第六章 微生物遗变异与育种
第一节 遗传变异的物质基础
一、概念
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，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。
二、证明遗传物质的三个经典实验
1、转化实验——遗传物质是DNA
2、噬菌体感染实验——证明DNA是遗传物质，且其中含有合成蛋白质的遗传信息 。
3、植物病毒重建实验——遗传物质是RNA。
第二节 微生物的基因和基因组
一、概念和微生物的基因结构
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5′末端和3 ′末端长度不等的特异性序列
基因组（genome）：一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称。
原核生物（如细菌），多为单倍体（在一般情况下只有一条染色体）。 真核微生物，多条染色体，例如啤酒酵母有16条染色体。有时为双倍体。 1、原核微生物基因的结构
（1）、编码区：所有的微生物基因都有一个编码区，依基因类型的不同，或是编码一种蛋白质多态或是编码一种RNA结构。
（2）、启动子：位于5′末端上游外侧紧靠转录起点的一段长20～200bp的非编码的核苷酸序列。其功能是与RNA聚合酶结合形成转录起始复合物。
（3）、终止子：位于一个基因或一个操纵子的末端，提供转录终止信号的DNA区段。与启动子不同的是可被RNA聚合酶转录成mRNA。
转录单元：指由启动子、结构基因及终止子组成的一段DNA顺序。如功能上相关的几个结构基因前后相连，利用一个共同的启动子和终止子，这种转录单元被称为操纵子。
2、真核基因的结构
许多真核微生物基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，被一种叫做内含子的非编码序列所间断。
（1）、外显子：在mRNA上出现的编码序列，并代表蛋白质的DNA序列。 （2）、内含子：从mRNA中消失的DNA不编码序列。
TATA盒：真核生物编码蛋白质基因的启动子具有两个高度保真的共有序列，即-25～-35区含有TATAA序列。
一部分DNA序列能增强或减弱真核基因转录起始频率，这些区域称为增强子和沉默子
（3）、增强子：能使和它相连锁的基因转录频率明显增强的DNA序列，长度一般为100～200bp。
（4）、沉默子：属于负调控元件，可不受距离和方向的限制，并可对异源基因的表达起作用。
二、微生物基因组结构的特点
1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组
1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）； 2）基因组上遗传信息具有连续性；
3）功能相关的结构基因组成操纵子结构； 4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝； 5）基因组的重复序列少而短； 2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组
1）典型的真核染色体结构； 2）没有明显的操纵子结构；
3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列； 4）重复序列多；
第三节 质粒和转座因子
质 粒
定义：是一类小型共价闭合环状核外DNA，能独立于细胞核进行自主复制。可以通过交换掺入细胞核成为附加体；可以从寄主细胞中消除。
大小：2～100×106Da，含有数个到数十个甚至上百个基因。 性质：质粒是一种复制子，分为严紧型和松弛型，严紧型质粒的复制受细胞核控制，一般一个寄主细胞内有2～3个；松弛型质粒的复制不受细胞核控制，在细胞内的数量可以达到10～15 个
功能：进行细胞间接合并带有一些基因，如产生毒素、抗药性、降解功能等。 重组：在质粒之间、质粒与染色体之间菌可发生。 质粒的主要类型
1、F-因子（fertility factor）
致育因子/性因子，62×106Dalton，94.5kb，相当于核染色体DNA2%的环状双链DNA，足以编码94个中等大小多肽，其中1/3基因（tra区）与接合作用有关。
存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别。
2、R（抗生素抗性和重金属抗性）因子 （resistence factor）
R-因子由相连的两个DNA片段组成，即抗性转移因子（resistence transfor factor， RTF ）和抗性决定因子（r-determinant），RTF控制质粒copy数及复制，抗性决定因子带有抗生素或重金属的抗性基因。
R-因子在细胞内的copy数可从1~2个到几十个，分为严紧型和松弛型两种，经氯霉素处理后，松弛型质粒可达2000~3000个/细胞。 3、Col因子（colicinogenic factor）
产大肠杆菌素因子。大肠杆菌素是一种由E.coli的某些菌株所分泌的细菌蛋白，具有通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死不含Col因子的近缘的其它肠道细菌。
凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。
4、Ti（毒性）质粒（tumoe inducing plasmid）
即诱癌质粒。长200kb，是一种大型质粒。
存在于根癌土壤杆菌（Agrobacterium tumefaciens）中。赋予宿主引起许多双子叶植物的根癌的特性。
当带有Ti质粒的细菌侵入植物细胞中后，在其细胞中溶解，把细菌的DNA释放至植物细胞中。含有复制子的Ti质粒的小片段与植物细胞中的核染色体发生整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。 5、降解性（代谢）质粒
如假单胞菌属中发现。它们的降解性质粒可为 一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。这些质粒以其所分解的底物命名，
例如有分解CAM（樟脑）质粒，XYL（二甲苯）质粒，SAL（水杨酸）质粒，MDL（扁桃酸）质粒，，NAP（奈）质粒和TOL（甲苯）质粒等。 6、隐秘质粒
不显示任何表型效应，只能通过物理的方法检测的质粒。如酵母菌的2um质粒。
转座因子
定义：可在DNA链上改变自身位置的一段DNA序列。
第四节 基因突变与遗传育种
一、基因突变
基因突变：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变。 （一）基因突变类型：
1、 碱基变化与遗传信息的改变
同义突变：GGG(Gly)---GGA (Gly) 错义突变：AGA(Arg)---GGA (Gly) 无义突变：UGU(Cys)---UGA（stop）
移码突变：AGA(Arg) UGU(Cys) G---AGU(Ser) GUG(Val)
RNA基因组发生突变的几率失DNA的1000倍
2、表型突变
例如：温度敏感型突变 （二）基因突变的特点：
1）不对应性：环境与变异无对应性； 2）自发性：非人为的诱变因素下发生；
3）稀有性：生物体的自发突变率为10-6～10-9；
4）独立性：一个基因的突变对其它基因突变无影响，同时发生2个突变的几率很低；
5）诱变性：诱变剂可提高突变率10～105倍； 6）稳定性：突变性状稳定、可遗传； 7）可逆性：突变型叫正向突变，反之为回复突变或回变。 突变率：每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。 （三）基因突变自发性及不对应性的证明
自发突变(spontaneous mutation) ：没有人工诱变因素的参与，生物体的自然突变。 1、变量试验：1943年,Luria和 Delbrück
2、涂布试验（1949年,Newcombe ）
3、平板影印 (replica plating) （ 1952,Lederberg夫妇 ）
二、突变与育种
（一）自发突变与生产育种
1、生产选育：群体培养中个别的变异个体表现出生长优势，发现突变种后，随时分离、纯化。
2、定向培育：用特定的环境长期处理某一微生物群体,同时不断对其移种、传代，以达到积累和选择合适的自发突变体的一种育种方法。 （二）诱变育种
1、概念： 诱变育种是用物理或化学的诱变剂使诱变对象内的 遗传物质（DNA）的分子结构发生改变，引起性状变异并通过筛选获得符合要求的变异菌株的一种育种方法。
2、诱变剂：
1）概念：凡能提高基因突变频率的理化因素。 2）种类：
物理因子（phisical agents) 化学因子(chemical agents) 转座子(transposable elements)
物理诱变剂：UV、?、?、快中子、超声波等。
化学诱变剂：亚硝酸、羟胺、乙烯亚胺、硫酸二乙酯、氮芥、亚硝酸胍、丫啶黄、丫啶橙、碱基类似物。
光复活作用（photoreactivation）：菌体细胞经低剂量的紫外线照射后，再暴露在可见光下，其诱变效应或致死作用均下降。这种可见光对紫外线辐照后的效应称为光复活作用。
3、诱变的主要环节
