微生物学第10章微生物的遗传与变异2第11章菌种选育与保藏课件.ppt

1、基因、基因符号以及有关术语基因、基因符号以及有关术语1、基因基因 是合成多肽或是合成多肽或RNA所必需的完整的核所必需的完整的核苷酸序列。苷酸序列。2、基因组、基因型基因组、基因型是指生物单倍体细胞所有是指生物单倍体细胞所有基因。基因。基因组侧重基因组侧重“全部碱基对序列的组成全部碱基对序列的组成”；基因型是生物基因体现的功能、特性，侧重基因型是生物基因体现的功能、特性，侧重“某个基因某个基因”。基因座位(gene locus)指各个基因在染色体上所占的位置。3、性状性状是构成一个生物个体的有关结构、是构成一个生物个体的有关结构、形态、物质和功能等各方面特征的总称。形态、物质和功能等各方面特征

2、的总称。4、基因符号基因符号常以说明某个基因功能特性的英常以说明某个基因功能特性的英文词的前文词的前3个字母表示（小写），一般用斜体个字母表示（小写），一般用斜体，该基因的功能特性在右上角以，该基因的功能特性在右上角以/、r/s表示。表示。n 组氨酸基因用组氨酸基因用his（histidine的前的前3个字母）表示，个字母）表示，his-表示组氨酸缺陷型；表示组氨酸缺陷型；n gal+、gal-分别表示能发酵半乳糖和不能发酵半乳分别表示能发酵半乳糖和不能发酵半乳糖；糖；n strs、strr分别表示对链霉素敏感和具抗性。分别表示对链霉素敏感和具抗性。野生型菌株与突变型菌株野生型菌株与突变型菌株

3、 野生型菌株野生型菌株，从自然界分离到的任何微生物在，从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的原始菌株。其发生突变前的原始菌株。突变型菌株突变型菌株，野生型菌株经突变后，性状改变，野生型菌株经突变后，性状改变的菌株。的菌株。正向突变与回复突变正向突变与回复突变 正向突变正向突变 突变型菌株突变型菌株 回复突变回复突变 回复突变回复突变，野生型菌株经突变成为突变型菌株，野生型菌株经突变成为突变型菌株以后，经再一次突变，有时突变型菌株又恢复为以后，经再一次突变，有时突变型菌株又恢复为野生型菌株原有的性状，则这次的突变被称为回野生型菌株原有的性状，则这次的突变被称为回复突变。复突变。野生型菌株野生

4、型菌株（或野生型菌株的表型）（或野生型菌株的表型）自发突变与诱发突变自发突变与诱发突变自发突变自发突变，自然条件下发生的突变。，自然条件下发生的突变。诱发突变诱发突变，用各种人工因素处理细胞，突变率大大，用各种人工因素处理细胞，突变率大大增加，这种突变称为诱变。增加，这种突变称为诱变。诱变剂，如紫外线、亚硝酸等。诱变剂，如紫外线、亚硝酸等。突变率突变率，在生长的微生物群体中，每一细胞的某一，在生长的微生物群体中，每一细胞的某一性状在每一世代中独立发生突变的机率。一般也可简性状在每一世代中独立发生突变的机率。一般也可简单地用每单位群体在繁殖一代过程中所形成的突变细单地用每单位群体在繁殖一代过程中

5、所形成的突变细胞平均数来表示。胞平均数来表示。（二）基因突变的主要规律（二）基因突变的主要规律1、自发性和非对应性、自发性和非对应性2、稀有性：环境因素的影响，、稀有性：环境因素的影响，DNA复制过程的偶然复制过程的偶然错误等而导致，一般频率较低，通常为错误等而导致，一般频率较低，通常为10-610-9。3、诱发性：某些物理、化学因素对生物体的、诱发性：某些物理、化学因素对生物体的DNA进进行直接作用，突变以较高的频率产生。（诱变剂仅行直接作用，突变以较高的频率产生。（诱变剂仅起着提高诱变率的作用）起着提高诱变率的作用）4、独立性：某个基因的突变是一独立事件，对其他、独立性：某个基因的突变是一

6、独立事件，对其他基因的突变几率没有影响。基因的突变几率没有影响。5、稳定可遗传性、稳定可遗传性6、可逆性、可逆性变量实验（变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria&Max Delbrck（1943）影印平板法影印平板法常用于营养缺陷型的鉴别、分离。常用于营养缺陷型的鉴别、分离。菌菌 名名 突变性状突变性状 突变率突变率E.coliE.coli 抗抗T1T1噬菌体噬菌体 3 310108 8E.coliE.coli 抗抗T3T3噬菌体噬菌体 1 110107 7 E.coliE.coli 不发酵乳糖不发酵乳糖 1 110101010E.coliE.coli

7、 抗紫外线抗紫外线 1 110105 5Staphylococcus aureus Staphylococcus aureus 抗青霉素抗青霉素 1 110107 7S.aureusS.aureus 抗链霉素抗链霉素 1 110109 9 Salmonella typhiSalmonella typhi 抗抗2525 g/Lg/L链霉素链霉素 1 110106 6 Bacillus megaterium Bacillus megaterium 抗异烟肼抗异烟肼 5 510105 5（三）突变的类型（根据突变体表型来分）（三）突变的类型（根据突变体表型来分）生物化学统一性法则：生物化学统一性法则

8、：人和细菌在人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。变，最后造成癌变或其他不良的后果。化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比。超化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比。超过过95的致癌物质对微生物有诱变作用的致癌物质对微生物有诱变作用，90以上的非致以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用。癌物质对微生物没有诱变作用。诱变剂的共性原则：诱变剂的共性原则：（四）突变株的应用（四）突变株的应用Ames试验试验

9、美国加利福尼亚大学的美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于教授于1966年发明，因年发明，因此称为此称为Ames试验。试验。原理：原理：检测鼠伤寒沙门氏菌（检测鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhmurium）组氨酸营养）组氨酸营养缺陷型菌株（缺陷型菌株（his-）的回复突变率。）的回复突变率。证明证明Ames试验重要性的应用实例：试验重要性的应用实例：60-70年代，一种降低妇女妊娠反应的药物年代，一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停反应停”十分流行。十分流行。但随后发现畸形儿的出生率明显增高但随后发现畸形儿的出生率明显增高(海豹肢症海豹肢症)，而且生，而且生产畸形儿的妇女大

10、多曾服用产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停反应停”。采用采用Ames试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用。，因此这种药物被禁止使用。药品开发过程中，必须有药品开发过程中，必须有“三致三致”实验的数据，才能够实验的数据，才能够获得批准。获得批准。目前，在临床医生的严格指导下，我国众多皮肤科、免目前，在临床医生的严格指导下，我国众多皮肤科、免疫科和肿瘤科的患者正在接受着疫科和肿瘤科的患者正在接受着“沙利度胺沙利度胺”“反应停反应停”的治疗。的治疗。调查显示，孕妇怀孕时末次月经后第调查显示，孕妇怀孕时末次月经后第3434到到5050天

11、是反应停作用的敏天是反应停作用的敏感期，在此时间段以外服用反应停，一般不会导致胎儿的出生缺陷。感期，在此时间段以外服用反应停，一般不会导致胎儿的出生缺陷。（一）自发突变的分子机制（一）自发突变的分子机制1、低剂量诱变因素的长期综合效应、低剂量诱变因素的长期综合效应 外源性诱变因素：各种辐射、环境中低浓度诱变外源性诱变因素：各种辐射、环境中低浓度诱变剂、高温、宇宙射线等剂、高温、宇宙射线等 内源性诱变因素：各种代谢物（如内源性诱变因素：各种代谢物（如H2O2、咖啡碱、咖啡碱、硫氰化合物）、转座因子硫氰化合物）、转座因子2、碱基结构的变化、碱基结构的变化 AT；GC。据统计，碱基对发生自发突变的几

12、率约为据统计，碱基对发生自发突变的几率约为10-810-9。T（酮式）变为（酮式）变为 T（烯醇式），则（烯醇式），则TG。酮式酮式烯醇式互变异构烯醇式互变异构 胺式胺式亚胺式互变异构亚胺式互变异构3、环出效应、环出效应DNA1023456789110234567891102891102345 67891序列序列3 3和序列和序列7 7配对成环配对成环碱基结构的变化碱基结构的变化亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，基磺酸乙酯，N-甲基甲基-N硝基硝基-N-亚硝基胍，亚硝基胍，N-甲基甲基-N-亚亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。硝基

13、脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。使碱基发生氧化脱氨，腺使碱基发生氧化脱氨，腺能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有。能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有。碱基置换在编码蛋白的基因中的可能作用：碱基置换在编码蛋白的基因中的可能作用：DNA单一单一密码子的改变产生不同的蛋白。密码子的改变产生不同的蛋白。硝酸与硝酸与5-BU的诱变机制异同的诱变机制异同亚硝酸亚硝酸5-BU直接作用于原有碱基，改变其结构直接作用于原有碱基，改变其结构掺入掺入DNA代谢，替代正常碱基代谢，替代正常碱基对繁殖细胞、休止细胞都有作用对繁殖细胞、休止细胞都有作用仅对繁殖细胞有作用仅对繁殖细胞有作用子二代出现转换子二

14、代出现转换子三代出现转换子三代出现转换可发生回复突变可发生回复突变可发生回复突变可发生回复突变（2）移码突变（）移码突变（frame-shift mutation）（3）染色体畸变）染色体畸变 若干诱变剂的作用机制及诱变功能（往往不止单种功能）若干诱变剂的作用机制及诱变功能（往往不止单种功能）（四）突变的修复（四）突变的修复*以紫外线照射形成的胸腺嘧啶二聚体的修复为例以紫外线照射形成的胸腺嘧啶二聚体的修复为例1.1.光复活光复活 经紫外线照射后的微经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死下时，可明显降低其死亡率的现象，称为光复亡率的现象，称为光复活作用。活

15、作用。光复活酶，又称光裂光复活酶，又称光裂解酶解酶2.2.暗修复暗修复 主要指切除修复主要指切除修复。是。是细胞内的主要细胞内的主要修复系统。修复系统。3、重组修复、重组修复 这是在这是在DNA复制复制时进行的一种越过时进行的一种越过损伤的修复。损伤的修复。一般认为，一般认为，SOS修复系统是紫外线诱发突变的主要原因修复系统是紫外线诱发突变的主要原因。4、SOS修复修复 指指DNA受到严重受到严重损伤、细胞处于危损伤、细胞处于危急状态时所诱导的急状态时所诱导的一种一种DNA修复方式。修复方式。修复结果只是能修复结果只是能维持基因组的完整维持基因组的完整性性,提高细胞的生成提高细胞的生成率率,但

16、留下的错误较但留下的错误较多多,使细胞有较高的使细胞有较高的突变率。突变率。受体菌（受体菌（recipient）接受供体菌（）接受供体菌（donor）裸露的）裸露的DNA片段，从而获得供体菌部分遗传性状的现象。片段，从而获得供体菌部分遗传性状的现象。范围：范围：转化现象最早发现于肺炎链球菌，目前转化现象最早发现于肺炎链球菌，目前了解，了解，许多革兰氏阳性菌和阴性菌均能进许多革兰氏阳性菌和阴性菌均能进行转化，行转化，如嗜血杆菌、芽胞杆菌等。大肠如嗜血杆菌、芽胞杆菌等。大肠杆菌、葡萄球菌、假单胞菌及链霉菌等需杆菌、葡萄球菌、假单胞菌及链霉菌等需经人工处理后才能进行转化。经人工处理后才能进行转化。1

17、 1、转化的条件、转化的条件（1）供体）供体DNA片段的大小，片段的大小，MW为为106-108，同源，同源（一般（一般30%以上即认为同源性较高）、未变性。以上即认为同源性较高）、未变性。（2）受体菌的生理状态）受体菌的生理状态 感受态感受态 受体菌能吸收外源裸露受体菌能吸收外源裸露DNA片段的暂时片段的暂时性生理状态性生理状态 n与菌的特异性、生理状态、菌龄及培养条件等有关；与菌的特异性、生理状态、菌龄及培养条件等有关；nCa2+、Mg2+；冷热激处理；冷热激处理同源区段配对同源区段配对复制与分离复制与分离（1）自然遗传转化自然遗传转化 自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特自然感受态

18、的出现是细胞一定生长阶段的生理特性，受细菌自身的基因控制。是自然界基因交换的性，受细菌自身的基因控制。是自然界基因交换的重要方式。重要方式。（2）人工转化人工转化 人工感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具人工感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取有摄取DNA的能力，或人为地将的能力，或人为地将DNA导入细胞内。导入细胞内。（3）原生质体转化原生质体转化 特殊的转化特殊的转化转染（转染（transfection）提取噬菌体或病毒的提取噬菌体或病毒的DNA/RNA来转化感来转化感受态的受体菌，并产生正常子代病毒或噬受态的受体菌，并产生正常子代病毒或噬菌体。菌体。(区别于真核生物的转染区别于

19、真核生物的转染)通过供体菌与受体菌细胞之间的直接接触，通过供体菌与受体菌细胞之间的直接接触，遗传物质自供体菌转移入受体菌（原核微生遗传物质自供体菌转移入受体菌（原核微生物遗传物质转移方式，较广泛）。物遗传物质转移方式，较广泛）。范围：范围：革兰氏阴性菌中几乎所有的肠道菌科革兰氏阴性菌中几乎所有的肠道菌科的细菌，革兰氏阳性菌中的链球菌、枯的细菌，革兰氏阳性菌中的链球菌、枯草杆菌、葡萄球菌、厌氧菌以及链霉菌草杆菌、葡萄球菌、厌氧菌以及链霉菌等。等。“U”型管实验型管实验（Bernard Davis，1950）证实接合过程需要细胞间的直接接触证实接合过程需要细胞间的直接接触 U形管中间形管中间的滤板

20、，允许的滤板，允许培养基的营养培养基的营养物质通过，但物质通过，但细菌无法通过细菌无法通过。F因子的分子量通常为因子的分子量通常为5107，上面有编，上面有编码细菌产生性菌毛（码细菌产生性菌毛（sex pili）及控制接合）及控制接合过程进行的过程进行的20多个基因。多个基因。4、F因子的四种细胞形式因子的四种细胞形式（1）FF杂交杂交 杂交的结果：供体细胞和受体细胞均成为杂交的结果：供体细胞和受体细胞均成为F细细胞，即：胞，即：FF FF F菌株的菌株的F因子向因子向F-细胞转移，但含细胞转移，但含F因子的因子的宿主细胞的染色体宿主细胞的染色体DNA一般不被转移。一般不被转移。Hfr菌株的菌

21、株的F因子插入到染色体因子插入到染色体DNA上，因此只上，因此只要发生接合转移过程，就可以把部分甚至全部细要发生接合转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给菌染色体传递给F-细胞并发生重组，由此而得名细胞并发生重组，由此而得名为高频重组菌株。为高频重组菌株。Hfr+F-Hfr+(F-)（2）Hfr F杂交杂交 Hfr菌株仍然保持着菌株仍然保持着F细胞的特征，具有性菌细胞的特征，具有性菌毛，并象毛，并象F一样与一样与F细胞进行接合。所不同的是细胞进行接合。所不同的是，F因子的先导区（因子的先导区（leading region）结合着染色体）结合着染色体DNA向受体细胞转移，向受体细胞转移，

22、F因子除先导区以外，其余因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此程常被中断，因此F因子不易转入受体细胞中，故因子不易转入受体细胞中，故HfrF杂交后的受体细胞（或接合子）大多数仍杂交后的受体细胞（或接合子）大多数仍然是然是F。携带携带F因子的菌株称初生因子的菌株称初生F菌株。菌株。FF与与FF的不同：供体的部分染色体基因随的不同：供体的部分染色体基因随F一起转一起转入受体细胞。入受体细胞。与染色体发生重组；与染色体发生重组；继续存在于继续存在于F因子上，形成部分二倍体因子上，形成部分二倍体（次生（次生F菌株）；菌

23、株）；（3）FF杂交杂交通过完全或部分缺陷噬菌体为媒介，将供体菌的通过完全或部分缺陷噬菌体为媒介，将供体菌的DNA片段携带到受体细胞，通过交换与整合，从而片段携带到受体细胞，通过交换与整合，从而使受体菌获得供体菌的部分遗传性状。使受体菌获得供体菌的部分遗传性状。细菌转导的类型细菌转导的类型普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导完全转导完全转导流产转导流产转导高频转导高频转导低频转导低频转导普遍性转导普遍性转导 由转导噬菌体携带了供体菌基因组中的由转导噬菌体携带了供体菌基因组中的任何任何一部分染色体片段，当它感染受体菌一部分染色体片段，当它感染受体菌时，使后者获得了这部分遗传性状的现象。时，使

24、后者获得了这部分遗传性状的现象。完全普遍转导的过程完全普遍转导的过程误包误包局限性转导过程局限性转导过程温和噬菌体感染温和噬菌体感染整合到细菌染色体的特定位点，整合到细菌染色体的特定位点，宿主细胞发生溶源化宿主细胞发生溶源化溶源菌因诱导而发生裂解时，溶源菌因诱导而发生裂解时，在前噬菌体二侧的少数宿主基在前噬菌体二侧的少数宿主基因因偶尔发生的不正常切割而因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体连在噬菌体DNA上上部分缺陷的温和噬菌体部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中到受体菌中1、低频转导（、低频转导（low frequency transduction

25、，LFT）温和噬菌体温和噬菌体裂解时的不裂解时的不正常切割：包含正常切割：包含gal或或bio基因（几率一般仅有基因（几率一般仅有10-6）缺陷噬菌体在宿主细胞内缺陷噬菌体在宿主细胞内能够象正常的能够象正常的DNA分子分子一样进行复制、包装，提一样进行复制、包装，提供所需要的裂解功能，形供所需要的裂解功能，形成转导颗粒。但没有正常成转导颗粒。但没有正常噬菌体的噬菌体的溶源性溶源性和和增殖能增殖能力力，感染受体细胞后，通，感染受体细胞后，通过过DNA整合进宿主染色整合进宿主染色体而形成稳定的转导子。体而形成稳定的转导子。2、高频转导（、高频转导（high frequency transducti

26、on，HFT）gal106gal噬菌体感染噬菌体感染E.coli噬菌体误切割噬菌体误切割LFT裂解物噬菌体（辅裂解物噬菌体（辅助噬菌体）感染助噬菌体）感染E.coli双重溶源菌双重溶源菌LFT裂解物裂解物 形成转导子的频率很高，理论上可达50，故称之为高频转导。50%50%2、高频转导（、高频转导（high frequency transduction，HFT）形成阳性转导子形成阳性转导子形成噬菌斑形成噬菌斑galgalgalHFT裂解物感染裂解物感染E.coli（gal-）双重溶源菌双重溶源菌HFT裂解物裂解物比较项目比较项目普通性转导普通性转导局限性转导局限性转导转导的发生转导的发生自然发

27、生自然发生人工诱导人工诱导噬菌体形成噬菌体形成错误的装配错误的装配前噬菌体反常切除前噬菌体反常切除形成机制形成机制包裹选择模型包裹选择模型杂种形成模型杂种形成模型内含内含DNA只含宿主染色体只含宿主染色体DNA同时有噬菌体同时有噬菌体DNA和宿和宿主主DNA转导性状转导性状供体的任何性状供体的任何性状多为前噬菌体邻近两端多为前噬菌体邻近两端的的DNA片断片断转导过程转导过程通过双交换使转导通过双交换使转导DNA替换了受体替换了受体DNA同源区同源区转导转导DNA插入，使受体插入，使受体菌为部分二倍体菌为部分二倍体转导子转导子不能使受体菌溶源化不能使受体菌溶源化转导特性稳定转导特性稳定为缺陷溶源

28、菌为缺陷溶源菌转导特性不稳定转导特性不稳定常见的衰退现象：常见的衰退现象：菌落和细胞形态的改变；菌落和细胞形态的改变；生长速度缓慢，产孢子越来越少；生长速度缓慢，产孢子越来越少；抵抗力、抗不良环境能力减弱等。抵抗力、抗不良环境能力减弱等。代谢产物生产能力或其对宿主寄生能力下降；代谢产物生产能力或其对宿主寄生能力下降；菌种保藏主要是根据菌种的生理、生化特性，人工创造菌种保藏主要是根据菌种的生理、生化特性，人工创造条件使菌体的代谢活动处于休眠状态。条件使菌体的代谢活动处于休眠状态。方法名称方法名称主要措施主要措施适宜菌种适宜菌种保藏期保藏期评价评价冰箱保藏法（斜面）冰箱保藏法（斜面）冰箱保藏法（半

29、固体）冰箱保藏法（半固体）石蜡油封藏法石蜡油封藏法沙土保藏法沙土保藏法冷冻干燥法冷冻干燥法低温低温低温低温低温、缺氧低温、缺氧干燥、无营养干燥、无营养干燥、无氧、低干燥、无氧、低温、有保护剂温、有保护剂各大类各大类细菌、酵母菌细菌、酵母菌各大类各大类产孢子微生物产孢子微生物各大类各大类36月月612月月12年年110年年515年以年以上上简便简便简便简便简便简便简便简便有效有效简便简便有效有效多歧管冷冻干燥机多歧管冷冻干燥机液氮罐液氮罐 中国微生物菌种保藏管理委员会中国微生物菌种保藏管理委员会(CCCCM)美国的典型菌种保藏中心美国的典型菌种保藏中心(ATCC)英国国家典型菌种保藏所（英国国家典型菌种保藏所（NCTC）法国里昂巴斯德研究所（法国里昂巴斯德研究所（IPL）国内外菌种保藏机构：国内外菌种保藏机构：