第七章 微生物遗传

重点：遗传变异的物质基础，突变的类型，诱变育种的基本过程，营养缺陷型的筛选方法及原理。

遗传(hercdity或inherttance)和变异(variation)是生物体最本质的属性之一。遗传性适宜的环境条件下时，通过代谢和发育才能使其后代转化为与亲代相同的具体性状。生物体所携带的全部遗传因子或基因的总称，即遗传型(gcnotype)。具一定遗伟型的个体，在特定的外界环境中，通过生长和发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和，即为其表型(phenotype)。
     同样遗伟型的生物，在不同的外界条件下，会呈现不同的表型。这类表型上的差别，只能称适应或饰变(modification)，而不是真正的变异，因为它是群体中任一个体都可变的并不能遗传给下一代，在这种个体中，其遗传物质的结构未发生变化。例如，粘质沙雷氏菌(又称粘质赛氏杆菌)在 25℃下培养时，会产生一种深红色的灵杆菌素，把菌落染成似鲜血那样(因此过去称它为神灵色杆菌或灵杆菌)。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。只有遗传型的改变，即生物体遗传物质结构上发生的变化，才称为变异。在群体中，发生变异的机率是极低的(例如上述粘质沙雷氏菌产色素性状的突变率为万分之一)，但一旦发生后，却是稳定的，可遗传的。
   从遗传学研究的角度来看，微生物有着许多重要的生物学特性：个体的体制极其简单，营养体一般都是单倍体，易于在成分简单的合成培养基上大量生长繁殖，每殖速度快，易于累积不同的最终代谢产物及中间代谢物及中间代谢物，菌落形态特征的可见性与多样性，环境条件对微生物群体中各个体作用的直接和均匀，以及存在着处于进化进程中的多种原始方式的有性生殖类型等，这就是为什么在研究当代遗传学(包括其他生物学)基本理论问题中，微生物成了最热衷的研究对象的原因。
    对微生物遗传变异规律的深入研究，不仅促进了现代生物学的发展，而且还为微生物育种工作提供了丰富的理论基础。

第一节遗传变异的物质基础

在生物体中，是否存在着专门行使遗传变异功能的物质问题，曾是生物学界长期争论不休的重大基本理论问题之一。直至以下三个经典实验发表后，才逐步取得了承认核酸是遗传物质的一致意见。

一、证核酸是遗传变异物质基本的经典实验
(一) 转化实验
   转化现象是由英国医生格里菲斯(Griffith)在1928年首次发现的。当时，他把少量无毒的肺炎双球菌，又称肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)的RⅡ型(无荚膜，菌落粗糙型)和大量加热杀死的有毒的SⅢ型(有荚膜，菌落光滑型)细胞混合注射到小白鼠体中，使白鼠病死，结果意外地在其尸体内发现有活的SⅢ细胞。1944，艾弗里(Avery)等人在离体条件下重复了这一实验，并对转化现象的本质进行了一系列深入的研究。

由于肺炎双球菌的RⅡ型菌株转变为SⅢ型时产生了新的荚膜多糖，而多糖是经过酶一类蛋白质进行合成的，因此，曾设想蛋白质可能是转化因子。可是，从SⅢ型中提取到的蛋白质根本没有转化能力。基他如荚膜多糖、RNA也是如此。只有从热死的SⅢ型中提取的DNA才能引起转化，并且其转化效率随着DNA纯率的增高和其中蛋白质含量的降低而逐步提高。如果用DNA酶处理这一提取物，则转化能力随之丧失。对转化因子作了深入的研究，包括元素分析、血清学分析和一系列物理特性的测定后，终于证明所谓的"转化因子"就是DNA，由它决定了蛋白质和多糖等物质的合成。
   DNA的转化效率是异常高的，已知其最低作用浓度为10-5微克/毫升，这已是目前任何化学方法所无法测出的浓度。
(二) 噬菌体的感染实验
   1952年，候喜(Hershey)和蔡斯(Chase)利用示踪元素，对大肠杆菌T2噬菌体的吸附、增殖和释放进行了一系列研究。

由于蛋白质分子含硫而不含磷，DNA分子则恰恰与此相反，故可用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。正式实验时，把标记噬菌体与其宿主大肠杆菌混合，经短时间(如10分钟)保温后，T2完成了吸附和侵入过程，然后，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。接着进行离心沉淀，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32Pf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，只有期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，所以说明只有核酸才是其全部遗体信息的载体。通过电子显微镜的观察也证实了这个论点。
(三) 病毒的拆开和重建实验
   通过弗朗克-康勒脱(Fraenkel-Conrat)等(1956年)在植物病毒领域中的著名实验，也证明烟草花叶病毒(TMV)的主要感染成分是其核酸(这里为RNA，应该病毒不含DNA)，而病毒外壳的主要作用只是保护其RNA核心。他们通过甲、乙两株植物病毒的核酸和蛋白质的拆合和相互对换的巧妙实验(图7-3)，同样令人信服地证实了核酸(这里的RNA)是TMV病毒的遗传物质基础。

二、遗传物质在细胞中的存在方式
从上述分析可以知道，核酸尤其是DNA是生物体的遗传物质基础。它们在生物样的存在方式。为便于全面了解和运用这些知识，下面试图从7个方面来加以叙述。
(一) 细胞水平
   从细胞水平来看，不论是真核策生物还是原核微生物，它们的大部或几乎全部DNA都集中在细胞核或核质体中。在不同的微生物细胞或是在同种微生物的不同类型细胞中，细胞核的数目是不同的。例如，酵母、黑曲霉、构巢曲霉、产黄青霉等真菌以及多数放线菌一般是单核的；有的是多核的（如脉孢菌和米曲霉）；在细菌中，杆菌大多存在两个核质体，而球菌一般只有一个。
(二) 细胞核水平
   从细胞核水平来看，真核生物与原核生物之间存在着一系列明显的差别。前者在核有核膜包裹，形成有完整形态的核，核内的DNA与组蛋白结合成显微镜下可见的染色体；而后者的核则无核膜包裹，呈松期待的核质体状态存在，DNA不与蛋白质相结合等。
   不论是真核生物还是原核生物，除了它们具有集中着大部分DNA的核或核质体外，在细胞质中还存在着一些能自主复制的另一类遗传物质，广义地讲，它们都可称作质粒(plasmid)。例如真核生物中的各种细胞质基因(叶绿体、线粒体、中心体等)和共生生物(如草履虫放 品系中的卡巴颗粒等)；原核生物中如细菌的致育因子(即F因子，fertility factor)，抗药性因子(即R因子，resistance foctor)，及大肠杆菌素因子(Col,colicinogenic factor)等。
   (三)染色体水平
   不同生物体在一个细胞核内，往往有不同数目的染色体。真核微生物常有较多的染色体，如酵母菌属有17条，汉逊酵母属有4条，脉孢菌属有7条等；而在原核微生物中，每一个核质体只是由一个露的、光学显微镜下无法盾到的球状染色体所组成。因此，对原核生物来说，所谓染色体水平，实际上就是核酸水平。
遗传物质核染色体(核基因组)核外染色体(广义的质粒)真核生物细胞质基因(质体)线粒体 叶绿体 中心体 毛基体共生生物(如草履虫的卡巴颗粒等) 原核生物的质粒附加体(如F因子等)非附加体(如R因子，细菌素因子等)

除染色体的数目外，染色体的套数也有不同。如果在一个细胞中只有一套相同功能的染色体，它就是一个单倍体。在自然界中发现的微生物，多数都是单倍体的，高等动植物的生殖也都是单倍体；反之，包含有两套相同功能染色体的细胞，就称双倍体。例如高等动、植物的体细胞、少数微生物(如酿酒酵母)的营养细胞以及由两个单倍体的性细胞通过接合或体细胞融合而形成的合子，都是双倍体。在原核生物中，通过转化、转导或接合等过程而获得外来染色体片段时，只能形成一种不稳定的称作部分双倍体的细胞。
   (四)核酸水平
   从核酸的种类来看，大多数微生物的遗传物质是DNA，只有部分病毒(其中多数是植物病毒、还有少数是噬菌体)的遗传物质是RNA。在真核生物中，DNA总是缠绕着组蛋白，两都一起构成了复合物-染色体；而原核生物的DNA都是单独存在的。在核酸的结构上，绝大多数微生物的DNA是双链的，只有少数病毒为单链结构(如大肠杆菌的Φ×174和fd噬菌体等)；RNA也有双链(大多数真菌病毒)与单链(大多数RNA噬菌体)之分。从DNA的长度来看，真核生物要比原核生物长得多，但在不同生物之间的差别很大。如酵母菌的DNA长约6.5毫米，大肠杆菌约1.1-1.4毫米，枯草杆菌约1.7毫米，嗜血流感杆菌为0.832毫米。可以设想，这样长的DNA分子，其所包含的基因数量是极大的，例如，枯草杆菌约含10，000个，大肠杆菌约有7，500个，T2噬菌体约有360个，而最小的RNA噬菌体MS2却只有3个。此外，同是双链DNA，其存在状态也有不同，多数呈环状，但有的呈线状(如在病毒粒子中时，如果是细菌质粒，还可呈超螺旋("麻花")状。
   (五) 基因水平
   在生物体内，一切具有自主复制能力的遗传功能单位，都可称为基因，它的物质基础是一个具特定核苷酸顺序的核酸片段。基因有两种，其中的结构基因用于编码酶的结构，为细胞产生蛋白质提供了可能；而调节基因则用于调节酶的合成，它使该细胞在某一特定条件下合成蛋白质的功能得到了实现。每一基因的分子量约为6.7×10 5，即经含1，000对核苷酸。每个细菌一般含有5，000-10，000个基因。
   (六) 密码子水平
   遗传密码就是指DNA链上各个核苷酸的特定排列顺序。每个密码子(codon)是由三个核苷酸顺序所决定的，它是负载遗传信息的基本单位。生物体内的无数蛋白质都是生物体各种生理功能的具体执行者。可是，蛋白质分子并无自主复制能力，它是接DNA分子结构上遗传信息的指令而合成的。当然，其间要经历一段复杂的过程：大体上要先把DNA上的遗传信息转移到mRNA分子上去，形成一条与DNA碱基顺序互补的mRNA链(即转录)，然后而由mRNA上的核苷酸顺序去决定合成蛋白质时的氨基酸排列顺序(即转译)。60年代初，经过许多科学工作者的深入研究，终于找出了转录与转译间的相互关系，破译了遗传密码的奥秘，并发现各种生物都遵循着一套共同的密码。由于DNA上的三联密参与要通过转录成mRNA密友才与氨基酸相对应，因此，三联密参与一般都是mRNA上的核苷酸顺序来表示。

由4种核苷酸组成三联密码子的方式可多达64种，它们用于决定20种氨基酸来说已是绰绰有余了。事实上，在生物进化过程中早已解决了这一问题：有些密码子的功能是重复的(如决定氨酸的就有6个密码子)，而另一些则被用作"起读"(AUG，代表甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸，是一个起始信号)或"终止"(UAA、UGA和UAG，即表中句号"。"表示的)信号。
(七) 核苷酸水平
   上面所讲到的基因水平，实际上是一个遗伟的功能单位，密码子水平是一种信息单位，而这里提出的核苷酸水平(即碱基水平)即可认为是一个最低突变单位或交换单位。在绝大多数生物的DNA组分中，都只有腺苷酸(AMP)、胸苷酸(TMP)、鸟苷酸(GMP)和胞苷酸(CMP)4种脱氧核苷酸，但也有少数例外，他们含有一些稀有碱基，例如，T偶数噬菌体的DNA上就含有少量5-羟甲基胞嘧啶。