微生物遗传_2课件

Chapter 6 Microbial Genetics and mutations,微生物的遗传与变异,基本概念： Genotype 基因型：指某一个生物个体所含有的全部遗传因子（即基因组genome）所携带的遗传信息。 Phenotype 表 型:：指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体体现。 Variation 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。 Modification 饰 变：指一种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。,微生物是遗传学研究的最好材料和对象,微生物结构简单,营养体一般都是单倍体,微生物繁殖速度快,易积累不同的中间及最终代谢产物,环境条件对微生物作用直接均匀,存在多种方式的繁殖类型,微生物的变异易被识别,参与基因工程的载体供体受体三角色,内容提要,遗传的物质基础 基因突变和诱变育种 基因重组和杂交育种 基因工程 菌种的衰退复壮和保藏,第一节 遗传的物质基础,三个经典实验证明核 酸是微生物遗传物质,转化实验,噬菌体感染实验,植物病毒的重建实验,遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式,转化实验,材料,方法,动物实验,细菌培养实验,S型菌无细胞抽提液试验,转化实验（1）动物实验,转化实验（2）细菌培养实验,转化实验（3）S型菌无细胞抽提液试验,大量R菌落+少量的S菌落,S菌落,噬菌体感染实验,2、步骤,1：用含同位素35, P32的培养基培养大肠杆菌,4、结果：上清液中含15%放射击性；沉淀中含85%放射性,2：让T2感染上述大肠杆菌使其打上S35P32标记,3、,上清液,沉 淀,结果：上清液中含85%放射击性；沉淀中含15%放射性,植物病毒的重建实验,植物病毒蛋白质和RNA可以人为地分开,同时又可把它们重新组合成具感染性的病毒.,甲乙r 感染症状同甲病毒；分离得到甲病毒,乙甲r 感染症状同乙病毒；分离得到乙病毒,原始株 拆开 重建 感染 分离纯化,植物病毒的重建实验,基因是什么?,基因是生命的密码,基因记录和传递遗传信息,基因决定生物体的生、长、病、老死等一切生命现象,基因是一段DNA,DNA就是脱氧核糖核酸（长链）,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,胸腺嘧啶（T）,胞嘧啶（C）,A,T,C,G,A,A,A,T,T,T,T,T,T,A,A,A,G,G,G,G,G,C,C,C,C,C,G,C,基因测序就是读出 A-C-G-T-G-G-A-C-G.,细菌的结构基因,遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式,（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 7、核苷酸水平,1、细胞水平 真核微生物：细胞核 原核微生物：核区 细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的,2、细胞核水平 真核生物 细胞核 核染色体 原核生物 核区 DNA链,核基因组,在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质,3、染色体水平 染色体是由组蛋白与DNA构成的线状结构 染色体的数目在不同的生物中是不同的 染色体的倍数在同一生物的不同生活时期是不同的,4、核酸水平 核酸种类：DNA，RNA 核酸结构：双链、单链； 环状，线状，超螺旋状 DNA长度：因种而异,微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开 始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为 研究微生物学的最有力的手段。,5、基因水平,6、密码子水平,7、核苷酸水平 核苷酸是最小突变单位和交换单位,（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,2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组,1）典型的真核染色体结构； 啤酒酵母基因组大小为13.5×106bp， 分布在16条染色体中。 2）没有明显的操纵子结构； 3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列； 4）重复序列多。,Plasmid 质粒,原核生物遗传物质存在的另一种方式,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。 质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的； 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，从而使宿主得到生长优势。,种类,F因子 与有性接合有关,R因子 与抗药性有关,CoL 编码细菌素,Ti质粒 诱癌质粒,降解质粒：编码降解有害物质的酶,质粒在基因工程中的应用 质粒的优点： （1）体积小，易分离和操作 （2）环状，稳定 （3）独立复制 （4）拷贝数多 （5）存在标记位点，易筛选,E. coli的pBR322质粒是一个常用的克隆载体,（1）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。,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）。,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)。,（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。,R质粒,抗性转移因子（RTF）：转移和复制基因 抗性决定因子：抗性基因,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）,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。,细菌素结构基因涉及细菌素运输及发挥作用的蛋白质的基因赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因,（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,Ti质粒中的T-DNA可携带任何外源基因整合到植物基因组中，是植物基因工程中有效的克隆载体,（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。,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。,降解质粒：,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(2,4dichlorophenoxyacetic acid)、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）,第二节 基因突变和诱变育种,一、基因突变 一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，可遗传、自发或诱变产生。,基因突变 突变与育种,突变类型 突变率 突变的特点 诱变机制,条件致死突变型（株）,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（株）,抗性缺陷型（株）,形态突变型（株）,抗原突变型（株）,产量突变型（株）,按方法分：按突变株的表型是否能在选择 性培养基上加以鉴别来区分。,突变率,突变的特点（证明）,不对应性,自发性,稀有性,独立性,诱变性,稳定性,可逆性,基因突变的自发性和突变结果与原因不对 应性的证明三个经典实验 变量试验（Fluctuation test） 涂布试验（Newcombe experiment） 平板影印培养试验（Replica plating）,(在同一个大管中作整体培养),3 7 1 4 4 3 5,抗噬菌体菌落数 抗噬菌体菌落数,变量试验,Fluctuation test,Newcombe experiment 涂布试验,影印培养试验,Replica plating,诱变机制,移码突变,染色体畸变,碱基的置换,碱基的置换,直接引起置换的诱变剂,间接引起置换的诱变剂,碱基的置换,T：烯醇式,5-BU:酮式,5-BU:烯醇式,碱基的置换,间接引起置换的诱变剂,碱基的置换,烯醇式,酮式,移码突变,分子中缺失或增加少数几个碱基对而引起,造成突变点以后全部遗传密码转录与转释发生错误,增添一个碱基,缺少一个碱基,染色体畸变,某些理化因子，如射线，紫外线， 亚硝酸等，除能引起点突变外，还会引起DNA分子的损伤，包括染色体易位，倒位，缺失，重复等，即为染色体畸变。,染色体畸变的机制,紫外线诱变作用机理,可使链裂断，破坏核糖和磷酸间的键联,引起胞嘧啶和尿嘧啶产生水合作用造成氢键断裂,能使胸腺嘧啶成二聚体，使结构发生改变,紫外线损伤后修复,可移动遗传因子（Transposable element） 插入序列（Insertion sequence IS） 转座子（Transposon Tn） Mu噬菌体（Mutator phage),插入序列（IS）和 转座子（ Tn）,自发突变（spontaneous mutation）及其原因 DNA复制 微生物自身产生诱变物质 环境对微生物的诱变作用 突变热点：指同一基因内部突变频率特别高的位点。,定向育种：在一特定条件下，长期培养某一微生物菌群，通过不断转接传代以积累其自发突变，并最终获得优良菌株的过程。,诱发突变（induced mutation） 物理因素 紫外线（ultraviolet light） X射线和射线 化学因素 碱基结构类似物 与核酸上碱基起化学反应的诱变剂 移码诱变剂,诱变育种（breeding by induced mutation） 指通过人工方法处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选出少数符合目的突变株的过程。 在此过程中，诱变和筛选是两个主要环节。,诱变育种的基本环节,诱变育种的基本原则 选择简便有效的诱变剂 挑选优良的出发菌株 处理单细胞或单孢子悬液 选用最适的诱变剂量 充分利用