微生物的遗传与变异_4课件

1、上章教学回顾,第六章 微生物的生长及其控制 6-1 测定生长繁殖的方法 6-2 微生物的生长规律 6-3 影响微生物生长的主要因素 6-4 微生物培养法概论 6-5 有害微生物的控制,一、测生长量 二、计繁殖数,一、温度 二、氧气 三、pH,一、微生物的个体生长和同步生长 二、单细胞微生物的典型生长曲线 三、微生物的连续培养 四、微生物的高密度培养,一、实验室培养法 二、生产实践中培养微生物的装置,一、几个基本概念 二、物理灭菌和消毒的代表高温 三、化学杀菌剂、消毒剂和治疗剂,第七章 微生物的遗传与变异,教学目的与要求 了解微生物的遗传变异的物质基础，掌握原核微生物与真核微生物的基因重组和突变，熟悉基因工程的基本操作和菌种保藏原理 二、 教学内容： 1、遗传变异的物质基础（） 2、基因突变和诱变育种（） 3、基因重组和杂交育种（） 4、基因工程 5、菌种的衰退、复壮和保藏,遗传( heredity,inheritance) 是指上一代生物将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的行为或功能，具有极其稳定(保守)的特性。 遗传型(genotype) 又称基因型，指某一生物个体所含有的全部

2、遗传因子即基因组(genome)所携带的遗传信息。,遗传和变异的几 个基本概念,遗传型(可能性),+,环境条件,表型 (实现性),代谢、发育,表型(phenotype) 是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，是一种具体性状。,变异(variation) 指生物体在某种外因或内因的作用下所引起遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。特点： 在群体中只以极低的几率(一般10-510-10)出现； 性状变化幅度大； 变化后的新性状是稳定的、可遗传的和不可恢复的。 饰变(modification) 指外表修饰性改变，是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。特点： 是整个群体中的几乎每一个体都发生同样变化； 性状变化的幅度小； 因其遗传物质未变，故饰变是不遗传的和可恢复的。 如Serratia marcescens(粘质沙雷氏菌，旧称“神灵色杆菌”)。,遗传和变异的几 个基本概念,微生物因其独特的生物学特性而成为模式生物 物种与代谢类型的多样性 个体的体制极其简单 营养体一般都 是单倍体 易于在

3、成分简单的组合培养基上大量生长繁殖 繁殖速度快 易于积累不同的中间代谢物或终产物 菌落形态的可见性与多样性 环境条件对微生物群体中各个体作用的直接性和均一性 易于形成营养缺陷型突变株 各种微生物一般都 有其相应的病毒 存在多种处于进化过程中、富有特色的原始有性生殖方式,遗传和变异的几 个基本概念,第一节 遗传变异的物质基础,种质连续理论： 18831889年间德国A.Weissmann提出。认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物（种质）。 基因学说： 1933年摩尔根（Thomas Hunt Morgan）发现了染色体，并证明基因在染色体上呈直线排列，提出了基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。 但染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。当时认为决定生物遗传型的染色体和基因，起活性成分是蛋白质。 DNA是遗传变异的物质基础的证明： 1944年以后，先后有利用微生物为实验对象进行的3个著名实验的论证才使人们普遍接受核酸尤其是DNA才是真正的遗传物质。,第一节 遗传变异的物质基础,一、3个经典实验 一)经典转化实验 最早：1928年英国的F.Griffith，以S.pneu

4、moniae(肺炎链球菌) 作研究对象。,肺炎链球菌,S型：,R型：,具荚膜，菌落表面光滑，为致病株,不形成荚膜，菌落外观粗糙，非致病株,结论：加热杀死的S型细菌，在其细胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物质，它能通过某种方式进入R型细胞，并使R型细菌获得表达S型荚膜性状的遗传特性。,1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M.McCarty从热死S型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：,（1）动物试验,（3）S型菌的无细胞抽提液试验,热死SIII菌不生长 活 RII 菌长出RII菌 热死SIII菌+活RII菌长出大量RII菌和10-6SIII菌,活RII菌+SIII菌无细胞抽提液长出大量RII菌和少量SIII菌,平皿培养,平皿培养,平皿培养,（2）细菌培养实验,转化试验示意对照P190动物试验,混合培养,RII型活菌,SIII型活菌,SIII型热死菌,RII型活菌,SIII型活菌,健康,健康,健康,健康,健康,健康,健康,病死,病死,病死,活R菌,长出S菌,只有R菌,离体转化试验： 1）从活的S菌中抽提各种细胞成分

5、 ) 对各种生化组分进行转化试验,只有S型细菌的DNA才能将S. pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。有力地说明S型菌株转移给R型菌株的决不是遗传性状（有无荚膜）本身，而是DNA遗传因子。,加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖,二）噬菌体感染实验,A. D. Hershey和M. Chase， 1952年进行 首先把E.coli培养在以放射性32PO43-或35SO42-作为磷源或硫源的组合培养基中，从而制备出含32P-DNA或含35S-蛋白质的噬菌体 接着，进行了两组实验 （1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中,上清液中含 15%放射性,沉淀中含 85%放射性,沉淀中含 25%放射性,（2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中,上清液中含 75%放射性,二）噬菌体感染实验,结果：在噬菌体感染过程中，其蛋白质外壳根本未进入宿主细胞。进入宿主细胞虽只有DNA，但却有自身的增殖、装配能力，最终会产生一大群完整子代噬菌体。 结论：证实DNA是噬菌体的遗

6、传物质，在DNA中，存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。,三）植物病毒的重建实验,为了证明核酸是遗传物质，H. Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。 方法： 将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出完整的TMV粒子。 选用了HRV（霍氏车前花叶病毒）与TMV进行了如下拆分与重建实验：,实验方法 A：RNA（TMV） 蛋白质（HRV） B：RNA（HRV） 蛋白质（TMV） 用两种杂合病毒感染烟草： A:表现TMV的典型症状并分离到正常TMV粒子 B:表现HRV的典型症状并分离到正常HRV粒子。 结论：在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸(RNA),TMV HRV,HRV TMV,拆分,重建,核酸的特性及复制方式(补充) 1、核酸的化学组成和结构,第一节 遗传变异的物质基础,2、核酸的特性 温度升高导致双链的解链（变性），当温度缓慢降低时被解链的DNA能够重新配对（复性），不同来源的D

7、NA之间碱基序列互补的区段也能够进行碱基配对（退火或杂交）。,二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式 核酸存在的七个水平 细胞水平：大部分DNA都集中在细胞核或核区中，数目1-2个。 细胞核水平：核染色体组（核基因组或基因组）和核外染色体。 染色体水平：染色体数和染色体倍数（单倍、双倍） 核酸水平：核酸种类、核酸结构、DNA长度 基因水平：具有特定核苷酸序列的核酸片段（遗传功能单位） 密码子水平（遗传信息单位） 遗传密码是指DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸顺序。其信息单位是密码子。每一密码子由3个核苷酸序列即1个三联体组成。 核苷酸水平（核苷酸单位或碱基单位） 最低突变单位或交换单位,第一节 遗传变异的物质基础,掌握几个有用的数据： 每个碱基对（pb）的平均相 对分子质量约为650； 1106的dsDNA约为1.5kb或0.5m; 3nmol碱基的重量约等于1g。 多数细菌的基因组为19Mb,第一节 遗传变异的物质基础,二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式 1、细胞核水平 1）在原核细胞中 染色体DNA(核染色体)：在核区内，双链，环状或线状，无组蛋白； 染色体外DNA(核外染色体

8、):质粒(F 质粒、R质粒、Col质粒、Ti质粒、Ri质粒、mega质粒和降解质粒) 2）在真核细胞中 核DNA：在细胞核内与组蛋白结合成核小体； 核外DNA：细胞质基因(包括线粒体和叶绿体基因等)；共生生物（如卡巴颗粒）；2m质粒(酿酒酵母的在核内)等。,原核生物的质粒,1、定义 典型质粒：凡游离于原核生物核基因组以外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA(cccDNA)分子。 线形质粒 2、特点 具有麻花状的超螺旋结构，大小一般为1.5300kb。 携带某些核基因组上所缺少的基因，使细菌等原核生物获得了某些对其生存并非必不可少的特殊功能。 复制类型有严紧型复制控制和松弛型复制控制两种。 含质粒的细胞在正常的培养基上受吖啶类染料、丝裂霉素C、紫外线、利福平等因子处理后，会发生质粒消除。 具有与核基因组整合与脱离功能，这类质粒又称为附加体。 质粒与质粒间，质粒与核染色体间发生基因重组。,原核生物的质粒,3、质粒在基因工程中的应用优点 体积小，便于DNA的分离和操作； 呈环状，使其化学分离过程中能保持性能稳定； 有不受核基因组控制的独立复制起始点； 拷贝数多，使外源DNA 可很

9、快扩增； 存在抗药性基因等选择性标记，便于含质粒克隆的检出和选择 （如E.coli 的pBR322质粒） 4、质粒的分离与鉴定 分离：细胞的裂解、蛋白质和RNA去除以及质粒DNA与染色体DNA分离。 鉴定：电镜、琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶电泳及密度梯度离心法。,第一节 遗传变异的物质基础,二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式 2、基因水平： 是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位，其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片断。由众多的基因构成了染色体。以原核生物为例：,基因调控系统,操纵子,启动基因(启动子),调节基因,操纵基因,结构基因,DNA链,R,A,mRNA,B,mRNA,C,mRNA,O,a,b,c,蛋白质,第一节 遗传变异的物质基础,二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式 2、基因水平： 真核生物的基因与原核生物的基因最明显的不同是它们一般无操纵子结构，存在着大量不编码序列和重复序列，转录和转译在细胞中有空间分隔，以及基因被许多无编码功能的内含子阻隔，从而使编码序列变成不连续的外显子状态。,第二节 基因突变和诱变育种,一、基因突变 简称“突变”。是变异的一类，泛指细胞(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。狭义的突变专指基因突变(点突变)；广义的突变则包括基因突变和染色体畸变。 野生型菌株： 简称野生型，指从自然界分离到的菌株。 突变株(变异体、变异型) 野生型经突变后形成的带有新性状的菌株。,（一）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),抗性突变型(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),依表型的改变分为： 营养缺陷型因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸等生物合成酶的能力，因而无法再在基本培养基上正常生长繁殖，而必须在基本培养基中添加某种物质才能生长的突变类型。 抗性突变型

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