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微生物遗传与变异

第九章微生物的遗传和变异

遗传和变异是生物的本质

各种生物亲代的性状传给下一代的现象称为遗传。

亲代与子代之间，子代各个体之间在形态结构或生理机能方面的差异称为变异。

遗传是相对的，而变异是绝对的。

研究生物遗传与变异的科学称为遗传学。

微生物的遗传在本质上与高等生物基本相同，但又有其自身的特点，主要表现在：

1.微生物细胞个体小，结构简单，容易受环境条件影响，个体容易发生变异，加之微生物繁殖速度快，有利于自然选择或人工选择变异株。

2.微生物的化学组成简单（如病毒只有蛋白质，核酸，部分有脂质和多糖）有利于从分子水平进行遗传本质的研究。

3.微生物繁殖快，世代时间短，可大大缩短实验时间。

4.微生物的变异容易识别，例如营养缺陷型突变体较容易在不同营养成分的培养基上培养检出。

基于上述特点，微生物被广泛用作分子生物学和分子遗传学的研究材料，这些研究结果又大大推动了微生物学的发展。

因此，微生物学目前已成为生物科学的前沿学科。

第一节遗传变异的物质基础

决定微生物遗传的物质是什么，这个生物学上的重要问题直到本世纪40年代通过用细菌和病毒作实验，才从根本上解决。

一、细菌的转化实验：

证明遗传物质是核酸的实验有三个：

1.细菌的转化实验

2.噬菌体的侵染

3.病毒的拆开和重建实验（TMV）

1928年英国的细菌学家格里菲斯首先发现了肺炎球菌的转化现

象。

格里菲斯（Griffith）做了如下试验：

肺炎球菌有光滑型（S型）和粗糙型（R型）两种不同类型，每

类型中又有不同血清型：

SⅠRⅠ

S（光滑型）SⅡR（粗糙型）RⅡ

SⅢRⅢ

RⅡ型活菌注射健康的小白鼠鼠不死

SⅢ型活菌注射健康的小白鼠鼠死亡

SⅢ型60℃加热杀死菌体注射健康小白鼠鼠不死

SⅢ型60℃加热杀死菌体

混合注射健康白鼠鼠死亡

RⅡ型活菌从中分离出活的SⅢ型菌

Griffith称这一现象为转化现象，至于转化因子是什么，Griffith没有作出回答。

1944年美国科学家Avery等人在Griffith的工作基础上，做了如下实验:

上述试验证明了生物体内决定遗传的物质是DNA。

二、DNA的结构与复制：

华特生和克里格（WatsonandCrick）1953年提出了DNA双螺旋的结构模型，对DNA分子的空间结构，DNA的自我复制，DNA的相对稳定性与变异性以及DNA对遗传信息的储存与传递等都有了较好的解释，从而为分子遗传学奠定了基础。

DNA由四种核苷酸组成，每一种核苷酸均含环状碱基，脱氧核糖和磷酸根三种组分。

四种核苷酸的差异仅在于碱基不同。

四种碱基即：

腺嘌呤（A），乌嘌呤（G），胸腺嘧啶（T），胞嘧啶（C）。

四种碱基构成四种核苷酸：

腺苷酸、乌苷酸、胸腺嘧啶核苷酸和胞嘧啶核苷酸。

DNA分子就是许多由单个核苷核形成的多核苷酸长链。

两条多核苷酸链彼此以一定空间距离，在同一轴上互相盘旋而形成一个双螺旋式扶梯，扶手代表两条磷酸、糖链，每条链均由脱氧核糖——磷酸——脱氧核糖——磷酸交替排列构成。

每条长链的侧面是碱基，由脱氧核糖同它们连接，两条链的两个碱基之间则以氢键连接，宛如一个梯蹬。

氢键的连接很弱，但数量很大，可以维持稳定的螺旋结构。

由氢键连接的碱基组合称为碱基配对，即A-T配对，G-C配对，表现为特异性的互补关系，DNA分子中共有四种碱基对，即A-T,T-A,G-C,C-G。

A-T之间有两个氢键，G-C之间有三个氢键。

一个DNA分子含有几十万或几百万碱基对。

各对碱基上下之间的距离为0.34nm。

每个螺旋包含10对碱基，共长3.4nm。

为了确保细胞DNA中的核苷酸碱基顺序在传代中精确不变，以保持所有属性的遗传，在细胞分裂前，DNA必须精确复制。

其复制过程首先是DNA的双链从一端开始，氢键逐渐裂开，分离成两条单链，通过碱基配对逐渐建立起完全互补的一套核苷酸单位，新连接上的多核苷酸链与原有的多核苷酸链重新形成新的双螺旋，这样在DNA聚合酶的催化下，一个DNA分子最终复制成两个结构完全相同的DNA分子，从而准确控制了物种的遗传性状。

复制后的DNA分子，各由一条新链和一条旧链构成双螺旋，所以称为半保留复制。

三、遗传因子——基因

1.什么是基因：

在生物学上，细胞是生命的基本单位，而基因则是遗传的基本单

位。

一切具有自主复制能力的遗传功能单位都称为基因。

它的物质基础是一个具有特定核苷酸顺序的DNA片段。

一个DNA分子含有许多基因，不同基因分子所含碱基对的数量，（一个基因平均一般约含1000个碱基对）和排列顺序都不相同，从而控制了不同的遗传性状。

如果一个基因的碱基组成或排列顺序发生变化，那么这个基因将失去其正常功能，并导致生理缺陷，性状改变或死亡。

遗传学中对这样一个完整的基因功能单元也称为顺反子（或作用子）。

结构基因：

用于编码酶的结构

主要基因

基因调节基因：

用于调节酶的合成

重复基因：

DNA片段重复

种类插入顺序IS因子

跳跃基因：

可在DNA上转

移位置的基因转座子Tn因子

2、微生物中基因的存在形式：

染色体：

染色体含有大量不同的基因，少到三个，多到几百个或几千个，是遗传信息的主要储藏场所。

质粒：

质粒是较小的环状DNA分子，或游离于染色体外，或与染色体结合。

质粒所决定的遗传性状不象染色体基因那样所决定的性状为细菌生活所必须。

所以质粒的消失不会导致菌体死亡。

质粒可作为基因转移的载体。

线粒体链线粒体基因组可编码一些为线粒体呼链所需的酶

存在真核生物中，它们携带着相应的基因。

叶绿体

酵母菌2μm质粒它是酵母菌进行分子克隆和基因工程的载体

卡巴颗粒（共生生物）

3、基因的表达

基因贮存的遗传信息是不是都能够通过传递过程全部地同时表达出来呢？

不是这样的.在生物的生命活动中，有些基因是随生物的生长发育的不同时期，分期表达的。

（1）等位基因及其表达：

等位基因是指染色体上位置相同的基因。

等位基因在细胞中的存在与表达有以下几种形式：

a.对抗性的：

只有一个基因能够表达

在真核生物显性基因表达

（b.非对抗性的：

两个显性，两个隐性。

等位基因

在M.细胞

中的存在

与表达在原核细胞中在完全单倍体原核细胞中，等位基因的

概念是指决定某一性状的基因在野生型菌株和突变型菌株中是否都存在。

（2）结构基因和调节基因

一个基因决定一个酶，这是早期生化遗传学的理论。

而酶是怎样产生的？

它是由DNA上的碱基顺序通过转录和翻译产生的。

因此，人们把DNA上决定多肽形成的碱基顺序称为结构基因。

研究工作的进展发现：

有些碱基顺序片段并不能直接转录，翻译成多肽，而是对结构基因的功能起调节，控制作用。

DNA上这类调节，控制结构基因功能的碱基顺序片段称为调节基因。

（3）操纵子和操纵基因：

一个操纵子是一段DNA碱基顺序，包括一个操纵基因和一个或几个结构基因。

操纵子的模型是雅各布和莫诺1961年提出的，根据这一模型基

因有结构基因，调节基因，操纵基因和启动基因之分，基因的活动受调节系统控制，而这种控制又与环境因子有关，如乳糖操纵子。

乳糖操纵子是负调控模型。

大肠杆菌中乳糖操纵子负调控模型

在负调控中，调节基因产物不与操纵基因结合时，结构基因表达。

与乳糖操纵子相比，大肠杆菌麦芽糖操纵子是正调控的典型例子，这里麦芽糖是诱导物，激活蛋白只有与麦芽糖结合时才能与DNA的特殊结合位点结合，促使RNA聚合酶开始转录。

在正调控中，调节基因产物——激活蛋白只有与启动子结合时，结构基因才转录。

四、遗传信息的传递：

DNA上贮存的遗传信息需要通过一系列物质变化过程才能在生理上或形态上表达出相应的遗传性状。

在遗传信息的传递中，主要的形式是DNA上贮存的遗传信息通过RNA的中间作用指导蛋白质的合成。

这就是分子遗传学中的“中心法则”。

反转录V.是违反中心法则的特殊例子。

它从RNADNARNA蛋白质。

遗传密码：

组成蛋白质的aa有20种，而组成核酸的碱基只有四种，那么，四种碱基的排列顺序如何发出将20种aa按照特定的顺序合成特定的蛋白质信号呢？

人们通过理论推算和实验证明，三个碱基决定一个aa，遗传密码如下表：

20种氨基酸的遗传密码表

第一位

碱基

第二位碱基

第三位

碱基

苯丙氨酸（Phe）

亮氨酸（lea）

丝氨酸（ser）

酪氨酸（Tyr）

终止密码（UAA）

终止密码（UAG）

半胱氨酸（Cys）

半氨酸（Cys）

终止密码（UGA）

色氨酸（Try）

亮氨酸（lea）

脯氨酸（pro）

组氨酸（His）

谷氨酰胺（Gln）

精氨酸（Arg）

异亮氨酸（1lea）

苏氨酸（Thr）

天门冬酰胺（Asn）

丝胺酸（Ser）

异亮氨酸（1lea）

甲硫氨酸（Met）

（起始密码AUG）

苏氨酸（Thr）

天门冬酰胺（Asn）

赖氨酸（lys）

精氨酸（Arg）

缬氨酸（Val）

缬氨酸（Val）缬氨酸（Val）

丙氨酸（Ala）

天门冬氨酸（Aspn）

谷氨酸（Glu）

甘氨酸（Gly）

多个密码子决定一个aa的现象称为简并密码。

AUG为起始密码，UAA，UAG，UGA为终止密码。

第二节细菌的基因重组

凡是把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子的重新组合后，形成新遗传个体的方式，称为基因重组或遗传重组。

重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新的遗传型个体。

重组是分子水平的概念，可以说是遗传物质在分子水平的杂交。

而一般所说的杂交是细胞水平的杂交

转化

转导

原核微生物基因重组接合

基因重组包括原生质体融合

有性杂交

真核微生物基因重组

准性生殖

原核微生物的基因重组包括：

一、转化

转化是游离DNA片段的转移和重组，这些游离的DNA片段称为转化因子。

遗传转化是指同源或异源的DNA分子（质粒DNA和染色体DNA）被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达水平的基因转移过程。

转化后的受体菌，称为转化子。

转化的条件是：

受体菌必须是感受态才能接受转化因子，感受态既可以是自然的，也可以是人工的。

转化因子通常是双链DNA。

感受态：

受体菌最容易接受外源DNA片段并实现转化的生理状态称为感受态。

细菌感受态的出现是因为它们能合成一种感受态因子，这种因子是一种蛋白质，能使转化因子结合在细胞表面。

转化包括如下步骤：

①感受态的出现②转化因子的吸附与掺入③转化因子的整合

转染：

用噬菌体DNA转化细菌称为转染。

它与转化不同的是，转染不产生具有杂种性质的转化子。

转化分为

二、转导：

通过缺陷噬菌体为媒介，把供体菌的DNA片段携带到受体细胞中，从而使后者获得了前者部分遗传性状的现象称为转导。

缺陷噬菌体：

带有细菌DNA片段而失去了部分自身DNA的噬菌体称为缺陷噬菌体。

完全转导

普遍转导

流产转导

转导分为低频转导

局限转导

高频转导

1．普遍转导：

噬菌体在组装时可以误包供体菌的任何基因（包括质粒），从而使受体菌实现各种性状的转导，称为普遍转导。

完全转导：

得到稳定转导子的转导。

流产转导：

得到不稳定转导子的一类转导。

在流产转导中，转导子通过细胞分裂形成两个子细胞时，只有其中一个获得供体基因，而另一个细胞并没有获得供体基因，因而仍属受体基因型。

流产转导的结果导致单线遗传。

转导子：

获得了由噬菌体携带来的供体菌DNA片段的受体细胞称为转导子。

转导因子：

在转导中被转移的染色体片段。

沙门氏菌亮氨酸缺陷型（leu-）的普遍转导和流产转导见图。

2．局限转导：

（专性转导）

通过某些部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中的转导现象。

噬菌体DNA可以组合到宿主细胞染色体上，这种组合有特定位点，λ噬菌体整合在gal基因和bio基因之间，正常切割时只切下λ噬菌体DNA。

不正常切割时，切割下来的片段带有部分λDNA和旁边的宿主染色体DNA（gal基因和bio基因）。

不正常切割的λDNA被外壳蛋白色被，当这种V.粒子从寄主细胞释放出来，再感染缺陷型受体菌时，可能出现：

λdgal感染gal-缺陷型受体菌，使gal-变为gal+。

λbio感染bio-缺陷型受体菌，使bio-变为bio+。

低频转导：

出现较少转导子的转导过程。

如上述λdgal的转导频率只有10-4—10-6。

这种转导是溶源性细菌经诱导后释放出的噬菌体进行的转导。

（专性转导）

高频转导：

在局限转导中出现较多转导子的过程。

λ缺陷

噬菌体和λ噬菌体使缺陷型细菌（如gal－）

发生双重溶原后经UV.诱变出现大量转导子

的现象。

三、接合：

通过供体菌和受体菌细胞间的直接接触而传递大段DNA的过程称为接合。

已发现接合现象的微生物有

（1）细菌：

大肠杆菌，沙门氏菌，志贺氏菌，赛氏杆菌，弧菌，固氮菌，克氏杆菌，假单胞菌。

（2）放线菌：

链霉菌，诺卡氏菌。

1．接合的发现

细菌的接合现象是美国科学家Lederberg1946年用两株大肠杆菌的营养缺陷型证实的。

A+B+C-D-,A-B-C+D+分别接种在基本培养基中不长，混合培养在基本培养基中时，有菌生长，有菌生长说明两菌之间进行了遗传物质的重组。

为了排除转化引起的生长，有人又做了如下试验

左右两边的缺陷型菌株的DNA可以通过滤板，但菌体不能通过，细菌不能接触。

经过一段时间以后，左右两边分别接入基本培养基，两边的菌都不生长，排除了转化的可能。

后来科学工作者们在电镜下看到了E.coli的接合现象，它们是靠性菌毛进行接合的。

2.F因子与接合：

F因子是E.coli中的致育因子（性别因子），是一种性质粒，由环状DNA组成。

F因子以以下几种状态存在于E.coli细胞中。

F+：

细胞中含有游离的F因子，称为雄性菌株。

Hfr：

细胞中的F因子整合在染色体上，称为高频重组菌株

F‘：

当Hfr菌体内的F因子不正常切割而脱离细菌染色体时，可形成游离的但带有一小段细菌染色体基因的F因子，此称F‘。

雌性菌株不含F因子称为F－。

当F+×F－F+×F－2F+

F－×F’接合时，出现如下几种结果：

F’×F－2F’

Hfr×F－Hfr×F－

Hfr+F－（多数）

2Hfr（少数）

当Hfr与F-菌株接合时，Hfr染色体由环状变为线状，整段线状染色体移至F-细胞内大约要100分钟，在转移时，由于振动等种种原因。

线状染色体转移时容易发生断裂，由此人们设计了中断杂交法来作大肠杆菌染色体的遗传图谱。

中断杂交实验如下图：

四、原生质体融合

通过人工的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合并产生重组子的过程。

称为原生质体融合或细胞融合。

原生质体：

植物细胞，细菌细胞去掉细胞壁后的球状体称为原生质体。

微生物细胞融合的研究开始于1976年，其一般原理和主要过程是：

第三节真菌的基因重组

一、有性杂交

杂交是在细胞水平上发生的一种遗传重组方式。

有性杂交：

指性细胞间的接合和随之发生的染色体重组，并产生新遗传型后代的一种方式。

凡能产生有性孢子的酵母和霉菌都可用有性杂交的方法进行育种。

酵母细胞有三种交配型：

MATa和MATα，这两种细胞能够相互交配形成第三种交配型MATa/α。

MATa/α细胞不能与MATa和MATα中的任何一种交配。

一般情况下，菌株MATa和MATα为单倍体，菌株MATa/α为二倍体，但有时也不一定，故不能仅仅从染色体的倍性来判断细胞的交配型。

例如：

一株交配型MATa的酿酒酵母：

产酒力强，利用麦芽糖和葡萄糖能力弱，以A+B-表示

另一株交配型MATα的面包酵母：

产酒力弱，利用麦芽糖和葡萄糖能力强，以A-B+表示

酿酒酵母是利用山芋和糖蜜作原料进行酿酒，若此菌既可利用山芋，糖蜜，又可利用麦芽糖和葡萄糖的话，则酿酒酵母酿酒以后，还可用于家庭和工厂生产面包，从经济效益上讲是很合算的，为此用杂交的方法获得了理想菌株。

通过杂交产生了四个子囊孢子，其中两个是亲本型，两个是重组型。

挑取这些重组单倍体接斜面，逐个测定其接合型和遗传性状。

酵母菌杂交育种的过程如下：

1．从两亲本中获得单倍体菌株：

将双倍体细胞接种于生孢子培养基产生子囊孢子

加液体石蜡研磨破子囊

离心让孢子悬浮在石蜡层中

涂平皿获得单倍体菌落

单倍体酵母菌和双倍体酵母菌在形态上有区别，可区别开来。

双倍体

单倍体

细胞

大，椭园形

小球形

菌落

大，形态一致

小形态变化多

液体培养

繁殖快，细胞较分散

繁殖慢，细胞较聚集

生孢子培养基上培养

形成子囊

不形成子囊

2．测定甲、乙两亲本菌株单倍体的接合型和遗传性状。

3．选取不同优良性状和不同接合型的甲、乙两菌株进行杂交。

4．在杂交菌株中选出符合需要的优良菌株保藏。

二、准性生殖：

准性生殖是指真菌中不通过有性生殖的基因重组过程。

它可使同一生物的两个不同来源的体细胞经融合后，不通过减数分裂而导致低频率的基因重组。

准性生殖包括：

①菌丝联结。

②异核体形成。

③核配。

④体细胞交换和单配体化四个阶段。

1.菌丝联结：

两个不同性状的菌丝相互联会。

2．异核体的形成：

当具有不同性状的两个细胞或者两条菌丝相互联结时，导致在一个细胞中或一条菌丝中并存有两种或两种以上不同遗传性状的核。

在异核体中，由于两种遗传型不同的核并未融合，因此能分离出两个亲本型菌落。

但由于两个亲本菌株的细胞质发生了融合，所以在分离出来的亲本型菌落中能表现出由母细胞细胞质控制的遗传性状。

3．核配：

异核体菌丝在繁殖过程中偶尔发生两种不同遗传型核的融合，形成杂合细胞核，杂合细胞核是双倍体。

4．体细胞交换和单倍体化：

杂合二倍体只有相对的稳定性，在其繁殖过程中虽不进行减数分裂，但在有丝分裂中可以发生染色体交换和染色体单倍化，从而形成各种分离子。

第四节基因突变和诱变育种

一、基因突变

微生物的变异包括基因突变和基因重组。

1.突变：

指DNA上的核苷酸顺序发生了稳定的，可遗传的变化。

基因突变：

DNA链上一对或少数几对碱基发生改变而引起。

突变包括

染色体畸变：

DNA链的大片段损失。

自发突变：

在自然条件下发生的基因突变，细菌的自发突变频率为10-5-10-7

突变分为诱发突变：

利用物理化学因子处理微生物使其产生的突变。

回复突变：

突变菌株发生突变，回复到出发菌株的状态。

2.微生物突变体的种类：

突变

A．色素突变体：

如赛氏杆菌产生红色素不产色素菌株

突变

B．无荚膜突变体：

如肺炎球菌有荚膜无荚膜菌株

突变

C．营养突变体：

如E.coliTrp+（色氨酸）E.coliTrp-（色

AA缺陷型）

突变

D．发酵突变体：

如E.coli发酵乳糖E.coli不发酵乳糖

E．抗性突变体：

如抗药物，抗噬菌体，抗辐射突变体等。

3.突变的机制：

突变的机制可概括为：

突变机制：

转换：

DNA上一个嘌呤被另一个嘌呤或

碱基置换者一个嘧啶被另一个嘧啶所替代

颠换：

DNA上一个嘌呤被一个嘧啶替代

或者一个嘧啶被另一个嘌呤替代

点

突添加DNA分子中多了或少了一个或

变几个碱基，导致编码aa三联密码发生了改变，从而引起突变。

诱缺失

发移码突变如：

GGGAAAUUUAAACCC

突甘赖苯丙赖脯

变加一个碱基后就变成了：

AGGGAAAUUUAAACCC

精谷异亮终止

添加：

abcXdefg

缺失：

abcDefg

畸变（染色体大损伤）重复：

abcabcde

（由X射线等的辐射烷移位：

abcparde

化剂，亚硝酸等引起）倒位：

abcfedg

（1）移码：

在自然条件下，DNA分子中发生了一对或少数几对核苷酸的增加或缺失导致移码。

自

（2）转位因子：

在染色体和质粒上有一段顺序能从一个位点

发转到另一个位点，导致碱基顺序发生变化引起突

突变。

变（3）互变异构效应：

T也会以稀有的烯醇式出现，DNA复制到达这位置时T就会与G配对。

（4）环出效应：

4．突变体的筛选：

（1）青霉素浓缩法：

完全培养基：

基本培养基中加入了天然物质（蛋白胨，酵母膏等），能满足各种营养缺陷型M.生长的培养基。

基本培养基：

只含有野生型菌生长繁殖所必须养料的合成培养基叫基本培养基。

用基本培养基培养细菌，并在其中加入青霉素，由于青霉素只能抑制生长着的细菌，故只杀死在基本培养基中生长的野生型细菌，而营养缺陷型突变体因不能在基本培养基中生长，青霉素对它们不起作用而被保留下来。

（2）菌丝过滤法：

把霉菌和放线菌的孢子放在基本培养基里生长，这时只有野生型

菌会萌发长出菌丝，而缺陷型孢子不会长成菌丝，通过过滤可除去野生型菌丝，而保留突变体孢子。

（3）梯度培养法：

这种方法适用筛选抗性突变体。

二、诱变育种

诱变育种就是利用物理，化学等诱变因素，诱发基因突变，然后根据育种目标，从无定向的突变株中，筛选出某一优良性状的突变株。

1、物理诱变：

UV.

X-射线用得较多，用得最多的是UV.

r-射线

1）物理诱变因素有：

快中子

β-射线

激光（近来在研究使用）

2）辐射诱变机制：

A．U．V．诱变机制：

a.引起DNA链的断裂，破坏核糖与P之间的键

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