微生物的遗传物质
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科学界才普遍接受了DNA是遗传物质和遗传信息的载体，目前普遍认为：基因是染 色体DNA分子上的一个特定大小的片段。除DNA外，某些病毒（只含RNA的病毒） 也可以RNA作为遗传物质。
二、证明遗传物质的三个经典试验
1. 细菌的转化实验
第一次用实验证实了DNA是细菌的遗传物质。
2. 噬菌体感染实验
➢ 细胞质中，翻译是一个快速 过程，一段mRNA可以相继 与多个核糖体相结合，同时 连续进行多条同一种新肽链 的合成。
➢ 遗传信息流由DNA RNA 蛋白质流动。
➢ RNA的自我复制，反转录
第二节 原核生物染色体及其复制
原核微生物主要有细菌、放线菌和 蓝细菌，DNA是原核微生物染色体 的主要组成成分，含量在80%以上， 其余为RNA和蛋白质。
France
1. 疾病细菌说
2. 巴斯德消毒法
Born Died
German biologist
24 January 1828 Breslau, Prussian Province of Silesia 25 June 1898 (aged 60)
按形状将细菌分为四大类
German physician
Isolation of anthrax, tuberculosis and cholera
Nobel Prize in Medicine (1905)
Koch定律，确立了微生物种的概念
• 1907年，在睡眠虫中发现了微生物的抗药性变异。
• 1928年，在肺炎双球菌中发现了转化现象。
• 20世纪30年代，酵母、草履虫和脉孢菌是仅有几种进行遗 传学研究的微生物，其内容仅限于基因重组和定位。
微生物遗传育种
生命科学技术学院 何璟
2015年3月
朱辉 邓明刚
第一章 绪论
一、基本概念
微生物遗传学：研究微生物遗传体制、遗传和变 异规律的学科。
微生物育种：根据微生物遗传学原理，采用人工 方法引起微生物变异或形成新的杂种，从中选育 出符合要求的优良变种。
二、微生物遗传学的建立和发展 （一） 在成为一门独立学科以前
微生物遗传学 生物化学
发展
分子遗传学
最终解决真核生物的遗传学问题
分子生物学需以微生物作为材料
参考书目：
1. 盛祖嘉等 微生物遗传学 第三版 科学出版社 2007 2. 陈三凤等 现代微生物遗传学 化工出版社 2003 3. 施巧琴等 工业微生物育种学 科学出版社 2003 4. 周俊初等 微生物遗传学 中国农业出版社 1997
只有DNA才具有 T2噬菌体的全部 遗传信息，是噬 菌体的遗传物质。
3. 烟草花叶病毒的重建实验
TMV的蛋白质组成及其引起的病斑特征均由RNA决定，证实在RNA 病毒中，RNA就是病毒的遗传物质。
1953年，Watson和Crick根据X－射线分析结果，确立了DNA 双螺旋结构模型，提供了DNA是遗传物质的分子基础，并开 创了分子遗传学和分子生物学研究的新纪元。
参考书目：
1. 盛祖嘉等 微生物遗传学 第三版 科学出版社 2007 2. 陈三凤等 现代微生物遗传学 化工出版社 2003 3. 施巧琴等 工业微生物育种学 科学出版社 2003 4. 周俊初等 微生物遗传学 中国农业出版社 1997
5. Lewin B et al Genes IX Pearson Education Inc. 2006
5. Lewin B et al Genes IX Pearson Education Inc. 2006
6. Streips UN et al Modern Microbial Genetics John Wiley &
Sons Inc. 2002
思考题：
1. 什么是微生物遗传学？ 2. 微生物作为遗传学研究材料的特点和优越性 ？ 3. 20世纪40年哪五个方面的工作促使了微生物遗传学的建立？ 4. 微生物遗传学与其他学科的相关性如何？
Born 11 December 1843 Clausthal, Kingdom of Hanover
Died
27 May 1910 (aged 66) Baden-Baden, Grand Duchy of Baden
Known for Discovery bacteriology
Koch’s postulates of germ theory
原核生物染色体一般只有一个复制子，在一个复制起点上启 动复制整条染色体。每个质粒都是独立的复制子。原核生物 染色体和质粒的复制起点都以ori表示。
真核生物染色体上有许多个复制子，其大小也不尽相同，每 一复制子的复制速率低于原核生物，它们共同完成染色体的 复制。真核生物的复制起点称为自主复制序列(autonomously replicating sequence简称ARS)。
优越性：
1. 易于突变体的筛选 2. 易于开展基因重组过程和机理的研究 3. 易于开展基因结构、功能和调控机制的研究 4. 利用微生物遗传特性的研究，可以揭示所有生物共同的
遗传规律 5. 微生物载体系统，是研究和改造高等生物的重要工具
四、微生物遗传学与其他学科的相关性
研究对象不同
经典遗传学
研究方法不同
一、遗传物质的特点
遗传物质：是指在遗传上起主要或决定作用的物质，即遗传
信息的载体。
遗传物质的特点：
稳定性：高度的稳定性可使物种在长期传代过程中保持其基本 属性，又称遗传保守性
多样性：多样性是指遗传物质具有编码复杂多样生物遗传性状 的能力
自我复制能力：自我复制能力是指它的延续性，即遗传物质能 够通过精准的自我复制传给下一代。非细胞生 物的病毒，虽然没有自我复制能力，但也能借 助于寄主细胞来完成其遗传物质的复制。
二、原核生物染色体的结构
E. coli染色体DNA大 小为4.7Χ106 bp，长 度为1333um，是菌体 长度的1000倍。
遗传因子存在形式
三、原核生物染色体的复制
参与大肠杆菌染色体复制的蛋白及其功能
大肠杆菌染色体复制起点oriC 的结构
左侧含有13bp富含AT的重复序 列（5-GATCTNTTNTTTT-3）
其染色体一般为环状双链DNA，存 在于细胞内相对集中的区域，称为 拟核（nucleoid），无核膜包裹，呈 裸露的DNA分子。虽有少量蛋白结 合，但不能形成染色体结构。
拟核中的蛋白质与DNA的折叠、复 制、重组、转录等过程有关。然而， 习惯上也称其为染色体 （chromosome）。
一、原核生物染色体数目和大小
➢ 内含子：不能编 码蛋白质的核苷 酸片段
➢ 外显子：编码蛋 白质的核苷酸片 段
➢ 转录后新合成的 mRNA是未成熟 的mRNA，需要 在特定部位剪接， 最后形成较短的 有功能的RNA。
➢ 原核生物中， DNA链上不存在 内含子
六、蛋白的翻译
➢ 翻译过程中，由于每一个氨 基酸是严格按照mRNA模板 的密码序列被逐个合成到肽 链上，因此， mRNA上的遗 传信息被准确地翻译成特定 的氨基酸序列。
长度245bp, 右侧含有4个9bp的重复序 列（5-TTATCCACA-3）称Dna box
大肠杆菌染色体复制起始
大肠杆菌染色体复制的延伸过程
第三节 真核微生物染色体及其复制
真核细胞和原核细胞的最大差别之一是遗传物质的分布和存在状态。原核细胞 的染色体是以裸露DNA存在于细胞中，而真核细胞的DNA则与组蛋白和非组蛋 白相结合并缠绕成多条染色体存在于细胞核中。 在真核生物染色体中，DNA约占30-40%，组蛋白和非组蛋白占60%以上，RNA 约占10%以下。
总之，40年代以前的微生物遗传学研究是不系统的，仅限 于产有性孢子的微生物。
（二） 发展成为一门独立学科
Neurospora crassa
20世纪40年五个方面的工作促使微生物遗传学发展成为一门 独立学科
1. 营养缺陷型的研究：
G.W. Beadle和E. L. Tatum用X射线处理脉胞菌的分生孢子时得到预期的营养缺陷型。
Ferdinand Julius Cohn
Robert Koch
French microbiologist and chemist
Born December 27, 1822 Dole, Jura, Franche-Comté, France
Died
September 28, 1895 (aged 72) Marnes-la-Coquette, Hauts-de-Seine,
分子生物学的基本定律—中心法则
三、DNA的半保留复制
Matthew Meselson和Franklin Stahl 1958
➢ DNA的复制总是由 5‘ 向3’ 方向进行
➢ DNA的半保留复制 保证了所有的体细 胞都携带相同的遗 传信息，并可以将 遗传信息稳定地传 递给下一代。
四、染色体和质粒的复制
复制方向：
单向复制：从一个起点开始，以同一方向 生长出两条链，形成一个复制叉。
双向复制：从一个起点开始，沿两个相反 方向各生长出两条链，形成两个复制叉。
线状DNA的复制一般是双向复制，根据复 制起点的多少又分为双向单点和双向多点 复制。
环状DNA复制的主要方式
1. θ 环复制 2. 滚环复制 3. D环复制（线粒体DNA）
三、微生物作为遗传学材料的特点和优越性
特点：
1. 微生物是单细胞或多细胞、不分化或简单分化低等 生物，以及无细胞结构的病毒
2. 原核微生物一般为单倍体，许多真核微生物营养体 也为单倍体
3. 微生物个体小，生长繁殖速度快，便于人工控制， 缩短研究周期。
4. 代谢旺盛，能积累大量代谢产物，而有利于基因表 达的研究
百度文库复制单位：
复制是从DNA分子的特定部位开始，这个部位 称为复制起点（Origin of replication）。
每个复制起点及其复制区为一个复制单位，称 为复制子（replicon）。每个复制子在每次细胞 分裂期间只发动一次复制事件。复制起点是复 制子中控制启动复制的元件，有的还有一个复 制终点(terminus)。
2. 细菌抗药性突变的研究：
波动试验（fluctuation test）
Luria 和Lederberg分别用遗传 实验证明: 细菌的某些突变是随 机发生的, 与选择条件无关。
3. 细菌基因重组的发现：
J. Lederberg 和E. L. Tatum合 作发现两种细菌在混合培养之 下发生了杂交的现象，即基因 重组。
显微镜的发明
ANTONY VAN LEEUWENHOEK
Dutch microbiologist
Born Died
October 24, 1632 Delft, Netherlands
August 26, 1723 (aged 90） Delft, Netherlands
微生物学的三大奠基人
Louis Pasteur
6. Streips UN et al Modern Microbial Genetics John Wiley &
Sons Inc. 2002
第二章 微生物的遗传物质
第一节 遗传物质的基础 第二节 原核生物染色体及其复制 第三节 真核微生物染色体及其复制 第四节 微生物基因和基因组
第一节 遗传物质的基础
什么是遗传物质？
生命科学领域的学者曾开展了长期的 探索和研究。 •1865年G.J.Mendel首次提出生物存在 遗传因子 •1903 年 W.S.Sutton 报 道 染 色 体 是 遗 传 单位 •1910年T.H.Morgen证实豌豆的遗传基 因位于染色体上（基因学说）， •1944 年 O.T.Avery 等 人 证 实 DNA 是 遗 传物质 •1953 年 J.D.Watson 和 F.H.C.Crick 确 认 了DNA的双螺旋结构模型
4. 转化因子化学本质的鉴定：
意义： •这是明确遗传的物质基础是DNA的第一个证据，为1953年DNA分子双螺旋 模型的提出和分子生物学开启的奠定了基础。
5. 噬菌体遗传学的研究：
意义： •噬菌体遗传学的研究把遗传学规律推广到最简单的生物。 •温和噬菌体及其转导作用的发现则成为微生物遗传学、分子遗传学研究的 有效手段。
滚环复制
滚环复制的特点 ： 1. 以亲本链（＋链）为模板合成互补的环状负链，
形成闭合环状的复制形RF1 2. 以成环滚环复制产生多个子代RF 3. 以RF的负链为模板进行滚环复制产生多拷贝正
链单环
D环复制
重链复制，置换亲 代重链，形成D-环
D-环延伸至轻链 复制起点，轻链 开始复制
五、RNA的转录
二、证明遗传物质的三个经典试验
1. 细菌的转化实验
第一次用实验证实了DNA是细菌的遗传物质。
2. 噬菌体感染实验
➢ 细胞质中，翻译是一个快速 过程，一段mRNA可以相继 与多个核糖体相结合，同时 连续进行多条同一种新肽链 的合成。
➢ 遗传信息流由DNA RNA 蛋白质流动。
➢ RNA的自我复制，反转录
第二节 原核生物染色体及其复制
原核微生物主要有细菌、放线菌和 蓝细菌，DNA是原核微生物染色体 的主要组成成分，含量在80%以上， 其余为RNA和蛋白质。
France
1. 疾病细菌说
2. 巴斯德消毒法
Born Died
German biologist
24 January 1828 Breslau, Prussian Province of Silesia 25 June 1898 (aged 60)
按形状将细菌分为四大类
German physician
Isolation of anthrax, tuberculosis and cholera
Nobel Prize in Medicine (1905)
Koch定律，确立了微生物种的概念
• 1907年，在睡眠虫中发现了微生物的抗药性变异。
• 1928年，在肺炎双球菌中发现了转化现象。
• 20世纪30年代，酵母、草履虫和脉孢菌是仅有几种进行遗 传学研究的微生物，其内容仅限于基因重组和定位。
微生物遗传育种
生命科学技术学院 何璟
2015年3月
朱辉 邓明刚
第一章 绪论
一、基本概念
微生物遗传学：研究微生物遗传体制、遗传和变 异规律的学科。
微生物育种：根据微生物遗传学原理，采用人工 方法引起微生物变异或形成新的杂种，从中选育 出符合要求的优良变种。
二、微生物遗传学的建立和发展 （一） 在成为一门独立学科以前
微生物遗传学 生物化学
发展
分子遗传学
最终解决真核生物的遗传学问题
分子生物学需以微生物作为材料
参考书目：
1. 盛祖嘉等 微生物遗传学 第三版 科学出版社 2007 2. 陈三凤等 现代微生物遗传学 化工出版社 2003 3. 施巧琴等 工业微生物育种学 科学出版社 2003 4. 周俊初等 微生物遗传学 中国农业出版社 1997
只有DNA才具有 T2噬菌体的全部 遗传信息，是噬 菌体的遗传物质。
3. 烟草花叶病毒的重建实验
TMV的蛋白质组成及其引起的病斑特征均由RNA决定，证实在RNA 病毒中，RNA就是病毒的遗传物质。
1953年，Watson和Crick根据X－射线分析结果，确立了DNA 双螺旋结构模型，提供了DNA是遗传物质的分子基础，并开 创了分子遗传学和分子生物学研究的新纪元。
参考书目：
1. 盛祖嘉等 微生物遗传学 第三版 科学出版社 2007 2. 陈三凤等 现代微生物遗传学 化工出版社 2003 3. 施巧琴等 工业微生物育种学 科学出版社 2003 4. 周俊初等 微生物遗传学 中国农业出版社 1997
5. Lewin B et al Genes IX Pearson Education Inc. 2006
5. Lewin B et al Genes IX Pearson Education Inc. 2006
6. Streips UN et al Modern Microbial Genetics John Wiley &
Sons Inc. 2002
思考题：
1. 什么是微生物遗传学？ 2. 微生物作为遗传学研究材料的特点和优越性 ？ 3. 20世纪40年哪五个方面的工作促使了微生物遗传学的建立？ 4. 微生物遗传学与其他学科的相关性如何？
Born 11 December 1843 Clausthal, Kingdom of Hanover
Died
27 May 1910 (aged 66) Baden-Baden, Grand Duchy of Baden
Known for Discovery bacteriology
Koch’s postulates of germ theory
原核生物染色体一般只有一个复制子，在一个复制起点上启 动复制整条染色体。每个质粒都是独立的复制子。原核生物 染色体和质粒的复制起点都以ori表示。
真核生物染色体上有许多个复制子，其大小也不尽相同，每 一复制子的复制速率低于原核生物，它们共同完成染色体的 复制。真核生物的复制起点称为自主复制序列(autonomously replicating sequence简称ARS)。
优越性：
1. 易于突变体的筛选 2. 易于开展基因重组过程和机理的研究 3. 易于开展基因结构、功能和调控机制的研究 4. 利用微生物遗传特性的研究，可以揭示所有生物共同的
遗传规律 5. 微生物载体系统，是研究和改造高等生物的重要工具
四、微生物遗传学与其他学科的相关性
研究对象不同
经典遗传学
研究方法不同
一、遗传物质的特点
遗传物质：是指在遗传上起主要或决定作用的物质，即遗传
信息的载体。
遗传物质的特点：
稳定性：高度的稳定性可使物种在长期传代过程中保持其基本 属性，又称遗传保守性
多样性：多样性是指遗传物质具有编码复杂多样生物遗传性状 的能力
自我复制能力：自我复制能力是指它的延续性，即遗传物质能 够通过精准的自我复制传给下一代。非细胞生 物的病毒，虽然没有自我复制能力，但也能借 助于寄主细胞来完成其遗传物质的复制。
二、原核生物染色体的结构
E. coli染色体DNA大 小为4.7Χ106 bp，长 度为1333um，是菌体 长度的1000倍。
遗传因子存在形式
三、原核生物染色体的复制
参与大肠杆菌染色体复制的蛋白及其功能
大肠杆菌染色体复制起点oriC 的结构
左侧含有13bp富含AT的重复序 列（5-GATCTNTTNTTTT-3）
其染色体一般为环状双链DNA，存 在于细胞内相对集中的区域，称为 拟核（nucleoid），无核膜包裹，呈 裸露的DNA分子。虽有少量蛋白结 合，但不能形成染色体结构。
拟核中的蛋白质与DNA的折叠、复 制、重组、转录等过程有关。然而， 习惯上也称其为染色体 （chromosome）。
一、原核生物染色体数目和大小
➢ 内含子：不能编 码蛋白质的核苷 酸片段
➢ 外显子：编码蛋 白质的核苷酸片 段
➢ 转录后新合成的 mRNA是未成熟 的mRNA，需要 在特定部位剪接， 最后形成较短的 有功能的RNA。
➢ 原核生物中， DNA链上不存在 内含子
六、蛋白的翻译
➢ 翻译过程中，由于每一个氨 基酸是严格按照mRNA模板 的密码序列被逐个合成到肽 链上，因此， mRNA上的遗 传信息被准确地翻译成特定 的氨基酸序列。
长度245bp, 右侧含有4个9bp的重复序 列（5-TTATCCACA-3）称Dna box
大肠杆菌染色体复制起始
大肠杆菌染色体复制的延伸过程
第三节 真核微生物染色体及其复制
真核细胞和原核细胞的最大差别之一是遗传物质的分布和存在状态。原核细胞 的染色体是以裸露DNA存在于细胞中，而真核细胞的DNA则与组蛋白和非组蛋 白相结合并缠绕成多条染色体存在于细胞核中。 在真核生物染色体中，DNA约占30-40%，组蛋白和非组蛋白占60%以上，RNA 约占10%以下。
总之，40年代以前的微生物遗传学研究是不系统的，仅限 于产有性孢子的微生物。
（二） 发展成为一门独立学科
Neurospora crassa
20世纪40年五个方面的工作促使微生物遗传学发展成为一门 独立学科
1. 营养缺陷型的研究：
G.W. Beadle和E. L. Tatum用X射线处理脉胞菌的分生孢子时得到预期的营养缺陷型。
Ferdinand Julius Cohn
Robert Koch
French microbiologist and chemist
Born December 27, 1822 Dole, Jura, Franche-Comté, France
Died
September 28, 1895 (aged 72) Marnes-la-Coquette, Hauts-de-Seine,
分子生物学的基本定律—中心法则
三、DNA的半保留复制
Matthew Meselson和Franklin Stahl 1958
➢ DNA的复制总是由 5‘ 向3’ 方向进行
➢ DNA的半保留复制 保证了所有的体细 胞都携带相同的遗 传信息，并可以将 遗传信息稳定地传 递给下一代。
四、染色体和质粒的复制
复制方向：
单向复制：从一个起点开始，以同一方向 生长出两条链，形成一个复制叉。
双向复制：从一个起点开始，沿两个相反 方向各生长出两条链，形成两个复制叉。
线状DNA的复制一般是双向复制，根据复 制起点的多少又分为双向单点和双向多点 复制。
环状DNA复制的主要方式
1. θ 环复制 2. 滚环复制 3. D环复制（线粒体DNA）
三、微生物作为遗传学材料的特点和优越性
特点：
1. 微生物是单细胞或多细胞、不分化或简单分化低等 生物，以及无细胞结构的病毒
2. 原核微生物一般为单倍体，许多真核微生物营养体 也为单倍体
3. 微生物个体小，生长繁殖速度快，便于人工控制， 缩短研究周期。
4. 代谢旺盛，能积累大量代谢产物，而有利于基因表 达的研究
百度文库复制单位：
复制是从DNA分子的特定部位开始，这个部位 称为复制起点（Origin of replication）。
每个复制起点及其复制区为一个复制单位，称 为复制子（replicon）。每个复制子在每次细胞 分裂期间只发动一次复制事件。复制起点是复 制子中控制启动复制的元件，有的还有一个复 制终点(terminus)。
2. 细菌抗药性突变的研究：
波动试验（fluctuation test）
Luria 和Lederberg分别用遗传 实验证明: 细菌的某些突变是随 机发生的, 与选择条件无关。
3. 细菌基因重组的发现：
J. Lederberg 和E. L. Tatum合 作发现两种细菌在混合培养之 下发生了杂交的现象，即基因 重组。
显微镜的发明
ANTONY VAN LEEUWENHOEK
Dutch microbiologist
Born Died
October 24, 1632 Delft, Netherlands
August 26, 1723 (aged 90） Delft, Netherlands
微生物学的三大奠基人
Louis Pasteur
6. Streips UN et al Modern Microbial Genetics John Wiley &
Sons Inc. 2002
第二章 微生物的遗传物质
第一节 遗传物质的基础 第二节 原核生物染色体及其复制 第三节 真核微生物染色体及其复制 第四节 微生物基因和基因组
第一节 遗传物质的基础
什么是遗传物质？
生命科学领域的学者曾开展了长期的 探索和研究。 •1865年G.J.Mendel首次提出生物存在 遗传因子 •1903 年 W.S.Sutton 报 道 染 色 体 是 遗 传 单位 •1910年T.H.Morgen证实豌豆的遗传基 因位于染色体上（基因学说）， •1944 年 O.T.Avery 等 人 证 实 DNA 是 遗 传物质 •1953 年 J.D.Watson 和 F.H.C.Crick 确 认 了DNA的双螺旋结构模型
4. 转化因子化学本质的鉴定：
意义： •这是明确遗传的物质基础是DNA的第一个证据，为1953年DNA分子双螺旋 模型的提出和分子生物学开启的奠定了基础。
5. 噬菌体遗传学的研究：
意义： •噬菌体遗传学的研究把遗传学规律推广到最简单的生物。 •温和噬菌体及其转导作用的发现则成为微生物遗传学、分子遗传学研究的 有效手段。
滚环复制
滚环复制的特点 ： 1. 以亲本链（＋链）为模板合成互补的环状负链，
形成闭合环状的复制形RF1 2. 以成环滚环复制产生多个子代RF 3. 以RF的负链为模板进行滚环复制产生多拷贝正
链单环
D环复制
重链复制，置换亲 代重链，形成D-环
D-环延伸至轻链 复制起点，轻链 开始复制
五、RNA的转录