微生物的遗传和变异

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1、第五章微生物的遗传和变异本章要点：1.遗传变异的物质基础。2.基因突变的特点和机制。3.菌种如何选育及如何诱变育种?4.基因重组。5.基因工程的原理和操作步骤。6.如何保藏菌种？5.1基因对遗传性状的控制5.1.1遗传和变异的物质基础DNA遗传变异的物质基础曾是生物学中激烈争论的重大问题。1944年Avery等人以微生物为研究对象进行的三个经典实验有力地证实了核酸是遗传物质，基因是其信息单位，染色体是其存在形式。一.证明核酸是遗传变异的物质基础的经典实验1.转化实验转化指A品系的生物吸收了来自B品系生物的遗传

2、物质从而获得B品系的遗传性状的现象。转化现象是格里菲斯（Griffith）于1928年研究肺炎链球菌感染小白鼠的实验中发现，后经艾弗里（Avery）等于1944年证实的。2.噬菌体感染实验1952年，侯喜（A.D.Hershey）和蔡斯（M.Chase）为了证实噬菌体的遗传物质是DNA，用放射性同位素标记大肠杆菌T2噬菌体进行实验(图5-1)。图5-1噬菌体感染实验3.植物病毒重建实验1956年Fraenkel-Conrat等用含RNA的烟草花叶病毒进行了病毒(TMV)重建实验(图5-2)，证实了RNA是遗传

3、物质。图5-2TMV重建实验5.1.2DNA的结构与复制一.DNA的化学组成DNA是一种大分子化合物，由4种核苷酸组成。每一种核苷酸又由碱基、脱氧核糖和磷酸3部分构成。4种核苷酸的差异仅在于碱基不同。在DNA中，4种碱基是；腺嘌呤(adenine，A)、鸟嘌呤(guanine，G)、胞嘧啶(cytosine，C)和胸腺嘧啶(thymine，T)。脱氧核糖1位上的碳原子与嘌呤9位上的氮原子相连，5位上的碳原子与磷酸相连，就构成了4种不同的核苷酸。二.DNA的双螺旋结构模型1953年美国遗传学家沃森(JamesD

4、ewayWatson)和英国物理学家克里克(FrancisHarryComptonCrick)根据英国晶体衍射专家维尔金斯(MauriceHughFrederickWilkins)对脱氧核糖核酸的X射线衍射资料，以及碱基含量分析、键长键角资料、酸碱滴定数据等，提出了像麻花、油条一样扭在一起的DNA双螺旋结构模型（图5-3、5-4）。图5-3DNA的一级结构图5-4DNA分子双螺旋结构示意图三.DNA的复制通过实验证明，DNA的复制是以半保留复制(semiconservativereplication)形式进行

5、的。其复制过程是这样的：首先碱基对间的氢键断裂，两条核苷酸链的螺旋松开，碱基显露出来，就像拉链一样拉开。然后以每条单链为模板，按照碱基对互补的要求，在DNA多聚酶的催化作用下，通过碱基配对，逐渐合成一条新的核苷酸链，再和旧链形成新的双螺旋。5.2基因突变突变泛指细胞内(或病毒颗粒内)的遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。突变往往导致产生新的等位基因及新的表现型。狭义的突变专指基因突变，也称点突变，而广义的突变则包括基因突变和染色体畸变。突变的概率一般很低，约为10-6×10-9。突变是工业微生物产

6、生变种的根源，是育种的基础，但也是菌种发生退化的主要原因。5.2.1微生物突变体的主要类型基因突变的类型极为多样。人们可从不同的角度对基因突变进行分类，并给以不同的名称。根据突变体表型不同，可把突变分成以下几种类型：营养缺陷型、抗性突变型、条件致死突变型、形态突变型、抗原突变型、其他突变型。5.2.2基因突变的分子基础一.碱基置换及其对遗传信息的影响碱基置换是指DNA中核苷酸的一个碱基被另一个碱基所取代。其中一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所取代（G→C或C→G），叫颠换(transversion

7、)；如果一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所取代，称转换(transition)。根据它们对氨基酸序列的影响不同，可分为下列几种情况：1.同义突变：由于遗传密码具有简单性，所以有些碱基替换并不造成氨基酸的变化。2.错义突变：指碱基替换后引起氨基酸序列的改变。有些错义突变严重影响到蛋白质的活性，甚至使活性完全丧失，从而影响了基因的表型。3.无义突变：编码区的单碱基突变导致终止密码子的形成，使mRNA的翻译提前终止，形成不完整的肽链，因而其产物一般是没有活性的。二.移码突变及其产生由于在DNA分子的编码

8、区插入或缺失非3的整数倍个(1个、2个或4个)核苷酸而导致的阅读框架的位移。因为遗传信息是按3个碱基为一组依次排列而成的，蛋白质的翻译是从起始密码子开始，按密码子顺序依次向下读码。当在起始密码子后面加入1个、2个或4个碱基后，则后面的所有密码子的阅读框都发生改变，结果翻译出来的蛋白质的氨基酸序列与野生型完全不同。当然，如果插入或缺失的碱基正好是3个或其整数倍，那么在翻译出的多肽上可能是多一个、几个或