第8章遗传与变异.ppt

第八章第八章 微生物遗传与变异微生物遗传与变异 遗传遗传：亲代与子代相似。：亲代与子代相似。变异变异：亲代与子代、子代间不同个体不完：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同。全相同。遗传（遗传（inheritance）和变异（）和变异（variation）是生命的最本质特性之一。是生命的最本质特性之一。表现型表现型（phenotype）：生物可见的或可测）：生物可见的或可测定的性状。定的性状。遗传型遗传型（genotype）：决定生物表现型的）：决定生物表现型的遗传因子。遗传因子。几个概念：几个概念：表型是由遗传型所决定，但也和环境有表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。关。适应适应或或饰变饰变(modification)(modification)：相同遗传相同遗传型的生物在不同的外界条件下呈现出的不同型的生物在不同的外界条件下呈现出的不同表型。表型。特点特点：暂时性、不可遗传性、表现为全：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为。部个体的行为。Serretia marcescens25下培养时，产生深下培养时，产生深红色的灵杆菌素，红色的灵杆菌素，37下时，群体中所有细胞都下时，群体中所有细胞都不产色素。重新降温至不产色素。重新降温至25，产色素能力又得到，产色素能力又得到恢复。恢复。（一）转化实验（一）转化实验 肺炎球菌的肺炎球菌的转化现象转化现象（英国（英国Griffich1928年首次发现），年首次发现），19441944年美国年美国AveryAvery等人等人进一步阐明了进一步阐明了转化因子的本质转化因子的本质。（二）噬菌体的感染实验（二）噬菌体的感染实验（Hershey和和Chase 1952年用大肠杆菌进行了这类实验）年用大肠杆菌进行了这类实验）（三）病毒的拆开与重建实验（三）病毒的拆开与重建实验（美国法朗克（美国法朗克-康康勒特勒特1956年发表了这方面的年发表了这方面的结果结果）。）。第一节第一节遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础RSSSR肺炎球菌的转化试验（一）肺炎球菌的转化试验（一）加热杀死加热杀死加热杀死加热杀死转化试验（二）转化试验（二）第一节第一节SR转化因子转化因子本质本质的阐明的阐明噬菌体感染实验噬菌体感染实验10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步培沉淀细胞进一步培养后，可产生大量养后，可产生大量完整的子代噬菌体完整的子代噬菌体 放射性放射性3232P85%P85%在沉淀中，在沉淀中，放射性放射性3535S75%S75%在上清在上清液中液中病毒的拆开与重建实验病毒的拆开与重建实验真核生物真核生物 DNA分子与组蛋白结合构成染色体，每分子与组蛋白结合构成染色体，每条染色体有单一线性双链条染色体有单一线性双链DNA分子。一个真分子。一个真核生物细胞内有多条染色体（脉孢菌核生物细胞内有多条染色体（脉孢菌7条，条，人人23条）。高等生物中有条）。高等生物中有2至多套染色体至多套染色体（动物（动物2倍，水稻倍，水稻4倍），真菌有双倍体，但倍），真菌有双倍体，但多数微生物是单倍体。真核细胞核物质外有多数微生物是单倍体。真核细胞核物质外有核膜包围，形成完整细胞核。核膜包围，形成完整细胞核。二、遗传物质在细胞中的存在方式二、遗传物质在细胞中的存在方式 原核生物原核生物 DNA不与组蛋白结合，染色体仅由一条不与组蛋白结合，染色体仅由一条DNA组成，组成，DNA为共价闭合环状双链，一个为共价闭合环状双链，一个细胞内只有一条染色体（单倍体细胞内只有一条染色体（单倍体haploid）。）。无核膜包围，只在细胞中央形成核区。无核膜包围，只在细胞中央形成核区。质粒（质粒（plasmid）原核生物中，除染色体以外，能够自主原核生物中，除染色体以外，能够自主复制的共价闭合环状复制的共价闭合环状DNA分子。它们携带少分子。它们携带少量遗传基因，决定细胞的某些性状，并非细量遗传基因，决定细胞的某些性状，并非细菌生活必需。菌生活必需。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 细胞核水平细胞核水平:原核与真核生物的细胞核结构不同；原核与真核生物的细胞核结构不同；核外核外DNA 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 核酸水平：核酸水平：存在部分二倍体存在部分二倍体DNA或或RNA，复合或裸，复合或裸露，双链或单链露，双链或单链 基因水平：基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，分结具自主复制能力的遗传功能单位，分结构基因和调节基因构基因和调节基因 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 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，四种碱基核酸存在的七个水平及质粒核酸存在的七个水平及质粒微生物的独特生物学特性：微生物的独特生物学特性：（1）个体的体制极其简单；个体的体制极其简单；（2）营养体一般都是单倍体；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；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；繁殖速度快；（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）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）环境条件对微生物群体中各个个体作用的直接性和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；均一性；（8）易于形成营养缺陷型；易于形成营养缺陷型；（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；（10）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。第二节第二节微生物的基因突变微生物的基因突变 基因突变是重要的生物学现象，它是一基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因转移、重组一切生物变化的根源，连同基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。起提供了推动生物进化的遗传多变性。突变：突变：指指DNADNA顺序上核苷酸发生置换或顺序上核苷酸发生置换或其它顺序上的改变。其它顺序上的改变。突变突变自发突变自发突变 环境因素的影响，环境因素的影响，DNADNA复制过复制过 程的偶然错误等而导致，一般程的偶然错误等而导致，一般 频率较低，通常为频率较低，通常为1010-6-61010-9-9 。诱变诱变 某些物理、化学因素对生物体某些物理、化学因素对生物体 的的DNADNA进行直接作用，突变以进行直接作用，突变以 较高的频率产生。较高的频率产生。（一）形态突变型（一）形态突变型 （二）营养缺陷型（二）营养缺陷型 （三）条件致死突变型（三）条件致死突变型 （四）抗性突变型（四）抗性突变型 （五）其他突变型（五）其他突变型一、基因突变的类型（表现形式）一、基因突变的类型（表现形式）形态突变型（形态突变型（morphological mutantmorphological mutant）造成形态改变的突变型。造成形态改变的突变型。突变株和野生突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。分。非选择性突变非选择性突变。如：菌落颜色变化、形。如：菌落颜色变化、形成芽孢缺陷菌株等。成芽孢缺陷菌株等。细胞水平上的形态突变，突变株的检出细胞水平上的形态突变，突变株的检出更加困难。更加困难。营养缺陷型（营养缺陷型（auxotrophauxotroph）特点：特点：在选择培养基（一般为基本培养基）在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长，上不生长，负选择标记负选择标记。表示方法：表示方法：基因型基因型，所需营养物的前三个，所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：英文小写斜体字母表示：hishisC C（组氨酸缺陷型，（组氨酸缺陷型，其中的大写字母其中的大写字母C C同一表型中不同基因的突同一表型中不同基因的突变变），在具体使用时多用，在具体使用时多用hishisC C-和和hishisC C+，分别，分别表示缺陷型和野生型。表示缺陷型和野生型。表型表型，同上，但第一个字母大写，且不用，同上，但第一个字母大写，且不用斜体：斜体：HisCHisC影印平板（影印平板（Replica plating）法是）法是LederbergLederberg夫妇在夫妇在19521952年建立年建立条件致死突变型（条件致死突变型（conditional lethal mutantconditional lethal mutant）在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。常用的条件致死突变是没有致死效应的突变型。常用的条件致死突变是温度敏感突变，用温度敏感突变，用tsts（temperature sensi-tivetemperature sensi-tive）表示，这类突变在高温下（如表示，这类突变在高温下（如4242）是致死的，）是致死的，但可以在低温（如但可以在低温（如25302530）下得到这种突变。）下得到这种突变。负负选择标记。选择标记。抗性突变型（抗性突变型（resistant mutantresistant mutant）基因突变使菌株对某种或某几种药物，特基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。突变株可直接从抗性别是抗生素，产生抗性。突变株可直接从抗性平板上获得平板上获得-在加有相应抗生素的平板上，只在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到，有抗性突变能生长。所以很容易分离得到，正正选择标记选择标记。表示方法：表示方法：所抗药物的前三个小写斜体英所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上文字母加上“r”r”表示表示。strstrr r 和和 strstrs s 分别表分别表示对链霉素的抗性和敏感性示对链霉素的抗性和敏感性其它突变类型其它突变类型 毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变化等在实际应用中具有重要意义。突变类型一化等在实际应用中具有重要意义。突变类型一般都不具有很明显或可直接检测到的表型，其般都不具有很明显或可直接检测到的表型，其突变株的获得往往需要较大的工作量。突变株的获得往往需要较大的工作量。（一）不对应性（一）不对应性 （二）稀有性（二）稀有性 （三）独立性（三）独立性 （四）诱变性（四）诱变性 （五）稳定性（五）稳定性 （六）可逆行（六）可逆行 自发突变：自发突变：环境因素的影响，环境因素的影响，DNA复制过程的偶复制过程的偶然错误等而导致，一般频率较低，通常为然错误等而导致，一般频率较低，通常为10-6-10-9。诱变：某些物理、化学因素对生物体的诱变：某些物理、化学因素对生物体的DNA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。二、基因突变的规律（自发突变特点）二、基因突变的规律（自发突变特点）三、基因突变的三经典实验（不对应性三、基因突变的三经典实验（不对应性和自发性的证明）和自发性的证明）1943 1943年年S.E.LuriaS.E.Luria与与M.DlbruckM.Dlbruck进行了进行了Fluctuation testFluctuation test。19491949年年H.B.NewcombeH.B.Newcombe的的Respreding plated Respreding plated incubacionincubacion。19521952年年J.LederbergJ.Lederberg夫妇用夫妇用Replica-Replica-platingplating结束了争论。结束了争论。甲甲10ml乙乙10ml大肠杆菌0.2ml培养2436h涂有噬菌体涂有噬菌体涂有噬菌体涂有噬菌体变量试验变量试验大肠杆菌大肠杆菌 1 2 11 12培养培养5h 12.3代代直接喷直接喷T4培培养过夜养过夜重新涂布重新涂布喷喷T4培养培养过夜过夜抗性菌落抗性菌落 共共28个菌落个菌落 共共353个菌落个菌