《微生物的遗传变异和育种_1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微生物的遗传变异和育种_1（129页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章 微生物的遗传变异和育种,何谓遗传学？ 遗传学是关于遗传物质的生理生化性质、世代传递方式，以及所携带的信息在个体发育中的表达的一门科学。 早期的遗传学研究亲代与子代之间遗传性状的传递，提出了遗传的染色体理论，对基因进行了作图，并发现了基因重组现象，故名传递遗传学。 近代的遗传学则进一步从分子水平上研究基因的构成、复制、表达、突变和修复等，被称为分子遗传学。,微生物遗传学 涉及部分真核生物，所有的原核生物，以及病毒的遗传； 介绍微生物的遗传物质的结构特点、遗传信息的表达与调控、遗传变异的基本规律； 介绍通过基因操作改变微生物的遗传信息从而有效地控制或利用微生物的基本策略。,遗传(hered
2、ity),微生物的生物学性状保持相对稳定，子代与亲代之间生物学性状具有相似性，且代代相传； 不同种属的物种得以保存。,第一节 遗传变异的物质基础 一、遗传物质的鉴定 二、脱氧核糖核酸 三、基因组DNA和染色体 四、染色体以外的遗传因子,经典试验1. 肺炎链球菌的转化试验 S型和R型细胞侵染试验,一、遗传物质的鉴定,分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化,结论,细胞生物的遗传物质是双链DNA 病毒的遗传物质可以是单链的或双链的DNA或RNA， 即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。,二、脱氧核糖核酸,1核酸的化学组成和结构 2DNA的复制方式 3DNA的理化性质,1核酸的化学组成和结
3、构,Watson 和Crick在1953年描述了DNA的结构模型： DNA分子是由两条相互平行、方向相反的多核苷酸单链以右手螺旋方向相互缠绕而形成的双螺旋。 脱氧核糖和磷酸构成的主链位于外围，通过氢键相互交联的碱基处于双螺旋的内部。 腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤与胞嘧啶配对；两条单链互补；一条链的碱基序列限定了另一条链的序列。,Watson,Rosalind Franklin 的贡献,Watson and Crick proposed DNA structure in 1953 by building models based on chemical and physical data tha
4、t had been gathered in other labs, primarily x-ray diffraction data collected by Rosalind Franklin et al.,Frederick Sanger,中心法则,2DNA的复制方式,细菌DNA的q-形复制,10100 mm,复制叉,复制叉,复制原点,模板 新生链,DNA的理化性质 DNA的稳定性 在溶液中，DNA具有一定的粘性，易受剪切力的破坏；易被核酸酶降解； 在强酸中，DNA能被水解成碱基、糖和磷酸； 在特定的稀酸中(如pH 34)，不同碱基与核糖之间的糖苷键会发生特异性的断裂，根据这种特异性可测
5、定DNA的碱基序列； 在稀碱如0.2当量NaOH中，双链DNA很快变性产生单链DNA，继而单链DNA被进一步破坏。,3DNA的理化性质（2） DNA的光学性质 DNA中的碱基属于芳香簇化合物，能够吸收紫外光(UV)。DNA吸收峰的光波波长为260纳米；当浓度为 1 mg/ml时， dsDNA ： A260=20 ssDNA、RNA ： A26025 人们根据A260测定DNA的浓度， 根据A260 / A280和估算DNA的纯度。,DNA的热变性 双链DNA在一定的高温下解链(变性)产生单链DNA。双链DNA完全解链后，紫外吸收值A260可以提高 40，当吸收值的提高达到中点时的温度称为解链温
6、度（Tm）。,1.4 1.2 1.0,70 80 90 100C,Tm,3DNA的理化性质（4） 复性、退火或杂交 当温度缓慢降低时，序列互补的单链DNA能够渐渐地重新配对，即复性。 不同来源的DNA之间碱基序列互补的区段进行的碱基配对称为退火或杂交，这被广泛应用于DNA的扩增、定点诱变、基因鉴别。,分子特征与微生物分类鉴定 DNA中的GC含量通常通过Tm值来测定。同一个属的细菌， GC含量的变化一般小于10。 DNADNA杂交技术用于研究亲缘关系近的微生物。 如果两菌株在最适条件下杂交，DNA相关性70%，且Tm值差别5，它们就被认为同种。,三、基因组DNA和染色体,基因组是指一种生物体内单
7、套遗传物质的全部遗传基因。染色体指携带细胞功能所必备的基因的遗传单元。 病毒是非细胞生物，它们的全套遗传基因称为基因组，但不足以形成染色体。 原核生物的染色体常为一个环状的DNA分子。 真核生物的细胞有几条至几十条染色体，各含一个线状的DNA分子。,细菌染色体DNA的大小和结构,(a)大肠杆菌细胞大小和染色体DNA长度的比较；(b)细菌细胞中的拟核；(c)大肠杆菌染色体结构电镜图。宽1.11.5 mm、长26 mm的细胞里包装着的一个DNA分子的长度达1 mm；这个环状的DNA分子在细胞中形成含有一个染色体的拟核；在染色体的中心有一个由DNA结合蛋白和膜组成的骨架，DNA分子附着在骨架上形成5
8、0100个超螺旋的环，每个环中含碱基对约50100 kb，这种多层次折叠使DNA处于高度压缩状态.,From figures in referenced book 5.,真核生物细胞中的DNA中只有不到5的DNA用于所需蛋白质的基因表达，其余的DNA起“结构”作用或“调节”作用。 DNA被紧密地包装在多条染色体中，每条染色体中含有一个线状DNA分子，它以左手螺旋方向围着一个个组蛋白八聚体绕圈1.8周，形成串珠状的染色质，被串在一起的小颗粒称为核小体，染色质进一步卷曲形成每圈6个核小体、直径30 nm的染色质丝，它折叠成许多超螺旋环附着在中央骨架上。,真核生物的染色体结构,From BIOLOG
9、Y by Jack C Carey et al., eds,四、染色体以外的遗传因子,线粒体和叶绿体中含有的DNA能够自体复制，并编码执行线粒体和叶绿体功能的蛋白，属于染色体以外的遗传因子。 质粒一般指存在于细菌、真菌等微生物细胞中，独立于染色体以外，能进行自我复制的遗传因子。质粒的大小为11000 kb，常为环状的双链DNA分子，也有线状DNA或RNA质粒。 有些质粒既能够整合到染色体上，又能以游离状态存在，并能携带部分染色体基因进行转移，它们被称为附加体。,与细菌遗传变异相关的物质,质粒- plasmid,是染色体以外的遗传物质环状闭合的双股DNA； 存在于细菌的细胞质中，具有自主复制的能
10、力，单拷贝或多拷贝； 携有遗传信息，赋予细菌某些非必须的生物学性状； 细菌的质粒可几个共存于一个菌体、可自然丢失； 可通过结合、转化、转导方式在细菌之间转移； 可分为相容性和不相容性,质粒的概念,紧密型质粒和松弛型质粒,致育质粒 / F质粒 耐药性质粒 毒力质粒 / Vi质粒(virulence plasimd) 细菌素编码质粒（Col） 降解性质粒,重要的质粒,与细菌遗传变异相关的物质,质粒- plasmid,与有性生殖有关 带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛； 无F质粒的为雌性菌，无性菌毛,致育质粒（F质粒）,与细菌遗传变异相关的物质,质粒- plasmid,耐药性质粒（R质粒）,编码细菌
11、对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。 可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，又称R质粒 不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通过噬菌体传递。,与细菌遗传变异相关的物质,质粒- plasmid,毒力质粒（Vi质粒）,编码与该菌致病性有关的毒力因子。 如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由ST质粒编码的。 细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。,与细菌遗传变异相关的物质,质粒- plasmid,细菌素编码质粒,编码各种细菌产生的细菌素。 Col质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素,与细菌遗传变异相关的物质,质粒- plasmid,降解性质粒,编码产生相关的代谢酶。 具有不同的降解能力,与细
12、菌遗传变异相关的物质,质粒- plasmid,与细菌遗传变异相关的物质,转座因子-transposable element,存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段特异性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移动，不断改变它们在基因组的位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。,转座因子概念,插入序列（insertion sequence,IS） 是最小的转位因子，2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域。,转座子（transposon,Tn） 2kb，除携带与转位有关的基因(如：IS)外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因。 可能与细菌的多重耐药性有关。,转座噬菌体 具有
13、转座功能的一类可引起突变的温和噬菌体,IS,与细菌遗传变异相关的物质,转座因子-transposable element,与细菌遗传变异相关的物质,转座因子-transposable element,第二节 基因的突变和诱变育种,一、微生物的遗传变异现象,自发突变发生的频率很低，观察自发性突变的经典试验是波动试验。 自发突变和诱发突变的本质相同：由于理化因子作用于DNA，导致遗传性状的变化。 少数几个细胞的遗传变异能够使微生物群体完全地改变成新的菌落。 遗传学中常用的突变株包括营养缺陷型、抗药突变型、温度敏感型等。,细菌变异的机制,基因突变,突变（mutation）： 细菌复制时, 自身染色体
14、基因中个别核苷酸的增减或顺序的改变叫突变。 突变率 自发突变/10-910-6 诱发突变/10-610-4 突变与选择 突变是随机的， 环境选择了已突变的细菌,自发性与稀少性 不对应性 可诱发性 独立性 可遗传性 可逆性,自发突变是指微生物在没有人工参与下所发生的突变。 （1）背景辐射和环境因素的诱变 （2）微生物自身代谢产物的诱变 （3）互变异构效应 T和G会以酮式或烯醇式两种状态出现，C和A会以氨基或亚氨基两种状态出现。 （4）环出效应,细菌变异的分子机制,自发突变机制,影印试验(replica plating),细菌变异的分子机制,转换（transition） 颠换（transversi
15、on） 移码突变（transhift mutation） 缺失（deletion）或插入（insertion） 紫外线诱变机制,诱变机制,转换（transition）：指DNA分子中一种嘌呤被另一种嘌呤取代，或一种嘧啶被另一种嘧啶取代的方式。 颠换（transversion）：指DNA分子中的嘌呤碱基被嘧啶碱基替代，或嘧啶碱基被嘌呤碱基取代的方式。,移码突变,移码突变（frameshift mutation）：指一对或少数几对相邻碱基的增加或减少，导致这一位置以后的一系列密码发生移位错误的突变。 如果插入或缺失的碱基对数正好是3的整数倍，则所表达的多肽链就插入或丢失了某一个或几个氨基酸； 若插入或缺失的是一个或两个碱基对，则会使插入或缺失点以后密码的错位，导致合成多肽链中氨基酸序列的改变。 如果同时发生插入和缺失的双重突变，且插入和缺失的碱基数目相等，则二者可以相互抑制突变产生的遗传效应，即第二次移码突变能校正第一次移码突变打乱的密码顺序。,二、基因突变的分子基础,DNA分子与其它物质发生反应形成非正常结构的现象称为DNA损伤。 DNA损伤的结果是导致基因突变或者细胞死亡。 DNA分子自身的活动能够导致碱基错配；此外，DNA损伤的分子机制都是由已知的或未知的理化因素对DNA的结构产生了破坏作用。,已知的化学致变剂和物理致变剂 物理致变剂 致变剂 电离辐射、紫外辐射等 化
