【贵州大学】优质课《生物学院》第八章-微生物遗传变异.ppt

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1、【贵州大学】优质课全国特级教师 江新欢 博士教授微生物学微生物学第第八八章章 微生物遗传变异与育种微生物遗传变异与育种第第八八章章 微生物遗传变异与育种微生物遗传变异与育种 生物亲代与子代之间生物亲代与子代之间,在形态、结构和生理功能上常在形态、结构和生理功能上常常相似，这就是遗传现象。常相似，这就是遗传现象。正是生物的遗传特性正是生物的遗传特性,使生物界的物种能够保持相对使生物界的物种能够保持相对稳定稳定.生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物遗传生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物遗传的物质基础是什么呢？的物质基础是什么呢？根据现代细胞学和遗传学的研究得知根据现代细胞学和遗传学的研究

2、得知,控制生物性状控制生物性状的主要遗传物质是脱氧核糖核酸。的主要遗传物质是脱氧核糖核酸。1.遗传与变异的基本概念遗传与变异的基本概念遗传遗传(heredity)(heredity):亲代生物的性状在子代得到表现亲代生物的性状在子代得到表现;亲亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息.特点特点:具稳定性具稳定性.遗传型遗传型(genotype)(genotype):又称基因型又称基因型,指某一生物个体所指某一生物个体所 含有的全部基因的总和含有的全部基因的总和;是一种内在可能性或潜力是一种内在可能性或潜力.表型表型(phenotype)(p

3、henotype):生物体所具有的一切外表特征和内生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和在特性的总和;是一种是一种现实存在现实存在,是具一定遗传型的生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物在一定条件下所表现出的具体性状.变异变异(variation)(variation):生物体在外因或内因的作用下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遗传物质的结构或数量发生改变.变异的特点变异的特点:a.:a.在在群体中以极低的几率出现群体中以极低的几率出现,(,(一般为一般为10-610-610-10);10-10);b.b.形状变化的幅度大形状变化的幅度大;c.;c.

4、变化后形成的新性状是稳变化后形成的新性状是稳定的定的,可遗传的可遗传的.饰变饰变(modification)(modification):指不涉及遗传物质结构改变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而只发生在转录、转译水平上的表型变化.特点特点:几乎整个群体中的每一个个体都发生同样几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化的变化;性状变化的幅度小性状变化的幅度小;因遗传物质不因遗传物质不变，故饰变是不遗传的变，故饰变是不遗传的.引起饰变的因素消失后引起饰变的因素消失后,表表型即可恢复型即可恢复.2.2.遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础DNADNA作为作为主要的遗传物

5、质具备以下几个特点主要的遗传物质具备以下几个特点:分子结构具有相对的稳定性分子结构具有相对的稳定性能够自我复制能够自我复制,使前后代保持一定的连续性使前后代保持一定的连续性能够指导蛋白质的合成能够指导蛋白质的合成,从而控制新陈代过从而控制新陈代过 程和性状程和性状能够产生可遗传的变异能够产生可遗传的变异2.1 DNA2.1 DNA作为遗传物质的实验证据之一作为遗传物质的实验证据之一 肺炎链球菌的转化现象肺炎链球菌的转化现象 19281928年，格里菲斯年，格里菲斯(Griffith)(Griffith)以肺炎链球菌为研究对以肺炎链球菌为研究对象，发现了象，发现了S S型菌株和型菌株和R R型菌

6、株发生转化的现象。型菌株发生转化的现象。19441944年，艾维里年，艾维里(Avery)(Avery)通过进一步的转化实验弄清通过进一步的转化实验弄清楚了楚了GriffithGriffith实验中的转化因子的实质。实验中的转化因子的实质。活活R R菌株菌株加加S S菌的菌的DNADNA加加S S菌的菌的DNADNA和和DNADNA酶以外的酶酶以外的酶加加S S菌的菌的DNADNA和和DNADNA酶酶加加S S菌的菌的RNARNA加加S S菌的蛋白质菌的蛋白质加加S S菌的荚膜多糖菌的荚膜多糖长出长出S S菌菌只长只长R R菌菌肺炎链球菌体外转化实验肺炎链球菌体外转化实验 2.2 DNA2.2

7、 DNA作为遗传物质的实验证据之一作为遗传物质的实验证据之一 E.coliE.coli噬菌体噬菌体T T2 2的感染实验的感染实验19521952年年,侯喜侯喜(A.D.HersheyA.D.Hershey)和和蔡斯蔡斯(M.Chase)M.Chase)用同位用同位素示踪法研究了大肠杆菌噬菌体素示踪法研究了大肠杆菌噬菌体T2T2的感染过程。的感染过程。10min10minT2T2噬菌体感染实验（引自噬菌体感染实验（引自Russell,2000Russell,2000）2.3 RNA2.3 RNA作为遗传物质的实验证据作为遗传物质的实验证据 烟草花叶病毒烟草花叶病毒(TMV)(TMV)的重建实验

8、的重建实验19561956年年,H.,H.Fraenkel-ConratFraenkel-Conrat用含用含RNARNA的的TMVTMV所作的著所作的著名的植物病毒重建实验证明名的植物病毒重建实验证明TMVTMV的主要感染成分是其的主要感染成分是其核糖核酸核糖核酸RNARNA。病病毒毒重重建建实实验验示示意意图图(引引自自K Kl lu ug g a an nd d C Cu um mm mi in ng gs s，2 20 00 00 0)3 3 微生物的染色体分子结构微生物的染色体分子结构 真核微生物染色体真核微生物染色体 (1)(1)染色质与染色体染色质与染色体由由DNADNA和蛋白质

9、及少量和蛋白质及少量RNARNA组成的一种复合物，其中组成的一种复合物，其中DNADNA的含量约占染色质重量的的含量约占染色质重量的3030。由于在细胞分。由于在细胞分裂间期所表现的形态呈纤细的丝状结构，故称为染裂间期所表现的形态呈纤细的丝状结构，故称为染色质；而在有丝分裂中期，这种复合物呈棒状体，色质；而在有丝分裂中期，这种复合物呈棒状体，故称为染色体。实质上，这两个概念是同一种物质故称为染色体。实质上，这两个概念是同一种物质在不同时期表现出不同状态而也。在不同时期表现出不同状态而也。(2)(2)异染色质与常染色质异染色质与常染色质异染色质和常染色质只是染色质在细胞分裂间期螺旋异染色质和常染

10、色质只是染色质在细胞分裂间期螺旋化程度的不同。常染色质表现为呈松散状态，而异染化程度的不同。常染色质表现为呈松散状态，而异染色质高度螺旋化，呈紧密卷缩状态。染色质的这种结色质高度螺旋化，呈紧密卷缩状态。染色质的这种结构与功能密切相关，常染色质可经转录表现为活跃的构与功能密切相关，常染色质可经转录表现为活跃的遗传功能，而异染色质一般不编码蛋白质，只对维持遗传功能，而异染色质一般不编码蛋白质，只对维持染色体结构的完整性起作用，如着丝粒区域就属于一染色体结构的完整性起作用，如着丝粒区域就属于一种异染色质。种异染色质。异染色质：染色质线中染色很深的区段。异染色质：染色质线中染色很深的区段。常染色质：染

11、色很浅的区段。常染色质：染色很浅的区段。(3)(3)染色质的基本结构单位染色质的基本结构单位 核小体核小体核小体的组成核小体的组成核小体结构模型核小体结构模型(4)(4)染色体的基本结构染色体的基本结构 染色单体染色单体染色体的结构是由两条染色单体染色体的结构是由两条染色单体(chromatidchromatid)组成的。组成的。每条染色单体实际上就是一个每条染色单体实际上就是一个DNADNA分子与蛋白质结合分子与蛋白质结合所形成的染色质线。所形成的染色质线。细胞分裂过程中染色质线是怎样卷缩成为一定形态结细胞分裂过程中染色质线是怎样卷缩成为一定形态结构的染色体构的染色体？是核小体的长链进一步螺

12、旋化形成直径约为是核小体的长链进一步螺旋化形成直径约为30nm30nm的超微螺旋，称为螺线管，组蛋白的超微螺旋，称为螺线管，组蛋白H1H1参与作用。参与作用。是是DNADNA分子超螺旋化形成核小体，组蛋白分子超螺旋化形成核小体，组蛋白H2AH2A、H2BH2B、H3H3和和H4H4参与作用。参与作用。是染色体螺旋管进一步卷缩是染色体螺旋管进一步卷缩,并附着于由非组蛋并附着于由非组蛋白所形成的骨架上。白所形成的骨架上。着丝粒和端粒着丝粒和端粒 着丝粒，又叫着丝点，是染色体的缩缢部位，是细着丝粒，又叫着丝点，是染色体的缩缢部位，是细胞分裂过程中纺锤丝胞分裂过程中纺锤丝(spindle fiber)

13、(spindle fiber)结合的区域。结合的区域。次缢痕次缢痕：近端着丝粒染色体的短臂上，常与核仁的形成：近端着丝粒染色体的短臂上，常与核仁的形成 有关有关核仁组织区（核仁组织区（NORNOR）。随体随体：染色体末端、与次缢痕相连的棒状小体染色体末端、与次缢痕相连的棒状小体(satellite),),由异染色质组成，是识别染色体形态的重要特征由异染色质组成，是识别染色体形态的重要特征 之一。之一。端粒端粒 是真核生物线性染色体末端由重复是真核生物线性染色体末端由重复DNADNA序列和蛋白质结合序列和蛋白质结合 形成的复合结构。形成的复合结构。特点特点:端粒通常由富含端粒通常由富含鸟嘌呤核苷

14、酸鸟嘌呤核苷酸的短的的短的串连重复序列串连重复序列 DNADNA组成，而且同一个基因组内所有端粒都是由相组成，而且同一个基因组内所有端粒都是由相 同的重复序列组成，但不同物种的端粒的重复序列同的重复序列组成，但不同物种的端粒的重复序列 是不同的。是不同的。端粒的功能端粒的功能染色体末端的保护作用；染色体末端的保护作用；引导同源染色体的配对；引导同源染色体的配对；端粒和细胞癌变有关；端粒和细胞癌变有关；无限增殖和分化障碍是癌细胞的重要生物学特性。一般无限增殖和分化障碍是癌细胞的重要生物学特性。一般认为，在细胞癌变过程中因端粒酶的活性增强，端粒的长认为，在细胞癌变过程中因端粒酶的活性增强，端粒的长

15、度得以维持，染色体形态得到稳定，从而逃脱了因端粒缩度得以维持，染色体形态得到稳定，从而逃脱了因端粒缩短而引起的细胞死亡，使细胞达不到终末分化，获得永生短而引起的细胞死亡，使细胞达不到终末分化，获得永生化。化。染色体端粒的长短可决定细胞寿命；染色体端粒的长短可决定细胞寿命；决定细胞衰老的决定细胞衰老的“生物钟生物钟”就是染色体末端的端粒就是染色体末端的端粒DNADNA，它可随着年龄的增长而缩短。，它可随着年龄的增长而缩短。原核微生物拟核体原核微生物拟核体 与真核生物相比，原核微生物的染色体通常与真核生物相比，原核微生物的染色体通常只有一个核酸分子只有一个核酸分子(DNA(DNA或或RNA)RNA

16、)，其遗传信息，其遗传信息的含量比真核生物少得多。病毒染色体只含的含量比真核生物少得多。病毒染色体只含一个一个DNADNA或者或者RNARNA分子，可以是单链也可以是分子，可以是单链也可以是双链；大多呈环状，少数呈线性分子。细菌双链；大多呈环状，少数呈线性分子。细菌染色体均为环状双链染色体均为环状双链DNADNA分子。分子。大肠杆菌的基因组大肠杆菌的基因组约约2.2102.2109 9 DaDa，DNADNA长约长约12001200m。而菌体。而菌体直径仅仅直径仅仅1 12 2m。大肠杆菌染色体DNADNA这种高度折叠的结构这种高度折叠的结构使使DNADNA分子长度压缩了千分子长度压缩了千余倍

17、。余倍。代表性生物体内基因组大小代表性生物体内基因组大小种种 类类生物体生物体相对相对分子量分子量碱基对碱基对/bpbp最简单的微生物最简单的微生物SV40SV40病毒病毒3103106 65105103 3噬菌体噬菌体3.4103.4107 75105104 4细菌细菌大肠杆菌大肠杆菌2.2102.2109 94.2104.2106 6哺乳动物哺乳动物小鼠小鼠1.5101.51012122.3102.3109 9人人1.8101.81012122.8102.8109 94 4 微生物基因组微生物基因组基因组基因组(genome):(genome):某一物种的单倍体的所有染色体某一物种的单倍体

18、的所有染色体上遗传物资的总称。上遗传物资的总称。原核生物，一般只有一套基因，即单倍体原核生物，一般只有一套基因，即单倍体(haploid)(haploid)；而真核生物通常具有两套基因，称为二倍体而真核生物通常具有两套基因，称为二倍体(diploid)(diploid)原核生物的基因组特点原核生物的基因组特点1 1）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNADNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式存在于细胞中，该小体称为拟核规则小体形式存在于细胞中，该小体称为拟核(nucliodnuclio

19、d)，其上结合有类组蛋白和少量其上结合有类组蛋白和少量RNARNA分子，使分子，使其压缩成一种手脚架形的致密结构。其压缩成一种手脚架形的致密结构。2 2）基因组上遗传信息具有连续性）基因组上遗传信息具有连续性微生物基因组微生物基因组DNADNA绝大部分用来编码蛋白质、绝大部分用来编码蛋白质、RNARNA；其余用作复制起点、启动子、终止子和；其余用作复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。除了个别细菌除了个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古和古生菌的生菌的rRNArRNA和和tRNAtRNA中也发现

20、有内含子或间隔序列中也发现有内含子或间隔序列外，原核微生物外，原核微生物一般不含内含子，遗传信息是连一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。续的而不是中断的。3 3）功能相关的结构基因组成操纵子结构）功能相关的结构基因组成操纵子结构4 4）结构基因的单拷贝及）结构基因的单拷贝及rRNArRNA基因的多拷贝基因的多拷贝5 5）基因组的重复序列少而短）基因组的重复序列少而短操纵子（操纵子（operonoperon）：）：功能相关的几个结构基因前后相连，再加上一个共同的功能相关的几个结构基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操作子等）调节基因和一组共同的控制位点（

21、启动子、操作子等）在基因转录时协同动作。在基因转录时协同动作。6 6）基因重叠是病毒基因组的结构特点，即同一段基因重叠是病毒基因组的结构特点，即同一段DNADNA片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子。片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子。1 1）典型的真核染色体结构，）典型的真核染色体结构，基因组远大于原核生物的基因组，基因组远大于原核生物的基因组，具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小2 2）真核细胞基因转录产物为单顺反子，即一个结构基因转录、）真核细胞基因转录产物为单顺反子，即一个结构基因转录、翻译成一个翻译成一个mRNAmRNA分子，一条多肽链。分子

22、，一条多肽链。3 3）基因组中不编码的区域多于编码区域。基因组中不编码的区域多于编码区域。4 4）基因是不连续的，结构基因内部存在许多不编码蛋白质的间）基因是不连续的，结构基因内部存在许多不编码蛋白质的间 隔序列，称为内含子，编码区则称为外显子。隔序列，称为内含子，编码区则称为外显子。5 5）重复序列多，包括高度重复序列、中度重复序列和）重复序列多，包括高度重复序列、中度重复序列和 低度重复或单拷贝序列等低度重复或单拷贝序列等。真核生物的基因组特点真核生物的基因组特点5 5 染色体外遗传成份染色体外遗传成份5.1 原核微生物核外遗传物质原核微生物核外遗传物质质粒（质粒（plasmidplasm

23、id）：）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因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。子，主要存在于各种微生物细胞中。(1)(1)质粒的分子结构质粒的分子结构通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalently closed circle(covalently closed circle，简，简 称称CCC)CCC)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1000

24、kb1000kb；（细菌质粒多在（细菌质粒多在10kb10kb以内）以内）质粒的检测质粒的检测提取所有胞内提取所有胞内DNADNA后电镜观察后电镜观察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。共价闭合环状共价闭合环状开环型开环型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在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的在某些特殊条件下，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。机能，从而使宿主得到生长优势。

25、质粒所质粒所编码的编码的功能和功能和赋予宿赋予宿主的表主的表型效应型效应致育因子（致育因子（Fertility factor，F F因子）因子）抗性因子（抗性因子（Resistance factor，R 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）5.1.1 质粒的主要类型质粒的主要类型1 1)致育因子致育因子(F(F因子因子)能于染色体外独立增殖的环状能于染色体外独立增

26、殖的环状DNADNA分子，其大小约分子，其大小约 100kb100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现 象有关的质粒。由于这种质粒还可以整合到细菌染色象有关的质粒。由于这种质粒还可以整合到细菌染色 体上，成为染色体的一部分，又叫作附加体。体上，成为染色体的一部分，又叫作附加体。F F质粒整质粒整 合到宿主细胞染色体上的菌株叫合到宿主细胞染色体上的菌株叫HfrHfr.携带携带F F质粒的菌株称质粒的菌株称为为F F+菌株（相当于雄菌株（相当于雄性），无性），无F F质粒的菌质粒的菌株称为株称为F F-菌株（相当菌株（相当于雌性）于雌性）环形的环

27、形的F F因子主要包括因子主要包括 四个部分：四个部分：原点，转移的起点；原点，转移的起点；形成性伞毛的基因；形成性伞毛的基因；DNADNA复制酶基因；复制酶基因；插入序列，与插入到细插入序列，与插入到细 菌染色体的过程有关。菌染色体的过程有关。细菌染色体细菌染色体2 2)抗性因子（抗性因子（R R因子）因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称包括抗药性和抗重金属二大类，简称R R质粒。抗性质粒在质粒。抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。R100R100质粒可使宿主对下列药物及重金属具有抗性质粒可使宿主对下列药物及重金属具有抗性,并并

28、 且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上：且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上：汞汞(mercuricion,mermercuricion,mer););四环素四环素(tetracycline,tettetracycline,tet)链霉素链霉素(Streptomycin,strStreptomycin,str););磺胺磺胺(Sulfonamide,(Sulfonamide,SulSul)氯霉素氯霉素(Chlorampenicol,cmlChlorampenicol,cml););西地酸西地酸(fusidicfusidic acid,fusacid,fus)。R100R100抗

29、性质粒的遗传图谱示意图抗性质粒的遗传图谱示意图 R R因子的特征：因子的特征：1 1）能自行重组，即来自两种不同耐药菌株的）能自行重组，即来自两种不同耐药菌株的R R因子基因整因子基因整 合在一起，构成多重耐药菌株合在一起，构成多重耐药菌株2 2）R R因子也能借助性纤毛进行接合而传递因子也能借助性纤毛进行接合而传递,而且而且R R因子和因子和F F因因 子之间也能发生重组子之间也能发生重组,但但R R因子不能整合到核染色体上因子不能整合到核染色体上3 3）R R因子一般由相连的二个因子一般由相连的二个DNADNA片段组成。一是片段组成。一是RTFRTF质粒质粒 （resistance tra

30、nsfer factor,resistance transfer factor,抗性转移因子），它抗性转移因子），它 含调节含调节DNADNA复制和转移的基因；二是抗性决定质粒（复制和转移的基因；二是抗性决定质粒（r-r-determinant determinant），含有抗性基因。），含有抗性基因。R R因子的结构组成因子的结构组成 3 3)产细菌素的质粒产细菌素的质粒(Bacteriocin production plasmid)细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（processingprocessing）的蛋白质的基因、的蛋白质的基因、赋

31、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”的相关的相关产物的基因产物的基因细菌素的一般命名规则细菌素的一般命名规则：大肠杆菌产生的细菌素为大肠杆菌素大肠杆菌产生的细菌素为大肠杆菌素(colicinscolicins),),而产生这种细菌素的质粒被称为而产生这种细菌素的质粒被称为ColCol质粒。质粒。通过抑制复制、转录、翻译或能量代谢等而专一性地通过抑制复制、转录、翻译或能量代谢等而专一性地杀死近缘且不含杀死近缘且不含ColCol质粒的菌株，而宿主不受其产生的质粒的菌株，而宿主不受其产生的细菌素的影响，质粒本身编码一种免疫蛋白，从而使细菌素的影响，质粒本身编码一种免疫蛋白，从而

32、使宿主对大肠杆菌素有免疫作用。宿主对大肠杆菌素有免疫作用。作用机理：作用机理：许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质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）造粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。成伤害。产毒素产毒素E.coliE.coli是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一,其中许多菌株含有编码一种或多种肠毒素基因的质粒。其中许多菌株含有编码一种或多种肠毒素基因的质粒。苏云金杆菌含有编码苏云金杆菌含有编码内毒素内毒素(伴孢晶体中伴孢晶体中)的质粒的质粒根癌土壤杆菌所含

33、根癌土壤杆菌所含TiTi质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致 病因子病因子4 4)毒性质粒（毒性质粒（virulence plasmid）TiTi质粒的结构及特点质粒的结构及特点 环状环状dsDNA,160-250kbdsDNA,160-250kb，六个功能区，六个功能区致瘤区：合成植物生长素和细胞致瘤区：合成植物生长素和细胞 分裂素分裂素冠瘿碱合成区：参与冠瘿碱合成冠瘿碱合成区：参与冠瘿碱合成冠瘿碱分解区：参与冠瘿碱分解冠瘿碱分解区：参与冠瘿碱分解质粒转移区质粒转移区(tratra)：参与不同农杆：参与不同农杆 菌中的接合转移菌中的接合转移毒（性）区：参与毒（性）区：

34、参与T-DNAT-DNA的转移和的转移和 插入植物染色体插入植物染色体DNADNA复制区：参与复制区：参与Ti Ti 质粒质粒DNADNA复制复制5 5)代谢质粒（代谢质粒（Metabolic plasmidMetabolic plasmid）质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某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（某些放些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。线菌）等。将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用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。如的简单形式，环

35、境保护方面具有重要的意义。如假单胞菌：假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如苯、辛烷和樟脑等的能力。具有降解一些有毒化合物，如苯、辛烷和樟脑等的能力。降解质粒：降解质粒：巨大质粒：巨大质粒：又叫共生质粒。发现于根瘤菌属中的一些成员，质粒上又叫共生质粒。发现于根瘤菌属中的一些成员，质粒上 有一系列固氮基因。有一系列固氮基因。6 6)隐秘质粒（隐秘质粒（cryptic plasmid）隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。它们存在的生物

36、学意义，目前几乎不了解。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）体（一般加上抗性基因）5.1.2 质粒的特性质粒的特性质粒的不亲和性质粒的不亲和性 两种亲缘关系密切的不同质粒，不能够在同一个寄两种亲缘关系密切的不同质粒，不能够在同一个寄 主细胞系中稳定地共存的现象。主细胞系中稳定地共存的现象。质粒的稳定性质粒的稳定性 正常条件下质粒在细胞分裂前复制，其特殊的分配正常条件下质粒在细胞分裂前复制，其特殊的分配 机制以保证其在子代细胞中的均等分配，从而实现机制以保证其在子代细胞中的均等

37、分配，从而实现 质粒遗传的稳定。质粒遗传的稳定。5.1.3 质粒作为载体的优点质粒作为载体的优点1 1、体积小，便于、体积小，便于DNADNA的分离与操作的分离与操作2 2、呈环状，使其在化学分离过程中能保持性能稳定。、呈环状，使其在化学分离过程中能保持性能稳定。3 3、有不受核基因组控制的独立复制起始点。、有不受核基因组控制的独立复制起始点。4 4、拷贝数多，使外源、拷贝数多，使外源DNADNA可很快扩增。可很快扩增。5 5、存在抗药性基因等选择性标记。、存在抗药性基因等选择性标记。5.2 5.2 真核微生物核外遗传物质真核微生物核外遗传物质(1)(1)真核微生物质粒真核微生物质粒 酵母菌的

38、酵母菌的2m2m质粒，其特点：质粒，其特点：封闭环状的双链封闭环状的双链DNADNA分子，周长约分子，周长约2m(6kb2m(6kb左右左右)高拷贝数存在于酵母细胞中，每个单倍体基因组含高拷贝数存在于酵母细胞中，每个单倍体基因组含 50-10050-100个拷贝个拷贝均含有长均含有长600bp600bp左右的一对反向重复序列左右的一对反向重复序列在细胞内以两种异构体在细胞内以两种异构体(A(A和和B)B)形式存在；形式存在；不赋予宿主任何遗传表型，属隐秘性质粒。不赋予宿主任何遗传表型，属隐秘性质粒。酿酒酵母菌酿酒酵母菌中的中的2m2m质粒质粒几乎所有的酿酒酵母菌几乎所有的酿酒酵母菌 中都含有中

39、都含有2m2m质粒，其质粒，其 拷贝数高达拷贝数高达5050100100。IRsIRs：反向重复序列，：反向重复序列，约约600bp,600bp,可重组。可重组。FLPFLP：编码产物可驱动：编码产物可驱动 IRsIRs的同源重组。的同源重组。REPREP：控制质粒的稳定：控制质粒的稳定 性。性。STBSTB：REPREP的结合位点。的结合位点。2m2m质粒的应用质粒的应用 主要是作为酵母外源基因的克隆或表达载主要是作为酵母外源基因的克隆或表达载 体，如穿梭质粒载体的构建等。体，如穿梭质粒载体的构建等。穿梭质粒载体的特点穿梭质粒载体的特点 同时具备真核生物和原核生物的复制起点，能同时具备真核生

40、物和原核生物的复制起点，能 在两种生物细胞中进行复制的载体形式。在两种生物细胞中进行复制的载体形式。(1).(1).整合质粒整合质粒(2).(2).附加体质粒附加体质粒(3).(3).复制质粒复制质粒整合质粒（整合质粒（yeast integration plasmid，YIp）含含pBR322pBR322的复制起点和的复制起点和AmpAmpr r、TetTetr r以及酵母的筛选标记以及酵母的筛选标记URAURA3 3基基因，但缺乏酵母的复制起始位点，所以，它只有整合到酵母因，但缺乏酵母的复制起始位点，所以，它只有整合到酵母染色体中才能稳定。染色体中才能稳定。附加体质粒（附加体质粒（yeas

41、t episomal plasmid，YEp）含含pBR322pBR322的复制起点和的复制起点和AmpAmpr r、酵母筛选标记、酵母筛选标记URAURA3 3和和2m2m质粒质粒DNADNA片段片段(复制起始部位和复制起始部位和reprep基因基因)。因此，这样的质粒以附。因此，这样的质粒以附加体形式在真核细胞中复制，加体形式在真核细胞中复制，YEpYEp质粒拷贝数高且较稳定。质粒拷贝数高且较稳定。复制质粒（复制质粒（yeast replicating plasmid，YRp）含含pBR322pBR322的复制起点和的复制起点和AmpAmpr r、TetTetr r以及酵母的筛选标记以及酵

42、母的筛选标记URAURA3 3和和酵母酵母DNADNA的自主复制序列的自主复制序列ARSARS（autonomous replication sequence），在真核细胞中独立自主的复制，拷贝数高但不），在真核细胞中独立自主的复制，拷贝数高但不稳定。稳定。(2)(2)真核微生物线粒体真核微生物线粒体mtDNAmtDNA是双链环状的分子，由于缺乏组蛋白，故不是双链环状的分子，由于缺乏组蛋白，故不组成核小体。组成核小体。在线粒体中有和细菌细胞相似的类核区每个类核在线粒体中有和细菌细胞相似的类核区每个类核中含有几个拷贝的线粒体染色体。中含有几个拷贝的线粒体染色体。基因间没有间隔，因此每个基因不可能

43、都有自己基因间没有间隔，因此每个基因不可能都有自己的启动子。的启动子。线粒体含有的核糖体是负责线粒体中蛋白质合成线粒体含有的核糖体是负责线粒体中蛋白质合成的的,但线粒体的核糖体蛋白大部分由核基因编码。但线粒体的核糖体蛋白大部分由核基因编码。线粒体线粒体DNADNA含有的大量线粒体成份的信息，如含有的大量线粒体成份的信息，如rRNAsrRNAs，tRNAstRNAs和蛋白。和蛋白。某些蛋白质的密码子与核基因通用密码子不同。某些蛋白质的密码子与核基因通用密码子不同。转座子：转座子：能改变自身位置的一段能改变自身位置的一段DNADNA序列。序列。6 6 转座遗传因子转座遗传因子共同特征共同特征携带编

44、码转座酶的基因，即转座所必需的携带编码转座酶的基因，即转座所必需的.两端都有反向重复序列两端都有反向重复序列.最简单的转座子只含与转座有关的基因和序列，称为插最简单的转座子只含与转座有关的基因和序列，称为插入序列入序列(Insertion sequence(Insertion sequence，ISIS）DNADNA转座的一般模式转座的一般模式靶序列顺式重复靶序列顺式重复反向重复序列反向重复序列 复合式转座子复合式转座子一类携带某些抗药性基因的转座子，其两端往往一类携带某些抗药性基因的转座子，其两端往往是两个相同或高度同源的是两个相同或高度同源的ISIS序列序列,表明表明ISIS序列插入序列插

45、入到某个功能基因两端时很可能产生复合转座子。到某个功能基因两端时很可能产生复合转座子。复合转座子（类型复合转座子（类型I I）CamCamR R同向同向IS1IS1组件组件IS1IS1末端反向重复末端反向重复IS1IS1IS1IS1复杂转座子（类型复杂转座子（类型IIII）复杂转座子（复杂转座子（TnATnA家族）家族）KanKanR R反向反向IS1IS1组件组件IS1IS1末端反向重复末端反向重复IS1IS1IS1IS1转座子机制转座子机制复制型复制型转座转座在转座子和靶位点两端分别在转座子和靶位点两端分别交错切割产生切口交错切割产生切口;转座子和靶位点的切口末端转座子和靶位点的切口末端交

46、互连接交互连接(a-f,(a-f,g-dg-d),),形成形成一一 种交换结构；种交换结构；以游离的以游离的33末端作为引物进末端作为引物进行复制，产生一个包含两个行复制，产生一个包含两个正向重复的转座子拷贝的复正向重复的转座子拷贝的复合物，称为共合体，这一过合物，称为共合体，这一过程在转座酶作用下进行；程在转座酶作用下进行；转座子的两个拷贝转座子的两个拷贝在在resres位点发重组，位点发重组，在解离酶的作用下在解离酶的作用下进行，释放两个复进行，释放两个复制子。制子。非复制型非复制型转座转座转座子插入到转座子插入到DNADNA上新的位点，上新的位点，首先交错切开首先交错切开靶靶DNADNA

47、，再将转，再将转座子连接到靶座子连接到靶DNADNA的凸出单链的凸出单链上，最后填补上，最后填补空缺完成转座。空缺完成转座。转座的遗传学效应转座的遗传学效应插入突变插入突变 如果插入某操纵子的前半部分，可能造成极性如果插入某操纵子的前半部分，可能造成极性 突变突变,导致改操纵子后半部分结构基因的表达导致改操纵子后半部分结构基因的表达 失活。失活。产生新的基因产生新的基因,引起生物进化引起生物进化产生染色体畸变产生染色体畸变 复制性转座发生在宿主复制性转座发生在宿主DNADNA原有为点附近时，原有为点附近时，往往会导致转座子两个拷贝之间的同源重组，往往会导致转座子两个拷贝之间的同源重组，引起引起

48、DNADNA缺失或倒位。缺失或倒位。DNADNA倒位倒位反向重复区配对反向重复区配对反向重复反向重复转座引起的染色体转座引起的染色体DNADNA倒位示意图倒位示意图7 7 基因突变基因突变 突变是指遗传物质本身发生根本的变化。广义的突变包括突变是指遗传物质本身发生根本的变化。广义的突变包括染色体变异和基因突变或点突变。狭义的突变单指基因突染色体变异和基因突变或点突变。狭义的突变单指基因突变变,它它是指一个基因内部遗传结构或是指一个基因内部遗传结构或DNADNA序列的任何改变。序列的任何改变。自发突变自发突变 环境因素的影响，环境因素的影响，DNADNA复制过程的偶然错误等而导复制过程的偶然错误

49、等而导致致,一般频率较低，通常为一般频率较低，通常为1010-6-6-10-10-9-9。诱发突变诱发突变人们利用某些物理、化学因素对生物体的人们利用某些物理、化学因素对生物体的DNADNA进行进行直接作用，突变以较高的频率产生。直接作用，突变以较高的频率产生。7.1 7.1 基因突变的特征基因突变的特征不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。对应关系。自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。发地产生。稀有性：突变率低且稳定。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

50、。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可诱发性：诱变剂可提高突变率,一般可以将突一般可以将突变率提高变率提高1010 10105 5倍倍。可可逆逆性性：从从原原始始的的野野生生型型基基因因到到变变异异株株的的突突变变称称为为正正向向突突变变（forward forward mutationmutation），从从突突变变株株回回到到野野生生型型的的过过程程则则称称为为回回复复突突变变或或回回变变（back back mutationmutation或或reverse mutationreverse mutation）。）。稳定性：变异性状稳定可遗传。稳定性：变异