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 ◆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(1035~106)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；
研究微生物遗传学的意义 今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
❖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。 今基因学说: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髙分子组成。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。 必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）
个经典实验 (一)经典转化实验( transformation): F Griffith, 令研究对象: 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: 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 鼠死亡 抽取心血分离活的S菌
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°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:加热杀死的型细菌细胞內可能存在 一种转化物质,它能通过某种方式进入R型细胞并 使R塑细疱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
1944年 OT.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 ◆①加S菌DNA 长出S菌 今②加S菌DNA及DNA酶以 活R菌 外的酶 ③加S菌的DNA和DNA酶 只有R菌 ④加S菌的RNA ◆⑤加S菌的蛋白质 ⑥加S菌的荚膜多糖 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 上清液中含 5%放射性 吸附 10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离 沉淀中含 85%放射性 沉淀细胞进一步 培养后,可产生大 量完整的子代噬菌体 用含32P-DNA(核心)的噬菌体作感染试验 (1)含PDNA的一组:放射性85%在沉淀中 (2)含3S-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. Fraenkel Concat(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