5微生物的遗传和变异

第五章微生物的遗传和变异本章要点：1.遗传变异的物质基础。

2.基因突变的特点和机制。

3.菌种如何选育及如何诱变育种?4.基因重组。

5.基因工程的原理和操作步骤。

6.如何保藏菌种？5.1 基因对遗传性状的控制遗传变异的物质基础曾是生物学中激烈争论的重大问题。

1944年Avery等人以微生物为研究对象进行的三个经典实验有力地证实了核酸是遗传物质，基因是其信息单位，染色体是其存在形式。

一.证明核酸是遗传变异的物质基础的经典实验1.转化实验转化指A品系的生物吸收了来自B品系生物的遗传物质从而获得B品系的遗传性状的现象。

转化现象是格里菲斯（Griffith）于1928年研究肺炎链球菌感染小白鼠的实验中发现，后经艾弗里（Avery）等于1944年证实的。

2.噬菌体感染实验1952年，侯喜（，用放射性同位素标记大肠杆菌T2噬菌体进行实验(图5-1)。

图5-1 噬菌体感染实验3.植物病毒重建实验1956年Fraenkel-Conrat等用含RNA的烟草花叶病毒进行了病毒(TMV)重建实验(图5-2)，证实了RNA是遗传物质。

图5-2 TMV重建实验5.1.2 DNA的结构与复制一.DNA的化学组成DNA是一种大分子化合物，由4种核苷酸组成。

每一种核苷酸又由碱基、脱氧核糖和磷酸3部分构成。

4种核苷酸的差异仅在于碱基不同。

在DNA中，4种碱基是；腺嘌呤 (adenine，A)、鸟嘌呤(guanine，G)、胞嘧啶(cytosine，C)和胸腺嘧啶(thymine，T)。

脱氧核糖1位上的碳原子与嘌呤9位上的氮原子相连，5位上的碳原子与磷酸相连，就构成了4种不同的核苷酸。

二.DNA的双螺旋结构模型1953年美国遗传学家沃森(James Deway Watson)和英国物理学家克里克( Francis Harry Compton Crick)根据英国晶体衍射专家维尔金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)对脱氧核糖核酸的X射线衍射资料，以及碱基含量分析、键长键角资料、酸碱滴定数据等，提出了像麻花、油条一样扭在一起的DNA双螺旋结构模型（图5-3、5-4）。

图5-3 DNA的一级结构图5-4 DNA分子双螺旋结构示意图三.DNA的复制通过实验证明，DNA的复制是以半保留复制(semiconservative replication)形式进行的。

其复制过程是这样的：首先碱基对间的氢键断裂，两条核苷酸链的螺旋松开，碱基显露出来，就像拉链一样拉开。

然后以每条单链为模板，按照碱基对互补的要求，在DNA多聚酶的催化作用下，通过碱基配对，逐渐合成一条新的核苷酸链，再和旧链形成新的双螺旋。

5.2 基因突变突变泛指细胞内(或病毒颗粒内)的遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。

突变往往导致产生新的等位基因及新的表现型。

狭义的突变专指基因突变，也称点突变，而广义的突变则包括基因突变和染色体畸变。

突变的概率一般很低，约为10-6×10-9。

突变是工业微生物产生变种的根源，是育种的基础，但也是菌种发生退化的主要原因。

基因突变的类型极为多样。

人们可从不同的角度对基因突变进行分类，并给以不同的名称。

根据突变体表型不同，可把突变分成以下几种类型：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、其他突变型。

一.碱基置换及其对遗传信息的影响碱基置换是指DNA中核苷酸的一个碱基被另一个碱基所取代。

其中一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所取代（G→C或C→G），叫颠换(transversion)；如果一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所取代，称转换(transition)。

根据它们对氨基酸序列的影响不同，可分为下列几种情况：1.同义突变：由于遗传密码具有简单性，所以有些碱基替换并不造成氨基酸的变化。

2.错义突变：指碱基替换后引起氨基酸序列的改变。

有些错义突变严重影响到蛋白质的活性，甚至使活性完全丧失，从而影响了基因的表型。

3.无义突变：编码区的单碱基突变导致终止密码子的形成，使mRNA的翻译提前终止，形成不完整的肽链，因而其产物一般是没有活性的。

二.移码突变及其产生由于在DNA分子的编码区插入或缺失非3的整数倍个(1个、2个或4个)核苷酸而导致的阅读框架的位移。

因为遗传信息是按3个碱基为一组依次排列而成的，蛋白质的翻译是从起始密码子开始，按密码子顺序依次向下读码。

当在起始密码子后面加入1个、2个或4个碱基后，则后面的所有密码子的阅读框都发生改变，结果翻译出来的蛋白质的氨基酸序列与野生型完全不同。

当然，如果插入或缺失的碱基正好是3个或其整数倍，那么在翻译出的多肽上可能是多一个、几个或少一个、几个氨基酸，而不完全打乱整个氨基酸序列。

三.缺失和重复大片段的缺失或重复(超过几个碱基对)是基因突变的主要原因之一。

特别是在放线菌中的自发突变中，缺失或重复范围从几个基因到几十个基因。

5.2.3 基因突变的特点一.不对应性：即突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。

二.自发性：由于自然界环境因素的影响和微生物内在的生理生化特点，在没有人为诱发因素的情况下，各种遗传性状的改变可以自发地产生。

三.稀有性：生物的基因自发突变是随时发生的，但发生的几率是很低的，即突变率很低，也很稳定，一般在10-6～10-9之间。

这反映了物种和基因的相对稳定性。

四.独立性：基因突变的发生一般是独立的，即在某一群体中既可能发生抗青霉素的突变型，也可发生抗链霉素或其他某药物的突变型，而且还可发生不属抗药性的突变型。

五.可诱变性：通过各种物理、化学诱变剂的作用，提高突变率，一般可提高10～105倍。

六.可逆性：基因突变的过程是可逆的。

通常存在于某种生物中的野生型基因A可突变为对应的基因a，这个过程称为正向突变；反之，由基因a也可以突变成野生型基因A，称为回复突变或回变。

七.稳定性：突变的根源是遗传物质结构发生了稳定的变化，产生的变异性状是稳定的、可遗传的。

突变是DNA分子结构或数目的变化。

据引起变化的原因可分为自发突变和诱发突变；据DNA变化的程度可分为基因突变和染色体畸变。

一.碱基置换A＝T T＝A 颠换C＝G G＝C 转换碱基对的转换可由互变异构和化学诱变引起。

1.互变异构在DNA分子的四种碱基中，胸腺嘧啶(T)和鸟嘌呤(G)可以酮式或烯醇式出现。

胞嘧啶(C)和腺嘌呤(A)可以氨基式或亚氨基式出现。

在生物体中，一般以酮式和氨基式结构存在。

但在极少数情况下，胸腺嘧啶分子中的N3位上的氢能转移到C4位氧上，使酮式转变为烯醇式，但瞬间即恢复为酮式，这种分子结构上的互变称为互变异构。

如果就在变为烯醇式的瞬间，DNA的复制刚好到达这一部位，这时的胸腺嘧啶就不再与腺嘌呤配对，而与鸟瞟岭配对。

2.化学诱变剂引起的碱基对置换能够引起DNA分子中碱基对置换的诱变剂很多，常见的有碱基结构类似物，如亚硝酸、羟胺、烧化剂等。

它们可直接或间接地引起DNA分子的碱基对置换。

二.移码突变移码突变指DNA分子中增添或缺失少数几个碱基对，而造成其后面全部遗传密码发生转录和翻译错误的基因突变。

点突变一般只涉及到一个密码子的改变，而移码突变涉及到了突变点以后所有密码子的改变，因此是一类影响较大的突变。

与染色体畸变相比，移码突变仍属于DNA分子的微小损伤。

三.染色体畸变由于某些理化因素的作用造成DNA分子的大损伤所引起的突变叫染色体畸变。

包括染色体的缺失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化。

染色体结构上的变化可分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。

引起染色体畸变的原因很多，可以自发地进行，也可以诱发进行。

亚硝酸等诱发点突变的诱变剂，也可引起染色体畸变。

物理诱变剂一般以引起染色体畸变为主。

1.紫外线：DNA具有强烈的紫外吸收能力，尤其是核酸链上的碱基对。

其主要生物学效应是其对DNA的作用，包括使DNA链断裂、DNA链内或链间交联、嘧啶碱的水合作用及胸腺嘧啶二聚体的形成。

2.X射线、γ射线和快中子：X射线、γ射线和快中子等属于电离辐射，穿透力强，碰到原子或分子便产生次级电子，次级电子可产生电离作用。

它们的直接效应是碱基间、DNA间、糖与磷酸间的化学键断裂；间接效应是电离作用引起水或有机分子产生自由基作用于DNA分子，导致缺失或其他损伤。

3.热：可使胞嘧啶脱氨基变成尿嘧啶，从而引起碱基配对错误；还可引起鸟嘌呤脱氧核糖键移动，从而在DNA复制时出现碱基对的错配。

4.生物诱变因子：转座因子也是实验室中常用的诱变因子，它们可在基因组的任何部位插入，引起该基因的失活导致突变。

转座因子是细胞中能改变自身位置的一段DNA序列。

5.3 菌种的选育选种是根据微生物的特性，采用各种分离筛选方法，从自然界中或从生产实践中选出符合人们要求的菌种。

育种是根据微生物遗传变异的原理，在已有的菌种基础上，采用诱变或杂交的方法，迫使菌种发生变异，然后在变异的菌株中挑选出符合生产实际要求的菌种。

一.从自然界中选种1.样品采集根据我们的目的到最合适的地方去采集样品。

在这方面，掌握了解微生物的生态知识有利于菌种的筛选。

从土壤中采集样品，又称采土。

采土的时候，应注意土壤肥瘦、采土深度、采土季节、采土方法。

2.增殖培养增殖培养是往样品中加人适合某些微生物生长繁殖的物质，或创造有利于某些微生物生长繁殖的环境条件，这样就促进了某些微生物大量繁殖，如往土样中加入一些石油，能利用石油的微生物容易生长繁殖；把土样加入到含糖浓度高的培养基中，并把pH调到4以下，就可使酵母菌得到增殖。

3.分离纯化分离纯化有很多方法：平板划线分离法、稀释涂布分离法、单孢直接挑取法、菌丝尖端切割法等。

4.性能测定性能测定分粗测和精测。

粗测又称初筛，主要起定性的作用，一般在培养皿上进行。

经初筛后的菌种还要进行精测，才能适合生产的需要。

精测又称复筛，一般采用接近生产工艺条件的三角烧瓶液体进行振荡培养或用台式发酵罐进行发酵，然后测定发酵液，再进行分析比较，最后选出比较理想的菌种。

二.从生产中选种在生产过程中，经常注意那些菌体形态或菌落性状以及某些生理性能上发生自然变异的微生物，将它们挑选出来，进行比较试验，有时可以选出更加理想的菌种。

一.自发突变的原因引起微生物自发突变的因素很多，主要有以下几方面：DNA复制、微生物自身产生诱变物质、环境对微生物的诱变作用等。

二.自发突变的偶然性及其热点S. Luria等人提出突变是一个偶然事件，突变概率很低，这些突变可发生在任一瞬间、任一碱基，这是难以预见的，因此任何时间、任何基因或任一个基因位置都有可能发生突变，这似乎说明突变是随机的，但有些事实证明突变并非是完全随机的，突变位置也并非是完全随机分布的。

发现突变热点和突变频率有某种规律性。