【正文】 第七章 微生物的遺傳 變 異 和 育 種 微生物是遺傳學(xué)研究的最好材料和對(duì)象 —— 模式生物 微生物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 營(yíng)養(yǎng)體一般都是單倍體 微生物繁殖速度快 存在多種方式的繁殖類型 環(huán)境條件對(duì)微生物作用直接均勻 易積累不同的代謝中間產(chǎn)物及代謝最終產(chǎn)物 微生物的變異易被識(shí)別 存在多種處于進(jìn)化工程中 、 富有特色的原始有性生殖方式 遺傳 （ heredity inheritance） ： 親代與子代相似 變異 （ variation） ： 親代與子代、子代間不同個(gè)體不完全相同 遺傳（ inheritance）和變異（ variation）是生命的最本質(zhì)特性之一 基本概念 種瓜得瓜，種豆得豆 遺傳（ heredity)： 生物的親代傳遞給其子代一 套遺傳信息的特性。 遺傳型（ genotype)： 又稱基因型，指某一生物個(gè)體所含有的全部遺傳因子即基因組所攜帶的遺傳信息。 遺傳型是一種內(nèi)在可能性或潛力，其 實(shí)質(zhì)是遺傳物質(zhì)上所負(fù)載的特定遺傳信息。 表型（ phenotype）： 又稱表現(xiàn)型，具有一定遺傳型的個(gè)體，在特定環(huán)境條件下通過生長(zhǎng)發(fā)育所表現(xiàn)出來的形態(tài)等生物學(xué)特征的總和。 表型是一種現(xiàn)實(shí)性。 （現(xiàn)實(shí)性）代謝、發(fā)育（可能性） 表型環(huán)境條件遺傳型 ??? ???變異： 指生物體在某種外因或內(nèi)因的作用下所引起的遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量的改變，亦即遺傳型的改變。 飾變： 是指外表的修飾性改變，意即一種不涉及遺傳物質(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。 變異特點(diǎn)： 在群體中以極低幾率 (一般為 105～ 1010)出現(xiàn)；性狀變化的幅度大；變化后的新性狀是穩(wěn)定和可遺傳的。 飾變特點(diǎn)： 整個(gè)群體中每一個(gè)體都發(fā)生同樣變化；性狀變化的幅度??；飾變性狀不遺傳。 橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳。 遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ) 基因突變和誘變育種 基因重組和雜交育種 基因工程 內(nèi)容提要 第一節(jié) 遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ) 三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)證明核 酸是微生物遺傳物質(zhì) 轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) 噬菌體感染實(shí)驗(yàn) 植物病毒的重建實(shí)驗(yàn) 遺傳物質(zhì)在微生物細(xì)胞內(nèi)的存在部位和方式 朊病毒的發(fā)現(xiàn)與思考 亞病毒的一種：具有傳染性的蛋白質(zhì)致病因子，迄今為止尚為發(fā)現(xiàn)該蛋白內(nèi)含有核酸。 其致病作用是由于動(dòng)物體內(nèi)正常的蛋白質(zhì) PrP c改變折疊狀態(tài)為 PrP sc所致，而這二種蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)并沒有改變。 朊病毒的發(fā)現(xiàn)與思考 思考 1）蛋白質(zhì)是否可以作為遺傳物質(zhì)？ prion是生命的一個(gè)特例？還是僅僅為表達(dá)調(diào)控的一種形式？ 2）蛋白質(zhì)折疊與功能的關(guān)系，是否存在折疊密碼？ DNA→RNA→ 肽鏈 → 蛋白質(zhì) 復(fù)制 轉(zhuǎn)錄 翻譯 遺傳物 質(zhì)類型 核染色體： 核外染色體 真核生物細(xì)胞器 (線粒體、葉綠體等） 共生生物 （卡巴顆粒） 2um質(zhì)粒 原核生物質(zhì)粒 遺傳物質(zhì)在微生物細(xì)胞內(nèi)的存在部位和方式 細(xì)胞水平 （細(xì)胞核或核區(qū)，核（區(qū)）的數(shù)目如單核、多核）； 核水平；染色體水平（ 數(shù)量、倍數(shù) ds、 ss）； 核酸水平 （種類、結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度、大?。换蛩?；密碼子水平 （ 4種核苷酸按三聯(lián)體排列有 64個(gè)，決定 20種氨基酸）；核苷酸水平 (A、 G、 T、 C； A、 G、 U、 C） 。 染色體 基因 Ⅱ 基因 Ⅰ DNA 基因是一段 DNA，具有自主復(fù)制能力的最小遺傳單位 DNA就是脫氧核糖核酸（長(zhǎng)鏈） 腺嘌呤（ A） 鳥嘌呤（ G） 胸腺嘧啶（ T） 胞嘧啶（ C） A T C G A A A T T T A A A G G C C G C 基因測(cè)序 就是讀出 ACGTGGACG…... 基因控制 Pr因而控制性狀 G A T C T A G A U DNA mRNA 天冬 氨酸 基因是什么？ 基因決定生物體的生、長(zhǎng)、病、老死等一切生命現(xiàn)象 基因是生命的密碼。 基因記錄和傳遞遺傳信息。 原核生物的基因調(diào)控系統(tǒng)是由一個(gè)操縱子和它的調(diào)節(jié)基因所組成。 每個(gè)操縱子包括 3種功能上密切相關(guān)的基因：結(jié)構(gòu)基因、操縱基因、啟動(dòng)基因。 真核生物一般無(wú)操縱基因 基因調(diào) 控系統(tǒng) 操縱子 結(jié)構(gòu)基因 調(diào)節(jié)基因 啟動(dòng)基因（啟動(dòng)子） 操縱基因 結(jié)構(gòu)基因：決定某一多肽鏈結(jié)構(gòu)的 DNA模板，通過轉(zhuǎn)錄和翻譯來執(zhí)行多肽鏈合成任務(wù)； 操縱基因：位于啟動(dòng)基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段核苷酸序列，通過與阻遏物的結(jié)合與否，控制結(jié)構(gòu)基因是否轉(zhuǎn)錄； 啟動(dòng)基因；一種依賴于 DNA的 RNA多聚酶所識(shí)別的核苷酸序列，既是 DNA多聚酶的結(jié)合部位，優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)錄的起始點(diǎn)。 真核生物的基因一般無(wú)操縱子結(jié)構(gòu)。 大腸桿菌基因組 4100個(gè)基因， 106bp 遺傳信息的連續(xù)性 ,共價(jià)、閉合、環(huán)狀 功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子 結(jié)構(gòu)基因單拷貝及 rRNA多拷貝 基因的重復(fù)序列少而短 質(zhì)粒 —— 原核生物遺傳物質(zhì)存在的一種方式 質(zhì)粒： 一種獨(dú)立于染色體外，能進(jìn)行自主復(fù)制的細(xì)胞質(zhì)遺傳因子，主要存在于各種微生物細(xì)胞中。 質(zhì)粒不同于病毒 不具有胞外形態(tài)，而僅以核酸的簡(jiǎn)單方式存在于細(xì)胞中 質(zhì)粒上攜帶某些核基因組上所缺少的基因，使細(xì)菌等原核生物獲得某些對(duì)其生存并非必不可少的 特殊功能 ： 如接合、產(chǎn)毒、產(chǎn)特殊酶、降解環(huán)境毒物等 cccDNA ocDNA lDNA 質(zhì)粒的復(fù)制與核染色體的復(fù)制不同步， 在這類細(xì)胞中，一般含 10～ 15個(gè)或更多質(zhì)粒。 嚴(yán)緊型復(fù)制控制 （ stringent replication control） 松弛型復(fù)制控制 （ relaxed replication control） 質(zhì)粒的復(fù)制與核染色體的復(fù)制同步， 在這類細(xì)胞中，一般只含 1～ 2個(gè)質(zhì)粒； 質(zhì)粒是一種獨(dú)立存在于細(xì)胞內(nèi)的 復(fù)制子 （ replicon） 通常以共價(jià)閉合環(huán)狀（ covalently closed circle，簡(jiǎn)稱 CCC）的超螺旋雙鏈 DNA分子存在于細(xì)胞中； 也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈 DNA質(zhì)粒和 RNA質(zhì)粒； 質(zhì)粒分子的大小范圍從 1kb左右到 1000kb； （細(xì)菌質(zhì)粒多在 10kb以內(nèi)） 質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu) ? 提取所有胞內(nèi) DNA后電鏡觀察； ? 超速離心或瓊脂糖凝膠電泳后觀察； ? 對(duì)于實(shí)驗(yàn)室常用菌，可用質(zhì)粒所帶的某些特點(diǎn)， 如抗藥性初步判斷。 特定的質(zhì)粒提取方法和后處理使染色體和 RNA均被除掉。 質(zhì)粒的檢測(cè) 質(zhì)粒的主要功能 在某些特殊條件下，質(zhì)粒有時(shí)能賦予宿主細(xì)胞以特殊的機(jī)能， 從而使宿主得到生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。 質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷?xì)胞一般是非必需的； 質(zhì)粒所編碼 的功能和賦 予宿主的表 型效應(yīng) 致育因子（ Fertility factor， F因子） 抗性因子（ Resistance factor， R因子） 產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（ Bacteriocin production plasmid） 毒性質(zhì)粒（ virulence plasmid） 代謝質(zhì)粒（ Metabolic plasmid） 隱秘質(zhì)粒（ cryptic plasmid） 質(zhì)粒的主要類型 （ 1） F質(zhì)粒（ F plasmid） 又稱 F因子、致育因子（ fertility factor）或性因子（ sex factor），其大小約 100kb，為 cccDNA，這是最早發(fā)現(xiàn)的一種與大腸桿菌的有性生殖現(xiàn)象（接合作用）有關(guān)的質(zhì)粒。 攜帶 F質(zhì)粒的菌株稱為 F+菌株（相當(dāng)于雄性）， 無(wú) F質(zhì)粒的菌株稱為 F菌株（相當(dāng)于雌性）。 攜帶 F質(zhì)粒菌株 含調(diào)節(jié) DNA復(fù)制和拷貝數(shù)的基因以及轉(zhuǎn)移基因，相對(duì)分子量約11 107，具有轉(zhuǎn)移功能； 抗性轉(zhuǎn)移因子（ resistance transfer factor， RTF） 抗性決定因子（ rdeterminant） 大小不固定，相對(duì)分子量從幾百萬(wàn)至 11 108以上，無(wú)轉(zhuǎn)移功能，含各種抗性基因，如抗青霉素、氨芐青霉素、氯霉素、鏈霉素和磺胺等基因。 R質(zhì)粒一般由兩個(gè)相連的 DNA片段組成 （ 2） R質(zhì)粒（ R plasmid） 稱 R因子 （ R factor）、 抗性因子 （ resisitrance plasmid ），包括抗藥性和抗重金屬二大類 （ 3） Col質(zhì)粒（ colicin plasmid， col plasmid） 又稱 大腸桿菌素質(zhì)粒 或 產(chǎn)大腸桿菌素因子 （ colicinogenic factor， col factor）。 細(xì)菌素 （ bacteriocin） 是質(zhì)粒編碼的蛋白質(zhì)，一般由細(xì)菌產(chǎn)生，可抑制或殺死其他近緣細(xì)菌或同種不同菌株的代謝產(chǎn)物，但不具有很廣的殺菌譜。 細(xì)菌素 抗生素抑制或殺死近緣，甚至同種不同株的細(xì)菌 較廣的抗菌譜通過核糖體直接合成的多肽類物質(zhì) 一般是次級(jí)代謝產(chǎn)物編碼細(xì)菌素的結(jié)構(gòu)基因及相關(guān)的基因一般位于質(zhì)粒或轉(zhuǎn)座子上一般無(wú)直接的結(jié)構(gòu)基因，相關(guān)酶的基因多在染色體上細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因、 涉及細(xì)菌素運(yùn)輸及發(fā)揮作用（ processing）的蛋白質(zhì)的基因、 賦予宿主對(duì)該細(xì)菌素具有“免疫力”的相關(guān)產(chǎn)物的基因 一般都位于質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，細(xì)菌素可以殺死同種但不攜帶該質(zhì)粒的菌株。 細(xì)菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進(jìn)行命名： 大腸桿菌（ E. coli）產(chǎn)生的細(xì)菌素為 colicins（大腸桿菌素）， 而質(zhì)粒被稱為