微生物遗传复旦大学普通微生物学.ppt

第七章第七章 微生物的遗传微生物的遗传变变 异异 和和 育育 种种微生物是遗传学研究的最好材料和对象微生物是遗传学研究的最好材料和对象模式生物模式生物微生物结构简单微生物结构简单营养体一般都是单倍体营养体一般都是单倍体微生物繁殖速度快微生物繁殖速度快存在多种方式的繁殖类型存在多种方式的繁殖类型 环境条件对微生物作用直接均匀环境条件对微生物作用直接均匀 易积累不同的代谢中间产物及代谢最终产物易积累不同的代谢中间产物及代谢最终产物微生物的变异易被识别微生物的变异易被识别存在多种处于进化工程中、富有特色的原始有性生殖方式存在多种处于进化工程中、富有特色的原始有性生殖方式遗传遗传（heredity inheritance）：亲代与子代相似亲代与子代相似变异变异（variation）：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传遗传（inheritance）和变异和变异（variation）是生命的最本是生命的最本质特性之一质特性之一基本概念基本概念种瓜得瓜，种豆得豆种瓜得瓜，种豆得豆遗传（遗传（heredity)：生物的亲代传递给其子代一生物的亲代传递给其子代一 套遗传信息的特性。套遗传信息的特性。遗传型（遗传型（genotype)：又称基因型，指某一生物又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。遗传信息。遗传型是一种内在可能性或潜力，其遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。遗传物质上所负载的特定遗传信息。表型（表型（phenotype）：）：又称表现型，具有一定遗传又称表现型，具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。出来的形态等生物学特征的总和。表型是一种现实性。表型是一种现实性。变异：变异：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。饰变：饰变：是指外表的修饰性改变，意即一种不涉及遗传物质结是指外表的修饰性改变，意即一种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。构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。变异特点：变异特点：在群体中以极低几率在群体中以极低几率(一般为一般为1010-5-51010-10-10)出现；性出现；性状变化的幅度大；变化后的新性状是稳定和可遗传的。状变化的幅度大；变化后的新性状是稳定和可遗传的。饰变特点：饰变特点：整个群体中每一个体都发生同样变化；性状变化整个群体中每一个体都发生同样变化；性状变化的幅度小；饰变性状不遗传。的幅度小；饰变性状不遗传。橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。遗传的物质基础遗传的物质基础基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种基因重组和杂交育种基因重组和杂交育种基因工程基因工程内容提要内容提要 第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础三个经典实验证明核三个经典实验证明核酸是微生物遗传物质酸是微生物遗传物质转化实验转化实验噬菌体感染实验噬菌体感染实验植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式朊病毒的发现与思考朊病毒的发现与思考亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚为发现该蛋白内含有核酸。尚为发现该蛋白内含有核酸。其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrP c改变折叠状改变折叠状态为态为PrP sc所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。朊病毒的发现与思考朊病毒的发现与思考思考思考1）蛋白质是否可以作为遗传物质？）蛋白质是否可以作为遗传物质？prion是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？2）蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？）蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？DNARNARNA肽链肽链蛋白质蛋白质复制复制转录转录翻译翻译遗传物质类型核染色体：核外染色体真核生物细胞器(线粒体、叶绿体等）共生生物（卡巴颗粒）2um质粒原核生物质粒遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式 细胞水平细胞水平（细胞核或核区，核（区）的数目如单核、多核）；（细胞核或核区，核（区）的数目如单核、多核）；核水平；染色核水平；染色体水平（体水平（数量、倍数数量、倍数dsds、ssss）；）；核酸水平核酸水平（种类、结构、长度、大小）；（种类、结构、长度、大小）；基因基因水平水平；密码子水平；密码子水平（4 4种核苷酸按三联体排列有种核苷酸按三联体排列有6464个，决定个，决定2020种氨基酸）；种氨基酸）；核核苷酸水平苷酸水平(A(A、G G、T T、C C；A A、G G、U U、C C）。染色体染色体基因基因基因基因DNA基因是一段基因是一段DNA，具有自主复制能力的最小遗传单位，具有自主复制能力的最小遗传单位DNADNA就是脱氧核糖核酸（长链）就是脱氧核糖核酸（长链）腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）ATCGAAATTTTTTAAAGGGGGCCCCCGC基因测序基因测序就是读出就是读出 A-C-G-T-G-G-A-C-G.基因控制基因控制Pr因而控制性状因而控制性状G A TC T AG A UDNAmRNA天天冬冬氨酸氨酸 基因是什么？基因是什么？基因决定生物体的生、长、病、老死等一切生命现象基因决定生物体的生、长、病、老死等一切生命现象 基因是生命的密码。基因是生命的密码。基因记录和传递遗传信息。基因记录和传递遗传信息。原核生物的基因调控系统是由一个操纵子和它的调节基因原核生物的基因调控系统是由一个操纵子和它的调节基因所组成。所组成。每个操纵子包括每个操纵子包括3 3种功能上密切相关的基因：结构基因、操种功能上密切相关的基因：结构基因、操纵基因、启动基因。纵基因、启动基因。真核生物一般无操纵基因真核生物一般无操纵基因基因调基因调控系统控系统操纵子操纵子结构基因结构基因调节基因调节基因启动基因（启动子）启动基因（启动子）操纵基因操纵基因结构基因：决定某一多肽链结构的结构基因：决定某一多肽链结构的DNA模板，通过转录模板，通过转录和翻译来执行多肽链合成任务；和翻译来执行多肽链合成任务；操纵基因：位于启动基因和结构基因之间的一段核苷酸序操纵基因：位于启动基因和结构基因之间的一段核苷酸序列，通过与阻遏物的结合与否，控制结构基因是否转录；列，通过与阻遏物的结合与否，控制结构基因是否转录；启动基因；一种依赖于启动基因；一种依赖于DNA的的RNA多聚酶所识别的核苷酸多聚酶所识别的核苷酸序列，既是序列，既是DNA多聚酶的结合部位，优势转录的起始点。多聚酶的结合部位，优势转录的起始点。真核生物的基因一般无操纵子结构。真核生物的基因一般无操纵子结构。大肠杆菌基因组 4100个基因，4.7106bp遗传信息的连续性,共价、闭合、环状功能相关的结构基因组成操纵子结构基因单拷贝及rRNA多拷贝 基因的重复序列少而短质粒质粒原核生物遗传物质存在的一种方式原核生物遗传物质存在的一种方式质粒：质粒：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。质粒不同于病毒质粒不同于病毒不具有胞外形态，而仅以核酸的简单方式存在于细胞中不具有胞外形态，而仅以核酸的简单方式存在于细胞中质粒上携带某些核基因组上所缺少的基因，使细菌等原质粒上携带某些核基因组上所缺少的基因，使细菌等原核生物获得某些对其生存并非必不可少的核生物获得某些对其生存并非必不可少的特殊功能特殊功能：如接合、产毒、产特殊酶、降解环境毒物等如接合、产毒、产特殊酶、降解环境毒物等cccDNAcccDNAocDNAocDNAlDNAlDNA质粒的复制与核染色体的复制不同步，质粒的复制与核染色体的复制不同步，在这类细胞中，一般含在这类细胞中，一般含10101515个或更多质粒。个或更多质粒。严紧型复制控制严紧型复制控制（stringent replication control）松弛型复制控制松弛型复制控制（relaxed replication control）质粒的复制与核染色体的复制同步，质粒的复制与核染色体的复制同步，在这类细胞中，一般只含在这类细胞中，一般只含1 12 2个质粒；个质粒；质粒是一种独立存在于细胞内的质粒是一种独立存在于细胞内的复制子复制子（replicon）通常以共价闭合环状（通常以共价闭合环状（covalently closed circlecovalently closed circle，简称简称CCCCCC）的超螺旋双链的超螺旋双链DNADNA分子存在于细胞中；分子存在于细胞中；也发现有线型双链也发现有线型双链DNADNA质粒和质粒和RNARNA质粒；质粒；质粒分子的大小范围从质粒分子的大小范围从1kb1kb左右到左右到1000kb1000kb；（细菌质粒多在（细菌质粒多在10kb10kb以内）以内）质粒的分子结构质粒的分子结构t 提取所有胞内提取所有胞内DNA后电镜观察；后电镜观察；t 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；t 对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药性初步判断。如抗药性初步判断。特定的质粒提取方法和特定的质粒提取方法和后处理使染色体和后处理使染色体和RNA均被除掉。均被除掉。质粒的检测质粒的检测质粒的主要功能质粒的主要功能在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，在某些特殊条件下，质粒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。从而使宿主得到生长优势。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；质粒所编码质粒所编码的功能和赋的功能和赋予宿主的表予宿主的表型效应型效应致育因子（致育因子（Fertility factor，F因子）因子）抗性因子（抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）产细菌素的质粒（产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）毒性质粒（毒性质粒（virulence plasmid）代谢质粒（代谢质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒（隐秘质粒（cryptic plasmid）质粒的主要类型质粒的主要类型（1）F质粒（质粒（F plasmid）又称又称F因子、致育因子（因子、致育因子（fertility factor）或性）或性因子（因子（sex factor），），其大小约其大小约100kb，为，为cccDNA，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。（接合作用）有关的质粒。携带携带F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），菌株（相当于雄性），无无F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。菌株（相当于雌性）。携带携带F质粒菌株质粒菌株含调节含调节DNA复制和拷贝数的基因以及转移基因，相对分子量约复制和拷贝数的基因以及转移基因，相对分子量约11107，具有转移功能；具有转移功能；抗性转移因子（抗性转移因子（resistance transfer factorresistance transfer factor，RTFRTF）抗性决定因子（抗性决定因子（r-determinantr-determinant）大小不固定，相对分子量从几百万至大小不固定，相对分子量从几百万至11108以上，无转移功能，以上，无转移功能，含各种抗性基因，如抗青霉素、氨苄青霉素、氯霉素、链霉素含各种抗性基因，如抗青霉素、氨苄青霉素、氯霉素、链霉素和磺胺等基因。和磺胺等基因。R质粒一般由两个相连的质粒一般由两个相连的DNA片段组成片段组成（2）R质粒（质粒（R plasmid）称称R因子因子（R factor）、）、抗性因子抗性因子（resisitrance plasmid），包括抗），包括抗药性和抗重金属二大类药性和抗重金属二大类（3）Col质粒（质粒（colicin plasmid，col plasmid）又称又称大肠杆菌素质粒大肠杆菌素质粒或或产大肠杆菌素产大肠杆菌素因子因子（colicinogenic factor，col factor）。）。细菌素细菌素（bacteriocin）是质粒编码的蛋白质，一般是质粒编码的蛋白质，一般由细菌产生，可抑制或杀死其他近缘细菌或同种不由细菌产生，可抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的代谢产物，但不具有很广的杀菌谱。同菌株的代谢产物，但不具有很广的杀菌谱。细菌素结构基因、细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的蛋白质的基因、的基因、赋予宿主对该细菌素具有赋予宿主对该细菌素具有“免疫力免疫力”的相关产物的基因的相关产物的基因一般都位于质粒或转座子上，细菌素可以杀死同种但不一般都位于质粒或转座子上，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。携带该质粒的菌株。细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（大肠杆菌（E.coli）产生的细菌素为产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），大肠杆菌素），而质粒被称为而质粒被称为Col质粒。质粒。Col E1Col E1质粒：质粒：相对分子量小（相对分子量小（9kb，约约5106），），无接合作无接合作用，是松弛性控制、多拷贝的；用，是松弛性控制、多拷贝的；ColbColb质粒：质粒：相对分子量大（相对分子量大（94kb，约约8107），），具有通具有通过接合而转移的功能，属严紧型控制，只有过接合而转移的功能，属严紧型控制，只有12个拷贝。个拷贝。（4）Ti质粒（质粒（tumor inducing plasmid）即诱癌质粒或冠瘿质粒（即诱癌质粒或冠瘿质粒（crown gall plasmidcrown gall plasmid）。）。TiTi质粒是一种质粒是一种200kb200kb的环状质粒，包括毒性区（的环状质粒，包括毒性区（virvir）、）、接合转移（接合转移（concon）、）、复制起始区（复制起始区（oriori）和）和T-DNAT-DNA区区4 4部分。部分。T-DNAT-DNA区可携带任何外源基因整合到植物基因组中，区可携带任何外源基因整合到植物基因组中，TiTi质粒是植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体。质粒是植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体。（5）mega质粒（质粒（megaplasmid）即即巨大质粒巨大质粒，其相对分子量，其相对分子量比一般质粒大几十比一般质粒大几十倍至几百倍，存在于倍至几百倍，存在于Rhizobium（根瘤菌属）中，根瘤菌属）中，其上有一系列与共生固氮相关的基因。其上有一系列与共生固氮相关的基因。（6）降解质粒降解质粒 这类质粒是由降解一系列复杂有机物的酶编码，所以在污水处理、这类质粒是由降解一系列复杂有机物的酶编码，所以在污水处理、环境保护等方面发挥作用。环境保护等方面发挥作用。只在假单胞菌属（只在假单胞菌属（Pseudomonas）中发现降解质粒。中发现降解质粒。降解质粒以其所分解的底物命名，例如，降解质粒以其所分解的底物命名，例如，CAM（樟脑）质粒，樟脑）质粒，OCT（辛烷）质粒，辛烷）质粒，XYL（二甲苯）质粒，二甲苯）质粒，SAL（水杨酸）质粒，水杨酸）质粒，MDL（扁桃酸）质粒，扁桃酸）质粒，NAP（萘）质粒，萘）质粒，TOL（甲苯）质粒等甲苯）质粒等 “超级菌超级菌”通过遗传工程手段构建具通过遗传工程手段构建具有数种降解质粒的菌株，有数种降解质粒的菌株，具有广谱降解能力的工程具有广谱降解能力的工程菌。菌。（一）转化实验（一）转化实验光滑型（光滑型（S）粗糙型（粗糙型（R）有有 荚荚 膜膜菌落光滑菌落光滑分泌毒素分泌毒素致致 病病无无 荚荚 膜膜菌落粗糙菌落粗糙无无 毒毒不不 致致 病病实验材料实验材料：肺炎链球菌肺炎链球菌 最早进行最早进行转化转化（transformation）实验的是实验的是F.Griffith（1928年）年），他以，他以Streptococcus pneumoniae（肺炎链球（肺炎链球菌，旧称菌，旧称“肺炎双球菌肺炎双球菌”）作为研究对象。）作为研究对象。厚壁菌门厚壁菌门-芽孢杆菌纲芽孢杆菌纲-乳杆菌目乳杆菌目-乳杆菌科乳杆菌科-链球菌属链球菌属R型活菌型活菌S S型活菌型活菌加热杀死加热杀死S S型菌型菌1 1、动物实验、动物实验R R型活菌型活菌+加热杀死加热杀死S S型型+怎么来的呢？怎么来的呢？活的无毒（活的无毒（R R）型细菌受到了型细菌受到了死的有毒（死的有毒（S S）型细菌的影响，型细菌的影响，转化为有毒（转化为有毒（S S）型）型合理的解释：合理的解释：（2）细菌培养实验）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S S型细菌细胞内可能存在一种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转化物质，它能通过某种方式进入R R型细胞并使型细胞并使R R型细胞获得型细胞获得稳定的遗传性状，转变为稳定的遗传性状，转变为S S型细胞。型细胞。热死热死S菌菌不生长不生长活活 R 菌菌长出长出RII菌菌热死热死S菌菌长出大量长出大量R菌和菌和10-6S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R菌菌平皿培养平皿培养加热杀死的加热杀死的S S型细菌，在其细胞内可能存在一种具有遗传型细菌，在其细胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物质，能通过某种方式进入转化能力的物质，能通过某种方式进入R R型细胞，并使型细胞，并使R R型细菌获得表达型细菌获得表达S S型细菌荚膜性状的型细菌荚膜性状的遗传特性。遗传特性。以上实验说明：以上实验说明：（1 1）从活的）从活的S S菌中抽提各种细胞成分（菌中抽提各种细胞成分（DNADNA，蛋白质，荚膜多糖等）蛋白质，荚膜多糖等）（2 2）对各组分进行转化试验）对各组分进行转化试验AveryAvery在四十年代以更精密的实验设计重复在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验了以上实验19531953年美国人年美国人HersheyHershey和和ChaseChase用放射性同位素方法，提供用放射性同位素方法，提供了了DNADNA是噬菌体遗传物质的直接证据。是噬菌体遗传物质的直接证据。用含用含3232P P和和3535S S的培养基培养大肠杆菌的培养基培养大肠杆菌H H，再用被标记的大肠，再用被标记的大肠杆菌杆菌培养培养2 2噬菌体，直至完全标记上噬菌体，直至完全标记上3232P P和和3535S S的的T2T2噬菌体为噬菌体为止。用标记的止。用标记的T2T2噬菌体侵染没有标记的大肠杆菌，结果表明，噬菌体侵染没有标记的大肠杆菌，结果表明，2 2噬菌体外壳蛋白中有噬菌体外壳蛋白中有3535S S放射性并与细菌的细胞壁连接，而放射性并与细菌的细胞壁连接，而DNADNA部分则有部分则有3232P P放射性并进如细菌的细胞质中。这一事实说明，放射性并进如细菌的细胞质中。这一事实说明，在噬菌体侵染细菌过程中蛋白质外壳留在细菌细胞外，只有在噬菌体侵染细菌过程中蛋白质外壳留在细菌细胞外，只有DNADNA进入了细胞，又一次证明遗传物质是进入了细胞，又一次证明遗传物质是DNADNA，而不是蛋白质。，而不是蛋白质。（二）噬菌体的感染实验（二）噬菌体的感染实验32P标记核酸标记核酸35S标记蛋白标记蛋白3232P PDNADNA核心的噬菌体核心的噬菌体3535S S蛋白质外壳的噬菌体蛋白质外壳的噬菌体在在DNADNA中存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。中存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。（三）病毒拆开和（三）病毒拆开和重建实验重建实验 烟草花叶病毒的核酸烟草花叶病毒的核酸抗血清处理，证明杂种病抗血清处理，证明杂种病毒的蛋白质外壳来自毒的蛋白质外壳来自病毒病毒1，而非病毒，而非病毒2杂种病毒的后代的蛋白质杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为外壳表现为病毒病毒2，而非，而非病毒病毒1遗传物质是核酸（遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质而非蛋白质霍氏车前病毒霍氏车前病毒的蛋白质外壳的蛋白质外壳HRVTMV霍氏车前病毒霍氏车前病毒烟草花叶病毒烟草花叶病毒(1)(1)用表面活性剂处理标准用表面活性剂处理标准TMVTMV，得到它的蛋白质；得到它的蛋白质；(2)(2)从从TMVTMV的变种的变种HRVHRV通过弱碱处理得到它的通过弱碱处理得到它的RNARNA；(3)(3)通过重建获得杂种病毒；通过重建获得杂种病毒；(4)(4)证实杂种病毒的蛋白质外壳是来自证实杂种病毒的蛋白质外壳是来自TMVTMV标准株。标准株。(5)(5)杂杂种种病病毒毒感感染染烟烟草草产产生生HRHR所所特特有有的的病病斑斑，说说明明杂杂种种病病毒毒的的感染特性是由感染特性是由HRHR的的RNA RNA 所决定，而不是二者的融合特征所决定，而不是二者的融合特征(6)(6)从病斑中一再分离得到的子病毒的蛋白质外壳是从病斑中一再分离得到的子病毒的蛋白质外壳是HRHR蛋白质，蛋白质，而不是标准株的蛋白质外壳。以上实验结果说明杂种病毒的而不是标准株的蛋白质外壳。以上实验结果说明杂种病毒的感染特征和蛋白质的特性感染特征和蛋白质的特性 是由它的是由它的RNARNA所决定，而不是由蛋所决定，而不是由蛋白质所决定，遗传物质是白质所决定，遗传物质是RNARNA。病毒拆开和重建实验证明了病毒拆开和重建实验证明了RNA是是遗传物质遗传物质基因突变突变与育种第二节基因突变和诱变育种 基因突变基因突变：又称点突变，又称点突变，DNA链上的一对链上的一对 突变突变 或少数几对碱基发生改变。或少数几对碱基发生改变。(碱基置换碱基置换、移码突变移码突变)染色体畸变染色体畸变：DNA的大段变化的大段变化(损伤损伤)现象现象 (添加添加、缺失缺失、易位易位、倒位倒位)基因重组：基因重组：把两个不同性状个体内的遗传基因转移把两个不同性状个体内的遗传基因转移 到一起，经过遗传分子的重新组合后，到一起，经过遗传分子的重新组合后，形成新遗传型个体的方式，称为基因重形成新遗传型个体的方式，称为基因重 组组(原核生物原核生物、真核生物真核生物)遗遗遗遗传传传传性性性性变变变变异异异异一、基因突变一、基因突变 基因突变基因突变：指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，简称突变，狭结构或数量突然发生的可遗传的变化，简称突变，狭义的突变专指基因突变，广义的突变包括基因突变和义的突变专指基因突变，广义的突变包括基因突变和染色体畸变。染色体畸变。野生型菌株：野生型菌株：从自然界分离到的菌株。从自然界分离到的菌株。突变株：突变株：突变体、突变型。野生型经突变后形成的带有突变体、突变型。野生型经突变后形成的带有新性状的菌株。新性状的菌株。（一）（一）微生物突变体的主要类型微生物突变体的主要类型形态突变型形态突变型 菌落形态突变型菌落形态突变型菌体形态突变型菌体形态突变型生化突变型生化突变型营养突变体营养突变体(营养缺陷型营养缺陷型)发酵突变体发酵突变体抗性突变体抗性突变体条件致死突变体条件致死突变体抗原突变型抗原突变型产量突变型产量突变型按按突变突变实质分实质分条件致死突变型（株）条件致死突变型（株）按突变株的表型选择性突变株非选择性突变株营养缺陷型（株）营养缺陷型（株）抗性缺陷型（株）抗性缺陷型（株）形态突变型（株）形态突变型（株）抗原突变型（株）抗原突变型（株）产量突变型（株）产量突变型（株）按方法分按方法分按突变株的表型是否能在选按突变株的表型是否能在选择性培养基上加以鉴别来分择性培养基上加以鉴别来分 （1 1）营养缺陷型：）营养缺陷型：某一野生菌株因发生基因突变而某一野生菌株因发生基因突变而丧失合丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法，因而无法再在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型再在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。（2 2）抗性突变型：）抗性突变型：指野生型菌株因发生基因突变，而产生指野生型菌株因发生基因突变，而产生的对的对某化学药物或致死物理因子的抗性某化学药物或致死物理因子的抗性变异类型。变异类型。（3 3）条件致死突变型：）条件致死突变型：某菌株或病毒经基因突变后，在某某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并呈现其固有的表型，而在种条件下可正常地生长、繁殖并呈现其固有的表型，而在另一条件下却无法生长、繁殖，这种突变类型称为另一条件下却无法生长、繁殖，这种突变类型称为 （4）形态突变型：形态突变型：指由突变引起的个体或菌落形态的变指由突变引起的个体或菌落形态的变异，一般属非选择性突变。异，一般属非选择性突变。（5）抗原突变型：）抗原突变型：指由于基因突变引起的细胞抗原结构指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异类型，包括细胞壁缺陷变异、荚膜或鞭毛发生的变异类型，包括细胞壁缺陷变异、荚膜或鞭毛成分变异等。成分变异等。（6）产量突变型：）产量突变型：通过基因突变而产生的在代谢产物产通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株，称产量突变型。量上明显有别于原始菌株的突变株，称产量突变型。（二）（二）突变率突变率出发菌株出发菌株 长出长出突变株突变株含诱变剂的含诱变剂的培养基培养基突变率突变率：某一细胞（或病毒粒）在每一世代中发生某一性状突变的：某一细胞（或病毒粒）在每一世代中发生某一性状突变的几率。一般为几率。一般为10-610-9，转座突变率为转座突变率为10-4。(三三)突变的特点突变的特点 不对应性不对应性 ：突变形状与引起突变原因之间无对应关系；：突变形状与引起突变原因之间无对应关系；自发性：可以自发产生突变；自发性：可以自发产生突变；稀有性稀有性 ：自发突变几率极低，在：自发突变几率极低，在1010-6-61010-9-9之间；之间；独立性：某基因的突变率不受其它基因突变率的影响；独立性：某基因的突变率不受其它基因突变率的影响；可诱变性：（提高可诱变性：（提高101010105 5倍）倍）稳定性稳定性 ：新遗传性状的稳定性；：新遗传性状的稳定性；可逆性：回复突变可逆性：回复突变 变 量 试 验 涂 布 试 验 影印培养试验（四）（四）基因突变自发性和基因突变自发性和不对应性的证明不对应性的证明指数增殖期指数增殖期大肠杆菌稀释培养物大肠杆菌稀释培养物10ml10ml(培养前先分成50小管)(在同一个大管中作整体培养)2 10 107 .15 4 4 3 .5 抗抗噬菌体菌落数噬菌体菌落数 抗噬菌体菌落数抗噬菌体菌落数变量试验变量试验根据统计学原理设计（根据统计学原理设计（1943年）年）涂涂T1噬菌噬菌体平板体平板涂涂T1噬菌噬菌体平板体平板结果表明结果表明：来自甲管的来自甲管的5050皿中皿中,各皿间抗性菌落数相差极大各皿间抗性菌落数相差极大(图图左左),),而来自乙管的则各而来自乙管的则各 皿数目基本相同皿数目基本相同(图右图右)。原因分析：原因分析：E.coliE.coli抗噬菌体性状的突变抗噬菌体性状的突变,不是由所抗的环境不是由所抗的环境 因因素素噬菌体诱导出来的噬菌体诱导出来的,而是在它接触到噬菌体前而是在它接触到噬菌体前,在在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的 。这一自发突变发生得越早这一自发突变发生得越早,则抗性菌落出现得越多则抗性菌落出现得越多,反之则越少反之则越少,噬菌体在这里仅起着淘汰原始的未突变的噬菌体在这里仅起着淘汰原始的未突变的敏感菌和鉴别抗噬菌体突变型的作用。敏感菌和鉴别抗噬菌体突变型的作用。The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969涂布试验(Newcombe,1949)涂布敏感菌5104个共12个平板5104个菌落5000个细菌/菌落喷入T1保温重新涂布后 喷入T1保温6个平板共353个菌落 6个平板共28个菌落实验结果实验结果：在涂布过的一组中在涂布过的一组中,共有抗性菌落共有抗性菌落353353个个,要比未经涂要比未经涂布过的布过的(仅仅2828个菌落个菌落)高得多。高得多。原因分析：原因分析：该抗性突变发生在未接触噬菌体前。该抗性突变发生在未接触噬菌体前。噬菌体的加入只起甄别这类突变是否发生的作用，噬菌体的加入只起甄别这类突变是否发生的作用，而不是诱导突变的因素。而不是诱导突变的因素。影印培养无链霉素无链霉素培养基培养基含链霉素含链霉素培养基培养基影印培养试验(J.Lederberg,1952)原始敏感菌种123456789101112由此可知由此可知：原始的链霉素敏感菌株只通过原始的链霉素敏感菌株只通过(1)(2)(4)(5)(6)(8)(9)(10)(12)(1)(2)(4)(5)(6)(8)(9)(10)(12)的的移种和选择序列移种和选择序列,就可在根本未接触链霉素的情况下就可在根本未接触链霉素的情况下,筛筛选出大量的抗链霉素的菌株。选出大量的抗链霉素的菌株。J.Lederberg is awarded the Noble Prize in Medicine and Physiology in 1958（五）基因突变及机制 基因突变机制多种，可是自发的或诱发的。基因突变机制多种，可是自发的或诱发的。诱发突变包括影响一对基因的点突变和影响一段染色体的畸变。诱发突变包括影响一对基因的点突变和影响一段染色体的畸变。1 1、诱发突变、诱发突变 ：通过人为的方法，利用物理、化学或：通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因突变频率的手段。生物因素显著提高基因突变频率的手段。2）诱发突变机制）诱发突变机制（1）碱基置换（）碱基置换（substitution)（2）移码突变）移码突变(frame-shift mutation)（3）染色体畸变（）染色体畸变（Chromosomal aberration)碱基的置换碱基的置换转换转换（transition）颠换（颠换（transversion）一个嘌呤一个嘌呤另一个嘌呤另一个嘌呤一个嘧啶一个嘧啶另一个嘧啶另一个嘧啶一个嘌呤一个嘌呤另一个嘌呤另一个嘌呤一个嘧啶一个嘧啶另一个嘧啶另一个嘧啶碱基的置换：碱基的置换：一对碱基被另一对碱基置换一对碱基被另一对碱基置换 直接引起置换的诱变剂直接引起置换的诱变剂HNO2CNH2腺嘌呤CO次黄嘌呤(Hk)A.THe.THk.THk.CA.THk.CG.CCOH次黄嘌呤(He)HNO2，羟胺，各种烷化剂，羟胺，各种烷化剂间接引起置换的诱变剂间接引起置换的诱变剂碱基的置换 C OHT：烯醇式CT：酮式OA.TT.AG.CA.T酮式T.G烯醇式 碱基类似物碱基类似物移码突变移码突变（frame-shift mutation，phase-shift mutation）指诱变剂使指诱变剂使DNADNA序列中的一个或少数几个核苷酸序列中的一个或少数几个核苷酸发生发生增添增添（插入插入）或或缺失缺失，从而使其后面的全部，从而使其后面的全部遗传密码发生遗传密码发生阅读框阅读框发生改变，并进一步引起转录发生改变，并进一步引起转录和转译错误的一类突变。和转译错误的一类突变。移码突变 分子中缺失或增加少数几个碱基对而引起分子中缺失或增加少数几个碱基对而引起造成突变点以后全部遗传密码转录与转释发生错误造成突变点以后全部遗传密码转录与转释发生错误ABC ABCABCABCABCABCABCABCAB+ABC ABCCBA CBA CBA CBA CBAABC BCA BCA BCABCABCABCABCA增添一个碱基增添一个碱基缺少一个碱基缺少一个碱基丫啶类染料、ICR化合物染色体畸变染色体畸变（chromosomal aberrationchromosomal aberration）电离辐射电离辐射（X X射线等射线等）烷化剂烷化剂亚硝酸等亚硝酸等某些强烈理化因子某些强烈理化因子引引起起点突变点突变DNADNA的大损伤的大损伤（macrolesion）DNADNA的大损伤的大损伤（macrolesion）染色体畸变染色体畸变缺失缺失（deletion）重复重复（duplication）插入插入（insertion）易位易位（translocation）倒位倒位（inversion）染色体结构上染色体结构上染色体数目的变化染色体数目的变化转座转座（transposition）：）：DNADNA序列通过序列通过非同源重组非同源重组的方的方式，从染色体某一部位转移到式，从染色体某一部位转移到同一染色体上另一部同一染色体上另一部位位或或其他染色体上某一部位其他染色体上某一部位的现象。的现象。凡具有转座作用的一段凡具有转座作用的一段DNADNA序列，称序列，称转座因子转座因子（transposible element，TE），），又称又称跳跃基因跳跃基因（jumping gene）、可移动基因可移动基因（moveable gene）、）、可移动遗传因子可移动遗传因子（mobile genetic element）。）。转转座座因因子子插入序列插入序列（insertion sequence，IS）转座子转座子（transposon，Tn）MuMu噬菌体噬菌体（mutator phage）转座噬菌体转座噬菌体（transposable phage）原核生物原核生物E.coliE.coli转座因子的特点转座因子的特点 在转座时，通过转座因子的复制，可将新形成的拷贝在转座时，通过转座因子的复制，可将新形成的拷贝以非同源重组的方式转移到染色体的新部位上；以非同源重组的方式转移到染色体的新部位上；在转座因子两端各有一段一定长度的末端重复序列，在转座因子两端各有一段一定长度的末端重复序列，包括包括正向重复正向重复（direct repeat）和和反向重复反向重复（inverted repeat，或或颠倒重复颠倒重复）；）；每个转座因子还带有一个对转座有特异功能的每个转座因子还带有一个对转座有特异功能的转座酶转座酶基因基因（transposase gene）。）。紫外线诱变作用机理紫外线诱变作用机理 可使链裂断，破坏核糖和磷酸间的键联引起胞嘧啶和尿嘧啶产生水合作用造成氢键断裂 能使胸腺嘧啶成二聚体，使结构发生改变 把经把经UVUV照射后的微生物照射后的微生物立即立即暴露于暴露于可见光可见光下时，下时，可明显降低其死亡率的现象，称为可明显降低其死亡率的现象，称为光复活作用光复活作用。光复活作用光复活作用（photoreactivation，photorestoration）最早是最早是A.Kelner（19491949）在）在Streptomyces griseus（灰色链霉灰色链霉菌）中发现的。后来，在许多微生物中都得到了证实。菌）中发现的。后来，在许多微生物中都得到了证实。最明显的是在最明显的是在E.coliE.coli的实验的实验 对照：对照：8108106 6个个mLmLE.coliE.coli 100100个个mLmLE.coliE.coli 试验：试验：8108106 6个个mLmLE.coliE.coli 2102106 6个个mLmLE.coliE.coliUVUVUVUV360360490nm490nm可见光，可见光，30min30min使二聚体（使二聚体