7-微生物的遗传变异与菌种选育.ppt

第七章第七章 微生物遗传与变异微生物遗传与变异与育种通过本章的学习，要求掌握：1、遗传变异的物质基础2、基因突变的发生3、基因重组的原理和方法。4、基因工程的基本原理5、菌种保藏重点：细菌的基因重组 难点：低频转导，高频转导，准性生殖 w微生物是理想的遗传学研究材料：微生物是理想的遗传学研究材料：物种及代谢类型的多样性；物种及代谢类型的多样性；个体简单，营养体多为单倍体，基因组小；个体简单，营养体多为单倍体，基因组小；繁殖快，繁殖快，易于累积不同的最终代谢产物及中间易于累积不同的最终代谢产物及中间代谢物；代谢物；菌落形态特征的可见性与多样性；菌落形态特征的可见性与多样性；环境条件对微生物群体中各个体作用的直接和环境条件对微生物群体中各个体作用的直接和均匀；均匀；易变异、易得到营养缺陷型突变株；易变异、易得到营养缺陷型突变株；一般都有相应的噬菌体；一般都有相应的噬菌体；存在着处于进化进程中的多种原始方式的有性存在着处于进化进程中的多种原始方式的有性生殖类型等。生殖类型等。w基因组基因组genome：一种生物的全套基因。一种生物的全套基因。w表现型表现型phenotype：生物可见的或可测定的性生物可见的或可测定的性状状w遗传型遗传型genotype：决定生物表现型的遗传因决定生物表现型的遗传因子子w同样遗传型的生物在不同外界条件下，会显现同样遗传型的生物在不同外界条件下，会显现不同表现型，但遗传型并没有改变，这种变异不同表现型，但遗传型并没有改变，这种变异为非遗传性变异，只能称适应或饰变为非遗传性变异，只能称适应或饰变(modification)；只有遗传型改变，从而引起；只有遗传型改变，从而引起表型变化才称为变异，它发生在基因水平上，表型变化才称为变异，它发生在基因水平上，可以遗传给子代。可以遗传给子代。wSerretia marcescens在在25下培养时，会产生下培养时，会产生一种深红色的灵杆菌素，一种深红色的灵杆菌素，把菌落染成鲜红色。可把菌落染成鲜红色。可是，当培养在是，当培养在37下时，下时，群体中所有细胞都不产群体中所有细胞都不产色素。如果重新降温至色素。如果重新降温至25，产色素能力又得，产色素能力又得到恢复。这就是一种饰到恢复。这就是一种饰变。变。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、证明一、证明DNA是遗传物质的经典实验是遗传物质的经典实验1928年年，F.Griffith；1944年年O.T.Avery肺肺炎炎链链球球菌菌（Streptococcus pneumoniae）转转化试验。化试验。1952年年，A.D.Hershy、M.Chase的的噬噬菌菌体体感染实验。感染实验。1956年年，H.Fraenkel-Conrat的的TMV拆拆开开和和重建实验。重建实验。Griffith的转化实验的转化实验SR转转化化因因子子本本质质的的阐阐明明wHershey-ChaseHershey-Chase的噬菌体实验的噬菌体实验w用用3535S S和和3232P P去分别标记大肠杆菌，然后再用去分别标记大肠杆菌，然后再用T T2 2噬噬菌体感染，即可分别得到标有菌体感染，即可分别得到标有3535S S和和T T2 2和和3232P P的的T T2 2噬菌体噬菌体。w把标记噬菌体与其宿主大肠杆菌混合，经短时把标记噬菌体与其宿主大肠杆菌混合，经短时间间(如如10 10 min)min)保温后，使保温后，使T T2 2完成吸附和侵入过完成吸附和侵入过程。程。w在组织捣碎器中剧烈搅拌，使吸附在菌体外表在组织捣碎器中剧烈搅拌，使吸附在菌体外表的的T T2 2蛋白外壳脱离细胞并均匀分布。蛋白外壳脱离细胞并均匀分布。w进行离心沉淀，再分别测定沉淀物和上清液中进行离心沉淀，再分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记。的同位素标记。w实验结果发现，几乎全部的实验结果发现，几乎全部的3232P P都和细菌一起出都和细菌一起出现在沉淀物中，而几乎全部现在沉淀物中，而几乎全部3535S S都在上清液中。都在上清液中。w这意味着噬菌体的蛋白外壳经自然分离后仍留这意味着噬菌体的蛋白外壳经自然分离后仍留在细胞外部，只有核酸芯子才进入宿主体内；在细胞外部，只有核酸芯子才进入宿主体内；w同时，由于最终能释放出一群具有与亲代同样同时，由于最终能释放出一群具有与亲代同样蛋白外壳的完整的子代噬菌体，说明只有核酸蛋白外壳的完整的子代噬菌体，说明只有核酸才是其全部遗体信息的载体。才是其全部遗体信息的载体。w后来通过电子显微镜的观察也证实了这个论点。后来通过电子显微镜的观察也证实了这个论点。vTMVTMV重建实验重建实验(TMV)(HRV)霍氏车前花叶病毒霍氏车前花叶病毒DNA的的双双螺螺旋旋结结构构图图 二、遗传物质在细胞中的存在二、遗传物质在细胞中的存在1 1、真核生物、真核生物w染染色色体体:DNADNA分分子子与与组组蛋蛋白白结结合合构构成成染染色色体体，每每条条染染色色体体有有单单一一线线性性双双链链DNADNA分分子子。一一个个真真核核生生物物细细胞胞内内有有多多条条染染色色体体（脉脉孢孢菌菌7 7条条，人人2323条条）。真真核核细细胞胞核核物物质质外外有有核核膜膜包包围围，形形成成完完整整细细胞胞核。核。w线线粒粒体体:真真菌菌线线粒粒体体基基因因组组的的大大小小介介于于动动物物和和植植物线粒体基因组之间。物线粒体基因组之间。w叶绿体叶绿体：光合生物叶绿体中存在：光合生物叶绿体中存在DNADNA。w真菌的质粒真菌的质粒：酵母菌的质粒存在细胞核中。：酵母菌的质粒存在细胞核中。丝状真菌的质粒存在线粒体中。丝状真菌的质粒存在线粒体中。2 2、原核生物、原核生物w染色体染色体:染色体仅由一条染色体仅由一条DNADNA组成，组成，DNADNA为共价闭合环状双链为共价闭合环状双链,DNADNA不与组蛋白结合，一个细胞内只有一条染色体（单倍体不与组蛋白结合，一个细胞内只有一条染色体（单倍体haploidhaploid）。）。无核膜膜包围，只在细胞中央形成核区。无核膜膜包围，只在细胞中央形成核区。w质质粒粒(plasmid)plasmid):原原核核生生物物中中，除除染染色色体体以以外外，还还有有能能够够自自主主复复制制的的共共价价闭闭合合环环状状DNADNA分分子子。它它们们携携带带少少量量遗遗传传基基因因，决决定定细胞的某些性状，并非细菌生活必需。细胞的某些性状，并非细菌生活必需。致致育育质质粒粒 能能自自我我复复制制(主主要要依依赖赖宿宿主主细胞的细胞的 抗性质粒抗性质粒 复制酶体系复制酶体系)细细菌菌素素质质粒粒 具具不不亲亲和和群群性性(不不同同质质粒粒可可在在同一同一)降解质粒降解质粒 细胞内共存细胞内共存)毒性质粒毒性质粒 稳定的遗传稳定的遗传 共生质粒共生质粒 代谢型质粒代谢型质粒 具有转移性具有转移性 隐蔽质粒隐蔽质粒(表型和功能未知的质粒表型和功能未知的质粒)质质粒粒的的种种类类质质粒粒的的特特性性 三、三、遗传信息的传递和基因表达遗传信息的传递和基因表达1 1、微生物的遗传信息储存在基因中、微生物的遗传信息储存在基因中w基因基因genegene DNA DNA分子的一定区段，携带特定的遗传信息，是具有自主复制分子的一定区段，携带特定的遗传信息，是具有自主复制能力的遗传功能单位。能力的遗传功能单位。遗传信息通过遗传信息通过DNADNA连上的核苷酸排列顺序连上的核苷酸排列顺序表现出来。表现出来。遗传学上遗传学上每一基因都用每一基因都用3 3个小写斜体英文字母表示，如个小写斜体英文字母表示，如laclac表示表示乳糖基因乳糖基因。基因的表型也用与基因相同的。基因的表型也用与基因相同的3 3个字母表示，但不用个字母表示，但不用斜体，且第一个字母要大写，表示具有乳糖代谢特征的符号为斜体，且第一个字母要大写，表示具有乳糖代谢特征的符号为LacLac+，没有乳糖代谢特征的符号为没有乳糖代谢特征的符号为LacLac-。w基因的种类基因的种类:结构基因结构基因:决定多肽形成的碱基顺序称结构基因。决定多肽形成的碱基顺序称结构基因。一个结构基因一个结构基因表达后，产生一个多肽；即表达后，产生一个多肽；即“一个基因一个酶一个基因一个酶”。调节基因：对结构基因起调节控制作用的基因称调节基因。调节基因：对结构基因起调节控制作用的基因称调节基因。跳跃基因：可在跳跃基因：可在DNADNA上转移位置的基因上转移位置的基因称称跳跃基因。跳跃基因。例如例如:插入序列插入序列（ISIS因子）因子）转座子转座子（TnTn因子）因子）（1）、等位基因的存在与表达：）、等位基因的存在与表达：a.对抗性的：只有一个基因能够对抗性的：只有一个基因能够表达表达,显性基因表达显性基因表达真核生物真核生物b.非对抗性的：两个显性，非对抗性的：两个显性，两个两个隐性。隐性。在原核细胞中在原核细胞中:在完全单倍体原核细胞中，等在完全单倍体原核细胞中，等位基因的概念是指决定某一性状位基因的概念是指决定某一性状的基因在野生型菌株和突变型菌的基因在野生型菌株和突变型菌株中是否都存在。株中是否都存在。基基因因表表达达2、基因的表达：、基因的表达：w基因表达机制基因表达机制:遵守中心法则遵守中心法则 以以DNADNA为为模模板板，通通过过RNARNA聚聚合合酶酶转转录录出出mRNAmRNA，然然后后将将mRNAmRNA包包含含的的碱碱基基顺顺序序在在核核糖糖体体中中翻翻译译成相应氨基酸序列的多肽。成相应氨基酸序列的多肽。转录（转录（transcriptiontranscription）双链双链DNADNA单链，以其中一条为模板单链，以其中一条为模板互补互补mRNAmRNA 翻译翻译(translation)translation)mRNA mRNA 多肽多肽(2)、操纵子和操纵基因的表达：、操纵子和操纵基因的表达：一一个个操操纵纵子子是是一一段段DNA碱碱基基顺顺序序，包包括括一一个个操纵基因和一个或几个结构基因。操纵基因和一个或几个结构基因。操操纵纵子子的的模模型型是是雅雅各各布布和和莫莫诺诺1961年年提提出出的的，根根据据这这一一模模型型基基因因有有结结构构基基因因，调调节节基基因因，操操纵纵基基因因和和启启动动基基因因之之分分，基基因因的的活活动动受受调调节节系系统统控控制制，而而这这种种控控制制又又与与环环境境因因子子有有关关，如如乳糖操纵子，麦芽糖操纵子。乳糖操纵子，麦芽糖操纵子。乳乳糖糖操操纵纵子子没有乳糖时，没有乳糖时，调节基因产物调节基因产物与操纵基因结与操纵基因结合，阻止结构合，阻止结构基因表达基因表达有乳糖时，有乳糖时，乳糖与调乳糖与调节基因产节基因产物结合，物结合，操纵基因操纵基因启动结构启动结构基因表达基因表达DNA链链麦麦芽芽糖糖操操纵纵子子没有麦芽糖时，调节基因产物没有麦芽糖时，调节基因产物激活蛋白不与启动子结合，结激活蛋白不与启动子结合，结构基因不表达构基因不表达有麦芽糖时，麦芽糖与调节基因有麦芽糖时，麦芽糖与调节基因产物激活蛋白结合，促进产物激活蛋白结合，促进RNA聚聚合酶与启动子结合，结构基因表合酶与启动子结合，结构基因表达达DNA链链第二节第二节基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种1.突突变变：指指DNA上上的的核核苷苷酸酸顺顺序序发发生生了了稳稳定定的的，可可遗遗传的变化。传的变化。基因突变：基因突变：DNA链上一对或少数几对碱基发生链上一对或少数几对碱基发生改变而引起。改变而引起。染色体畸变：染色体畸变：DNA链的大片段损失。链的大片段损失。自发突变：在自然条件下发生的基因突变，细自发突变：在自然条件下发生的基因突变，细菌的自发突变频率为菌的自发突变频率为10-5-10-7。诱发突变：利用物理化学因子处理微生物使其产诱发突变：利用物理化学因子处理微生物使其产生的突变。生的突变。回复突变：突变菌株发生突变，回复到出发菌株回复突变：突变菌株发生突变，回复到出发菌株的状态。的状态。突变突变包括包括突变突变分为分为突变机制：突变机制：转换：转换：DNA上一个嘌呤被另一个嘌呤或上一个嘌呤被另一个嘌呤或者一个嘧啶被另一个嘧啶所替代者一个嘧啶被另一个嘧啶所替代w颠换：颠换：DNA上一个嘌呤被一个嘧啶替代上一个嘌呤被一个嘧啶替代w或者一个嘧啶或者一个嘧啶被另一个嘌呤替代被另一个嘌呤替代w添加添加DNA分子中多了一个或几个碱基，导致编分子中多了一个或几个碱基，导致编码码waa三联密码发生了改变，从而引起突变。三联密码发生了改变，从而引起突变。缺失缺失DNA分子中少了一个或几个碱基引起突变。分子中少了一个或几个碱基引起突变。如：如：GGGAAAUUUAAACCC甘甘赖赖苯丙苯丙赖赖脯脯加一个碱基后就变成了：加一个碱基后就变成了：AGGGAAAUUUAAACCC精精谷谷异亮异亮终止终止添加：添加：abcXdefg缺失：缺失：abcDefg畸变（染色体大损伤）畸变（染色体大损伤）重复：重复：abcabcde（由（由X射线等的辐射烷射线等的辐射烷移位：移位：abcparde化剂，亚硝酸等引起）化剂，亚硝酸等引起）倒位：倒位：abcfedg碱基碱基置换置换移码移码突变突变点点突突变变诱诱发发突突变变基因突变类型：基因突变类型：1 1、营养缺陷型、营养缺陷型 2 2、抗性突变型、抗性突变型 3 3、条件致死突变型、条件致死突变型 4 4、形态突变型、形态突变型 5 5、抗原突变型、抗原突变型 6 6、产量突变型、产量突变型 基因突变的特点：基因突变的特点：不对应性不对应性 自发性自发性 稀有性稀有性 独立性独立性 诱变性诱变性 稳定性稳定性 可逆性可逆性 正向突变正向突变(forward mutation)forward mutation)回复突变回复突变(back back matationmatation或或reversereverse mutation mutation）基因突变自发性和不对应性的证明w1、变量试验：（Fluctuation Test）：w 又称波动试验或彷徨试验。1943年美国学者鲁里亚（S、Luria）和德尔波留克（M、Delbrack）设计了此试验。2.涂布实验：（涂布实验：（NewcombeExpetiment）w1949年Newcombe设计了这一实验：先在12只培养皿中涂以数目相等的大肠杆菌细胞，经大约5小时培养，于是在平板上长出大量的微菌落，取其中6支直接喷上噬菌体，另6支先用灭菌玻璃棒均匀涂布一遍，然后再喷噬菌体，经过夜培养计算两组培养皿中抗性菌落数。（涂布可将抗性株涂开）。3.平板影印培养试验（平板影印培养试验（ReplicaPlating）w1952年莱德伯格夫妇（V，Lederberg）设计的实验：w 印章的做法是取一块比培养皿略小的木块，一端用绒布包起来，绒布上许多小纤维起到接种针的作用。在进行试验时，先用培养液培养大肠杆菌，再将菌液涂布在固体培养基上，待长出菌落后，用影印法先在新鲜的固体培养基上打一个印，再在含链霉素的另一个培养皿上打一个印。在含链霉素的培养皿上长出来的是抗链霉素突变体菌落然后再在不含链霉素的培养基上找出相应位置上的菌落，用含链霉素的培养基上找出相应位置上的菌落，用含链霉素的培养基鉴别，发现也是抗链霉素突变体，由于两者来源相同，说明是非链霉素诱变，而是自发的。微生物育种：微生物育种：1 1、自发突变育种、自发突变育种 生产育种生产育种 定定向向培培育育：在在某某一一特特定定条条件件下下，长长期期培培养养某某一一微微生生物物菌菌群群，通通过过不不断断转转接接传传代代以以积积累累自自发发突突变变，并并最最终终获获得得优优良良菌菌株株的的过过程程。如如预预防防结结核核病病的的制制剂剂卡卡介介苗苗，经经历了历了1313年，牛型结核分支杆菌转接年，牛型结核分支杆菌转接230230代。代。2、诱变育种、诱变育种 用物理（用物理（X-ray、UV等）化学（吖啶、亚等）化学（吖啶、亚硝酸、碱基类似物）因素诱变育种，获得硝酸、碱基类似物）因素诱变育种，获得突突变机率提高变机率提高。艾姆氏试验（Ames test）w利用细菌营养缺陷型的回复突变来检测环境或食品中的潜在三致物质。诱变育种的基本原则w挑选优良的出发菌株 自发突变株、具有有利形状、对诱变剂敏感w敏感时期和合适对象的选择w 选择简便有效地诱变剂w选用最适剂量w高效的初筛和复筛 透明圈法、抑菌圈法、变色圈法、生长圈法等突变体的筛选：突变体的筛选：A、营养突变体的筛选营养突变体的筛选:完完全全培培养养基基：基基本本培培养养基基中中加加入入了了天天然然物物质质（蛋蛋白白胨胨，酵酵母母膏膏等等），能能满满足足各各种种营营养养缺缺陷陷型型M.生生长长的的培养基。培养基。基基本本培培养养基基：只只含含有有野野生生型型菌菌生生长长繁繁殖殖所所必必须须养养料的合成培养基叫基本培养基。料的合成培养基叫基本培养基。a、青青霉霉素素浓浓缩缩法法：用用基基本本培培养养基基培培养养细细菌菌，并并在在其其中中加加入入青青霉霉素素，由由于于青青霉霉素素只只能能抑抑制制生生长长着着的的细细菌菌，故故只只杀杀死死在在基基本本培培养养基基中中生生长长的的野野生生型型细细菌菌，而而营营养养缺缺陷陷型型突突变变体体因因不不能能在在基基本本培培养养基基中中生生长长，青青霉霉素对它们不起作用而被保留下来。素对它们不起作用而被保留下来。b、菌菌丝丝过过滤滤法法：把把霉霉菌菌和和放放线线菌菌的的孢孢子子放放在在基基本本培培养养基基里里生生长长，这这时时只只有有野野生生型型菌菌会会萌萌发发长长出出菌菌丝丝，而而缺缺陷陷型型孢孢子子不不会会长长成成菌菌丝丝，通通过过过过滤滤可可除除去去野野生生型型菌丝，而保留突变体孢子。菌丝，而保留突变体孢子。营养缺陷型的检出w点种法w夹层培养法w限量补充培养法(含00.1以下蛋白胨的基本培养基)w影印接种法B、抗性突变体的筛选抗性突变体的筛选:采用梯度培养法采用梯度培养法:C、产量突变体的筛选产量突变体的筛选:采用琼脂块培养法采用琼脂块培养法:用梯度平板法筛选抗性突变体用梯度平板法筛选抗性突变体 用琼脂块用琼脂块法筛选产量法筛选产量突变体突变体 DNA DNA的损伤及其修复：的损伤及其修复：A A、光光复复活活修修复复：在在光光复复活活酶酶的的作作用用下下，将将嘧嘧啶啶二二聚聚体体内内的的环环丁丁酰环打开，使酰环打开，使DNADNA恢复正常。恢复正常。B B、错配修复：错配修复：在在DNADNA复制后清除错误配对的碱基。复制后清除错误配对的碱基。C C、无无碱碱基基修修复复：无无碱碱基基修修复复能能够够恢恢复复无无碱碱基基位位置置上上的的核核苷苷酸酸，参参与与修修复复的的酶酶是是APAP核核酸酸内内切切酶酶，该该酶酶作作用用于于DNADNA链链上上无无碱碱基基位位置置的糖基，留下的单链缺口被的糖基，留下的单链缺口被DNADNA聚合酶和连接酶修复。聚合酶和连接酶修复。D D、核核苷苷酸酸和和碱碱基基切切除除修修复复：首首先先由由具具有有DNADNA识识别别活活性性的的DNADNA内内切切核核酸酸酶酶识识别别突突变变的的碱碱基基，然然后后在在突突变变碱碱基基两两侧侧固固定定数数目目的的碱碱基基处处，将将包包含含有有突突变变碱碱基基的的核核苷苷酸酸片片段段切切除除，再再在在DNADNA聚聚合合酶酶的的作作用用下下，修补合成一段新的修补合成一段新的DNADNA。E E、复复制制后后修修复复：在在含含有有嘧嘧啶啶二二聚聚体体或或其其他他损损伤伤的的位位置置上上，DNADNA仍仍然然可可以以进进行行复复制制，但但是是在在复复制制得得到到的的子子代代中中，其其DNADNA链链在在损损伤伤的的对对应应部部位位上上会会留留下下缺缺口口。在在细细胞胞内内重重组组蛋蛋白白的的作作用用下下，可可进进行行DNADNA分分子子间间的的重重组组，从从原原来来完完整整的的母母链链上上，将将相相应应的的碱碱基基序序列列转转移移到到子子链链的的空空缺缺处处。而而母母链链中中失失去去的的部部分分再再在在DNADNA聚聚合合酶酶的的作作用用下下，以以其其对对应应子子链链为为模模板板，合合成成单单链链DNADNA来来填填补补。最最后后在在连连接接酶酶的的作作用用下下，以以磷磷酸酸二二酯酯键键连连接接新新旧旧链链，完完成成重重组组修修复复过过程程，即即复复制后修复。制后修复。F F、SOSSOS修修复复:SOSSOS修修复复由由SOSSOS调调控控完完成成，涉涉及及复复杂杂的的基基因因表表达达网网络。络。化学诱变化学诱变亚硝酸引起亚硝酸引起DNADNA的碱基转换的碱基转换5-5-BUBU尿嘧啶引起碱基的转换尿嘧啶引起碱基的转换第三节第三节 基因重组和杂交育种基因重组和杂交育种w克隆克隆cloneclone 不不经经过过有有性性细细胞胞的的结结合合，由由体体细细胞胞发发育育成成新新个个体体，即无性繁殖。即无性繁殖。w基因重组基因重组gene recombinationgene recombination 两两个个不不同同来来源源的的遗遗传传物物质质进进行行交交换换，经经过过基基因因的的重重新新组组合合，形形成成新新的的基基因因型型的的过过程程。重重组组获获得得的的后后代代具具有新的基因组合，表现出不同于亲本的新性状。有新的基因组合，表现出不同于亲本的新性状。转化转化 原核微生物的基因重组原核微生物的基因重组 转导转导 接合接合 原生质体融合原生质体融合 1 1、转化、转化Transformation:Transformation:遗传转化是指同源或异源的遗传转化是指同源或异源的DNADNA分子（质粒分子（质粒DNADNA和和染色体染色体DNADNA）被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达的基因转移过程。达的基因转移过程。转化后的受体菌称为转化子。转化后的受体菌称为转化子。被被转转移的移的DNADNA称为转化称为转化因因子。子。转转化化的的条条件件是是：受受体体菌菌必必须须处处于于感感受受态态才才能能接接受受转转化化因因子子，感感受受态态既既可可以以是是自自然然的的，也也可可以以是是人人工工的的。转转化因子通常是双链化因子通常是双链DNADNA。感感受受态态：受受体体菌菌最最容容易易接接受受外外源源DNADNA片片段段并并实实现现转转化的生理状态称为感受态。化的生理状态称为感受态。转化过程：转化过程：受体细胞处于感受态。受体细胞处于感受态。外源外源DNADNA与感受态细胞结合并被吸收。与感受态细胞结合并被吸收。外源外源DNADNA整合到受体菌中，成为受体菌染色体的一部分。整合到受体菌中，成为受体菌染色体的一部分。w转染转染 transfectiontransfection:指用提纯的病毒核酸去感染其宿主指用提纯的病毒核酸去感染其宿主细胞可增殖出一群正常病毒后代的现象。细胞可增殖出一群正常病毒后代的现象。转转化化示示意意图图自然转化原理自然转化原理感受态因子与细胞表面受体感受态因子与细胞表面受体(M)相互作用产生自溶素相互作用产生自溶素,自溶素使细胞表面的自溶素使细胞表面的DNA结合蛋白和核酸酶裸露结合蛋白和核酸酶裸露DNA双链在双链在细胞上的几细胞上的几个位点结合个位点结合并遭到酶的并遭到酶的切割切割,一条一条链被核酸酶链被核酸酶降解降解,另一另一条链与感受条链与感受态特异蛋白态特异蛋白结合进入细结合进入细胞胞通过通过DNA的的重组产重组产生转化生转化子子2 2、转导、转导transductiontransduction 通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体为媒介，把通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体为媒介，把一个供体细胞的一个供体细胞的 DNA DNA 片段转移到另一个受体细片段转移到另一个受体细胞中，并使后者发生遗传变异的过程。胞中，并使后者发生遗传变异的过程。通过转导获得供体细胞部分遗传性状的重组通过转导获得供体细胞部分遗传性状的重组受体细胞，称为转导子受体细胞，称为转导子（transductanttransductant）。）。携带携带供体部分遗传物质（供体部分遗传物质（DNA DNA 片段）的噬菌体称为转片段）的噬菌体称为转导噬菌体或转导颗粒。导噬菌体或转导颗粒。缺陷噬菌体：带有外源缺陷噬菌体：带有外源(如细菌如细菌)DNADNA片段而失片段而失去了部分自身去了部分自身DNADNA的噬菌体称为缺陷噬菌体。的噬菌体称为缺陷噬菌体。w1952 1952 年年ZinderZinder 和和 LederbergLederberg 在验证鼠伤在验证鼠伤寒沙门氏菌寒沙门氏菌(Salmonella Salmonella typhimuriumtyphimurium)是否也存是否也存在接合现象时发现了转在接合现象时发现了转导现象。导现象。鼠伤寒沙门氏菌有两种缺陷型鼠伤寒沙门氏菌有两种缺陷型 LT LT2222A(trpA(trp-):):色氨酸缺陷型色氨酸缺陷型 LT LT2 2(his(his-):):组氨酸缺陷型组氨酸缺陷型wLTLT2222A A溶原性溶原性噬菌体噬菌体P P2222 感染感染LTLT2 2（非溶原非溶原性）性）可能释放带可能释放带trptrp+的的P P2222LTLT2222A(A(trptrp-)-)呈原养型。呈原养型。w普遍转导普遍转导(generalized transduction)generalized transduction)噬菌体可误包供体菌中的任何基因噬菌体可误包供体菌中的任何基因(包括质粒包括质粒)，使受体菌实现各，使受体菌实现各种性状的转导种性状的转导.w完全普遍完全普遍 性转导性转导 能形成遗能形成遗 传性稳定传性稳定 的转导子的转导子裂解循环裂解循环细菌细菌噬噬菌菌体体噬菌体噬菌体转导噬转导噬菌体菌体转导转导细菌细菌转导细胞转导细胞重组重组细菌细胞细菌细胞噬菌体噬菌体噬菌体噬菌体裂解循环裂解循环转导噬菌体转导噬菌体含有供体含有供体DNA的转导噬菌体的转导噬菌体细菌细胞细菌细胞转导噬菌体侵入转导噬菌体侵入转导转导外源外源DNA与细与细菌菌DNA重组重组转导细胞转导细胞 流流产产转转导导(abortive abortive transduction):transduction):在在许许多多获获得得供供体体菌菌DNADNA片片段段的的受受体体菌菌内内，如如果果转转导导DNADNA不不能能进进行行重重组组和和复复制制，其其上上的的基基因因仅仅经经过过转转录录而而得得到到表表达。达。能在选择性能在选择性 培养基平板培养基平板 上形成微小上形成微小 菌落是流产菌落是流产 转导的特点。转导的特点。w 局限转导局限转导(也称专性转导也称专性转导):):某些温和噬菌体某些温和噬菌体只能将细菌的少数特定基因转移到受体菌中的只能将细菌的少数特定基因转移到受体菌中的现象。现象。当溶原菌经诱导后，其中极少数前噬菌体当溶原菌经诱导后，其中极少数前噬菌体从宿主染色体脱落时产主错误切割，从而把宿从宿主染色体脱落时产主错误切割，从而把宿主的某些基因（主的某些基因（前噬菌体位点两端是细菌染前噬菌体位点两端是细菌染色体的色体的galgal和和biobio ），故形成的转导噬菌体，故形成的转导噬菌体通常带有通常带有ga1ga1或或biobio基因基因 ，当这样的噬菌体，当这样的噬菌体侵染另一宿主细菌时，噬菌体侵染另一宿主细菌时，噬菌体 DNA DNA 与受体菌的与受体菌的 DNA DNA 同源区段配对，通过双交换而整合到受体同源区段配对，通过双交换而整合到受体菌的染色体上，使受体菌获得了供体菌的这部菌的染色体上，使受体菌获得了供体菌的这部分遗传特性，而形成了专性转导子。分遗传特性，而形成了专性转导子。噬菌体噬菌体DNA的不正常切割的不正常切割w缺陷噬菌体（缺陷噬菌体（defective phagedefective phage）:丢失了自丢失了自身部分基因，并被同等长度的宿主基因所取代身部分基因，并被同等长度的宿主基因所取代的噬菌体称为缺陷噬菌体的噬菌体称为缺陷噬菌体。如如dgaldgal或或dbiodbio。w低低频频转转导导（low low frequancyfrequancy transduction,transduction,LFTLFT）:形形成成转转导导子子频频率率很很低低的的转转导导，通通常常只只有有1010-4-4 10 10-6-6 。w高高频频转转导导（high high frequancyfrequancy transduction,transduction,HFT HFT）:形形成成转转导导子子的的频频率率很很高高,理理论论上上可可达达 50%50%。w高频转导可通过双重溶源实现：高频转导可通过双重溶源实现：E.colik12 E.coliK12(/dgal)F dgalUV转转导导噬噬菌菌体体（gal）转转导导子子菌菌落落辅助噬菌体（辅助噬菌体（）噬菌斑噬菌斑 w溶源转变溶源转变(lysoneniclysonenic conversion)conversion)当温和噬菌体感染其宿主而使之发生溶源当温和噬菌体感染其宿主而使之发生溶源化时，因噬菌体的基因整合到宿主的基因组上，化时，因噬菌体的基因整合到宿主的基因组上，而使后者获得了除免疫性以外的新性状的现象。而使后者获得了除免疫性以外的新性状的现象。当宿主丧失这一噬菌体时，通过溶源转变当宿主丧失这一噬菌体时，通过溶源转变而获得的性状也同时消失。溶源转变与转导有而获得的性状也同时消失。溶源转变与转导有本质上的不同，首先是它的温和噬菌体不携带本质上的不同，首先是它的温和噬菌体不携带任何供体菌的基因；其次，这种噬菌体是完整任何供体菌的基因；其次，这种噬菌体是完整的，而不是缺陷的。的，而不是缺陷的。溶源转变的典型例子是不产毒素的白喉棒溶源转变的典型例子是不产毒素的白喉棒杆菌杆菌(CorynebacteriumCorynebacterium diphtheriaediphtheriae)菌株在菌株在被被噬菌体感染而发生溶源化时，会变成产白噬菌体感染而发生溶源化时，会变成产白喉毒素的致病菌株。喉毒素的致病菌株。w接合接合conjugationconjugation 通过供体菌与受体菌间细胞直接接触而传递大段通过供体菌与受体菌间细胞直接接触而传递大段DNADNA的过程的过程。1946 1946年，年，LederbergLederberg和和TatumTatum的的E.coliE.coli k12 k12营养缺陷型株混营养缺陷型株混合培养实验中发现。合培养实验中发现。E.coliE.coli k12 k12两个突变株两个突变株Bio-Met-The+Bio-Met-The+LeuLeu+Bio+Met+The-Bio+Met+The-LeuLeu-(生生)（蛋）（苏）（亮）（蛋）（苏）（亮）两种菌混合培养后，两种菌混合培养后，出现原养菌出现原养菌（Bio+Met+The+Bio+Met+The+LeuLeu+）可在基本培养基上生长。可在基本培养基上生长。F F+菌株菌株:含含F F质粒，细胞表面产生性毛质粒，细胞表面产生性毛(sex sex pilipili)，与与F F-细胞接合形成细胞接合形成2 2个个F F+细胞细胞。F F-菌株：菌株：无无F F质粒，质粒，不产生性不产生性 菌毛，可菌毛，可 接受外来接受外来 F F质粒。质粒。F F 因子的存在方式及其相互关系因子的存在方式及其相互关系细菌染色体细菌染色体质粒质粒质粒转移质粒转移质粒整合质粒整合F质粒的接合转移质粒的接合转移F+xF-=2F+Hfr x F-=Hfr+F-wHfrHfr菌株菌株 高频重组菌株（高频重组菌株（high frequency high frequency recombinationrecombination）与与F F-接合后，重组频率比接合后，重组频率比F F+高几百高几百倍。在倍。在HfrHfr细胞中，存在与染色体特定位点相整合的细胞中，存在与染色体特定位点相整合的F F因子因子(产生频率约产生频率约1010-5-5)。当它与。当它与F F-菌株发生接合时，菌株发生接合时，HfrHfr染色体在染色体在F F因子处发生断裂，由环状变成线状。整因子处发生断裂，由环状变成线状。整段线状染色体转移至段线状染色体转移至F F-细胞的全过程约需细胞的全过程约需100 100 minmin。在转移时，由于断裂发生在在转移时，由于断裂发生在F F因子中，所以必然要等因子中，所以必然要等HfrHfr的整条染色体组全部转移完成后，的整条染色体组全部转移完成后，F F因子才能完全因子才能完全进入进入F F-细胞。但转移过程由于环境因素如震动等影响细胞。但转移过程由于环境因素如震动等影响会使转移中断，所以越在前端的基因，进入的机会就会使转移中断，所以越在前端的基因，进入的机会就越多，而在末端的越多，而在末端的F F因子很难进入因子很难进入F F-细胞中细胞中,故在故在HfrHfr x Fx F-中出现中出现2 2个个HfrHfr的机会很少。的机会很少。Hfr用于基因定位用于基因定位wFF菌株菌株 当当HfrHfr菌株内的菌株内的F F因子因不正常切割而脱离其因子因不正常切割而脱离其染色体时，可形成游离的携带一小段染色体基染色体时，可形成游离的携带一小段染色体基因的因的F F因子，特称因子，特称FF因子。携带有因子。携带有FF因子的因子的菌株，其性状介于菌株，其性状介于F+F+与与HfrHfr之间，这就是初生之间，这就是初生FF菌株。初生菌株。初生FF菌株与菌株与F F-菌株接合，可使后菌株接合，可使后者转变成者转变成FF菌株，这就是次生菌株，这就是次生FF菌株，它既菌株，它既获得了获得了F F因子，又获得了来自初生因子，又获得了来自初生FF菌株的若菌株的若干遗传性状。以这种接合来传递供体菌基因的干遗传性状。以这种接合来传递供体菌基因的方式，称为方式，称为F F因子转导因子转导(F-F-ductionduction)、性导性导(sexductionsexduction)。在次生的在次生的FF群体中，大约有群体中，大约有10%10%的的FF因子因子重新整合到染色体组上，而恢复成重新整合到染色体组上，而恢复成HfrHfr菌。菌。w原生质体融合原生质体融合 通过人工的方法，使遗传性状不同的两细胞通过人工的方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体发生融合并产生重组体的过程称为的原生质体发生融合并产生重组体的过程称为原生质体融合（原生质体融合（protoplast fusionprotoplast fusion）。原生质体融合操作过程原生质体融合操作过程 转座遗传因子转座遗传因子:是一段位于染色体或质粒上的特殊是一段位于染色体或质粒上的特殊的的DNADNA序列，广泛存在真核生物和原核生物中。序列，广泛存在真核生物和原核生物中。特点：可以从染色体的一个位置转移到另一个位特点：可以从染色体的一个位置转移到另一个位置，或者在质粒与染色体之间相互转移。置，或者在质粒与染色体之间相互转移。插入序列（插入序列（ISIS因子）因子）转座子（又称易位子，以转座子（又称易位子，以TnTn表示）表示）：型型：两端为两端为ISIS，抗性基因居中。如抗性基因居中。如Tn5Tn5、Tn9Tn9、Tn10Tn10、Tn4001Tn4001、Tn4003Tn4003。型型：两端为两端为IR(30IR(30 50bp)50bp)，中间为转座基中间为转座基因因 和抗性基因。如和抗性基因。如Tn1Tn1、Tn3Tn3、Tn21Tn21、Tn1721 Tn1721、Tn551Tn551 转座噬菌体转座噬菌体 转座结果：引起受体菌转座结果：引起受体菌DNADNA发生易位、倒位、重复和发生易位、倒位、重复和缺失导致基因重组。缺失导致基因重组。转转座座因因子子真菌的基因重组真菌的基因重组 w有性生殖有性生殖 粗糙脉孢菌的子囊孢子在子囊中的排列有六粗糙脉孢菌的子囊孢子在子囊中的排列有六种方式种方式AAAAaaaaaaaaAAAAAAaaAAaaaaAAaaAAAAaaaaAAaaAAAAaa接合型基因座接合型基因座(A或或a)与着丝与着丝粒之间