微生物遗传（教学用）课件

1、第 七 章 微生物的遗传和变异,教学重点,遗传变异的物质基础(三个经典实验) 基因突变的特点（基因突变随机性的三个实验） 基因突变的机制 细菌的基因重组（转化、转导和接合实验） 诱变育种 菌种保藏,遗传子代与亲代性状相似的现象叫遗传。,变异子代与亲代或子代之间性状不同的现象 叫变异。,生物亲代与子代之间，在形态、结构和生理功能上常常相似，这就是遗传现象。,金丝猴的后代仍然是金丝猴,牛的后代仍然是牛,DNA作为遗传物质具备的条件,什么结构或物质具备这些条件呢？,1、稳定性 2、连续性 3、与蛋白质合成有关 4、变异性,第一节 遗传变异的物质基础,一、证明核酸是遗传变异的物质基础的经典实验 （一）转化实验 1928英国Griffith首次发现肺炎球菌的转化现象。 光滑型（S型）有荚膜、菌落光滑、 毒性强。 （分S、S、S三个血清型） 粗糙型（R型）无荚膜、菌落粗糙、无毒。 （分R、R、R三个血清型）,肺炎球菌,(1)动物试验,(2)细菌培养试验,(3)S型菌的无细胞抽提液试验,（二）噬菌体细菌的实验,噬 菌 体 细 菌 的 实 验 同 位 素 标 记 法,（二）噬菌体感染实验,上清液中含

2、15%放射性,图 7-1 E. coli 噬菌体的感染实验 上：用含32P-DNA核心的噬菌体作感染；下：用含35S-蛋白质外壳的噬菌体作感染,（三）病毒的拆开与重建实验,二、遗传物质在细胞中的存在方式,微生物的染色体外遗传因子,质粒是存在于微生物染色体外的主要遗传物质，多数为闭合环状双链的DNA，具有麻花状的超螺旋结构，少数为线状、开环状，能自主复制。 大小：1.01000kb 分子量：106108，相当核基因组的1%。,1. F因子（fertility factor）： 又称致育因子或性因子，分子质量63MDa，大小约100kb，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。可分为复制控制区、插入与缺失区和转移操纵子三部分。,（一）质粒的主要类型,一、质粒,最早在大肠杆菌中发现，后在志贺氏菌属（Shigella）、沙门氏菌属（Salmonella）和链球菌属（Streptococcus）等其他细菌中也发现了与大肠杆菌类似的致育因子。 在放线菌

3、中，天蓝色链霉菌含有SCP1和SCP2两种致育质粒，这两种质粒在天蓝色链霉菌的接合过程中起重要作用，带动染色体从供体细胞向受体细胞转移。 携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。,2. R因子（resistance factor）,最初发现于痢疾志贺氏菌（Shigella dysenteriae），后来发现还存在于Salmonella、Vibrio、Bacillus、和Staphylococcus中。 又称抗性质粒，是分布最广的质量之一，主要包括抗药性和抗金属性两大类，简称R质粒。带有抗药性因子的细菌对几种抗生素或其他药物呈现抗性。如RI质粒可使寄主对氯霉素、链霉素、磺胺、氨苄青霉素和卡那霉素有抗性。,R因子由相连的两个DNA片段组成，即抗性转移因子（resistence transfor factor， RTF ）和抗性决定R因子（r-determinant），含1-2个抗性基因,如抗生素的抗性基因。 R因子能自行重组，来自不同耐药株的R因子基因整合在一起，构成多重耐药菌株。 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

4、松弛型两种，经氯霉素处理后，松弛型质粒可达2000-3000个/细胞。,3.Col因子（colicinogenic factor）,Col因子又称产大肠杆菌素因子。许多细菌都能产生某些代谢产物，抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株，因为这些代谢产物是由质粒编码的蛋白质，不象抗生素那样具有很广的杀菌谱，所以称为细菌素（bacteriiocin） 细菌素种类很多,一般根据产生菌的种类进行命名：E.coli产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），此外还有枯草杆菌素、乳酸菌素、根瘤菌素等。,大肠杆菌素是产自大肠杆菌的一种蛋白质，具有专一性地杀死其亲缘关系很近的、不具Col质粒的其它肠道细菌的功能。 由G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G+细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。,4. 毒性质粒（virulence plasmid）,许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。 产毒素大肠杆菌是引起

5、人类和动物腹泻的主要病原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。 苏云金杆菌含有编码内毒素(伴孢晶体中)的质粒。 根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子。,Ti质粒上的一段特殊DNA片段转移至植物细胞内并整合在其染色体上，导致细胞无控制地瘤状增生，合成正常植物所没有的冠瘿碱化合物，破控制细胞分裂的激素调节系统，使它转为癌细胞。 Ti质粒已成为植物遗传工程研究的重要载体，一些具重要性状的外源基因可借DNA重组技术插入Ti质粒并使之整合到植物染色体上，以改变植物的遗传性，培育植物优良品种。,5. 代谢质粒（Metabolic plasmid）,代谢质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。 降解质粒-假单胞菌能将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。 近年来在根瘤菌属中发现一种比一般质粒大几倍到几百倍称巨大质粒，质粒有一系列固氮基因。,6.隐秘质粒,不显示任何表型效应，只有通过物理方法，如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现它的存在。它们存在的生物学

6、意义不清楚。,（二）质粒的特性与应用,质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。,1.质粒的特性,严谨型质粒(stringent plasmid) ：复制行为与核染色体的复制同步-低拷贝数 松弛型质粒(relaxed plasmid) ：复制行为与核染色体的复制不同步-高拷贝数,质粒的复制：依赖寄主细胞的复制酶体系。,窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid) （只能在一种特定的宿主细胞中复制） 广宿主范围质粒(broad host range plasmid) （可以在许多种细菌中复制）,2.质粒的应用,3.质粒的命名,广泛应用于基因工程，作为目的基因转移的载体。,二、可移动遗传因子,（一）转座因子的类型 可移动遗传因子称转座因子，是细胞中可改变自身位置的一段DNA序列。由转座因子的易位引起基因失活和重组作用称为转座。分： 插入序列 转座子 转座噬菌体,插入序列（IS，insertion sequence，IS）,特点是分子量最小（仅0.7-1.4kb），只含有编码转座所必需的转座酶基因，它们能在细菌染色

7、体、噬菌体DNA和质粒上的许多点移出或移进。一般不予细菌以任何表型特征，但可干扰基因的正常表达，导致基因复活或突变。,转座子（transposon，Tn),又称转位子，易位子IS和Mu噬菌体相比，Tn的分子量是居中的（一般为2-25kb）。它含有几个至十几个基因，其中除了与转座作用有关的基因外，还含有抗药基因或乳糖发酵基因等其它基因。它能在同一细胞内从一个质粒转移到另一个质粒，也能从质粒转移到细胞染色体或原噬菌体上。 Tn虽能插到受体DNA分子的许多位点上，但这些位点似乎也不完全是随机的，其中某些区域更易插入。,根据转座子两端结构组成，细菌转座子分： 复合型-两端为顺向或反向重复的IS，药物抗性基因位于中间，IS提供转座功能，连同抗药基因一起转移Tn5。 复杂型-两端为短的反向重复序列（IR），长度30-50kb，在这两个IR之间是编码转座功能和药物抗性功能的基因。,转座噬菌体（mutator phage，Mu）,转座噬菌体它是E.coli的一种温和噬菌体。与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同，Mu噬菌体并没有一定的整合位置，而且任何时候都可整合于寄主染色体上。与以上的

8、IS和Tn两种转座因子相比，Mu噬菌体的分子量最大（37kb），它含有20多个基因。Mu噬菌体引起的转座可以引起插入突变，其中约有2%是营养缺陷型突变。,（二）转座的遗传学效应,1.插入突变 2.产生染色体畸变 3.基因的移动和重排,第二节 微生物的突变,突变（mutation）指遗传物质发生数量或结构变化的现象。,一、微生物突变体的主要类型,（一）形态突变型,（二）生化突变型,（三）条件致死突变型,（四）致死突变型,1.营养缺陷型,2.抗性突变型,3.发酵突变型,4.毒力突变型,5.产量突变型,二、基因突变的特点,(一)随机性： 各种性状的突变可以在没有任何人为的诱变因素处理的情况下， 发生在生物的任何个体的任何发育时期及任何基因上.,1.变量实验(fluctuation test),结论：这说明抗性突变体的产生是在接触相应的噬菌体之前，在细胞某一次 分裂过程中随机地自发地产生的。这一自发突变发生得越早，则抗性 菌落出现得越多；反之则越少。,2.涂布试验,。,结论：说明大肠杆菌对噬菌体的抗性突变是在接触相应的噬菌体前，在细胞分裂过程中随机地自发地产生的，同时也说明某一性状的突变与环境

9、因素是不相对应的。,3.影印培养试验,结论：说明抗药性突变与接触药物无关，突变完全是自发地、随机发生的。,(二)稀有性：突变率在10-6 10-9之间。,(三)独立性：各突变体的发生不影响其他基因的 突变率。,(四)可逆性：基因突变的过程是可逆的。,(五)稳定性：变异性状是稳定的、可遗传的。,三、基因突变的机制,自发突变,诱发突变,诱变机制：,碱基置换,移码突变,畸变,只涉及1对碱基被另1对碱基所置换,遗传物质在染色体水平发生较大范围的变化,1个或少数几个碱基对的添加或缺失，使该部位后面遗传密码发生转录和翻译错误的基因突变。,四、诱变剂与致癌物质 基因突变是致癌的原因之一。,五、DNA损伤的修复,(一)无差错修复：可使损伤DNA完全修复,1.光复活作用,2.暗修复作用,(二)差错倾向修复,1.重组修复,2.SOS修复,第三节 细菌的基因重组,概念：所谓基因重组是两个不同性状的个体细胞，其中一个细胞内的基因转移到另一个细胞内并通过基因重新组合使之发生遗传变异的过程。,一、转化： 转化是受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段，通 过交换将其整合到自己的基因组中，从而获得供体菌部 分遗传性状的现象。,通过缺陷型噬菌体将供体菌的DNA片段携带到受体菌中，使后者获得前者部分遗传性状 的现象称为转导。,(一)转导的发现,选用材料,组氨酸营养缺陷型 LA-2(his-),色氨酸营养缺陷型 LA-22(try-),二、转导,（组氨酸营养 缺陷型）,Try+ his+,LA-2(his-),LA-22(Try-),（色氨酸营养 缺陷型）,原养型,（二）转导的种类,1.普遍性转导 完全转导 “误包” 流产转导 2.局限性转导 “误切”,完全普遍性转导(compietetransduction),鼠伤寒沙门氏菌,A-B+色氨酸缺陷型,A+B-组氨酸缺陷型,图 7-24 流产转导示意图,受体菌经转导获得的供体DNA片段在受体菌中不发生配对、交换和整合，也不迅速消失，而只是进行转录和转译（性状表达），这种现象就称为流产转导,局限性转导,通过某些部分缺陷的温和噬菌体将供 体的少数特定基因携带至受体菌的转导。,前噬菌体,(三)普遍性转导与局限性转导的区别,细菌的

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