? 第一节遗传变异的物质基础
? 第二节微生物的基因组结构
? 第三节质粒和转座因子
? 第四节基因突变及诱变育种
? 第五节细菌基因转移和重组
? 第六章真核微生物的遗传学特性
? 第七章菌种的衰退、复壮与保藏
第 八章微生物遗传变异与育种
遗传与变异的概念
遗传：亲代将自身一整套遗传因子传递给下一代的行为和功
能，
变异：生物体的遗传物质结构和数量的改变，新性状稳定、可
遗传。
遗传型（genotype）：一个生物体所含有的基因的总和。
表型（phenotype）：一个生物体所具有的一切外表特征和内
在特性的总和。
饰变（modification）：指生物体由于非遗传因素引起的表型改
变，变化发生在转录、转译水平，特点是几乎整个群体
中的每一个个体都发生同样的变化，性状变化的幅度
小，不遗传，引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。
一、证明遗传物质的三个经典实验
1. 转化实验－－－遗传物质是DNA
2. 噬菌体感染实验－－－证明DNA是遗传物质，且其
中含有合成蛋白质的遗传信息。
3. 植物病毒重建实验－－－遗传物质是RNA。
第一节遗传的物质基础
1.肺炎链球菌转化实验
2. T2噬菌体感染实验（A.D.Hershey和M.Chase 1952年）
HR
蛋白质
TMV
蛋白质
HR-RNA
TMV-RNA
3.病毒重建实验(Fraenkel—Conrat1956年)
生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病
毒(TMV)、霍氏车前花叶病毒(HR)蛋白
质外壳和核酸
抗血清处理，证明杂种病毒的蛋
白质外壳来自TMV，而非HR
杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现
为HR，而非TMV
遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质
第二节微生物的基因组
一、概念
基因组（genome）：
一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称
原核生物（如细菌），多为单倍体（在一般情况下只有一条染色体）
真核微生物，多条染色体，例如啤酒酵母有16条染色体。有时为双倍体
1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组
1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；
2）基因组上遗传信息具有连续性；
3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；
4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；
5）基因组的重复序列少而短；
二、微生物基因组结构的特点
2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组
1）典型的真核染色体结构；
2）没有明显的操纵子结构；
3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；
4）重复序列多；
质 粒
定义：是一类小型共价闭合环状核外DNA，能独立于细胞核
进行自主复制。可以通过交换掺入细胞核成为附加体；可以从
寄主细胞中消除。
大小：2~100×106Da，含有数个到数十个甚至上百个基因。
性质：质粒是一种复制子，分为严紧型和松弛型，严紧型质粒
的复制受细胞核控制，一般一个寄主细胞内有2~3个；松弛型
质粒的复制不受细胞核控制，在细胞内的数量可以达到10-15
个
功能：进行细胞间接合并带有一些基因，如产生毒素、抗药
性、降解功能等。
重组：在质粒之间、质粒与染色体之间菌可发生。
第三节质粒和转座因子
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（Bacteriocinproduction plasmid）
毒性质粒（virulence plasmid）
代谢质粒（Metabolic plasmid）
隐秘质粒（cryptic plasmid）
– 致育因子/性因子，62×106Dalton，94.5kb，相
当于核染色体DNA2%的环状双链DNA，足以编
码94个中等大小多肽，其中1/3基因（tra区）与
接合作用有关。
– 存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟
氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别。
1.F-因子（fertility factor）
– R因子由相连的两个DNA片段组成，即抗性转移因
子（resistencetransforfactor，RTF ）和抗性决
定因子（r-determinant），RTF控制质粒copy数及
复制，抗性决定因子带有抗生素或重金属的抗性基
因。
– R-因子在细胞内的copy数可从1~2个到几十个，分
为严紧型和松弛型两种，经氯霉素处理后，松弛型
质粒可达2000~3000个/细胞。
2. R（抗生素抗性和重金属抗性）因子
（resistencefactor）
3 .Col因子（colicinogenicfactor）
– 产大肠杆菌素因子。大肠杆菌素是一种由E.coli的某些菌株所分
泌的细菌蛋白，具有通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等
而专一地杀死不含Col因子的近缘的其它肠道细菌。
– 凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对
大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。
4 .Ti（毒性）质粒（tumoeinducing plasmid）
– 即诱癌质粒。长200kb，是一种大型质粒。
– 存在于根癌土壤杆菌（Agrobacterium
tumefaciens）中。赋予宿主引起许多双子叶植物的
根癌的特性。
– 当带有Ti质粒的细菌侵入植物细胞中后，在其细胞中
溶解，把细菌的DNA释放至植物细胞中。含有复制
子的Ti质粒的小片段与植物细胞中的核染色体发生整
合，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。
5.降解性（代谢）质粒
– 如假单胞菌属中发现。它们的降解性质粒可为
一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用
一般细菌所难以分解的物质做碳源。这些质粒
以其所分解的底物命名，例如有分解CAM（樟
脑）质粒，XYL（二甲苯）质粒，SAL（水杨
酸）质粒，MDL（扁桃酸）质粒，，NAP
（奈）质粒和TOL（甲苯）质粒等。
6.隐秘质粒
不显示任何表型效应，只能通过物理的方法检
测的质粒。如酵母菌的2um质粒。
转座因子
插入（IS）序列
转座子(Tn)
特殊病毒（Mu噬菌体）
定义：可在DNA链上改变自身位置的一段DNA序列。
原核生物中的转座子类型
?插入突变
?产生染色体畸变（复制性转座子）
?基因的移动和重排
转座的遗传效应
第四节基因突变及修复
一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变基因突变：
突变
自发突变
诱变
环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等
而导致，一般频率较低，通常为10-6-10-9 。
某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接
作用，突变以较高的频率产生。
一、基因突变
1. 碱基变化与遗传信息的改变
? 同义突变：GGG(Gly)---GGA (Gly)
? 错义突变：AGA(Arg)---GGA (Gly)
? 无义突变：UGU(Cys)---UGA（stop）
? 移码突变：AGA(Arg) UGU(Cys) G---AGU(Ser) GUG(Val)
? RNA基因组发生突变的几率失DNA的1000倍。
（一）基因突变类型：
2. 表型突变
细胞形态：如细菌的鞭毛、芽孢或荚膜的有无, 。
形态突变型
菌落形态：菌落大小、外形光滑(S型) 、粗糙(R型)和颜色等
营养缺陷型：缺乏合成必须营养物质的突变型,hisC-,hisC+
生化突变型 抗性突变：菌株对某种药物产生抵抗的突变 Tetr, Tets
抗原性突变（包括细胞内部、表面成分的改变）
回复突变：
致死性突变型（合成关键性酶的基因发生突变，表现出致死突变）
条件致死突变型：如温度敏感型
其它突变型：毒力突变、糖发酵突变、产量、产品突变等
按
表
型
分
例如：温度敏感型突变
菌落颜色变化
rpoB3401
LCH320
DJ258
rpoB+
30C 37C 39C 44C
R529C
R529C
T525R
（二）基因突变的特点：
1）不对应性：环境与变异无对应性
2）自发性：非人为的诱变因素下发生
3）稀有性：生物体的自发突变率为10-6～10-9
4）独立性：一个基因的突变对其它基因突变无
影响，同时发生2个突变的几率很低。
5）诱变性：诱变剂可提高突变率10~105倍
6）稳定性：突变性状稳定、可遗传
7）可逆性：野生型－－突变型叫正向突变，反之为
回复突变或回变。
突变率：每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几
率。
（三）基因突变自发性及不对应性的证明
? 变量试验
? 涂布试验
? 平板影印培养试验
自发突变(spontaneous mutation) ：没有人工诱变因素的参
与，生物体的自然突变。
1.变量试验：1943年,Luria和 Delbrück
结果：
1)抗性细胞的出
现，是在接触噬菌
体之前；
2)喷上噬菌体，仅
起淘汰野生型和鉴
别抗性株作用；
3)由于甲方高度彷
徨，说明突变是随
机的。
103/ml
Phage T1 plates
24－36hr
24－36hr
2. 涂布试验（1949年,Newcombe ）
结论：
1、突变与噬菌体无关；
2、涂布使抗性菌株均匀
分布；
3、抗性突变可在任何时
间发生，与噬菌体存在无
关。
3. 平板影印(replica plating)（1952,Lederberg夫妇 ）
实验表明：从未接触链霉素（str）的菌株可发生
抗性突变，分离可得到纯的str r 菌株。
一种能达到在一系列培养皿的相同位置上出现
相同遗传型菌落的接种培养方法。1次接8个。
二、突变与育种
（一）自发突变与生产育种
1.生产选育：群体培养中个别的变异个体表现出
生长优势，发现突变种后，随时分离、纯化。
2.定向培育：用特定的环境长期处理某一微生物
群体,同时不断对其移种、传代，以达到积累
和选择合适的自发突变体的一种育种方法。
（二）诱变育种
1. 概念：
诱变育种是用物理或化学的诱变剂使诱变对象内的
遗传物质（DNA）的分子结构发生改变，引起性状
变异并通过筛选获得符合要求的变异菌株的一种育
种方法。
2. 诱变剂：
2）种类：
物理因子（phisicalagents)
化学因子(chemical agents)
转座子(transposable elements)
物理诱变剂：U.V、χ、γ、快中子、超声波等。
化学诱变剂：
1）概念：凡能提高基因突变频率的理化因素。
3. 诱变的主要环节
1）诱变剂的选择：
a. 了解诱变剂的性质、作用机理和使用方法
b. 处理方式：
单一因子处理：
复合因子处理：两种以上因素
c. 处理剂量：测致死率。
先后使用
同时使用
单一因子重复使用
方法 平板菌落计数法纸片法
一般杀菌率为70%左右。
三、诱变剂与致癌物质——Ames试验
a）利用各种诱变剂获得各类遗传突变，进行诱变育种；
c）危害人类自身的健康
b）对有害微生物进行控制；
很多种化学物质，能以各种机制导致DNA的突变
Ames试验：
回复突变(reverse mutation
或back mutation)：突变体
失去的野生型性状，可以通
过第二次突变得到恢复，这
种第二次突变称为回复突
变。
抑制突变：由于第二次突变
抑制了第一次突变所造成的
缺陷。
原理：检测鼠伤寒沙门氏菌
(Salmonella typhmurium)组
氨酸营养缺陷型菌株(his-)的
回复突变率,
是由美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于1966年发明。
四、营养缺陷型的筛选
（一）概念：
1. 三种遗传型个体
营养缺陷型（auxotroph）：经诱变产生的一些合成能
力出现缺陷，而必须在培养基内加入相应
有机养分才能正常生长的变异菌株。
如：lys - ; his - ;
野生型(wild type)：自然界分离到的任何微生物，在
其发生营养缺陷突变前的原始菌株，为
该微生物的野生型。如：lys + ; his+ ;
原养型(prototroph) ：指auxo突变菌株回复突变或重组
后产生的菌株，与野生型的表型相同。
营养缺陷型的表示方法
基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC
（组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变）
表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC
在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。
2、筛选用的培养基
基本培养基（minimal medium,MM）[-]：满足野生型菌株
营养要求最低成分的组合。
完全培养基（complete medium,CM）[+]：满足一切营养
缺陷型生长的天然或半组合培养基。
补充培养基（supplemented medium,SM）[x]：在基本培养
基中有针对性地加入一或几种营养成分以满足相应营
养缺陷型生长的组合培养基。
（二）筛选方法
营养缺陷型的鉴定
诱变处理
营养缺陷型的浓缩
营养缺陷型的检出
2.营养缺陷型的浓缩：
1）抗生素法：
原理：青霉素（细
菌）、制霉菌素（霉
菌）等抗生素作用于生
长着的微生物细胞，对
休止态细胞无作用。
方法：菌培养在含抗生
素的MM基中。
1. 诱变处理：亚硝基胍（NTG）
2）菌丝过滤法：
适用于丝状（放
线菌、霉菌）。
原理：野生型在
基本培养基上发
育成菌丝，不能
通过滤膜；营养
缺陷型孢子可通
过滤膜，野生型
菌丝不能通过。
3）差别杀菌法：
基本培养基上只有野生型生长，加热杀死
野生型营养体，保留营养缺陷型芽孢。
细菌——80℃
酵母——60 ℃
适用于产芽孢、孢子菌。
3.营养缺陷型的检出
1）逐个检出法
2）影印平板培养法
3）限量补充法
（在基本培养基中加0.01%
蛋白胨，营养缺陷型菌落小，
野生型菌落大）
3.营养缺陷型的检出
4）夹层培养法
两层基本培养基，夹一层菌液，标记后，再加一
层完全培养基。
3.营养缺陷型的检出
4.营养缺陷型的鉴定
1）生长谱法
?方法简便；
?回变和污染不影响
结果
?测定物质可为粉末
或纸片
混合氨基酸法步骤：
a. 将多种营养因子编组，
如：一组：1 2 3 4 5
二组：2 6 7 8 9
三组：3 7 10 11 12
四组：4 8 11 13 14
五组：5 9 12 14 15
2）混合氨基酸（Vit）法
1）每组内无重复的营
养因子
2）每组中应包含只出
现一次的因子
3）每组中其他因子应
分别出现二次
营养因子分组编排时注意：
4.营养缺陷型的鉴定
b. 将组合液的纸片放
在涂菌的基本培养基
上培养
c. 结果分析
a. 将多种营养因子编组，
如：一组：1 2 3 4 5
二组：2 6 7 8 9
三组：3 7 10 11 12
四组：4 8 11 13 14
五组：5 9 12 14 15
5.营养缺陷型的应用
1）作为标记菌株：进行基因工程、诱变育种、
代谢过程的研究中的亲本标记；
2）作为生产菌种：aa、核苷酸等生产菌种；
3）作为aa、维生素、碱基的测定菌株。
第五节 细菌基因转移和重组
第六章真核微生物的遗传学特性
在“微生物遗传学”中学习
第七章菌种的衰退、复壮与保藏
性状稳定的菌种是微生物学工作最重要的基本要求，
否则生产或科研都无法正常进行。
一、菌种的衰退与复壮
1.影响微生物菌种稳定性的因素：
c）死亡；
大量群体中的自发突变菌种衰退的特点：
a）变异；
b）污染；
（一）菌种衰退（degeneration）：
衰退是指由于自发突变的结果，而使某物种原有一系列生物学
性状发生量变和质变的现象。
2. 防止衰退的措施
1）经常进行纯种分离，并对相应的性状指标进行检查；
2）减少传代次数；
3）创造良好的培养条件；
4）采用有效的菌种保藏方法；
1）从衰退的菌种群体中把少数个体再找出来，重新获得具有
原有典型性状的菌种。
2）有意识地利用微生物会发生自发突变的特性，在日常的菌种
维护工作中不断筛选“正变”个体。
a）纯种分离； b）通过寄主体进行复壮；
（二）菌种的复壮（rejuvenation）：
二、菌种保藏
在一定时间内使菌种不死、不变、不乱
基本要求：
基本原理：
a. 选用优良菌种
b.创造一个利于微生物休眠的环境条件
环境要素：干燥、低温、缺氧、缺营养
二、菌种保藏
基本方法：
生活态
休眠态
培养基传代培养
寄主传代培养
冷冻
干燥
斜面、平板
液氮、低温冰箱
沙土管、冷冻真空干燥
表几种常用菌种保藏方法的比较
方法名称 主要措施 适宜菌种 保藏期 评价
冰箱保藏法（
斜面）
冰箱保藏法（
半固体）
石蜡油封藏法
砂土保藏法
冷冻干燥保藏
法
液氮保藏法
甘油悬液保藏
法
低温（4℃）
低温（4℃），避氧
低温（4℃），缺氧
干燥，无营养
干燥，无氧，低温，
有保护剂
超低温（－196℃）
，有保护剂
低温（－70℃），保
护剂甘油
各大类
细菌，酵
母菌
各大类**
产孢子的
微生物
各大类
各大类
细菌，酵
母菌
3—6月
6—12月
1—2年
1—10年
5—15 年
以上
15 年以
上
约10年
简便
简便
简便
简便有
效
繁而高
效
繁而高
效
较简便
*用斜面或半固休穿刺培养物均可。一般置4℃冰箱保藏。
**石油发酵微生物不适宜。
