中，可引起多种双子叶植物的根癌。Ti质粒是当今植物基 因工程研究中的重要载体。
（5）Ri质粒（root inducing plasmid）：Agrobacterium rhizogenes 可侵染双子叶植物的根部，并诱生大量称为 毛状根的不定根。
质粒的重组功能：质粒与质粒间、质粒与染色体间。
2、质粒在基因工程中的应用
质粒具有很多有利于基因工程操作的优点： ＊体积小，便于DNA的分离和操作 ＊呈环状，性能稳定 ＊独立的复制 ＊拷贝数多，使外源DNA可很快扩增 ＊存在抗药性基因等选择性标记，便于含质粒克隆
的见出和选择 E. coli的pBR322质粒
• 将TMV放在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将它的蛋 白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白 质外壳包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状， 而且在病斑中分离出正常病毒离子。当然，由于RNA是 裸露的，所以感染频率低。在实验中，还选用了另一株 与TMV近缘的霍氏车前花叶病毒（HRV）。
这说明加热杀死的S型菌内，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型细胞获得稳定的遗传性状。
1944年，美国科学家Avery等人又对实验进行了修改： • 加热杀死的S型菌——体外培养——没有生长现象 • 活的R型菌——体外培养——只能分离出R型菌 • 二者混合培养——能同时分离出S型菌和R型菌（S型菌 能分离给后代）； • 从加热杀死的S型菌分离种种物质，如蛋白质、荚膜多 糖、DNA、RNA等，分别与R型菌体外培养
对象做了几组实验
（2）用活的无荚 膜的菌株注射入小 白鼠中，结果小白 鼠未死；
（3）将S型菌高温杀死 后再注入小白鼠中，结 果小白鼠也健康地活着；
肺炎双球菌
（1）用活的有荚膜的肺炎双球菌S型菌株注射入小白 鼠中，结果小白鼠得败血病死亡；
（4）在高温杀死的S 型菌中加入活的R菌 后，再注入小白鼠中， 不仅小鼠死亡，而且 还能从尸体内分离出 活的有荚膜的S型菌 种。
• 从以上实验中可看到，在噬菌体的感染过程中，其蛋 白质外壳未进入宿主细胞。进入宿主细胞的只有DNA， 但经增殖、装配后，却能产生一大群既有DNA核心又 有蛋白质外壳的完整噬菌体颗粒。这就证明，在其 DNA中，含有包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信 息。
3、植物病毒的重建实验
• 1956年，H.Fraenkel-Conrat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。
上面讲的基因水平，实际上是一个遗传的功能单位，密码 子水平是一个信息单位，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。