微生物的遗传和变异 (2)课件

1、畜牧微生物学,第七章、微生物的遗传和变异,微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的生物学基本理论问题中最热衷的研究对象。 对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育种工作提供了丰富的理论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。,研究微生物遗传学的意义,遗传与变异的概念,遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。 遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。特点：具稳定性。 遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；-是一种内在可能性或潜力。 遗传型 + 环境条件 表型 表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;-是一种现实存在，是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。,变异(variation):生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。变异的特点：a.在群体中以极低的几率出现，（一般为10-610-10）；b.形状变化的幅度大； c. 变化后形

2、成的新性状是稳定的，可遗传的。 饰变（modification）：指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。特点是：a.几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化；b.性状变化的幅度小；c.因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。,例如：粘质沙雷氏菌：在25下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25，又恢复产色素的能力。,遗传与变异的概念,微生物的独特生物学特性：,个体的体制极其简单； 营养体一般都是单倍体； 易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖； 繁殖速度快； 易于积累不同的中间代谢产物或终产物； 菌落形态特征的可见性和多样性； 环境条件对微生物群体中各个个体作用的直接性和均一性； 易于形成营养缺陷型； 各种微生物一般都有相应的病毒； 存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式；,1928年，Griffith进行了以下几组实验： （1）动物实验 对小鼠注射活RII菌或死SIII菌 小鼠存活 对小鼠注射活SIII菌小鼠死亡 对小鼠注射活RII菌和热死SIII菌 小鼠死亡 抽取心血 分离 活的SIII

3、菌,一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验,（一）经典转化实验（transformation）：F.Griffith， 研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌） SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性 RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性,（2）细菌培养实验,（3）S型菌的无细胞抽提液试验,以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。,热死SIII菌不生长 活 RII 菌长出RII菌 热死SIII菌长出大量RII菌和10-6SIII菌,活R菌+S菌无细胞抽提液长出大量R菌和少量S菌,+活RII菌,平皿培养,加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖,活R菌,长出S菌,只有R菌,1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从热死S型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：,

4、只有S型细菌的DNA才能将S. pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。,（二）噬菌体感染实验,A. D. Hershey和M. Chase， 1952年,（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中,上清液中含 15%放射性,沉淀中含 85%放射性,沉淀中含 25%放射性,以32S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验,（2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中,上清液中含 75%放射性,噬菌体感染实验,（三）植物病毒的重建实验,为了证明核酸是遗传物质，H. Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。 将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。,选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：,（1）RNA（TMV） 蛋白质

5、（HRV） （2）RNA（HRV） 蛋白质（TMV） 用两种杂合病毒感染寄主： （1）表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子 （2）表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子。 上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。,MTV HRV,HRV MTV,（一）核酸存在的七个水平及质粒 细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 细胞核水平: 原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA 染色体水平: 倍性(真核)和染色体数 核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链 基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录翻译 密码子水平： 信息单位,起始和终止, 核苷酸水平： 突变或交换单位，四种碱基,二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式,核外DNA的种类,核外染色体,真核生物的“质粒” 原核生物的质粒,线粒体 细胞质基因 叶绿体 （质体） 中心体 动 体 共生生物： 卡巴颗粒 酵母菌的2m质粒,F因子 R因子 Col质粒 Ti质粒 巨大质粒 降解性质粒,（三）突变的特点,适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。 不对应性：突变

6、的性状与突变原因之间无直接的对应关系。 自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。 稀有性：突变率低且稳定。 独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。 可诱发性：诱变剂可提高突变率。 稳定性：变异性状稳定可遗传。 可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突 变（forward mutation），从突变株回到野生型的 过程则称为回复突变或回变（back mutation或 reverse mutation）。,微生物变异的类型,形态结构的变异 色素突变体 无荚膜突变体 细菌L型 菌落变异 毒力变异:弱毒菌株(卡介苗） 耐药性变异:Strr 代谢变异 营养突变体：色氨酸营养缺陷型：Trp 发酵突变体：不发酵乳糖突变体：Lac,微生物变异的机理,非遗传性变异：不遗传，条件诱发。 遗传性变异：遗传物质改变，可遗传 基因突变 突变率：1/109 -1/104 人工诱变: 1/103 -1/102 基因转移（基因重组） 转化：感受态、转化因子； 转导：噬菌体介导 转换：温和噬菌体 接合：直接接触,第三节 基因重组,定义：凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子间

7、的重新组合，形成新遗传型个体的方式，称为基因重组（gene recombination）或遗传重组。 作用：重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新遗传型的个体。,一、原核微生物的基因重组,基因重组的方式 转化 转导 接合 原生质体融合,R型活菌+S型死菌 S型活菌 定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的受体菌称为转化子（transformant）。,（一）转化（transformation）,1、转化及其发现：,有关名词,受体菌：recipient/receptor，转化基因的接受者 供体菌：donor，转化基因的提供者 转化因子：来自供体菌的DNA片段 转化子：transformant，将转化基因重组进入自身染色体组的重组子,受体细胞要处于感受态. 感受态：competence，受体细胞能从环境吸取外源DNA片段并实现其转化的一种生理状态 供体DNA片段（转化因子）大小适宜，分子量一般为1 107 D 左右 菌株间的亲缘关系密切,2、转化发生的条件：,根据感受

8、态建立的方式，可以分为： 自然遗传转化natural genetic transformation 人工转化artificial transformation,3、转化的类型：,感受态：,只在细菌生长的某一时期出现；不同菌种的感受态出现在不同生长时期 Streptococcus pneumoniae的感受态出现在生长曲线中的指数期的中期， Bacillus的一些种则往往出现在指数期末及稳定期的初期。 感受态由细胞的遗传性决定，但同时也受环境因子的影响：cAMP、Ca2+等最明显。如用CaCl2 处理E. coli可以诱发其产生感受态。 当处于感受态高峰时，群体中呈感受态的细胞因菌种而不同. Bacillus subtilis不超过1015% Streptococcus pneumonia和Haemophilus influenzae（流感嗜血杆菌）达到100% 在群体中含有15%感受态细胞时，0.1gDNA/ml细胞悬液即可有效发生转化,转化因子：,转化因子：本质是供体DNA片段 一般的转化因子都是线状双链DNA；也有少数报道认为线状单链DNA也有转化作用。 大小：经过多次提纯操作后，

9、每一转化DNA片段的分子量都小于1107，即约占细菌核染色体组的0.3%，其上平均约含15个基因。而粗制的DNA则分子量较大。 吸收数量：每个感受态细胞约可掺入10个转化因子。 转化频率：一般只有0.11%，最高时亦达10%左右。据研究，呈质粒形式（双链闭合环状）的转化因子，其转化频率最高（因为它进入受体菌中后，可不必与受体染色体进行交换、整合即可进行复制和表达）；。,转化的过程,以S. Pneumonia strr（肺炎链球菌抗链霉素菌株）为例，大致可分为六阶段： 吸附：双链DNA片段与细胞表面的特定位点（主要在新形成细胞壁的赤道区）结合，此时，细胞膜上的胆碱可促进这一过程。在吸附过程的前阶段，如外界加入DNA酶，就会减少转化子的产生。稍后，DNA酶即无影响，说明此时该转化因子已进入细胞； 切割：在吸附位点上的DNA被核酸内切酶分解，形成平均分子量为45106的DNA片段； 入胞：DNA双链中的一条单链被膜上的另一种核酸酶切除，另一条单链逐步进入细胞，这是一个耗能的过程。分子量小于5105的DNA片段不能进入细胞。这时如用低浓度溶菌酶处理，因它提高了细胞壁的通透性，故可提高转化频率；,重组：来自供体菌的单链DNA片段在细胞内与受体细胞核染色体组上的同源区配对，接着受体染色体组上的相应单链片段被切除，并被外来的单链DNA交换、整合和取代，于是形成了一个杂合DNA区段（heterozygous region）。在这一过程中，有核酸酶、DNA聚合酶和DNA连接酶的参与； 复制：受体菌的染色体组进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一获得了供体菌的转化基因，另一个未获供体基因； 转化子形成：当细胞发生分裂后，一个子细胞含供体基因，这就是转化子；另一个细胞与原始受体菌一样。,转化的过程,降解,吸附,切割成45106,单链入胞,同源部分配对、整合,复制分裂，只有一个子代DNA分子获得供体基因,转化过程,到目前为止，已发现能发生转化作用的菌属主要有： Streptococcus pneumoniae、Haemophilus

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