第七章微生物的遗传和变异课件.ppt

1、变异变异(variation):生物体在外因生物体在外因或内因的作用下，或内因的作用下，遗传物遗传物质的结构或数量发生改变。质的结构或数量发生改变。变异的特点：变异的特点：a.a.在群体中以在群体中以极低的几率出现，（一般为极低的几率出现，（一般为1010-6-61010-10-10）；）；b.b.形状变化形状变化的幅度大；的幅度大；c.c.变化后形成的新性状是稳定的，可遗传变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。的。饰变（饰变（modification）：指不涉及遗传物质结构改变而只：指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。发生在转录、转译水平上的表型变化。特点是：特点是

2、：a.几乎几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化；整个群体中的每一个个体都发生同样的变化；b.性状变性状变化的幅度小；化的幅度小；c.因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。例如：粘质沙雷氏菌：例如：粘质沙雷氏菌：在在25下培养，产生深红色的灵下培养，产生深红色的灵杆菌素；在杆菌素；在37下培养，不产生色素；如果重新将温度下培养，不产生色素；如果重新将温度降到降到25，又恢复产色素的能力。，又恢复产色素的能力。遗传与变异的概念遗传与变异的概念1928年，年，Griffith进行了以下几组实验

3、：进行了以下几组实验：（1）动物实验）动物实验 对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌或死菌或死SIII菌菌 小鼠存活小鼠存活 对小鼠注射活对小鼠注射活SIII菌菌小鼠死亡小鼠死亡 对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌和热死菌和热死SIII菌菌 小鼠死亡小鼠死亡抽取心血抽取心血 分离分离活的活的SIII菌菌一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验n（一）经典转化实验（一）经典转化实验（transformation）：F.Griffith，n研究对象：研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌）（肺炎双球菌）nSIII型菌株：有荚膜，菌落

4、表面光滑，有致病性型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性nRII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性（2）细菌培养实）细菌培养实验验（3）S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明：加热杀死的以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型型细胞并使细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。型细胞。热死热死SIII菌菌不生长不生长活活 RII 菌菌长出长出RII菌菌热死热死SIII菌菌长出

5、大量长出大量RII菌和菌和10-6SIII菌菌活活R菌菌+S菌无细胞抽提液菌无细胞抽提液长出大量长出大量R菌菌和少量和少量S菌菌+活活RII菌菌平皿培养平皿培养n加加S菌菌DNAn加加S菌菌DNA及及DNA酶以外的酶酶以外的酶n加加S菌的菌的DNA和和DNA酶酶n加加S菌的菌的RNAn加加S菌的蛋白质菌的蛋白质n加加S菌的荚膜多糖菌的荚膜多糖活活R菌菌长出长出S菌菌只有只有R菌菌1944年年O.T.Avery、C.M.MacLeod和和M。McCarty从热死从热死S型型S.pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验

6、：并在离体条件下进行了转化试验：只有只有S型细菌的型细菌的DNA才能将才能将S.pneumoniae的的R型转化为型转化为S型。且型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转型菌株转移给移给R型菌株的，是遗传因子。型菌株的，是遗传因子。（二）噬菌体感染实验（二）噬菌体感染实验nA.D.Hershey和和M.Chase，1952年年（1）含）含32P-DNA的一组：放射性的一组：放射性85%在沉淀中在沉淀中10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步培沉淀细胞进一步培养后，可产生大量养后，可产生大量完整的子代噬菌体完整的

7、子代噬菌体上清液中含上清液中含15%放射性放射性沉淀中含沉淀中含85%放射性放射性沉淀中含沉淀中含25%放射性放射性以以32S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验验n（2）含）含35S-蛋白质的一组：放射性蛋白质的一组：放射性75%在上在上清液中清液中10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步培沉淀细胞进一步培养后，可产生大量养后，可产生大量完整的子代噬菌体完整的子代噬菌体上清液中含上清液中含75%放射性放射性噬菌体感染实验（三）植物病毒的重建实验（三）植物病毒的重建实验MTV HRVHRV MTVl（一）核酸存在的七个水平及质粒（

8、一）核酸存在的七个水平及质粒细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核细胞核水平细胞核水平:原与真核生物的细胞核结构不同，核外原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA染色体水平染色体水平:倍性倍性(真核真核)和染色体数和染色体数核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 DNA或或RNA，复合或裸露，双链或单链，复合或裸露，双链或单链基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录转录翻译翻译密码子水平：密码子水平：信息单位信息单位,起始和

9、终止起始和终止,核苷酸水平：核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基突变或交换单位，四种碱基二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式核外核外DNA的种类的种类n核外染色核外染色体体真核生物真核生物的的“质粒质粒”原核生物原核生物的质粒的质粒线粒体线粒体细胞质基因细胞质基因叶绿体叶绿体（质体）（质体）中心体中心体动动 体体共生生物：共生生物：卡巴颗粒卡巴颗粒酵母菌的酵母菌的2 m质粒质粒F因子因子R因子因子Col质粒质粒Ti质粒质粒巨大质粒巨大质粒降解性质粒降解性质粒（三）突变的特点（三）突变的特点适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。适用于整个生物界，以细菌的抗药性

10、为例。不对应性不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。自发性自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。稀有性稀有性：突变率低且稳定。：突变率低且稳定。独立性独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。：各种突变独立发生，不会互相影响。可诱发性可诱发性：诱变剂可提高突变率。：诱变剂可提高突变率。稳定性稳定性：变异性状稳定可遗传。：变异性状稳定可遗传。可逆性可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变（变（forward mutation）

11、，从突变株回到野生型的），从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变（过程则称为回复突变或回变（back mutation或或reverse mutation）。）。R型活菌型活菌+S型死菌型死菌 S型活菌型活菌定义：定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌的游离菌的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的部分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的受体菌称为受体菌称为转化子（转化子（transformant）。（一）转化（一）

12、转化（transformation）1、转化及其发现：、转化及其发现：受体细胞要处于感受态受体细胞要处于感受态.感受态感受态：competence，受体细胞能从环境吸取外，受体细胞能从环境吸取外源源DNA片段并实现其转化的一种生理状态片段并实现其转化的一种生理状态供体供体DNA片段（片段（转化因子转化因子）大小适宜，分子量一大小适宜，分子量一般为般为1 107 D 左右左右 菌株间的亲缘关系密切菌株间的亲缘关系密切2、转化发生的条件：、转化发生的条件：降解降解吸附吸附切割成切割成45106单链入胞单链入胞同源部同源部分配对、分配对、整合整合复制分裂，只复制分裂，只有一个子代有一个子代DNA分子

13、获得分子获得供体基因供体基因非转化子非转化子转化子转化子转化过程人工转化人工转化人工转化人工转化是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNA的能力，或人工地将的能力，或人工地将DNA导入细胞内。导入细胞内。方法：方法：CaCl2处理处理细胞，使其成为能摄取外源细胞，使其成为能摄取外源DNA的感受态状的感受态状态态.电穿孔法电穿孔法electroporation：用高压脉冲电流击破细胞膜，：用高压脉冲电流击破细胞膜，或击成小孔，使各种大分子（包括或击成小孔，使各种大分子（包括DNA）能通过这些）能通过这些小孔进入细胞。小孔进入细胞。可转化的性状：可转化的性状：荚

14、膜多糖的合成荚膜多糖的合成专一性酶的合成专一性酶的合成专一性蛋白质的合成专一性蛋白质的合成抗药性抗药性接合接合两个亲本细胞通过直接接触来转移遗传物质的两个亲本细胞通过直接接触来转移遗传物质的基基因重组方式。因重组方式。通过接合而获得新性状的受体细胞就是接合通过接合而获得新性状的受体细胞就是接合子（子（conjugant）1946年用年用E.coli的两个营养缺陷型所作的的两个营养缺陷型所作的实验：实验：Met+bio+thr+leu+Met-bio-thr+leu+Met+bio+thr-leu-Met.bio.thr.leu-混合培养离心洗涤后1、接合及其发现、接合及其发现ABAB-过滤器U

15、型管实验：型管实验：接合：接合：供体与受体细胞直供体与受体细胞直接接触，借性菌毛传递接接触，借性菌毛传递DNA，在受体细胞中发，在受体细胞中发生交换、整合，使之获生交换、整合，使之获得供体菌的遗传性状的得供体菌的遗传性状的现象，称为接合。通过现象，称为接合。通过接合而获得新性状的受接合而获得新性状的受体细胞就称接合子。体细胞就称接合子。F因子的存在方式因子的存在方式根据根据F因子在因子在E.coli中的有无，及与染色体的关系，中的有无，及与染色体的关系，可将可将E.coli分为四种类型：分为四种类型：F（“雌性雌性”）菌株）菌株：细胞中不含有细胞中不含有F因子，因子，细胞表面不具有有性纤毛。细

16、胞表面不具有有性纤毛。可以通过与可以通过与F+、F或或Hfr菌株接合而菌株接合而接受供体菌的接受供体菌的F因因子子、F因子或因子或Hfr菌株的部分或全部遗传信息，相应菌株的部分或全部遗传信息，相应地可以转变成地可以转变成F+菌株、菌株、F菌株或重组子。菌株或重组子。据估计，从自然界分离到的据估计，从自然界分离到的2000株株E.coli中约有中约有30%是是F菌株。菌株。F+（“雄性雄性”）菌株：）菌株：细胞内含有（细胞内含有（14个）游离的个）游离的F因子，因子，细胞表面存在与细胞表面存在与F因子数目相当的性菌毛。因子数目相当的性菌毛。与与F 相接触时，可通过性菌毛将相接触时，可通过性菌毛将

17、F因子转移到因子转移到F 细细胞中，使之也变成胞中，使之也变成F+菌株。菌株。F因子以很高的频率因子以很高的频率传递，但含传递，但含F因子的宿主细胞的染色体因子的宿主细胞的染色体DNA一般一般并不被转移。并不被转移。F+F F+F+Hfr（高频重组，（高频重组，high frequency recombination）菌株）菌株：含有与染色体特定位点整合的含有与染色体特定位点整合的F因子。因子。因该菌株与因该菌株与F 接合后的重组频率比接合后的重组频率比F+菌株高几百倍而菌株高几百倍而得名。得名。Hfr菌株与菌株与F菌株接合时，菌株接合时，Hfr染色体双链中的一条单链染色体双链中的一条单链在在

18、F因子处发生断裂，因子处发生断裂，F因子位于线状单链因子位于线状单链DNA的两的两端，整段单链线状染色体从端，整段单链线状染色体从5端开始等速进入端开始等速进入F细胞，细胞，在没有外界干扰的情况下，全部转移过程的完成需要在没有外界干扰的情况下，全部转移过程的完成需要约约120分钟。由于种种原因分钟。由于种种原因DNA转移过程常会发生中转移过程常会发生中断，所以越是前端的基因进入断，所以越是前端的基因进入F 细胞的机会越大。细胞的机会越大。F因子位于线状因子位于线状DNA的末端，进入受体细胞的机会最的末端，进入受体细胞的机会最小，故这种接合引起转性的频率最低，但可以出现各小，故这种接合引起转性的

19、频率最低，但可以出现各种重组子。种重组子。Hfr F H fr+F （在大多数情况下）（在大多数情况下）Hfr F H fr+Hfr （在极少数情况下）（在极少数情况下）F菌株菌株：细胞中含有游离的、带小段染色体基因的环状细胞中含有游离的、带小段染色体基因的环状F因子，可与因子，可与F 菌株接合，使其成为菌株接合，使其成为F菌株。菌株。F菌株的形成菌株的形成：由由Hfr菌株中的菌株中的F因子在不正常切离而脱离核染因子在不正常切离而脱离核染色体组时所形成，并因此造成细胞染色体发生缺失，色体组时所形成，并因此造成细胞染色体发生缺失，F因子因子也缺失一段也缺失一段DNA.由由Hfr异常释放所生成的异

20、常释放所生成的F菌株，称为菌株，称为初生初生F菌株菌株；由由F 接受外来接受外来F因子所产生的因子所产生的F叫作叫作次生次生F细胞细胞；F因子转导因子转导F-mediated transduction:利用利用F菌株与菌株与F接合可将接合可将供体染色体供体染色体DNA传入传入F 菌株，从而使菌株，从而使F 既获得供体菌的若既获得供体菌的若干遗传特性，又可获得干遗传特性，又可获得F因子。这种接合方式叫做因子。这种接合方式叫做F因子转导因子转导,又称又称性导性导sexduction.因为因为F因子可在细菌的染色体多位因子可在细菌的染色体多位点整合，所以点整合，所以F因子转导可实现不同基因的转移和重

21、组。因子转导可实现不同基因的转移和重组。F F F+F接合（一）接合（二）abcde-Try-his+Try+his-Try+his+混合培养AB三、转导（三、转导（transduction）J.Lederberg等（等（1952）在）在Salmonella typhimurium（鼠（鼠伤寒沙门氏菌）中发现的。伤寒沙门氏菌）中发现的。AB-Try+his+Try-his+Try+his-定义：定义：以温和以温和噬菌体为媒介，将供体细胞的噬菌体为媒介，将供体细胞的DNA片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，从而片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，从而使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导

22、。使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。获得新遗传性状的受体细胞，称转导子。获得新遗传性状的受体细胞，称转导子。U形管实验2.转导的种类转导的种类n 完全普遍转导完全普遍转导n 普遍转导普遍转导n 流产普遍转导流产普遍转导n 转导转导n 低频转导低频转导n 局限转导局限转导n 高频转导高频转导1.第一次交换2.第二次交换3.交换完成，外源DNA掺入染色体组中所以，能在选所以，能在选择性培养基平择性培养基平板上形成微小板上形成微小菌落就是流产菌落就是流产转导的特点。转导的特点。该溶源菌被诱导裂解时，有极该溶源菌被诱导裂解时，有极少数（少数（10 5）的前噬菌体）的前噬菌体（prophage

23、）发生不正常切离）发生不正常切离（abnormal excesion），其结果），其结果会将插入位点两侧之一的少数会将插入位点两侧之一的少数宿主基因（如宿主基因（如E.coli 前噬菌体的前噬菌体的两侧分别为发酵半乳糖的两侧分别为发酵半乳糖的gal基基因或合成生物素的因或合成生物素的bio基因基因）连）连接到噬菌体接到噬菌体DNA上（而噬菌体上（而噬菌体也将相应的一段也将相应的一段DNA遗留在宿遗留在宿主的染色体组上），通过衣壳主的染色体组上），通过衣壳的的“误包误包”，就形成了一种特，就形成了一种特殊的噬菌体殊的噬菌体缺陷噬菌体缺陷噬菌体（defective phage）。它们没有）。它们没

24、有将宿主溶源化的能力，而是使将宿主溶源化的能力，而是使宿主成为一个局限转导子，对宿主成为一个局限转导子，对 噬菌体没有免疫性。噬菌体没有免疫性。温和噬菌体感染受体菌后，其温和噬菌体感染受体菌后，其DNA会开环，以线状形式整合到宿主染色体的特定会开环，以线状形式整合到宿主染色体的特定位点上，从而使宿主细胞发生溶源化，并获得对相同温和噬菌体的免疫性。位点上，从而使宿主细胞发生溶源化，并获得对相同温和噬菌体的免疫性。E.coli K12()gal+(供体菌供体菌)(大量大量)+dgal+（10-5）E.coliK12Sgal-(受体菌受体菌)E.coliK12Sgal-/dgal+E.coliK12

25、Sgal-/dgal+/E.coliK12Sgal-/dgal+/（双重容源菌供体）（双重容源菌供体）(50%)+dgal+（50%）E.coliK12Sgal-(受体菌受体菌)E.coliK12Sgal-/dgal+（转导子）（转导子）（双重容源（双重容源转导子）转导子）高频转导和低频转导图解高频转导和低频转导图解低频转导高频转导U.V.U.V.双重容源菌双重容源菌【E.coliK12(/dg)】转导噬菌体（转导噬菌体（dg）+辅助噬菌体（辅助噬菌体（）转导子菌落转导子菌落噬菌斑噬菌斑U.V.转导的一般过程普遍性转导局限性转导衰退（衰退（degenerationdegeneration）：菌

26、种在培养或保藏过程中，：菌种在培养或保藏过程中，由于自发突变的存在，出现某些原有优良生产性状的由于自发突变的存在，出现某些原有优良生产性状的劣化、遗传标记的丢失等现象，称为菌种的衰退。劣化、遗传标记的丢失等现象，称为菌种的衰退。衰退的原因：衰退的原因：基因突变，基因突变，分离现象。分离现象。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；菌菌 连续在培养基上（内）移种连

27、续在培养基上（内）移种 种种 生活态生活态 传代培养保藏法传代培养保藏法 连续在活宿主上（内）移种连续在活宿主上（内）移种 保保 固体斜面固体斜面 藏藏 湿法湿法 半固体琼脂柱半固体琼脂柱 方方 休眠态休眠态 液体介质（蒸馏水、糖液、其它溶液）液体介质（蒸馏水、糖液、其它溶液）法法 干法干法 藏在玻璃管内藏在玻璃管内 吸附在合适的载体上吸附在合适的载体上干燥保藏法干燥保藏法将菌种置于土壤、细砂、滤纸、硅胶等干燥材料上保将菌种置于土壤、细砂、滤纸、硅胶等干燥材料上保藏。如砂土管法，适用于放线菌、芽孢菌和某些真菌藏。如砂土管法，适用于放线菌、芽孢菌和某些真菌保藏，保藏时间几至几十年。保藏，保藏时间

28、几至几十年。真空冷冻干燥法真空冷冻干燥法加有保护剂的菌悬液在冻结状态下予以真空干燥。加有保护剂的菌悬液在冻结状态下予以真空干燥。适用于各种微生物，便于大量保藏，菌种存活时间适用于各种微生物，便于大量保藏，菌种存活时间长，是目前最好的保藏方法。长，是目前最好的保藏方法。液氮超低温保藏法液氮超低温保藏法将菌种置于保护剂中，预冻后保存在液氮超低温冰将菌种置于保护剂中，预冻后保存在液氮超低温冰箱中（箱中（-196）。）。适用于各种微生物的较理想的保藏方法。适用于各种微生物的较理想的保藏方法。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评价价冰箱保藏法（斜面）冰箱保藏法（斜面）冰箱保藏

29、法（半固体）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年年以上以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：广泛收集科研和生产菌种、广泛收集科研和生产菌种、菌株，并加以妥善保管，使之达到不死、不衰、不乱以及菌株，并加以妥善保管，使之达到不死、不衰、不乱以及便于研究、交换和使用的目的。便于研究、交换和

30、使用的目的。：中国微生物菌种保藏委员会中国微生物菌种保藏委员会(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：以温度敏感突变为例：以温度敏感突变为例：筛选方法：筛选方法：用途：常用于提高代谢物产量用途：常用于提高代谢物产量原因：是由于某一酶蛋白结构原因：是由于某一酶蛋白结构改变后，在高温下活力丧失改变后，在高温下活力丧失重要性：如果此酶为蛋白质、重要性：如果此酶为蛋白质、核酸合成途径中所需的酶，核酸合成途径中所需的酶，则此变异株在高温下的表型则此变异株在高温下的表型就是营养缺陷型。就是营养缺陷型。抗药性突变株的应用：抗药性突变株的应用：u作为菌株的遗传标记作为菌株的遗传标记u作为生产菌种（结构类似物抗性变异株）作为生产菌种（结构类似物抗性变异株）