微生物的遗传和育种b.ppt

遗传学的一些概念,遗传(heredity)： 上一代生物如何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 特点：具稳定性 四个基本概念： 1.遗传型（genotype）： 又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所带的遗传信息2.表型（phenotype）： 指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下通过代谢和发育而得到的具体体现 遗传型 + 环境条件====== 表型,,3.变异(variation): 生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变，亦即遗传型的改变 变异的特点： a.群体一般为10-5～10-10； b.性状变化的幅度大； c.变化后形成的新性状是稳定的、可遗传的4.饰变（modification）： 指外表的修饰性改变，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： a.几乎整个群体中的每一个体都发生同样的变化； b.性状变化的幅度小； c.因遗传物质不变，故饰变是不遗传的引起饰变的因素消失后，表型即可恢复4.饰变（modification）：,例子：粘质沙雷氏菌（神灵色杆菌） 粘质沙雷氏菌在25℃下培养时，会产生深红色的灵杆菌素,把菌落染成鲜血状，可是,当培养在37℃下时,群体中的所有个体都不产色素。

如果重新降温至25℃,所有细胞产色素能力又可以恢复 宗教中称它为“神灵色杆菌”或“灵杆菌” 饰变是与变异有着本质区别,第一节 遗传变异的物质基础,一、3个经典实验 证明核酸是遗传物质的实验 （一）转化实验 研究材料：肺炎链球菌，小白鼠 肺炎链球菌特点： S型——有荚膜，菌落表面光滑，属致病菌致病性，人患肺炎，小白鼠患败血症而死亡 R型——无荚膜，菌落表面粗糙，属非致病菌,1928年，英国微生物学家Griffith(格里费斯）做了肺炎链球菌的转化实验实验说明了加热杀死的S型菌，在细胞内有一种具有遗传转化能力的物质，可进入R型菌细胞内，使R型菌获得表达荚膜的遗传特性体内转化实验－DNA是遗传物质的证明,1944年 Avery（艾费里） 揭开了转化因子的化学本质体外转化实验－DNA是遗传物质的证明,超速离心,脂类除去,进入,显示出DNA的优势,（二）噬菌体的侵染标记实验,1952年Hersey（侯喜）和Chase（蔡斯）的同位素标记大肠杆菌T2噬菌体进行侵染实验 实验方法 材料：大肠杆菌， T2噬菌体 培养基：32PO43- 和35SO42-的组合培养基 结果：制备出含32P-DNA核心的噬菌体 制备出含35S-蛋白质外壳的噬菌体,（三）植物病毒的重建实验,烟草花叶病毒的感染和繁殖过程，证实RNA也是重要的遗传物质。

1956年，法郎克-康勒特（H.Fraenkel-Conrat）分离RNA和protein，进行重组实验 实验材料：烟草花叶病毒（TMVA)与霍氏车前花叶病毒（HRV，TMVB） 5%RNA, 95%ProteinRNA杂合病毒实验,苯酚,苯酚,,HRV B,烟草花叶病毒经弱碱、尿素、去垢剂等处理，可以将其蛋白外壳与RNA分开，重新将蛋白外壳与RNA混合，病毒粒子又会重建二、遗传物质在细胞内的 存在部位和方式,（一）核酸存在的七个水平 细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 细胞核水平: 原核与真核生物的细胞核结构不同，核基因组和核外染色体 染色体水平: 染色体数和倍数(真核)，单倍体和双倍体 核酸水平：核酸种类、核酸结构和DNA长度（单位bp、kb、Mb ） 基因水平：具自主复制能力的最小遗传功能单位，核酸片断长度与信息量，转录——翻译 密码子水平： 信息单位,起始和终止, 核苷酸水平： 突变或交换单位，四种碱基,1.细胞水平,细胞核或核区 单核或多核,2.细胞核水平,核染色体=核基因组=核染色体组=基因组 核外染色体=核外遗传因子,3.染色体水平,（1）染色体数 不同生物的染色体数差别很大。

书P193表7-1 （2）染色体倍数 定义：指同一细胞中相同染色体的套数 单倍体：一套染色体 双倍体：两套功能相同的染色体,染色体的一般形态结构,染色体组型,4.核酸水平,核酸种类 DNA或RNA 核酸结构 双链或单链 双链DNA：环状、线状、超螺旋状（麻花状） DNA长度 基因组的大小 单位：bp（碱基对）、Kb（千碱基对）、Mb（兆 碱基对） 例如 ：p194表7-2,DNA Supercoiling,To package the DNA into the cell requires that the DNA be supercoiled. There are over 50 supercoiled domains in the E. coli chromosome, they are stabilized by association with the structural proteins.,DNA分子形成环状，这种环呈超螺旋状,它从致密的含蛋白质的结构中伸出（支架）,E.coli：2.4×109Da，42000 Kb（1300微米），闭合环状，约编码2000个基因 类核（nucleoid）。

支架 (scafford）50-100个DNA环组成，每200bp就有一个负超螺旋,DNA这种高度折叠的结构使DNA分子长度压缩了千余倍5.基因水平,基因：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段 有众多基因构成了染色体 基因大小：1000-1500bp，分子质量6.7×105 基因调控系统,（二）原核生物的质粒,基因不仅存在在染色体上，还存在于细胞中的染色体外的遗传因子上,核外染色体,,真核生物的“质粒” 原核生物的质粒,,,线粒体 细胞质基因 叶绿体 （质体） 中心体 动 体 共生生物： 卡巴颗粒 酵母菌的2m质粒,,F因子 R因子 Col质粒 Ti质粒 巨大质粒 降解性质粒,1.质粒（plasmid）定义：,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1)质粒的分子结构,通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)的 超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；,也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；,质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb； （细菌质粒多在10kb以内）,质粒的检测,提取所有胞内DNA后电镜观察；,第二节 基因突变和诱变育种,一、基因突变,突变：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。

狭义突变：基因突变—点突变 广义突变：基因突变和染色体畸变 自发突变的几率：10-6 ---10-9 野生菌株 →突变→突变株,(一）基因突变类型,选择性突变株：能用选择性培养基快速选择出来的突变株 非选择型突变：反之为--- 营养缺陷型（株） 抗性突变型（株） 选择性突变株 条件致死突变（株） 形态突变型（株） 抗原突变型（株） 非选择型突变株 产量突变型（株）,,,营养缺陷型——某一野生型菌株因基因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生长繁殖的变异类型 必须在培养基中添加某种物质才能生长 抗性突变型——某一野生型菌株因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性的突变株 在加有相应药物或相应物理因子处理的培养基平板上选出3.条件致死突变型——突变后在某种条件下可正常生长、繁殖，而在另一条件下却无法生长、繁殖的突变型 大肠杆菌Ts突变株，37℃正常生长，42 ℃死亡； T4噬菌体，在25 ℃可感染大肠杆菌，37 ℃不能感染 4. 抗原突变型——因突变而引起的抗原结构发生改变 细胞壁缺陷变异（L型细菌），荚膜或鞭毛成分变异，病毒蛋白变异。

5. 产量突变型：通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株 正突变：产量显著高于原始菌株 负突变：反之 6. 形态突变株：指由突变引起的细胞形态的变异二）突变率,定义：每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率 突变率为10–8是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变 突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株（mutant，即突变型）的数目来表示 突变率=突变细胞数/分裂前群体细胞数,（三）基因突变的特点,7个共同特点 以细菌的抗药性为例: 自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生 不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系 稀有性：突变率低且稳定三）基因突变的特点,独立性：各种突变独立发生，不会互相影响 可诱发性：诱变剂可提高突变率 稳定性：变异性状稳定可遗传 可逆性：正向突变====回复突变 从突变株回到野生型的过程则称为回复突变四）基因突变的自发性和不对应性的实验证明,1.变量试验又称波动试验或彷徨试验 1943年，S. E. Luria 和M. Delbrück 根据统计学原理，设计了实验 材料：大肠杆菌、 T1噬菌体（烈性噬菌体） 方法：观察统计抗噬菌体的抗性菌株数量,,结果：在50皿中，抗性菌落数相差较大，而另50皿中，抗性菌落数基本相同。

结论：抗性的产生与环境无关抗性在接触T1前的某次细胞分裂过程中就自发产生了2、涂布实验,原理与变量试验相同，方法更为简便，且可计算突变率3、影印平板培养法,1952年，J. Lederberg夫妇的论文《平板影印培养法和细菌突变株的间接选择》，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，这一突变与相应药物环境毫不相干 Lederberg（ 莱德伯格，美国生物学家、遗传学家，获1958年诺贝尔生理学-医学奖），1952年的实验S=青霉素敏感菌株 R=青霉素抗性菌株,,,,实验分析,在根本未接触过任何一点链霉素的情况下，就可以筛选到大量抗链霉素的突变株，充分说明了突变是自发产生的，链霉素只是起到了一种检出作用 平板影印培养不仅在微生物遗传理论的研究中有重要应用，而且在育种实践和其它研究中均有应用五）基因突变及其机制,自发突变 诱发突变,,,,1.诱发突变,碱基置换 移码突变 染色体畸变,基因突变（点突变）的诱变机制,诱变剂（mutagen）：凡能提高突变率的任何理化因子，就称为诱变剂 种类：诱变剂的种类很多 1.化学诱变剂 2.物理诱变剂 下面介绍代表性的诱变剂的作用机制1）碱基置换（substitution）一对碱基被另一对碱基所置换。

转换（transition），即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换； 颠换（transversion），即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换碱基置换后会出现下列几种情况,(1) 错义突变 一种氨基酸，变成另一种 氨基酸； (2) 无义突变 氨基酸的碱基置换后变成 UAG、 UAA、UGA等终止密码子；,碱基置换后会出现下列几种情况,(3)同义突变，碱基发生了置换，但由于遗传密码子的简并性，氨基酸不变如密码子GCU置换成GCC后，它们都是丙氨酸的密码子； (4) 沉默突变 ， 碱基置换造成多肽链中一个氨基酸的改变，但该氨基酸对蛋白质的结构和功能没有多大的影响，并没引起细胞表型变化酪氨酸的密码子 UAC,A 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 作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而引起DNA复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异配对原则: 6位上是氨基的嘌呤------4位上是酮基的嘧啶 6位上是酮基的嘌呤------4位上是氨基的嘧啶,,,,,由亚硝酸引起的AT→GC的转换,①腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（。