页数：72页文件大小：1.30 MB来源： 微生物学ppt课件
本课件讲解微生物的遗传与变异，先以肺炎双球菌转化实验、噬菌体感染实验与病毒重建实验证明核酸是遗传物质，再展开基因突变的类型与修复，进而介绍转化、转导、接合等基因重组方式与基因工程流程。
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。
转化试验示意
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，转变为S型细胞。
从热死S型S.pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：
注：原文标注为“32S”，按 Hershey-Chase 噬菌体感染实验的通用结论，标记蛋白质外壳的放射性同位素应为35S（32P 用于标记 DNA），此处已修正。
三、植物病毒的重建实验为了证明核酸是遗传物质，H. Fraenkel-Conrat（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。
第二节基因突变一、基因和基因学说基因是一段具有特定功能和结构的连续的DNA片段，是编码蛋白质或RNA分子遗传信息的基本遗传单位。
完整的基因包括编码区及5′末端和3′末端长度不等的特异性序列。
基因是组成染色体的遗传单位，它能控制遗传性状的发育，也是突变、重组、交换的基本单位。
2、基因突变的类型选择性突变株：具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、pH值等，就比较容易检出和分离到。
非选择性突变株：无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。
3、突变率每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。
突变率为10–8是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变。
突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株（即突变型）的数目来表示。
如一个含108个细胞的群体，当其分裂为2×108个细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是10–8。
突变率=突变细胞数/分裂前群体细胞数
突变是独立的。
某一基因发生突变不会影响其它基因的突变率。
在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的，因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积。
由于突变的几率一般都极低，因此，必须采用检出选择性突变株的手段，尤其是采用检出营养缺陷型的恢复突变株或抗性突变株特别是抗药性突变株的方法来加以确定。
若干细菌某一性状的自发突变率菌名突变性状突变率E. coli抗T1噬菌体3×10–8E. coli抗T3噬菌体1×10–7E. coli不发酵乳糖1×10–10E. coli抗紫外线1×10–5Staphylococcus aureus抗青霉素1×10–7S. aureus抗链霉素1×10–9Salmonella typhi抗25g/L链霉素1×10–6Bacillus megaterium抗异烟肼5×10–5
5、基因突变的机制基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的，诱变又可分为点突变和畸变。
具体类型可归纳如下：
转换即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；
颠换即一个嘌呤被一个嘧啶，或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。
对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一种功能。
根据化学诱变剂是直接还是间接地引起置换，可把置换的机制分成以下两类来讨论。
直接引起置换的诱变剂一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。
种类：很多。
例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，N-甲基-N’硝基-N-亚硝基胍，N-甲基-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。
作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而引起DNA复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异。
羟胺只引起G┇C→A : T，其余都是可使G┇C=A : T发生互变的。
能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有。
间接引起置换的诱变剂这类诱变剂主要是一些碱基类似物，如：5-溴尿嘧啶(5-BU)和5-氨基尿嘧啶（5—AU）、叠氮胸腺嘧啶（AIT）等；
作用方式：通过活细胞的代谢活动参入到DNA分子中，主要是在DNA复制时碱基类似物插入DNA中，引起碱基对配对错误，造成碱基置换。
以5-溴尿嘧啶(5-BU)为例：5-BU是胸腺嘧啶（T）的类似物，
酮式的5-BU可以和A配对，烯醇式的5-BU可以和G配对，
在DNA分子复制的过程中，由于5-BU的插入和互变异构导致碱基置换。
（2）移码突变指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。
由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株。
与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分子的微小损伤。
丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和α-氨基丫啶等，以及一系列称为ICR类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。
引起移码突变的诱变剂：主要是吖啶类染料，如吖啶黄、吖啶橙等等。
这类化合物都是平面型的三环分子，它们的结构与一个嘌呤—嘧啶对十分相似。
染色体结构上的变化分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。
染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化，如发生染色体的部分缺失或重复时，其结果可造成基因的减少或增加；
如发生倒位或易位时，则可造成基因排列顺序的改变，但数目却不改变。
倒位---是指断裂下来的一段染色体旋转180后，重新插入到原来染色体的原位置上，从而使其基因顺序与其它的基因顺序相反；
易位---是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入到同一条染色体的其它部位上。
染色体间畸变：指非同源染色体间的易位。
微生物自身有害代谢产物的诱变效应：过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物。
它对Neurospora（脉孢菌）有诱变作用，这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低，如果在加入该酶的同时又加入酶抑制剂KCN，则又可提高突变率。
这就说明，过氧化氢很可能是“自发突变”中一种内源性诱变剂。
在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，可能也是同样的原因。
紫外线的主要作用是使同链DNA的相邻嘧啶间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体。
二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用，并引起双链结构扭曲变形，阻碍碱基间的正常配对，从而有可能引起突变或死亡。
在互补双链间形成嘧啶二聚体的机会较少。
但一旦形成，就会妨碍双链的解开，因而影响DNA的复制和转录，并使细胞死亡。
（1）光复活作用经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象，称为光复活作用。
经紫外线照射后形成的带有胸腺嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗下会被一种光激活酶即光裂合酶结合，当形成的复合物暴露在可见光下时，此酶会因获得光能而发生解离，从而使二聚体重新分解成单体。
与此同时，光激活酶也从复合物中释放出来，以便重新执行功能。
每一E.coli细胞中约含有25个光激活酶分子。
由于一般的微生物中都存在着光复活作用，所以进行紫外线诱变育种时，只能在红光下照射及处理照射后的菌液。
（3）重组修复：必须在DNA复制的情况下进行，又叫复制后修复。
细胞在不切除二聚体的情况下，以带有二聚体的这条链为模板合成互补单链，但在每个二聚体附近留有一空隙。
通过染色体交换，空隙部位就不在面对着胸腺嘧啶二聚体，而是面对着正常的单链，在这种条件下，DNA聚合酶和连接酶起作用将空隙部位进行修复，重组修复中的DNA损伤并没有去除，但随着微生物的传代繁殖，损伤的比例逐渐降低。
（4）紧急获救（SOS）修复系统这是细胞经过诱导产生的修复系统，
其修复功能依赖于某些蛋白质的诱导合成，但这些蛋白质不稳定，
SOS修复功能与细胞的一系列生理活动相关。
第三节基因重组凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传型个体的方式，称为基因重组或遗传重组。
作用：重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新遗传型的个体。
在基因重组时，不发生任何碱基对机构上的变化。
二、转化受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。
转化发生的条件：受体细胞要处于感受态；
供体DNA片段大小适宜，分子量一般为1×107D左右；
菌株间的亲缘关系密切。
转化的类型：自然遗传转化和人工转化。
转化的过程以肺炎链球菌抗链霉素菌株为例，大致可分为六阶段：吸附：双链DNA片段与细胞表面的特定位点（主要在新形成细胞壁的赤道区）结合，此时，细胞膜上的胆碱可促进这一过程。
在吸附过程的前阶段，如外界加入DNA酶，就会减少转化子的产生。
稍后，DNA酶即无影响，说明此时该转化因子已进入细胞；
切割：在吸附位点上的DNA被核酸内切酶分解，形成平均分子量为4~5×106的DNA片段；
入胞：DNA双链中的一条单链被膜上的另一种核酸酶切除，另一条单链逐步进入细胞，这是一个耗能的过程。
分子量小于5×105的DNA片段不能进入细胞。
这时如用低浓度溶菌酶处理，因它提高了细胞壁的通透性，故可提高转化频率；
重组：来自供体菌的单链DNA片段在细胞内与受体细胞核染色体组上的同源区配对，接着受体染色体组上的相应单链片段被切除，并被外来的单链DNA交换、整合和取代，于是形成了一个杂合DNA区段（heterozygous region）。
在这一过程中，有核酸酶、DNA聚合酶和DNA连接酶的参与；
复制：受体菌的染色体组进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一获得了供体菌的转化基因，另一个未获供体基因；
转化子形成：当细胞发生分裂后，一个子细胞含供体基因，这就是转化子；
另一个细胞与原始受体菌一样。
转化的过程
三、转导以温和噬菌体为媒介，将供体细胞的DNA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，称为转导。
获得新遗传性状的受体细胞，称转导子。
转导的种类：完全普遍转导普遍转导流产普遍转导转导低频转导局限转导高频转导
供体菌裂解时，如把少量裂解物与大量受体菌群体相混，使其感染复数<1，这种完全缺陷噬菌体就会将这一外源DNA片段导入受体细胞内。
在这种情况下，由于一个受体细胞只感染了一个完全缺陷噬菌体，故受体细胞不会发生往常的溶原化，也不显示其免疫性，更不会裂解和产生正常的噬菌体；
而由于导入的外源DNA片段可与受体细胞核染色体组上的同源区段配对，在通过双交换而整合到受体菌染色体组中，所以使后者成为一个遗传性状稳定的转导子。
完全普遍转导
2）流产普遍性转导受体菌经转导获得的供体DNA片段在受体菌中不发生配对、交换和整合，也不迅速消失，而只是进行转录和转译（性状表达），这种现象就称为流产转导。
现象：发生流产转导的细胞在其进行细胞分裂后，只能将这段外源DNA分配给一个子细胞，而另一子细胞仅获得供体基因的产物——酶，在表型上表现出轻微的供体菌特征，每经过一次分裂，就受到一次稀释，
所以，能在选择性培养基平板上形成微小菌落就是流产转导的特点。
2.局限性转导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到受体菌中，并获得表达的转导现象。
特点：噬菌体对供体菌和受体菌都是温和噬菌体；
只能转导供体菌的个别特定基因（一般为噬菌体整合位点两侧的基因）；
该特定基因由部分缺陷的噬菌体携带；
缺陷噬菌体使由于其在形成过程中所发生的低频率（约10–5）“误切”，或由于双重溶源菌的裂解而形成（约形成50%缺陷噬菌体）。
1）低频转导（LFT）一般的转导现象中，从宿主染色体上切离时发生不正常切离的频率极低，故这种裂解物中的部分缺陷噬菌体的比例是极低的（10–4~ 10–6）。
把这种裂解物称为LFT（低频转导）用LFT裂解物以低m.o.i（感染复数）感染宿主，就可获得极少量的局限转导子，即低频转导。
2）高频转导（HFT）当用LFT裂解物以高m.o.i感染E.coligal–（不发酵半乳糖的营养缺陷型）菌株时，凡是感染有λdgal噬菌体任一细胞，几乎都同时感染有正常的λ噬菌体。
这时λ与λdgal同时整合在一个受体菌的核染色体组上，从而使它成为一个双重溶源菌。
当双重溶源菌被紫外线等诱导时，其中的正常λ噬菌体的基因可补偿λdgal缺失的部分基因功能，因而两种噬菌体就同时获得复制的机会。
所以在双重溶源菌中的正常λ噬菌体被称为助体（或辅助）噬菌体。
双重溶源菌的裂解物中含有等量的λ和λdgal粒子，称为HFT（高频转导）裂解物。
用HFT裂解物以低m.o.I感染另一个E.coligal–（不发酵半乳糖的营养缺陷型）受体菌，就可以高频率地把它转化为能发酵半乳糖的E.coligal+转导子。
是为高频转导。
第四节基因工程基因工程：用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质----DNA大分子提取出来，在离体的条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中使供体DNA进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。
基因工程在食品工业中的应用：工程菌的构建（外源基因的表达、工业发酵用菌种的改造）工业用酶蛋白的该性（第二代基因工程）
一、基因工程技术基因工程操作一般分为以下四个步骤：目的基因的取得载体的选择目的基因与载体DNA的体外重组重组载体引入受体细胞
获得目的基因的主要方法：从供体细胞的DNA中分离（酶切法、PCR扩增）。
通过反转录酶的作用由mRNA合成cDNA（拷贝数少的目的基因的获得）。
由化学方法合成特定功能的基因（磷酸二酯法、磷酸三酯法、固相亚磷酸三酯法，合成的长度150—200bp，作用：合成基因的元件、合成引物、合成探针、用于基因的定点诱变、作为重组DNA连接的构件）。
载体的选择载体必须具备的几个条件：必须是一个复制子在受体细胞中有较高的复制率最好只有一个内切酶切口必须具有选择性遗传标记目前常用载体：质粒载体噬菌体载体柯斯质粒载体（噬菌体DNA的COS序列和质粒复制子构成的特殊类型的质粒载体）
目的基因与载体DNA的体外连接核酸内切酶与DNA分子的体外切割：在基因工程中，
必须使用特定的内切酶（一般为Ⅱ型内切酶）消化目的基因与载体DNA，
使它们产生互补的粘性末端或平末端，如EcoRⅠ消化DNA产生的粘性末端为：G3’5’AATTCCTTAA5’3’G
目的基因与载体DNA用同一种内切酶消化，即产生相同的粘性末端，在低温（5--6℃）下进行退火时，互补的粘性末端配对重新形成带缺口的双链。
DNA连接酶进行目的基因与载体DNA的体外连接：粘性末端连接（来源于E.coli的DNA连接酶）；
平末端连接（T4 DNA连接酶）。
重组载体引入受体细胞受体细胞的种类：微生物细胞（E.coli B.subtilisS.cerevisiae）植物细胞动物细胞重组载体引入受体细胞的方法：转化转染
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