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1、第 六 章 微生物的遗传变异和育种,遗传：,亲代与子代相似,变异：,亲代与子代、子代间不同个体不完全相同,遗传和变异variation是生命的最本质特性之一,遗传型：,表型：,生物的全部遗传因子所携带的遗传信息,具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。,表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。,微生物的遗传变异和育种,几个相关概念,表型饰变：,表型的差异只与环境有关 特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为,遗传型变异（基因变异、基因突变）：,遗传物质改变，导致表型改变 特点：遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为10-6-10-
2、9）,Production of a red pigment (prodigiosin) by Serratia marcescens. From left to right: slant culture grown at 25C, slant culture grown at 37C, broth culture grown at 25C, broth culture grown at 37C.,微生物的遗传变异和育种,几个相关概念,第一节 遗传变异的物质基础,一、三个证明DNA是遗传物质的经典实验 1、经典转化实验 肺炎链球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力） R型（菌体无荚膜
3、，菌落表面粗糙，无致病能力）,微生物的遗传变异和育种,1928年，F.Griffth作了3组实验:,微生物的遗传变异和育种,1944年，Avery精确重复了转化实验，确定了转化因子,实验证明，将R菌转化为S菌的转化因子是DNA,微生物的遗传变异和育种,2、噬菌体感染实验,实验证明，进入细菌细胞内部的物质是DNA。 DNA包含有产生完整噬菌体的全部信息。,微生物的遗传变异和育种,3、植物病毒重建实验,实验证明，遗传信息的流向与DNA的传递是一致的。,微生物的遗传变异和育种,（一）遗传物质在7个水平上的形式 1、细胞水平 2、细胞核水平 3、染色体水平 4、核酸水平 5、基因水平 6、密码子水平
4、7、核苷酸水平,微生物的遗传变异和育种,二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式,真核微生物：细胞核 原核微生物：核区 细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的,微生物的遗传变异和育种,1、细胞水平,真核生物 细胞核 核染色体 原核生物 核区 DNA链,核基因组,在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质,微生物的遗传变异和育种,2、细胞核水平,染色体是由组蛋白与DNA构成的线状结构 染色体的数目在不同的生物中是不同的 染色体的倍数在同一生物的不同生活时期是不同的,微生物的遗传变异和育种,3、染色体水平,核酸种类：DNA，RNA 核酸结构：双链、单链； 环状，线状，超螺旋状 DNA长度：
5、因种而异,微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为研究微生物学的最有力的手段。,微生物的遗传变异和育种,4、核酸水平,5、基因水平,微生物的遗传变异和育种,6、密码子水平,微生物的遗传变异和育种,核苷酸是最小突变单位和交换单位,微生物的遗传变异和育种,7、核苷酸水平,（二）原核生物的质粒,1、定义 质粒（plasmid）：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。 质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的； 在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。,微生物的遗传变异
6、和育种,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）,微生物的遗传变异和育种,2、结构特点,（二）原核生物的质粒,3、质粒的类型,严谨型质粒(stringent plasmid)：复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数 松弛型质粒(relaxed plasmid)：复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数,窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid) （只能在一种特定的宿主细胞中
7、复制）,广宿主范围质粒(broad host range plasmid) （可以在许多种细菌中复制）,微生物的遗传变异和育种,（二）原核生物的质粒,质粒的优点： （1）体积小，易分离和操作 （2）环状，稳定 （3）独立复制 （4）拷贝数多 （5）存在标记位点，易筛选,微生物的遗传变异和育种,4、质粒在基因工程中的应用,（二）原核生物的质粒,5、质粒的检测,提取所有胞内DNA后电镜观察；,超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；,对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点， 如抗药性初步判断。,微生物的遗传变异和育种,（二）原核生物的质粒,6、质粒的主要种类,按照质粒所编码的功能和赋 予宿主的表型效应分
8、,致育因子（Fertility factor，F因子） 抗性因子（Resistance factor，R因子） 产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid） 毒性质粒（virulence plasmid） 代谢质粒（Metabolic plasmid） 隐秘质粒（cryptic plasmid）,微生物的遗传变异和育种,（二）原核生物的质粒,（1）致育因子(Fertility factor，F因子),又称F质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。,携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为
9、F-菌株（相当于雌性）。,F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以 又称之为附加(episome)。,微生物的遗传变异和育种,（2）抗性因子（Resistance factor，R因子）,包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。 抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。,R质粒,抗性转移因子（RTF）：转移和复制基因 抗性决定因子：抗性基因,微生物的遗传变异和育种,（3）产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）,微生物的遗传变异和育种,（4）毒性质粒（virulence plasmid）,许多致病菌的致病
10、性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。,微生物的遗传变异和育种,根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子,（5）代谢质粒（Metabolic plasmid）,质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。,将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。,降解质粒：,微生物的遗传变异和育种,假单胞菌： 具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的
11、能力。,微生物的遗传变异和育种,（6）隐秘质粒（cryptic plasmid）,隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。 它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。,在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）,微生物的遗传变异和育种,第二节 基因突变和诱变育种,一、基因突变 遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传变化，可自发或诱导产生。,基因突变,狭义：点突变（基因突变） 广义：基因突变和染色体畸变,野生型（原始性状）,基因突变,突变型（新性状）,（一）突变类型,微生物的遗传变异和育种,（二）突变率 每一
12、世代中发生某一性状突变的几率 （三）基因突变的特点 1、自发性 2、不对应性 3、稀有性 4、独立性 5、可诱变性 6、稳定性 7、可逆性,微生物的遗传变异和育种,（四）基因突变自发性和不对应性的实验证明,三个经典实验 变量实验 涂布实验 影印实验,证明突变是自发产生的，并且突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系。,微生物的遗传变异和育种,变量实验（fluctuation analysis） Salvador Luria and Max Delbruck（1943）,Salvador Luria,Max Delbruck,The Nobel Prize in Physiology or M
13、edicine 1969,微生物的遗传变异和育种,（四）基因突变自发性和不对应性的实验证明,变量实验（fluctuation analysis）,微生物的遗传变异和育种,Newcombe的涂布实验（1949）,微生物的遗传变异和育种,影印实验,Joshua Lederberg,微生物的遗传变异和育种,Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）,微生物的遗传变异和育种,（五）基因突变及其机制,微生物的遗传变异和育种,1、诱发突变：物理、化学和生物的因素，提高突 变率的人为的作法 （1）碱基的置换,（2）移码突变：添加或缺失核苷酸，引起阅读错误,（3）染
14、色体畸变：缺失、重复、插入、易位、倒位,2、自发突变：无人为因素下的低频率突变原因 （1）背景辐射 （2）有害产物积累 （3）碱基错配,（六）紫外线对DNA的损伤及其修复,嘧啶,嘧啶二聚体,UV,1、光复活作用,嘧啶二聚体,嘧啶,光解酶,微生物的遗传变异和育种,2、切除修复,（一）自发突变与育种： 选育 定向培育 （二）诱变育种 1、诱变育种的基本环节,微生物的遗传变异和育种,二、突变与育种,2、诱变育种的原则,诱变剂,物理因素,化学因素,紫外线 激光 离子束 X射线 r射线 快中子,烷化剂 碱基类似物 吖啶化合物,微生物的遗传变异和育种,（1）使用简便有效的诱变剂,利用细菌模型了解潜在化学致
15、癌物诱变作用的方法,“生物化学统一性”法则： 人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。,诱变剂的共性原则： 化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比 超过95%的致癌物质对微生物有诱变作用 90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用,微生物的遗传变异和育种,Ames试验介绍,美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于1966年发明，因此称为Ames试验 具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium)组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率。,微生物的遗传变
16、异和育种,Ames试验介绍,微生物的遗传变异和育种,Ames试验介绍,证明Ames试验重要性的应用实例： 国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停”，由于其药效显著，在60-70年代十分流行， 但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停”，后来采用Ames试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用 但如果能在这种药物上市之前就进行Ames试验检测，那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免，,微生物的遗传变异和育种,Ames试验介绍,（2）选用优良的出发菌株 （3）处理单细胞或单孢子悬浮液 （4）使用最佳诱变剂量 剂量 = 强度（浓度） 作用时间 相对剂量 = 杀菌率 （5）利用协同效应 （6）寻找和利用形态、生理与产量间的相关指标 （7）设计高效率筛选方案 （8）根据具体情况创造新型筛选方案,微生物的遗传变异和育种,3、突变株的筛选：（1）产量突变株的筛选 （2）抗药性突变株的筛选 （3）营养缺陷型突变株的筛选,突
