第七章 微生物的遗传变异1

第七章 微生物的遗传变异1

遗传（heredity）：亲代将自身的一整套遗传物质传递给子代的行为或功能。

变异（variation）：生物体在某种内因或外因的作用下，发生遗传物质的结构或数量的改变。

遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。 

表型（phenotype）：某一生物所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在一定的环境条件下通过代谢发育而得到的具体体现。

饰变（modification）：发生在转录、转译水平上的表型变化，并不涉及遗传物质的改变。特点是整个群体中的几乎所有个体都发生同样的变化；因遗传物质未变，故饰变是不遗传的。如粘质沙雷氏菌在25℃下培养时会产生深红色的灵杆菌素，而在37℃时，群体中的一切个体均不产色素。

第一节 遗传变异的物质基础

一遗传变异的物质基础

三个经典实验（参课本P189-192）：

经典转化实验、噬菌体感染实验、植物病毒重建实验

二 遗传物质在细胞内的存在部位和方式

（一）七个水平

细胞(cell)、细胞核(cell nucleus)、染色体(chromosome)、核酸(nucleic acid)、基因(gene)、密码子（codon）、核苷酸(nucleotide)。

原核生物的基因调控系统由操纵子(operon)和其调节基因(regulator gene)组成。功能上密切相关的基因构成操纵子，其中包括结构基因（structure gene ）、操纵基因（operator）和启动基因（promoter，启动子或启动区）。　　　　　　

原核生物和真核生物基因组的比较(参课本P196表)。

（二）原核生物的质粒

质粒（plasmid）：主要指原核生物核基因组外具有独立复制能力的小型dsDNA分子。

1. 质粒的大小

质粒在细胞内一般呈麻花状的超螺旋构型（supercoiled form, SC型），从细胞中分离出来的质粒有三种构型，即SC型、OC型（open circular form）和L型（linear form）。大小一般为1.5 ~ 300 kb，仅为核基因组大小的1% ~3%左右，大的可达核基因组的10%，含有几百个基因；小的不到核基因组的0.5%，仅含1至几个基因。

2.质粒的性质

ⅰ 自我复制能力；质粒本身是一种复制子。

严紧型质粒，与核基因组同步复制，即严紧型复制控制,每一细胞仅含1~2个；

松驰型质粒，与核基因组不同步复制，即松弛型复制控制，每一细胞一般含有10个以上。

ⅱ 质粒基因编码的产物赋予细菌某些性状特征；

ⅲ 质粒消除后，一般不影响细菌的存活；

含质粒的cell在正常的培养基中受到吖啶类染料、UV、重金属离子或高温等处理时，由于质粒的复制受抑制而核基因组的复制仍继续进行，从而引起子代细胞中不带质粒，即质粒的消除。

ⅳ 转移性；可通过接合、转化、转导等方式在细菌之间转移。

ⅴ 相容性与不相容性

几种不同的质粒共存于一个细胞内的现象，称相容性，反之称不相容性。

某些质粒如F因子等可与细菌染色体发生整合与脱离的功能，这类质粒又称附加体。

整合：一般指质粒（或病毒、转化因子）等小型非染色体DNA插入核基因等大型DNA分子中的现象。

3.质粒的种类及典型代表（参课本P199表）

根据质粒所携带的遗传信息表达后的表型特征可将质粒的分类如下：

①F质粒（F plasmid）

又称F因子、致育因子或性因子，是E.coli等细菌决定性别并有转移能力的质粒。

②R质粒（Resistance plasmid）

即抗性质粒，又称R因子，与细菌对药物或重金属离子等的抗性有关。

③细菌素质粒（bacteriocin plasmid）

编码产生抑制或杀死其它近缘细菌或同种不同菌株的蛋白质。

Col质粒又称大肠杆菌素质粒或大肠杆菌素因子，赋予大肠杆菌产生大肠杆菌素的能力。大肠杆菌素是一种由 E. coli 的某些菌株所分泌的细菌素，具有通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其他肠道细菌的功能。

④T i质粒（tumor inducing plasmid）

即诱癌质粒或冠瘿质粒，根癌农杆菌（即根癌土壤杆菌）（Agrobacterium tumefaciens）含有这种可引起双子叶植物根癌的质粒。Ti 质粒长约200kb，是目前植物基因工程中最理想的克隆载体。

⑤mega质粒（megaplasmid）                                                    

即巨大质粒，根瘤菌属中存在的与共生固氮有关的大型质粒，分子量为2~3×10⁸。

⑥降解性质粒（degradative plasmid）

 主要在假单胞菌属中发现的，可编码产生与某些复杂物降解有关的酶。这类细菌在污水处理、环保等方面具有独特作用。

第二节 基因突变和诱变育种

一基因突变 (gene mutation)

简称突变，泛指生物体内遗传物质的结构或数量突然发生可遗传的变化。

狭义的突变专指基因突变（点突变）；广义的突变包括基因突变和染色体畸变。

（一）突变类型

根据突变后突变株的表型能否在选择性培养基上快速鉴别和选择出来，分为选择性突变株，如营养缺陷型、抗性突变型和条件致死突变型等，和非选择性突变株，如形态、抗原、产量突变型等。

1.营养缺陷型（auxotroph）

某一野生型菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法在基本培养基上正常生长繁殖的变异型。

与营养缺陷型有关的三类培养基(参课本P221)：

① 基本培养基（minimum medium，MM，[–]），仅能满足某种微生物的野生型菌株生长所需的最低营养成分的组合培养基；

② 完全培养基（complete medium，CM，[+]），可满足某种微生物所有营养缺陷型营养需要的天然或半组合培养基；

③ 补充培养基（supplemental medium，SM，[A]or[B]）：只能满足相应的营养缺陷型生长所需的组合或半组合培养基。

与营养缺陷型有关的三类遗传型个体(参课本P221)：

① 野生型 （wild type ），从自然界分离到的任何微生物在其人为发生突变前的菌株，可在MM上生长，[A ＋ B ＋]；

② 营养缺陷型（auxotroph），不能在MM上生长，可在CM或SM上生长，[A－B ＋] 、 [A＋B －] 、[A－B － ] ；

③原养型（prototroph），营养缺陷型经回复突变或重组后产生的菌株，其营养要求与野生型相同， [A ＋ B ＋] 。

2 抗性突变型（resistant mutant）                                
     野生型菌株发生基因突变后产生对某种化学药物或致死物理因子的抗性变异型。

3 条件致死突变型（conditional lethal mutant）             

 某菌株或病毒发生基因突变后，在某种条件下能正常生长繁殖，而在另一种条件下呈致死效应的突变型。如温度敏感突变型，Ts突变株（temperature sensitive mutant，Ts mutant）。

4 形态突变型（morphological mutant）
     基因突变引起个体或菌落形态的变异。

5 抗原突变型（antigen mutant）
    由于基因突变引起细胞抗原结构发生的变异型。

6 产量突变型（yield mutation）                            

基因突变引起某菌株的某种代谢产物的产量发生明显有别于原始菌株的突变型。

（二）突变率（mutation rate）

某一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率，称突变率。

突变率为10^-8的，指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变。

突变率可用某一单位群体在每一世代（即分裂1次）中产生多少突变株的数目来表示，如一个含10⁸个细胞的群体，当其分裂为2×10⁸个细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是10^-8。

（三）基因突变的特点   

自发性、不对应性、稀有性、独立性、诱变性、稳定性、可逆性

（四）基因突变的自发性和不对应性的证明

变量试验、 涂布试验及影印平板试验（参P204-207，理解）

（五）紫外线对DNA的损伤及其修复

1 UV（ultraviolet ray）对DNA的损伤方式

紫外线是非电离辐射，其波长范围为10～380nm。不同波长的紫外线具有不同程度的杀菌力，一般以 260nm左右波长的紫外线杀菌力最强，可作为强烈杀菌剂，如在医疗卫生和无菌操作中广泛应用的紫外杀菌灯管。

直接作用：辐射（或其它诱变剂）直接作用于DNA并引起DNA的损伤；

间接作用：辐射使细胞中DNA以外的物质发生变化，再由这些物质作用于DNA，引起DNA的损伤。

UV对DNA的损伤以直接作用为主，细胞中 DNA吸收紫外线，形成嘧啶二聚体，特别是胸腺嘧啶二聚体，导致DNA复制异常而产生致死作用。

2 DNA 损伤的修复

DNA 由于各种原因而受到损伤，这些损伤可由存在于细胞内的各种修复系统加以修复。修复可有光复活作用、切除修复、重组修复和 SOS 修复等不同方式。

① 光复活作用（photoreactivation）

经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下，可出现明显降低其死亡率的现象。

② 切除修复（excision repair）

如果DNA的损伤较为严重，就必须进行切除修复。这是不依赖可见光，只通过酶切作用去除嘧啶二聚体，随后重新合成一段正常DNA的修复方式，故又称暗修复（dark repair）。（参课本P212图）

二 诱变与育种 (breeding by induced mutation)

诱变，即诱发突变(induced mutation)，是指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。

具有诱变效应的任何因素，都可称为诱变剂（mutagen）。

诱变育种是指利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实践或科学实验使用。　　

在诱变育种过程中，诱变和筛选两个主要的环节，其中以筛选更为重要。