第八章微生物遗传变异

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本章内容 • 第一节遗传变异的物质基础 • 第二节基因突变 • 第三节基因重组 • 第四节菌种的衰退、复壮和保藏 www.themegallery.com

几个概念 • 遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子的总和。是遗传物质上所负载的特定遗传信息。 • 表型（phenotype）：指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特征的总和。是遗传型在合适环境下的具体体现。 • 遗传（heredity或inheritance）：指生物上一代将自己的遗传因子传递给下一代的行为或功能，具有极其稳定性。 www.themegallery.com

变异（variation）：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，即遗传型的改变。特点是出现频率低、可稳定遗传。变异（variation）：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，即遗传型的改变。特点是出现频率低、可稳定遗传。 • 饰变（modification）：指不涉及遗传物质的改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。其特点是在整个群体中普遍出现，不能稳定遗传。 www.themegallery.com

微生物是遗传学研究的模式生物 • （1）个体的结构极其简单； • （2）营养体一般都是单倍体； • （3）易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖； • （4）繁殖速度快； • （5）易于积累不同的中间代谢产物或终产物； • （6）菌落形态特征的可见性和多样性； www.themegallery.com

（7）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；（7）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； • （8）易于形成营养缺陷型； • （9）各种微生物一般都有相应的病毒； • （10）存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式； www.themegallery.com

第一节遗传变异的物质基础 一、3个经典实验 • 经典转化实验 • 噬菌体感染实验 • 植物病毒的重建实验 www.themegallery.com

1. 经典转化实验（transformation） • 1928, 英国Griffith（格里菲斯）, Streptococcus penumoniae (肺炎双球菌) 菌株毒力荚膜菌落型野生型有产生光滑Smooth Ⅰ Ⅱ Ⅲ 突变型无不产生粗糙Rough Ⅰ Ⅱ Ⅲ www.themegallery.com

（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菌 www.themegallery.com

健康健康 RII型活菌健康病死 SIII型活菌健康健康 SIII型热死菌病死健康 RII型活菌病死健康混合培养 SIII型活菌 www.themegallery.com

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（2）细菌培养实验 • 热死SIII菌—————不生长活 RII 菌—————长出RII菌热死SIII菌+活 RII 菌——长出大量RII菌和10-6SIII菌（3）S型菌的无细胞抽提液试验活RII菌+SIII菌无细胞抽提液——长出大量R菌和少量S菌 www.themegallery.com

Griffith认为，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。并把转化物质称为转化因子。Griffith认为，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。并把转化物质称为转化因子。 • 这种一种生物由于接受了另一种生物的遗传物质而表现出后者的遗传性状，或发生遗传性状改变的现象叫做转化。 www.themegallery.com

分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶作用于有毒的S型菌细胞抽提物分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶作用于有毒的S型菌细胞抽提物 • 只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性 • DNA是转化所必需的转化因子 • 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： www.themegallery.com

①加S菌DNA • ②加S菌DNA及DNA酶以外的酶 • ③加S菌的DNA和DNA酶 • ④加S菌的RNA • ⑤加S菌的蛋白质 • ⑥加S菌的荚膜多糖长出S菌活R菌只有R菌 • 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，转化效率越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。 www.themegallery.com

2. 噬菌体感染实验 • 1952，A. D. Hershey & M. Chase, E.coli T2噬菌体大肠杆菌培养在以放射性32PO43-或35SO42-作为磷源或硫源的培养基中，制备出含32P-DNA核心的噬菌体或含35S-蛋白质外壳的噬菌体，作了两个实验： www.themegallery.com

吸附离心 10分钟后用捣碎器使空壳脱离沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体（1）含32P-DNA的一组结论：放射性85%在沉淀中 www.themegallery.com

吸附离心 10分钟后用捣碎器使空壳脱离沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体（2）含35S-蛋白质的一组 • 推论：蛋白质外壳不进入细胞中，推测DNA中存在着包括合成噬菌体蛋白质外壳在内的遗传信息。结论：放射性75%在上清液中 www.themegallery.com

3. 植物病毒的重建实验 • 1956，H. Fraenkel-Conrat用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了植物病毒重建实验。 • 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。 www.themegallery.com

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：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（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。 • 说明在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。 www.themegallery.com

结论 • 证明核酸（DNA或RNA）是遗传的物质基础 • 简单的细菌（或病毒）解决复杂而重大的问题 • 微生物与高等生物具有共同的遗传本质 www.themegallery.com

二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式 （一）7个水平 • 细胞水平：细胞核、核区，多核微生物 • 细胞核水平：基因组、质粒（仅2μm质粒在核内） • 染色体水平：部分双倍体 • 核酸水平：DNA、RNA • 基因水平：操纵子，内含子和外显子，基因、蛋白、抗性基因书写方式 • 密码子水平：密码子三联体 • 核苷酸水平：TACGU，最低突变单位或交换单位 www.themegallery.com

基因组:单倍体细胞核内整套染色体所含的DNA分子及其所携带的全部基因。基因组:单倍体细胞核内整套染色体所含的DNA分子及其所携带的全部基因。基因组的大小: • 病毒103bp • 原核生物106bp • 真核生物109bp www.themegallery.com

2. 原核生物的质粒 • (1) 质粒：游离于原核生物基因组外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状DNA分子，即cccDNA（circlularcovalently closed DNA）。 • (2) 类型严紧型质粒：其复制过程与核染色体的复制同步，一般细胞中只含有1~2个。松弛型质粒：其复制过程与核染色体的复制不同步，在细胞中一般有10~15个。 www.themegallery.com

几种重要的质粒 • ① F因子（ fertility factorfertility factor））又称致育因子，是大肠杆菌等细菌中决定 “性别”的质粒。可通过接合转移。 www.themegallery.com

②R因子（resistance factor） 又称抗药性质粒，具有多种抗生素抗性基因，且可在不同细菌中传递,作为基因工程的载体。 • ③Ti质粒（tumor inducing plasmidtumor plasmid）即诱癌质粒，存在于根癌农杆菌（ Agrobacterium tumefaciens）中，可引起多种双子叶植物的根癌。 Ti质粒是当今植物基因工程研究中的重要载体。 www.themegallery.com

④降解性质粒 只在假单孢菌属（pseudomonas）存在的一系列质粒的总称，它们可以为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而可以分解利用一般细菌所难以分解的物质。这些质粒以其所分解的底物命名，如：CAM（樟脑）质粒、XYL（二甲苯）质粒、NAP（萘）质粒等。在环境保护上具有重大的应用价值。 www.themegallery.com

第二节基因突变 • 基因突变（gene mutation）：简称突变，指生物体内遗传物质的分子结构或数量发生的可遗传的变化。可自发或诱导产生。 • 狭义的突变：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换而导致的基因突变，其发生变化的范围很小，又称点突变。 www.themegallery.com

广义的突变：包括染色体畸变和点突变。染色体畸变是指大段染色体的缺失、重复、倒位、易位。广义的突变：包括染色体畸变和点突变。染色体畸变是指大段染色体的缺失、重复、倒位、易位。 • 野生型菌株：从自然界分离得到的菌株 • 突变株：野生型经突变后形成的带有新性状的菌株。 www.themegallery.com

一、基因突变 （一）基因突变的类型 • 1. 营养缺陷型（auxotroph）某一野生型菌株由于基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。可在加有相应营养物质的基本培养基平板上选出。 www.themegallery.com

营养缺陷型的表示方法 • 基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC （组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变） • 表型：同上，但第一个字母大写，不用斜体：HisC • 使用时多用hisC-——缺陷型，hisC+——野生型。 www.themegallery.com

2. 抗性突变型（resistant mutant） 野生型菌株因发生基因突变，而产生的对某种化学药物或致死物理因子的抗性变异类型，可在加有相应因子的培养基上选出。表示方法：所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示 strr和 str s分别表示对链霉素的抗性和敏感性 www.themegallery.com

3. 条件致死突变型（conditional lethal mutant） 某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可以正常的生长繁殖并呈现其固有的表型，而在另一种条件下却无法生长繁殖的突变类型。如E.coil的Ts突变株（温度敏感突变型），在37℃下正常生长，42℃下不能生长。 • 4. 形态突变型（morphological mutant）指由于突变而产生的个体或菌落形态所发生的非选择性变异。如：孢子的颜色、有无；鞭毛、荚膜的有无；菌落的表面情况等 www.themegallery.com

5. 抗原突变型（antigenic mutant） 指由于基因突变而引起的细胞抗原结构发生的变异类型。如：细胞壁缺陷型、鞭毛突变型等。 • 6. 产量突变型（producing mutant）通过基因突变获得的在有用产物的产量上同原始菌株有明显差别的突变株，两种： “正变株”（plus-mutant） “负变株”（minus-mutant）。 www.themegallery.com

（二）突变率 ( mutation rate ) • 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。 • 或：每一单位群体在每一世代中产生的突变株的数目来表示。 www.themegallery.com

（三）基因突变的特点 • ①不对应性：突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系； • ②自发性：突变可以在没有人为因素的处理下自发发生； • ③稀有性：自发突变的频率是极低和稳定的，常在10-6～ 10-9之间； www.themegallery.com

④独立性：某一基因的突变，不会对其他基因的突变频率产生影响；④独立性：某一基因的突变，不会对其他基因的突变频率产生影响； • ⑤诱变性：通过诱变剂的作用，可以提高自发突变的几率10～105倍； • ⑥稳定性：突变性状是稳定的、可遗传的； • ⑦可逆性：任何性状都会发生正向突变，也会发生回复突变。 www.themegallery.com

（四）基因突变自发性和不对应性实验证明 • 三个经典实验变量实验、涂布实验、影印实验突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系 www.themegallery.com

（1）变量试验（fluctuation analysis）Salvador Luria and Max Delbruck（1943）波动试验、彷徨试验结果：说明： www.themegallery.com

（2）Newcombe的涂布试验（1949） 结果：说明： www.themegallery.com

（3）影印平板培养法（replica plating ） www.themegallery.com

Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952） 结果：说明： www.themegallery.com

诱变剂与致癌物质——Ames试验 • “生物化学统一性”法则：所有生物的DNA在结构及特性上具有一致性。 • 人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。 www.themegallery.com

Ames试验 • Ames试验(艾姆氏实验)：美国加利福尼亚大学Bruce Ames教授于1966年发明，检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium)组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率。用于检测环境或食品中是否存在化学致癌剂。P215 • 回复突变(reverse mutation或back mutation)：突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变 www.themegallery.com

证明Ames试验重要性的应用实例： 国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停”，由于其药效显著，在60-70年代十分流行，但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停”，后来采用Ames试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用但如果能在这种药物上市之前就进行Ames试验检测，那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免。 www.themegallery.com

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（五）基因突变及其机制

1. 诱发突变( induced mutation ) ①碱基的置换（substitutionsubstitution）转换（transitiontransition）：即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；A G，T C 颠换(transversiontransversion)：即DNA链中一个嘌呤被另一个嘧啶或一个嘧啶被另一个嘌呤所置换。A T或C, G C或T www.themegallery.com

碱基置换的机制 • 直接引起置换的诱变剂：如：亚硝酸、羟胺等。不论体内还是体外，均可直接与核酸反应。 • 间接引起置换的诱变剂：如：5-BU，2-AP，5-AU等，均为碱基类似物。 www.themegallery.com

第八章 微生物遗传变异