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1、第九章第九章 微生物的遗传变异和育种微生物的遗传变异和育种食品科学与工程学院食品科学与工程学院 杨保伟杨保伟第九章第九章 微生物的遗传变异和育种微生物的遗传变异和育种第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组第三节第三节 微生物育种微生物育种第四节第四节 基因工程基因工程第五节第五节 菌种的衰退、复壮和保藏菌种的衰退、复壮和保藏基本内容：基本内容：遗传变异的物质基础（证明核酸是遗传变异物质遗传变异的物质基础（证明核酸是遗传变异物质的经典实验），细菌和真菌基因重组的原理和方的经典实验），细菌和真菌基因重组的原理和方法，微生物诱变育种的原理
2、和方法，基因工程的法，微生物诱变育种的原理和方法，基因工程的基本原理，菌种的衰退、复壮和保藏方法。基本原理，菌种的衰退、复壮和保藏方法。重点与难点：重点与难点：遗传变异的物质基础，基因突变及修复，细菌的遗传变异的物质基础，基因突变及修复，细菌的基因重组，微生物诱变育种的原理和方法。基因重组，微生物诱变育种的原理和方法。变异变异(variation)：生物体在某种外因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内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，表现为亲代与子代、子或数量的改变，表现为亲代与子代、子代间不同个体不完全相同。代间不同个体不完全相同。-遗传和变异是生物体最本质的属性
3、之遗传和变异是生物体最本质的属性之一。一。遗传遗传(heredity或或inheritance)：讲的是讲的是亲子间的关系，指生物的上一代将自己亲子间的关系，指生物的上一代将自己的一整套遗传因子传递给下一代的行为的一整套遗传因子传递给下一代的行为或功能，它具有极其稳定的特性。或功能，它具有极其稳定的特性。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、遗传变异的基本概念一、遗传变异的基本概念1.遗传型遗传型(genotype)又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因的总和。传因子即基因的总和。遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗遗传
4、型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。传物质上所负载的特定遗传信息。2.表型表型(phenotype)指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境下的具体体现。性的总和，是遗传型在合适环境下的具体体现。它与遗传型不同它与遗传型不同,是一种现实性。是一种现实性。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础3.饰变饰变(modification)指不涉及遗传物质结构改变而只发生在指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。转录、翻译水平上的表型变化。特点：特点：整个群体中的几乎每一个
5、体都发整个群体中的几乎每一个体都发生同样变化；性状变化的幅度小；因遗传生同样变化；性状变化的幅度小；因遗传物质不变，故饰变不遗传。物质不变，故饰变不遗传。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础二、证明核酸是遗传变异物质的经典实验二、证明核酸是遗传变异物质的经典实验1 1、经典转化实验、经典转化实验肺炎链球菌：肺炎链球菌：S S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力）有致病能力）R R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）无致病能力）第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础1928年，年，F.Griffth作
6、了作了3组实验组实验:第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础19441944年，年，AveryAvery精确重复了转化实验，确定了转精确重复了转化实验，确定了转化因子化因子实验证明，将实验证明，将R菌转化为菌转化为S菌的转化因子是菌的转化因子是DNA。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础实验证明，实验证明，进入细菌进入细菌细胞内部细胞内部的物质是的物质是DNADNA。DNADNA包含有包含有产生完整产生完整噬菌体的噬菌体的全部信息。全部信息。2 2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础3 3、植物病毒重建实验、植物病毒重建实
7、验实验证明，遗传信息的流向与实验证明，遗传信息的流向与DNADNA的传递是一致的。的传递是一致的。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础三、遗传物质在细胞中的存在方式三、遗传物质在细胞中的存在方式 (一）一）7 7个水平个水平 1 1、细胞水平、细胞水平 2 2、细胞核水平、细胞核水平 3 3、染色体水平、染色体水平 4 4、核酸水平、核酸水平 5 5、基因水平、基因水平 6 6、密码水平、密码水平 7 7、核苷酸水平、核苷酸水平染色体染色体基因基因基因基因DNA基因是一段基因是一段DNADNADNADNA就是脱氧核糖核酸链就是脱氧核糖核酸链腺嘌呤（腺嘌呤（A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）
8、胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（胞嘧啶（C）ATCGAAATTTTTTAAAGGGGGCCCCCGC基因测序基因测序就是读出就是读出 A-C-G-T-G-G-A-C-G.基因控制基因控制PrPr因而控制性状因而控制性状G A TC T AG A UDNAmRNA天天冬冬氨酸氨酸 第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础1 1、细胞水平、细胞水平 真核微生物：细胞核真核微生物：细胞核 原核微生物：核区原核微生物：核区 细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的。同的。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础2 2、细胞核水平、细胞核水平真
9、核生物真核生物 细胞核细胞核 核染色体核染色体原核生物原核生物 核区核区 DNADNA链链核基因组核基因组在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质。在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础3、染色体水平、染色体水平 染色体是由染色体是由组蛋白与组蛋白与DNA构成的线状构成的线状结构。结构。染色体的数目在不同的生物中是不同染色体的数目在不同的生物中是不同的。的。染色体的倍数在同一生物的不同生活染色体的倍数在同一生物的不同生活时期是不同的。时期是不同的。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础4、核酸水平、核酸水平核酸种类：核酸
10、种类：DNA，RNA核酸结构：核酸结构：双链、单链；双链、单链；环状，线状，超螺旋状环状，线状，超螺旋状DNA长度：长度：因种而异因种而异第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础5 5、基因水平、基因水平基因的物质基础是一个具有特定核苷酸顺序的基因的物质基础是一个具有特定核苷酸顺序的DNADNA片段。片段。结构基因：结构基因：为细胞结构、组成为细胞结构、组成(如细胞生化反应所需的酶如细胞生化反应所需的酶)及完成细胞功能所需的蛋白质等进行编码的基因及完成细胞功能所需的蛋白质等进行编码的基因。调节基因：调节基因：用于编码调节蛋白的基因用于编码调节蛋白的基因。操纵基因：操纵基因：是位于启动
11、子和结构基因之间的一段碱基顺序，是位于启动子和结构基因之间的一段碱基顺序，能与调节蛋白相结合，以此来决定结构基因的转能与调节蛋白相结合，以此来决定结构基因的转 录是否能进行。录是否能进行。重复基因：重复基因：DNA片段重复片段重复跳跃基因：跳跃基因：可在可在DNA上转移位置的基因（上转移位置的基因（Tn因子）因子）第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础6 6、密码子水平、密码子水平遗传密码就是指遗传密码就是指DNADNA链上各链上各个核苷酸的特定排列顺序。个核苷酸的特定排列顺序。每个密码子每个密码子(codon)(codon)是由是由3 3个核苷酸顺序所决定的，个核苷酸顺序所决定的
12、，它是负载遗传信息的基本它是负载遗传信息的基本单位。各种生物都遵循着单位。各种生物都遵循着一套共同的密码。一套共同的密码。由于由于DNADNA上的三联密码子要上的三联密码子要通过转录成通过转录成mRNAmRNA密码后才密码后才能与氨基酸相对应，因此，能与氨基酸相对应，因此，三联密码子一般都用三联密码子一般都用 mRNAmRNA上的上的3 3个核苷酸顺序来表示。个核苷酸顺序来表示。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础7 7、核苷酸水平、核苷酸水平 核苷酸是最小突变单位和交换单位。核苷酸是最小突变单位和交换单位。在绝大多数生物的在绝大多数生物的DNADNA组分中组分中,都只含腺苷酸都
13、只含腺苷酸(AMP)(AMP)、胸苷酸、胸苷酸(TMP)(TMP)、鸟苷酸、鸟苷酸(GMP)(GMP)和胞苷酸和胞苷酸(CMP)4(CMP)4种脱氧核苷酸。种脱氧核苷酸。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础（二）原核生物的质粒（二）原核生物的质粒1、定义、定义 质粒（质粒（plasmid）：）：一种独立于染色体一种独立于染色体外，能进行自主复制的外，能进行自主复制的细胞质遗传因子细胞质遗传因子，存在于各种微生物细胞中。存在于各种微生物细胞中。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；在某些特殊条件下，质粒有时能赋需的；在某些特殊条件下，质粒有时能赋
14、予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。到生长优势。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础2、结构特点、结构特点 通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称简称CCC)的超螺旋双链的超螺旋双链DNA分子分子存在于细胞中；存在于细胞中；也发现有线型双链也发现有线型双链DNA质粒和质粒和RNA质粒；质粒；质粒分子的大小范围从质粒分子的大小范围从1kb左右到左右到1000kb；细菌质粒多在细菌质粒多在10kb以内以内第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础严谨型质粒严谨型质粒(stri
15、ngent plasmid)：复制行为与核复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数。染色体的复制同步，低拷贝数。松弛型质粒松弛型质粒(relaxed plasmid)：复制行为与核染复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数。色体的复制不同步，高拷贝数。3 3、质粒的类型、质粒的类型 窄宿主范围质粒窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid)（只能在一种特定的宿主细胞中复制）（只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒广宿主范围质粒(broad host range plasmid)（可以在许多种细菌中复制）（可以在许多种细菌中复制）第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传
16、变异的物质基础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（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质粒是一个常用的克隆载体质粒是一个常用的克隆载体5 5、质粒的检测、质粒的检测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；t 对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药性初步判断。如
17、抗药性初步判断。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础6、质粒的主要种类、质粒的主要种类F因子因子(fertility factor)R因子因子(resistance factor)Col因子因子(colicinogenic factor)Ti质粒质粒(tumor inducing plasmid)巨大质粒巨大质粒(mega质粒质粒)降解性质粒降解性质粒第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础F因子因子(fertility factor)又称致育因子或性因子。是又称致育因子或性因子。是E.coli等等细菌中决定性别的质粒。细菌中决定性别的质粒。约等于约等于2%核染色体核染
18、色体DNA的小型的小型cccDNA。分子量为。分子量为6.2107 Da,94.5 kb,其中有其中有1/3的基因与接合作用有关。的基因与接合作用有关。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础R因子因子(resistance factor)又称又称R质粒或抗性质粒。质粒或抗性质粒。多数多数R因子是由相连的两个因子是由相连的两个DNA片段组成。片段组成。其一为其一为RTF质粒质粒(resistance transfer factor,抗抗性转移因子性转移因子),它含有调节它含有调节DNA复制和拷贝数的基复制和拷贝数的基因及转移基因；因及转移基因；RTF决定性菌毛的形成，通过接决定性菌毛
19、的形成，通过接合而传递。合而传递。其二为其二为抗性决定质粒抗性决定质粒(r-determinant),大小不大小不固定固定,从几百万直至从几百万直至100106 Da以上。其上含有抗以上。其上含有抗生素抗性基因生素抗性基因,例如抗青霉素例如抗青霉素(Pen)、安比西林、安比西林(Amp)、氯霉素、氯霉素(Cam)、链霉素、链霉素(Str)、卡那霉素、卡那霉素(Kan)和磺胺和磺胺(Sul)等基因。等基因。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础Col因子因子(colicinogenic factor)产大肠杆菌素因子。产大肠杆菌素因子。许多细菌都能产生使其他原核生物致死的蛋白许多细菌
20、都能产生使其他原核生物致死的蛋白质类细菌毒素质类细菌毒素(bacteriocin)。大肠杆菌素大肠杆菌素(colicin)是一种是一种E.coli的某些菌株所的某些菌株所分泌的细菌毒素分泌的细菌毒素,具有通过抑制复制、转录、翻具有通过抑制复制、转录、翻译或能量代谢等而专一地杀死其他肠道细菌的功译或能量代谢等而专一地杀死其他肠道细菌的功能。能。凡带凡带Col因子的菌株因子的菌株,由于质粒本身编码一种免疫由于质粒本身编码一种免疫蛋白蛋白,从而对大肠杆菌素有免疫作用从而对大肠杆菌素有免疫作用,不受其伤害。不受其伤害。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础Ti质粒质粒(tumor indu
21、cing plasmid)诱癌质粒。诱癌质粒。根癌土壤杆菌根癌土壤杆菌(Agrobacterium tumefaciens)可引起许多双子叶植物的根癌可引起许多双子叶植物的根癌,它是由该菌它是由该菌的的Ti质粒所引起。质粒所引起。当细菌侵入到植物细胞中后当细菌侵入到植物细胞中后,将其将其DNA释放释放至植物细胞中至植物细胞中,此时此时,含有复制基因的含有复制基因的Ti质粒质粒的小片段与植物细胞中的核染色体组发生整的小片段与植物细胞中的核染色体组发生整合合,破坏控制细胞分裂的激素调节系统破坏控制细胞分裂的激素调节系统,从而从而使它转变成癌细胞。使它转变成癌细胞。Ti质粒已成为植物遗传工程研究中的
22、重要质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体。载体。一些具有重要性状的外源基因可借一些具有重要性状的外源基因可借DNA重重组技术设法插入到组技术设法插入到Ti质粒中质粒中,并进一步使之并进一步使之整合到植物染色体上整合到植物染色体上,以改变该植物的遗以改变该植物的遗 传传性性,达到培育植物优良品种的目的。达到培育植物优良品种的目的。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础巨大质粒巨大质粒(mega(mega质粒质粒)为近年来在根瘤菌属为近年来在根瘤菌属(Rhizobium)(Rhizobium)中发现的一种质粒中发现的一种质粒,分子量为
23、分子量为20020030010300106 6 DaDa,比比 一般质粒大几十倍至一般质粒大几十倍至几百倍几百倍,故称巨大质粒故称巨大质粒,其上有一系列其上有一系列固氮基因。固氮基因。降解性质粒降解性质粒 只在假单胞菌属只在假单胞菌属(Pseudomonas)中发现。中发现。它们的降解性质粒可编码一系列能降解复杂它们的降解性质粒可编码一系列能降解复杂物质的酶物质的酶,从而能利用一般细菌所难以分解的从而能利用一般细菌所难以分解的物质作碳源。物质作碳源。这些质粒以其所分解的底物命名这些质粒以其所分解的底物命名,例如有例如有分解分解CAM(樟脑樟脑)质粒质粒,OCT(辛烷辛烷)质粒质粒,XYL(二甲
24、苯二甲苯)质粒质粒,SAL(水杨酸水杨酸)质粒质粒,MDL(扁桃酸扁桃酸)质粒质粒,NAP(萘萘)质粒和质粒和TOL(甲苯甲苯)质粒等。质粒等。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组 突变突变(mutation)指遗传物质核酸指遗传物质核酸(DNA或或RNA)中的核苷酸顺序突然发中的核苷酸顺序突然发生了稳定的可遗传的变化。生了稳定的可遗传的变化。突变包括突变包括基因突变基因突变(gene mutation,又称点突变又称点突变)和和染色体畸变染色体畸变(chromosomal aberration)两类两类,其中其中以点突变为常见。
25、以点突变为常见。基因突变基因突变是由于是由于DNA链上的一对或少数几对链上的一对或少数几对碱基发生改变而引起的。碱基发生改变而引起的。第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组染色体畸变染色体畸变则是则是DNA的大段变化的大段变化(损伤损伤)现象现象,表现为染色体的表现为染色体的插入插入(insertion)、缺失缺失(deletion)、重复重复(duplication)、易位、易位(translocation)和和倒位倒位(inversion)。条件致死突变型（株）条件致死突变型（株）一、基因突变一、基因突变（一）基因突变的类型一）基因突变的类型突变株突变株表型表型选择性选择性突变
26、株突变株非非选择性选择性突变株突变株营养缺陷型（株）营养缺陷型（株）抗性缺陷型（株）抗性缺陷型（株）形态突变型（株）形态突变型（株）抗原突变型（株）抗原突变型（株）产量突变型（株）产量突变型（株）按方法分：按突变株的表型是否能在选择按方法分：按突变株的表型是否能在选择 性培养基上加以鉴别来区分。性培养基上加以鉴别来区分。形态突变型 菌落形态突变型菌体形态突变型生化突变型营养突变体(营养缺陷型)发酵突变体抗性突变体条件致死突变体抗原突变型产量突变型按按突变突变实质分实质分（一）基因突变的类型一）基因突变的类型第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组1.形态突变型形态突变型:指突变引起细
27、胞形态变化指突变引起细胞形态变化或引起菌落形态改变。或引起菌落形态改变。如细菌的鞭毛、芽孢或荚膜的有无如细菌的鞭毛、芽孢或荚膜的有无,菌落的大小、外形的光滑菌落的大小、外形的光滑(S型型)、粗糙、粗糙(R型型)和颜色等的变异和颜色等的变异;放线菌或真菌放线菌或真菌产孢子的多少、外形或颜色的变异等。产孢子的多少、外形或颜色的变异等。（一）基因突变的类型一）基因突变的类型第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组2.生化突变型生化突变型:指一类代谢途径发生变异但形指一类代谢途径发生变异但形态没有明显变化的突变型。该突变型可进态没有明显变化的突变型。该突变型可进一步细分为一步细分为营养缺陷型
28、营养缺陷型、抗性突变型抗性突变型和和抗抗原突变型原突变型3种类型。种类型。营养缺陷型营养缺陷型-是一类重要的生化突变型。是一类重要的生化突变型。由基因突变而引起代谢过程中某酶合成能由基因突变而引起代谢过程中某酶合成能力丧失的突变型力丧失的突变型,必须在原有培养基中添加必须在原有培养基中添加细胞不能合成的营养成分才能正常生长。细胞不能合成的营养成分才能正常生长。（一）基因突变的类型一）基因突变的类型抗性突变型抗性突变型-是一类能抵抗有害理化因素是一类能抵抗有害理化因素的突变型。据其抵抗的对象可分抗药性、抗的突变型。据其抵抗的对象可分抗药性、抗紫外线或抗噬菌体等突变类型。它在遗传学紫外线或抗噬菌体
29、等突变类型。它在遗传学基本理论的研究中十分有用基本理论的研究中十分有用,常作为选择性常作为选择性标记菌种。标记菌种。抗原突变型抗原突变型-指细胞成分尤其是细胞表面指细胞成分尤其是细胞表面成分成分(细胞壁、荚膜、鞭毛细胞壁、荚膜、鞭毛)的细微改变而引的细微改变而引起抗原性变化的突变型。起抗原性变化的突变型。第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组（一）基因突变的类型一）基因突变的类型第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组3.致死突变型致死突变型-由于基因突变而导致个体死由于基因突变而导致个体死亡的突变型。亡的突变型。4.条件致死突变型条件致死突变型-某菌株或病毒经基因突某菌
30、株或病毒经基因突变后变后,在某种条件下可正常生长、繁殖并在某种条件下可正常生长、繁殖并实现其表型实现其表型,而在另一条件下却无法生长、而在另一条件下却无法生长、繁殖的突变类型。繁殖的突变类型。5.其他突变型其他突变型-如毒力、糖发酵能力、代谢如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种类和产量以及对某种药物的依产物的种类和产量以及对某种药物的依赖性突变型等。赖性突变型等。（一）基因突变的类型一）基因突变的类型（二）突变率出发菌株出发菌株 长出长出突变株突变株含诱变剂的含诱变剂的培养基培养基 某一细胞或病毒粒在每某一细胞或病毒粒在每一世代中发生某一性状突变一世代中发生某一性状突变的几率，称突变率。的几率，称
31、突变率。第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组（三）基因突变的特点（三）基因突变的特点1.不对应性：不对应性：即突变的性状与引起突变的即突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。原因间无直接的对应关系。例如：细菌在有青霉素的环境下例如：细菌在有青霉素的环境下,出现了抗青霉素出现了抗青霉素的突变体的突变体;在紫外线的作用下在紫外线的作用下,出现了抗紫外线的突变体出现了抗紫外线的突变体;在较高的培养温度下在较高的培养温度下,出现了耐高温的突变体等。从表出现了耐高温的突变体等。从表面上看面上看,会认为正是由于青霉素、紫外线或高温的会认为正是由于青霉素、紫外线或高温的“诱诱变变”,才产
32、生了相对应的突变性状。事实恰恰相反才产生了相对应的突变性状。事实恰恰相反,这类这类性状都可通过自发的或其他任何诱变因子诱发得到。性状都可通过自发的或其他任何诱变因子诱发得到。青霉素、紫外线或高温仅是起着淘汰原有非突变型青霉素、紫外线或高温仅是起着淘汰原有非突变型(敏敏感型感型)个体的作用。个体的作用。第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组2.自发性自发性-各种性状的突变各种性状的突变,可以在没有人为可以在没有人为的诱变因素处理下自发产生。的诱变因素处理下自发产生。3.稀有性稀有性-指自发突变的频率较低指自发突变的频率较低,而且稳定而且稳定,一般在一般在10-610-9间。间。例如例
33、如,突变率为突变率为110-8,就意味着就意味着108个细胞群个细胞群体分裂成体分裂成2108个细胞时个细胞时,平均会形成一个平均会形成一个突变体。突变体。第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组4.4.独立性独立性-突变的发生一般是独立的突变的发生一般是独立的,即在即在某一群体中某一群体中,既可发生抗青霉素的突变型既可发生抗青霉素的突变型,也可发生抗链霉素或任何其他药物的抗药也可发生抗链霉素或任何其他药物的抗药性。某一基因的突变性。某一基因的突变,即不提高也不降低其即不提高也不降低其他任何基因的突变率。突变不仅对某一细他任何基因的突变率。突变不仅对某一细胞是随机的胞是随机的,且对某
34、一基因也是随机的。且对某一基因也是随机的。5.5.诱变性诱变性-通过诱变剂的作用通过诱变剂的作用,可提高自发可提高自发突变的频率突变的频率,一般可提高一般可提高101010105 5倍。倍。第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组6.稳定性稳定性-由于突变的根源是遗传物质结构由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化。所以产生的新性状上发生了稳定的变化。所以产生的新性状也是稳定和可遗传的。也是稳定和可遗传的。7.可逆性可逆性-由原始的野生型基因变异为突变由原始的野生型基因变异为突变型基因的过程称为正向突变型基因的过程称为正向突变(forward mutation),相反的过程则称
35、为回复突变或相反的过程则称为回复突变或回变回变(back mutation或或reverse mutation)。实验证明实验证明,任何性状既有正向突变，也可任何性状既有正向突变，也可发生回复突变。发生回复突变。变变 量量 试试 验验 涂涂 布布 试试 验验 影印培养试验影印培养试验 第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组（四）基因突变自发性和不对应性的证明（四）基因突变自发性和不对应性的证明大肠杆菌稀释培养物大肠杆菌稀释培养物10ml10ml(在同一个大管中作整体培养在同一个大管中作整体培养)2 3 7 1 4 4 3 5 抗抗噬菌体菌落数噬菌体菌落数 抗噬菌体菌落数抗噬菌体菌落
36、数变量试验变量试验(培养前先分成培养前先分成5050小管小管)这就说明这就说明,E.coli抗噬菌体性状的突变抗噬菌体性状的突变,不是由所抗不是由所抗的环境因素的环境因素 噬菌体诱导出来的噬菌体诱导出来的,而是在它接触到噬而是在它接触到噬菌体前菌体前,在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的。在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的。这一自发突变发生得越早这一自发突变发生得越早,则抗性菌落出现得越多则抗性菌落出现得越多,反反之则越少之则越少,噬菌体在这里仅起着淘汰原始的未突变的噬菌体在这里仅起着淘汰原始的未突变的敏感菌和鉴别抗噬菌体突变型的作用。利用这一方敏感菌和鉴别抗噬菌体突变型的作用。利用这一
37、方法法,还可计算出突变率。还可计算出突变率。涂布试验涂布试验 涂布涂布敏感菌敏感菌5105104 4个个共共1212个平板个平板5105104 4个菌落个菌落50005000个细菌个细菌/菌落菌落喷入喷入T T1 1保温保温重新涂布后重新涂布后 喷入喷入T T1 1保温保温6 6个平板共个平板共353353个菌落个菌落 6 6个个平板共平板共2828个菌落个菌落影印培养无无药药培养基培养基含含药药培养基培养基影印培养试验影印培养试验原始敏原始敏感菌种感菌种第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组（五）基因突变及其机制（五）基因突变及其机制1.诱发突变（诱发突变（induced mut
38、ation)诱发突变简称诱变，是指通过人为的方法，诱发突变简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。突变频率的手段。凡能显著提高突变频率的理化因子凡能显著提高突变频率的理化因子,都可称为都可称为诱变剂诱变剂(mutagen)。碱基的置换碱基的置换移码突变移码突变染色体畸变染色体畸变碱基的置换碱基的置换直接引起置换的诱变剂直接引起置换的诱变剂HNO2CNH2 腺嘌呤腺嘌呤CO次黄次黄嘌呤嘌呤(HkHk)A.THe.THk.THk.CA.THk.CG.CCOH次黄嘌呤次黄嘌呤(He)(He)碱基的置换碱基的置换间接
39、引起置换的诱变剂间接引起置换的诱变剂C OHT T：烯醇式：烯醇式CT T：酮式酮式OA.TT.AG.CA.T酮式酮式T.G烯醇式烯醇式碱基的置换碱基的置换分子中缺失或增加少数几个碱基对而引起分子中缺失或增加少数几个碱基对而引起造成突变点以后全部遗传密码转录与转释发生错误造成突变点以后全部遗传密码转录与转释发生错误ABC ABCABCABCABCABCABCABCAB+ABC ABCCAB CAB CAB CAB CABABC BCA BCA BCABCABCABCABCA增添一个碱基增添一个碱基缺少一个碱基缺少一个碱基移码突变移码突变染色体畸变染色体畸变 某些理化因子，如射线，紫外线，某些理
40、化因子，如射线，紫外线，亚硝酸等，除能引起点突变外，还会亚硝酸等，除能引起点突变外，还会引起引起DNADNA分子大损伤，包括染色体易位，分子大损伤，包括染色体易位，倒位，缺失，重复等，即为染色体畸倒位，缺失，重复等，即为染色体畸变。变。Cncnc-micro紫外线诱变作用机理紫外线诱变作用机理 使链裂断，破坏核糖和磷酸间的键联使链裂断，破坏核糖和磷酸间的键联引起胞嘧啶和尿嘧啶产生水合作用造成氢键引起胞嘧啶和尿嘧啶产生水合作用造成氢键断裂断裂 能使胸腺嘧啶成二聚体，使结构发生能使胸腺嘧啶成二聚体，使结构发生改变改变 染色体畸变染色体畸变 第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组2.自发
41、突变（自发突变（spontaneous mutation)指微生物在无人工干预下自然发生的指微生物在无人工干预下自然发生的低频率突变。低频率突变。自发突变的原因：自发突变的原因：背景辐射和环境因素引起；背景辐射和环境因素引起；微生物自身有害代谢产物引起；微生物自身有害代谢产物引起；DNA复制过程中碱基配对错误。复制过程中碱基配对错误。（六）紫外线对六）紫外线对DNA的损伤及其修复的损伤及其修复嘧啶嘧啶嘧啶二聚体嘧啶二聚体UV1、光复活作用（、光复活作用（photoreactivation)嘧啶二聚体嘧啶二聚体嘧啶嘧啶光解酶光解酶2.切除修复（切除修复（excision repair)是活细胞内
42、一种用于对被是活细胞内一种用于对被UV等诱变剂损伤后等诱变剂损伤后DNA的修复方式之一，又称暗的修复方式之一，又称暗修复（修复（dark repair)。不依赖可见光，只通过酶不依赖可见光，只通过酶切作用去处嘧啶二聚体，切作用去处嘧啶二聚体，随后重新合成一段正常随后重新合成一段正常DNA链的核酸修复方式。链的核酸修复方式。（六）紫外线对六）紫外线对DNA的损伤及其修复的损伤及其修复第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组二、基因重组（二、基因重组（gene recombination)凡把两个不同性状个体内的遗传基因转凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起移到一起,经过遗传物质分
43、子重新组合经过遗传物质分子重新组合,形形成新遗传型个体的方式成新遗传型个体的方式,称称基因重组基因重组。1.原核微生物的基因重组原核微生物的基因重组 在原核微生物中在原核微生物中,基因重组主要有基因重组主要有转化转化、转导转导、接合接合和和原生质体融合原生质体融合4种形式。种形式。第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组转化转化(transformation)受体细胞直接吸收了来自供体细胞的受体细胞直接吸收了来自供体细胞的DNA片断，并把它整合到自己的基因组片断，并把它整合到自己的基因组中，细胞部分遗传性状发生变化的现象。中，细胞部分遗传性状发生变化的现象。转化的特点：转化的特点：不
44、需两个细胞直接接触，供体不需两个细胞直接接触，供体DNA提取出提取出来，注入受体即可。来，注入受体即可。转化是游离转化是游离DNA片断的转移和重组片断的转移和重组游离的游离的DNA片断叫转化因子片断叫转化因子转化因子由供体提供转化因子由供体提供自然情况下转化因子可由细菌细胞自行裂自然情况下转化因子可由细菌细胞自行裂解产生，实验室里通过提取获得解产生，实验室里通过提取获得双链双链DNA有转化能力，单链没有有转化能力，单链没有第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组转化转化(transformation)第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组转化过程：转化过程：每个受体细胞表
45、面约有每个受体细胞表面约有3080个转化因子结合个转化因子结合点，当转化因子结合到受体表面结合点上时，点，当转化因子结合到受体表面结合点上时，DNA一条链被受体细胞膜上的核酸酶分解，另一一条链被受体细胞膜上的核酸酶分解，另一条链进入受体细胞，通过整合与受体细胞进行基条链进入受体细胞，通过整合与受体细胞进行基因重组。因重组。受体细胞能接受转化的生理状态称为受体细胞能接受转化的生理状态称为感受感受态态，只有处于感受态的细菌才能接受转化因，只有处于感受态的细菌才能接受转化因子。子。转化转化过程过程第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组转导转导(transduction)通过噬菌体的媒介作
46、用，把供体细胞通过噬菌体的媒介作用，把供体细胞的的DNA片段携带到受体细胞中，从而使片段携带到受体细胞中，从而使后者获得前者部分遗传性状的现象，称后者获得前者部分遗传性状的现象，称为为转导转导。获得新遗传性状的受体细胞获得新遗传性状的受体细胞,称为称为转导转导子。子。细菌转细菌转导类型导类型普遍普遍转导转导局限局限转导转导完全普遍转导完全普遍转导流产普遍转导流产普遍转导低频转导低频转导高频转导高频转导第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组普遍转导（普遍转导（generalized transduction）噬菌体可以转导噬菌体可以转导供体菌染色体的任何部分供体菌染色体的任何部分到受
47、体细胞中到受体细胞中的转导过程的转导过程普遍性转导的三种后果：普遍性转导的三种后果：外源外源DNADNA被降解，转导失败。被降解，转导失败。进入受体的外源进入受体的外源DNADNA通通过与细胞染色体的重过与细胞染色体的重组交换而形成稳定的组交换而形成稳定的转导子转导子流产转导流产转导局限转导局限转导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整合到细菌染色体的特定位点上宿主细胞发生溶源化点上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在前噬菌体二侧的少数宿主基因因偶尔发生的不正常切基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体割而连在噬菌体DN
48、A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把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中基因转移到受体菌中局限转导与普遍转导的主要区别：局限转导与普遍转导的主要区别：a a）局限转导中，宿主菌部分基因被转导，与噬菌体局限转导中，宿主菌部分基因被转导，与噬菌体DNADNA连接，与噬菌体连接，与噬菌体DNADNA一起进行复制、包装以及被一起进行复制、包装以及被导入受体细胞中。而导入受体细胞中。而普遍性转导包装的可能全部是普遍性转导包装的可能全部是宿主菌的基因宿主菌的基因。b b）局限性转导颗粒携带局限性转导颗粒携带特定特定的染色体片段并将固定的染色体片段并将固定的个别基因导入受体，故称
49、为局限性转导。的个别基因导入受体，故称为局限性转导。而普遍而普遍性转导携带的宿主基因具有随机性。性转导携带的宿主基因具有随机性。溶源转变是溶源转变是一个与转导相似又不同的现象一个与转导相似又不同的现象温和噬菌体感染细胞后使之发生溶源化，因噬菌体温和噬菌体感染细胞后使之发生溶源化，因噬菌体的基因整合到宿主染色体上，而使后者获得了新性的基因整合到宿主染色体上，而使后者获得了新性状的现象。状的现象。溶源转变的特点：溶源转变的特点：1 1、噬菌体不携带任何供体菌的基因；噬菌体不携带任何供体菌的基因；2 2、噬菌体是完整的，而不是缺陷的；、噬菌体是完整的，而不是缺陷的；3 3、噬菌体基因的整合到噬菌体基
50、因的整合到宿主染色体上宿主染色体上导致导致宿主获宿主获得新性状，无通过基因重组而形成的稳定转导子；得新性状，无通过基因重组而形成的稳定转导子；4 4、宿主获得新性状具有不稳定性。、宿主获得新性状具有不稳定性。第二节第二节 基因突变与基因重组基因突变与基因重组接合接合(conjugation)通过供体菌和受体菌完整细胞间通过供体菌和受体菌完整细胞间的直接接触而传递大段的直接接触而传递大段DNA的过程的过程称为接合。称为接合。三者根本区别在于三者根本区别在于DNADNA转移的方式不同转移的方式不同 转化：转化：供体供体DNADNA片断片断注入受体细胞注入受体细胞接合：接合：供体进入受体通过性纤毛供