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1、第七章第七章 微生物的遗传微生物的遗传 变异与育种变异与育种微生物是遗传学研究中的明星：微生物是遗传学研究中的明星：1.物种和代谢类型多样性（物种和代谢类型多样性（600万种以上）万种以上）2.微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。方便建立纯系。3.易于人工培养，快速、大量生长繁殖。易于人工培养，快速、大量生长繁殖。4.对环境因素敏感，易于获得各类突变株，操作性强。对环境因素敏感，易于获得各类突变株，操作性强。模式生物模式生物遗传（遗传（inheritance）和变异（和变异（variation）是生命是生命的最本质特性之一的最本质特性之
2、一遗传与变异的概念遗传与变异的概念遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。遗传遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。特点：传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。特点：具稳定性。具稳定性。遗传型（遗传型（genotype）：）：又称基因型，指某一生物个体所含有又称基因型，指某一生物个体所含有 的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。是一种内在可能性或潜力。是一种内在可能性或潜力。遗传型遗传型+环境条件环境条件 表
3、型表型表型（表型（phenotype）：）：指某一生物体所具有的一切外表特征和指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件下通过代内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体体现。谢和发育而得到的具体体现。是一种是一种现实存在，现实存在，是具一定遗传型的生物在一定条是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。件下所表现出的具体性状。代谢代谢发育发育变异变异(variation):(variation):生物体在某种外因或内因的作用下所生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。引起的遗传物质结构
4、或数量的改变，亦即遗传型的改变。变变异异的的特特点点：a.a.在在群群体体中中以以极极低低的的几几率率出出现现，（一一般般为为1010-6-61010-10-10）；b b.性性状状变变化化的的幅幅度度大大；c.c.变变化化后后形形成成的的新性状是稳定的，可遗传的。新性状是稳定的，可遗传的。饰变（饰变（modificationmodification）：）：一种不涉及遗传物质结构改变一种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。而只发生在转录、转译水平上的表型变化。特特点点是是：a.a.几几乎乎整整个个群群体体中中的的每每一一个个个个体体都都发发生生同同样样的的变变化化；b.
5、b.性性状状变变化化的的幅幅度度小小；c.c.因因遗遗传传物物质质不不变变，故故饰饰变是不遗传的。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第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础种质连续理论种质连续理论种质连续理论种质连续理论：18831889年间德国年间德国Weisma
6、nn提出。认为遗提出。认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物。传物质是一种具有特定分子结构的化合物。基因学说基因学说基因学说基因学说：1933年摩尔根（年摩尔根（Thomas Hunt Morgan）发现了发现了染色体，并证明基因在染色体上呈直线排列，提出了基因学染色体，并证明基因在染色体上呈直线排列，提出了基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。但染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。但染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。20多种多种氨基酸经过不同排列组合，可以演变出的蛋白质数目几乎可氨基酸经过不同排列组合，可以演变出的蛋白质数
7、目几乎可以达到一个天文数字，而核酸的组成却简单得多，一般仅由以达到一个天文数字，而核酸的组成却简单得多，一般仅由4种不同的核苷酸组成，它们通过排列核组合只能产生较少种不同的核苷酸组成，它们通过排列核组合只能产生较少种类的核酸，因此当时认为决定生物遗传型的染色体和基因，种类的核酸，因此当时认为决定生物遗传型的染色体和基因，起活性成分是蛋白质。起活性成分是蛋白质。DNADNA是遗传变异的物质基础的证明是遗传变异的物质基础的证明是遗传变异的物质基础的证明是遗传变异的物质基础的证明：1944年以后，先后有利年以后，先后有利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证（肺炎链球用微生物为实验对象进行的三个
8、著名实验的论证（肺炎链球菌的转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验），菌的转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验），才使人们普遍接受核酸才是真正的遗传物质。才使人们普遍接受核酸才是真正的遗传物质。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F.Griffith，研究对象：研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎链球菌）肺炎链球菌）S型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性;R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（一）经典转化实验（一）经典转化实
9、验（transformation）1928年，年，Griffith进行了以下几组实验：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R菌或死菌或死S菌菌 小鼠存活小鼠存活对小鼠注射活对小鼠注射活S菌菌小鼠死亡小鼠死亡对小鼠注射活对小鼠注射活R菌和热死菌和热死S菌菌 小鼠死亡小鼠死亡 抽取心血分离抽取心血分离 活的活的S菌菌加热杀死的加热杀死的S型细菌里可能存在一种具有遗传转化能力的物质，它能通过型细菌里可能存在一种具有遗传转化能力的物质，它能通过某种方式进入某种方式进入R型细胞，使其获得型细胞，使其获得S型的遗传特性型的遗传特性（2）细菌培养实验）细菌培养实验（3）S型菌
10、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S型细菌细胞内可能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存在一种转化物质，它能通过某种方式进入R型细胞型细胞并使并使R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S型细胞。型细胞。热死热死S菌菌不生长不生长活活 R 菌菌长出长出R菌菌热死热死S菌菌长出大量长出大量R菌和菌和10-6SI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菌和菌和少量少量S菌菌+活活R菌菌平皿培养平皿培养平皿培养平皿培养平皿培养平皿培养 1944年年O.T.Avery、C.M.M
11、acLeod和和M.McCarty从从热热死死S型型S.pneumoniae中中提提纯纯了了可可能能作作为为转转化化因因子子的的各各种种成分，并在离体条件下进行了转化试验：成分，并在离体条件下进行了转化试验：只只有有S型型细细菌菌的的DNA才才能能将将S.pneumoniae的的R型型转转化化为为S型型。且且DNA纯纯度度越越高高，转转化化效效率率也也越越高高。说说明明S型型菌菌株株转转移给移给R型菌株的是以型菌株的是以DNA为遗传物质基础的遗传信息。为遗传物质基础的遗传信息。对各种生化组分进行转化试验对各种生化组分进行转化试验（二）噬菌体感染实验（二）噬菌体感染实验（三）植物病毒的重建实验（
12、三）植物病毒的重建实验 为了证明核酸是遗传物质为了证明核酸是遗传物质，H.FraenkelConrat（1956）用含用含RNA的烟草花叶病毒的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。进行了著名的植物病毒重建实验。将将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。核心相分离。选选用用TMV和和霍霍氏氏车车前前花花叶叶病病毒毒（HRV），分分别别拆拆分分取取得得各各自自的的RNA和和蛋蛋白白质质，将将两两种种RNA分分别别与与对对方方的的蛋蛋白白质质外外壳壳重重建建形形成成两两种杂合病毒：种杂合病毒：（1）RN
13、A（TMV）蛋白质（蛋白质（HRV）（2）RNA（HRV）蛋白质（蛋白质（TMV）用两种杂合病毒感染寄主：用两种杂合病毒感染寄主：（1）表现）表现TMV的典型症状病分离到正常的典型症状病分离到正常TMV粒子粒子（2）表现）表现HRV的典型症状病分离到正常的典型症状病分离到正常HRV粒子。粒子。上述结果说明，在上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质病毒中，遗传的物质基础也是核酸基础也是核酸,只不过是只不过是RNA。（一）（一）7个水平个水平1、细胞水平：大部分、细胞水平：大部分DNA都集中在核区或细胞核中，核的数目因微生物种都集中在核区或细胞核中，核的数目因微生物种类不同而不同。类不同而不同。
14、2、细胞核水平：真核微生物的、细胞核水平：真核微生物的DNA与组蛋白在一起形成核染色与组蛋白在一起形成核染色体；原核生物的只有核区。统称为核基因组、核染色体组或基因组。体；原核生物的只有核区。统称为核基因组、核染色体组或基因组。二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式3、染色体水平：不同微生物染色体数目不一样，多数微生物是单、染色体水平：不同微生物染色体数目不一样，多数微生物是单倍体，少数情况下是双倍体，如合子。倍体，少数情况下是双倍体，如合子。4、核酸水平、核酸水平除除病毒病毒的遗传物质有的遗传物质有RNA外，其余生物的遗传物质是外，其余生物的遗传
15、物质是DNA除病毒的遗传物质有单链的除病毒的遗传物质有单链的RNA或或DNA外，外，其余生物的遗传物质其余生物的遗传物质是双链是双链DNA不同微生物基因组差别极大不同微生物基因组差别极大5、基因水平、基因水平基因是生物体内一切具有自主复制能力的最小基因是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位遗传功能单位，其，其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段。6、密码子水平、密码子水平遗传密码是指遗传密码是指DNA链上决定各具体氨基酸的特定链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序核苷酸排列顺序每一密码子由每一密码子由3个核苷酸
16、序列即个核苷酸序列即1个三联体组成。个三联体组成。7、核苷酸水平、核苷酸水平是一个最低突变单位。是一个最低突变单位。绝大多数生物的绝大多数生物的DNA由腺苷酸、胸苷酸、鸟苷酸和胞苷酸组成。由腺苷酸、胸苷酸、鸟苷酸和胞苷酸组成。三、原核生物的质粒三、原核生物的质粒 1.定义：定义：质粒（质粒（plasmid）：）：凡游离于原核生物核基因组凡游离于原核生物核基因组外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，即分子，即cccDNA，就是典型的质粒。，就是典型的质粒。2、结构特点、结构特点通常以共价闭合环状的超螺旋双链通常以共价闭合环状的超螺旋双链D
17、NA分子存在于细胞中；也发现有线分子存在于细胞中；也发现有线型双链型双链DNA质粒和质粒和RNA质粒；质粒；3.3.质粒的质粒的性质性质可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以也可以通过交换掺入染色体上，以附加体（附加体（episomeepisome）的的形式存在；形式存在；附加体附加体(episome)：某些质粒具有与核染色体整合、脱离的：某些质粒具有与核染色体整合、脱离的功能，这类质粒称附加体。功能，这类质粒称附加体。质粒是一种质粒是一种复制子（复制子（repliconreplicon），），根据自我
18、复制能力的不根据自我复制能力的不同，可把质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种。同，可把质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种。3、质粒的类型、质粒的类型严紧型质粒严紧型质粒(stringent plasmid)：与核染色体的与核染色体的同步复制，这类细胞中仅含同步复制，这类细胞中仅含12个质粒。个质粒。松弛型质粒松弛型质粒(relaxed plasmid)：与核染色体的不与核染色体的不同步复制，同步复制，这类细胞中含这类细胞中含1015甚至更多个质粒甚至更多个质粒。4、质粒在基因工程中的应用、质粒在基因工程中的应用质粒的优点：质粒的优点：（1）体积小，易分离和操作）体积小，易分离和操作（
19、2）环状，稳定）环状，稳定（3）独立复制）独立复制（4）拷贝数多）拷贝数多（5）存在标记位点，易筛选）存在标记位点，易筛选E.coli的的pBR322质粒是一个质粒是一个常用的克隆载体常用的克隆载体5、质粒的分离与检定、质粒的分离与检定t 提取所有胞内提取所有胞内DNA后电镜观察；后电镜观察；t 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；几种代表性质粒几种代表性质粒1.F质质粒粒（fertility factor）：）：又称又称F因子、致育因子、致育因子或性因子。是因子或性因子。是E.coli等细菌决定性别并有等细菌决定性别并有转移能力的质粒。存在于肠细菌属、假单胞菌转移
20、能力的质粒。存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中。属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中。携带携带F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），菌株（相当于雄性），无无F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F-菌菌株（相当于雌性）。株（相当于雌性）。2.R质粒（质粒（resistence factor）包括抗药性和抗重金属二大类，简称包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。质粒。抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。R质粒质粒抗性转移因子（抗性转移因子（RTF）：）：转移和复制基因转移和复制基因
21、抗性决定因子：抗性基因抗性决定因子：抗性基因大肠杆菌（大肠杆菌（E.coli）产生的细菌素为产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），大肠杆菌素），大肠杆菌大肠杆菌素是由素是由Col质粒编码。质粒编码。3.Col质粒（质粒（colicinogenic factor）Col质粒质粒:能编码大肠菌素基因，大肠菌素是一种细菌蛋白，只杀死近缘且能编码大肠菌素基因，大肠菌素是一种细菌蛋白，只杀死近缘且不含不含Col质粒的菌株，而宿主不受其产生的细菌素影响。质粒的菌株，而宿主不受其产生的细菌素影响。许多细菌都能产生抑制或杀死其他近缘细菌或者同种不同菌株的代谢产物，许多细菌都能产生抑制或杀死其他近缘细菌
22、或者同种不同菌株的代谢产物，所以称为所以称为细菌素细菌素。即诱癌质粒。即诱癌质粒。引起双子叶植物冠瘿引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子，其宿瘤的致病因子，其宿主是一种根癌土壤杆主是一种根癌土壤杆菌，是当前植物基因菌，是当前植物基因工程中使用最广、效工程中使用最广、效果最佳的克隆载体。果最佳的克隆载体。4.Ti质粒质粒（tumor inducing plasmid）存在于发根土壤杆菌中，引起许多双子叶存在于发根土壤杆菌中，引起许多双子叶植物患毛根瘤。植物患毛根瘤。可作为外源基因的良好载体和合成次生代可作为外源基因的良好载体和合成次生代谢产物。谢产物。5.Ri质粒质粒 是近年来在是近年来在Rhizob
23、ium（根瘤菌属）中发现的根瘤菌属）中发现的一种质粒，分子量为一种质粒，分子量为200300106Dalton，比比一般质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒，一般质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒，其上有一系列固氮基因。其上有一系列固氮基因。6.mega6.mega质粒（巨大质粒）质粒（巨大质粒）降解性质粒降解性质粒：这类质粒可为降解一系列复杂有机物：这类质粒可为降解一系列复杂有机物的酶编码，可在污水处理、环境保护等方面发挥特的酶编码，可在污水处理、环境保护等方面发挥特有的作用。有的作用。含有数种降解性质粒的菌株含有数种降解性质粒的菌株“超级菌超级菌”7.降解性质粒降解性质粒第二节第二节 基因突
24、变和诱变育种基因突变和诱变育种一、基因突变一、基因突变 是变异的一类，泛指细胞内（或病毒粒类）遗传物是变异的一类，泛指细胞内（或病毒粒类）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，可质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，可自发或诱导产生。自发或诱导产生。野生型（野生型（wild type）：）：从自然界分离到的任何微生物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在其发生突变前的原始菌株突变体（突变体（mutant）：）：野生型经突变后形成的带有新野生型经突变后形成的带有新性状的菌株性状的菌株（一）基因突变的类型（一）基因突变的类型按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来按
25、是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：分：选择性突变株（选择性突变株（selective mutantselective mutant）：）：具有选择标具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型）记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、，只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、pHpH值等，就比较容易检出和分离到。值等，就比较容易检出和分离到。非选择性突变株（非选择性突变株（non-selective mutantnon-selective mutant）：）：无选无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型）择标记（如产
26、量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并，能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。找出差异。营养缺陷型营养缺陷型因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，并因而成因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变类型。为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变类型。抗性突变型抗性突变型因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性。性。条件致死突变型条件致死突变型某菌株在基因突变后，在某种条件下可正常生长、某菌株在基因突变后，在某种条件下可正常生长、繁殖，而在另一
27、种条件下却无法生长、繁殖。繁殖，而在另一种条件下却无法生长、繁殖。Ts突变株即温度敏感株：是一类典型的突变株即温度敏感株：是一类典型的条件致死突变型。条件致死突变型。例如大肠杆菌的某些菌株在例如大肠杆菌的某些菌株在37以下正常生长，却以下正常生长，却 不能不能42 以下正常生长以下正常生长形态突变型形态突变型基因突变后引起的个体或菌落形态发生变异。基因突变后引起的个体或菌落形态发生变异。抗原突变型抗原突变型基因突变后引起细胞抗原结构发生变异。基因突变后引起细胞抗原结构发生变异。产量突变型产量突变型基因突变后引起代谢产物产量上明显有别基因突变后引起代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株。于原始
28、菌株的突变株。选选择择性性突突变变株株非非选选择择性性突突变变定义：定义：某某一细胞（或病毒粒）在每一世代中发一细胞（或病毒粒）在每一世代中发生某一性状突变的几率。生某一性状突变的几率。突变率：可采用营养缺陷型的回复突变株或抗突变率：可采用营养缺陷型的回复突变株或抗药性突变株来检测。药性突变株来检测。例如：突变率为例如：突变率为108：一亿次分裂中，会发生一亿次分裂中，会发生 一次突变。一次突变。（二）突变率（二）突变率若干细菌某一性状的自发突变率若干细菌某一性状的自发突变率菌菌 名名 突变性状突变性状突变突变率率E.coliE.coli抗抗T1T1噬菌体噬菌体3 103 1088E.coli
29、E.coli抗抗T3T3噬菌体噬菌体1 101 1077 E.coliE.coli不发酵乳糖不发酵乳糖1 101 101010E.coliE.coli 抗抗紫外线紫外线1 101 1055Staphylococcus aureusStaphylococcus aureus 抗青霉素抗青霉素1 101 1077 （1）自发性：指可自发地产生突变）自发性：指可自发地产生突变（2）不对应性：突变性状与引起突变的原因之间无直接对）不对应性：突变性状与引起突变的原因之间无直接对应关系应关系（3）稀有性：自发突变的几率很低，在）稀有性：自发突变的几率很低，在106109间间（4）独立性：某基因的突变率不受
30、它种基因突变率的影响）独立性：某基因的突变率不受它种基因突变率的影响（5）可诱变性：通过物理或化学因子的处理，可大大提高）可诱变性：通过物理或化学因子的处理，可大大提高突变率突变率（6）稳定性：突变后的新性状是可遗传的，稳定的）稳定性：突变后的新性状是可遗传的，稳定的（7）可逆性：野生型菌株发生突变后，也能发生回复突变。）可逆性：野生型菌株发生突变后，也能发生回复突变。（三）突变的特点（三）突变的特点（四）基因突变的自发性和不对应性的证明（四）基因突变的自发性和不对应性的证明 在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相当长在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相当长时间内对这种抗性产
31、生的原因争论十分激烈。时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是间是相对应的，并认为这就是“定向变异定向变异”，也有人称它为，也有人称它为“驯化驯化”或或“驯养驯养”。另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对的。由另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综于
32、其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。在一起，所以难以探究问题的实质。从从19431943年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了检出在年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题，终于解决了这场纷争。接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题，终于解决了这场纷争。证明突变的性状与引起突变的原因间证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！无直接对应关系！如何证明基因突变的如何证明基因突变的自发性自发性和和不对应性不对应性?三个经典实验三个经典实验变量实验、涂布实验、影印实验变量实验、涂布实验
33、、影印实验实验证据实验证据变量实验（变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria and Max Delbruck（1943）Salvador LuriaS.E.卢瑞亚卢瑞亚 Max DelbruckM.戴尔布鲁克戴尔布鲁克 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969变量实验（变量实验（fluctuation analysis）Newcombe的涂布实验的涂布实验(1949)影印实验影印实验(replica plating)Joshua Lederberg and Esther Lederberg(1952)
34、Joshua LederbergJ.Lederberg is awarded the Noble Prize in Medicine and Physiology in 1958基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的，诱变又基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的，诱变又可分为点可分为点突变（一对碱基）和畸变（一段染色体）。具体类型突变（一对碱基）和畸变（一段染色体）。具体类型可归纳如下：可归纳如下：（五）基因突变及其机制（五）基因突变及其机制1.1.诱发突变诱发突变诱变剂诱变剂（mutagenmutagen）：）：凡能提高突变率的任凡能提高突变率的任何理化因子，就称为诱变剂
35、何理化因子，就称为诱变剂种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有几种作用即使是同一种诱变剂，也常有几种作用方式。方式。按照遗传物质结构变化的特点讨论几种有按照遗传物质结构变化的特点讨论几种有代表性的诱变剂的作用机制。代表性的诱变剂的作用机制。（1）碱基的置换）碱基的置换碱基置换是染色体的微小损伤，只涉及一对碱基被另一对碱基所碱基置换是染色体的微小损伤，只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。分转换和颠换。置换。分转换和颠换。诱变的机制：直接与核酸的碱基发生化学反应，引起诱变的机制：直接与核酸的碱基发生化学反应，引起DNA复制复制时发生转换
36、；有的是碱基类似物，通过活细胞的代谢活动掺入时发生转换；有的是碱基类似物，通过活细胞的代谢活动掺入到到DNA分子中引起转换。分子中引起转换。常见诱变剂：亚硝酸、各种烷化剂（直接作用）；常见诱变剂：亚硝酸、各种烷化剂（直接作用）；5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶（2）移码突变）移码突变指诱变剂会使指诱变剂会使DNA序列中的一个或少数几个核苷酸发生增添序列中的一个或少数几个核苷酸发生增添或缺失，从而使该处后面的全部遗传密码的阅读框架发生改或缺失，从而使该处后面的全部遗传密码的阅读框架发生改变，并进一步引起转录和转译错误的一类突变。变，并进一步引起转录和转译错误的一类突变。能引起能引起移码突变都是一些移码突变都
37、是一些吖啶类化合物吖啶类化合物突变机制：吖啶类化合物的结构与嘌呤突变机制：吖啶类化合物的结构与嘌呤-嘧啶对十分相似，能嘧啶对十分相似，能嵌入两个相邻的嵌入两个相邻的DNA碱基对之间。碱基对之间。（3）染色体畸变）染色体畸变主要是指主要是指DNA分子的大损伤，包括缺失、重复、插入、易位和倒分子的大损伤，包括缺失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化。位，也包括染色体数目的变化。转座转座：DNA序列通过非同源重组的方式，从染色体某一部位转移序列通过非同源重组的方式，从染色体某一部位转移到同一染色体上另一部位或其他染色体上某一部位的现象。到同一染色体上另一部位或其他染色体上某一部位的现象。
38、转座因子转座因子：又称可移动基因，或跳跃基因，指具有转座作用的一：又称可移动基因，或跳跃基因，指具有转座作用的一段段DNA序列。序列。定义：指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。定义：指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。自发突变的原因：自发突变的原因：（1）背景辐射和环境因素；）背景辐射和环境因素；（2）自身有害代谢产物；）自身有害代谢产物；（3）DNA复制过程中碱基配对错误引起。复制过程中碱基配对错误引起。2、自发突变、自发突变紫外线对紫外线对DNA的损伤机制是使相邻嘧啶形成的损伤机制是使相邻嘧啶形成嘧啶二聚体嘧啶二聚体和水合物，相邻和水合物，相邻嘧啶形成二聚体嘧啶形成二聚体后
39、，造成局部后，造成局部DNA分子无法配对，从而引起分子无法配对，从而引起微生物的死亡或突变。微生物的死亡或突变。设备：紫外灯、磁力搅拌器、暗室等。设备：紫外灯、磁力搅拌器、暗室等。样品：要直接暴露在紫外灯下，厚度不能超样品：要直接暴露在紫外灯下，厚度不能超过过3mm。照射时，要用。照射时，要用磁力搅拌器搅拌。磁力搅拌器搅拌。（六）紫外线（六）紫外线（UV）对）对DNA的损伤及其修复的损伤及其修复把经把经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下时，就可出现照射后的微生物立即暴露于可见光下时，就可出现明显降低其死亡率的现象，即明显降低其死亡率的现象，即光复活作用光复活作用。机制：经机制：经UV照射后带
40、有嘧啶二聚体的照射后带有嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗下分子，在黑暗下会与一种光激活酶会与一种光激活酶光解酶结合，这种复合物在可见光光解酶结合，这种复合物在可见光下，光解酶会获得光能而激活，并使二聚体重新分解成单体。下，光解酶会获得光能而激活，并使二聚体重新分解成单体。指导意义：在利用指导意义：在利用UV进行诱变育种时，要在红光下进行照进行诱变育种时，要在红光下进行照射和后续操作，并放置在黑暗条件下培养。射和后续操作，并放置在黑暗条件下培养。1、光复活作用、光复活作用又称暗修复，是一种用于对被又称暗修复，是一种用于对被UV等诱变剂损伤后的修复方式，等诱变剂损伤后的修复方式，其特点是不依赖可见光
41、，只通过其特点是不依赖可见光，只通过酶切作用酶切作用去除嘧啶二聚体随后去除嘧啶二聚体随后重新合成一段正常重新合成一段正常DNA链的核酸修复方式。链的核酸修复方式。核酸内切酶：作用位点在多核苷酸链核酸内切酶：作用位点在多核苷酸链的内部，打开一个的内部，打开一个3 3-OH-OH和和5 5-P-P的单的单链缺口。链缺口。核酸外切酶：作用位点从多核苷酸链核酸外切酶：作用位点从多核苷酸链的的5 5-P-P至至3 3-OH-OH方向切除二聚体。方向切除二聚体。共需要四种酶：共需要四种酶：核酸内切酶、核酸内切酶、核酸内切酶、核酸内切酶、DNA聚合酶、聚合酶、DNA连接酶连接酶2、切除修复、切除修复微生物育
42、种所经历的大致历程：微生物育种所经历的大致历程：从生产中选育或定向培育选育（未采用诱变剂，自发突从生产中选育或定向培育选育（未采用诱变剂，自发突变株）变株）采用诱变剂进行诱变，提高突变频率，筛选采用诱变剂进行诱变，提高突变频率，筛选有用菌株有用菌株利用接合、原生质体融合等技术使基因发利用接合、原生质体融合等技术使基因发生重组（细胞水平）生重组（细胞水平）体外体外DNA重组技术（基因工重组技术（基因工程技术）创造具有新的生物性状的生物程技术）创造具有新的生物性状的生物二、突变与育种二、突变与育种微生物育种的目的是人为地使某种代谢产物过量积微生物育种的目的是人为地使某种代谢产物过量积累，最大程度降
43、低成本，把生物合成的途径累，最大程度降低成本，把生物合成的途径 朝人们朝人们所希望的方向引导，最终获得高产、优质和低耗的所希望的方向引导，最终获得高产、优质和低耗的菌种。菌种。（一）自发突变及育种（一）自发突变及育种 主要是通过实践经验选择生产中发生自发突主要是通过实践经验选择生产中发生自发突变的菌株或不断转接微生物菌株以期获得其变的菌株或不断转接微生物菌株以期获得其自发突变菌株。自发突变菌株。特点：费时、费力，工作被动，守株待兔式特点：费时、费力，工作被动，守株待兔式的的 例：卡介苗的筛选，连续接种例：卡介苗的筛选，连续接种230代代定义：指利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞定
44、义：指利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、快速和高效群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选出少数符合目的的突变株，以供科学实验的筛选方法，从中挑选出少数符合目的的突变株，以供科学实验或生产实践使用。或生产实践使用。（二）诱变育种（二）诱变育种1、诱变育种的基本环节、诱变育种的基本环节2、诱变育种的原则、诱变育种的原则诱变剂诱变剂物理因素物理因素化学因素化学因素紫外线紫外线激光激光离子束离子束X射线射线r射线射线快中子快中子烷化剂烷化剂碱基类似物碱基类似物吖啶化合物吖啶化合物（1）使用简便有效的诱变剂
45、）使用简便有效的诱变剂Ames试验：利用细菌模型了解潜在化学致癌物的诱变作用试验：利用细菌模型了解潜在化学致癌物的诱变作用“生物化学统一性生物化学统一性”法则：法则：人和细菌在人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物发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生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突变，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。最后造成癌变或其他不良的后果。诱变剂的共性原则：诱变剂的共性原则：化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比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超过95%95%的致癌物质对微生物有诱变
46、作用的致癌物质对微生物有诱变作用90%90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用 有些化学物质会引起核酸结构的损伤并对生物具有致突变、有些化学物质会引起核酸结构的损伤并对生物具有致突变、致畸变和致癌变，常简称三致作用。致畸变和致癌变，常简称三致作用。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年发年发明，因此称为明，因此称为Ames试验试验具体操作：检测具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌鼠伤寒沙门氏菌组氨酸营养缺陷型菌组氨酸营养缺陷型菌株株(his-)的回复突变率。的回复突变率。回复突变回复突变：突变体失去的野生型性状，可以通过
47、第二突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变艾姆氏试验：是一种利用细菌营养缺艾姆氏试验：是一种利用细菌营养缺陷型的回复突变来检测环境或食品中陷型的回复突变来检测环境或食品中是否存在化学致癌剂的简便有效方法。是否存在化学致癌剂的简便有效方法。菌种：鼠伤寒沙门氏菌菌种：鼠伤寒沙门氏菌his；原理：原理：his 在基本培养基上不长；而发生回复突在基本培养基上不长；而发生回复突变则长。变则长。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：国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的
48、药物“反应停反应停”，由于，由于其药效显著，在其药效显著，在60-7060-70年代十分流行，年代十分流行，但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用的妇女大多曾服用“反应停反应停”，后来采用，后来采用AmesAmes试验发现这种物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质的确具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用但如果能在这种药物上市之前就进行但如果能在这种药物上市之前就进行AmesAmes试验检测，那么这种试验检测，那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免，大量出生畸形儿的悲剧完
49、全可以避免，出发菌株：就是用于育种的原始菌株。出发菌株：就是用于育种的原始菌株。目前这项工作还目前这项工作还仅凭经验仅凭经验（2）挑选优良的出发菌株）挑选优良的出发菌株（3）处理单细胞或单孢子悬液：如霉菌或放线菌的）处理单细胞或单孢子悬液：如霉菌或放线菌的 分生孢子或细菌的芽孢分生孢子或细菌的芽孢 （4）选用合适的诱变剂量）选用合适的诱变剂量 紫外线剂量：强度与作用时间之乘积紫外线剂量：强度与作用时间之乘积 化学诱变剂剂量：浓度与处理时间来表示化学诱变剂剂量：浓度与处理时间来表示（5）充分利用复合处理的协同效应）充分利用复合处理的协同效应（6）利用和创造形态、生理与产量间的相关指标）利用和创造
50、形态、生理与产量间的相关指标（7）设计高效筛选方案）设计高效筛选方案（8）创造新型筛选方法）创造新型筛选方法3 3、三类突变株的筛选、三类突变株的筛选（1）产量突变株的筛选）产量突变株的筛选 （2）抗药性突变株的筛选）抗药性突变株的筛选（3）营养缺陷型突变株的筛选）营养缺陷型突变株的筛选（1）产量突变株的筛选）产量突变株的筛选（2）抗药性突变株的筛选）抗药性突变株的筛选异烟肼是一种抗代谢药物，能阻止敏感菌的生长，而吡哆醇是异异烟肼是一种抗代谢药物，能阻止敏感菌的生长，而吡哆醇是异烟肼的结构类似物，当敏感菌能在含异烟肼的培养基上生长时，烟肼的结构类似物，当敏感菌能在含异烟肼的培养基上生长时，能合