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1、 理想的工业发酵菌种应符合以下要求理想的工业发酵菌种应符合以下要求：遗传性状稳定；生长速度快，不易被噬菌体等异遗传性状稳定；生长速度快，不易被噬菌体等异种微生物污染；目标产物的产量尽可能接近理论种微生物污染；目标产物的产量尽可能接近理论转化率；目标产物最好能分泌到细胞外，以降低转化率；目标产物最好能分泌到细胞外，以降低产物抑制并利于分离；尽可能减少产物类似物的产物抑制并利于分离；尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产量并利于分离；培养产量，以提高目标产物的产量并利于分离；培养基成分简单、来源广、价格低廉；对温度、基成分简单、来源广、价格低廉；对温度、pHpH、离子强度、剪切力等环境因素
2、不敏感；对溶氧的离子强度、剪切力等环境因素不敏感；对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。要求低，便于培养及降低能耗。研究微生物遗传学的意义研究微生物遗传学的意义 微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的生微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的生物学基本理论问题中最热衷的物学基本理论问题中最热衷的研究对象研究对象研究对象研究对象。对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现现现现代分子生物学代分子生物学代分子生物学代分子生物学和和生物工程学生物工程学生物工程学生物工程学的发展，而且为的发展，而且为育种育种育种育种工作工作工作工作提供了丰富的理论基础，促使育种工作从不
3、提供了丰富的理论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。近缘杂交到远缘杂交的方向发展。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：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物遗传：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。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。特点：具稳定性。变异：生物体在外因或内因的作用下，遗传物质变异：生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。
4、变异的特点：（的结构或数量发生改变。变异的特点：（1 1）在群）在群体中以极低的几率出现，（一般为体中以极低的几率出现，（一般为1010-6-61010-10-10）；）；（2 2）形状变化的幅度大；（）形状变化的幅度大；（3 3）变化后形成的新）变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。性状是稳定的，可遗传的。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、经典转化实验一、经典转化实验研究对象：肺炎双球菌研究对象：肺炎双球菌 S 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 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
5、病性。（1 1）动物实验）动物实验 对小鼠注射活对小鼠注射活R R菌或死菌或死S S菌菌 小鼠存活小鼠存活 对小鼠注射活对小鼠注射活S S菌菌小鼠死亡小鼠死亡 对小鼠注射活对小鼠注射活R R菌和热死菌和热死S 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 S菌菌 转化试验示意转化试验示意 （2 2）细菌培养实验）细菌培养实验 平皿培养平皿培养 热死热死S S菌菌不生长不生长 活活R R菌菌长出长出R R菌菌 热死热死S S菌菌长出大量长出大量R R菌和菌和1010-6-6S S菌菌 +活活R R菌菌（3 3）S S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验 活活R R菌菌+
6、S+S菌无细胞抽提液菌无细胞抽提液长出大量长出大量R R菌和少量菌和少量S S菌菌 以上实验说明：加热杀死的以上实验说明：加热杀死的S S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R R型细胞并使型细胞并使R R型细胞获得稳定的遗传性状，转变型细胞获得稳定的遗传性状，转变为为S S型细胞。型细胞。从从热热死死S S型型S.S.pneumoniaepneumoniae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成分分，并并在在离离体体条条件件下下进进行行了了转化试验：转化试验：加加S S菌菌DNA DNA 加加S
7、 S菌菌DNADNA及及DNADNA酶以外的酶酶以外的酶加加S S菌的菌的DNADNA和和DNADNA酶酶加加S S菌的菌的RNARNA加加S S菌的蛋白质菌的蛋白质加加S S菌的荚膜多糖菌的荚膜多糖活活R R菌菌长出长出S S菌菌只有只有R R菌菌只有只有S S型细菌的型细菌的DNADNA才能将才能将S.pneumoniaeS.pneumoniae的的R R型转化型转化为为S S型。且型。且DNADNA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 S型菌株转移给型菌株转移给R 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10分钟后用捣碎
8、器使空壳脱离吸附离心沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体（1 1）含）含32P-DNA32P-DNA的一组：放射性的一组：放射性8585%在沉淀中在沉淀中上清液中含15%放射性沉淀中含85%放射性 以以32S32S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验10分钟后用捣碎器使空壳脱离吸附离心沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体上清液中含75%放射性沉淀中含25%放射性（2 2）含）含35S-35S-蛋白质的一组：放射性蛋白质的一组：放射性7575%在上清液中在上清液中 三、植物病毒的重建实验三、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
9、遗传物质，H.Fraenkel-H.Fraenkel-ConratConrat（19561956）用含）用含RNARNA的烟草花叶病毒（的烟草花叶病毒（TMVTMV）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TMVTMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与蛋白质外壳与RNARNA核心相分离。分离后的核心相分离。分离后的RNARNA在没在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。子。选用选用TMV
10、TMV和霍氏车和霍氏车前花叶病毒前花叶病毒（HRVHRV），分别拆），分别拆分取得各自的分取得各自的RNARNA和蛋白质，将两种和蛋白质，将两种RNARNA分别与对方的分别与对方的蛋白质外壳重建形蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：成两种杂合病毒：1 1、RNARNA（TMVTMV）-蛋白质（蛋白质（HRVHRV）2 2、RNARNA（HRVHRV）-蛋白质（蛋白质（TMVTMV）用两种杂合病毒感染寄主用两种杂合病毒感染寄主：1 1、表现、表现TMVTMV的典型症状病分离到正常的典型症状病分离到正常TMVTMV粒子粒子2 2、表现、表现HRVHRV的典型症状病分离到正常的典型症状病分离到正常HRV
11、HRV粒子。粒子。上述结果说明，在上述结果说明，在RNARNA病毒中，遗传的物质基病毒中，遗传的物质基础也是核酸。础也是核酸。利用微生物为实验对象进行的三个著名实验利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证（肺炎球菌的转化试验、噬菌体感染试的论证（肺炎球菌的转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验），使人们普遍接验、病毒的拆开与重建试验），使人们普遍接受核酸是真正的遗传物质。受核酸是真正的遗传物质。第二节第二节 基因突变基因突变 一、基因和基因学说一、基因和基因学说 基因是一段具有特定功能和结构的连续的基因是一段具有特定功能和结构的连续的DNADNA片片段，是编码蛋白质或段，是编码蛋白
12、质或RNARNA分子遗传信息的基本遗分子遗传信息的基本遗传单位。完整的基因包括编码区及传单位。完整的基因包括编码区及5 5末端和末端和3 3末端长度不等的特异性序列。末端长度不等的特异性序列。基因是组成染色体的遗传单位，它能控制遗传基因是组成染色体的遗传单位，它能控制遗传性状的发育，也是突变、重组、交换的基本单位。性状的发育，也是突变、重组、交换的基本单位。1 1、基因突变、基因突变 突变：突变：突变：突变：指生物体的表型突然发生的可遗传的变化。指生物体的表型突然发生的可遗传的变化。染色体畸变染色体畸变细胞学上可以看到染色体的变化。细胞学上可以看到染色体的变化。基因突变基因突变细胞学上看不到遗
13、传物质的变化。细胞学上看不到遗传物质的变化。突变体：发生了突变的微生物细胞或菌株。突变体：发生了突变的微生物细胞或菌株。野生型：从自然界分离到的任何微生物在其发生突野生型：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。变前的原始菌株。2 2、基因突变的类型、基因突变的类型 选择性突变株：具有选择标记（如营养缺陷选择性突变株：具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选性、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、择适当的环境条件，如培养基、温度、pHpH值等，值等，就比较容易检出和分离到。就比较容易检出和分离到。非选择性突变株：无选择标记（
14、如产量突变非选择性突变株：无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种型、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找出差异。突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。依表型的改变分为：依表型的改变分为：1 1）营养缺陷型）营养缺陷型因突变而丧失产生某种生物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。某种物质才能生长的突变类型。2 2）抗性突变型抗性突变型因突变而产生了对某种化学因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性。药物或致死物理因子的抗性。3 3
15、）条件致死突变型条件致死突变型突变后在某种条件下可突变后在某种条件下可正常生长繁殖，而在另一条件下却无法生长繁殖正常生长繁殖，而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型。的突变型。4 4）形态突变型形态突变型由突变引起的个体或菌落形由突变引起的个体或菌落形态的变异。态的变异。5 5）抗原突变型）抗原突变型因突变而引起的抗原结构发因突变而引起的抗原结构发生改变。生改变。6 6）产量突变型产量突变型通过基因突变而产生的在代通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株。谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株。如产量显著高于原始菌株者为正变株，反之为如产量显著高于原始菌株者为正变株，反之为
16、负变株。负变株。7 7）致死）致死突变型突变型因基因突变而造成个体死亡因基因突变而造成个体死亡的突变类型。造成个体活力下降的突变型为半的突变类型。造成个体活力下降的突变型为半致死致死突变型。突变型。3 3、突变率、突变率 每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。率。突变率为突变率为10108 8是指该细胞在一亿次细胞分裂中，是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变。突变率也可以用每一单位群体在会发生一次突变。突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株（即突变型）的数目来表示。每一世代中产生突变株（即突变型）的数目来表示。如一个含如一个含10
17、108 8个细胞的群体，当其分裂为个细胞的群体，当其分裂为2102108 8个个细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是10108 8 。突变率突变率=突变细胞数突变细胞数/分裂前群体细胞数分裂前群体细胞数 突变是突变是独立的独立的独立的独立的。某一基因发生突变。某一基因发生突变不会影响不会影响不会影响不会影响其它基因其它基因其它基因其它基因的突变率。在同一个细胞中同时发生的突变率。在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的，因为双重突变两个基因突变的几率是极低的，因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积。型的几率只是各个突变几率的乘积。由于突变
18、的几率一般都极低，因此，必须采由于突变的几率一般都极低，因此，必须采用检出选择性突变株的手段，尤其是采用检出用检出选择性突变株的手段，尤其是采用检出营养缺陷型的恢复突变株或抗性突变株特别是营养缺陷型的恢复突变株或抗性突变株特别是抗药性突变株的方法来加以确定。抗药性突变株的方法来加以确定。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 突变率突变率E.coliE.coli 抗抗T1T1噬菌体噬菌体 3103108 8E.coliE.coli 抗抗T3T3噬菌体噬菌体 1101107 7 E.coliE.coli 不发酵乳糖不发酵乳糖 1101101010E.
19、coliE.coli 抗紫外线抗紫外线 1101105 5Staphylococcus aureus Staphylococcus aureus 抗青霉素抗青霉素 1101107 7S.aureusS.aureus 抗链霉素抗链霉素 1101109 9 Salmonella typhiSalmonella typhi 抗抗2525 g/Lg/L链霉素链霉素 1101106 6 Bacillus megaterium Bacillus megaterium 抗异烟肼抗异烟肼 5105105 5 4 4、基因突变的特点、基因突变的特点1 1）自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发性：突变可以
20、在没有人为诱变因素处理下自发地产生。自发地产生。2 2）不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。的对应关系。3 3）稀有性：突变率低且稳定。稀有性：突变率低且稳定。4 4）独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。）独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。5 5）可诱发性：诱变剂可提高突变率。）可诱发性：诱变剂可提高突变率。6 6）稳定性：变异性状稳定可遗传。）稳定性：变异性状稳定可遗传。7 7）可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变）可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变，从突变株回到野生型的过程则称称为正向突变，从突变株回到
21、野生型的过程则称为回复突变或回变。为回复突变或回变。5 5、基因突变的机制、基因突变的机制 基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的，诱变又可分为点突变和畸变。具体类型可诱发的，诱变又可分为点突变和畸变。具体类型可归纳如下：归纳如下：1 1）诱发突变）诱发突变 诱变剂：凡能提高突变率的任何理化因子，就诱变剂：凡能提高突变率的任何理化因子，就称为诱变剂。称为诱变剂。种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有几种作用方式。使是同一种诱变剂，也常有几种作用方式。（1 1）碱基置换）碱基置换
22、 对对DNADNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤，一般也称点突变。它只涉及一对碱基小损伤，一般也称点突变。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。被另一对碱基所置换。转换即转换即DNADNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；颠换即一个嘌呤被一个嘧啶颠换即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。一个嘌呤所置换。对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一种功能。根据化学诱变颠换，也可只具其中的一
23、种功能。根据化学诱变剂是直接还是间接地引起置换，可把置换的机制剂是直接还是间接地引起置换，可把置换的机制分成以下两类来讨论。分成以下两类来讨论。直接引起置换的诱变剂直接引起置换的诱变剂 一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。用。种类：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化种类：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，N-N-甲基甲基-N-N硝基硝基-N-N-亚硝基胍，亚硝基胍，N-N-甲基甲基-N-N-亚硝基脲，乙烯亚硝基脲，乙
24、烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而引起从而引起DNADNA复制时碱基配对的转换，并进一步复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异。使微生物发生变异。羟胺只引起羟胺只引起GCA:TGCA:T，其余都是可使其余都是可使GC=A:TGC=A:T发生互变的。发生互变的。能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有有。间接引起置换的诱变剂间接引起置换的诱变剂 这类诱变剂主要是一些这类诱变剂主要是一些碱基类似物碱基类似物 ,如：如：5-5-溴溴尿嘧啶尿
25、嘧啶(5-BU)(5-BU)和和5-5-氨基尿嘧啶（氨基尿嘧啶（5 5AUAU）、叠氮）、叠氮胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（AITAIT）等；）等；作用方式：通过活细胞的代谢活动参入到作用方式：通过活细胞的代谢活动参入到DNADNA分子中，主要是在分子中，主要是在DNADNA复制时碱基类似物插入复制时碱基类似物插入DNADNA中，引起碱基对配对错误，造成碱基置换。中，引起碱基对配对错误，造成碱基置换。以以5-5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)(5-BU)为例：为例：5-BU5-BU是胸腺嘧啶是胸腺嘧啶（T T）的类似物）的类似物 ，酮式的，酮式的5-BU5-BU可以和可以和A A配对，配对，烯烯醇式的醇式
26、的5-BU5-BU 可以和可以和G G配对，在配对，在DNADNA分子复制的过程中，由于分子复制的过程中，由于5-BU5-BU的插入和互变异构导致碱基置换。的插入和互变异构导致碱基置换。（2 2）移码突变）移码突变 指诱变剂使指诱变剂使DNADNA分子中增加（插入）或缺失一分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，从而使该部位后面的全个或少数几个核苷酸，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株，称为由移码突变所产生的突变株，称为移码突变移码突变移码突变移码突变株株株株。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是。
27、与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNADNA分子的微小损伤。分子的微小损伤。丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和-氨基丫啶等，以及一系列称为氨基丫啶等，以及一系列称为ICRICR类的化合物，类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。都是移码突变的有效诱变剂。引起移码突变的诱变剂：主要是引起移码突变的诱变剂：主要是吖啶类染料，吖啶类染料，如吖啶黄、吖啶橙等等。如吖啶黄、吖啶橙等等。这类化合物都是平面型的三环分子，它们的结这类化合物都是平面型的三环分子，它们的结构与一个嘌呤构与一个嘌呤嘧啶对十分相似。嘧啶对十分相似。（3 3）染色体畸变）染色体畸变 某些
28、理化因子，如某些理化因子，如X X射线等的辐射及烷化剂、射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起DNADNA的大损伤的大损伤染色体畸变，它包括：染色体畸变，它包括：染色体结构上的变化：染色体结构上的变化：缺失；重复；易位；倒位；染色体数目的变化；缺失；重复；易位；倒位；染色体数目的变化；染色体结构上的变化分为染色体内畸变和染色染色体结构上的变化分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。体间畸变两类。染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化，染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化，如发生染色体的部分缺失或重复时，其结果可造如发生染色体的部分缺失或
29、重复时，其结果可造成基因的减少或增加；如发生倒位或易位时，则成基因的减少或增加；如发生倒位或易位时，则可造成基因排列顺序的改变，但数目却不改变。可造成基因排列顺序的改变，但数目却不改变。倒位倒位-是指断裂下来的一段染色体旋转是指断裂下来的一段染色体旋转180180 后，重新插入到原来染色体的原位置上，从后，重新插入到原来染色体的原位置上，从而使其基因顺序与其它的基因顺序相反；而使其基因顺序与其它的基因顺序相反；易位易位-是指断裂下来的一小段染色体再顺向是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入到同一条染色体的其它部位上。或逆向地插入到同一条染色体的其它部位上。染色体间畸变：指非同源染色体间的
30、染色体间畸变：指非同源染色体间的易位易位易位易位。2 2）自发突变机制）自发突变机制 自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。生的突变。几种自发突变的可能机制：几种自发突变的可能机制：背景辐射和环境因素的诱变；背景辐射和环境因素的诱变；微生物自身有害代谢产物的诱变；微生物自身有害代谢产物的诱变；由由DNADNA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；微生物自身有害代谢产物的诱变效应：微生物自身有害代谢产物的诱变效应：过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物。它对谢产物。它对Neurosp
31、oraNeurospora（脉孢菌）有诱变作（脉孢菌）有诱变作用，这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低，用，这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低，如果在加入该酶的同时又加入酶抑制剂如果在加入该酶的同时又加入酶抑制剂KCNKCN，则又可提高突变率。这就说明，过氧化氢很可则又可提高突变率。这就说明，过氧化氢很可能是能是“自发突变自发突变”中一种内源性诱变剂。在许中一种内源性诱变剂。在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，可能也是同样的原因。可能也是同样的原因。3 3）紫外线对）紫外线对DNADNA的损伤及其修复的损伤及其修复 已知的已知的DNADNA损伤
32、类型很多，机体对其修复的方损伤类型很多，机体对其修复的方式也各异。发现较早和研究得较深入的是紫外式也各异。发现较早和研究得较深入的是紫外线（线（U.V.U.V.）的作用。）的作用。嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多。嘧嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多。嘧啶的光化产物主要是二聚体和水合物。其中了啶的光化产物主要是二聚体和水合物。其中了解较清楚的是胸腺嘧啶二聚体的形成和消除。解较清楚的是胸腺嘧啶二聚体的形成和消除。紫外线的主要作用是使紫外线的主要作用是使同链同链同链同链DNADNA的相邻嘧啶的相邻嘧啶间间间间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体。二聚体的出形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体。二聚体的出现会减弱
33、双链间氢键的作用，并引起双链结构现会减弱双链间氢键的作用，并引起双链结构扭曲变形，阻碍碱基间的正常配对，从而有可扭曲变形，阻碍碱基间的正常配对，从而有可能引起突变或死亡。在互补双链间形成嘧啶二能引起突变或死亡。在互补双链间形成嘧啶二聚体的机会较少。但一旦形成，就会妨碍双链聚体的机会较少。但一旦形成，就会妨碍双链的解开，因而影响的解开，因而影响DNADNA的复制和转录，并使细胞的复制和转录，并使细胞死亡。死亡。（1 1）光复活作用）光复活作用 经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象，称为光复下时，可明显降低其死亡率的现象，称为光
34、复活作用。活作用。经紫外线照射后形成的带有胸腺嘧啶二聚体经紫外线照射后形成的带有胸腺嘧啶二聚体的的DNADNA分子，在黑暗下会被一种光激活酶即光裂分子，在黑暗下会被一种光激活酶即光裂合酶结合，当形成的复合物暴露在可见光下时，合酶结合，当形成的复合物暴露在可见光下时，此酶会因获得光能而发生解离，从而使二聚体此酶会因获得光能而发生解离，从而使二聚体重新分解成单体。重新分解成单体。与此同时，光激活酶也从复合物中释放出来，与此同时，光激活酶也从复合物中释放出来，以便重新执行功能。每一以便重新执行功能。每一E.coliE.coli细胞中约含有细胞中约含有2525个光激活酶分子。个光激活酶分子。由于一般的
35、微生物中都存在着光复活作用，所由于一般的微生物中都存在着光复活作用，所以进行紫外线诱变育种时，只能在红光下照射及以进行紫外线诱变育种时，只能在红光下照射及处理照射后的菌液。处理照射后的菌液。（2 2）切除修复）切除修复 是活细胞内一种用于修复被紫外线等诱变剂是活细胞内一种用于修复被紫外线等诱变剂（包括烷化剂、（包括烷化剂、X X射线和射线和射线等）损伤后的射线等）损伤后的DNADNA的机制。这种修复作用与光无关。有四种酶参与的机制。这种修复作用与光无关。有四种酶参与内切核酸酶内切核酸酶内切核酸酶内切核酸酶在胸腺嘧啶二聚体的在胸腺嘧啶二聚体的5 5一侧一侧切开一个切开一个3 3-OH-OH和和5
36、 5-P-P的单链缺口；的单链缺口；外切核外切核外切核外切核酸酶酸酶酸酶酸酶从从5 5-P-P至至3 3-OH-OH方向切除二聚体，并扩大方向切除二聚体，并扩大缺口；缺口；DNADNADNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶以以DNADNA的另一条互补链为模板，的另一条互补链为模板，从原有链上暴露的从原有链上暴露的3 3-OH-OH端起逐个延长，重新合端起逐个延长，重新合成一段缺失的成一段缺失的DNADNA链；链；通过通过连接酶连接酶连接酶连接酶的作用，把的作用，把新合成的寡核苷酸的新合成的寡核苷酸的3 3-OH-OH末端与原链的末端与原链的5 5-P-P末端相连接，从而完成了修复作用。末端相连接
37、，从而完成了修复作用。（3 3）重组修复：）重组修复：必须在必须在DNADNA复制的情况下进行，又叫复制后修复制的情况下进行，又叫复制后修复。复。细胞在不切除二聚体的情况下，以带有二聚体细胞在不切除二聚体的情况下，以带有二聚体的这条链为模板合成互补单链，但在每个二聚体的这条链为模板合成互补单链，但在每个二聚体附近留有一空隙。通过染色体交换，空隙部位就附近留有一空隙。通过染色体交换，空隙部位就不在面对着不在面对着胸腺嘧啶二聚体，而是面对着正常的胸腺嘧啶二聚体，而是面对着正常的单链，在这种条件下，单链，在这种条件下，DNADNA聚合酶和连接酶起作聚合酶和连接酶起作用将空隙部位进行修复，用将空隙部位
38、进行修复，重组修复中的重组修复中的DNADNA损伤并没有去除，但随着微损伤并没有去除，但随着微生物的传代繁殖，损伤的比例逐渐降低。生物的传代繁殖，损伤的比例逐渐降低。（4 4）紧急获救（）紧急获救（SOSSOS）修复系统）修复系统 这是细胞经过诱导产生的修复系统，其修复这是细胞经过诱导产生的修复系统，其修复功能依赖于某些蛋白质的诱导合成，但这些蛋功能依赖于某些蛋白质的诱导合成，但这些蛋白质不稳定，白质不稳定，SOSSOS修复功能与细胞的一系列生修复功能与细胞的一系列生理活动相关。理活动相关。第三节第三节 基因重组基因重组 凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到凡把两个不同性状个体内的遗传基因转
39、移到一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新遗一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传型个体的方式，称为基因重组或遗传重组。传型个体的方式，称为基因重组或遗传重组。作用：重组可使生物体在未发生突变的情况作用：重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新遗传型的个体。下，也能产生新遗传型的个体。在基因重组时，不发生任何碱基对机构上的在基因重组时，不发生任何碱基对机构上的变化。变化。一、杂交一、杂交重组是分子水平上的一个概念，可以理解成是遗重组是分子水平上的一个概念，可以理解成是遗传物质分子水平上的杂交。传物质分子水平上的杂交。而一般所说的杂交则是细胞水平上的一个概念。而一般所说的杂交则是细胞水
40、平上的一个概念。杂交中必然包含着重组，而重组则不限于杂交这杂交中必然包含着重组，而重组则不限于杂交这一形式。一形式。二、转化二、转化 受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来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自供体菌的游离DNADNA片段，并把它整合到自己片段，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。转移过程，称为转化。转化发生的条件：转化发生的条件：受体细胞要处于感受态；供体受体细胞要处于感受态；供体DNADNA片段大小片段大小适宜，分子量一般为适宜，分子量一般为1 1 107 107 D D 左右；
41、菌株间左右；菌株间的亲缘关系密切。的亲缘关系密切。转化的类型：自然遗传转化和人工转化。转化的类型：自然遗传转化和人工转化。感受态：受体细胞能从环境吸取外源感受态：受体细胞能从环境吸取外源DNADNA片段片段并实现其转化的一种生理状态。并实现其转化的一种生理状态。只在细菌生长只在细菌生长的某一时期出现；不同菌种的感受态出现在不的某一时期出现；不同菌种的感受态出现在不同生长时期。同生长时期。转化因子：本质是供体转化因子：本质是供体DNADNA片段。片段。一般的转化因子都是线状双链一般的转化因子都是线状双链DNADNA；也有少；也有少数报道认为线状单链数报道认为线状单链DNADNA也有转化作用。也有
42、转化作用。转化的过程转化的过程 以肺炎链球菌抗链霉素菌株为例，大致可分为以肺炎链球菌抗链霉素菌株为例，大致可分为六阶段：六阶段：吸附：双链吸附：双链DNADNA片段与细胞表面的特定位点片段与细胞表面的特定位点（主要在新形成细胞壁的赤道区）结合，此时，（主要在新形成细胞壁的赤道区）结合，此时，细胞膜上的胆碱可促进这一过程。在吸附过程细胞膜上的胆碱可促进这一过程。在吸附过程的前阶段，如外界加入的前阶段，如外界加入DNADNA酶，就会减少转化酶，就会减少转化子的产生。稍后，子的产生。稍后，DNADNA酶即无影响，说明此时酶即无影响，说明此时该转化因子已进入细胞；该转化因子已进入细胞；切割：在吸附位点
43、上的切割：在吸附位点上的DNADNA被核酸内切酶分被核酸内切酶分解，形成平均分子量为解，形成平均分子量为4510645106的的DNADNA片段；片段；入胞：入胞：DNADNA双链中的一条单链被膜上的另一种核双链中的一条单链被膜上的另一种核酸酶切除，另一条单链逐步进入细胞，这是一个酸酶切除，另一条单链逐步进入细胞，这是一个耗能的过程。分子量小于耗能的过程。分子量小于5105105 5的的DNADNA片段不能进片段不能进入细胞。这时如用低浓度溶菌酶处理，因它提高入细胞。这时如用低浓度溶菌酶处理，因它提高了细胞壁的通透性，故可提高转化频率；了细胞壁的通透性，故可提高转化频率；重组：来自供体菌的单链
44、重组：来自供体菌的单链DNADNA片段在细胞内与受片段在细胞内与受体细胞核染色体组上的同源区配对，接着受体染体细胞核染色体组上的同源区配对，接着受体染色体组上的相应单链片段被切除，并被外来的单色体组上的相应单链片段被切除，并被外来的单链链DNADNA交换、整合和取代，于是形成了一个杂合交换、整合和取代，于是形成了一个杂合DNADNA区段（区段（heterozygous regionheterozygous region）。在这一过程）。在这一过程中，有核酸酶、中，有核酸酶、DNADNA聚合酶和聚合酶和DNADNA连接酶的参与；连接酶的参与；复制：受体菌的染色体组进行复制，杂合区复制：受体菌的染
45、色体组进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一获得了供体菌的转化段分离成两个，其中之一获得了供体菌的转化基因，另一个未获供体基因；基因，另一个未获供体基因；转化子形成：当细胞发生分裂后，一个子细转化子形成：当细胞发生分裂后，一个子细胞含供体基因，这就是转化子；另一个细胞与胞含供体基因，这就是转化子；另一个细胞与原始受体菌一样。原始受体菌一样。转化的过程转化的过程 三、转导三、转导 以温和噬菌体为媒介，将供体细胞的以温和噬菌体为媒介，将供体细胞的DNADNA片段携片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，从而使后者带到受体细胞中，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。获得获得
46、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。新遗传性状的受体细胞，称转导子。转导的种类：转导的种类：完全普遍转导完全普遍转导 普遍转导普遍转导 流产普遍转导流产普遍转导 转导转导 低频转导低频转导 局限转导局限转导 高频转导高频转导 1 1、普遍性转导、普遍性转导 通通过过完完全全缺缺陷陷噬噬菌菌体体对对供供体体菌菌任任何何DNADNA小小片片段段的的“误误包包”而而实实现现其其遗遗传传性性状状传传递递至至受受体体菌菌的的转转导导现现象，称为普遍性转导。象，称为普遍性转导。1 1）完全）完全(普遍性普遍性)转导转导 P22P22在供体菌内增殖时，宿主的核染色体组断裂，
47、在供体菌内增殖时，宿主的核染色体组断裂，待噬菌体成熟与包装之际，极少数（待噬菌体成熟与包装之际，极少数（10 10 6 6 10 10 8 8）噬菌体的衣壳将与噬菌体头部核心大小相似）噬菌体的衣壳将与噬菌体头部核心大小相似的一段供体的一段供体DNADNA片段误包入其中，形成了一个完片段误包入其中，形成了一个完全不含噬菌体自身全不含噬菌体自身DNADNA的缺陷噬菌体。的缺陷噬菌体。供体菌裂解时，如把少量裂解物与大量受体菌群供体菌裂解时，如把少量裂解物与大量受体菌群体相混，使其感染复数体相混，使其感染复数11，这种完全缺陷噬菌体，这种完全缺陷噬菌体就会将这一外源就会将这一外源DNADNA片段导入受
48、体细胞内。片段导入受体细胞内。在这种情况下，由于一个受体细胞只感染了一个在这种情况下，由于一个受体细胞只感染了一个完全缺陷噬菌体，故受体细胞不会发生往常的溶完全缺陷噬菌体，故受体细胞不会发生往常的溶原化，也不显示其免疫性，更不会裂解和产生正原化，也不显示其免疫性，更不会裂解和产生正常的噬菌体；而由于导入的外源常的噬菌体；而由于导入的外源DNADNA片段可与受体片段可与受体细胞核染色体组上的同源区段配对，在通过双交细胞核染色体组上的同源区段配对，在通过双交换而整合到受体菌染色体组中，所以使后者成为换而整合到受体菌染色体组中，所以使后者成为一个遗传性状稳定的转导子。一个遗传性状稳定的转导子。完全普
49、遍转导完全普遍转导 2 2）流产普遍性转导）流产普遍性转导 受体菌经转导获得的供体受体菌经转导获得的供体DNADNA片段在受体菌中不片段在受体菌中不发生配对、交换和整合，也不迅速消失，而只是发生配对、交换和整合，也不迅速消失，而只是进行转录和转译（性状表达），这种现象就称为进行转录和转译（性状表达），这种现象就称为流产转导。流产转导。现象：发生流产转导的细胞在其进行细胞分裂现象：发生流产转导的细胞在其进行细胞分裂后，只能将这段外源后，只能将这段外源DNADNA分配给一个子细胞，而分配给一个子细胞，而另一子细胞仅获得供体基因的产物另一子细胞仅获得供体基因的产物酶，在表酶，在表型上表现出轻微的供体
50、菌特征，每经过一次分裂，型上表现出轻微的供体菌特征，每经过一次分裂，就受到一次稀释，就受到一次稀释，所以，能在选择性培养基平板上形成微小菌所以，能在选择性培养基平板上形成微小菌落就是流产转导的特点。落就是流产转导的特点。2.2.局限性转导局限性转导 通过通过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携带到受体菌中，并获得表达的转导现象。基因携带到受体菌中，并获得表达的转导现象。特点特点：噬菌体对供体菌和受体菌都是温和噬菌体；只：噬菌体对供体菌和受体菌都是温和噬菌体；只能转导供体菌的个别特定基因（一般为噬菌体整合能转导供体菌的个别特定基因（一般为噬菌体整合位