微生物的遗传和变异
微生物的遗传与变异
第八章微生物的遗传与变异[教学目的要求]掌握微生物遗传与变异的基本原理，了解微生物育种的基本技术。
[重点与难点]遗传变异的物质基础基因突变和诱变育种基因重组[教学方法与手段]讲授结合多媒体课件[教学时间]8学时[教学内容]第一节：遗传突变的物质基础一、什么是遗传与变异遗传：子代与亲代相似的现象通称为遗传。
保持物种连续性和相对稳定性，是物种存在依据。
保证了种的存在和延续．变异：是子代与亲代间的差异。
可遗传给后代，是物种发展，进化的依据。
推动了种的进化和发展。
微生物特性的改变不一定都是变异，只发生在转录、翻译水平的表型变化是不遗传的。
不是变异。
表型(phcnotype)：是指遗传特性在—定环境条件下的具体表现。
微生物变异发生最快、迅速、常见。
不一定都是变异或都能遗传。
突变：是遗传物质核酸（RNA，DNA）中的核苷酸顺序发生了稳定的可遗传的变化。
（合段发生改变，而引起遗传性状改变）包括：染色体突变和基因突变。
微生物主要是基因突变。
二、DNA是遗传变异的物质基础(一)从孟德尔的粒子到DNA双螺旋结构1865（1866）年：孟德尔：发现遗传规律分离、自由组合规律1893年：Overton 发现植物细胞减数分裂。
1900年：重新发现孟德尔定律，建立遗传学。
1901年：发现X染色体。
1902年：建立细胞遗传学。
1903年W．S．Sutton，染色体的遗传行为与性状的遗传行为有着平行的关系。
1905年：Wilson 发现性染色体1905-08年：发现连锁基因。
1906年：提出性染色体。
1909年：丹麦生物学家W.L.Johannsen提出基因概念。
1910年：摩尔根（Morgan）建立基因学说。
1913年：减数分裂与孟德尔定律联系起来。
得到正确解释。
1910-27年：连锁互换。
1935年：电镜问世。
20世纪40、50年代，3个典型实验：1944年：肺炎双球菌转化。
遗传信息物质是DNA，核酸水平1952年：Watson Crick 提出DNA结构。
第七章微生物的遗传和变异
大肠埃希菌
乳糖
环境无乳糖，则不产生三种酶
含链霉素培基 痢疾杆菌 依赖链霉素株 ( 耐药菌株 )
耐药性改变：
二、微生物遗传和变异的物质基础 真核微生物的遗传物质： 原核微生物的遗传物质： 病毒的遗传物质：
一、微生物的遗传变异现象
形态与结构变异 菌落形态变异 毒力变异 酶活力变异 抗药性变异
形态改变1
3-6% NaCl 鼠疫杆菌────→多形态性(衰残型) 琼脂培基
青霉素、溶菌酶 正常形态细菌 L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁)
正常霍乱弧菌
霍乱弧菌L型
形态改变2
42-43℃ 炭疽杆菌────→失去形成芽胞能力, 毒性减弱 10-20天 0.1%石炭酸 变形杆菌（有鞭毛） （无鞭毛）
1923年： 胆汁、甘油、马铃薯培养基 牛型结核杆菌 卡介苗 （有毒） 13年(230代) （弱毒，保持抗原性）
毒力改变2
β-半乳糖苷酶 半乳糖苷渗透酶 半乳糖苷转酰酶
中国科学院武汉病毒所菌种保藏中心
单位 缩写
单位名称
单位 缩写
单位名称
各国主要菌种保藏机构
（二） 菌种的复壮 使衰退的菌种恢复原来优良性状。是指在菌种已发生衰退的情况下，通过纯种分离和生产性能测定等方法，从衰退的群体中找出未衰退的个体，以达到恢复该菌原有典型性状的措施。
纯种分离
生物学性状检测 生产性能检测
国内外菌种保藏机构
KIM
德国微生物研究所菌种收藏室
NCIB
英国国立工业细菌收藏所
MIG
德国发酵红叶研究所微生微生物收藏室
CMI
英联邦真菌研究所
RKI
德国科赫研究所
微生物的遗传与变异
•
3、染色体层面 1）不同生物的染色体数目相差很大。 2）单倍体，双倍体，三倍体，多倍体。 3）部分双倍体。
•
4、核酸层面 DNA或RNA; DNA单链或双链; RNA单链或双链; bp（碱基对）; kp（千碱基对）; mp（兆碱基对）。
•
5、基因层面 基因：生物体内一切具有自主复制能力的最
•定向培育一般是指用某一特定环境长期处理某一 微生物培养物(群体)，同时不断对它们进行移种传 代，以达到积累和选择合适的自发突变体的一种 古老的育种方法。由于自发突变的频率较低，变 异程度较轻微，所以培育新种的过程一般十分缓 慢。与诱变育种、杂交育种和基因工程技术相比 ，定向培育法带有守株待兔的被动状态。 •
•
•
•(1)用表面活性剂处理标准TMV，得到它的蛋白质； •(2)从TMV的变种HRV通过弱碱处理得到它的RNA； •(3)通过重建获得杂种病毒； •(4)证实杂种病毒的蛋白质外壳是来自TMV标准株。 •(5)杂种病毒感染烟草产生HR所特有的病斑，说明杂种病毒 的感染特性是由HRV的RNA所决定，而不是二者的融合特征 •(6)从病斑中一再分离得到的子病毒的蛋白质外壳是HR蛋白 质，而不是标准株的蛋白质外壳。以上实验结果说明杂种病 毒的感染特征和蛋白质的特性 是由它的RNA所决定，而不是 由蛋白质所决定，遗传物质是RNA。
无义突变：某碱基突变造成UAG，UAA和 UGA等终止码的出现，导致多肽链合成终 止，原功能丧失。
•
3、表型变化及其分离 1、营养缺陷型——是一种缺乏合成其生存所
必需的营养物，只有从周围环境或培养基中 获得这些营养或其前体物才能生长的突变型 。
2、抗药性突变型——指由于基因突变使菌株 对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生 抗性的一种突变。
微生物的遗传与变异
微生物的遗传与变异微生物是地球上最古老的居民之一，它们在地球的生态系统中发挥着重要的作用。
然而，微生物的遗传与变异特性使得它们能够适应不断变化的环境，并在这个过程中演化出新的物种。
一、微生物的遗传微生物的遗传是通过DNA或RNA等核酸分子来传递的。
这些分子中含有遗传信息，可以指导微生物的生长发育和代谢活动。
微生物的遗传具有以下特点：1、高度多样性：微生物的种类繁多，不同种类的微生物具有不同的遗传信息，因此具有高度的多样性。
2、快速进化：微生物的遗传信息可以很容易地发生突变，这使得它们能够快速适应不断变化的环境。
3、群体遗传：微生物通常以群体形式存在，它们之间的相互作用会影响群体的遗传特征。
二、微生物的变异微生物的变异是指它们的遗传特征发生变化的过程。
这些变化可能是由于环境因素（如温度、湿度、辐射等）的影响，也可能是由于DNA 复制过程中的随机错误。
微生物的变异具有以下特点：1、适应性变异：微生物在适应环境的过程中会发生适应性变异，这些变异有助于它们在特定环境中生存和繁殖。
2、突变：微生物的DNA分子在复制过程中会发生随机错误，这些错误可能导致微生物的遗传特征发生变化。
3、基因转移：微生物之间可以通过基因转移来实现遗传信息的交流，这有助于它们适应新的环境。
三、微生物遗传与变异的实际应用微生物的遗传与变异特性在许多领域都有实际应用。
例如，科学家可以利用微生物的遗传信息来开发新的药物和生物技术产品；通过研究微生物的变异机制，可以为疾病的预防和治疗提供新的思路和方法。
微生物的遗传与变异特性是它们适应不断变化的环境的重要机制之一。
通过深入研究这些特性，我们可以更好地了解微生物的生命活动和演化过程，为人类社会的发展提供更多的帮助和支持。
微生物的遗传与变异课件一、引言微生物，作为生命的基本单元，其遗传与变异的研究对于理解生命的本质和进化机制具有重要意义。
本篇文章将深入探讨微生物的遗传与变异，希望能为相关领域的学习和研究提供有益的参考。
微生物的遗传与变异
微生物的遗传与变异在我们生活的这个世界中，微生物无处不在。
从土壤里的细菌到人体内的菌群，从发酵食品中的酵母菌到导致疾病的病毒，微生物的身影随处可见。
而微生物的遗传与变异，是其生命活动中极其重要的特性，对微生物的生存、繁衍以及与环境的相互作用都有着深远的影响。
首先，让我们来了解一下什么是微生物的遗传。
遗传，简单来说，就是微生物将自身的特性传递给子代的过程。
微生物通过遗传，能够把它们适应环境的特性、代谢途径、生理特征等稳定地传递下去，保证了物种的延续和稳定性。
微生物的遗传物质主要包括 DNA 和 RNA。
对于大多数微生物而言，DNA 是主要的遗传物质，其存在形式多种多样。
细菌的 DNA 通常位于一个环状的染色体上，同时还可能有一些小的环状 DNA 分子，称为质粒。
质粒可以携带一些特殊的基因，比如对抗生素的抗性基因。
病毒的遗传物质则更加多样，有的是 DNA，有的是 RNA，而且其结构也有单链和双链之分。
遗传信息的传递过程，也就是微生物的繁殖过程。
细菌主要通过二分裂的方式进行繁殖，一个细菌细胞分裂成两个子细胞，每个子细胞都获得了与亲代相同的遗传物质。
真菌可以通过出芽生殖、孢子生殖等方式繁衍后代。
病毒则需要侵入宿主细胞，利用宿主细胞的物质和能量来复制自己的遗传物质，并合成蛋白质外壳，最终组装成新的病毒粒子。
接下来，我们谈谈微生物的变异。
变异是指微生物子代与亲代之间，以及子代不同个体之间存在的差异。
这种差异可能是由于遗传物质的改变引起的，也可能是由于环境因素的影响导致的表型变化。
微生物变异的原因多种多样。
基因突变是最常见的一种变异形式，它可以是由于 DNA 复制过程中的错误，或者是外界因素如辐射、化学物质等引起的碱基对的替换、缺失或增加。
基因重组也是微生物变异的重要途径，比如细菌可以通过接合、转化和转导等方式，从其他细菌获得新的基因。
此外，微生物在长期的进化过程中，还可能会发生染色体变异，如染色体的缺失、重复、倒位和易位等。
微生物遗传和变异
微生物的遗传变异和育种遗传 (inheritance) ：是发生在亲子之间即上下代间的关系，即指上一代生物如何将自身的一套遗传基因稳定地传递给下一代的行为或功能，它具有极其稳定的保守特性。
变异：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，亦即遗传型的改变。
注：遗传和变异是生命的最本质特性之一（1）遗传型：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。
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。
（2）表现型：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形态等生物学特征的总和。
注：表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。
（3）表型饰变：即外表的修饰性改变，是发生在转录、转译水平上的变化，不涉及遗传物质的结构改变。
特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为（4）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微生物是遗传学研究中的明星：（1）微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。
（2）很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。
（3）对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。
第一节遗传变异的物质基础一、核酸为遗传的物质基础生物分子：糖类、脂类、蛋白质、核酸1、肺炎双球菌实验证明了：DNA是转化所必需的转化因子；2、噬菌体感染实验证明了：遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质；3、植物病毒的重建实验证明了：在RNA病毒中，遗传物质基础也是核酸，只不过是RNA罢了。
通过上述三个实验证明了：只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式1、细胞水平：在细胞水平上，真核微生物和原核微生物的大部分DNA都集中在细胞核或核区中。
分为原核微生物基因组、真核微生物基因组。
2、细胞核水平：真核生物的细胞核是有核膜包囊，形态固定的真核，核内的DNA与组蛋白结合在一起形成一种在光学显微镜下能见的核染色体；（1）基因组(genome)：一个物种的单倍体内的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称。
微生物学遗传与变异ppt课件
含毒素基因
编码毒素蛋白
• 毒力减弱—— 有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株
卡介苗 Bacillus of Calmette- Guerin,BCG : 卡介二氏用有毒的牛 结核分枝杆菌在含甘油、马铃薯的培养基上，经13年连续230次传 代所获得的一毒力减弱但保留有抗原性的变异株。是 用于人工免疫 以预防结核病的活疫苗。
• 染色体DNA chromosome • 质粒 plasmid • 转位因子 transposable element • 噬菌体 phage
• 染色体DNA
chromosome
• 无内含子 • 重复序列少 • 功能相关基因组
成操纵子
• 病原菌中存在
毒力島（pathogenecity Island)
1．形态结构： EM 下 有 三 种 基 本 形 态 ：
蝌蚪型 微球形 丝形
2．化学组成：
• 噬菌体由核酸和蛋白质组成。 • 核酸是噬菌体的遗传物质，根据其组成可为DNA噬
菌体和RNA噬菌体。
• 蛋白质是噬菌体头部衣壳及尾部的主要组成成份，
能保护噬菌体核酸，决定其外形和表面特征。
噬菌体与细菌的关系
4、耐药性变异variation of virulence
细菌对某种抗生素或药物由敏感变为不敏感即为细菌
的耐药现象。
多重耐药株:同时耐受多种抗生素的菌株。 抗生素依赖菌株：如痢疾志贺菌的赖链霉素菌株。
抗生素
抗生素
敏感
耐药
细菌遗传变异的物质基础
material basis of bacterial heredity and variation
转导频率
普遍性转导
局限性转导
裂解期
微生物遗传变异和育种
★按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞 来分：
选择性突变株（selective mutant）：具有选择标 记（如营养缺陷型、抗性突变型、条件致死突变 型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、 pH值等，就比较容易检出和分离到。
非选择性突变株（non-selective mutant）：无选 择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变 型），能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌 落并找出差异。
免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不 受其伤害。
4.4 Ti质粒（tumor inducing plasmid）
• 即诱癌质粒。 • 存在于根癌土壤杆菌（Agrobacterium
tumefaciens）中,可引起许多双子叶植物的根癌。
• 当细菌侵入植物细胞中后，在其细胞中溶解，把细
菌的DNA释放到植物细胞中。这时，含有复制基 因的Ti质粒的T-DNA小片段与植物细胞中的核染 色体发生整合，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，从而使它转变 成癌细胞。
子进行转化的生理状态。
，交换重组
感受态：促进 自溶素的表达， 使细胞表面的 DNA结合蛋白 和核酸酶裸露 出来，从而使 其能与外源 DNA结合并对 DNA进行切割， 只有一条链能 与特异蛋白结 合进入细胞。 另一条链被核 酸酶降解，产 生的能量用于 核酸链的进入。
鉴定：电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶 切图谱等方法
3 质粒的种类：
1、大肠杆菌的F因子 2、细菌抗药质粒（R因子） 3、大肠杆菌素质粒（Col因子） 4、Ti质粒 5、降解质粒 6、毒性质粒
4.1 F–因子（fertility factor）：又称致
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溶源转变：由于整合了温和噬菌体，溶 源菌产生了新的生理特征。
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第三节 基因突变的分子机制
突变 mutation 指生物体遗传物质的结 构发生了稳定性的改变，可遗传子代。
分为： 点突变 染色体畸变
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32
1、基因突变的规律
1）不对应性：环境与变异无对应性
2）自发性和稀有性： 非人为的诱变因素下自发发生 自发突变率为10-6～10-9
微生物的遗传和变异
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1
本章要点：
遗传变异的物质基础 噬菌体 基因突变的分子机制 突变株的类型及应用 微生物的基因转移与重组
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2
几个概念： 遗传型（genotype） 表型（phenotype）
饰变（modification） 变异（variation）
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结构较简单，长度小于2Kb。只带有与 自身转座功能相关的基因，不带有任何 与插入无关的基因。
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转座子（ transposon, Tn）
结构较复杂，分子量大（2Kb以上），除 了含有与转位有关的基因外，还至少携 带1个决定细菌遗传性状有关的基因（如 耐药性基因、重金属抗性基因、毒素基 因等）。
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11
DNA的二级结构
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Hale Waihona Puke 12基因（gene)
携带生物遗传信息、控制一个特定性状的 结构单位及功能单位。
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13
原核微生物（细菌）基因组成：
由结构基因、操纵基因、启动子、 调节基因共同组成
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14
二、质粒
质粒：
细胞核外染色体，具有独立复制能力的小型共价、 闭合、环状的DNA分子。即cccDNA （circular covalently closed DNA）
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21
常见转座子种类
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
转座子
携带的耐药/毒素基因
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
3
遗传型（genotype）
又称基因型，指某一生物所含有的全部 遗传因子，即基因型所携带的遗传信息。
遗传型＋环境条件
表型
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4
表型（phenotype）
指某一生物所具有的一切外表特征和内 在特性的总和。
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5
第一节 遗传变异的物质基础
一、微生物的遗传物质
证明: 核酸，尤其是DNA，是遗传、变异 的真正的物质基础。
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15
质粒的特性：
具有独立复制能力；
转移特性：少数质粒在不同菌株间可发生转移， 如：F因子、R因子
重组能力：质粒之间、质粒与核染色体之间发生重组
质粒消除：子代细胞中质粒丢失的现象 相容性-几种质粒可存在于同一菌体内，称相容性质粒。
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16
有代表性的几种细菌质粒：
F因子：致育因子、性因子 R因子：抗药性因子 Col因子：产大肠杆菌素因子 Ti质粒：诱癌质粒 巨大质粒：mega质粒 降解性质粒：代谢质粒
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26
烈性噬菌体的增殖周期：
1）吸附 2）侵入 3）增殖 4）成熟（装配） 5）裂解（释放）
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27
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28
温和性噬菌体
温和性噬菌体侵入宿主细胞后，一般并不引起 宿主细胞的裂解。
在偶尔情况下，其中一个宿主细胞发生裂解， 释放出子代噬菌体。
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29
许多代不发生裂解的宿主细胞中检不到噬菌体的 存在，但它们又具有产生成熟噬菌体粒子的能 力，这种温和性噬菌体侵入宿主细胞所引起的 特性叫溶源性（溶源性细菌）。
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6
三个经典实验：
1）经典转化实验 2）噬菌体感染实验 3）植物病毒重建实验
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7
肺炎球菌转化试验
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8
肺炎球菌转化试验
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9
Avery的实验
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10
DNA结构与功能
结构：双螺旋结构
功能：储存、复制、传递遗传信息
复制方式：半保留复制
中心法则：DNA RNA 蛋白质
3）独立性：一个基因的突变对其它基因突变的 产生无影响。
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33
4）诱变性：诱变剂可提高突变率，10~105倍 5）稳定性：突变性状稳定、可遗传 6）可逆性：有回复突变
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34
2、基因突变的机制：
Tn1 Tn2 Tn3
AP（氨苄青霉素）
Tn4
AP、SM（链霉素）、Su（磺胺）
Tn5 Tn6
Km （卡那霉素）Ble（博来霉素）
Tn1681
大肠埃希菌（肠毒素基因）
Tn971、551
Em（红霉素）
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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17
R因子：抗药性因子 由相连的两个DNA片段组成： RTF质粒：抗性转移因子 R决定质粒：抗性决定子
可作为理想的筛选标记；
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18
转座因子（跳跃基因）
指细胞基因组中，能从一个位置转移到 另一个位置的的一段DNA片段。
种类： 1.插入序列 2.转座子
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19
插入序列（ insertion sequence,IS）
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22
第二节 噬菌体
噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺 旋体等微生物的病毒。
病毒的特性：
个体微小，可以通过细菌滤器 没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成 只有一种核酸 专性细胞内寄生
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23
1、噬菌体的生物学性状
形态 个体小，需用电子 显微镜观察
蝌蚪形、微球形和 细杆形
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24
E.coli T4噬菌体为例：
头部：廿面体对称 尾部：螺旋对称
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25
2、噬菌体与宿主细胞的关系
烈性噬菌体：噬菌体进入宿主细胞后， 完成五个阶段，最后导致宿主细胞裂解 死亡。
温和性噬菌体：噬菌体吸附并侵入宿主 细胞后，噬菌体的DNA整合至宿主的核 染色体组上，可长期随宿主DNA的复制 而同步复制，不引起宿主细胞的裂解。