第八章 微生物的遗传变异和育种
遗传 (heredity)
遗传型 (genotype)
表型 (phenotype)
变异 (variation)
饰变 (modification)
第一节 遗传变异的物质基础一 遗传的物质基础
1 DNA复制
2转录 3 转译
原核生物只有一种 RNA多聚酶
转录后不需加工，直接作为 mRNA
mRNA只能存活几分钟、几小时
转录和转移可同时进行，是偶联的
原核生物的 mRNA是多基因的 (polycistronic)，即它们编码几个多肽二 证明 DNA为遗传物质的三个经典实验
1转化实验
2噬菌体感染实验
3 病毒的拆开和重组实验七个水平
细胞水平
细胞核水平
染色体水平
核酸水平
基因水平
密码子水平
核苷酸水平三 遗传物质在细胞内的存在部位和方式
1 细胞核水平 质粒 (plasmid)：细胞质内能自主复制的核外染色体原核生物的质粒
质粒,游离于原核生物染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状 DNA分子，即 cccDNA(circular,covalently closed DNA)。
质粒具有超螺旋结构，分子量一般在 106~108Da间，大小约为 1%
核基因组。携带有某些染色体上所没有的基因，赋予细胞某些特殊功能。
严紧型复制控制,质粒的复制与核染色体复制同步。
松弛型复制控制,质粒的复制与核染色体复制不同步。
质粒消除 (curing或 elinination)：含质粒的细胞在正常培养基上遇化学、物理因素处理时，质粒的复制受到抑制而核染色体的复制继续进行，子代细胞中质粒消除。
附加体 (episome)：某些质粒具有与核染色体整合、脱离的功能，
这类质粒称附加体。
F因子
制育因子，性因子，约
2%核染色体,94.5kb，编码的基因约 1/3与接合有关
R因子
抗药性因子，其基因编码的物质对抗生素有抗性
Ti因子
诱癌质粒，可同植物细胞中的核染色体整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，
从而使其变成癌细胞。
巨大质粒
分子量 200~300× 106Da，
比一般质粒大几十到几百倍，上面有固氮基因。
降解性质粒
可以编码许多降解性酶类，使细菌降解特殊物质。
Col因子
大肠杆菌素因子，即使大肠杆菌分泌大肠杆菌素
2 基因水平调节基因 也有转录和转译作用，
以其模板生成的蛋白质称为阻遏蛋白或变构蛋白。
阻遏蛋白的作用是能与操纵基因结合，阻止了 RNA聚合酶向结构基因滑动，既使结构基因失去了合成 mRNA的能力。
基因控制系统操纵子调节基因启动基因操纵基因结构基因阻遏蛋白也能与培养基中的底物 (由结构基因转录、转译的酶催化分解的底物 )相结合，当阻遏蛋白与底物结合后，阻遏蛋白从操纵基因分离，
从而开放了 RNA聚合酶通向结构基因的通道，便能转录成 mRNA，并转译成蛋白质 (酶 )。
第二节 基因突变和诱变育种一 基因突变
生物体内遗传物质的分子结构突然发生可遗传的变化。
变异基因突变基因重组诱变自发突变点突变染色体畸变碱基置换移码突变转换颠换缺失添加缺失添加易位倒位
(一 )突变类型选择性突变形态突变型抗原突变型产量突变型营养缺陷型抗性突变型条件致死突变型非选择性突变
(死活突变 )
(非死活突变 )
每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。
(二 )突变率 (mutation rate)
1 不对应性,引起突变的因素和突变出的性状没有对应关系。
2 自发性,自然状况下也可发生。
3 稀有性,10-6~10-9间。
4 独立性,突变的发生一般是独立的。
5 诱变性,采用某种方法、药品可使突变率增加。
6 稳定性,新产生的性状是稳定的、可遗传的。
7 可逆性,既可发生正向突变，也可发生回复突变。
(三 )突变的特点
变量实验 (fluctuation test)
涂布实验 (Newcombe experiment)
影印实验 (replica plating)
(四 )基因突变的自发性和不对应性的证明两种观点 细菌接触抗生素，抗生素使其定向变异预先已变，抗生素淘汰大量敏感型变异基因突变基因重组诱变自发突变点突变染色体畸变碱基置换移码突变转换颠换缺失添加缺失添加易位倒位
(五 )基因突变的机制野生菌株
(红色 )
缺陷型菌株
(灰白色 )
一对碱基被另外的一对碱基置换。
转换 (transition)：即 DNA链中的一个嘌呤被嘌呤或嘧啶被嘧啶所置换。
颠换 (transversion)：即一个嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤所置换。
1 诱变的机制
(1)碱基的置换
(2)移码突变
诱变剂使 DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增加或缺失，从而使后面的全部遗传密码发生转录和转译错误。
转座因子 (transposible element),跳跃基因 (jumping gene)
在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段
DNA顺序。
(3)染色体畸变插入序列 (insertion sequence),分子量小,0.7~1.4kb，只能引起转座效应而不含其它任何基因。
转座子 (Tn,transposon),分子量为 2~25kb，含有几个到十几个基因。能插到受体 DNA分子的许多位点上。
Mu噬菌体 (mutator phage),是 E,Coli的一种温和噬菌体，
分子量大，约 37kb，含 20多个基因，可以引起插入突变。
2 自发突变机制
(1)背景辐射、环境因素
(2)微生物自身有害物质
(3)互变异构效应
(4)环出效应
1 损伤机理
2 修复光复活作用：把近紫外线照射的微生物立即暴露于可见光下，可显著降低其死亡率。
暗修复作用：切除修复，有四种酶参与。
(六 )紫外线对 DNA的损伤及修复二 突变与育种
(一 )自发突变与育种生产中选育定向培育 环境条件定向梯度培养皿卡介苗,结核杆菌 显著减毒的结核杆菌
(即卡介苗 )
定向培育
230代,13年
1 基本环节
(二 )诱变育种
选择简便有效的诱变剂：
选择优良的出发菌株：
处理单孢子悬液：
选择最适剂量：
利用复合处理的协同效应：
利用和创造与形态、生理、产量等相关的指标。
2 诱变育种的原则姬姆萨实验
鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸缺陷型
(1)与缺陷型筛选有关的三类培养基：
[-]基本培养基 (MM)
3 营养缺陷型的筛选野生型能长最低营养成分的合成培养基天然培养基各种营养缺陷型都能生长基本培养基 +补充成分相应的缺陷型能生长
[+]完全培养基 (CM)
[A]补充培养基 (SM)
野生型
营养缺陷型
原养型
(2)与缺陷型突变有关的三类一种型：
(3)营养缺陷型的筛选方法
遗传 (heredity)
遗传型 (genotype)
表型 (phenotype)
变异 (variation)
饰变 (modification)
第一节 遗传变异的物质基础一 遗传的物质基础
1 DNA复制
2转录 3 转译
原核生物只有一种 RNA多聚酶
转录后不需加工，直接作为 mRNA
mRNA只能存活几分钟、几小时
转录和转移可同时进行，是偶联的
原核生物的 mRNA是多基因的 (polycistronic)，即它们编码几个多肽二 证明 DNA为遗传物质的三个经典实验
1转化实验
2噬菌体感染实验
3 病毒的拆开和重组实验七个水平
细胞水平
细胞核水平
染色体水平
核酸水平
基因水平
密码子水平
核苷酸水平三 遗传物质在细胞内的存在部位和方式
1 细胞核水平 质粒 (plasmid)：细胞质内能自主复制的核外染色体原核生物的质粒
质粒,游离于原核生物染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状 DNA分子，即 cccDNA(circular,covalently closed DNA)。
质粒具有超螺旋结构，分子量一般在 106~108Da间，大小约为 1%
核基因组。携带有某些染色体上所没有的基因，赋予细胞某些特殊功能。
严紧型复制控制,质粒的复制与核染色体复制同步。
松弛型复制控制,质粒的复制与核染色体复制不同步。
质粒消除 (curing或 elinination)：含质粒的细胞在正常培养基上遇化学、物理因素处理时，质粒的复制受到抑制而核染色体的复制继续进行，子代细胞中质粒消除。
附加体 (episome)：某些质粒具有与核染色体整合、脱离的功能，
这类质粒称附加体。
F因子
制育因子，性因子，约
2%核染色体,94.5kb，编码的基因约 1/3与接合有关
R因子
抗药性因子，其基因编码的物质对抗生素有抗性
Ti因子
诱癌质粒，可同植物细胞中的核染色体整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，
从而使其变成癌细胞。
巨大质粒
分子量 200~300× 106Da，
比一般质粒大几十到几百倍，上面有固氮基因。
降解性质粒
可以编码许多降解性酶类，使细菌降解特殊物质。
Col因子
大肠杆菌素因子，即使大肠杆菌分泌大肠杆菌素
2 基因水平调节基因 也有转录和转译作用，
以其模板生成的蛋白质称为阻遏蛋白或变构蛋白。
阻遏蛋白的作用是能与操纵基因结合，阻止了 RNA聚合酶向结构基因滑动，既使结构基因失去了合成 mRNA的能力。
基因控制系统操纵子调节基因启动基因操纵基因结构基因阻遏蛋白也能与培养基中的底物 (由结构基因转录、转译的酶催化分解的底物 )相结合，当阻遏蛋白与底物结合后，阻遏蛋白从操纵基因分离，
从而开放了 RNA聚合酶通向结构基因的通道，便能转录成 mRNA，并转译成蛋白质 (酶 )。
第二节 基因突变和诱变育种一 基因突变
生物体内遗传物质的分子结构突然发生可遗传的变化。
变异基因突变基因重组诱变自发突变点突变染色体畸变碱基置换移码突变转换颠换缺失添加缺失添加易位倒位
(一 )突变类型选择性突变形态突变型抗原突变型产量突变型营养缺陷型抗性突变型条件致死突变型非选择性突变
(死活突变 )
(非死活突变 )
每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。
(二 )突变率 (mutation rate)
1 不对应性,引起突变的因素和突变出的性状没有对应关系。
2 自发性,自然状况下也可发生。
3 稀有性,10-6~10-9间。
4 独立性,突变的发生一般是独立的。
5 诱变性,采用某种方法、药品可使突变率增加。
6 稳定性,新产生的性状是稳定的、可遗传的。
7 可逆性,既可发生正向突变，也可发生回复突变。
(三 )突变的特点
变量实验 (fluctuation test)
涂布实验 (Newcombe experiment)
影印实验 (replica plating)
(四 )基因突变的自发性和不对应性的证明两种观点 细菌接触抗生素，抗生素使其定向变异预先已变，抗生素淘汰大量敏感型变异基因突变基因重组诱变自发突变点突变染色体畸变碱基置换移码突变转换颠换缺失添加缺失添加易位倒位
(五 )基因突变的机制野生菌株
(红色 )
缺陷型菌株
(灰白色 )
一对碱基被另外的一对碱基置换。
转换 (transition)：即 DNA链中的一个嘌呤被嘌呤或嘧啶被嘧啶所置换。
颠换 (transversion)：即一个嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤所置换。
1 诱变的机制
(1)碱基的置换
(2)移码突变
诱变剂使 DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增加或缺失，从而使后面的全部遗传密码发生转录和转译错误。
转座因子 (transposible element),跳跃基因 (jumping gene)
在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段
DNA顺序。
(3)染色体畸变插入序列 (insertion sequence),分子量小,0.7~1.4kb，只能引起转座效应而不含其它任何基因。
转座子 (Tn,transposon),分子量为 2~25kb，含有几个到十几个基因。能插到受体 DNA分子的许多位点上。
Mu噬菌体 (mutator phage),是 E,Coli的一种温和噬菌体，
分子量大，约 37kb，含 20多个基因，可以引起插入突变。
2 自发突变机制
(1)背景辐射、环境因素
(2)微生物自身有害物质
(3)互变异构效应
(4)环出效应
1 损伤机理
2 修复光复活作用：把近紫外线照射的微生物立即暴露于可见光下，可显著降低其死亡率。
暗修复作用：切除修复，有四种酶参与。
(六 )紫外线对 DNA的损伤及修复二 突变与育种
(一 )自发突变与育种生产中选育定向培育 环境条件定向梯度培养皿卡介苗,结核杆菌 显著减毒的结核杆菌
(即卡介苗 )
定向培育
230代,13年
1 基本环节
(二 )诱变育种
选择简便有效的诱变剂：
选择优良的出发菌株：
处理单孢子悬液：
选择最适剂量：
利用复合处理的协同效应：
利用和创造与形态、生理、产量等相关的指标。
2 诱变育种的原则姬姆萨实验
鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸缺陷型
(1)与缺陷型筛选有关的三类培养基：
[-]基本培养基 (MM)
3 营养缺陷型的筛选野生型能长最低营养成分的合成培养基天然培养基各种营养缺陷型都能生长基本培养基 +补充成分相应的缺陷型能生长
[+]完全培养基 (CM)
[A]补充培养基 (SM)
野生型
营养缺陷型
原养型
(2)与缺陷型突变有关的三类一种型：
(3)营养缺陷型的筛选方法
