微生物的遺傳變異和誘變育種第一頁，共七十九頁，2022年，8月28日學(xué)習(xí)微生物遺傳學(xué)的意義遺傳學(xué)中很多重要的成果都是以微生物作為材料而研究獲得的。微生物遺傳學(xué)的結(jié)果是分子生物學(xué)的重要理論基礎(chǔ)。微生物遺傳學(xué)的原理和方法是遺傳工程的基石，并已被生物學(xué)其他學(xué)科廣泛采用，產(chǎn)生了積極地影響。第二頁，共七十九頁，2022年，8月28日微生物是遺傳學(xué)研究中的明星：

微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單，營養(yǎng)體一般為單倍體，方便建立純系。

很多常見微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長繁殖。

對環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，操作性強(qiáng)。第三頁，共七十九頁，2022年，8月28日一、基因突變(GeneMutation)

在自然界，微生物的形態(tài)和生理特性由于環(huán)境條件的改變，常會發(fā)生表型的變化。由遺傳物質(zhì)發(fā)生變化引起的表型的變化稱為基因突變，這種突變引起表型變異是遺傳性的，稱為遺傳性變異。第一節(jié)基因突變和誘變育種第四頁，共七十九頁，2022年，8月28日廣義的突變基因突變（點(diǎn)突變）狹義的突變?nèi)旧w畸變野生型菌株（wildtypestrain)突變株(mutant)

第五頁，共七十九頁，2022年，8月28日(一）突變的類型1形態(tài)突變型

細(xì)胞形態(tài)改變：芽胞、莢膜、鞭毛、分生孢子的喪失；

菌落形態(tài)改變：表觀、顏色、大小、噬菌斑大小、混濁度；2生化突變型代謝途徑變化:營養(yǎng)缺陷型，抗性突變型抗藥物、抗噬菌體。3條件致死突變型4其他突變型：影響次生代謝產(chǎn)物突變型、毒力突變型、糖發(fā)酵能力突變型、影響質(zhì)粒轉(zhuǎn)移功能突變型。第六頁，共七十九頁，2022年，8月28日1）突變是自發(fā)產(chǎn)生的，與環(huán)境條件無關(guān)2）自發(fā)突變的隨機(jī)性和突變率3）各種突變的發(fā)生彼此無關(guān)4）突變是可逆的5）某些理化因子可顯著提高突變率（二）突變的規(guī)律第七頁，共七十九頁，2022年，8月28日1）突變是自發(fā)產(chǎn)生的

基因的突變是自發(fā)產(chǎn)生的，并且自發(fā)突變與環(huán)境條件是不對應(yīng)的。證明突變是自發(fā)產(chǎn)生的兩個實(shí)驗(yàn)：

1.波動試驗(yàn)（fluctuation）

2.影印培養(yǎng)試驗(yàn)（replicaplating）第八頁，共七十九頁，2022年，8月28日

1234假設(shè)1：突變在各個世代隨機(jī)發(fā)生，與環(huán)境條件無關(guān)，則不同群體中子代中突變細(xì)胞數(shù)目不同，產(chǎn)生波動。波動試驗(yàn)fluctuation1943，LuriaandDelbruck用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理設(shè)計(jì)了波動試驗(yàn)，E.coli

及其噬菌體T1做抗性試驗(yàn)。第九頁，共七十九頁，2022年，8月28日

1234假設(shè)2：突變與環(huán)境條件有關(guān)，則不同群體中子代中突變細(xì)胞數(shù)目大概相同，不會產(chǎn)生波動。第十頁，共七十九頁，2022年，8月28日1952年Lederberg夫婦設(shè)計(jì)了影印培養(yǎng)法，直接證明突變菌株是預(yù)先存在的，與相應(yīng)的環(huán)境因素?zé)o關(guān)。影印培養(yǎng)試驗(yàn)replicaplating第十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日

自發(fā)突變在時間、地點(diǎn)上是隨機(jī)的、偶然的，但是偶然性表現(xiàn)在必然性之中，突變的必然性表現(xiàn)在一定的突變有一定的突變率。突變率是某一細(xì)胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的幾率。細(xì)菌中自發(fā)突變的概率一般是10-6-10-9。2）自發(fā)突變的隨機(jī)性和突變率第十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日

基因突變是隨機(jī)的，獨(dú)立的，因此兩個不同突變同時發(fā)生的幾率是兩者各自發(fā)生幾率的乘積。在實(shí)踐中，可同時使用兩種藥物，以防止細(xì)菌抗性突變的產(chǎn)生，提高療效。3）獨(dú)立性第十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日4）突變是可逆的突變是可逆的：正向突變野生型突變型

回復(fù)突變回復(fù)突變也有一定的機(jī)率。第十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日

真正的回復(fù)突變突變基因上被改變的堿基對在第二次突變時恢復(fù)成原來的堿基順序，真正恢復(fù)到野生型基因的功能。抑制基因突變在DNA的不同位置上發(fā)生第二次突變抑制了原來突變基因的表達(dá)，恢復(fù)野生型表型，而不是直接改變回原來的野生基因型。第一次突變一條多肽鏈無活性第二次突變恢復(fù)活性抑制基因突變第二次突變第十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日5）某些理化因子可顯著提高突變率

自發(fā)突變率一般在10-6-10-9，而理化誘變劑引起的誘發(fā)突變率可提高103-104倍。第十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日（三）突變的機(jī)制

基因突變一般又稱點(diǎn)突變，是由于DNA上1個或多個堿基順序變化的結(jié)果。突變的形式：

1)堿基置換

2）移碼突變

3）染色體畸變

第十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日1）堿基置換（basesubstitution）在這種突變中，堿基對的數(shù)量沒有變，只是一對堿基對被另一對堿基對所代替：轉(zhuǎn)換transiton：顛換transversion：

G-CC-GT-AA-T

轉(zhuǎn)換顛換第十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日堿基置換的結(jié)果

(1)錯義突變

(2)無義突變

(3)同義突變第十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日因堿基改變使相應(yīng)氨基酸變化，進(jìn)而使多肽失活或活性下降。例如：DNAACCACCCC

TGGTGGGGmRNAUGGGGG多肽色氨酸甘氨酸(1)錯義突變第二十頁，共七十九頁，2022年，8月28日

堿基改變使編碼某一氨基酸的密碼子變?yōu)榻K止密碼子，使蛋白質(zhì)合成中斷，產(chǎn)生無活性的多肽，例如：

DNAATAAGTmRNAUAU（酪氨酸)UCA（絲氨酸）

DNA上ATTATCACTmRNAUAAUAG

UGA

赭色突變琥珀突變?nèi)榘淄蛔兘K止子（Ochre）（Amber）(Opal)（2）無義突變第二十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日突變后的密碼子編碼相同的氨基酸，如：

DNATTTTTCmRNAAAAAAG

多肽LysLys(3)同義突變第二十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日在正常的堿基序列中插入或減少一個或多個堿基，造成突變位點(diǎn)下游密碼子的錯讀，產(chǎn)生氨基酸順序完全改變了的蛋白質(zhì)，一般無活性。

DNAGATCGTACATATCCCmRNACAUGCAUGUAUAGGG

多肽LeuAlaCysIleGly

插入

DNAGATACGTACATATCCCmRNACUAUGCAUGUAUAGG

多肽LeuCysMetTyrArg

2）移碼突變

frameshiftmutation第二十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日染色體缺失、重復(fù)、倒位、易位引起的大范圍變化叫～。染色體畸變可引起生物表型明顯的改變。染色體內(nèi)畸變：只涉及同一條染色體上的核酸。染色體間畸變：涉及不同染色體間的核酸。易位現(xiàn)象：轉(zhuǎn)座子、跳躍基因。3）染色體畸變第二十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日（四）人工誘變與誘變劑

自發(fā)突變的機(jī)率很低，一般在10－6～10－9。某些物理、化學(xué)因子可以誘發(fā)突變，提高突變率，這些因子稱為誘變劑；理化誘變劑引起的突變率可提高103～104倍。第二十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日1.化學(xué)誘變劑1）堿基類似物2）嵌入誘變劑3）改變DNA結(jié)構(gòu)的誘變劑第二十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日堿基類似物：

定義：一類與正常堿基類似的化合物。

機(jī)理：在DNA復(fù)制時可以替代正常堿基，摻入DNA；在DNA再次復(fù)制時，這些類似物發(fā)生異構(gòu)，發(fā)生錯配，導(dǎo)致堿基置換。

常見的有：2-氨基嘌呤和5-溴尿嘧啶。第二十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日第二十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日第二十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日A??TA??BUG???BUG???CG???BUA???BU突變第三十頁，共七十九頁，2022年，8月28日嵌入誘變劑

一類結(jié)構(gòu)上扁平的化合物，能夠插入DNA鏈的兩個堿基之間，使得DNA在復(fù)制時會插入一個額外的堿基，最終導(dǎo)致移碼突變。常見的有丫啶橙類化合物。

第三十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日改變DNA結(jié)構(gòu)的誘變劑

這類化合物可以直接使得堿基發(fā)生變化，在DNA復(fù)制時造成錯誤配對，產(chǎn)生堿基置換，常用的有羥胺、亞硝酸、各種烷化劑（亞硝基胍、氮芥）等。第三十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日2．物理誘變劑

(1)紫外線

(2)電離輻射

直接作用：輻射直接擊中DNA鏈，造成DNA損傷，DNA重接后可能產(chǎn)生缺失、倒位、易位、重復(fù)等畸變。

間接作用：輻射使DNA周圍的水分子發(fā)生電離，產(chǎn)生大量游離基，這些游離基又可與DNA發(fā)生作用，使堿基氧化，在復(fù)制時發(fā)生錯配，導(dǎo)致突變。第三十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日Chapter7MicrobialGenetics第三十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.突變與修復(fù)修復(fù)系統(tǒng)：光復(fù)活作用切除修復(fù)第三十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日修復(fù)與突變形成的關(guān)系細(xì)胞外的誘變劑DNA損傷（前突變）

不修復(fù)修復(fù)

死亡無誤修復(fù)易誤修復(fù)

恢復(fù)正常易誤修復(fù)

基因突變

分離突變基因型表達(dá)突變表型細(xì)胞分裂突變克隆第三十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日第二節(jié)基因重組和雜交育種

兩個不同生物個體交換遺傳物質(zhì)并進(jìn)行重新組合以產(chǎn)生具有新基因型和表型個體的過程。第三十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日原核生物基因重組的特點(diǎn)1.非等量交換;2.單向進(jìn)行的;

供體：提供DNA

受體：接受DNA第三十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日細(xì)菌基因重組的3種方式：

細(xì)胞接觸 DNA載體 涉及DNA片斷 接合

＋ F因子部分染色體轉(zhuǎn)導(dǎo) －噬菌體 1個/少數(shù)基因 轉(zhuǎn)化 －－1個/少數(shù)基因 第三十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日1．轉(zhuǎn)化

transformation

來自供體的DNA片斷或質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)移到受體菌并整合進(jìn)染色體的過程叫轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的受體菌叫轉(zhuǎn)化子。第四十頁，共七十九頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)化的3個階段1）感受態(tài)階段

competence2）DNA的結(jié)合和吸收

bindinganduptake3）整合

integration第四十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日1）感受態(tài)階段competence感受態(tài)：受體菌細(xì)胞容易接收DNA片斷的生理狀態(tài)。感受態(tài)是細(xì)菌的一種遺傳特性，并且受培養(yǎng)條件的影響，感受態(tài)一般在對數(shù)中期或后期出現(xiàn)，因菌種而異。第四十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日2）DNA的結(jié)合和吸收

細(xì)胞壁上的受體蛋白與DNA片斷相互作用，吸附DNA。結(jié)合的DNA雙鏈被核酸內(nèi)切酶切成約14kb大小的片斷，然后再被分解成單鏈，一條單鏈被降解，另一條單鏈進(jìn)入細(xì)胞。第四十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日3）

整合

進(jìn)入細(xì)胞的DNA單鏈取代受體菌染色體上的同源片斷的一條單鏈，被取代的那條單鏈被降解。這樣形成的雜合雙鏈經(jīng)修復(fù)后將成為含有供體基因的轉(zhuǎn)化子或正常的受體DNA的后代。第四十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)化的過程第四十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日第四十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)化的特性

細(xì)胞接觸 DNA載體涉及DNA片斷 － －1個/少數(shù)基因 第四十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日2.轉(zhuǎn)導(dǎo)

供體基因通過噬菌體作為中間載體轉(zhuǎn)移至受體的過程叫轉(zhuǎn)導(dǎo)。轉(zhuǎn)導(dǎo)后的受體菌叫轉(zhuǎn)導(dǎo)子。兩種:

普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)第四十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日1）普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)

generalizedtransduction

轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體：噬菌體在裝配時，會錯把大小與其DNA相似的細(xì)菌染色體片斷包裝進(jìn)殼體中，形成轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體。當(dāng)這種噬菌體侵染下一個寄主細(xì)胞后，就把供體的DNA片斷帶進(jìn)受體細(xì)胞。供體片斷可與受體染色體上同源片斷配對，通過雙交換整合進(jìn)受體染色體，形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)子。第四十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)

但是約有90％的供體DNA片斷并不能整合進(jìn)受體染色體上，能表達(dá)卻不能復(fù)制，只能將供體DNA片斷傳遞給一個子細(xì)胞，在選擇性培養(yǎng)基上形成微小的菌落，叫流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)。第五十頁，共七十九頁，2022年，8月28日-鼠傷寒沙門氏菌的P22，大腸桿菌的P1，B.Subtilis的PBS1，PS10等。能進(jìn)行普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)的噬菌體：第五十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日2）局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)

specializedtransduction

原噬菌體受誘導(dǎo)從寄主DNA上脫離下來時，因不正常切割，會偶爾把其整合位點(diǎn)兩側(cè)的寄主基因切下并包裝進(jìn)殼體，進(jìn)而帶進(jìn)下一個受感染的細(xì)胞，并可能通過整合帶進(jìn)受體染色體。如E.coli

：λ、φ80phage.第五十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日只能使供體的一個或少數(shù)幾個基因以噬菌體為媒介轉(zhuǎn)移到受體的轉(zhuǎn)導(dǎo)作用稱為局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。大腸桿菌的溫和噬菌體λ只能轉(zhuǎn)導(dǎo)大腸桿菌的gal或bio基因。第五十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日

基因 頻率 穩(wěn)定性 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) 任何 10－6～10－8 90％流產(chǎn) 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo) 少數(shù) 10－4～10－6 2/3不穩(wěn)定 兩類轉(zhuǎn)導(dǎo)的比較第五十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日3．接合conjugation

通過細(xì)胞接觸而進(jìn)行的基因轉(zhuǎn)移，叫接合。得到了供體DNA的受體菌叫接合子。接合是借F因子（致育因子）實(shí)現(xiàn)的。

F（fertility）因子是一種小分子的雙鏈環(huán)狀DNA，約有40個基因。第五十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日F因子基因組3個區(qū)段:1.控制自主復(fù)制，含有復(fù)制酶基因(rep)、決定不相容性的基因(inc)和復(fù)制起點(diǎn)(oviV)。2.轉(zhuǎn)移區(qū)段3.插入?yún)^(qū)段第五十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日F因子的特性1.可在細(xì)胞之間轉(zhuǎn)遞;2.可插入核染色體上;3.可從核染色體上脫落第五十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日F+細(xì)胞和F-細(xì)胞F+細(xì)胞:帶有F因子的細(xì)胞，每個F+細(xì)胞帶有1～多個性絲。F-細(xì)胞:不帶有F因子的細(xì)胞,無性絲.F+細(xì)胞可以將F因子通過接合方式傳給F-細(xì)胞。使之成為F+.

導(dǎo)致了基因重組.第五十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日第五十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日高頻重組菌株（Hfr）：

比通過一般接合方式基因重組頻率高出1000倍的菌株。原因:由于F因子可整合在染色體上，又可斷裂后帶動染色體上基因通過接合方式進(jìn)入寄主細(xì)胞。第六十頁，共七十九頁，2022年，8月28日第六十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日F因子可以通過重組插入細(xì)菌染色體中形成Hfr的細(xì)胞。Hfr細(xì)胞中的F因子既可以從染色體上沿原插入位點(diǎn)正常脫離下來恢復(fù)成F+，也可以誤差脫離而形成F′細(xì)胞。第六十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日F′因子:

整合在染色體上的F因子在脫離的過程中，由于不正常的切割，而形成的帶有寄主基因的F因子。初生F′細(xì)胞：含有F′因子的寄主細(xì)胞。次生F′細(xì)胞：F′×F–

性導(dǎo)：第六十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日F′×F-的接合作用：由于在F′×F-的接合作用中能專一性地向F-轉(zhuǎn)移F′質(zhì)粒攜帶的供體菌基因，因而也有人把通過F′因子的轉(zhuǎn)移而使受體菌改變其遺傳性狀的現(xiàn)象稱為F因子轉(zhuǎn)導(dǎo)或性因子轉(zhuǎn)導(dǎo)。第六十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日第六十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日不同類型細(xì)胞接合的結(jié)果見表接合類型 受體菌變化 染色體基因重組F因子轉(zhuǎn)移 F+×F－

F－→F+ 10－4～10－5 100％ Hfr×F－

F－→F－

10－1～10－2

極少 F′×F－

F－→F’ 10－1 100％

第六十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日第三節(jié)真菌的基因重組方式：

1．有性生殖

2.準(zhǔn)性生殖

第六十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日1．異核現(xiàn)象

heterocaryon異核體：

真菌菌絲內(nèi)含有2個以上不同基因型的細(xì)胞核。異核現(xiàn)象是普遍存在的。異核體的形成方式：菌絲內(nèi)一個核發(fā)生突變，形成不同質(zhì)的核；不同菌絲的融合。異核體的意義：不同質(zhì)的核彼此互補(bǔ)，有利生存。第六十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日

2．準(zhǔn)性生殖

是真菌通過體細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂時發(fā)生的基因重組過程。第六十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日

準(zhǔn)性生殖的過程1）異核體

2）二倍體化異核體中的兩個核一般不融合，只以10－6概率發(fā)生融合，形成雜合二倍體。這種二倍體形成后，相當(dāng)穩(wěn)定，可以進(jìn)行有絲分裂。

3）有絲分裂交換（體細(xì)胞交換）單元化

第七十頁，共七十九頁，2022年，8月28日3-1）有絲分裂交換

雜合的二倍體核在進(jìn)行有絲分裂時，以很低的頻率發(fā)生同源染色體交換，產(chǎn)生各種重組子。第七十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日

AbCdAbCdaBcDaBcDAbCd13241423AbCdaBCd1234aBCd

AbcDAbcDaBcDaBcD第七十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日

3-2）單元化

經(jīng)過有絲分裂后,由于少部分染色體著絲粒不分離可形成2n+1或2n-1的非整倍體核，2n+1可能失去一條染色體再次成2n。2n-1不穩(wěn)定，將會逐