微生物遗传与变异原理及方法
微生物的遗传与变异
微生物的遗传与变异遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。
遗传性：指世代间子代和亲代相似的现象；变异性：是子代与子代之间及子代与亲代之间的差异。
遗传性保证了种的存在和延续；而变异性则推动了种的进化和发展。
遗传型（基因型）：某一生物个体所含有全部遗传因子即基因的总和。
它是一种内在潜力，只有在适当的环境条件下，通过自身的发代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型。
表型：指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境下的具体体现。
变异：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变。
饰变：指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。
如粘质沙雷氏菌，在25℃培养时，可产生深红色的灵杆菌素，这是一种饰变，但当在37℃培养时，则不产生色素，再在25℃下培养时，又恢复产生色素的能力。
微生物在遗传学中的地位：✧个体微小，结构简单；✧营养体一般都是单倍体；✧易培养；✧繁殖快；✧易于累积不同的中间代谢物；✧菌落形态可见性与多样性；✧环境条件对微生物群体中每个个体的直接性与一致性；✧易于形成营养缺陷型；✧存在多种处于进化过程中的原始有性生殖过程。
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，而且还为育种工作提提供了丰富的理论基础，促使育种工作向着不自觉到自觉，从低效到高效，从随机到定向，从近缘杂交到远缘杂交等方向发展。
第一节遗传变异的物质基础遗传变异有无物质基础以及何种物质可承担遗传变异功能的问题，是生物学中的一个重大理论问题。
对此有着不同的猜测。
直到1944年后，利用微生物这一实验对象进行了三个著名的实验，才以确凿的事实证实了核酸尤其是DNA才是遗传变异的真正物质基础。
一、证明核酸是遗传物质的三个经典实验（一）转化实验✧发现者：英国人Griffith于1928年首次发现这一现象。
✧研究对象：肺炎链球菌S型和R型✧过程：1944年Avery等证明遗传物质是DNA。
微生物的遗传与变异
第八章微生物的遗传与变异[教学目的要求]掌握微生物遗传与变异的基本原理，了解微生物育种的基本技术。
[重点与难点]遗传变异的物质基础基因突变和诱变育种基因重组[教学方法与手段]讲授结合多媒体课件[教学时间]8学时[教学内容]第一节：遗传突变的物质基础一、什么是遗传与变异遗传：子代与亲代相似的现象通称为遗传。
保持物种连续性和相对稳定性，是物种存在依据。
保证了种的存在和延续．变异：是子代与亲代间的差异。
可遗传给后代，是物种发展，进化的依据。
推动了种的进化和发展。
微生物特性的改变不一定都是变异，只发生在转录、翻译水平的表型变化是不遗传的。
不是变异。
表型(phcnotype)：是指遗传特性在—定环境条件下的具体表现。
微生物变异发生最快、迅速、常见。
不一定都是变异或都能遗传。
突变：是遗传物质核酸（RNA，DNA）中的核苷酸顺序发生了稳定的可遗传的变化。
（合段发生改变，而引起遗传性状改变）包括：染色体突变和基因突变。
微生物主要是基因突变。
二、DNA是遗传变异的物质基础(一)从孟德尔的粒子到DNA双螺旋结构1865（1866）年：孟德尔：发现遗传规律分离、自由组合规律1893年：Overton 发现植物细胞减数分裂。
1900年：重新发现孟德尔定律，建立遗传学。
1901年：发现X染色体。
1902年：建立细胞遗传学。
1903年W．S．Sutton，染色体的遗传行为与性状的遗传行为有着平行的关系。
1905年：Wilson 发现性染色体1905-08年：发现连锁基因。
1906年：提出性染色体。
1909年：丹麦生物学家W.L.Johannsen提出基因概念。
1910年：摩尔根（Morgan）建立基因学说。
1913年：减数分裂与孟德尔定律联系起来。
得到正确解释。
1910-27年：连锁互换。
1935年：电镜问世。
20世纪40、50年代，3个典型实验：1944年：肺炎双球菌转化。
遗传信息物质是DNA，核酸水平1952年：Watson Crick 提出DNA结构。
微生物 第7章 微生物遗传变异
裂解
过程：供体菌
正常噬菌体 + 完全缺陷噬菌体
少量裂解物 + 大量受体菌 遗传稳定的转导子
2020/1/15
完全普遍转导
2020/1/15
感染复数（m.o.i，multiplicity of infection）:
一、原核微生物的基因重组
• 基因重组的方式
– 转化 – 转导 – 接合 – 原生质体融合
2020/1/15
（一）转化（transformation）
1、转化及其发现：
R型活菌+S型死菌→ →S型活菌 ➢定义：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。转化后的的受 体菌称为转化子（transformant）。 ➢有关名词：
2020/1/15
2020/1/15
（二）噬菌体感染实验 • 创立人：美国人Hershey AND Chase于
1952年 • 研究对象：噬菌体
2020/1/15
（三）植物病毒的重建实验 • 创立人：Conrat AND Singer于1956年创立 • 研究对象：TMV AND HRV • 过程：将两病毒的RNA和蛋白质外壳分别抽取出来并
（一）遗传物质在7个水平上的形式 1、细胞水平 2、细胞核水平 3、染色体水平 4、核酸水平 5、基因水平 6、密码子水平 2020/1/175 、核苷酸水平
（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； 基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数 一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。 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； 个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的rRNA和tRNA 中也发现有内含子或间插序列
微生物的变异原理及应用
微生物的变异原理及应用1. 引言微生物变异是指微生物在自然界或实验条件下经过长期的演化过程中，产生了与亲代微生物有明显遗传差异的后代微生物。
微生物的变异一直是微生物学研究的重要领域，对于理解微生物的遗传变异机制以及应用于实际生产具有重要意义。
2. 微生物变异的原理微生物的变异是由于其基因发生了突变所导致的。
微生物的遗传信息存储在其DNA分子中，当DNA发生突变时，这些变异基因就会在后代中得以保留和传递。
微生物的突变可以分为两种类型：自然突变和诱变突变。
2.1 自然突变自然突变是指在微生物的自然生长过程中产生的突变。
这些突变通常是由DNA 复制错误、化学修饰、或者DNA损伤修复过程中发生的。
自然突变是微生物进化的基础，也是微生物遗传变异的主要来源之一。
2.2 诱变突变诱变突变是指通过人工手段诱导微生物基因发生突变。
这种突变方法可以通过化学物质、物理因素或者基因工程技术来实现。
诱变突变可以加速微生物的遗传变异进程，从而产生更多的变异体，为微生物的应用提供新的可能性。
3. 微生物变异的应用微生物变异的应用广泛涉及到农业、食品工业、药物研发以及环境修复等领域。
下面列举了几个常见的应用案例：3.1 作物育种通过微生物变异技术可以对作物进行改良育种，以获得具有抗病虫害、耐逆性和高产性的新品种。
例如，通过诱变突变可以筛选到抗除草剂的小麦品种，从而降低农药使用量，减少对环境的污染。
3.2 食品发酵工业微生物的变异在食品发酵工业中具有重要的应用价值。
通过对工业菌株进行诱变突变，可以提高其代谢能力和产酶能力，从而提高发酵过程的效率和产量。
例如，诱变突变后的酿酒酵母可以产生更多的酒精，提高酒的酿造效率。
3.3 药物研发微生物变异在药物研发中也起到了重要的作用。
通过诱变突变，可以获得抗生素产生菌株或者高效酶制剂的产生菌株。
这些变异菌株可以用于生产药物原料或者制备酶制剂，为药物研发和生产提供了新的资源。
3.4 环境修复微生物变异技术在环境修复领域也有着广泛的应用前景。
微生物的遗传变异与进化
微生物的遗传变异与进化微生物是地球上最古老和最丰富的生物群体之一，其繁衍和演化过程受到遗传变异的影响。
遗传变异是指微生物种群中的基因和基因组的改变，这种改变是微生物进化的基础，使其能够适应不同的环境和生存条件。
本文将探讨微生物的遗传变异和进化机制以及其对人类健康和环境的影响。
一、微生物的遗传变异机制1. 突变和基因重组：突变是指基因序列发生突然和不可逆的改变，包括点突变、插入突变和缺失突变等。
基因重组则是指基因间的DNA 重组，可以通过基因重排、基因转座和DNA互换等方式发生。
这些突变和重组事件是微生物遗传变异的主要机制。
2. 水平基因转移：水平基因转移是指微生物之间的DNA交换，这种交换可以发生在不同物种和不同亚群之间。
通过水平基因转移，微生物可以获得新的基因和基因组片段，从而增加遗传多样性。
二、微生物的遗传进化1. 选择压力与适应性进化：选择压力是指外界环境对微生物的选择作用。
在特定环境条件下，不同的微生物表现出不同的适应性，适应性较高的个体会更容易幸存和繁衍。
这种适应性进化使得微生物群体在进化过程中慢慢适应并优化其生存策略。
2. 快速复制与漂变：许多微生物具有非常短的生命周期和高速的繁殖能力，这使得它们在短时间内积累大量的变异。
这种快速复制和大规模变异的能力称为漂变，为微生物的进化提供了可塑性。
三、微生物的遗传变异与人类健康1. 耐药性的产生：微生物遗传变异是引起抗生素耐药性产生的主要原因之一。
在抗生素使用过程中，微生物遗传变异使得一部分微生物获得了抗生素的抵抗能力，这导致了抗生素的治疗效果下降，对人类健康带来了威胁。
2. 病原性的演化：微生物的遗传变异还可以导致病原微生物的演化和新的疾病的出现。
例如，流感病毒的遗传变异使得它能够绕过人体的免疫系统，导致新的流感病毒亚型的出现，给人类健康带来了挑战。
四、微生物的遗传变异与环境1. 生态位的占据：微生物的遗传变异使得微生物群体在不同的生态位中占据不同的地位。
微生物的遗传与变异
微生物的遗传与变异微生物是地球上最古老的居民之一，它们在地球的生态系统中发挥着重要的作用。
然而，微生物的遗传与变异特性使得它们能够适应不断变化的环境，并在这个过程中演化出新的物种。
一、微生物的遗传微生物的遗传是通过DNA或RNA等核酸分子来传递的。
这些分子中含有遗传信息，可以指导微生物的生长发育和代谢活动。
微生物的遗传具有以下特点：1、高度多样性：微生物的种类繁多，不同种类的微生物具有不同的遗传信息，因此具有高度的多样性。
2、快速进化：微生物的遗传信息可以很容易地发生突变，这使得它们能够快速适应不断变化的环境。
3、群体遗传：微生物通常以群体形式存在，它们之间的相互作用会影响群体的遗传特征。
二、微生物的变异微生物的变异是指它们的遗传特征发生变化的过程。
这些变化可能是由于环境因素（如温度、湿度、辐射等）的影响，也可能是由于DNA 复制过程中的随机错误。
微生物的变异具有以下特点：1、适应性变异：微生物在适应环境的过程中会发生适应性变异，这些变异有助于它们在特定环境中生存和繁殖。
2、突变：微生物的DNA分子在复制过程中会发生随机错误，这些错误可能导致微生物的遗传特征发生变化。
3、基因转移：微生物之间可以通过基因转移来实现遗传信息的交流，这有助于它们适应新的环境。
三、微生物遗传与变异的实际应用微生物的遗传与变异特性在许多领域都有实际应用。
例如，科学家可以利用微生物的遗传信息来开发新的药物和生物技术产品；通过研究微生物的变异机制，可以为疾病的预防和治疗提供新的思路和方法。
微生物的遗传与变异特性是它们适应不断变化的环境的重要机制之一。
通过深入研究这些特性，我们可以更好地了解微生物的生命活动和演化过程，为人类社会的发展提供更多的帮助和支持。
微生物的遗传与变异课件一、引言微生物，作为生命的基本单元，其遗传与变异的研究对于理解生命的本质和进化机制具有重要意义。
本篇文章将深入探讨微生物的遗传与变异，希望能为相关领域的学习和研究提供有益的参考。
微生物的遗传与变异
微生物的遗传与变异在我们生活的这个世界中，微生物无处不在。
从土壤里的细菌到人体内的菌群，从发酵食品中的酵母菌到导致疾病的病毒，微生物的身影随处可见。
而微生物的遗传与变异，是其生命活动中极其重要的特性，对微生物的生存、繁衍以及与环境的相互作用都有着深远的影响。
首先，让我们来了解一下什么是微生物的遗传。
遗传，简单来说，就是微生物将自身的特性传递给子代的过程。
微生物通过遗传，能够把它们适应环境的特性、代谢途径、生理特征等稳定地传递下去，保证了物种的延续和稳定性。
微生物的遗传物质主要包括 DNA 和 RNA。
对于大多数微生物而言，DNA 是主要的遗传物质，其存在形式多种多样。
细菌的 DNA 通常位于一个环状的染色体上，同时还可能有一些小的环状 DNA 分子，称为质粒。
质粒可以携带一些特殊的基因，比如对抗生素的抗性基因。
病毒的遗传物质则更加多样，有的是 DNA，有的是 RNA，而且其结构也有单链和双链之分。
遗传信息的传递过程，也就是微生物的繁殖过程。
细菌主要通过二分裂的方式进行繁殖，一个细菌细胞分裂成两个子细胞，每个子细胞都获得了与亲代相同的遗传物质。
真菌可以通过出芽生殖、孢子生殖等方式繁衍后代。
病毒则需要侵入宿主细胞，利用宿主细胞的物质和能量来复制自己的遗传物质，并合成蛋白质外壳，最终组装成新的病毒粒子。
接下来，我们谈谈微生物的变异。
变异是指微生物子代与亲代之间，以及子代不同个体之间存在的差异。
这种差异可能是由于遗传物质的改变引起的，也可能是由于环境因素的影响导致的表型变化。
微生物变异的原因多种多样。
基因突变是最常见的一种变异形式，它可以是由于 DNA 复制过程中的错误，或者是外界因素如辐射、化学物质等引起的碱基对的替换、缺失或增加。
基因重组也是微生物变异的重要途径，比如细菌可以通过接合、转化和转导等方式，从其他细菌获得新的基因。
此外，微生物在长期的进化过程中，还可能会发生染色体变异，如染色体的缺失、重复、倒位和易位等。
医学微生物学- 细菌的遗传与变异
2. 突变与选择
Lederberg影印试验（replica plating）
突 变 在 前 ， 选 择 在 后 。
(二) 基因转移与重组
➢ 基因转移和重组(gene transfer& recombination)： 外源性的遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内，
并与受体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌某 些特性的过程。
第四章 细菌的遗传与变异
遗传性变异（基因型变异） 非遗传性变异（表型变异）
一、细菌变异的现象
（一）形态结构的变异
1. L型变异 3. 芽胞的变异
2. 荚膜的变异 4. （H—O变异）
（二）菌落变异（S-R变异）
（三）毒力变异
（四）耐药性变异
二、细菌的遗传物质（基因组） （一）染色体 （二）质粒（plasmid） 含义：是细菌染色体以外的遗传物质，为
普遍性转导
局限性转导
——所转导的DNA片段 是供体菌染色体上特定 基因。
4. 溶原性转换(lysogenic conversion)
当温和噬菌体感染细 菌时，噬菌体基因整 合到宿主菌染色体上， 使其成为溶原性细菌， 而使细菌获得由噬菌 体基因编码的性状。
无毒白喉杆菌——感 染了β棒状杆菌噬菌 体后——有毒白喉杆 菌——可以产生白喉 外毒素而致病。
四. 细菌遗传变异的实际意义
❖ 在疾病的诊断、治疗与预防中的作用； ❖ 在测定致癌物质中的应用； ❖ 在流行病学分析方面的应用； ❖ 在基因工程中的应用。
思考题：
质粒？特征？ 基因转移重组的方式？特点？
闭合环状的双链DNA，存在于胞质中。
特性：1. 具有自我复制的能力 2. 可编码细菌某些性状特征 3. 可自行丢失与消除 4. 具有可转移性 5. 分为相容性和不相容性两种
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❖ 转化Transformation
❖ 定义 ❖ 不经其它媒介，来自供体（donor）的DNA片段或质粒DNA直接进
入受体菌（recipient或receptor） ，并在受体中复制、表达的 过程。 ❖ 转化过程 ①受体细胞呈现感受态，即容易接受外源DNA的生理状态。 ②外源DNA与感受态细胞结合并被吸收。 ③外源DNA整合到受体菌中，成为受体菌染色体的一部分。 ❖ 转染 transfection ❖ 指用提纯的病毒核酸去感染其宿主细胞或原生质体，可增殖出一 群正常病毒后代的现象。
❖ 用35S和32P去分别标记大肠杆菌，然后再用T2噬菌体感染，即 可分别得到标有35S和T2和32P的T2噬菌体。
❖ 把标记噬菌体与其宿主大肠杆菌混合，经短时间(如10 min)保 温后，使T2完成吸附和侵入过程。
❖ 在组织捣碎器中剧烈搅拌，以使吸附在菌体外表的T2蛋白外壳 脱离细胞并均匀分布。
❖ 进行离心沉淀，再分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记。
❖ 结果发现，几乎全部的32P都和细菌一起出现在沉淀物中，而 几乎全部33S都在上清液中。
❖ 这意味着噬菌体的蛋白外壳经自然分离后仍留在细胞外部，只 有核酸芯子才进入宿主体内；
❖ 同时，由于最终能释放出一群具有与亲代同样蛋白外壳的完整 的子代噬菌体，说明只有核酸才是其全部遗体信息的载体。
❖ 后来通过电子显微镜的观察也证实了这个论点。
微生物遗传与变异原理及方法
微生物遗传与变异原理及方法
通过本章的学习，要求掌握： 1、细菌基因重组的原理和方法。 2、真菌基因重组的原理和方法。 3、微生物诱变育种的原理和方法。 重点： 细菌的基因重组 难点： 低频转导，高频转导，准性生殖
❖ 微生物是理想的遗传学研究材料： ①物种及代谢类型的多样性； ②个体体制简单，营养体多为单倍体，基因组小； ③繁殖快，易于累积不同的最终代谢产物及中间代谢物； ④菌落形态特征的可见性与多样性； ⑤环境条件对微生物群体中各个体作用的直接和均匀； ⑥易变异、易得到营养缺陷型突变株； ⑦一般都有相应的噬菌体； ⑧存在着处于进化进程中的多种原始方式的有性生殖类等。
❖ 基因组genome：一种生物的全套基因。
❖ 表现型phenotype：生物可见的或可测定的性状
❖ 遗传型genotype：决定生物表现型的遗传因子
❖ 同样遗传型的生物在不同外界条件下，会显现不同表现型， 但遗传型并非改变，这种变异为非遗传性变异，只能称适应 或饰变(modification)；只有遗传型改变，从而引起表型变化 才称为变异，它发生在基因水平上，可以遗传给子代。
第二节 原核微生物的基因重组
❖ 克隆clone ❖ 不经过有性细胞的结合，由体细胞发育成新个体，即无性繁殖。 ❖ 基因重组gene recombination ❖ 两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形
成新的基因型的过程。重组获得的后代具有新的基因组合，表 现出不同于亲本的新性状。 ❖ 原核微生物没有有性生殖，其基因重组通过转化、接合、转导 方式进行。
❖ 调节基因
❖ 对结构基因ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ调节控制作用的称调节基因。
❖ 操纵子学说
❖ 基因的表达 ❖ 以DNA为模板，通过RNA聚合酶转录出mRNA，然后将mRNA包含的
碱基顺序在核糖体中翻译成相应氨基酸序列的多肽。 ①转录（transcription） ❖ 双链DNA→单链，以其中一条为模板→互补mRNA ②翻译(translation) ❖ mRNA →多肽
②原核生物
❖ DNA不与组蛋白结合，染色体仅由一条DNA组成，DNA为共价闭 合环状双链，一个细胞内只有一条染色体（单倍体haploid）。 无核膜膜包围，只在细胞中央形成核区。
③质粒plasmid ❖ 原核生物中，除染色体以外，能够自主复制的共价闭合环状
DNA分子。它们携带少量遗传基因，决定细胞的某些性状，并 非细菌生活必需。
DNA
的 双 螺 旋 结 构 图
❖ 遗传信息的传递和基因表达 ❖ 基因gene ❖ DNA分子的一定区段，携带特定的遗传信息，是具有自主复制
能力的遗传功能单位。遗传信息通过DNA连上的核苷酸排列顺 序表现出来。
❖ 结构基因 ❖ 决定多肽形成的碱基顺序称结构基因，一个结构基因表达后，
产生一个多肽；即“一个基因一个酶”。
❖ TMV重建实验
❖ 遗传物质在细胞中的存在方式
①真核生物 ❖ DNA分子与组蛋白结合构成染色体，每条染色体有单一线性双
链DNA分子。一个真核生物细胞内有多条染色体（脉孢菌7条， 人23条）。高等生物中有2至多套染色体（动物2倍，水稻4 倍），真菌有双倍体，但多数微生物是单倍体。真核细胞核物 质外有核膜包围，形成完整细胞核。
（Streptococcus pneumoniae）转化试验。 ②1952年，A. D. Hershy、M. Chase的噬菌体感染实验。 ③1956年，H. Fraenkel-Conrat的TMV拆开和重建实验。
Griffith的转化实验
转 化 因 子 的 本 质 的 阐 明
❖ Hershey-Chase的噬菌体实验
❖ 1952 年Zinder 和 Lederberg 在验证 Salmonella typhimurium是 否也存在接合现象时发现了 转导现象。
❖ Serretia marcescens在 25℃下培养时，会产生一种 深红色的灵杆菌素，把菌落 染成鲜红色。可是，当培养 在37℃下时，群体中所有细 胞都不产色素。如果重新降 温至25℃，产色素能力又得 到恢复。
第一节 生物遗传信息的载体
❖ 证明DNA是遗传物质的经典实验 ① 1 9 2 8 年 ， F. Griffith；1944 年 O. T. Avery 肺 炎 链 球 菌
转化示意图
❖ 转导transduction
❖ 定义
❖ 通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体为媒介，把一个供体细胞的 DNA 片段转移到另一个受体细胞中，并使后者发生遗传变异的 过程。
❖ 通过转导获得供体细胞部分遗传性状的重组受体细胞，称为转 导子（transductant）。携带供体部分遗传物质（DNA 片段） 的噬菌体称为转导噬菌体或转导颗粒。