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1、第七章 微生物的遗传变异和育种,Contents,第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变与诱变育种 第三节 基因重组和杂交育种 第四节 基因工程,几个概念,遗传（Heredity, Inheritance） 一切生物体最基本的属性之一 生物的亲代传递给子代一套遗传信息的特性。即子代与亲代在形态、生理等方面的相似性 遗传型（基因型Genotype） 生物体所携带的全部遗传因子或基因的总称 遗传型代表了可能性，在环境条件下的作用为表型 表现型（现实型Phenotype） 具有一定遗传型的个体在特定的外界环境中，通过生长发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和,变异（Mutation） 生物体
2、在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，即遗传型的改变。发生几率极低，性状变化幅度大，新性状稳定可遗传。 饰变（Modification） 一种不涉及遗传物质结构改变而发生在转录、转译水平上的表型变化。 饰变的特点：发生几率高；性状变化幅度小；不遗传。同一遗传型在不同外界条件下所呈现的表现型的差异。,突变与饰变的实例Serratia,粘质沙雷氏菌,Serratia marcescens产生色素与温度有关,微生物作为模式生物生物学特性,物质与代谢类型的多样性 个体体制极其简单 营养体一般都是单倍体 菌落形态的可见性和多样性 环境条件作用的直接性和均一性 容易形成营养缺陷型菌株
3、相应的病毒 存在于进化过程中 原始有性生殖方式,第一节 遗传变异的物质基础,一、遗传物质化学本质的确证,1928年, F.Griffith; 1944年O.T.Avery肺炎链球菌(strptococcus pneumoniae)转化实验. 1952年，A.D.Hershy、M.Chase的噬菌体感染实验 1956年，H.Fraenkel-Conrat的植物病毒重建实验,1、肺炎双球菌转化实验,S.Pneumoniae肺炎双球菌的特性 光滑型（Smooth, S型） 荚膜，人肺炎、鼠败血症 粗糙型（Rough, R型） 无荚膜，无毒 动物实验 细菌培养实验 S型菌的无细胞抽提液试验,能从上述实
4、验中得到什么结论？,在加热杀死的S型细菌细胞中可能存在一种具有遗传转化能力的物质，能通过某种方式进入R细胞，并使R型细胞获得表达S型荚膜性状的遗传特性？ 到底是什么物质呢？ DNA？ 蛋白质 荚膜多糖 RNA,细菌培养实验,无细胞抽提液实验,转 化 因 子 本 质 的 阐 明,2、噬菌体感染实验,用35S和32P去分别标记大肠杆菌，然后再用T2噬菌体感染，即得到分别含有32P-DNA核心的噬菌体或含35S-蛋白质外壳的噬菌体； 把标记噬菌体与其宿主大肠杆菌混合，经短时间（如10min）保温后，使T2完成吸附和侵入过程； 在组织捣碎器中剧烈搅拌，以使吸附在菌体外表的T2蛋白外壳脱离细胞并均匀分布
5、 进行离心沉淀，再分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记。,3、植物病毒重建实验,Tobacco mosaic virus TMV, H. Fraenkel-Conrat in 1956 烟草花叶病毒TMV 霍氏车前草花叶病毒HRV 苯酚溶液中震荡分离蛋白质外壳和RNA核心,植物病毒重建实验,结论：核酸是负荷遗传信息的物质基础,二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式,遗传物质的七个水平 细胞水平 细胞核水平 染色体水平 核酸水平 密码子水平 核苷酸水平,生物体DNA大部分或几乎存在于细胞核（真核）或核质体（原核）中 不同微生物细胞，细胞核数目不同 单核 S.cerevisiae、A.niger、孢
6、子 双核 杆菌细胞存在两个核区（球菌一般一个） 多核 粗糙脉胞菌、米曲霉、藻状菌、放线菌,1、细胞水平,2、细胞核水平,基因组、核基因组或核染色体组 真核生物 核膜包裹，DNA与组蛋白结合形成染色体 原核生物 无核包裹，DNA裸露，环状双链 广义质粒核外染色体 真核生物质粒 细胞质基因：线粒体、叶绿体 共生生物：Kappa Particle 2um质粒（酵母菌质粒位于核内，不与核染色体组整合） 原核生物质粒：F因子、R因子、Col 质粒等,3、染色体水平,染色体数目 人：23；水稻：12；大肠杆菌：1；酿酒酵母：1617；枯草芽孢杆菌：1 染色体倍数：同一细胞中相同染色体的套数 真核生物：多条
7、染色体，单倍体、双倍体 原核生物：一条裸露的DNA构成的环状染色体 单倍体Heploid 细胞仅含有一套染色体的个体。如多数微生物、高等动植物的生殖细胞 双倍体：细胞含有两套功能相同的染色体的个数。如多数高等动物、植物体细胞、啤酒酵母营养细胞、合子等,4、核酸水平,核酸种类 多数生物遗传物质为DNA，少数病毒为RNA 原核DNA裸露 真核DNA被包裹，与组蛋白结合在一起 核酸结构 DNA双链、单链；RNA单链、双链 环状、线状、超螺旋 DNA长度：基因组的大小，单位：bp、kb、mb 微生物基因组测序,5、基因水平,基因 生物体内一切具有自主复制能力的遗传功能单位，其物质基础是一条以直线排列、
8、具有特定核苷酸序列的核酸片段 原核生物的基因调控,操纵子Operon,结构基因 决定某一多胎链结构的DNA摸板 操纵基因 位于结构基因和启动基因之间的一段核苷酸序列 启动基因 一种依赖于DNA和RNA聚合酶所识别的核苷酸序列,真核生物的基因组结构,一般无操纵子结构 存在大量不编码序列和重复序列 转录和转译在细胞中有空间间隔 基因被许多无编码功能的内含子Intron阻隔，使编码序列变成不连续的外显子,基因及其表达产物的规范化表示,基因名称：lacZ 基因表达产物：三个大写字母、或1个大写2个小写字母 抗性基因：strR,遗传密码是指基因DNA链上决定各具体氨基酸的核苷酸的特定排列顺序 密码子Co
9、ndon：遗传密码的信息单位 每个密码子由链上三个核苷酸顺序决定，常以mRNA上三个核苷酸顺序表示三联密码子 四个核苷酸有64种组合 同一氨基酸由多个密码子编码 无义密码子：UAA、UAG、UGA,6、密码子水平,7、碱基水平（核苷酸水平）,最低突变单位或交换单位 DNA链中有A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鸟嘌呤） 、C（胞嘧啶）四种碱基 几个数据 每个碱基对的平均分子量650 1*106的dsDNA约为1.5kb，或0.5um 3nm碱基重量约为1ug 多数细菌的基因组在19Mb,（二）原核生物的质粒,质粒的定义和特点 质粒在基因工程中的应用 质粒的分离与鉴定 质粒的种类 典型的质粒简介
10、,质 粒 的 定 义,典型质粒 凡是游离于原核生物基因组以外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA(cccDNA) 质粒的结构 麻花状的超螺旋结构 1.5300kb，Mw106108，相当于约1%基因组 线状质粒：天蓝色链霉素、赫氏蜱疏螺旋体,质 粒 的 特 点,质粒的功能：非必需的特殊功能 接合、产毒、抗药、固氮、产特殊酶和降解环境毒物、基因重组 质粒的复制：独立存在于细胞内的复制子 松弛型复制控制：质粒复制与核染色体复制不同步，一般只含1-2个质粒 严紧型复制控制：质粒复制与核染色体复制不同步，一般可含10-15个 质粒消除：吖啶类染料、丝裂霉素C、紫外线、利福平、重金属离子、高
11、温,可整和性 质粒可以与核染色体发生整和与脱离，如F因子，这种质粒称附加体 整和：指质粒或温和噬菌体、病毒、转化因子等小型非染色体DNA插入核基因组等大型DNA分子中的现象 重组性 质粒与质粒之间、质粒与核染色体之间的基因重组,质 粒 的 特 点,质粒在基因工程中的应用,质粒用于基因工程操作的优点 体积小 环状 独立复制起始点 拷贝数多 选择性标记：抗性基因 质粒的应用 克隆载体：能够完成外源DNA片段复制的DNA分子,质粒的分离与鉴定,质粒分离的步骤 细胞培养 细胞裂解 蛋白质和RNA的去除 质粒DNA与染色体DNA分离 质粒的鉴定 电镜 琼脂糖凝胶电泳 聚丙烯酰胺凝胶电泳 密度梯度离心 质
12、粒的限制性酶切图谱,质粒的种类,接合性质粒 抗药性质粒 产细菌素和抗生素质粒 特定生理功能质粒 产毒质粒,典型质粒,F质粒 R质粒 Col质粒 Ti质粒 Ri质粒 Mega质粒 降解性质粒,F质粒 F Plasmid,F因子致育因子Fertility Factor性因子Sex Factor E.Coli决定性别并具有转移能力的质粒 存在F质粒的其他微生物 Pseudomonas（假单胞菌属） Haemophilus（嗜血杆菌属） Neisseria（奈瑟氏菌属） Streptococcus（链球菌属）,什么是基因突变（突变）？ 变异的一类，泛指细胞内（或病毒粒内）遗传物质（DNA或RNA）的变
13、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 突变率：一般很低10-610-9 野生型菌株Wild type strian 从自然界中分离到的菌株 突变株Mutant 野生型菌株经突变以后形成的带有新性状的菌株,一、基因突变,选择性基因突变 凡是能用选择性培养基（选择条件）快速选择出来的突变株选择性突变株 营养缺陷型 抗性突变型 条件致死突变型 非选择性基因突变 形态变态型 抗原突变型 产量突变型,（一）基 因 突 变 类 型,某野生型菌株由于发生基因突变引起某酶合成能力丧失，从而丧失合成一种或几种生长因子能力的突变型，无法再在基本培养基（MM）上正常生
14、长反之，须在加入相应生长因子的基本培养基上才能正常生长的变异类型 营养缺陷型突变菌株的应用 遗传学 分子生物学 遗传工程 微生物育种,1、营养缺陷型Auxotroph,2、抗性突变型Resistant Mutant,指野生型菌株由于发生基因突变而产生了对某化学药物或致死物理因子的抗性变异类型 化学药物或致死因子 抗生素、紫外线 抗性突变性突变菌株的应用 遗传学 分子生物学 遗传工程 微生物育种,3、条件致死突变型,Conditional lethal mutant 某菌株或病毒经基因突变后，在某条件下可正常生长、繁殖，表现其正常的表型，在另一条件下无法生长、繁殖的突变类型 实例：温度敏感突变株
15、 Temperature sensitive mutant, Ts Mutant E.Coli：37度下正常生长、42度不能生长 T4噬菌体：25度下具有感染力，37度无感染力 导致Ts 突变的原因 蛋白质的结构与功能发生改变,4、形态突变型,Morphological Mutant 由于突变引起个体或菌落形态的非选择性变异 实例：微生物的菌落和个体形态包括那些？ 芽孢、鞭毛、荚膜、菌落大小粗糙（光滑）、颜色、霉菌放线菌孢子的有无及颜色、噬菌斑大小或清晰度,5、抗原突变型,基因突变引起抗原结构（细胞或细胞表面成分）发生变异的突变型，一般属于非选择性突变 实例 细胞壁缺陷变异：L型细菌 荚膜成分
16、变异 鞭毛成分变异,6、产量突变型,通过基因突变而产生的代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株 高产突变型正常株 低产突变型负变株,（二）突变率,每一细胞或病毒粒在每一世代中发生某一性状突变的几率 亦可用每一单位群体在每一世代中产生突变株的数目来表示。常为10-610-9 一般突变是独立发生的。突变的基因不会影响其他基因的突变率。 双重突变的概率是各个突变概率的乘积 如何测定某基因的突变率？如何筛选突变株？ 回复突变株 抗药性突变株,（三）基因突变的特点,不对应性 突变的形状与引起突变的原因间无直接的对应关系 自发性：可自发的发生突变 稀有性 突变几率很低而且较稳定（10-610-9） 独立性 某种基因的突变率不受其他基因突变率的影响 可诱变性 诱变剂Mutagen提高自突变的几率（10-10-5），而自发突变与诱变间无本质上的差异。,稳定性 突变本质是遗传物质结构发生稳定的变化，所产生的新性状也是稳定的、可遗传的 可逆性 性状的正向突变和回复突变都可发生，几率相同 正向突变Forward Mutation 野生型基因变异为突变型基因的过程 回复
