微生物的遗传变异和育种_8课件

1、第二节 基因突变和诱变育种,基因突变 诱变育种,一、基因突变（genemutation）,一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变,简称突变，是变异的一种，泛指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，可自发或诱导产生。,突变几率一般很低（10-610-9）,从自然界分离到的菌株，简称野生型。,野生型经突变后形成的带有新性状的菌株，又称突变体或突变型。,突变株（mutant）,野生型菌株（wild type strain）,（一）突变类型,凡能用选择性培养基（或其他选择性培养条件）快速选择出来的突变株。,选择性突变株（selective mutant）,非选择性突变株（non-selective mutant）,反之。,表型,基因型,这里主要介绍几种常用的由于基因突变而造成微生物表型变化的突变型及其分离,link1,突变株的表型,非选择性突变株,选择性突变株,抗性突变型（株）,营养缺陷型（株）,条件致死突变型（株）,形态突变型（株）,抗原突变型（株）,产量突变型（株）,突变率,每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率,例如，突变率为10-8的， 指该细胞在

2、1亿次细胞分裂中，会发生1次突变。,某一单位群体在每一世代（即分裂1次）中产生突变株（mutant，即突变型）的数目来表示,例如，一个含108个细胞的群体，当其分裂为2108个细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是10-8。,（二）突变率（mutation rate）,突变一般是独立发生的。,某一基因发生突变不会影响其他基因的突变率。,同一细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的。,（三）基因突变的特点,基因突变的7个共同点,（1）自发性,各种性状的突变， 可在无人为的诱变因素处理下自发地产生。,（2）非对应性,突变的性状与引起突变的原因间 无直接的对应关系。,这是突变的一个重要特点，也是容易引起争论的问题,（3）稀有性,自发突变虽可随时发生， 但其突变率却是极低和稳定的，一般在10-610-9间。,某基因的突变率不受它种基因突变率的影响。,（5）可诱变性,自发突变的频率可因诱变剂（mutagen）的影响而大为提高（10105倍）。,（4）独立性,基因突变后的新遗传性状是稳定的、可遗传的。,野生型菌株某一性状可发生正向突变（forward mutation），也可发生相反的回复突变（

3、reverse mutation或back mutation ，也称回变）。,（7）可逆性,（6）稳定性,（四）基因突变自发性和不对应性 的实验证明,如何证明基因突变的非对应性？,证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！,三个经典实验,变量实验、涂布实验、影印实验,1.变量试验（fluctuation test）,又称波动试验或彷徨试验。1943年，S. E. Luria和M. Delbrck根据统计学的原理，设计实验。,Salvador Luria,Max Delbruck,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,甲管,乙管,2.涂布试验（Newcombe experiment）,1949年，H.B.Newcombe在NATURE上发表了一篇与变量试验属同一观点的但实验方法更为简单的涂布试验结果。,3.平板影印培养试验（replica plating）,1952年，J. Lederberg夫妇发表了一篇著名的平板影印培养法和细菌突变株的间接选择论文，它更好地证明了微生物的抗药性是在未接触药物前自发地产生的，这一突变与相应的

4、药物环境毫不相干。,影印的作用是保证这3个平板上所长出的菌落的亲缘和相对位置保持严格的对应性。,Joshua Lederberg,J. Lederberg is awarded the Noble Prize in Medicine and Physiology in 1958,（五）基因突变及其机制,仅影响一对碱基,影响一段染色体,诱发突变简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。,1.诱发突变（induced mutation）,凡具有诱变效应的任何因素，都称诱变剂（mutagen）。,(1)碱基的置换（substitution）,碱基的置换只涉及一对碱基被另一对碱基所置换，属于典型的点突变（pointmutation）。,染色体的微小损伤（microlesion）,碱基的置换,转换（transition）,颠换（transversion）,一个嘌呤,另一个嘌呤,一个嘧啶,另一个嘧啶,一个嘌呤,另一个嘌呤,一个嘧啶,另一个嘧啶,置换的机制, 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化学诱变剂，在体内（in vivo）或离

5、体（in vitro）条件下均有作用。,各种烷化剂（alkylating agent）等,硫酸二乙酯（DES）， 甲基磺酸乙酯（EMS）， N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍， N-甲基-N-亚硝基脲， 乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等。,亚硝酸,羟胺,它们可与一个或几个碱基发生生化反应， 引起DNA复制时发生转换， 能引起颠换的诱变剂很少。, 间接引起置换的诱变剂,引起这类变异的诱变剂都是一些碱基类似物（base analog）。,5-溴尿嘧啶（5-BU）、 5-氨基尿嘧啶（5-AU）、 8-氮鸟嘌呤（8-NG）、 2-氨基嘌呤（2-AP） 6-氯嘌呤（6-CP）等。,它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子中 后而引起的，故是间接的。,(2)移码突变（frame-shift mutation，phase-shift mutation）,指诱变剂使DNA序列中的一个或少数几个核苷酸发生增添（插入）或缺失，从而使其后面的全部遗传密码发生阅读框发生改变，并进一步引起转录和转译错误的一类突变。,由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株（frame-shift mutant）。,DNA分子的

6、微小损伤,点突变,能引起移码突变的有效诱变剂吖啶类染料,原黄素,吖啶黄,吖啶橙,-氨基吖啶,ICR类的化合物,由吖啶类化合物诱发的移码突变及其回复突变图示： （双线部分代表正常密码子，单线部分表示不正常）, 正常DNA链上的三联密码子：, 第三个密码子中增添一个碱基后的三联密码子：, 在第二个密码子上缺失一个碱基A后引起的变化：, 增添一个碱基和缺失一个碱基后，其后的密码子又恢复正常：, 如缺失三个碱基，也只引起一段密码子不正常：, 增添三个碱基后，只引起一段密码子不正常：,吖啶类化合物引起移码突变的机制：,在DNA复制过程中使链上增添或缺失一个碱基，引起移码突变。,吖啶类化合物,嘌呤嘧啶对,平面型三环分子,结 构 相 似,嵌入,两个相邻的DNA碱基对之间,造成,双螺旋的部分解开,(3)染色体畸变（chromosomal aberration）,电离辐射（X射线等） 烷化剂 亚硝酸等,某些强烈理化因子,引起,点突变,DNA的大损伤（macrolesion）,DNA的大损伤（macrolesion）,染色体畸变,缺失（deletion）,重复（duplication）,插入（insert

7、ion）,易位（translocation）,倒位（inversion）,染色体结构上,染色体数目的变化,DNA序列通过非同源重组的方式， 从染色体某一部位转移到 同一染色体上另一部位 或其他染色体上某一部位的现象， 称为转座（transposition）。,凡具有转座作用的一段DNA序列，称转座因子 （transposible element，TE），又称跳跃基因 （jumping gene）、可移动基因（moveable gene）、 可移动遗传因子（mobile genetic element）。,转座因子,插入序列（insertion sequence，IS）,转座子（transposon，Tn）,Mu噬菌体（mutator phage）,转座噬菌体（transposable phage）,原核生物,E. coli,进化研究 抗药性产生机制 各种研究用的突变株的获得,转座作用的频率为10-510-7,“自发基因工程”、“内源性基因工程”,转座因子的特点, 在转座时，通过转座因子的复制，可将新形成的拷贝以非同源重组的方式转移到染色体的新部位上； 在转座因子两端各有一段一定长度的末

8、端重复序列，包括正向重复（direct repeat）和反向重复（inverted repeat，或颠倒重复）； 每个转座因子还带有一个对转座有特异功能的转座酶基因（transposase gene）。,2.自发突变（spontaneous mutation）,自发突变（spontaneous mutation）是指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。,自发突变的原因,（1）背景辐射和环境因素,（3）DNA复制过程中碱基配对错误,（2）微生物自身有害代谢产物,一个1000bp的基因自发突变频率约为10-6,例如，过氧化氢等,例如，天然的宇宙射线等,（六）紫外线对DNA的损伤及其修复,嘧啶（敏感性）嘌呤,紫外线（ultraviolet ray，U.V.）,嘧啶二聚体（TT，TC，CC）和水合物,把经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象，称为光复活作用。,1. 光复活作用（photoreactivation，photorestoration）,最早是A. Kelner（1949）在Streptomyces griseus（灰色链霉菌）中发现的。后来，在许多

9、微生物中都得到了证实。,最明显的是在E.coli的实验 对照：8106个mLE.coli 100个mLE.coli 试验：8106个mLE.coli2106个mLE.coli,UV,UV,360490nm,可见光，30min,使二聚体（dimer）重新分解成单体（monomer）,带有嘧啶二聚体的DNA分子,DNA分子,UV照射,黑暗下结合,光激活酶光解酶 （光裂合酶，photolyase）,复合物,300500nm可见光 获得光能而激活,释放光解酶,在一般的微生物中都存在光复活作用，在利用UV进行诱变育种等工作时，应在红光下进行照射和后续操作，并放置在黑暗条件下培养。,注 意,2.切除作用（excision repair）,是活细胞内一种用于修复被UV等诱变剂（包括烷化剂、X射线和射线等）损伤后DNA的修复方式之一，又称暗修复（dark repair），通过酶切作用去除嘧啶二聚体，随后重新合成一段正常DNA链的核酸修复方式。,酶切,合成,切开,切除,聚合,连接,二、突变与育种 （一）自发突变与育种 （breeding by spontaneous mutation） 1. 从生产中育种,在生产第一线易获得较优良的生产菌株。,2. 定向培育优良菌株,定向培育是一种利用微生物自发突变，并采用特定的选择条件，通过对微生物群体不断移植以选育出较优良菌株的古老方法。,（二）诱变育种（breeding by induced mutation）,诱变育种是指利用物理、化学等诱变剂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育种目的的突变株，以供科学实验或生产实践使用。,筛选,诱变,诱变育种,定向的更重要,随机的,可获得供工业和实验室应用的各种菌株； 提高有用代谢产物的产量； 减少杂质、提高产品质量、扩大品种和简化工艺等。,诱变育种具有重大的实践意义,诱变育种的特点,（1）提高突变率，扩大突变谱 （2）有效地改良个别、单一性状 （3）缩短育种年限 （4）定向变异和有益突变的频率低,1. 诱变育种的基本环节,

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