【教学课件】第八章微生物的遗传第八章.ppt

第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传第八章 微生物的遗传变异与育种理想的工业发酵菌种应符合以下要求遗传性状稳定；遗传性状稳定；生长速度快，不易被噬菌体等异种微生物污染；生长速度快，不易被噬菌体等异种微生物污染；目标产物的产量尽可能接近理论转化率；目标产物的产量尽可能接近理论转化率；目标产物最好能分泌到细胞外，以降低产物抑制并利目标产物最好能分泌到细胞外，以降低产物抑制并利于分离；于分离；尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产量并利于分离；量并利于分离；培养基成分简单、来源广、价格低廉；培养基成分简单、来源广、价格低廉；对温度、对温度、pHpH、离子强度、剪切力等环境因素不敏感；、离子强度、剪切力等环境因素不敏感；对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传微生物的独特生物学特性（1 1）个体的体制极其简单；个体的体制极其简单；（2 2）营养体一般都是单倍体；营养体一般都是单倍体；（3 3）易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖；易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖；（4 4）繁殖速度快；繁殖速度快；（5 5）易于积累不同的中间代谢产物或终产物；易于积累不同的中间代谢产物或终产物；（6 6）菌落形态特征的可见性和多样性；菌落形态特征的可见性和多样性；（7 7）环境条件对微生物群体中各个个体作用的直接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；和均一性；（8 8）易于形成营养缺陷型；易于形成营养缺陷型；（9 9）各种微生物一般都有相应的病毒；各种微生物一般都有相应的病毒；（1010）存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式；存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式；第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传v微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的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生物学基本理论问题中最热衷的研究对象研究对象研究对象研究对象。v对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了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现代分子生物学现代分子生物学现代分子生物学和和生物工程学生物工程学生物工程学生物工程学的发展，而且的发展，而且为为育种工作育种工作育种工作育种工作提供了丰富的理论基础，促使育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随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。发展。研究微生物遗传学的意义第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传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。遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。遗传遗传(heredity)(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生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。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。特点：具稳定性。遗传型（遗传型（genotypegenotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；的全部基因的总和；-是一种内在可能性或潜是一种内在可能性或潜力。力。遗传型遗传型+环境条件环境条件 表型表型表型（表型（phenotypephenotype）：）：指生物体所具有的一切外表特征和内在指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和特性的总和;-;-是一种现实存在，是具一定遗传是一种现实存在，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。型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。代谢代谢发育发育第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传变变异异(variation):(variation):生生物物体体在在外外因因或或内内因因的的作作用用下下，遗遗传传物物质质的的结结构构或或数数量量发发生生改改变变。变变异异的的特特点点：a.a.在在群群体体中中以以极极低低的的几几率率出出现现，（一一般般为为1010-6-61010-10-10）；b.b.形形状状变变化化的的幅幅度大；度大；c.c.变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。饰饰变变（modificationmodification）：指指不不涉涉及及遗遗传传物物质质结结构构改改变变而而只只发发生生在在转转录录、转转译译水水平平上上的的表表型型变变化化。特特点点是是：a.a.几几乎乎整整个个群群体体中中的的每每一一个个个个体体都都发发生生同同样样的的变变化化；b.b.性性状状变变化化的的幅幅度度小小；c.c.因因遗遗传传物物质质不不变变，故故饰饰变变是是不不遗遗传传的的。引引起起饰饰变的因素消失后，表型即可恢复。变的因素消失后，表型即可恢复。例如：粘质沙雷氏菌：在例如：粘质沙雷氏菌：在2525下培养，产生深红色的灵下培养，产生深红色的灵杆菌素；在杆菌素；在3737下培养，不产生色素；如果重新将温度下培养，不产生色素；如果重新将温度降到降到2525，又恢复产色素的能力。，又恢复产色素的能力。遗传与变异的概念遗传与变异的概念第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传第一节 遗传变异的物质基础|种质连续理论：种质连续理论：1883188918831889年间年间WeissmannWeissmann提出。认为遗提出。认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物。传物质是一种具有特定分子结构的化合物。|基因学说：基因学说：19331933年摩尔根（年摩尔根（Thomas Hunt MorganThomas Hunt Morgan）发现）发现了染色体，并证明基因在染色体上呈直线排列，提出了了染色体，并证明基因在染色体上呈直线排列，提出了基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。但染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。但染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。2020多种氨基酸经过不同排列组合，可以演变出的蛋白质数多种氨基酸经过不同排列组合，可以演变出的蛋白质数目几乎可以达到一个天文数字，而核酸的组成却简单得目几乎可以达到一个天文数字，而核酸的组成却简单得多，一般仅由多，一般仅由4 4种不同的核苷酸组成，它们通过排列核种不同的核苷酸组成，它们通过排列核组合只能产生较少种类的核酸，因此当时认为决定生物组合只能产生较少种类的核酸，因此当时认为决定生物遗传型的染色体和基因，起活性成分是蛋白质。遗传型的染色体和基因，起活性成分是蛋白质。|DNADNA是遗传变异的物质基础的证明：是遗传变异的物质基础的证明：19441944年以后，先后年以后，先后有利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证有利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证（肺炎球菌的转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开（肺炎球菌的转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验），才使人们普遍接受核酸才是真正的遗传与重建试验），才使人们普遍接受核酸才是真正的遗传物质。物质。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传1928年，年，Griffith进行了以下几组实验：进行了以下几组实验：（1）动物实验）动物实验对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌或死菌或死SIII菌菌 小鼠存活小鼠存活对小鼠注射活对小鼠注射活SIII菌菌小鼠死亡小鼠死亡对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌和热死菌和热死SIII菌菌 小鼠死亡小鼠死亡 抽取心血抽取心血 分离分离 活的活的SIII菌菌一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验研究对象：研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌）（肺炎双球菌）SIII型菌株：型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性有荚膜，菌落表面光滑，有致病性RII型菌株：型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性（一）经典转化实验（一）经典转化实验（transformationtransformation）第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传混合培养混合培养RII型活菌型活菌SIII型活菌型活菌SIII型热死菌型热死菌RII型活菌型活菌SIII型活菌型活菌健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康病死病死病死病死病死病死Griffith Griffith 转化试验示意转化试验示意第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传（2）细菌培养实验（3）S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明：加热杀死的以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入进入RII型细胞并使型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性型细胞获得稳定的遗传性状，转变为状，转变为SIII型细胞。型细胞。热死热死SIII菌菌不生长不生长活活 RII 菌菌长出长出RII菌菌热死热死SIII菌菌长出大量长出大量RII菌和菌和106SIII菌菌活活R菌菌+S菌无细胞抽提液菌无细胞抽提液长出大量长出大量R菌和少量菌和少量S菌菌+活活RII菌菌平皿培养平皿培养第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传|加加S菌菌DNA|加加S菌菌DNA及及DNA酶以外的酶酶以外的酶|加加S菌的菌的DNA和和DNA酶酶|加加S菌的菌的RNA|加加S菌的蛋白质菌的蛋白质|加加S菌的荚膜多糖菌的荚膜多糖活活R菌菌长出长出S菌菌只有只有R菌菌 1944年年、和和M。McCarty从从热热死死S型型S.pneumoniae中中提提纯纯了了可可能能作作为为转转化化因因子子的的各各种种成成分分，并并在在离离体体条条件件下下进进行行了了转转化试验：化试验：只只有有S型型细细菌菌的的DNA才才能能将将S.pneumoniae的的R型型转转化化为为S型型。且且DNA纯纯度度越越高高，转转化化效效率率也也越越高高。说说明明S型型菌菌株株转转移移给给R型型菌株的，是遗传因子。菌株的，是遗传因子。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传（二）噬菌体感染实验|A.D.Hershey和M.Chase，1952年（1）含）含32PDNA的一组：放射性的一组：放射性85%在沉淀中在沉淀中10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱使空壳脱离离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步沉淀细胞进一步培养后，可产生培养后，可产生大量完整的子代大量完整的子代噬菌体噬菌体上清液中含上清液中含15%放射性放射性沉淀中含沉淀中含85%放射性放射性第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传沉淀中含沉淀中含25%放射性放射性以32S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验（2）含）含35S蛋白质的一组：放射性蛋白质的一组：放射性75%在上清液中在上清液中10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱使空壳脱离离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步沉淀细胞进一步培养后，可产生培养后，可产生大量完整的子代大量完整的子代噬菌体噬菌体上清液中含上清液中含75%放射性放射性第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传（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。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传MTV HRVHRV MTV（1）RNA（TMV）蛋蛋白质（白质（HRV）（2）RNA（HRV）蛋蛋白质（白质（TMV）用两种杂合病毒感染寄主：用两种杂合病毒感染寄主：（1）表现）表现TMV的典型症的典型症状病分离到正常状病分离到正常TMV粒粒子子（2）表现）表现HRV的典型症的典型症状病分离到正常状病分离到正常HRV粒粒子。子。上述结果说明，在上述结果说明，在RNA病病毒中，遗传的物质基础也是核毒中，遗传的物质基础也是核酸。酸。选用选用TMV和霍氏车前花叶和霍氏车前花叶病毒（病毒（HRV），分别拆分），分别拆分取得各自的取得各自的RNA和蛋白质，和蛋白质，将两种将两种RNA分别与对方的分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：杂合病毒：第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传（一）核酸存在的七个水平及质粒（一）核酸存在的七个水平及质粒v细胞水平：细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核存在于细胞核或核质体，单核或多核v细胞核水平细胞核水平:原与真核生物的细胞核结构不同，核外原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNAv染色体水平染色体水平:倍性倍性(真核真核)和染色体数和染色体数v核酸水平：核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 DNA或或RNA，复合或裸露，双链或单链复合或裸露，双链或单链v基因水平：基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录信息量，转录翻译翻译v密码子水平：密码子水平：信息单位信息单位,起始和终止起始和终止,v核苷酸水平：核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基突变或交换单位，四种碱基二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传三、原核生物的质粒定义：定义：是一类小型闭合环状核外双螺旋是一类小型闭合环状核外双螺旋DNADNA分子，能独立于细胞核进分子，能独立于细胞核进行自主复制。行自主复制。大小：大小：约为约为2-100102-100106 6DaltonDalton，上面携带有数个到数十个甚至上百个，上面携带有数个到数十个甚至上百个基因。基因。性质：性质：可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以过交换掺入染色体上，以附加体（附加体（episomeepisome）的形式存在；的形式存在；质粒是一种质粒是一种复制子（复制子（repliconreplicon），根据自我复制能力的不同，可把，根据自我复制能力的不同，可把质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种，质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种，严紧型质粒严紧型质粒的复的复制受细胞核控制，与染色体制受细胞核控制，与染色体DNADNA复制相伴随复制相伴随,一般一个寄主细胞内一般一个寄主细胞内只有少数几个（只有少数几个（1-51-5）个拷贝；）个拷贝；松弛型质粒松弛型质粒的复制不受细胞核控制，的复制不受细胞核控制，在染色体在染色体DNADNA复制停止的情况下仍可以进行复制，在细胞内的数量复制停止的情况下仍可以进行复制，在细胞内的数量可以达到可以达到10-20010-200个或更多。个或更多。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒另一个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒转移时，它可以单独转移，也可以携带着染色体（片段）一转移时，它可以单独转移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它可成为基因工程的载体。起进行转移，所以它可成为基因工程的载体。对于细菌的生存并不是必要的对于细菌的生存并不是必要的功能多样化功能多样化功能：功能：进行细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、抗药性、进行细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。固氮、产生酶类、降解功能等。重组：重组：在质粒之间、质粒与染色体之间菌可发生。在质粒之间、质粒与染色体之间菌可发生。存在范围存在范围：很多细菌如：很多细菌如E.coliE.coli、ShigellaShigella、S.aureusS.aureus、Streptococcus lactisStreptococcus lactis、根癌土壤杆菌等、根癌土壤杆菌等制备：制备：包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋白质等成分、包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋白质等成分、去除去除RNARNA和蛋白质等步骤。和蛋白质等步骤。鉴定：鉴定：电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱等方法电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱等方法三、原核生物的质粒第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传几种代表性质粒Figure.Representative FERTILITY PLASMID.A fertility plasmid carries the genes for conjugation as well as a number of other genes.In this figure the fertility plasmid also carries antibiotic resistant genes.1.F因子（因子（fertility factor）：）：又称致育因子或性因子，又称致育因子或性因子，62106Dalton，94.5kb，相当于核染色体相当于核染色体DNA2%的环状双的环状双链链DNA，足以编码足以编码94个中等大小多肽，其中个中等大小多肽，其中1/3基因（基因（tra区）区）与接合作用有关。存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、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。奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传最初发现于痢疾志贺氏菌（最初发现于痢疾志贺氏菌（Shigella dysenteriaeShigella dysenteriae），后来），后来发现还存在于发现还存在于SalmonellaSalmonella、VibrioVibrio、BacillusBacillus、PseudomonasPseudomonas和和StaphylococcusStaphylococcus中。中。R R因子由相连的两个因子由相连的两个DNADNA片段组成，即抗性转移因子片段组成，即抗性转移因子（resistenceresistence transfortransfor factor factor，RTF RTF）和抗性决定和抗性决定R R因子（因子（r-determinantr-determinant），），RTFRTF为分子量约为为分子量约为111011106 6DaltonDalton，控制质粒控制质粒copycopy数及复制，抗性决定质粒数及复制，抗性决定质粒大小不固定，从几百万到大小不固定，从几百万到10010100106 6DaltonDalton以上。其上带以上。其上带有其它抗生素的抗性基因。有其它抗生素的抗性基因。R-R-因子在细胞内的因子在细胞内的copycopy数可从数可从1212个到几十个，分为个到几十个，分为严紧型和松弛型两种，经氯霉素处理后，松弛型质粒可严紧型和松弛型两种，经氯霉素处理后，松弛型质粒可达达2000300020003000个个/细胞。细胞。2.R2.R因子（因子（resistance factorresistance factor）第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传|产大肠杆菌素因子。产大肠杆菌素因子。|大肠杆菌素是由大肠杆菌素是由E.coliE.coli的某些菌株所分泌的细菌素，能的某些菌株所分泌的细菌素，能通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其它肠道细菌。其分子量约其它肠道细菌。其分子量约4104104 4-810-8104 4DaltonDalton。大肠。大肠杆菌素都是由杆菌素都是由ColCol因子编码的。因子编码的。|ColCol因子可分为两类，分别以因子可分为两类，分别以ColE1ColE1和和ColIbColIb为代表。为代表。zColE1ColE1分子量约为分子量约为5105106 6DaltonDalton，无接合作用，是多，无接合作用，是多copycopy的；的；ColE1 ColE1研究得很多，并被广泛地用于重组研究得很多，并被广泛地用于重组DNA DNA 的研究和用于体外复制系统上。的研究和用于体外复制系统上。zColIbColIb分子量约为分子量约为801080106 6DaltonDalton，它与，它与F F因子相似，因子相似，具有通过接合作用转移的功能，属于严紧型控制，具有通过接合作用转移的功能，属于严紧型控制，只有只有1-21-2个个copycopy。|凡带凡带ColCol因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，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。从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。3.Col3.Col因子（因子（colicinogenic factorcolicinogenic factor）第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传4.Ti4.Ti质粒（质粒（tumor inducing plasmidtumor inducing plasmid）即诱癌质粒即诱癌质粒。存在于根癌土壤杆菌（存在于根癌土壤杆菌（Agrobacterium tumefaciensAgrobacterium tumefaciens）中）中,可引起许多双子叶植物的根癌。可引起许多双子叶植物的根癌。当细菌侵入植物细胞中后，在其细胞中溶解，把细菌的当细菌侵入植物细胞中后，在其细胞中溶解，把细菌的DNADNA释放到植物细胞中。这时，含有复制基因的释放到植物细胞中。这时，含有复制基因的TiTi质粒的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。胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。TiTi质粒长质粒长200kb200kb，是一个大型质粒。当前，是一个大型质粒。当前，TiTi质粒已成为质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体。一些具有重要性状的植物遗传工程研究中的重要载体。一些具有重要性状的外源基因可借外源基因可借DNADNA重组技术设法插入到重组技术设法插入到TiTi质粒中，并进一质粒中，并进一步使之整合到植物染色体上，以改变该植物的遗传性，步使之整合到植物染色体上，以改变该植物的遗传性，达到培育植物优良品种的目的。达到培育植物优良品种的目的。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传|是近年来在是近年来在RhizobiumRhizobium（根瘤菌属）中发现的一种质粒，（根瘤菌属）中发现的一种质粒，分子量为分子量为20030010200300106 6DaltonDalton，比一般质粒大几十倍到，比一般质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒，其上有一系列固氮基因。几百倍，故称巨大质粒，其上有一系列固氮基因。6.巨大质粒（mega质粒）5.降解性质粒v降解性质粒降解性质粒只在假单胞菌属中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解只在假单胞菌属中发现。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，例如有分解碳源。这些质粒以其所分解的底物命名，例如有分解CAMCAM（樟樟脑）质粒，脑）质粒，XYLXYL（二甲苯）质粒，二甲苯）质粒，SALSAL（水杨酸）质粒，水杨酸）质粒，MDLMDL（扁桃酸）质粒，扁桃酸）质粒，NAPNAP（奈）质粒和奈）质粒和TOLTOL（甲苯）质粒等。甲苯）质粒等。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传基 因原核生物基因系统：原核生物基因系统：启动子（基因）启动子（基因）操纵子操纵子 操纵子（基因）操纵子（基因）基因调控系统基因调控系统 结构基因结构基因 调节基因调节基因基因是能够表达和产生基因产物（蛋白质或基因是能够表达和产生基因产物（蛋白质或RNARNA）的）的DNADNA序序列。列。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传细胞水平：细胞水平：大部分或全部大部分或全部DNADNA都集中于细胞核或核质体都集中于细胞核或核质体中，不同种类微中，不同种类微生物或同种不同细胞中细胞核的数目不同；生物或同种不同细胞中细胞核的数目不同；染色体水平：染色体水平：真核微生物的每个细胞核内含有一定数量真核微生物的每个细胞核内含有一定数量的染色体；而原核微生物中一个核质体就是一个裸露的、的染色体；而原核微生物中一个核质体就是一个裸露的、光学显微镜下不能看到的环状染色体光学显微镜下不能看到的环状染色体。一些真核生物和原核生物基因组的比较 生 物 单倍体的分子量 核苷酸 已知染色体数 约数（Da）对数 基因数 人 32 35 1012 57 109 4000 黑腹果蝇 4 7.9 1010 8.0 107 50006000粗糙脉孢菌7 2.8 1010 4.5 107 500 大肠杆菌 1 2.5 109 3.8 106 1027 噬菌体T4 1 1.1 108 2.0 105 135 噬菌体 1 3.2 107 4.8 104 35噬菌体MS2 1 1.1 106 3.5 103 3第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传密码子（密码子（codencoden）：）：由由3 3个核苷酸顺序决定，负载遗个核苷酸顺序决定，负载遗传信息的基本单位传信息的基本单位不对称转录：不对称转录：只有只有DNADNA双链的一股才作为有意义链双链的一股才作为有意义链被转录，这种现象又称不对称转录。被转录，这种现象又称不对称转录。起始密码子：起始密码子：AUGAUG，甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸，甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸终止密码子：终止密码子：UAAUAA、UGAUGA、UAGUAG遗传密码遗传密码遗传密码遗传密码指指DNA链上各个核苷酸的特定排列顺序链上各个核苷酸的特定排列顺序第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传核外核外DNA的种类的种类核外染色体核外染色体真真核核生生物物的的“质质粒粒”原原核核生生物物的质粒的质粒线粒体线粒体细胞质基因细胞质基因叶绿体叶绿体（质体）（质体）中心体中心体动动 体体共生生物：共生生物：卡巴颗粒卡巴颗粒酵母菌的酵母菌的2 m质粒质粒F因子因子R因子因子Col质粒质粒Ti质粒质粒巨大质粒巨大质粒降解性质粒降解性质粒第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传第二节 基因突变和诱变育种=突变（突变（突变（突变（mutation mutation mutation mutation）指生物体的表型突然发生的可遗传的变化。指生物体的表型突然发生的可遗传的变化。=染色体畸变染色体畸变细胞学上可以看到染色体的细胞学上可以看到染色体的变化变化=基因突变基因突变细胞学上看不到遗传物质的变细胞学上看不到遗传物质的变化化=突变体（突变体（mutantmutant）发生了突变的微生物细胞或菌株发生了突变的微生物细胞或菌株=野生型（野生型（wild typewild type）从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的 原始菌株原始菌株第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传依表型的改变分为：依表型的改变分为：|形态突变型形态突变型|营养缺陷型营养缺陷型因突变而丧失产生某种生物合成酶的能因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长力，并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变类型。的突变类型。|发酵突变型发酵突变型丧失产生某种生物合成酶能力的突变型丧失产生某种生物合成酶能力的突变型|抗性突变型抗性突变型因突变而产生了对某种化学药物或致死因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性物理因子的抗性|条件致死突变型条件致死突变型突变后在某种条件下可正常生长繁突变后在某种条件下可正常生长繁殖，而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型殖，而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型|抗原突变型抗原突变型因突变而引起的抗原结构发生改变因突变而引起的抗原结构发生改变|产量突变型产量突变型 （一）基因突变的类型第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：胞来分：选择性突变株（选择性突变株（selective mutant）：）：具有选择标记具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型）（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、，只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、pH值等，就比较容易检出和分离到。值等，就比较容易检出和分离到。非选择性突变株（非选择性突变株（nonselective mutant）：无选择：无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型）标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落，能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。并找出差异。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传（二）突变率(定义：定义：每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。(突变率为突变率为108108是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变。突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产一次突变。突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株（生突变株（mutantmutant，即突变型）的数目来表示。如一个含，即突变型）的数目来表示。如一个含108108个细胞的群体，当其分裂为个细胞的群体，当其分裂为21082108个细胞时，即可平均个细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是发生一次突变的突变率也是108 108。(突变率突变率=突变细胞数突变细胞数/分裂前群体细胞数分裂前群体细胞数(突变是突变是独立独立独立独立的的的的。某一基因发生突变。某一基因发生突变不会影响不会影响不会影响不会影响其它基因其它基因其它基因其它基因的的突变率。在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是突变率。在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的，因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积。极低的，因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积。(由于突变的几率一般都极低，因此，必须采用检出选择由于突变的几率一般都极低，因此，必须采用检出选择性突变株的手段，尤其是采用检出营养缺陷型的恢复突变性突变株的手段，尤其是采用检出营养缺陷型的恢复突变株（株（back mutantback mutant或或reverse mutantreverse mutant）或抗性突变株特别是）或抗性突变株特别是抗药性突变株的方法来加以确定。抗药性突变株的方法来加以确定。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传若干细菌某一性状的自发突变率|菌菌 名名 突变性状突变性状 变率变率|E.coliE.coli抗抗T1T1噬菌体噬菌体3 103 1088|E.coliE.coli抗抗T3T3噬菌体噬菌体1 101 1077|E.coliE.coli不发酵乳糖不发酵乳糖1 101 101010|E.coliE.coli 抗紫外线抗紫外线1 101 1055|Staphylococcus aureusStaphylococcus aureus 抗青霉素抗青霉素1 101 1077|S.aureusS.aureus 抗链霉素抗链霉素1 101 1099|Salmonella typhiSalmonella typhi抗抗2525 g/Lg/L链霉素链霉素1 101 1066|Bacillus megateriumBacillus megaterium 抗异烟肼抗异烟肼5 5 101055 第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传（三）突变的特点适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。不不对对应应性性：突突变变的的性性状状与与突突变变原原因因之之间间无无直直接接的对应关系。的对应关系。自自发发性性：突突变变可可以以在在没没有有人人为为诱诱变变因因素素处处理理下下自发地产生。自发地产生。稀有性稀有性：突变率低且稳定。：突变率低且稳定。独立性独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。：各种突变独立发生，不会互相影响。可诱发性可诱发性：诱变剂可提高突变率。：诱变剂可提高突变率。稳定性稳定性：变异性状稳定可遗传。：变异性状稳定可遗传。可逆性可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突称为正向突 变（变（forward mutation），），从突变株回到野生型从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变（的过程则称为回复突变或回变（back mutation或或reverse mutation）。）。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传（四）基因突变的自发性和不对应性的证明&在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相当长在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相当长时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。&一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是“定向变异定向变异”，也有人称它为，也有人称它为“驯化驯化”或或“驯养驯养”。&另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。实质。&从从19431943年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难攻克了检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题，终于解决了这场纷争。题，终于解决了这场纷争。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传|变量试验变量试验又称波动试又称波动试验或彷徨试验或彷徨试验。验。|19431943年，年，S.E.S.E.Luria Luria 和和M.M.Delbrck Delbrck 根据统计学根据统计学原理，设计原理，设计了左方的实了左方的实验。验。1.变量试验fluctuation test第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传2.涂布试验涂布试验原原理理与与变变量量试试验验相相同同，方方法法更更为为简简便便，且且可可计计算算突突变变率率。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传涂布试验中突变率的计算初始接种量：初始接种量：5 105 104 4 个个/皿皿培养培养5 5小时，繁殖了小时，繁殖了12.312.3代，每个微菌落约含代，每个微菌落约含51005100个细菌个细菌这时，每个平皿上的细胞数为：这时，每个平皿上的细胞数为：5100 5 105100 5 104 4 2.6 10 2.6 108 8个个/皿皿在在6 6个平板上，比接种时增加的细胞数为：个平板上，比接种时增加的细胞数为：6 6（2.6 102.6 108 8 5 5 104 104）=15.6=15.6 10108 8在未涂布的平板上共发现在未涂布的平板上共发现2828个突变，故个突变，故突变率突变率=28/15.6 10=28/15.6 108 8=1.8 10=1.8 10 8 8第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传3.平板影印培养试验（replica plating）|19521952年，年，J.LederbergJ.Lederberg夫妇的论文平板影印培养法和细菌夫妇的论文平板影印培养法和细菌突变株的间接选择，更好地证明了微生物的抗药性是在未突变株的间接选择，更好地证明了微生物的抗药性是在未接触药物前自发地产生的，这一突变与相应药