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第八章微生物的遗传概述：遗传(heredity or inheritanc® 和变异(variation)是生物体的最本质的属性之一。
遗传即生物的亲代将一整套遗传因子传递给子代的行为或功能。
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。
基因型(ge no type某一生物个体所含有的全部基因的总和。
表型(phe no type)某一生物所具有的一切外表特征及内在特性的总和。
饰变( modification)不涉及遗传物质结构改变而发生在转录、翻译水平上的表型变化。
8.1遗传变异的物质基础8.1.1三个经典实验1. 经典转化实验：1928年F.Griffith以Streptococcus pneumoniae为研究对象进行转化(transformation)实验。
1944年O.T.Avery等人进一步研究得出DNA是遗传因子。
S strun A2. 噬菌体感染实验：1952年Alfred D.Hershey和Martha Chase用32P标记病毒的DNA，用35S标记病毒的蛋白质外壳，证实了T2噬菌体的DNA是遗传物质。
3.植物病毒的重建实1956年H.Fraenkel-Conrat用含RNA的烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus,TMV）与TMV 近源的霍氏车前花叶病毒（Holmes ribgrass mosaic virus,HRV）所进行的拆分与重建实验证明，RNA也是遗传的物质基础。
8.2微生物的基因组结构：基因组（genome是指存在于细胞或病毒中的所有基因。
细菌在一般情况下是一套基因，即单倍体（haploid）;真核微生物通常是有两套基因又称二倍体（diploid ）。
基因组通常是指全部一套基因。
由于现在发现许多非编码序列具有重要的功能，因此目前基因组的含义实际上是指细胞中基因以及非基因的DNA序列的总称，包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能还尚不清楚的DNA序列。
微生物第八章试题及答案1. 试述微生物在生态系统中的作用。
答案：微生物在生态系统中扮演着分解者的角色，它们通过分解死亡的有机物质，将有机物质转化为无机物质，从而促进了物质循环。
此外，某些微生物还能进行固氮作用，为植物提供氮源，而一些光合细菌则能通过光合作用产生氧气。
2. 描述微生物在食品工业中的应用。
答案：微生物在食品工业中有着广泛的应用，如在发酵过程中，酵母菌用于面包和啤酒的生产，乳酸菌用于酸奶和奶酪的制作，而醋酸杆菌则用于醋的发酵。
此外，微生物还可用于生产酶制剂、食品添加剂和维生素等。
3. 阐述抗生素的发现对医学领域的影响。
答案：抗生素的发现极大地改变了医学领域，它为治疗由细菌引起的感染性疾病提供了有效的手段。
抗生素的广泛应用减少了感染性疾病的死亡率，提高了手术的成功率，并促进了现代医学的发展。
4. 列举几种常见的微生物分类方法。
答案：微生物的分类方法包括基于形态学的分类、基于生理生化特性的分类、基于遗传信息的分类等。
形态学分类主要依据微生物的形态特征，如细菌的菌落形态、真菌的孢子形态等。
生理生化分类则依据微生物的代谢类型、酶活性等生理生化特性。
遗传信息分类则是通过分析微生物的DNA序列来确定其分类。
5. 简述微生物在环境治理中的应用。
答案：微生物在环境治理中扮演着重要角色，它们可以用于污水处理、土壤修复和大气污染控制。
例如，某些细菌能够分解污水中的有机污染物，而某些真菌则能够吸收土壤中的重金属。
此外，一些微生物还能通过代谢作用减少大气中的温室气体排放。
6. 描述微生物在农业生产中的作用。
答案：微生物在农业生产中具有多种作用，包括提高土壤肥力、促进植物生长、防治植物病害等。
例如，固氮菌能够将大气中的氮转化为植物可利用的形式，而某些微生物则能够产生植物生长激素，促进植物生长。
此外，一些微生物还能产生抗生素，用于防治植物病害。
7. 列举几种常见的微生物疾病及其预防措施。
答案：常见的微生物疾病包括结核病、霍乱、肺炎等。
微生物学课程习题（下）第八章微生物遗传与变异一．填空1．证明核酸是遗传物质的三个经典实验是肺炎双球菌的转化实验、T2噬菌体感染实验和植物病毒的重建实验。
2．质粒根据分子结构可有CCC型、OC型和L型三种构型。
质粒在细胞中的拷贝数也不尽相同。
有的拷贝数很少，只有一、二个拷贝，称为严紧型质粒，另一些具有较高的拷贝数，约有10个以上，称为松弛型质粒。
3．检测质粒常用的方法有提取所有胞内DNA后电镜观察、超速离心和琼脂糖凝胶电泳。
4．不同碱基变化对遗传信息的改变可分为缺失、添加、易位和倒位四种类型；常见的表型变化的突变型有营养缺陷型、抗药性突变型、条件致死突变型、形态突变型、抗原突变型和产量突变型等。
5．营养缺陷型的筛选一般要经过诱变，淘汰野生型，检出和鉴定营养缺陷型四个环节。
6．基因突变的特点为自发性、不对应性、稀有性、独立性、可诱变性、稳定性、可逆性。
7．普遍性转导可能出现的三种后果是形成转导子、流产转导和转导失败。
8．紫外线照射能使DNA相邻碱基形成胸腺嘧啶二聚体，从而导致DNA复制产生错误，用紫外线诱变微生物后应在红光或暗处条件下进行，以防止光复活现象的产生。
9．原核生物基因重组的类型主要有转化、转导、溶原性转换、接合和原生质体融合等多种，真核微生物则有有性杂交，准性杂交和原生质体融合等多种。
10．原核生物中的转座因子主要有三种类型：插入序列、转座子、转座噬菌体或前噬菌体。
11．微生物菌种保藏的原理是在干燥、避光、缺氧、缺乏营养物质和低温等环境条件下，使其处于代谢不活泼状态。
12. 能在同一细菌中并存的质粒属于不同的不亲和群，而在同一细菌中不能并存的质粒属于同一不亲和群。
三．名词解释1．微生物遗传：在一定的环境条件下，微生物的形态、结构、代谢、繁殖、毒力和对药物的敏感等性状相对稳定，并能代代相传，子代与亲代之间表现出相似性，这种现象称为遗传。
遗传可以使微生物的性状保持相对稳定，而且能够代代相传，使它的种属得以保存。
第八章微生物的遗传和变异习题与题解一、填空题1、证明DNA是遗传物质的事例很多，其中最直接的证明有1928年Griffith的细菌转化实验、Avery等的1944年发表的细菌细胞抽提物的降解、转化实验和1952年Alfred等进行的35S、32P标记的T2噬菌体繁殖实验。
而1956年，H.Fraenkel-Conrat 用RNA病毒（烟草花叶病毒TMV）所进行的拆分和重建实验，证明了RNA也是遗传物质。
2、细菌在一般情况下是一套基因，即单倍体；真核微生物通常是有两套基因又称二倍体。
3、大肠杆菌基因组为双链环状的在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式存在于细胞中，该小体被称为拟核。
4、酵母菌基因组最显著的特点是高度重复。
酵母基因组全序列测定完成后，在其基因组上发现了许多较高同源性的DNA重复序列，称之为遗传丰余。
5、质粒DNA分子存在于细胞中，但从细胞中分离的质粒大多是3种构型，即CCC型、OC型和L型。
6、转座因子1）是细胞中位于染色体或质粒上能改变自身位置（如从染色体或质粒的一个位点转到另一个位点，或者在两个复制子之间转移）的一段DNA序列。
2）原核微生物中的转座因子有三种类型：插入序列（IS）、转座子（Tn）和某些特殊病毒（如Mu）。
3）转座因子可引发多种遗传变化，主要包括插入突变、产生染色体畸变、基因的移动和重排。
7、在普遍性转导中，噬菌体可以将供体细菌染色体的任何部分转导到受体细菌中；而在局限性转导中，噬菌体总是携带同样的片段到受体细胞中。
8、细菌的结合作用是指细菌与细菌的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程9、线粒体遗传特征的遗传发生在核外，且在有丝分裂和减数分裂过程以外，因此它是一种细胞质遗传。
10、丝状真菌遗传学研究主要是借助有性过程和准性生殖过程，并通过遗传分析进行的，而准性生殖是丝状真菌，特别是不产生有性孢子的丝状真菌特有的遗传现象。
准性生殖是指不经过减数分裂就能导致基因重组的生殖过程。
微生物的遗传第一节遗传的物质基础一、DNA作为遗传物质Griffith的转化实验（DNA）；T2噬菌体感染实验（DNA）；植物病毒重建实验（DNA\RNA）。
二、RNA作为遗传物质生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病毒蛋白质外壳（病毒1）和核酸（病毒2）抗血清处理，证明杂种病毒的蛋白质外壳来自病毒1，而非病毒2杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为病毒2，而非病毒1遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质三、朊病毒的发现与思考（一）发现：朊病毒是亚病毒的一种，是一种具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚未发现该蛋白内含有核酸。
致病机理：其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrP c改变折叠状态为PrP sc所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。
引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病，如羊搔痒症(scrapie)，牛海绵状脑病(spongiform encephalopathy)，人的库鲁病(kuru)、克雅氏病(Creutzfeldt Jakob disease, CJD)等。
Stanley B. Prusiner (1982)提出羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒（proteinaceous infectious particle），并将之称做Prion或Virino，即朊病毒。
1997年，Stanley B. Prusiner荣获诺贝尔奖。
（二）思考1）蛋白质是否可以作为遗传物质？prion是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？2）蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？3）DNA→RNA→肽链→蛋白质第二节质粒和转座因子质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。
转座因子（transposable element）：位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。
质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子一、质粒的分子结构1、结构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：从1kb左右到1000kb，（细菌质粒多在10kb以内）。
2、质粒的检测1）提取所有胞内DNA后电镜观察；2）超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；3）对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药性初步判断。
对于由于三种构型同时存在时造成的多带现象（提取质粒时造成或自然存在），可以进行特异性单酶切，使其成为一条带。
特定的质粒提取方法和后处理使染色体和RNA均被除掉。
二、质粒的主要类型作用：在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能；质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的，从而使宿主得到生长优势。
根据质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应，质粒包括下列主要类型：致育因子（Fertility factor，F因子）抗性因子（Resistance factor，R因子）产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）毒性质粒（virulence plasmid）代谢质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒（cryptic plasmid1、致育因子(Fertility factor，F因子)又称F质粒，其大小约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。
F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。
携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。
2、抗性因子（Resistance factor，R因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。
抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。
R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（mercuric ion ，mer）、四环素（tetracycline，tet ）、链霉素(Streptomycin, Str)、磺胺(Sulfonamide, Su)、氯霉素(Chlorampenicol, Cm)、夫西地酸（fusidic acid，fus），并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。
3、产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因以及赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。
细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（E. coli ）产生的细菌素为colicins （大肠杆菌素），而质粒被称为Col 质粒。
由G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins 有所不同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸细菌产生的细菌素NisinA 能强烈抑制某些G+细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。
4、 毒性质粒（virulence plasmid ）许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。
产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。
苏云金杆菌含有编码δ内毒素(伴孢晶体中)的质粒根癌土壤杆菌所含Ti 质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子。
5、 代谢质粒（Metabolic plasmid ）质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。
降解质粒：将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。
假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4dichlorophenoxyaceticacid)、辛烷和樟脑等的能力。
6、 隐秘质粒（cryptic plasmid ）隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。
它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。
在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）。
几个概念：高拷贝数(high copy number)质粒：每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝。
也称松弛型质粒(relaxed plasmid)。
低拷贝数(low copy number)质粒：每个宿主细胞中可以有1-4个拷贝。
也称严谨型质粒(stringent plasmid)。
窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid)：只能在一种特定的宿主细胞中复制。
广宿主范围质粒(broad host range plasmid)：可以在许多种细菌中复制。
第三节 基因突变及修复细菌素抗生素抑制或杀死近缘，甚至同种不同株的细菌 较广的抗菌谱 通过核糖体直接合成的多肽类物质 一般是次级代谢产物编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位于质粒或转座子上 一般无直接的结构基因，相关酶的基因多在染色体上基因突变：一个基因内部遗传结构或DNA 序列的任何改变。
突变：自发突变：环境因素的影响，DNA 复制过程的偶然错误等而导致的突变。
一般频率较低，通常为10-6-10-9 。
诱变：某些物理、化学因素对生物体的DNA 进行直接作用，突变以较高的频率产生。
诱变剂：能使突变率提高到自发突变水平以上的物理、化学和生物因子。
基因突变的特点：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。
三个经典实验：变量实验；涂布实验；影印实验。
基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。
一、常见的微生物突变类型1、营养缺陷型（auxotroph ）定义：一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生0素、碱基等）的微生物突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物（precursor ）才能生长。
另一定义：某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后，失去合成某种(或某些)对该菌株生 长必不可少的物质(通常是生长因子如氨基酸、维生素)的能力，必须从外界环境获得该物 质才能生长繁殖，这种突变型菌株称为营养缺陷型(auxotroph)。
营养缺陷型的表型判断的标准：在基本培养基上能否生长。
营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段特点：营养缺陷型在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长，突变株不能通过选择平板直接获得属于负选择标记。
营养缺陷型的表示方法：基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：his C （组氨酸缺陷型，其中的大写字母C 同一表型中不同基因的突变）表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC 在具体使用时多用hisC -和hisC +，分别表示缺陷型和野生型。
2、抗药性突变型（resistant mutant ）基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。
特点：突变株可直接从抗性平板上获得-----在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长，属于正选择标记微生物的突变类型突变株 的表型选择性 突变株非选择 性突变株营养缺陷型 抗药性突变型） 条件致死突变型形态突变型 抗原突变型 产量突变型表示方法：用所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示。
str r和str s分别表示对链霉素的抗性和敏感性。
3、条件致死突变型（conditional lethal mutant）在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。
常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts（temperature sensitive）表示，这类突变在高温下（如42℃）是致死的，但可以在低温（如25-30℃）下得到这种突变。
特点：这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因，属于负选择标记。
4、形态突变型（morphological mutant）造成形态改变的突变型。
特点：是非选择性突变。
突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。
二、基因突变的分子基础自发突变诱发突变：染色体畸变点突变：碱基置换（直接引起置换，间接引起置换）；移码突变；参考生物化学、遗传学第四节微生物育种一、诱变育种：定义（一）诱变育种的基本环节出发菌株诱变少数存活少数突变少数正变少数幅度大少数宜投产（二）诱变育种的几个原则1 . 选择简便有效的诱变剂；2 . 挑选优良的出发菌株；3 . 处理单孢子(或单细胞)悬液；4 . 选用最适剂量；5 . 利用符合处理的协同效应；6 . 利用和创造形态、生理与产量间的相关指标；7 . 设计或采用高效筛选方案和方法；（三）常用诱变剂的使用方法1.物理诱变：采用紫外线进行诱变育种时的操作步骤。
