第八章 微生物的遗传变异和育种 第一节 遗传变异的物质基础

250kb的Ri质粒中的一段T-DNA整合到宿主根部 细胞的核基因组中，可发生转化。
Ri质粒是外源基因的良好载体！
（6）mega质粒（megaplasmid）
即巨大质粒，其相对分子量比一般质粒大几
十倍至几百倍，存在于Rhizobium（根瘤菌属）中， 其上有一系列与共生固氮相关的基因。
（7）降解质粒 这类质粒是由降解一系列复杂有机物的酶编码， 所以在污水处理、环境保护等方面发挥作用。
（1）F质粒（F plasmid）
又称F因子、致育因子（fertility factor）或性 因子（sex factor），其大小约100kb，为cccDNA， 这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象 （接合作用）有关的质粒。
携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性）， 无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。
7. 核苷酸水平
腺苷酸（AMP） 胸苷酸（TMP） 鸟苷酸（GMP） 胞苷酸（CMP） 5－羟甲基胞嘧啶
① 每个碱基对（bp）的平均相对分子质量约为650； ② 1×106的dsDNA约为1.5kb（千碱基对）或0.5mm （长度）； ③ 3nmol碱基的重量约等于1 mg。
（二）原核生物的质粒
只在假单胞菌属（Pseudomonas）中发现降解质粒。
降解质粒以其所分解的底物命名， 例如， CAM（樟脑）质粒， OCT（辛烷）质粒， XYL（二甲苯）质粒， SAL（水杨酸）质粒， MDL（扁桃酸）质粒， NAP（萘）质粒， TOL（甲苯）质粒等
“超级菌”
通过遗传工程手段构建具有数种降解质粒的菌株， 具有广谱降解能力的工程菌。
抗性决定因子（r-determinant）
大小不很固定，相对分子量从几百万至11×108以上， 无转移功能，含各种抗性基因，如抗青霉素、氨苄青 霉素、氯霉素、链霉素、卡那霉素和磺胺等基因。
由RTF和r决定子结合而形成R质粒的过程：
抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性 的重要原因之一。
R质粒的种类很多， 例如，R1（94kb）和R100（89.3kb）等。
（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。
HRV
霍氏车前病毒 的蛋白质外壳
HMV
烟草花叶病毒的核酸 抗血清处理，证明杂 种病毒的蛋白质外壳 来自病毒1，而非病 毒2
杂种病毒的后代的 蛋白质外壳表现为 病毒2，而非病毒1
遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质
二、朊病的发现与思考
亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止 尚为发现该蛋白内含有核酸。
其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrP c改变折叠 状态为PrP sc所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改 变。
思考
1）蛋白质是否可以作为遗传物质？ prion是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？
2）蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？
本章小结
1. 真核微生物包括
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
——噬菌体感染实验
32P－DNA核心的噬菌体 35S－蛋白质外壳的噬菌体
在DNA中存在着包括 合成蛋白质外壳在内 的整套遗传信息。
（三）植物病毒的重建实验
为了证明核酸是遗传物质，H. Fraenkel-Conrat
细菌素
抗生素
抑制或杀死近缘，甚至同种不同株的细菌 较广的抗菌谱
通过核糖体直接合成的多肽类物质
一般是次级代谢产物
编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位 一般无直接的结构基因，相关酶的基因多在
于质粒或转座子上
染色体上
细菌素结构基因、 涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、 赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因
一般都位于质粒或转座子上， 细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。
细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：
大肠杆菌（E. coli）产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素）， 而质粒被称为Col质粒。
Col E1质粒：相对分子量小（9kb，约5×106），无接合作 用，是松弛性控制、多拷贝的； ColⅠb质粒：相对分子量大（94kb，约8×107 ），具有通 过接合而转移的功能，属严紧型控制，只有1～2个拷贝。
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10-6-10-9）
（4）饰变（modification）
表型饰变：
指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译 水平上的表型变化。
表型的差异只与环境有关
特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为
橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。
微生物是遗传学研究中的明星：
最早进行转化（transformation）实验的是F.
Griffith（1928年），他以Streptococcus pneumoniae （肺炎链球菌，旧称“肺炎双球菌”）作为研究对象 。
S型
R型
（1）动物实验
S型，著致名病菌的，肺炎球菌转化R型试，验非致病菌，
具荚膜，菌落表面光滑（smoth）无荚膜，菌落表面粗糙（rough）
R100质粒（89kb）可使宿主对下列 药物及重金属具有抗性： 汞（mercuric ion ，mer） 四环素（tetracycline，tet ） 链霉素（Streptomycin, Str）、 磺胺（Sulfonamide, Su）、 氯霉素（Chlorampenicol, Cm） 夫西地酸（fusidic acid，fus） 并且负责这些抗性的基因是成簇地存 在于抗性质粒上。
微生物学
浙江工业大学生物技术系
裘娟萍 钟卫鸿 邱乐泉 汪琨
第八章 微生物的 遗传变异和育种
遗传（heredity inheritance） ： 亲代与子代相似
变异（variation） ： 亲代与子代、子代间不同个体不完全相同
遗传（inheritance）和变异（variation） 是生命的最本质特性之一
（3）Col质粒（colicin plasmid，col plasmid）
又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素 因子（colicinogenic factor，col factor）。
细菌素（bacteriocin）是质粒编码的蛋白质，一般
由细菌产生，可抑制或杀死其他近缘细菌或同种不 同菌株的代谢产物，但不具有很广的杀菌谱。
质粒的主要功能
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。
4. 质粒的主要类型
质粒所编码 的功能和赋 予宿主的表 型效应
致育因子（Fertility factor，F因子） 抗性因子（Resistance factor，R因子） 产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid） 毒性质粒（virulence plasmid） 代谢质粒（Metabolic plasmid） 隐秘质粒（cryptic plasmid）
（2）R质粒（R plasmid）
又称R因子（R factor）、抗性因子
（ resisitrance plasmid ）。
包括抗药性和抗重金属二大类。
R质粒一般由两个相连的DNA片段组成
抗性转移因子（resistance transfer factor，RTF）
含调节DNA复制和拷贝数的基因以及转移基因， 相对分子量约11×107，具有转移功能；
松弛型复制控制（relaxed replication control）
另一类质粒的复制与核染色体的复制不同步， 在这类细胞中，一般含10～15个或更多质粒。
2. 质粒的分子结构
通常以共价闭合环状（covalently closed circle，简称 CCC）的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；
（4）Ti质粒（tumor inducing plasmid）
即诱癌质粒或冠瘿质粒（crown gall plasmid）。
Ti质粒是一种200kb的环状质粒，包括毒性区（vir）、 接合转移（con）、复制起始区（ori）和T-DNA区4部分。
T-DNA区可携带任何外源基因整合到植物基因组中， Ti质粒是植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体。
1. 定义和特点
质粒：
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。
ocDNA lDNA cccDNA
质粒是一种独立存在于细胞内的复制子（replicon）。
严紧型复制控制（stringent replication control）
质粒的复制与核染色体的复制同步， 在这类细胞中，一般只含1～2个质粒；
加热灭菌
热死S菌＋活R菌
（2）细菌培养试验
（3）S型菌的无细胞抽提液试验
Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验
（1）从活的S菌中抽提各种细胞成分（DNA，蛋白质， 荚膜多糖等）
（2）对各组分进行转化试验
只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性 DNA是转化所必需的转化因子
（二）噬菌体感染实验
也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；
质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb； （细菌质粒多在10kb以内）
3. 质粒的检测
提取所有胞内DNA后电镜观察；
超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；
对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，
如抗药性初步判断。
特定的质粒提取方
法和后处理使染色
体和RNA均被除掉。
Agrobacterium tumefaciens（根癌土壤杆菌或 根癌农杆菌）释放出的Ti质粒上的T-DNA片断与植 物细胞的核基因组整合，合成冠瘿碱类（opines）, 破坏控制细胞分裂的激素调节系统，使之变成癌 细胞。