第七章 微生物的遗传变 异 和 育 种

微生物是遗传学研究的最好材料和对象

微生物结构简单营养体一般都是单倍体微生物繁殖速度快

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 易积累不同的中间及最终代谢产物

微生物的变异易被识别参与基因工程的载体供体受体三角色

遗传的物质基础基因突变和诱变育种基因重组和杂交育种

内容提要

第一节 遗传变异的物质基础

三个经典实验证明核酸是微生物遗传物质

转化实验噬菌体感染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

遗传物质类型

核染色体：

核外染色体真核生物细胞器、共生生物、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 细胞水平（单核、多核），核水平，染色体水平（数量、倍数），核酸水平（种类、结构、长度、大小），基因水平，密码子水平（ 64个），核苷酸水平

染色体

基因Ⅱ

基因Ⅰ

DNA

基因是一段 DNA

DNA 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 ）

A

T

C

G

A AA

T T TT T

T

AAAG G

GGG

C C

CC

CG

C

基因测序就是读出 A-C-G-T-G-G-A-C-G…...

基因控制 Pr 因而控制性状

G A TC T A

G A UDNA mRNA 天冬氨酸

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

基因是生命的密码。。基因记录和传递遗传信息。

Microbiology

大肠杆菌基因组

4100 个基因， 4.7×106bp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

Microbiology

质粒 核外环状小型 DNA 独立复制稳定遗传

F 因子 与有性接合有关，有转移能力

种类 R 因子 与抗药性有关，可传递COL 大肠杆菌素质粒，编码免疫蛋白杀死近缘菌和同种不同菌株菌，称细菌素，种类很多。Ti 质粒 诱癌质粒，土壤农杆菌，产冠瘿瘤

降解散质粒：编码降解有害物质的酶用途 基因工程中作为目的基因载体

质粒 原核生物遗传物质存在的另一种方式

基 因 突 变突变与育种

第二节基因突变和诱变育种

Microbiology

突变的特点

Microbiology

基因突变

诱变机制

突变率突变类型

一、基因突变• 基因突变指细胞内（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。

• 野生型菌株：从自然界分离到的菌株• 突变株：突变体、突变型。野生型经突

变后形成的带有新性状的菌株

条件致死突变型（株）

（一）突变类型

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）抗性缺陷型（株）

形态突变型（株）抗原突变型（株）产量突变型（株）

按方法分：按突变株的表型是否能在选择 性培养基上加以鉴别来区分。

Microbiology

微生物突变体的主要类型

形态突变型 菌落形态突变型菌体形态突变型

生化突变型

营养突变体 ( 营养缺陷型 )发酵突变体抗性突变体条件致死突变体抗原突变型产量突变型

按突变实质分

Microbiology

（二）突变率

出发菌株

长出突变株

含诱变剂的培养基

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几率。一般为 10-6~10-9

，转座突变率为 10-4 。

( 三 )突变的特点（证明）

不对应性 自发性

稀有性 独立性诱变性（提高 10~105 倍）稳定性 可逆性：回复突变

Microbiology

变 量 试 验

涂 布 试 验

影印培养试验

（四）基因突变自发性和不对应性的证明

大肠杆菌稀释培养物

10ml

10ml

( 培养前先分成 50 小管 )

( 在同一个大管中作整体培养 )

2 3 7 1 4 4 3 5 抗噬菌体菌落数 抗噬菌体菌落数

变量试验

涂布试验

涂布敏感菌 5×104 个共 12 个平板

5×104 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

影印培

养

无药培养基

含药培养基

影印培养试验

原始敏感菌种

（五）基因突变机制

移码突变 染色体畸变

碱基的置换

Microbiology

基因突变机制多种，可是自发的或诱发的，诱发的包括影响一对基因的点突变和影响一段染色体的畸变。

1 、诱发突变 概念

由碱基置换引起的三种突变型• 同义突变• 无义突变• 错义突变

碱基的置换 直接引起置换的诱变剂

HNO2

CNH2

腺嘌呤

CO

次黄嘌呤 (Hk)

A..T

He..T

Hk.. T

Hk.. CA..T

Hk.. CG.. C

COH

次黄嘌呤 (He)

HNO2 ，羟胺，各种烷化剂

间接引起置换的诱变剂碱基的置换

C O H

T ：烯醇式

C

T ： 酮式

O

A..T

T.. A

G.. C

A..T

酮式T..

G

烯醇式

碱基类似物

C OBr

5-BU: 酮式

C O H

Br

5-BU: 烯醇式

碱基的置换

间接引起置换的诱变剂

碱基的置换

G.. C A..

BU

G.. BU

A..BU

G.. C

A..T

A..T

A..T A..

T

G.. C

A..BU酮式

G..BU烯醇式

烯醇式

酮式

移码突变

ＤＮＡ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

ABC ABC ABC ABCABCABCABCABC

AB+ABC ABC CBA CBA CBA CBA CBA

ABC BCA BCA BCA BCABCABCA BCA

增添一个碱基

缺少一个碱基

丫啶类染料、 ICR 化合物

染色体畸变

某些理化因子，如Ｘ射线，紫外线， 亚硝酸等，除能引起点突变外，还会引起 DNA 分 F 子大损伤，包括染色体易位，倒位，缺失， 重复等，即为染色体畸变。

Microbiology

染色体畸变 紫外线诱变作用机理

可使ＤＮＡ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ＤＮＡ结构发生改变

Microbiology

突变与育种

Microbiology

自发突变与育种从生产中选育

定向培育优良品种

诱变育种

诱变育种的基本环节诱变育种的原则

诱变育种的基本环节

大多死亡

少数存活

存活率

多数未变

少数突变

突变率

多数负变

少数正变

正变率

多数幅度小

少数幅度大

高产率 投产率

多数不宜投产

少数适宜投产

出发菌株

计算出

诱变

Microbiology

诱变育种工作中应考虑的几个原则

选优良的出发菌株选择简便有效的诱变剂

处理单孢子（或单细胞）悬液选用最适剂量

设计或采用高效筛选方案或方法Microbiology

利用复合处理的协同效应利用和创造形态，生理与产量间的相关指标

第二节 基因重组和杂交育种

• 基因重组：遗传重组，重组，两个独立基因组内的遗传基因，通过一定的途径转移到一起，形成新的稳定基因组的过程。

• 包括有性杂交、准性杂交、原生质体融合、遗传转化及原核生物中的转化、转导、接合和原生质体融合。

（一）细菌的基因重组真核微生物基因重组在有性繁殖过程中发生，当合子减数分裂时，两染色体发生交换。

原核微生物 通过转化、接合、转导等形式进行 一 部分物质转移和基因重组。（小结）

Microbiology

Microbiology

转化 (transformation)

几个概念：转化、转化因子、感受态 转化过程转化的特点

1 、转 化 (transformation)

受体细胞直接吸收了来自供体细胞的DNA片断，并把它整合到自己的基因组中，细胞部分遗传性状发生变化的现象叫转化。通过转化而形成的杂种后代称转化子。

Microbiology

（ 1 ）转化因子

转化是游离的ＤＮＡ片断的转移和重组游离的ＤＡＮ片断叫转化因子转化因子由供体提供自然情况下可由细菌细胞自行裂解产生，

实验室里通过提取获得双链ＤＮＡ有转化能力，单链较少，质粒

Microbiology

受体细胞能接受转化的生理状态称为感受态，只有处于感受态的细菌才能接受转化因子，从出现到消失约为４０分钟 ( 对数期的中期 )

Microbiology

（ 2）感受态

感觉态出现原因细菌失去部分细胞壁的结果细菌在细胞表面产生某种Ｅ引起

Microbiology

感受态的决定决定因素细胞遗传性决定和菌龄有关环腺苷酸 Camp可提高 1000 倍 Ca2+能促使细胞进入感受态

感受态因子是受体细胞表面上的一种蛋白质功能使转化因子结合在受体细胞表面

每个受体细胞表面约有 30 -80 个转化因子结合点，当转化因子结合到受体表面结合点上时 ， DNA 一条链被受体细胞膜上的核酸酶分解，另一条链进入受体细胞，通过整合与受体细胞进行基因重组，有人发现DNA也可通过双链形式进入受体细胞形成双倍体的转化子。

Microbiology

转化过程

转化过程

转化的特点

不需两个细胞直接接触，供体DNA 提取出来，注入受体即可。

Microbiology

转染：指用提纯的病毒核酸去感染其宿主细胞或其原生质体，可增殖出一群正常病毒后代的现象。

转导的种类

完全普遍转导流产普遍转导局 限 转 导溶 源 转 变

低频转导高频转导

供体遗传物质通过噬菌体的携带而转移到受体的基因重组。

2、转导 (transduction)

Microbiology

转导的特点

转导子：由转导作用而获得部分新性状的重组细胞。

• 普遍转导：通过极少数完全缺陷噬菌体对供体菌基因组上任何小片段 DNA 进行“误包”，而将其遗传性状传递给受体菌的现象。

• 局限转导：通过部分缺陷温和噬菌体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并与后者的基因组整合、重组、形成转导子的现象。

供体

A-B+

完全普遍性转导 (compietetransduction)

A-B+A+B-

少数受体

A+B+

经重组形成转导子

鼠伤寒沙门氏菌A+B-

多数受体

形成溶源菌

A-B+色氨酸缺陷型A+B-组氨酸缺陷型

转导的特点 需要噬菌体做媒介，不需要细胞间直接接触

噬菌体 DNA 不接合到寄主染色体 噬菌体蛋白质包裹寄主任何一部分 DNA片段

噬菌体 DNA整合到寄主染色体上 噬菌体 DNA 与寄主染色体特定基因发生交换

普遍性转导

局限性转导

Microbiology

溶源转变温和噬菌体的基因整合到宿主核基因组上的现象

温和噬菌体并不携带外源供体菌的基因

这种温和噬菌体是完整的，而不是缺陷的

获得新性状的是溶源化的宿主细胞，而不是转导子获得的性状可随噬菌体的消失而同时消失

Microbiology

Microbiology

Ｆ因子和接合

3、接合 (conjugation)(

雄性菌株与雌性菌株接合结果

通过性菌毛使细胞间的直接接触能进行大段ＤＮＡ转移的过程，叫接合。 通过接合而获得新遗传性状的受体细胞叫接合子。

雄性菌株 Hfr 菌株 F ́́́́ 菌株

Ｆ－ 菌株 （雌株）

Ｆ因子和接合

F+ 菌株

F× F+ F+F+ +

F× +F FF

× +F HfrHfr F （多数情况下）

F× + HfrHfrHfr （少数情况下）

雄性菌株与雌性菌株接合结果

以 F’ 质粒来传递供体基因的方式，称为 F 质粒转导或 F 因子转导、性导、 F 质粒媒介的转导。

三者根本区别在于 DNA 转移的方式不同

转化：供体 DNA片断→注入受体细胞，通过细胞膜接合：供体进入受体通过性菌毛转导：供体 DNA片断通过媒介－噬菌体携带进入受体

Microbiology

二、真核微生物的基因重组• 有性杂交：一般指不同遗传型的两性细胞间

发生的接合和随之进行的染色体重组，进而产生新遗传型后代的一种育种技术。用于产有性孢子的微生物。

• 准性杂交：是一种在同种而不同菌株的体细胞间发生的融合，而可不借减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子的生殖方式。

包括菌丝联结、形成异核体、核融合、体细胞交换和单倍体化。