普通班微生物的遺傳變異與育種第1頁/共59頁遺傳與變異的概念遺傳和變異是生物體的最本質(zhì)的屬性之一。

遺傳(heredity)：親代生物的性狀在子代得到表現(xiàn)；親代生物傳遞給子代一套實現(xiàn)與其相同形狀的遺傳信息。特點：具穩(wěn)定性。遺傳型（genotype）：又稱基因型，指某一生物個體所含有的全部基因的總和；是一種內(nèi)在可能性或潛力。遺傳型+環(huán)境條件表型表型（phenotype）：指生物體所具有的一切外表特征和內(nèi)在特性的總和;是一種現(xiàn)實存在，是具一定遺傳型的生物在一定條件下所表現(xiàn)出的具體性狀。第2頁/共59頁突變(mutation):生物體在外因或內(nèi)因的作用下，遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或數(shù)量發(fā)生改變。突變的特點：在群體中以極低的幾率出現(xiàn)，（一般為10-6～10-10）；形狀變化的幅度大；變化后形成的新性狀是穩(wěn)定的，可遺傳的。飾變（modification）：指不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上的表型變化。特點是：幾乎整個群體中的每一個個體都發(fā)生同樣的變化；性狀變化的幅度?。灰蜻z傳物質(zhì)不變，故飾變是不遺傳的。引起飾變的因素消失后，表型即可恢復(fù)。第3頁/共59頁遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)基因突變基因重組內(nèi)容提要第4頁/共59頁種質(zhì)連續(xù)理論：

1883~1889年間Weissmann提出。認為遺傳物質(zhì)是一種具有特定分子結(jié)構(gòu)的化合物?；?qū)W說：

1933年摩爾根（ThomasHuntMorgan）發(fā)現(xiàn)了染色體，并證明基因在染色體上呈直線排列，提出了基因?qū)W說，使得遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的范圍縮小到染色體上。DNA是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)的證明：

1944年以后，先后有利用微生物為實驗對象進行的三個著名實驗的論證（肺炎球菌的轉(zhuǎn)化試驗、噬菌體感染試驗、病毒的拆開與重建試驗），才使人們普遍接受核酸才是真正的遺傳物質(zhì)。第5頁/共59頁遺傳物質(zhì)類型核(or類核）染色體核外染色體細胞器原核生物質(zhì)粒遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)的存在部位和方式酵母菌質(zhì)粒第6頁/共59頁遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)三個經(jīng)典實驗證明核酸是微生物遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)化實驗噬菌體感染實驗植物病毒的重建實驗遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)的存在部位和方式朊病毒帶來的新思路第7頁/共59頁基因、基因符號以及有關(guān)術(shù)語基因是合成有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部核苷酸序列。基因符號常以說明該基因功能特性的英文詞的前3個字母表示（小寫），一般用斜體，該基因的功能特性在右上角以＋/－、r/s表示。性狀是構(gòu)成一個生物個體的有關(guān)結(jié)構(gòu)、形態(tài)、物質(zhì)和功能等各方面特征的總稱。第8頁/共59頁組氨酸基因用his（histidine的前3個字母）表示，his-表示組氨酸缺陷型；gal+、gal-分別表示能發(fā)酵半乳糖和不能發(fā)酵半乳糖；

strs、strr分別表示對鏈霉素敏感和具抗性。第9頁/共59頁基因突變突變的特點突變率突變類型

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條件致死突變型（株）突變類型突變株的表型選擇性突變株非選擇性突變株營養(yǎng)缺陷型（株）抗性突變型（株）形態(tài)突變型（株）抗原突變型（株）產(chǎn)量突變型（株）第11頁/共59頁營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）由于基因突變，而喪失合成一種或幾種生長因子的能力，必須在培養(yǎng)基中添加相應(yīng)的營養(yǎng)成分才能正常生長的突變型。（eg.AA,vitamin）野生型（wildtype）：從自然界分離到的任何微生物在其發(fā)生營養(yǎng)缺陷型突變前的原始菌株。原養(yǎng)型(prototroph)：一般指營養(yǎng)缺陷型突變株經(jīng)回變或重組后產(chǎn)生的菌株，其營養(yǎng)要求在表型上與野生型相同。第12頁/共59頁致死突變（1）基因突變導(dǎo)致個體死亡（2）條件致死型

eg.溫度敏感突變型—E.coli37℃生長，42℃下不生長，主要是突變引起了某些重要蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的改變。第13頁/共59頁第14頁/共59頁突變率定義：每一細胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的幾率。突變率=突變細胞數(shù)/分裂前群體細胞數(shù)突變是獨立的。某一基因發(fā)生突變不會影響其它基因的突變率。在同一個細胞中同時發(fā)生兩個基因突變的幾率是極低的，因為雙重突變型的幾率只是各個突變幾率的乘積。由于突變的幾率一般都極低，因此，必須采用檢出選擇性突變株的手段，尤其是采用檢出營養(yǎng)缺陷型的恢復(fù)突變株（backmutant或reversemutant）或抗性突變株特別是抗藥性突變株的方法來加以確定。第15頁/共59頁若干細菌某一性狀的自發(fā)突變率菌名 突變性狀 突變率E.coli

抗T1噬菌體 3×10–8E.coli

抗T3噬菌體 1×10–7

E.coli

不發(fā)酵乳糖 1×10–10E.coli

抗紫外線 1×10–5Staphylococcusaureus

抗青霉素 1×10–7S.aureus

抗鏈霉素 1×10–9

Salmonellatyphi

抗25g/L鏈霉素1×10–6

Bacillusmegaterium

抗異煙肼 5×10–5第16頁/共59頁突變的特點不對應(yīng)性自發(fā)性稀有性獨立性可誘發(fā)性穩(wěn)定性：變異性狀穩(wěn)定可遺傳。可逆性第17頁/共59頁誘變機制

染色體畸變點突變第18頁/共59頁染色體畸變

某些理化因子，如Ｘ射線，紫外線，亞硝酸等，除能引起點突變外，還會引起DNA分子大損傷，包括染色體易位，倒位，缺失，重復(fù)等，即為染色體畸變。第19頁/共59頁染色體畸變

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利用回變檢測致癌劑

——艾姆斯（Ames）試驗法第21頁/共59頁60-70年代，一種降低婦女妊娠反應(yīng)的藥物“反應(yīng)?！笔至餍小５S后發(fā)現(xiàn)畸形兒的出生率明顯增高，而且生產(chǎn)畸形兒的婦女大多曾服用“反應(yīng)停”。采用Ames試驗發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)的確具有很強的致突變作用，因此這種藥物被禁止使用。藥品開發(fā)過程中，必須有“三致”實驗的數(shù)據(jù)，才能夠獲得批準(zhǔn)。第22頁/共59頁基因重組（generecombination）：凡把兩個不同性狀個體內(nèi)的遺傳基因轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過遺傳分子間的重新組合，形成新遺傳型個體的方式。重組可使生物體在未發(fā)生突變的情況下，也能產(chǎn)生新遺傳型的個體。重組是分子水平上的一個概念，而一般所說的雜交（hybridization）則是細胞水平上的一個概念。雜交中必然包含著重組，而重組則不限于雜交這一形式。第23頁/共59頁基因重組

真核微生物基因重組在有性繁殖過程中發(fā)生，當(dāng)合子減數(shù)分裂時，兩染色體發(fā)生交換。原核微生物通過轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)等形式進行一部分物質(zhì)轉(zhuǎn)移和基因重組。（小結(jié)）第24頁/共59頁

轉(zhuǎn)化(transformation)

受體細胞直接吸收了來自供體細胞的DNA片斷，并把它整合到自己的基因組中，細胞部分遺傳性狀發(fā)生變化的現(xiàn)象叫轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化因子：來自供體細胞的DNA片斷。感受態(tài)：受體細胞能接受轉(zhuǎn)化的生理狀態(tài)稱為感受態(tài)，只有處于感受態(tài)的細菌才能接受轉(zhuǎn)化因子，從出現(xiàn)到消失約為４０分鐘(對數(shù)期的中期)。第25頁/共59頁轉(zhuǎn)化過程第26頁/共59頁遺傳物質(zhì)通過噬菌體的攜帶而轉(zhuǎn)移的基因重組。

轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction)

普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)局限轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)的特點第27頁/共59頁第28頁/共59頁第29頁/共59頁

需要噬菌體做媒介，不需要細胞間直接接觸第30頁/共59頁接合（conjugation）

通過供體菌與受體菌細胞之間的直接接觸，遺傳物質(zhì)自供體菌轉(zhuǎn)移入受體菌（原核微生物遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移方式，較廣泛）。范圍：革蘭氏陰性菌中幾乎所有的腸道菌科的細菌，革蘭氏陽性菌中的鏈球菌、枯草桿菌、葡萄球菌、厭氧菌以及鏈霉菌等。

第31頁/共59頁Ｆ因子和接合第32頁/共59頁Ｆ因子和接合第33頁/共59頁F-×F+F+F++第34頁/共59頁F-×HfrF-Hfr+第35頁/共59頁F’F’F’F’F’F-F’F-F-×F'F'F'+第36頁/共59頁第37頁/共59頁三者根本區(qū)別在于DNA轉(zhuǎn)移的方式不同

第38頁/共59頁誘變劑

物理誘變因素

化學(xué)誘變因素

生物誘變因素第39頁/共59頁第40頁/共59頁第41頁/共59頁堿基置換（substitution）

定義：對DNA來說，堿基的置換屬于一種染色體的微小損傷（microlesion），一般也稱點突變（pointmutation）。它只涉及一對堿基被另一對堿基所置換。

分類：轉(zhuǎn)換（transition），即DNA鏈中的一個嘌呤被另一個嘌呤或是一個嘧啶被另一個嘧啶所置換；顛換（transversion），即一個嘌呤被另一個嘧啶或是一個嘧啶被另一個嘌呤所置換。對某一具體誘變劑來說，可同時引起轉(zhuǎn)換與顛換，也可只具其中的一種功能。第42頁/共59頁直接引起置換的誘變劑——亞硝酸第43頁/共59頁第44頁/共59頁第45頁/共59頁間接引起置換的誘變劑－5-BU第46頁/共59頁5-BU的誘變機制第47頁/共59頁移碼突變（frame-shiftmutation）

一種誘變劑引起DNA分子中一個或幾個核苷酸的增加或缺失，從而造成突變點以后的全部遺傳密碼的轉(zhuǎn)錄和翻譯都發(fā)生錯誤。例，原黃素、吖啶黃等吖啶類染料均可引起移碼突變，增加一個堿基的距離，3.4?。第48頁/共59頁DNA分子中缺失或增加少數(shù)幾個堿基對而引起造成突變點以后全部遺傳密碼轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)釋發(fā)生錯誤ABCABCABCABCABCABCABCABCAB+ABCABCCBACBACBACBACBAABCBCABCABCABCABCABCABCA增添一個堿基缺少一個堿基第49頁/共59頁第50頁/共59頁由40年代B.McClintock對的遺傳研究而發(fā)現(xiàn)染色體易位，自1967年以來，已在微生物和其它生物中得到普遍證實，并已成為分子遺傳學(xué)研究中的一個熱點。舊概念：基因是固定在染色體DNA上的一些不可移動的核苷酸片段。新發(fā)現(xiàn)：有些DNA片段不但可在染色體上移動，還可從一個染色體跳到另一個染色體，從一個質(zhì)粒跳到另一個質(zhì)?；蛉旧w，甚至還從一個細胞轉(zhuǎn)移到另一個細胞。在這些DNA順序的跳躍過程中，往往導(dǎo)致DNA鏈的斷裂或重接，從而產(chǎn)生重組交換或使某些基因啟動或關(guān)閉，結(jié)果導(dǎo)致突變的發(fā)生。第51頁/共59頁

在染色體組中或染色體組間能改變自身位置的一段DNA順序。也稱作跳躍基因（jumpinggene）或可移動基因（movablegene）。轉(zhuǎn)座因子(TransposibleElement)

第52頁/共59頁插入序列（IS，insertionsequence）轉(zhuǎn)座子（Tn，transposon，又稱轉(zhuǎn)位子，易位子）Mu噬菌體（即mutatorphage，誘變噬菌體）轉(zhuǎn)座因子