微生物的遗传和变异_1 (2)课件

第八章,微生物的遗传变异和育种,遗传（inheritance）保证了种的存在和延续,变异（variation）可遗传，推动了种的进化和发展,遗传和变异是生命的最本质特性之一。,1. 遗传型,2. 表型,又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子的总和,指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和。,3. 变异,4. 饰变：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。,特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为,特点：遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为10-6-10-9）,Production of a red pigment (prodigiosin) by Serratia marcescens. From left to right: slant culture grown at 25°C, slant culture grown at 37°C, broth culture grown at 25°C, broth culture grown at 37°C.,第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变和诱变育种 第三节 基因重组和杂交育种 第四节 基因工程 第五节 菌种的衰退、复壮和保藏,第一节 遗传变异的物质基础,一、证明DNA是遗传物质的三个经典实验 1. 经典转化实验 2. 噬菌体感染实验 3. 植物病毒重建实验 二、遗传物质存在的部位和方式 三、基因和性状,一、三个证明DNA是遗传物质的经典实验,1. 经典转化实验,肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)： S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力） R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）,1928年，F. Griffth作了3组实验:,以上实验说明：加热杀死的S型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入R型细胞并使R型细胞获得稳定的遗传性状，转变为S型细菌,1944年Avery精确重复了转化实验，确定转化因子,实验证明，将R菌转化为S菌的转化因子是DNA,2.噬菌体感染实验,实验证明，进入细菌细胞内部的物质是DNA。 DNA包含有产生完整噬菌体的全部信息。,3.植物病毒重建实验,实验证明，遗传信息的流向与DNA的传递是一致的。在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸，只不过是RNA而已。,二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式,除部分病毒的遗传物质是RNA外，其余生物体的遗传物质都是DNA。分染色体DNA和染色体外DNA。,1. DNA在原核微生物中的存在方式 染色体DNA处于核区，无组蛋白，与类组蛋白相结合 染色体外DNA主要指质粒,2DNA在真核微生物中的存在方式 染色体DNA与组蛋白结合构成复合染色体 染色体外DNA指线粒体DNA、质粒DNA等,三、基因和性状,1. 基因的概念 具有遗传因子效应的DNA片段，它是遗传物质的最小功能单位。 2. 性状与基因表达 性状：构成一个生物个体的结构、形态、物质和功能等各方面特征的总称。 基因决定性状，性状是基因表达的结果。 基因：分为调节基因、操纵基因和结构基因（蛋白质编码基因 ）3大类。,第二节 基因突变和诱变育种,一、基因突变（gene mutation） （一）突变类型 （二）突变率 （三）突变的特点 （四）基因突变自发性和不对应性的实验证明 （五）基因突变的机制 二、基因突变与育种 （一）自发突变与育种 （二）诱变育种,一、基因突变（gene mutation）,野生型（原始性状）,基因突变,突变型（新性状）,（一）突变类型,1. 按突变后的表型能否被选择性培养基加以鉴别：,营养缺陷型：某一野生型菌株因发生突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法再在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。 抗性突变型：指野生型菌株发生基因突变，而产生对某化学药物或致死因子的抗性变异类型。 条件致死突变型：某菌株在基因突变后，在某种条件下可正常生长、繁殖，而在另一种条件下却无法生长、繁殖。 形态突变型： 抗原突变型： 产量突变型：,2. 按突变的发生方式,突变,自发突变,诱发突变,环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等 而导致，一般频率较低，通常为10-6-10-9 。,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。,3. 按遗传物质的结构改变：,突变（诱变）,点突变point mutation 只涉及到DNA分子中一对或少数几对碱基的突变 染色体畸变chromosomal aberration 染色体在结构上有较大范围变化的变异,（二）突变率mutation rate,某一细胞或病毒粒在每一世代中发生某一性状突变的几率,（三）基因突变的特点,（1）自发性： （2）不对应性： （3）稀有性： （4）独立性： （5）稳定性： （6）可逆性： （7）可诱变性：,目的： 1. 突变是否自发产生的？ 2. 原因 突变性状,（二）基因突变自发性和不对应性的实验证据,野生型 （原始性状）,突变型 （适应环境的新性状）,特定环境,驯化,定向诱变,筛选,突变的原因,？,？,？,？,三个经典实验,？,是否对应,1. 变量实验,2. 涂布实验,3. 影印实验,变量实验（fluctuation analysis）,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,Max Delbruck,Salvador Luria,&,（1943）,变量实验（fluctuation analysis）,涂布试验,Newcombe （1949）,影印实验（replica plating ）,Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）,（五）基因突变及其机制,1. 诱发突变：物理、化学和生物的因素，提高突变率的人为的作法,（1）碱基的置换 转换（transition） 颠换（transversion),终止密码子（UAA，UAG，UGA),同义突变： 错义突变： 无义突变：,诱变剂(mutagen),直接引起置换的诱变剂 一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂 间接引起置换的诱变剂 通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子中后而引起的。诱变剂是一些碱基类似物，如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氨基尿嘧啶（5-AU）,（2）移码突变frame-shift mutation,吖啶类染料是移码突变的有效诱变剂,（3）染色体畸变：DNA的大损伤（macrolesion）,染色体结构的改变 缺失（deletion） 重复（duplication） 易位（translocation） 倒位（inversion）， 染色体数目的变化,转座（transposition）,转座因子的类型： 插入序列（IS，insertion sequence）-分子量最小，只起转座效应 转座子（Tn，transposon，又称转位子，易位子） Mu噬菌体（mutator phage，诱变噬菌体）-分子量最大，可引起插入突变,转座因子(transposable element, TE),二、突变与育种,选育 定向培育,（一）自发突变与育种：,例：卡介苗的筛选，连续接种230代,（二）诱变育种,1. 基本环节 2. 原则（8项） 3. 突变株的筛选（4步）,1. 诱变育种的基本环节,2. 诱变育种的原则,（1）使用简便有效的诱变剂,艾姆氏试验,艾姆氏试验：Ames于1975年发明的一 种利用鼠伤寒沙门氏菌组氨酸营养缺陷 型的回复突变来检测环境或食品中是否 存在化学致癌剂的简便有效方法， 一般采用纸片点试法和平皿掺入法。,（2）选用优良的出发菌株,（3）处理单细胞或单孢子悬浮液,（4）使用最佳诱变剂量 剂量 = 强度（浓度）× 作用时间,（5）利用复合处理的协同效应,（6）寻找和利用形态、生理与产量间的相关指标 （7）设计高效率筛选方案 （8）根据具体情况创造新型筛选方案,3. 突变株的筛选： （1）产量突变株的筛选 （2）抗药性突变株的筛选 （3）营养缺陷型突变株的筛选,（3）营养缺陷型的筛选方法 第一步：诱变剂处理,第二步：淘汰野生型 抗生素法：青霉素适用于细菌； 制霉菌素适用于真菌 菌丝过滤法：进行丝状生长的真菌和放线菌,第三步：检出缺陷型,a 夹层培养法,b 限量补充培养法,c 逐个检出法,d 影印平板法,生长谱法：在混有供试菌的平板表面点加微量营养物，视某营养物的周围有否长菌来确定该供试菌的营养要求的一种快速、直观的方法,第四步：鉴定缺陷型,第三节 基因重组和杂交育种,基因重组（gene recombination）或遗传重组。,重组是分子水平上的一个概念，可以理解成是遗传物质分子水平上的杂交，而一般所说的杂交（hybridization）则是细胞水平上的一个概念。 真核微生物中的有性杂交、准性杂交等及 原核生物中的转化、转导、接合和原生质体融合等都是基因重组在细胞水平上的反映。,重组与杂交的关系,杂交中必然包含着重组，而重组则不限于杂交这一形式,一、原核生物的基因重组 （一）接合(conjugation) （二）转导(transduction) （三）转化(transformation) （四）原生质体融合(protoplast fusion) 二、真核微生物的基因重组 （一）有性杂交(sexual hybridization) （二）准性杂交(parasexual hybridization),一、原核生物的基因重组 （一）接合(conjugation),直接接触,1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Tatum 细菌的多重营养缺陷型杂交实验,中间平板上长出的原养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致。,真正证实接合过程需要细胞间的直接接触的是：“U”型管实验（ Bernard Davis，1950 ）,1. 接合的机制 2. 接合菌株与F因子 3. 几种杂交结果,1. 接合机制(大肠杆菌的接合机制),接合作用由F因子介导。,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,2. 接合菌株与F因子,E.coli：有性别分化，决定其性别的是F因子。,（1）F因子：又叫致育因子，性因子。是染色体外的环状DNA分子(为大肠杆菌染色体的2%)。有编码细菌产生性菌毛及控制接合过程进行的20多个基因。,（2）F因子的四种细胞形式,a）F-菌株(“雌性”菌株)，不含F因子，没有性菌毛，但可以通过接合作用接收F因子而变成F+菌株；,b）F+菌株(“雄性”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。,1） F+×F-F+F+,理化因子的处理可将F因子消除而使F+菌株变成F-菌株,F+ 与F- 接合时， F+菌株的F因子复制后单链DNA通过性伞毛进入F-细胞，然后再形成双链环状DNA，即F-变成F+。,3. 几种杂交结果（细菌杂交）,高频重组菌株：,2） Hfr × F- Hfr + F- Hfr × F-Hfr +Hfr（极少数）,Hfr菌株具有F性菌毛，象F+一样与F-细胞进行接合。 接合转移时，F因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此F因子不易转入受体细胞中。 Hfr×F-杂交后的受体细胞(或接合子)大多数仍然是F-。,染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，频率也高。,F