第六章 遺傳變易

第六章遺傳變易第1頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)第二節(jié)微生物的基因突變第三節(jié)微生物的基因重組第四節(jié)微生物的菌種選育第五節(jié)微生物菌種的保藏和復(fù)壯第2頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)種質(zhì)連續(xù)理論：1885年德國(guó)生物學(xué)家Weissmann提出，他認(rèn)為遺傳是由種質(zhì)物質(zhì)從一代到另一代的傳遞來實(shí)現(xiàn)的，遺傳物質(zhì)是種質(zhì)中一種具有特定分子結(jié)構(gòu)的化合物?；?qū)W說：1933年摩爾根（ThomasHuntMorgan）發(fā)現(xiàn)了染色體，提出了基因?qū)W說，使得遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的范圍縮小到染色體上。當(dāng)時(shí)認(rèn)為決定生物遺傳型的染色體和基因，其活性成分是蛋白質(zhì)。DNA是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)的證明：1944年以后，先后利用微生物為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行的三個(gè)著名實(shí)驗(yàn)的論證，才使人們普遍接受核酸才是真正的遺傳物質(zhì)。第3頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)證明核酸是遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)

肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)煙草花葉病毒的拆開與重組實(shí)驗(yàn)

第4頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（一）肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

研究對(duì)象：Streptococcuspneumoniae（肺炎雙球菌）

S型菌株：有莢膜，菌落表面光滑，有致病性

R型菌株：無莢膜，菌落表面粗糙，無致病性第5頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（一）肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

第6頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（一）肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

細(xì)菌培養(yǎng)試驗(yàn)熱致死S型菌培養(yǎng)皿培養(yǎng)無菌落生長(zhǎng)

R型活菌培養(yǎng)皿培養(yǎng)培養(yǎng)出R型菌落

熱致死S型菌+R型活菌培養(yǎng)皿培養(yǎng)培養(yǎng)出大量R型和S型菌落R型活菌+S菌抽取提物培養(yǎng)皿培養(yǎng)培養(yǎng)出大量R型和S型菌落

第7頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（一）肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

推斷：已經(jīng)被加熱殺死的S型細(xì)菌中，存在著使R型活細(xì)菌轉(zhuǎn)變成S型細(xì)菌的“轉(zhuǎn)化因子”。這一“轉(zhuǎn)化因子”究竟是什么物質(zhì)，當(dāng)時(shí)的格里菲思并不知道——格里菲思之謎第8頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（一）肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

“轉(zhuǎn)化因子”的本質(zhì)是什么？

1944年，美國(guó)科學(xué)家艾弗里和他的同事，應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)，從S型活細(xì)菌中提取出了DNA、蛋白質(zhì)和多糖等物質(zhì)，然后將它們分別加入培養(yǎng)R型細(xì)菌的培養(yǎng)基中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有加入DNA，R型細(xì)菌才能轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌，DNA的純度越高，轉(zhuǎn)化的效果就越顯著。第9頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（一）肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)①加S菌DNA②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RNA⑤加S菌的蛋白質(zhì)⑥加S菌的莢膜多糖活R菌長(zhǎng)出S菌只有R菌只有S型細(xì)菌的DNA才能將S.pneumoniae的R型轉(zhuǎn)化為S型。且DNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高。說明S型菌株轉(zhuǎn)移給R型菌株的，是遺傳因子。第10頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（一）肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

結(jié)論:

S型細(xì)菌的DNA使得R型轉(zhuǎn)化成S型細(xì)菌，DNA是轉(zhuǎn)化因子，是使R型細(xì)菌產(chǎn)生穩(wěn)定的遺傳變化的物質(zhì)，即DNA是遺傳物質(zhì)。

第11頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（二）噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)第12頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（二）噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)1952年侯喜(A.Hershey)和蔡斯(M.Chase)利用示蹤元素，對(duì)大腸桿菌T2噬菌體進(jìn)行了這類實(shí)驗(yàn)。先用含有35S和32P兩種元素的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌，然后讓T2噬菌體侵染培養(yǎng)后的大腸桿菌，從而使T2噬菌體打上35S和32P的標(biāo)記。

讓這種T2噬菌體侵染不含標(biāo)記元素的大腸桿菌，并在T2噬菌體完成了吸附和侵入。

強(qiáng)烈攪拌洗滌，以便使吸附在菌體外表的T2噬菌體蛋白質(zhì)外殼脫離細(xì)胞并均勻分布，再進(jìn)行離心沉淀，分別測(cè)定沉淀物和上清液中的同位素標(biāo)記。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，幾乎全部35S都在上清液中，而幾乎全部32P和細(xì)菌一起出現(xiàn)在沉淀物中。

第13頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（二）噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)第14頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)用35S標(biāo)志的噬菌體用32P標(biāo)志的噬菌體第15頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（二）噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)因?yàn)閷?duì)被標(biāo)記物質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明噬菌體的蛋白質(zhì)并沒有進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部，只有噬菌體的DNA才進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，所以噬菌體在細(xì)菌體內(nèi)的增殖是在噬菌體DNA的指導(dǎo)下完成的，

結(jié)論：DNA是遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。第16頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（三）煙草花葉病毒的拆開與重組實(shí)驗(yàn)為了證明核酸是遺傳物質(zhì)，美國(guó)科學(xué)家法朗克－康勒特H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的煙草花葉病毒（TMV）進(jìn)行了著名的植物病毒的拆開與重建實(shí)驗(yàn)。將TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質(zhì)外殼與RNA核心相分離，然后，用RNA和蛋白質(zhì)分別去感染煙草。第17頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（三）煙草花葉病毒的拆開與重組實(shí)驗(yàn)選用TMV和霍氏車前花葉病毒（HRV），分別拆分取得各自的RNA和蛋白質(zhì)，將兩種RNA分別與對(duì)方的蛋白質(zhì)外殼重建形成兩種雜合病毒：（1）RNA（TMV）-蛋白質(zhì)（HRV）（2）RNA（HRV）-蛋白質(zhì)（TMV）用兩種雜合病毒感染寄主：（1）表現(xiàn)TMV的典型癥狀并分離到正常TMV粒子（2）表現(xiàn)HRV的典型癥狀并分離到正常HRV粒子。

上述結(jié)果說明，在RNA病毒中，遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)也是核酸。第18頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三本節(jié)小結(jié)

（一）肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（二）噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)（三）煙草花葉病毒的拆開與重組實(shí)驗(yàn)

結(jié)論：核酸是遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)第19頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三二、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞中的存在方式

（一）細(xì)胞水平從細(xì)胞水平來看，細(xì)胞核；除此之外，在細(xì)胞質(zhì)中存在著一些能自我復(fù)制的遺傳物質(zhì)，一般稱這部分DNA為質(zhì)粒。（二）亞細(xì)胞核水平真核微生物的細(xì)胞核有核膜包圍，形成具有完整形態(tài)、在光學(xué)顯微鏡下清晰可見的細(xì)胞核，核內(nèi)DNA與組蛋白結(jié)合在一起構(gòu)成染色體。（三）分子水平DNA（RNA）－－→在DNA大分子上存在著決定某些遺傳性狀的特定區(qū)段，即所謂基因－－→一個(gè)基因含若干核苷酸堿基組成的三聯(lián)密。四種核苷酸，按其排列組合方式的不同，可編出三聯(lián)密碼43＝64個(gè)，用于決定組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸順序。起始密碼（AUG）和終止密碼（UAA、UGA和UAG）。

第20頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)

微生物的基因突變一、基因突變的類型

基因突變的類型是多種多樣的，按突變體表型不同，可分為以下幾種類型：（1）形態(tài)突變型。

（2）條件致死突變型。

（3）營(yíng)養(yǎng)缺陷突變型。

（4）抗性突變型。

（5）抗原突變型。

（6）其他突變型。第21頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三二、基因突變的特點(diǎn)整個(gè)生物界，由于它們遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)是相同的，因此顯示在遺傳變異的本質(zhì)上都具有相同的規(guī)律，這在基因突變的水平上尤其突出。（1）不對(duì)應(yīng)性。（2）自發(fā)性。（3）稀有性。（4）獨(dú)立性。（5）誘變性。（6）穩(wěn)定性。（7）可逆性。第22頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三三、基因突變的機(jī)理（一）誘發(fā)突變及其機(jī)理

1堿基對(duì)的置換⑴直接引起置換的誘變劑（亞硝酸類、烷化劑類）⑵間接引起置換的誘變劑（堿基類似物）

2移碼突變

3染色體畸變（二）自發(fā)突變的機(jī)制

1背景輻射和環(huán)境中多因素低劑量的誘變效應(yīng)

2微生物自身代謝產(chǎn)物的誘變效應(yīng)

3互變異構(gòu)效應(yīng)

4環(huán)狀突出效應(yīng)第23頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三第24頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三堿基對(duì)的置換堿基對(duì)的置換可分成兩個(gè)亞類：一類是DNA鏈上的一個(gè)嘌呤被另一個(gè)嘌呤或是一個(gè)嘧啶被另一個(gè)嘧啶所置換，稱為轉(zhuǎn)換；另一類是DNA鏈上的一個(gè)嘌呤被另一個(gè)嘧啶或是一個(gè)嘧啶被另一個(gè)嘌呤所置換，稱為顛換

A：TT：A

AT

C：GG：C

CG

雙鏈DNA

單鏈DNA

（實(shí)線代表轉(zhuǎn)換，虛線代表顛換）第25頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三直接引起置換的誘變劑

亞硝酸是一種對(duì)含有氨基的堿基對(duì)直接作用而誘發(fā)堿基對(duì)轉(zhuǎn)換的誘變劑。它能使堿基中的氨基氧化脫氨，從而使腺嘌呤（A）變成次黃膘呤（H），胞嘧啶C變成尿嘧啶U，而后由于H和C配對(duì)，U與A配對(duì)，因此當(dāng)DNA再次復(fù)制時(shí)，A:T就轉(zhuǎn)換為G:C，而G:C就轉(zhuǎn)換為A:T。

H:C

↗

H:C-→G:C

↗

H:C→G:C↗A:T→H:T-----→A:T亞硝酸類引起的堿基對(duì)置換第26頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三烷化劑是誘變育種極其重要的一類誘變劑，它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)都帶有一個(gè)或多個(gè)活性烷基。所有這些物質(zhì)通過烷化磷酸基形成烷化嘌呤和烷化嘧啶與DNA作用，特別是經(jīng)常形成烷化鳥嘌呤。烷化作用導(dǎo)致基因突變的機(jī)制尚未定論。①堿基類似物作用，引起堿基配對(duì)的錯(cuò)誤。②烷基在鳥嘌呤引起脫嘌呤作用，使鳥嘌呤從DNA鏈上脫落下來，進(jìn)而引起DNA復(fù)制時(shí)堿基對(duì)的缺失和置換。。第27頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三間接引起置換的誘變劑

A:BU/G:BrU

↗

G:BrU

--→G:C

5-BU↗A:T-－→A:BU------→A:T(a)

G:BrU/A:BU

↗

A:BU----→A:T

5-BrU↗G:C----→G:BrU------→G:C(b)

5-溴尿嘧啶的誘變效應(yīng)

a.5-BU以酮式摻入；b.5-BrU以烯醇式摻入

第28頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三移碼突變移碼突變這是指由一種誘變劑而引起DNA分子中的一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)堿基插入或缺失，從而使該部位后面全部遺傳密碼發(fā)生轉(zhuǎn)錄錯(cuò)誤的一類突變。第29頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三染色體畸變?nèi)旧w畸變是指由誘變劑引起DNA分子的大損傷，它包括染色體結(jié)構(gòu)上的缺失、重復(fù)、易位及倒位等。紫外線、X射線、γ射線等射線及亞硝酸、烷化劑等均能引起染色體畸變，尤其是紫外線能引起DNA分子多處較大的損傷。紫外線主要通過在同鏈DNA相鄰的嘧啶間或在互補(bǔ)雙鏈間形成以共價(jià)鍵結(jié)合的胸腺嘧啶二聚體.微生物能以多種方式去修復(fù)被紫外線損作后的DNA，主要方式有兩種：

（1）光復(fù)活作用。（2）暗修復(fù)作用。也稱切除修復(fù)作用。

第30頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)微生物的基因重組一、原核微生物的基因重組（一）轉(zhuǎn)化

受體菌直接吸收來自供體菌的DNA片段，通過交換組合把它整合到自己的基因組中，從而獲得了供體菌的部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的受體菌，稱為轉(zhuǎn)化子。供體菌的DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子。

只有處于感受態(tài)的細(xì)菌才能接受轉(zhuǎn)化因子，進(jìn)行轉(zhuǎn)化作用。

第31頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三轉(zhuǎn)化過程大致是這樣的：①?gòu)墓w菌提取出轉(zhuǎn)化因子雙鏈DNA片段；②雙鏈DNA片段與感受態(tài)受體菌的細(xì)胞表面特定位點(diǎn)結(jié)合；③在結(jié)合位點(diǎn)上，雙鏈DNA中的一條單鏈逐步降解，同時(shí)另一條鏈逐步進(jìn)入受體細(xì)胞。④進(jìn)入受體細(xì)胞的DNA單鏈與受體菌染色體組上同源區(qū)段配對(duì)，而受體菌染色體組的相應(yīng)單鏈片段被切除，并被進(jìn)入受體細(xì)胞的DNA單鏈所取代，于是形成了雜種DNA區(qū)段；⑤受體菌染色體進(jìn)行復(fù)制，其中雜種區(qū)段被分離成兩個(gè)，一個(gè)恢復(fù)，一個(gè)形成一個(gè)轉(zhuǎn)化子。

第32頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三第33頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（二）轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction

）

通過缺陷型噬菌體或溫和型噬菌體為媒介，將供體細(xì)菌細(xì)胞中DNA片段攜帶到受體細(xì)菌細(xì)胞中，從而使受體細(xì)菌獲得供體細(xì)菌的某些遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)。

根據(jù)媒介噬菌體的不同，轉(zhuǎn)導(dǎo)分普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)兩類。第34頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三（三）接合（conjugation）接合的結(jié)果：

F++F-2F+

F′+F-2F′Hfr+F-多種情況

Hfr+F-Hfr＋F-（多數(shù)情況下）Hfr+F-Hfr＋Hfr（少數(shù)情況下）

（四）溶源性轉(zhuǎn)變第35頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三二、真核微生物的基因重組（一）有性雜交（二）準(zhǔn)性生殖第36頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三

第四節(jié)微生物的菌種選育在微生物工業(yè)應(yīng)用中，微生物菌種工作主要包括以下四方面：①菌種的分離篩選：挑選符合生產(chǎn)要求的菌種，這是選種工作的任務(wù)。②菌種培育：改良已有菌種的生產(chǎn)性能，使產(chǎn)品的質(zhì)和量不斷提高，或使它更適應(yīng)于工藝的要求，這是育種工作的任務(wù)。③菌種的保藏：一切生產(chǎn)菌種都要使它避免死亡和生產(chǎn)性能的下降，這是菌種保藏工作的任務(wù)。④退化菌種的復(fù)壯：如果發(fā)現(xiàn)菌種的生產(chǎn)性能下降，就要設(shè)法使它恢復(fù)，這便是菌種復(fù)壯工作的任務(wù)。第37頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三一、從自然界中分離篩選菌種的方法步驟采樣

增殖培養(yǎng)

純種分離純培養(yǎng)生產(chǎn)性能測(cè)定方法、地點(diǎn)、時(shí)間和周圍環(huán)境記錄純種分離的原則就是使培養(yǎng)物獲得單個(gè)菌落：1．稀釋分離法2．平板劃線分離法

⑴

涂菌：

⑵

劃線分離：①分步劃線法；②一次劃線法：

3．組織分離法

測(cè)定代謝產(chǎn)物或其它目的性狀第38頁，共45頁，2023年，2月20日，星期三確定出發(fā)菌株

↓菌種的純化選優(yōu)

↓←出發(fā)菌株的性能鑒定同步培養(yǎng)