微生物的基因重组
第五章细菌基因重组及遗传分析
第一节 转化（Transformation）
转化：是指受体细胞在特定生理条件下吸收外源DNA分子或 片段，并能表达外源DNA性状的过程。转化现象的发现和转 化因子的证实对促进现代分子生物学的诞生和发展产生了巨 大的推动作用。 转化是导致细菌基因重组的主要途径之一，转化现象在自然 环境中普遍存在于许多细菌中，包括一些革兰氏阳性菌和阴 性菌，只是转化频率很低。
转化的两个例子： ①.用两个带有不同抗性的肺炎双球菌群体混合, 可以发现带有双抗性的细菌。 细菌裂解 DNA残留 其它细菌摄取转化
②.枯草杆菌活细胞表面分泌DNA，可被其它细 胞摄取。
通过化学和非常规培养等方法处理受体细胞，不仅可以提高 转化频率，也可使遗传转化发生在自然条件难以转化或不能 转化的微生物中。 在实验室条件下，通常用CaCl2 、cAMP、低温培养、PEG 介导及电脉冲等方法转化细菌或其它微生物。细菌转化的过 程大体可分为三个阶段： 感受态的出现 DNA的吸附和进入 DNA的整合
如果a和b是连锁的，当DNA浓度降低时，ab共转化频率 的下降和a或b的转化频率的下降相同。假如a和b不连锁， ab共转化频率的下降将远远超过a或b的转化频率。
因为在较低浓度范围内，转化频率和转化DNA的浓度成 正比关系，如果两个基因在同一DNA分子上，那么浓度降 低10倍时，两个基因同时转化的概率也将减少10倍。 如果两个基因不在同一DNA分子上，DNA浓度下降时， 两个基因同时转化的概率将减少100倍，而不是10倍。
例外---流感嗜血菌（G-）
转化小体
转化的双链DNA （30-50kb）结 合到膜受体上
双链DNA被转 化小体摄取
然而，不同的细菌摄取DNA 的方式也不尽相同。在流感 嗜血菌中，其感受态细胞形成 一种结合双链DNA的膜结构， 称为转化小体 （transformasome）。该 小体吸附DNA后，与细胞的 内外膜相融合而转入细胞内 侧。进入细胞质前，再将双 链变成单链DNA。
食品微生物 第5章 微生物遗传变异与菌种选育第二节
携带供体部分遗传物质（DNA片段）的噬菌体称为 转导噬菌体。
普遍性转导
细菌转导的二种类型：
特异性转导
1、普遍性转导（generalized transduction）
通过极少数完全缺陷噬菌体对供体菌基因组上任何小片段 DNA进行误包，而将其遗传性状传递给受体菌的现象，称普遍 性转导。 (1) 意外的发现
保藏期 3-6 月
1-2 年 1-10 年 5-15 年
菌种保藏机构
ATCC采用的菌种保藏法：
（ American Type Culture Collection ，美国典型菌种保藏中心）
冷冻干燥保藏法 液氮保藏法 CCCCM采用的菌种保藏法：
（ China Committee for Culture Collections of Microorganism， 中国微生物菌种保藏委员会）
转化（transformation）
转化：受体细胞直接吸收供体细胞的DNA片段, 并与其染色 体同源片段进行遗传物质交换，使受体细胞获得新的遗传性 状的现象。
转化因子
吸附吸收
受体细胞 高1000倍 感受态
整合
转化子
(2) 转化过程
供体(strR)
ds DNA
感受态受体(strS) 酶解与吸收单链
将遗传性状不同的两种菌（种内、间、属间）融合 为一个新细胞的技术。
五、基因工程技术用于工业菌种改良
基因工程技术：基因操作、基因克隆、DNA重组。将含 目的基因DNA片段经体外操作与载体连接，转入一个受 体细胞并使之扩增、表达的过程。
•目的基因 •载体选择 •体外重组 •导入细胞 •筛选 •鉴定
分离、合成、逆转为cDNA、PCR扩增等 质粒、噬菌体、病毒
微生物 10-4、5、6第十章 微生物的遗传变异和育种
工程菌的稳定性问题
由工程菌产生的珍稀药物如：胰岛素、干扰素、 人生长激素、乙肝表面抗原、人促红细胞生成 素、重组链激酶等都已先后供应市场，不仅保 证了这些药物的来源，而且使成本大大降低。 但工程菌在发酵生产和保存过程中表现出不稳 定性，具体表现为：质粒的丢失；重组质粒发 生DNA片断脱落；表达产物不稳定。 工程菌的稳定与否，与重组质粒本身的分子组 成、宿主细胞生理和遗传性以及环境条件等因 素有关。
性状稳定的菌种是微生物学工作最重要的基本要求，否 则生产或科研都无法正常进行。 影响微生物菌种稳定性的因素：a）变异；b）污染； c ）死亡。
一、菌种的衰退与复壮
衰退：菌种出现或表现出负变性状
菌种衰退的原因： ①大量群体中的自发突变
自发突变
纯菌种
不纯菌种
传代增殖
衰退菌种
原始个体
突变个体 菌种衰退的原因： ②分离现象。 菌种衰退的原因： ③培养条件与传代。
准性杂交育种
第五节 分子育种（基因工程育种）
一、基因工程 定义：在基因水平上，改造遗传物质，从而使 物种发生变异，创建出具有某种稳定新性状的 生物新品系。
特点：可设计性、稳定性、远缘性、风险性
二、基因工程的基本操作 获得目的基因
选择基因载体
体外重组 外源基因导入 筛选和鉴定
应用
通过基因工程改变后的菌株被称为“工程菌”， 工程菌已逐渐应用于药物的微生物发酵生产中， 主要有以下几个方面：①增加生物合成基因量而 增加抗生素产量；②导入强启动子或抗性基因而 增加抗生素产量；③把两种不同的生物合成基因 在体外重组后再导入受体而产生杂交抗生素；④ 激活沉默基因，以其产生新的生物活性物质或提 高抗生素产量；⑤把异源基因克隆到宿主中表达， 以期彻底改变生产工艺。
基因重组
（一）转化（transformation）
具体转化过程如下： 进入受体细胞的DNA单链与受体菌染色体组上同源区 段配对，而受体菌染色体组的相应单链片段被切除， 并被进入受体细胞的单链DNA所取代，随后修复合成， 连接成部分杂合双链； 然后受体菌染色体进行复制，其中杂合区段被分离成2 个，一个类似供体菌，另一个类似受体菌； 当细胞分裂时，此染色体发生分离，形成一个转化子；
1、普遍性转导 普遍性转导又可分为完全普遍转导和流产普遍转导。 （1）完全普遍转导 通过重组，供体基因整合到受体细胞的染色体上，从而 使受体细胞获得供体菌的遗传性状，产生变异，形成稳 定的转导子，这种转导称为完全普遍转导。 （2）流产普遍转导 在普遍性转导中，有时转导来的供体DNA不一定都能整 合到受体染色体上，产生稳定转导子，更多的则是转导 来的供体染色体不能整合到受体染色体，也不能复制， 但可以表达，这种转导称为流产转导。
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的一起，经过 遗传分子间的重新组合，形成新遗传个体的方式，称为 遗传重组。
一、原核微生物的基因重组
在原核微生物中，基因重组的方式主要有转化、转导、 接合和原生质体融合几种形式。
（一）转化（transformation）
受体菌直接吸收了来自供体菌的DNA片段，通过交换， 把它整合到自己的基因组中，再经复制就使自己变成一 个转化子。这种受体菌接受供体菌的DNA片段而获得部 分新的遗传性状的现象，就称转化。 能进行转化的受体细胞必须处于感受态，即受体细胞最 易接受外源DNA片段并实现其转化的一种生理状态。
（四）原生质体融合
原生质体融合的主要步骤： （2 ）在高渗溶液中，用适当的脱壁酶去除细胞壁； （3）将形成的原生质体进行离心聚集，并加入促融合剂 PEG或过电脉冲等促进融合； （4）然后在高渗液中稀释，再涂在能使其再生细胞壁和 进行分裂的培养基上，使其形成菌落； （5）通过影印接种法，将其接种到各种选择性培养基上， 鉴定它们是否为融合子，最后测定其他生物学性状或产 能性状；
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。
上海交通大学-环境微生物-微生物的基因重组
转导的遗传物质
供体菌染色体DNA 任何部位或质粒
完全转导或流产转导
噬菌体DNA及供体菌 DNA的特定部位
受体菌获得供体菌DNA 特定部位的遗传特性 转导频率较普遍转导增 加1000倍(10-4)
转导的后果
转导频率
受体菌的10-7
普遍性转导
转化过程
TRANSFORMATION direct uptake of biologically active DNA fragments
细菌转化
以反向遗传学 的角度来确定 未知基因的功 能。
基因变异使基 因功能的丧失， 应用于重组 DNA技术和细 胞内同源重组。
反向遗传学
反向遗传学是相对于经典遗传学而言的。 经典遗传学是从生物的性状、表型到遗传物质来研究 生命的发生与发展规律。 反向遗传学则是在获得生物体基因组全部序列的基础 上，通过对靶基因进行必要的加工和修饰，如定点突变、 基因插入/缺失、基因置换等，再按组成顺序构建含生物 体必需元件的修饰基因组，让其装配出具有生命活性的 个体，研究生物体基因组的结构与功能，以及这些修饰 可能对生物体的表型、性状有何种影响等方面的内容。
Genetic Recombination
一、原核微生物的基因重组
1. 转化 (Transformation)
2. 转导 (Transduction)
3. 接合 (Conjugation)
4. 原生质体融合 (Cytoplasmic fusion )
5. 溶源性转换 (Lysogenic conversion)
细菌的多重营养缺陷型杂交
实验
接合现象的发现和证实
原核微生物基因重组
知识点：原核微生物基因重组情境：诱变育种任务：微生物的基因重组课程：食品微生物技术原核微生物基因重组微生物基因重组类型比较转化：游离DNA分子+ 感受态细胞转导：由缺陷型噬菌体介导接合：细胞与细胞的直接接触(由F因子介导)原生质体融合：人工破壁后强制融合1.转化同源或异源的游离DNA 分子（质粒和染色体DNA ）被自然或人工感受态细胞摄取,并得到表达的基因转移过程。
自然遗传转化人工转化感受态细胞:具有摄取外源DNA能力的细胞。
自然感受态与人工感受态的不同？自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性，受细菌自身的基因控制；人工感受态则是通过人为诱导的方法,使细胞具有摄取DNA的能力或人为地将DNA导入细胞内。
(该过程与细菌自身的遗传控制无关！)2.转导由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式:一个细胞的DNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中。
能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体称为转导噬菌体。
细菌转导的二种类型:普遍性转导：噬菌体可以转导供体染色体的任何部分到受体细胞中局限性转导：温和噬菌体在整合态不正常切割特定基因3.接合通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程。
接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导。
F因子为附加体质粒，既可以脱离染色体在细胞内独立存在，也可插入(整合)到染色体上。
含有F因子的细胞:“雄性”菌株(F+),其细胞表面有性菌毛;不含F因子的细胞:“雌性”菌株(F-),细胞表面没有性菌毛。
F因子的四种细胞形式a)F-菌株，不含F因子,没有性菌毛,可通过接合作用接收F因子而变成雄性菌株(F+)。
b)F+菌株，F因子独立存在,细胞表面有性菌毛。
c)Hfr菌株，F因子插入到染色体DNA上，细胞表面有性菌毛。
d)F′菌株，Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，特称为F′因子。
细胞表面同样有性菌毛。
原核微生物基因重组的方式
原核微生物基因重组的方式引言原核微生物是一类单细胞的微生物，其具有简单的细胞结构和基因组组成。
基因重组是指将不同的DN A片段组合在一起，创造出新的基因组序列的过程。
原核微生物基因重组的方式多种多样，本文将对其中的几种常见方式进行介绍。
1.水平基因转移水平基因转移是指基因从一种微生物向另一种微生物传递的过程。
常见的水平基因转移方式包括共轭转移、转导和转化。
1.1共轭转移共轭转移是指两个细菌之间通过直接接触传递质粒或染色体的过程。
质粒是一种环状D NA分子，它可以携带多种基因。
在共轭转移中，质粒通过共轭桥从一个细菌传递到另一个细菌。
这种方式使得基因可以在不同的细菌之间进行传递和交换，从而促进了基因的多样性。
1.2转导转导是指细菌间通过噬菌体传递D NA的过程。
噬菌体是一种寄生于细菌的病毒，它在感染细菌时会将自己的遗传物质注入到宿主细菌中。
如果宿主细菌的D NA与噬菌体D NA发生重组，那么在噬菌体复制时就会将宿主细菌的某些基因带走，并在感染新的细菌时将这些基因传递给后代细菌。
1.3转化转化是指细菌从周围环境中吸收外源D NA，并将其整合到自身的基因组中。
在转化过程中，外源D NA经过特殊的转化过程，如细菌细胞壁的转换、D NA的摄取和基因组的整合等，最终被细菌利用。
2.基因重组的限制和调控在原核微生物中，基因重组遭遇到一些限制和调控。
这些限制和调控有助于维持基因组的稳定性和适应环境的能力。
2.1限制酶限制酶是一种存在于细菌中的酶，它能够识别并切割特定的DN A序列。
限制酶的作用是保护细菌免受外源D NA的入侵。
当细菌吸收外源D NA时，限制酶可以切割这些外源DN A，从而阻止外源基因的整合。
2.2修饰酶修饰酶是一种存在于细菌中的酶，它能够在自己的DN A上添加化学修饰。
这些修饰可以阻止限制酶切割宿主细菌的DN A，从而保护宿主细菌的基因组。
2.3受体蛋白受体蛋白是一种存在于细菌中的蛋白质，它能够识别外源D NA并与之结合。
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微生物的基因重组
1. 内容
一、原核微生物（细菌）的基因重组
1.转化：受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得后者部分遗传性状的现象，通过转化而形成的杂种后代，称转化子。
转化因子的本质是离体的DNA片段（核基因组断裂的碎片，并能与受体菌的核染色体组发生重组）。
除dsDNA或ssDNA外，质粒DNA也是良好的转化因子，但它们通常并不能与核染色体组发生重组。
2.转导：以缺陷噬菌体为媒介，把供体细胞的小片段DNA携带到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象。
由转导作用而获得部分新性状的重组细胞，称转导子。
⏹普遍性转导（完全转导）：通过极少数完全缺陷噬菌体对供体菌基因组上任何小片段DNA进行“误包”，而将其遗传性状传递给受体菌的现象。
⏹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，并与后者的基因组整合、重组，形成转导子的现象。
3.接合：供体菌（“雄性”）通过性菌毛与受体菌（“雌性”）直接接触，把F质粒或其携带的不同长度的核基因组片段传递给后者，使后者获得若干新遗传性状的现象，通过接合而获得新遗传性状的受体细胞，称为接合子。
E.coli的4种接合型菌株：F+菌株、F-菌株、Hfr菌株、F’菌株。
4.原生质体融合：用人工方法使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程。
二、真核微生物（真菌）的基因重组
1.有性生殖：真菌的有性生殖和性的融合发生于单倍体核之间。
大多数真菌核融合后进行减数分裂，并发育成新的单倍体细胞。
亲本的基因重组主要是通过染色体的独立分离和染色体之间的交换。
2.准性生殖：有一类不产生有性孢子的丝状真菌，不经过减数分裂就能导致染色体单元化和基因重组，由此导致的变异过程。
（异核体的形成、核融合形成杂合二倍体、单倍体化进行体细胞重组）
2. 练习
一、选择题
1. 准性生殖：（）
A.通过减数分裂导致基因重组
B.有可独立生活的异核体阶段
C.可导致高频率的基因重组
D.常见于子囊菌和担子菌中
答案：B
2. F+ F-杂交时，以下哪个表述是错误的？（）
A.F-细胞转变为F+细胞
B.F+细胞转变为F-细胞
C.染色体基因不转移
D.细胞与细胞间的接触是必须的
答案：B
二、填空
1. 四种引起细菌基因重组的方式是____________、______________、
_________________和________________。
答案：转化，转导，接合，原生质体融合
2. 准性生殖包括______ 、_________、_________和___________四个互相联系的阶
段。
答案：菌丝联结，异核体的形成，杂合二倍体的形成（或核配），体细胞交换和单倍体化
三、简答
1. 什么是基因重组，在原核微生物中哪些方式可引起基因重组。
答案：把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经遗传分子的重新组合后，形成新的遗传型个体的方式，称为基因重组。
在原核生物中，可通过转化、转导、接合的方式进行基因重组。
2. 什么叫转导？试比较普遍性转导与局限性转导的异同。
答案：转导是以噬菌体为媒介将供体细胞中的DNA片段转移到受体细胞中，使受体发生
3. 测验
一.填空
1.根据转导子出现频率的高低可把局限转导分为两类：______，______。
2.供体均通过性菌毛与受体菌直接接触，把F质粒或其携带的不同长度的核基因组片段
传递给后者，使后者获得若干新遗传性状的现象，称为_____。
二、判断
1.F+即“雄性”菌株，指细胞内存在一至几个F质粒，并在细胞表面着生一至几条性菌
毛的菌株。
（）”
2.在实际转移的过程中，长的线状单链DNA常发生断裂，以致越是位于Hfr染色体前端
的基因，进入F-细胞的机会极少。
（）
三、简答
1. 简述真菌的准性生殖过程，并说明其意义。
4. 案例
5. 资源下载
课程讲义资源（Word文档）、教学课件资源（PPT）、视频录像资源（视频录像）。
6. 扩展学习
使用教材：
微生物学教程第3版周德庆主编高等教育出版社2011
参考书目：
1.沈萍主编，《微生物学》，高等教育出版社，2000；
2.沈萍、范秀容、李广武编，《微生物学实验》第3版，高等教育出版社，1999；
3.Prescott LM, Harley JP, and Klein DA. Microbiology (5th ed.), Higher education press and McGraw-Hill Companies, 2002.
4. 闵航（2005）：微生物学. 浙江大学出版社
参考期刊：
微生物学报中国科学院微生物研究所；中国微生物学会主办
微生物学通报中国微生物学会；中国科学院微生物研究所主办
参考网址：
中国微生物信息网络hppt://159.226.80.1/chinese.html
中国微生物资源信息共享/sdinfo
中国微生物信息网络/。