微生物遺傳變異和育種第1頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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)；親代將自身一整套遺傳信息傳遞給下一代的行為和功能。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。

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，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月變異(variation):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。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：第3頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月細菌的變異現(xiàn)象形態(tài)、結(jié)構(gòu)變異毒力變異耐藥性變異菌落變異第4頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月形態(tài)結(jié)構(gòu)變異

3-6%食鹽

鼠疫耶氏菌多形態(tài)性

陳舊培基物

第5頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

青霉素、溶菌酶

正常形態(tài)細菌

L型變異抗體或補體

(部分或完全失去胞壁)

第6頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月特殊結(jié)構(gòu)的變異

42-43℃

炭疽桿菌失去形成芽孢能力,毒性降低

10-20天

變形桿菌0.1%石炭酸遷徙生長（H）點狀生長、單個菌落（O）鞭毛變異第7頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月毒力變異增強

β棒狀噬菌體

白喉棒狀桿菌

獲得白喉毒素減弱

膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基

牛分枝桿菌卡介苗

13年(230代)

第8頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月耐藥性變異

細菌對某種抗菌藥物有敏感變成耐藥的變異稱為耐藥性變異。金黃色葡萄球菌有些細菌還同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴性。含鏈霉素培基

痢疾桿菌依鏈株

長期培養(yǎng)

第9頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月菌落變異

在陳舊培養(yǎng)基中長期培養(yǎng)

光滑型菌落粗糙型菌落

S

R

原因：失去LPS的特異多糖第10頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

凡游離于原核生物核基因組之外，具有獨立復制能力的小型共價閉合環(huán)狀的雙鏈DNA分子．分子量約為２—100×106D.攜帶1—100個基因,一個菌細胞可有一至數(shù)十個質(zhì)粒。Structureofabacteriumhighlightingthebacterialplasmid.三、原核生物的質(zhì)粒第12頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2質(zhì)粒的特點：1、可以在細胞質(zhì)中獨立于染色體之外（即以游離狀態(tài)）存在，也可以插入到染色體上以附加體(某些可以與染色體發(fā)生整合與脫離的質(zhì)粒）的形式存在；2、在細胞分裂時，可以不依賴于細菌染色體而獨立進行自我復制，也可以插入到細菌染色體中與染色體一道進行復制；3、質(zhì)粒可以通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導或接合作用而由一個細胞轉(zhuǎn)移到另一個細胞，使兩個細胞都成為帶有質(zhì)粒的細胞；4、質(zhì)粒對于細胞生存并不是必要的。第13頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月存在范圍：很多細菌如E.coli、Shigella、S.aureus、Streptococcuslactis、根癌土壤桿菌等制備：包括增殖、裂解細胞、分離質(zhì)粒與染色體和蛋白質(zhì)等成分、去除RNA和蛋白質(zhì)等步驟。鑒定：電鏡觀察、電泳、密度梯度離心、限制性酶切圖譜等方法第14頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3質(zhì)粒的種類：1、大腸桿菌的F因子2、細菌抗藥質(zhì)粒（R因子）3、大腸桿菌素質(zhì)粒（Col因子）4、Ti質(zhì)粒5、降解質(zhì)粒6、毒性質(zhì)粒第15頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1F–因子（fertilityfactor）：又稱致育因子或性因子，62×106Dalton，94.5kb，相當于核染色體DNA2%的環(huán)狀雙鏈DNA，足以編碼94個中等大小多肽，含有與質(zhì)粒復制和轉(zhuǎn)移有關(guān)的許多基因和一些轉(zhuǎn)座因子（可以整合到宿主核染色體上的一定部位）。決定性別（F+－雄性；F-－雌性）。第16頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月tra基因編碼性纖毛蛋白；IS2和IS3為插入序列；Tn1000為轉(zhuǎn)座子。插入序列只攜帶與其轉(zhuǎn)座相關(guān)的基因，編碼特殊的酶和調(diào)節(jié)蛋白，不給與細菌表型特征，但其插入會影響讀碼。轉(zhuǎn)座子攜帶有能賦予宿主某種遺傳特性的基因。第17頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月R因子由相連的兩個DNA片段組成，即抗性轉(zhuǎn)移因子（resistencetransforfactor，RTF）和抗性決定R因子（r-determinant）。RTF為分子量約為11×106Dalton，控制質(zhì)?？截悢?shù)及復制和轉(zhuǎn)移。抗性決定因子大小不固定，從幾百萬到100×106Dalton以上。其上帶有各種抗生素的抗性基因。4.2R因子（resistencefactor）第19頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)大腸桿菌素因子。大腸桿菌素是由E.coli的某些菌株所分泌的細菌素，能通過抑制復制、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯或能量代謝等而專一地殺死其它腸道細菌。其分子量約4×104~8×104Dalton。大腸桿菌素都是由Col因子編碼的。凡帶Col因子的菌株，由于質(zhì)粒本身編碼一種免疫蛋白，從而對大腸桿菌素有免疫作用，不受其傷害。4.3Col因子（colicinogenicfactor）第21頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月即誘癌質(zhì)粒。存在于根癌土壤桿菌（Agrobacteriumtumefaciens）中,可引起許多雙子葉植物的根癌。當細菌侵入植物細胞中后，在其細胞中溶解，把細菌的DNA釋放到植物細胞中。這時，含有復制基因的Ti質(zhì)粒的T-DNA小片段與植物細胞中的核染色體發(fā)生整合，合成正常植株所沒有的冠癭堿類，破壞控制細胞分裂的激素調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而使它轉(zhuǎn)變成癌細胞。4.4Ti質(zhì)粒（tumorinducingplasmid）第22頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月農(nóng)桿菌限制性酶內(nèi)切及DNA連接外源基因DNA/CDNA轉(zhuǎn)入培養(yǎng)的植物細胞插入新基因的DNA重建植物體表現(xiàn)出新性狀的植株農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒轉(zhuǎn)化植物的技術(shù)第23頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月Ti質(zhì)粒長200kb，是一個大型質(zhì)粒。當前，Ti質(zhì)粒已成為植物遺傳工程研究中的重要載體。一些具有重要性狀的外源基因可借DNA重組技術(shù)設法插入到Ti質(zhì)粒中，并進一步使之整合到植物染色體上，以改變該植物的遺傳性，達到培育植物優(yōu)良品種的目的。第24頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月降解質(zhì)粒：具有分解多種特殊有機化合物能力的因子。如分解甲苯的TOL質(zhì)粒。毒性質(zhì)粒：攜帶編碼產(chǎn)生毒素基因的質(zhì)粒，如蘇云金桿菌中編碼內(nèi)毒素的質(zhì)粒，Col質(zhì)粒也是毒性質(zhì)粒。第25頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)基因突變和誘變育種基因突變（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。

突變體（mutant）：發(fā)生了突變的微生物細胞或菌株。野生型（wildtype）：從自然界分離到的任何微生物在其發(fā)生突變前的原始菌株。第26頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

依表型的改變分為：營養(yǎng)缺陷型——因突變而喪失產(chǎn)生某種生物合成酶的能力，并因而成為必須在培養(yǎng)基中添加某種物質(zhì)才能生長的突變類型?？剐酝蛔冃汀蛲蛔兌a(chǎn)生了對某種化學藥物或致死物理因子的抗性。條件致死突變型——突變后在某種條件下可正常生長繁殖，而在另一條件下卻無法生長繁殖的突變型。形態(tài)突變型——由突變引起的個體或菌落形態(tài)的變異?？乖蛔冃汀蛲蛔兌鸬目乖Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變產(chǎn)量突變型——通過基因突變而產(chǎn)生的在代謝產(chǎn)物產(chǎn)量上明顯有別于原始菌株的突變株。（一）基因突變的類型第27頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月★按是否比較容易、迅速地分離到發(fā)生突變的細胞來分：選擇性突變株（selectivemutant）：具有選擇標記（如營養(yǎng)缺陷型、抗性突變型、條件致死突變型），只要選擇適當?shù)沫h(huán)境條件，如培養(yǎng)基、溫度、pH值等，就比較容易檢出和分離到。非選擇性突變株（non-selectivemutant）：無選擇標記（如產(chǎn)量突變型、抗原突變型、形態(tài)突變型），能鑒別這種突變體的惟一方法是檢查大量菌落并找出差異。第28頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月定義：每一細胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的幾率。突變率為10–8是指該細胞在一億次細胞分裂中，會發(fā)生一次突變。突變率也可以用每一單位群體在每一世代中產(chǎn)生突變株（mutant，即突變型）的數(shù)目來表示。如一個含108個細胞的群體，當其分裂為2×108個細胞時，平均發(fā)生一次突變的突變率也是10–8

。（二）突變率第30頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月突變率=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31頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月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32頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）突變的特點不對應性：突變的性狀與突變原因之間無直接的對應關(guān)系。自發(fā)性：突變可以在沒有人為誘變因素處理下自發(fā)地產(chǎn)生。稀有性：突變率低且穩(wěn)定。獨立性：各種突變獨立發(fā)生，不會互相影響。可誘發(fā)性：誘變劑可提高突變率。穩(wěn)定性：變異性狀穩(wěn)定可遺傳?？赡嫘裕簭脑嫉囊吧突虻阶儺愔甑耐蛔兎Q為正向突變，從突變株回到野生型的過程則稱為回復突變。第33頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）基因突變的自發(fā)性和不對應性的證明在各種基因突變中，抗性突變最為常見。但在過去相當長時間內(nèi)對這種抗性產(chǎn)生的原因爭論十分激烈。一種觀點認為，突變是通過適應而發(fā)生的，即各種突變是由其環(huán)境（指其中所含的抵抗對象）誘發(fā)出來的，并認為這就是“定向變異”，也有人稱它為“馴化”或“馴養(yǎng)”。另一種看法則認為，基因突變是自發(fā)的，且與環(huán)境是不相對的。從1943年起，經(jīng)過幾個嚴密而巧妙的實驗設計，主要攻克了檢出在接觸抗性因子前已產(chǎn)生的自發(fā)突變株的難題，終于解決了這場紛爭。第34頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月平板影印培養(yǎng)試驗（replicaplating）1952年，J.Lederberg夫婦的論文《平板影印培養(yǎng)法和細菌突變株的間接選擇》，更好地證明了微生物的抗藥性是在未接觸藥物前自發(fā)地產(chǎn)生的，這一突變與相應藥物環(huán)境毫不相干。平板影印培養(yǎng)法，是一種能達到在一系列培養(yǎng)皿的相同位置上出現(xiàn)相同遺傳型菌落的接種培養(yǎng)方法：把長有許多菌落的母種培養(yǎng)皿倒置于包有滅菌絲絨布的木質(zhì)圓柱印章上，使其沾上來自平板上的菌落。然后可把這一“印章”上的菌落一一接種到不同的選擇性培養(yǎng)基平板上。待這些平板培養(yǎng)后，對各平板相同位置上的菌落作對比后，就可選出適當?shù)耐蛔冃途?。因此，通過影印培養(yǎng)法，就可以從在非選擇性條件下生長的細菌群體中，分離出各種類型的突變株。第35頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月平板影印培養(yǎng)法在根本未接觸過任何一點鏈霉素的情況下，就可以篩選到大量抗鏈霉素的突變株，充分說明了突變是自發(fā)產(chǎn)生的，鏈霉素只是起到了一種檢出作用。平板影印培養(yǎng)不僅在微生物遺傳理論的研究中有重要應用，而且在育種時間和其它研究中均有應用，值得很好地領會。第37頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)細菌的基因轉(zhuǎn)移和重組結(jié)合（conjugation）：兩個細菌通過性菌毛溝通，將質(zhì)粒上的遺傳物質(zhì)從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌的過程。

轉(zhuǎn)導（transduction）：通過完全缺陷或部分缺陷噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的性狀。

轉(zhuǎn)化（transformation）：受體細胞從外界直接吸收來自供體細胞的遺傳物質(zhì)（DNA片段或質(zhì)粒DNA），從而引起生物遺傳性狀的改變。

第38頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月帶上宿主染色體的遺傳因子第39頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)化（transformation）：受體細胞從外界直接吸收來自供體細胞的遺傳物質(zhì)（DNA片段或質(zhì)粒DNA），從而引起生物遺傳性狀的改變。轉(zhuǎn)化子：經(jīng)轉(zhuǎn)化后出現(xiàn)了供體性狀的受體細胞。轉(zhuǎn)化因子：有轉(zhuǎn)化活性的外來DNA片段。感受態(tài)：細菌能從周圍環(huán)境中吸收DNA分子進行轉(zhuǎn)化的生理狀態(tài)。第40頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月，交換重組感受態(tài)：促進自溶素的表達，使細胞表面的DNA結(jié)合蛋白和核酸酶裸露出來，從而使其能與外源DNA結(jié)合并對DNA進行切割，只有一條鏈能與特異蛋白結(jié)合進入細胞。另一條鏈被核酸酶降解，產(chǎn)生的能量用于核酸鏈的進入。第41頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)導（transduction）：通過完全缺陷或部分缺陷噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的性狀。

轉(zhuǎn)導子：通過轉(zhuǎn)導獲得供體細胞部分遺傳性狀的重組受體細胞。轉(zhuǎn)導噬菌體(轉(zhuǎn)導顆粒）：攜帶供體部分遺傳物質(zhì)的噬菌體。僅含有供體DNA的稱為完全缺陷噬菌體；同時含有供體DNA和噬菌體DNA的稱為部分缺陷噬菌體。第42頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)導方式普遍性轉(zhuǎn)導：轉(zhuǎn)導噬菌體可攜帶供體基因組中的任何一部分染色體片段，在感染受體時，所有轉(zhuǎn)導基因都能以相同的頻率轉(zhuǎn)移，使受體獲得這部分遺傳性狀。局限性轉(zhuǎn)導：當某一溶源菌群經(jīng)誘導后，其中極少數(shù)原噬菌體從宿主染色體脫落時產(chǎn)生錯誤切割，從而把宿主的某些基因整合到噬菌體的基因組上，當這樣的噬菌體侵染另一宿主菌時，使受體菌獲得了這部分的遺傳性狀。第43頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1952，Zinder和Lederberg，鼠傷寒沙門氏菌。第44頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月普遍性轉(zhuǎn)導的機制第45頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月缺陷性半乳糖轉(zhuǎn)導噬菌體缺陷性生物素轉(zhuǎn)導噬菌體第46頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章微生物的誘變誘變劑（mutagen）：凡能提高突變率的任何理化因子，就稱為誘變劑。種類：誘變劑的種類很多，作用方式多樣。即使是同一種誘變劑，也常有幾種作用方式。按照遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的特點討論幾種有代表性的誘變劑的作用機制。第47頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）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），即一個嘌呤被一個嘧啶,或是一個嘧啶被一個嘌呤所置換。對某一具體誘變劑來說，即可同時引起轉(zhuǎn)換與顛換，也可只具其中的一種功能。根據(jù)化學誘變劑是直接還是間接地引起置換，可把置換的機制分成以下兩類來討論。第48頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月★直接引起置換的誘變劑定義：一類可直接與核酸的堿基發(fā)生化學反應的誘變劑，不論在機體內(nèi)或是在離體條件下均有作用。種類：很多。例如亞硝酸、羥胺和各種烷化劑（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，N-甲基-N’硝基-N-亞硝基胍，N-甲基-N-亞硝基脲，乙烯亞胺，環(huán)氧乙酸，氮芥等）。作用：它們可與一個或幾個核苷酸發(fā)生化學反應，從而引起DNA復制時堿基配對的轉(zhuǎn)換，并進一步使微生物發(fā)生變異。第50頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月亞硝酸可以使堿基發(fā)生氧化脫氨作用。

HNO2胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）HNO2腺嘌呤（A）次黃嘌呤（H）HNO2鳥嘌呤（G）黃嘌呤（X）這些反應及形成物均可在DNA復制中產(chǎn)生影響，主要是使堿基對發(fā)生轉(zhuǎn)換。堿基轉(zhuǎn)換的分子機制——以亞硝酸為例腺嘌呤A=胸腺嘧啶T鳥嘌呤G=胞嘧啶C第51頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月這類誘變劑主要是一些堿基類似物

,如：5-溴尿嘧啶(5-BU)和5-氨基尿嘧啶（5—AU）、疊氮胸腺嘧啶（AIT）等等；作用方式：通過活細胞的代謝活動參入到DNA分子中，主要是在DNA復制時堿基類似物插入DNA中，引起堿基對配對錯誤，造成堿基置換。以5-溴尿嘧啶(5-BU)為例：

5-BU是胸腺嘧啶（T）的類似物，酮式的5-BU可以和A配對，烯醇式的5-BU可以和G配對，在DNA分子復制的過程中，由于5-BU的插入和互變異構(gòu)導致堿基置換?！镩g接引起置換的誘變劑第53頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月5-BU引起的轉(zhuǎn)換第54頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月5-BU引起的轉(zhuǎn)換從上圖中，還可以看到5-BU的摻入引起的G┇C回復到A?T的過程。通過這兩個圖示，就很