第八章 微生物的遗传变异与育种 ➢ 第一节 遗传变异的物质基础 ➢ 第二节 微生物的基因组结构 ➢ 第三节 质粒和转座因子 ➢ 第四节 基因突变及修复 ➢ 第五节 基因重组 ➢ 第六节 微生物育种 ➢ 第七节 菌种的衰退、复壮与保藏
第八章 微生物的遗传变异与育种 ➢ 第一节 遗传变异的物质基础 ➢ 第二节 微生物的基因组结构 ➢ 第三节 质粒和转座因子 ➢ 第四节 基因突变及修复 ➢ 第五节 基因重组 ➢ 第六节 微生物育种 ➢ 第七节 菌种的衰退、复壮与保藏
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：亲代将自身一整套遗传因子传递给下一代的行为 和功能， ❖ 变异：生物体的遗传物质结构和数量的改变，在群体中 以极低的几率（10-5~10-6）出现，性状变化幅度大；新 性状稳定、可遗传。 ❖ 遗传型（genotype）：一个生物体所含有的基因的总和。 ❖ 表型（phenotype）：一个生物体所具有的一切外表特征 和内在特性的总和。 ❖ 饰变（modification）：指生物体由于非遗传因素引起的 表型改变，变化发生在转录、转译水平，特点是几乎整 个群体中的每一个个体都发生同样的变化，性状变化的 幅度小，不遗传，引起饰变的因素消失后，表型即可恢 复。举例：Serratia marcescens 的红色素在25℃和37℃ 的变化
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：亲代将自身一整套遗传因子传递给下一代的行为 和功能， ❖ 变异：生物体的遗传物质结构和数量的改变，在群体中 以极低的几率（10-5~10-6）出现，性状变化幅度大；新 性状稳定、可遗传。 ❖ 遗传型（genotype）：一个生物体所含有的基因的总和。 ❖ 表型（phenotype）：一个生物体所具有的一切外表特征 和内在特性的总和。 ❖ 饰变（modification）：指生物体由于非遗传因素引起的 表型改变，变化发生在转录、转译水平，特点是几乎整 个群体中的每一个个体都发生同样的变化，性状变化的 幅度小，不遗传，引起饰变的因素消失后，表型即可恢 复。举例：Serratia marcescens 的红色素在25℃和37℃ 的变化
研究微生物遗传的意义 微生物的独特生物学特性： （1） 个体的体制极其简单； （2） 营养体一般都是单倍体； （3） 易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖； （4） 繁殖速度快； （5） 易于积累不同的中间代谢产物或终产物； （6） 菌落形态特征的可见性和多样性； （7） 环境条件对微生物群体中各个个体作用的直接性 和均一性； （8） 易于形成营养缺陷型； （9） 各种微生物一般都有相应的病毒； （10） 存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式；
研究微生物遗传的意义 微生物的独特生物学特性： （1） 个体的体制极其简单； （2） 营养体一般都是单倍体； （3） 易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖； （4） 繁殖速度快； （5） 易于积累不同的中间代谢产物或终产物； （6） 菌落形态特征的可见性和多样性； （7） 环境条件对微生物群体中各个个体作用的直接性 和均一性； （8） 易于形成营养缺陷型； （9） 各种微生物一般都有相应的病毒； （10） 存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式；
❖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研究对象。 ❖对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现 代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育 种工作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、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。 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 物学基本理论问题中最热衷的研究对象。 ❖对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现 代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育 种工作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、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。 研究微生物遗传学的意义
第一节 遗传变异的物质基础 ❖种质连续理论：1883~1889年间Weissmann提出。认为遗 传物质是一种具有特定分子结构的化合物。 ❖基因学说：二十世纪初发现了染色体并提出基因学说，使 得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。 染色体由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。20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，起活性 成分是蛋白质。 ❖DNA是遗传变异的物质基础的证明：1944年以后，利 用微生物为实验对象进行的三个著名实验（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）
第一节 遗传变异的物质基础 ❖种质连续理论：1883~1889年间Weissmann提出。认为遗 传物质是一种具有特定分子结构的化合物。 ❖基因学说：二十世纪初发现了染色体并提出基因学说，使 得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。 染色体由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。20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，起活性 成分是蛋白质。 ❖DNA是遗传变异的物质基础的证明：1944年以后，利 用微生物为实验对象进行的三个著名实验（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）
1928年，Griffith进行了以下几组实验： （1）动物实验 对小鼠注射活R菌或死S菌 ————小鼠存活 对小鼠注射活S菌————————小鼠死亡 对小鼠注射活R菌和热死S菌 ———小鼠死亡 抽取心血分离活的S菌 一、三个经典实验 ❖（一）经典转化实验（transformation）：F.Griffith， ❖研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌） ❖S型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有荚膜 ❖R型菌株：无致病性，菌落表面粗糙，无荚膜
1928年，Griffith进行了以下几组实验： （1）动物实验 对小鼠注射活R菌或死S菌 ————小鼠存活 对小鼠注射活S菌————————小鼠死亡 对小鼠注射活R菌和热死S菌 ———小鼠死亡 抽取心血分离活的S菌 一、三个经典实验 ❖（一）经典转化实验（transformation）：F.Griffith， ❖研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌） ❖S型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有荚膜 ❖R型菌株：无致病性，菌落表面粗糙，无荚膜
（2）细菌培养实验 热死S菌—————不生长 活R 菌—————长出R菌 热死S菌+活R 菌—————长出大量R菌和10-6S菌 （3）S型菌的无细胞抽提液试验 活R菌+S菌无细胞抽提液————长出大量R菌和少量 S菌 以上实验说明：加热杀死的S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R型细胞并 使R型细胞获得稳定的遗传性状
（2）细菌培养实验 热死S菌—————不生长 活R 菌—————长出R菌 热死S菌+活R 菌—————长出大量R菌和10-6S菌 （3）S型菌的无细胞抽提液试验 活R菌+S菌无细胞抽提液————长出大量R菌和少量 S菌 以上实验说明：加热杀死的S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R型细胞并 使R型细胞获得稳定的遗传性状
❖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菌的蛋白质 ❖⑥加S菌的荚膜多糖 活R菌 长出S菌 只有R菌 1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从 热死S型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子 的各种成分，在离体条件下进行了转化试验： 只有S型细菌的DNA才能将S. Pneumoniae的R型转 化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说 明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子
❖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菌的蛋白质 ❖⑥加S菌的荚膜多糖 活R菌 长出S菌 只有R菌 1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从 热死S型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子 的各种成分，在离体条件下进行了转化试验： 只有S型细菌的DNA才能将S. Pneumoniae的R型转 化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说 明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子
（二）噬菌体感染实验 A. D. Hershey和M. Chase， 1952年 （1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中 （2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中 所以，进入细胞的是噬菌体的核酸而不是蛋白质
（二）噬菌体感染实验 A. D. Hershey和M. Chase， 1952年 （1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中 （2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中 所以，进入细胞的是噬菌体的核酸而不是蛋白质
（三）植物病毒的重建实验 ❖为了证明核酸是遗传物质，H. FraenkelConrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒 （TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。 ❖将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就 能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分 离后的RNA在没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子
（三）植物病毒的重建实验 ❖为了证明核酸是遗传物质，H. FraenkelConrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒 （TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。 ❖将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就 能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分 离后的RNA在没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子