,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章,微生物遗传学,(1),第八章,1,遗传（,heredity,）:,上一代生物将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的特性,。,变异（,variation）,：,生物体在某种外因或内因的作用下，发生遗传物质结构或数量的改变，而且这种改变稳定，具有可遗传性,。,引言,1.遗传与变异,遗传保证了微生物种的相对稳定性、种的存在和延续，,而变异则推动了种的进化和发展。,遗传（heredity）:上一代生物将自身的一整套遗传基,2,2.遗传型和表型,遗传型（,genotype）,表型(,phenotype),某一生物体个体所含有的全部遗传因子，即基因的总和,，,又称为基因型。,某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和,。,表型的实现是由生物体的,遗传型,和,环境条件,共同作用的结果。,2.遗传型和表型遗传型（genotype）表型(ph,3,饰变,（,modification）,表型的差异只与环境有关。不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型改变。,谷,氨酸发酵的温度敏感菌株在,30,时菌体生长而不产生氨基酸，但是当温度提高到,37,时，菌体大量合成谷氨酸。,变异,遗传物质改变，导致表型改变,3.饰变与变异,（遗传型变异,基因突变）,特点：,遗传性、群体中极少数个体的行为,（自发突变频率通常为10,-6,-10,-9,）,特点：,暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为。,饰变（modification）表型的差异只与环境,4,微生物是遗传学研究中的明星,:,微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。,很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖,。,对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。,微生物是遗传学研究中的明星:微生物细胞结构简单，营养体一般,5,第一节 遗传变异的物质基础,一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验,二、遗传物质在细胞内存在部位和方式,第一节 遗传变异的物质基础一、证明核酸是遗传物质基础的,6,经典转化实验:,证明,DNA,是遗传变异的物质基础。,Avery,在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验,分别用,S,型菌中提取的,DNA、RNA,和,蛋白质转化,R,型菌,且,DNA,被酶降解破坏的抽提物无转化活性,DNA,是转化所必需的转化因子,一、三个经典实验,经典转化实验:证明DNA是遗传变异的物质基础。Avery在,7,T2,噬菌体感染实验,2.噬菌体感染实验（,1952年，,A.D.Hershey,和,M.Chase）,T2噬菌体感染实验2.噬菌体感染实验（1952年，A.,8,3.植物病毒的重建实验,证明杂种病毒的蛋白质,外壳来自,TMV,还是,HRV,可用,血清学反应鉴定,证明核酸（,RNA）,是遗传的物质基础,血清学反应说明病毒蛋,白质的特性由核酸而定,H.Fraenkel-Conrat(,1956年),病斑的特性和,病毒核酸一致,3.植物病毒的重建实验证明杂种病毒的蛋白质证明核酸（RNA,9,二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式,（一）七个水平,细胞水平,（单核，多核）,细胞核水平,（真核，拟核）,染色体水平,核酸水平,（,DNA，,部分病毒为,RNA；,双链，少数病毒为单链）,基因水平,（遗传功能单位）,密码子水平,（遗传信息单位）,核苷酸水平,（最低突变单位和交换单位）,周德庆,p192-197;,自学,（一套，两套,核外染色体）,二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式（一）七个水平细胞水平（,10,基因（,gene）,是什么,?,是实体，其物质基础是,DNA,（或,RNA,）；,是一个含有特定遗传信息的,DNA,分子区段；,是遗传信息传递和性状分化发育的依据；,基因是可分的，根据功能不同，分为：,编码蛋白质的基因 结构基因（结构蛋白，酶）,调节基因（阻遏蛋白或激活蛋白）,无翻译产物的基因,tRNA,基因（简称,tDNA,）,rRNA,基因（简称,rDNA,）,不转录的,DNA,区段 启动子（,promotor,）,操纵基因（,operator,）,基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，它是遗传的功能单位。,基因（gene）是什么?是实体，其物质基础是DNA（或,11,第二节 质粒,P,196,质粒（,plasmid）,一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，,主要存在于各种微生物细胞中。,附加体(,episome),指哪些既可以,整合到核染色体上，作为染色体的一部分而进行复制，又可以再游离出来或携带一些寄主的染色体基因游离出来，这类质粒被称为附加体。,第二节 质粒P196质粒（plasmid）,12,1、质粒的分子结构,(1)结构,通常以共价闭合环状(,covalently closed circle，,简称,CCC),的,超螺旋双链,DNA,分子存在于细胞中；,也发现有线型双链,DNA,质粒和,RNA,质粒；,质粒分子的大小范围从1,kb,左右到1000,kb；,（细菌质粒多在10,kb,以内）,1、质粒的分子结构(1)结构通常以共价闭合环状(coval,13,2.质粒的分离,碱提取法：,菌体的培养和收集：,一般采用丰富培养基对菌体进行培养，当细胞生长到,指数期后期,时，离心收集细胞。,溶菌：,一般用溶菌酶去壁以形成原生质体或原生质球。,碱变性处理：,在,SDS,等表面活性剂存在下加,NaOH,液使,pH,升至12.4,，可使菌体蛋白质、染色体,DNA,以及质粒,DNA,变性。,质粒复性：,加入,pH4.8,的,KAc-HAc,缓冲液，将提取液调至中性,，由于质粒分子量小而容易复性，并稳定存在于溶液中；染色体,DNA,分子量太大，在复性过程中形成,DNA,之间的交联导致其形成更大分子的不溶性物质。,离心分离：,经高速离心可以使细胞碎片和已变性的菌体蛋白及染色体,DNA,一起沉淀，上清液中主要是质粒,DNA，,经乙醇沉淀后，可获得质粒,DNA。,2.质粒的分离碱提取法：,14,（参见,P197,）,3.质粒的检测,提取所有胞内,DNA,后电镜观察；,氯化铯,-,溴化乙啶密度梯度,超速离心；,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。,对于由于三种构型同时存在时造成的多带现象（提取质粒时造成,或自然存在），可以进行特异性单酶切，使其成为一条带。,琼脂糖凝胶电泳后观察；,（参见 P197）3.质粒的检测 提取所有胞内DNA后电,15,4.质粒的特性,(1),位于核基因组外；,(3),自主复制；,(2)cccDNA,链霉菌和酵母菌中发现了线状,dsDNA,质粒和,RNA,质粒,(4),有的质粒可整合到核染色体上；,(5),可重组（质粒与质粒间，质粒与染色体间）；,(6),人为消除（丫叮类，,UV，,电离辐射，利福平等）,(7),有的质粒可在细胞间转移（,F,因子，,R,因子）,质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；,有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势,4.质粒的特性(1)位于核基因组外；(3)自主复制；(,16,5、质粒的主要类型,根据质粒所,编码的功能,和赋予宿主,的表型效应,分类,:,致育因子,（,Fertility factor，F,因子）,抗性质粒,（Resistance factor，R,因子）,产细菌素的质粒,（,Bacteriocin production plasmid）,毒性质粒,（,virulence plasmid）,代谢质粒,（,Metabolic plasmid）,隐秘质粒,（,cryptic plasmid）,2,m,质粒,5、质粒的主要类型根据质粒所致育因子（Fertility f,17,（参见,P,197）,(,1,)致育因子(,Fertility factor，F,因子),又称,F,质粒，其大小约100,kb，,这是最早发现的一种与大肠杆菌,的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。,携带,F,质粒的菌株称为,F,+,菌株,（相当于雄性），无,F,质粒的,菌株称为,F,-,菌株（相当于雌性）。,F,因子能以游离状态(,F+),和,以与染色体相结合的状态,(,Hfr),存在于细胞中，所以,又称之为,附加体(,episome),。,在志贺氏菌属（,Shigella,）、沙门氏菌属（,Salmonella,）和链球菌属（,Streptococcus,）等其他细菌中也发现了与大肠杆菌类似的致育因子。,在放线菌中，天蓝色链霉菌含有,SCP1,和,SCP2,两种致育质粒，这两种质粒在天蓝色链霉菌的接合过程中起重要作用，带动染色体从供体细胞向受体细胞转移。,（参见 P197）(1)致育因子(Fertility f,18,（参见,P,197）,(,2,)抗性因子（,Resistance factor，R,因子）,包括抗药性和抗重金属二大类，简称,R,质粒。,R100,质粒(89,kb),可使宿主对,下列药物及重金属具有抗性：,汞（,mercuric ion，,mer,）,四环素（,tetracycline，,tet,）,链霉素(,Streptomycin,str,)、,磺胺(,Sulfonamide,sul,)、,氯霉素(,Chlorampenicol,cml,),夫西地酸（,fusidic acid，,fus,）,负责这些抗性的基因是成簇地,存在于抗性质粒上,。,抗性质粒在细菌间的传递是细菌,产生抗药性的重要原因之一。,（参见 P197）(2)抗性因子（Resistance f,19,(,3,),Col,质粒：产细菌素的质粒,（,Bacteriocin production plasmid）,细菌素结构基因、,涉及细菌素运输及发挥作用（,processing）,的蛋白质的基因、,赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因,一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死,同种但不携带该质粒的菌株。,细菌素：,许多细菌都能产生某些代谢产物，抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株，因为这些代谢产物是由质粒编码的蛋白质，不象抗生素那样具有很广的杀菌谱，所以称为细菌素（,bacteriiocin）,(3)Col 质粒：产细菌素的质粒（Bacteriocin,20,细菌素种类很多,一般根据产生菌的种类进行命名：,大肠杆菌（,E.coli,）,产生的细菌素为,colicins（,大肠杆菌素）,，,而质粒被称为,Col,质粒。此外还有枯草杆菌素、乳酸菌素、根瘤菌素等。,由,G,+,细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与,colicins,有所不同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸细菌产生的细菌素,NisinA,能强烈抑制某些,G,+,细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。,大肠杆菌素是产自大肠杆菌的一种蛋白质，具有专一性地杀死其亲缘关系很近的、不具,Col,质粒的其它肠道细菌的功能。,细菌素种类很多,一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（E.,21,(,4,)毒性质粒（,virulence plasmid）,许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒,具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。,产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，,其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。,苏云金杆菌含有编码,内毒素(伴孢晶体中)的质粒,根癌土壤杆菌所含,Ti,质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的,致病因子,(4)毒性质粒（virulence plasmid）,22,(,5,),代谢质粒（,Metabolic plasmid）,质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质,的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。,将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式,，,环境保护方面具有重要的意义。,假单胞菌：,具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药,(2,4,dichlorophenoxyaceti