【正文】 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 第八章 微生物的遺傳變異與育種 理想的工業(yè)發(fā)酵菌種應(yīng)符合以下要求 ① 遺傳性狀穩(wěn)定； ②生長速度快，不易被噬菌體等異種微生物污染； ③目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量盡可能接近理論轉(zhuǎn)化率； ④目標(biāo)產(chǎn)物最好能分泌到細胞外，以降低產(chǎn)物抑制并利于分離； ⑤盡可能減少產(chǎn)物類似物的產(chǎn)量，以提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量并利于分離； ⑥培養(yǎng)基成分簡單、來源廣、價格低廉； ⑦對溫度、 pH、離子強度、剪切力等環(huán)境因素不敏感； ⑧對溶氧的要求低，便于培養(yǎng)及降低能耗。 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 微生物的獨特生物學(xué)特性 （ 1） 個體的體制極其簡單； （ 2） 營養(yǎng)體一般都是單倍體； （ 3） 易于在成分簡單的組合培養(yǎng)基上大量生長繁殖； （ 4） 繁殖速度快； （ 5） 易于積累不同的中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物； （ 6） 菌落形態(tài)特征的可見性和多樣性； （ 7） 環(huán)境條件對微生物群體中各個個體作用的直接性和均一性； （ 8） 易于形成營養(yǎng)缺陷型； （ 9） 各種微生物一般都有相應(yīng)的病毒； （ 10） 存在多種處于進化過程中的原始有性生殖方式； 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 ?微生物是研究現(xiàn)代遺傳學(xué)和其它許多主要的生物學(xué)基本理論問題中最熱衷的 研究對象 。 ?對微生物遺傳規(guī)律的深入研究，不僅促進了現(xiàn)代分子生物學(xué) 和 生物工程學(xué) 的發(fā)展，而且為 育種工作 提供了豐富的理論基礎(chǔ)，促使育種工作從不自覺到自覺、從低效到高效、從隨機到定向、從近緣雜交到遠緣雜交的方向發(fā)展。 研究微生物遺傳學(xué)的意義 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 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。 代謝 發(fā)育 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 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 。 變異的特點： 低的幾率出現(xiàn) ， （ 一般為 106～ 1010） ； 度大； c. 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： 個群體中的每一個個體都發(fā)生同樣的變化； 幅度??； ， 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) 。 例如：粘質(zhì)沙雷氏菌： 在 25℃ 下培養(yǎng)，產(chǎn)生深紅色的靈桿菌素；在 37℃ 下培養(yǎng)，不產(chǎn)生色素；如果重新將溫度降到 25℃ ，又恢復(fù)產(chǎn)色素的能力。 遺傳與變異的概念 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 第一節(jié) 遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ) ? 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。 ? 基因?qū)W說： 1933年摩爾根（ Thomas Hunt Man）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。 但染色體是由核酸和蛋白質(zhì)兩種長鏈高分子組成。20多種氨基酸經(jīng)過不同排列組合，可以演變出的蛋白質(zhì)數(shù)目幾乎可以達到一個天文數(shù)字，而核酸的組成卻簡單得多，一般僅由 4種不同的核苷酸組成，它們通過排列核組合只能產(chǎn)生較少種類的核酸，因此當(dāng)時認為決定生物遺傳型的染色體和基因，起活性成分是蛋白質(zhì)。 ? 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 八 章 微 生 物 的 遺 傳 1928年， Griffith進行了以下幾組實驗： （ 1）動物實驗 對小鼠注射活 RII菌或死 SIII菌 ————小鼠存活 對小鼠注射活 SIII菌 ————————小鼠死亡 對小鼠注射活 RII菌和熱死 SIII菌 ———小鼠死亡 抽取心血 分離 活的 SIII菌 一、證明核酸是遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的三個經(jīng)典實驗 研究對象： Streptococcus pneumoniae（肺炎雙球菌） SIII型菌株： 有莢膜，菌落表面光滑，有致病性 RII型菌株： 無莢膜，菌落表面粗糙，無致病性 （一）經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗（ transformation） 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 混合培養(yǎng) RII型活菌 SIII型活菌 SIII型熱死菌 RII型活菌 SIII型活菌 健康 健康 健康 健康 健康 健康 健康 病死 病死 病死 Griffith 轉(zhuǎn)化試驗示意 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 （ 2） 細菌培養(yǎng)實驗 （ 3） S型菌的無細胞抽提液試驗 以上實驗說明：加熱殺死的 SIII型細菌細胞內(nèi)可能存在一種轉(zhuǎn)化物質(zhì)，它能通過某種方式進入 RII型細胞并使 RII型細胞獲得穩(wěn)定的遺傳性狀，轉(zhuǎn)變?yōu)?SIII型細胞。 熱死 SIII菌 —————不生長 活 RII 菌 —————長出 RII菌 熱死 SIII菌 —————長出大量 RII菌和 106SIII菌 活 R菌 +S菌無細胞抽提液 ——長出大量 R 菌和少量 S菌 +活 RII菌 平皿培養(yǎng) 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 ?① 加 S菌 DNA ?② 加 S菌 DNA及 DNA酶以外的酶 ?③加 S菌的 DNA和 DNA酶 ?④加 S菌的 RNA ?⑤ 加 S菌的蛋白質(zhì) ?⑥加 S菌的莢膜多糖 活 R菌 長出 S菌 只有 R菌 1944年 、 M。 McCarty從熱死 S型 S. pneumoniae中提純了可能作為轉(zhuǎn)化因子的各種成分 ，并在離體條件下進行了轉(zhuǎn)化試驗： 只有 S型細菌的 DNA才能將 S. pneumoniae的 R型轉(zhuǎn)化為 S型 。 且 DNA純度越高 ， 轉(zhuǎn)化效率也越高 。 說明 S型菌株轉(zhuǎn)移給 R型菌株的 ， 是遺傳因子 。 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 （二）噬菌體感染實驗 ? A. D. Hershey和 M. Chase， 1952年 （ 1） 含 32PDNA的一組：放射性 85%在沉淀中 10分鐘后 用搗碎器 使空殼脫離 吸附 離心 沉淀細胞進一步培養(yǎng)后，可產(chǎn)生大量完整的子代噬菌體 上清液中含 15%放射性 沉淀中含 85%放射性 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 沉淀中含 25%放射性 以 32S標(biāo)記蛋白質(zhì)外殼做噬菌體感染實驗 （ 2）含 35S蛋白質(zhì)的一組：放射性 75%在上清液中 10分鐘后 用搗碎器 使空殼脫離 吸附 離心 沉淀細胞進一步培養(yǎng)后，可產(chǎn)生大量完整的子代噬菌體 上清液中含 75%放射性 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 （ 三 ） 植物病毒的重建實驗 ? 為了證明核酸是遺傳物質(zhì)， H. FraenkelConrat（ 1956）用含 RNA的煙草花葉病毒（ TMV）進行了著名的植物病毒重建實驗。 ? 將 TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質(zhì)外殼與 RNA核心相分離。分離后的 RNA在沒有蛋白質(zhì)包裹的情況下，也能感染煙草并使其患典型癥狀，而且在病斑中還能分離出正常病毒粒子。 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 MTV HRV HRV MTV （ 1） RNA（ TMV） 蛋白質(zhì)（ HRV） （ 2） RNA（ HRV） 蛋白質(zhì)（ TMV） 用兩種雜合病毒感染寄主： （ 1）表現(xiàn) TMV的典型癥狀病分離到正常 TMV粒子 （ 2）表現(xiàn) HRV的典型癥狀病分離到正常 HRV粒子。 上述結(jié)果說明，在 RNA病毒中，遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)也是核酸。 選用 TMV和霍氏車前花葉病毒（ HRV），分別拆分取得各自的 RNA和蛋白質(zhì)，將兩種 RNA分別與對方的蛋白質(zhì)外殼重建形成兩種雜合病毒： 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 （一）核酸存在的七個水平及質(zhì)粒 ?細胞水平： 存在于細胞核或核質(zhì)體，單核或多核 ?細胞核水平 : 原與真核生物的細胞核結(jié)構(gòu)不同，核外DNA ?染色體水平 : 倍性 (真核 )和染色體數(shù) ?核酸水平： 在原核中同染色體水平、存在部分二倍體 DNA或 RNA，復(fù)合或裸露，雙鏈或單鏈 ?基因水平： 具自主復(fù)制能力的遺傳功能單位，長度與信息量，轉(zhuǎn)錄 ——翻譯 ?密碼子水平： 信息單位 ,起始和終止 , ?核苷酸水平： 突變或交換單位，四種堿基 二、遺傳物質(zhì)在細胞內(nèi)的存在部位和方式 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 三、原核生物的質(zhì)粒 定義： 是一類小型閉合環(huán)狀核外雙螺旋 DNA分子，能獨立于細胞核進行自主復(fù)制。 大?。?約為 2100 106Dalton，上面攜帶有數(shù)個到數(shù)十個甚至上百個基因。 性質(zhì)： ①可以在細胞質(zhì)中獨立于染色體之外獨立存在（游離態(tài)），也可以通過交換摻入染色體上，以 附加體（ episome） 的形式存在； ②質(zhì)粒是一種 復(fù)制子（ replicon） ，根據(jù)自我復(fù)制能力的不同，可把質(zhì)粒復(fù)制的控制形式分為嚴(yán)緊型和松弛型兩種， 嚴(yán)緊型質(zhì)粒 的復(fù)制受細胞核控制，與染色體 DNA復(fù)制相伴隨 ,一般一個寄主細胞內(nèi)只有少數(shù)幾個（ 15）個拷貝； 松弛型質(zhì)粒 的復(fù)制不受細胞核控制，在染色體 DNA復(fù)制停止的情況下仍可以進行復(fù)制，在細胞內(nèi)的數(shù)量可以達到 10200個或更多。 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 ③ 可以通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)或接合作用而由一個細菌細胞轉(zhuǎn)移到另一個菌細胞中，使兩個細胞都成為帶有質(zhì)粒的細胞；質(zhì)粒轉(zhuǎn)移時，它可以單獨轉(zhuǎn)移，也可以攜帶著染色體（片段）一起進行轉(zhuǎn)移，所以它可成為基因工程的載體。 ④對于細菌的生存并不是必要的 ⑤功能多樣化 功能： 進行細胞間接合，并帶有一些基因，如產(chǎn)生毒素、抗藥性、固氮、產(chǎn)生酶類、降解功能等。 重組： 在質(zhì)粒之間、質(zhì)粒與染色體之間菌可發(fā)生。 存在范圍 ：很多細菌如 、 Shigella、 、Streptococcus lactis、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 三、原核生物的質(zhì)粒 第 八 章 微 生 物 的 遺 傳 幾種代表性質(zhì)粒 Figure. Representative FERTILITY PLASMID. A fertility plasmid carries the genes for conjugation as well as a number of other genes. In this figure the fertility plasmid also carries antibiotic resistant genes. ? 1. F–因子（ fertility factor）： 又稱致育因子或性因子，62 106Dalton， ，相當(dāng)于核染色體 DNA2%的環(huán)狀雙鏈 DNA