南开大学生命科学学院微生物学课程教案
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授课时间 教学对象 章节 学时分配
授课地点 新阶-202
生物科学, 生物技术, 化学学院药学系
第八章 微生物遗传
8学时
本章主要使学生了解微生物遗传因子的构成、微生物基因的突变以及
目的和要求 细菌和真菌的遗传学特性。本章学习后，学生基本掌握了微生物遗传育种技
术，以及菌种保藏、复壮等方法。为今后学习微生物学相关知识打下基础。要求掌握微生物遗传因子的构成、微生物基因的突变以及细菌和真菌的
重点、难点
遗传学特性。
第八章 微生物遗传
第一节 概述
经典微生物学实验证明遗传物质是DNA或RNA 1. 肺炎球菌的转化实验 2. T2噬菌体感染实验
3. TMV病毒拆分重组实验 (1) 动物试验
(2) 细菌培养试验 (3) S型菌无细胞抽提液试验
在噬菌体感染实验过程中 (最终产生完整的子代噬菌粒) : 1. 蛋白质外壳根本未进入宿主细胞, 只是DNA进入.
2. DNA中存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息 遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质
第二节 微生物的遗传因子
染色体基因组（Chromesome genome） 遗传因子 质粒（plasmid）
转座因子（ transposable elment） 病毒 （virus） 一、 微生物染色体基因组结构
(一) E.coli 的基因组结构 基因结构的主要特点 1、基因的连续性
2、基因组重复序列少而短
3、相关基因组或者是操纵子（operon） 2584个操纵子
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教学内容
便于在转录水平调控基因表达 4、结构基因单拷贝，rRNA基因多拷贝
(二) 啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae ）基因组结构 基因结构的主要特点： 1、基因的非连续性
2、没有明显的操纵子结构
3、某些基因的多拷贝，较高同源性DNA序列的重复
(三) 古细菌詹氏甲烷球菌（Methancoaaus jannaschii）的基因组结构 二、 质粒
质粒(Plasmid):
独立于染色体之外，能进行自主复制的细胞质遗传因子。
微生物存在质粒极为普遍；已了解上千种质粒 ；从E. coli 分离出300多不同天然质粒。 (一)质粒的分子构型
通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb； （细菌质粒多在10kb以内） (二)质粒的主要生物学性质 1、质粒的自我复制
2、质粒携带的基因一般不是微生物生命活动所必需的，携带决定特殊性状的基因，质粒消除不影响微生物的生命活动。 3、质粒的亲和性和不亲和性 亲和性（compatibility）：
几种质粒在同一宿主细胞内皆能复制且能稳定遗传，质粒间有亲和性。非亲和性（incompatibility）：
含一种质粒的细胞导入另一种质粒，几代后在细胞内只存在一种质粒，而丢失一种质粒，这两种质粒相互排斥不能共存的关系称为非亲和性 。4、有的质粒具有转移性
5、广宿主范围质粒与窄宿主范围质粒 6、拷贝数
(三) 质粒的类型
1、致育因子(Fertility factor，F因子)
又称F质粒，大小约100kb这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。 2、抗性质粒(resistance plasmid)
具有抗药性或抗重金属离子的质粒
3、细菌素质粒（Bacteriocin production plasmid）
细菌产生的抑制或杀死相关种群和种内敏感菌株的多肽类代谢产物。4、代谢质粒 (metabolic plasmid)
Pseudomonas含有能降解有毒有机化合物的质粒,以此为碳源和能源。5、毒性质粒（virulence plasmid）
许多细菌由质粒编码的毒性蛋白做致病因子 6、隐秘质粒（Cryptic Plasmid）
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不显示任何表型效应的质粒 三、 转座因子
细胞中能改变自身位置的一段DNA 序列。
1、最简单的转座因子——插入序列（insertion sequence， IS ） 2、转座子（transposon element.Tn） I 型转座子或复合转座子
中间是抗生素抗性基因,两端是IS反向重复序列。右端IS编码转座酶提供转座功能，连同抗药基因一起转座 Ⅱ 型转座子或复杂转座子：Tn3
两端短反向重复序列中间转座酶基因和抗药基因，在转座酶的作用下Tn3一起转座 。
3、可转座的phage—Mμ phage 4、转座诱变效应
（1）转座因子插入基因失活 （2）可以获得抗性基因突变 （3）Mμ 转座发生基因突变 四、 病毒
专门章节讲述
第三节 微生物基因突变
基因突变（gene mutation）
一个基因内部的遗传结构或DNA序列，发生一对或少数几对碱基的任何改变（置换、插入或缺失），而导致的遗传变化称为基因突变。
一、基因突变的类型及其分离 1、突变体基因型改变
单一密码子中一对碱基置换导致多类型突变，在读码框内一对碱基插入或缺失会导致移码突变，在非读码框内（如启动子区域）一对碱基改变可以导致整个操纵子功能改变。 2、突变体表型变化
原养型（protroph） 营养缺陷型 （auxotroph） 药物敏感型 抗药突变型（resistant mutant）
野生型 条件致死突变型（conditional lethal mutant） 野生型 形态突变型（morphological） 病毒敏感型 抗病毒突变型 糖发酵型 糖发酵缺陷型 野生型 冷敏突变型 野生型 表面抗原突变型 3、突变体分离
1）营养缺陷型（auxotroph）突变体分离 2）抗药性突变型（resistant mutant） 3）温度条件致死突变型的分离
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二、基因突变的分子机制 与突变修复 1、自发突变分子机制
2、诱发突变分子机制，诱变剂的诱变机理 3、突变的修复机制 三、基因突变的特性 1）非对应性 2）稀有性 3）规律性 4）独立性
5）遗传和回复性 6）可诱变性
第四节 细菌的基因转移和重组
在生物界基因转移和重组是普遍现象， 基因转移和重组使生物性状发生大变化 基因转移和重组是生物进化的主要动力之一 一、细菌的接合作用(conjugation)
接合作用（conjugation）：经细胞间直接接触并由接合质粒介导的基因转移和重组过程。 1.实验证据
1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Taturm 细菌的多重营养缺陷型杂交实验 2、F因子如何介导结合转移
F因子的分子量通常为5×107，上面有编码细菌产生性菌毛（sex pili）及控制接合过程进行的20多个基因。 3、基因接合转移的过程 二、细菌的转导
转导（transduction）:由病毒做载体将一个细胞的DNA转移到另一细胞并实现基因重组的过程 。
1、普遍性转导 （generalized transduction）
通过极少数完全缺陷噬菌体对供体基因组上任何小片段DNA进行“误包”。而将其遗传性状传递个受体。 2、局限性转导(specilized transduction）
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。 三、细菌的遗传转化
遗传转化（genetic transformation）；
自然或人工感受态细胞从外界摄取同源或异源DNA分子，经重组得以表达的基因转移过程（线型染色体ＤＮＡ、质粒ＤＮＡ和噬菌体ＤＮＡ－转染）。
遗传转化的必要条件:
1、感受态细胞（compentence cell）
感受态只局限于部分菌株,感受态是生物的一种遗传特性。
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2、有活性的外源DNA分子
（一）自然遗传转化（natural genetic transformation）
自然感受态细胞：细胞生长到一定时期所呈现的主动摄取外源DNA分子的生理状态。
自然感受态细胞的形成及遗传转化。 转化（transformation）
受体菌接受供体菌的DNA片断（线型染色体ＤＮＡ，单链），经过交换将它组合到自己的基因组中，从而获得了供体菌部分遗传性状的现象 。
(二)人工转化
自然遗传转化的细菌种类很少。 1、E.coli 人工诱导感受态 2、酵母菌原生质体转化 3、电击转化
第五节 真菌的遗传学特性
一、酵母菌的接合型遗传
1、酵母菌的接合型细胞
α型接合细胞：分泌α因子（外激素） a型接合细胞：分泌a因子
α、a 两型细胞接触时，分别受α 因子、a因子影响，终 止各自出芽生殖，而进行融合，行有性生殖。
2、α、a两接合型细胞调控机制
酵母菌基因组的“MAT”活性座位具有调节是α 型还是a形细胞的功能，在这个座位上α 或a基因都能插入 ，并受“MAT”启动子的控制。α 型、 a型两类结合细胞可相互转换。
二、酵母菌的2μm质粒 （隐秘性质粒） 长度为2μm（6318bp），封闭环状的双链DNA分子，只携带与复制和重组有关的四个基因，每个单倍体基因组含60—100拷贝，约占酵母细胞总DNA的30%，反向重复顺序之间的相互重组，导致两种异构体存在（A和B）。
三、丝状真菌的准性生殖
真菌以有性生殖的过程实现基因重组
子囊菌、担子菌或半知菌在有性繁殖缺乏时，通过准性生殖实现基因重组。
准性生殖（parasexual reproduction）
某些丝状真菌其双倍体细胞不经减数分裂而在有丝分裂过程中，即进行染色体单倍体化和染色体交换，实现基因重组，该生殖过程类似有性生殖，叫准性生殖。
在准性生殖过程中，单倍体化和体细胞交换是两个独立发生的过程：单倍体化： 指整条染色体在有丝分裂过程中由于染色体不分离而丢失的现象。
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体细胞交换：指有丝分裂过程中局部染色体片段交换的现象。 第六节 微生物育种 基因突变是诱变育种的理论基础 基因重组是杂交育种的理论基础 基因工程育种是技术最新的定向育种 一、诱变育种 （一）、诱变方法 1、紫外线诱变 U.V照射不同时间样品活菌计数 以致死率70-75%为最适U.V照射剂量（时间），存活的25%产生大量突变。 2、 5—Bu 诱变（5-溴尿嘧啶） （二）产量性状正变菌株筛选 1、抗生素高产菌株筛选 E.coli （大肠杆菌）作G— 指示菌 S.aureus（金黄色葡萄球菌）作G+ 指示菌 2、淀粉酶高产菌株筛选 （三）代谢控制发酵菌种选育 １、抗反馈抑制菌株的筛选 二、体内基因重组育种 １、原生质体融合 原生质体融合技术是将遗传形状不同的两种菌（种内、种间或属内）融合成为一个新细胞的技术。 ２、酵母菌杂交育种 第七节 微生物基因表达调控 在转录水平上调控基因表达 1、操纵子的转录调控 细菌的应急反应 细菌处于氨基酸全面缺乏的“氨基酸饥饿”状态时应急反应：2、通过更换RNA聚合酶 σ因子识别不同启动子在转录水平控制不同基因表达 3、信号传导和二组分调节系统 传感激酶 最简单的信号传导系统——二组分系统 应答调节蛋白 信号传导 （singnal ransduction） 外环境条件改变作为环境信号，不能直接传递给调节蛋白，而是首先通过传感激酶作为传感器检测环境信号，再传递给调节蛋白，该过程叫信号传导。 4、λphage溶源化、裂解途径调节 （1）当λ溶源化时， λ整合在宿主染色体上， cI gene 表达：
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（2） cI gene 可自我调节， CI protein 过高，抑制cI gene 的继续表达， 溶源化状态不经诱导，进入裂解途经。 （3）a. cI gene 发生突变也会出现裂解。 第八节 菌种的衰退、复壮和保藏 一、菌种的衰退与复壮 衰退（degeneration）：自发突变的结果致使某种微生物原有的一系列生物性状发生负性变化。 消极措施 ：从发生衰退的菌种中分离未退化个体。 复壮 积极措施：未衰退前经常进行纯种分离和生产性状测定，选择正变个体。 防止衰退：控制传代次数，培养条件良好，利用不易衰退的细胞传代，有效菌种保藏方法。 二、菌种保藏 基本要求： 在一定时间内使菌种不死、不变。 培养基传代培养 生活态 基本方法： 寄主传代培养 冷冻 液氮、低温冰箱 休眠态 干燥 沙土管、冷冻真空干燥 本章思考题 1．为什么E.coli通常做感受态细胞？ 2．转导和转化的区别？ 1.《微生物学》，沈萍，高等教育出版社，2000 2．周德庆，《微生物学教程》（2th），高等教育出版社，2002 3．杨文博等主译，微生物生物学（8th），科学出版社，2001 Michael T. Madigan John M. Martinko Jack Parker，“Brock's Biology of Microorganism 主要参考资料 4．11th”, Prentice Hall，2006 5. Lansing M. Prescott,Donald Klein, John Harley，“Microbiology”， McGraw- Hill Higher Education，2005 教学互动 备 注
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