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1、微生物的遗传微生物的遗传(ychun)和变异和变异第一页，共58页。本章(bn zhn)要点：遗传变异的物质基础噬菌体基因突变的分子机制突变株的类型及应用微生物的基因转移(zhuny)与重组第1页/共58页第二页，共58页。几个几个(j)(j)概念：概念：遗传型（genotype）表型（phenotype）饰变（modification）变异(biny)（variation）第2页/共58页第三页，共58页。遗传型（genotype）又称基因型，指某一生物所含有的全部遗传因子，即基因型所携带(xidi)的遗传信息。遗传型环境条件 表型第3页/共58页第四页，共58页。表型（phenotype）
2、指某一生物所具有的一切外表特征和内在(nizi)特性的总和。第4页/共58页第五页，共58页。第一节 遗传变异的物质基础 一、微生物的遗传物质一、微生物的遗传物质证明证明:核酸，尤其核酸，尤其(yuq)(yuq)是是DNADNA，是遗传、变异的真正的，是遗传、变异的真正的物质基础。物质基础。第5页/共58页第六页，共58页。三个经典(jngdin)实验：1）经典转化实验2）噬菌体感染实验3）植物(zhw)病毒重建实验第6页/共58页第七页，共58页。肺炎球菌转化肺炎球菌转化(zhunhu)(zhunhu)试验试验第7页/共58页第八页，共58页。肺炎球菌转化(zhunhu)试验第8页/共58页
3、第九页，共58页。Avery的实验(shyn)第9页/共58页第十页，共58页。DNA结构(jigu)与功能结构：双螺旋结构功能：储存、复制、传递遗传信息复制方式(fngsh)：半保留复制中心法则：DNA RNA 蛋白质第10页/共58页第十一页，共58页。DNA的二级结构(jigu)第11页/共58页第十二页，共58页。基因(jyn)（gene)携带生物遗传信息、控制一个特定性状(xngzhung)的结构单位及功能单位。第12页/共58页第十三页，共58页。原核(yun h)微生物（细菌）基因组成：由结构基因、操纵基因、启动子、由结构基因、操纵基因、启动子、调节调节(tioji)(tioji
4、)基因共同组成基因共同组成第13页/共58页第十四页，共58页。二、质粒质粒：细胞核外染色体，具有独立复制(fzh)能力的小型共价、闭合、环状的DNA分子。即cccDNA（circular covalently closed DNA）第14页/共58页第十五页，共58页。质粒的特性(txng)：具有独立复制能力；具有独立复制能力；转移特性：少数质粒在不同转移特性：少数质粒在不同(b tn)(b tn)菌株间可发生转移，菌株间可发生转移，如：如：F F因子、因子、R R因子因子重组能力：质粒之间、质粒与核染色体之间发生重组重组能力：质粒之间、质粒与核染色体之间发生重组质粒消除：子代细胞中质粒丢失
5、的现象质粒消除：子代细胞中质粒丢失的现象相容性相容性-几种质粒可存在于同一菌体内，称相容性质粒。几种质粒可存在于同一菌体内，称相容性质粒。第15页/共58页第十六页，共58页。有代表性的几种有代表性的几种(j zhn)(j zhn)细菌质粒：细菌质粒：F F因子：致育因子、性因子因子：致育因子、性因子R R因子：抗药性因子因子：抗药性因子ColCol因子：产大肠杆菌素因子因子：产大肠杆菌素因子TiTi质粒：诱癌质粒质粒：诱癌质粒巨大质粒：巨大质粒：megamega质粒质粒降解降解(jin ji)(jin ji)性质粒：代谢质粒性质粒：代谢质粒第16页/共58页第十七页，共58页。R R因子因子
6、(ynz)(ynz)：抗药性因子：抗药性因子(ynz)(ynz)由相连的两个DNA片段组成：RTF质粒：抗性转移因子R决定质粒：抗性决定子可作为(zuwi)理想的筛选标记；第17页/共58页第十八页，共58页。转座因子（跳跃(tioyu)基因）指细胞(xbo)基因组中，能从一个位置转移到另一个位置的的一段DNA片段。种类：1.插入序列2.转座子第18页/共58页第十九页，共58页。插入序列（insertion sequence,IS）结构较简单(jindn)，长度小于2Kb。只带有与自身转座功能相关的基因，不带有任何与插入无关的基因。第19页/共58页第二十页，共58页。转座子（transpo
7、son,Tn）结构较复杂，分子量大（2Kb以上），除了含有与转位有关的基因外，还至少携带1个决定(judng)细菌遗传性状有关的基因（如耐药性基因、重金属抗性基因、毒素基因等）。第20页/共58页第二十一页，共58页。-转 座 子 携带的耐药/毒素(d s)基因-Tn1 Tn2 Tn3 AP（氨苄青霉素）Tn4 AP、SM（链霉素）、Su（磺胺）Tn5 Tn6 Km（卡那霉素）Ble（博来霉素）Tn1681 大肠埃希菌（肠毒素(d s)基因）Tn971、551 Em（红霉素）-常见(chn jin)转座子种类第21页/共58页第二十二页，共58页。第二节 噬菌体噬菌体是感染细菌(xjn)、真菌
8、、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。病毒的特性：个体微小，可以通过细菌(xjn)滤器没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成只有一种核酸专性细胞内寄生第22页/共58页第二十三页，共58页。1 1、噬菌体的生物学性状、噬菌体的生物学性状(xngzhung)(xngzhung)形态个体(gt)小，需用电子显微镜观察蝌蚪形、微球形和细杆形第23页/共58页第二十四页，共58页。E.coli T4噬菌体为例：头部：廿面体对称(duchn)尾部：螺旋对称(duchn)第24页/共58页第二十五页，共58页。2、噬菌体与宿主细胞(xbo)的关系烈性噬菌体：噬菌体进入宿主细胞后，完成(wn chng)五个阶段，
9、最后导致宿主细胞裂解死亡。温和性噬菌体：噬菌体吸附并侵入宿主细胞后，噬菌体的DNA整合至宿主的核染色体组上，可长期随宿主DNA的复制而同步复制，不引起宿主细胞的裂解。第25页/共58页第二十六页，共58页。烈性(lixng)噬菌体的增殖周期：1）吸附(xf)2）侵入3）增殖4）成熟（装配）5）裂解（释放）第26页/共58页第二十七页，共58页。第27页/共58页第二十八页，共58页。温和性噬菌体温和性噬菌体 温和性噬菌体侵入宿主细胞后，一般并不引起宿主细胞的裂解。温和性噬菌体侵入宿主细胞后，一般并不引起宿主细胞的裂解。在偶尔情况下，其中在偶尔情况下，其中(qzhng)(qzhng)一个宿主细胞
10、发生裂解，释放出子一个宿主细胞发生裂解，释放出子代噬菌体。代噬菌体。第28页/共58页第二十九页，共58页。许多代不发生裂解的宿主细胞中检不到噬菌体的存在，但它们许多代不发生裂解的宿主细胞中检不到噬菌体的存在，但它们(t men)(t men)又具又具有产生成熟噬菌体粒子的能力，这种温和性噬菌体侵入宿主细胞所引起有产生成熟噬菌体粒子的能力，这种温和性噬菌体侵入宿主细胞所引起的特性叫溶源性（溶源性细菌）。的特性叫溶源性（溶源性细菌）。第29页/共58页第三十页，共58页。溶源转变：由于整合了温和噬菌体，溶源菌产生(chnshng)了新的生理特征。第30页/共58页第三十一页，共58页。第三节 基
11、因突变的分子(fnz)机制突变(tbin)mutation 指生物体遗传物质的结构发生了稳定性的改变，可遗传子代。分为：点突变(tbin)染色体畸变第31页/共58页第三十二页，共58页。1、基因突变(j yn t bin)的规律1 1）不对应性：环境与变异无对应性）不对应性：环境与变异无对应性2 2）自发性和稀有性：）自发性和稀有性：非人为的诱变因素下自发发生非人为的诱变因素下自发发生(fshng)(fshng)自发突变率为自发突变率为10-610-610-910-93 3）独立性：一个基因的突变对其它基因突变的产生无影响。）独立性：一个基因的突变对其它基因突变的产生无影响。第32页/共58
12、页第三十三页，共58页。4 4）诱变性：诱变剂可提高突变率，）诱变性：诱变剂可提高突变率，1010510105倍倍5 5）稳定）稳定(wndng)(wndng)性：突变性状稳定性：突变性状稳定(wndng)(wndng)、可遗传、可遗传6 6）可逆性：有回复突变）可逆性：有回复突变第33页/共58页第三十四页，共58页。2、基因突变(j yn t bin)的机制：基因突变分为诱发突变和自发基因突变分为诱发突变和自发(zf)(zf)突变。突变。诱发突变：诱发突变：点突变点突变 ：碱基置换：置换、颠换碱基置换：置换、颠换 移码突变：缺失、添加移码突变：缺失、添加 染色体畸变：缺失、添加、易位、倒位
13、染色体畸变：缺失、添加、易位、倒位第34页/共58页第三十五页，共58页。3、DNA损伤(snshng)的修复光复活作用：带嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗中可与光复活酶结合(jih)，在可见光作用下，光复活酶被激活，嘧啶二聚体解体。第35页/共58页第三十六页，共58页。暗修复(xif)作用：不用可见光参与，在四种酶的作用下，切除嘧啶二聚体，重新合成一段正常(zhngchng)的DNA。核酸内切酶 核酸外切酶 DNA聚合酶 DNA连接酶第36页/共58页第三十七页，共58页。DNA repair:第37页/共58页第三十八页，共58页。第四节 突变株的类型(lixng)及应用产量突变株抗性突变
14、株条件致死突变株营养缺陷(quxin)型突变株 形态突变株抗原突变株 第38页/共58页第三十九页，共58页。第五节 基因转移(zhuny)与重组1、转化（transformation)概念：受体菌(receptor)直接吸收来自供体菌(donor)的DNA片段，通过交换，将其整合到自己的基因组中，再经复制就使自己变成一个转化子(transformant)。这种受体菌接受(jishu)供体菌的DNA片段而获得部分新的遗传性状的现象，称转化或转化作用。第39页/共58页第四十页，共58页。第40页/共58页第四十一页，共58页。2、接合(jih)(conjugation)概念(ginin)：供体
15、与受体细胞直接接触，借性菌毛传递大段DNA的过程。在受体细胞中发生交换、整合，使之获得供体菌的遗传性状的现象，称为接合。通过接合而获得新性状的受体细胞就称接合子。第41页/共58页第四十二页，共58页。接合(jih)：第42页/共58页第四十三页，共58页。接合(jih)的机制：F因子的传递 F因子经接合(jih)传递后在受体菌中可有三种存在方式：第43页/共58页第四十四页，共58页。F质粒在受体菌中单独存在(cnzi)，使F-菌转变为F+菌，长出性菌毛。第44页/共58页第四十五页，共58页。F质粒经接合传递后,与染色体重组,形成高频重组株 high frequency recombina
16、nt,Hfr。Hfr的细菌，其染色体上带有F质粒，因此(ync)，也可产生性菌毛第45页/共58页第四十六页，共58页。形成高频重组株：F质粒与细菌(xjn)染色体整合，并使细菌(xjn)长出性菌毛高频(o pn)重组株Hfr第46页/共58页第四十七页，共58页。Hfr 中的F质粒有时也可从Hfr 中脱离下来。不正常(zhngchng)切离时，形成带一小段染色体基因的特殊F质粒，这种质粒称为F质粒第47页/共58页第四十八页，共58页。3、转导(zhun do)(transduction)以缺陷以缺陷(quxin)(quxin)噬菌体为媒介，把供体细胞的噬菌体为媒介，把供体细胞的DNADNA
17、小片段携带到受体细小片段携带到受体细胞中，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。为转导。获得新遗传性状的受体细胞，称转导子（获得新遗传性状的受体细胞，称转导子（transductanttransductant）。）。第48页/共58页第四十九页，共58页。）普遍）普遍(pbin)(pbin)转导（转导（generalized transductiongeneralized transduction）由完全缺陷噬菌体介导的转导(zhun do)现象。分为：完全转导(zhun do)(complete tran
18、sduction)流产转导(zhun do)(abortive transduction)第49页/共58页第五十页，共58页。完全完全(wnqun)(wnqun)转导转导(complete transduction)(complete transduction)定义：定义：由完全缺陷噬菌体将外源由完全缺陷噬菌体将外源DNADNA片段片段(pin dun)(pin dun)导入受体细胞，经交换、整合、导入受体细胞，经交换、整合、复制形成遗传性状稳定的转导子。复制形成遗传性状稳定的转导子。第50页/共58页第五十一页，共58页。流产流产(li chn)(li chn)转导转导(abortive
19、transduction)(abortive transduction)定义：外源DNA片段不经交换、整合(zhn h)、复制，仅转录、转译和性状表达。第51页/共58页第五十二页，共58页。第52页/共58页第五十三页，共58页。）局限转导：）局限转导：定义：定义：指通过部分缺陷的温和噬菌体，把供体菌的少数特定基因携带指通过部分缺陷的温和噬菌体，把供体菌的少数特定基因携带(xidi)(xidi)到受到受体菌中，并与受体菌基因整合、重组，形成转导子的现象。体菌中，并与受体菌基因整合、重组，形成转导子的现象。第53页/共58页第五十四页，共58页。根据转导根据转导(zhun do)(zhun d
20、o)频率的高低，局限转导频率的高低，局限转导(zhun do)(zhun do)可分为：可分为：低频转导低频转导(zhun do)(zhun do)（LFTLFT）高频转导高频转导(zhun do)(zhun do)（HFTHFT）第54页/共58页第五十五页，共58页。4、溶源转变(zhunbin)溶源转变：温和噬菌体以前噬菌体形式存在于细菌染色体中，并导致(dozh)细菌基因型发生改变，使溶原性细菌获得了新的性状。第55页/共58页第五十六页，共58页。溶源转变溶源转变(zhunbin)(zhunbin)与转导的区别与转导的区别溶源转变：溶源转变：正常的温和噬菌体，不携带任何供体菌的外源基因；正常的温和噬菌体，不携带任何供体菌的外源基因；噬菌体的基因使宿主噬菌体的基因使宿主(szh)(szh)菌产生新的性状；菌产生新的性状；获得的新性状随噬菌体的消失而消失。获得的新性状随噬菌体的消失而消失。第56页/共58页第五十七页，共58页。本章(bn zhn)小结：遗传变异的物质基础质粒噬菌体的结构烈性噬菌体的增殖周期原核微生物的基因(jyn)重组：转化 转导、接合第57页/共58页第五十八页，共58页。