微生物课件7遗传变异育种

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1、第七章 微生物的遗传与菌种选择,第一节 微生物遗传变异的物质基础 第二节 微生物的基因突变 第三节 微生物的基因重组 第四节 微生物的菌种选育 第五节 微生物菌种的保藏和复壮,遗传与变异的概念,遗传：亲代将自身一整套遗传因子传递给下一代的行为和功能， 变异：生物体的遗传物质结构和数量的改变，在群体中以极低的几率（10-510-6）出现，性状变化幅度大；新性状稳定、可遗传。 遗传型：一个生物体所含有的基因的总和。 表型：一个生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和。 饰变：指生物体由于非遗传因素引起的表型改变，变化发生在转录、转译水平，特点是几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化，性状变化

2、的幅度小，不遗传，引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。,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、表现为个体的行为,橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。,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10-6-10-9）,研究微生物遗传的意义,微生物的独特生物学特性： （1） 个体的体制极其简单； （2） 营养体一般都是单倍体； （3） 易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖； （4） 繁殖速度快； （5） 易于积累不同的中间代谢产物或终产物； （6） 菌落形态特征的可见性和多样性； （7） 环境条件

3、对微生物群体中各个个体作用的直接性和均一性； （8） 易于形成营养缺陷型； （9） 各种微生物一般都有相应的病毒； （10）存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式,微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的生物学基本理论问题中最热衷的研究对象。 对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育种工作提供了丰富的理论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。,第一节 微生物的遗传变异的物质基础,一、证明核酸是遗传变异物质的经典试验 （一）肺炎双球菌的遗传实验,经典试验1. 肺炎链球菌的转化试验 图8. 1（a）S型

4、和R型细胞侵染试验,图8.1（b） 分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化,研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌） S型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有荚膜 R型菌株：无致病性，菌落表面粗糙，无荚膜,1928年，Griffith进行了以下几组实验： （1）动物实验 对小鼠注射活R菌小鼠存活 对小鼠注射死S菌小鼠存活 对小鼠注射活S菌小鼠死亡 对小鼠注射活R菌和热死S菌小鼠死亡 抽取心血分离活的S菌,（2）细菌培养实验 热死S菌不生长 活R菌 长出R菌 热死S菌+活R菌长出大量R菌和10-6S菌,（3）S型菌的无细胞抽提液试验 活R菌+S菌无细胞抽提液长出大量R菌

5、和少量S菌,以上实验说明：加热杀死的S型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入R型细胞并使R型细胞获得稳定的遗传性状,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,活R菌,长出S菌,只有R菌,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，在离体条件下进行了转化试验：,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。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因

6、子。,A. D. Hershey和M. Chase， 1952年,（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中 （2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中 所以，进入细胞的是噬菌体的核酸而不是蛋白质。,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。 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正常病毒粒子。,选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RN

7、A和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒： （1）RNA（TMV） 蛋白质（HRV） （2）RNA（HRV） 蛋白质（TMV） 用两种杂合病毒感染寄主： （1）表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子 （2）表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子。 上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。,二、遗传物质在细胞中的存在方式,1.细胞水平 2.亚细胞核水平 3.分子水平,遗传物 质类型,核染色体,核外染色体,真核生物细胞器,原核生物质粒,遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式,基因是一段DNA,DNA就是脱氧核糖核酸（长链）,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）

8、,胸腺嘧啶（T）,胞嘧啶（C）,A,T,C,G,A,A,A,T,T,T,T,T,T,A,A,A,G,G,G,G,G,C,C,C,C,C,G,C,基因测序就是读出 A-C-G-T-G-G-A-C-G.,基因是什么？,基因决定生物体的生、长、病、老死等 一切生命现象,基因是生命的密码。,基因记录和传递遗传信息。,第二节 微生物的基因突变,基因突变（gene mutation）简称突变，是变异的一种，指生物体内遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。突变率常在10-810-9范围内。,突变类型 突变株的表型 成因 检出方法 营养缺陷型 因突变而丧失合成一 补充培养基 （auxotroph）

9、种或几种生长因子的 能力不能在基本培养 基上生长突变株 抗性突变型 因突变而产生了对某 药物培养基 （resistant mutant） 种化学药物或致死 物理因子的抗性 条件致死突变型 突变后在某种条件下 培养条件改变 （conditional 可正常生长、繁殖并 lethal mutant） 实现其表型，而在另 一条件下却无法生长 繁殖的突变型,突变株的表型 成因 检出方法 形态突变型 因突变而产生的个体 形态 Morphologycal 或菌落形态的非选（常用颜色变化） mutant 性变异 抗原突变型 因突变而引起的抗原 借助于抗原 antigenic 结构发生改变 抗体反应 muta

10、nt 产量突变型 因突变而获得的在有 测定产量或 high producing 用代谢物产量上高于 其它 mutant 原始菌株的突变株 其它突变型：毒力、糖发酵能力、代谢产物等,（三）突变的特点 适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。 1.不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。 （变量试验、涂布试验、平板影印培养试验） 2.自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。 3.稀有性：突变率低且稳定。 4.独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。 5.可诱发性：诱变剂可提高突变率。 6.稳定性：变异性状稳定可遗传。 7.可逆性：原始的野生基因到变异株的突变称为正向突变（fo

11、rward mutation），相反的过程则称为回复突变或回变back mutation或reverse mutation）。,（四）突变的机制,诱变机制,诱变剂（mutagen）：凡能提高突变率的任何理化因子，诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有不同的作用方式。,突变率每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。 突变率=突变细胞数/分裂前群体细胞数,1.碱基置换（substitution）,定义：对DNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（microlesion），一般也称点突变（point mutation）。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。 分类： 转换

12、（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），即一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换。 对某一具体诱变剂来说，可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一种功能。根据化学诱变剂是直接还是间接地引起置换，可把置换的机制分成以下两类来讨论。,碱基的置换,（1）直接引起置换的诱变剂,HNO2,C,NH2,腺嘌呤,C,O,次黄嘌呤(Hk),C,OH,次黄嘌呤(He),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，例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，N-甲基-N硝基-N-亚硝

13、基胍，N-甲基-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。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。在这些诱变剂中，除羟胺只引起GC A：T外，其余都是可使GC A：T发生互变的。能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有。,碱基转换的分子机制,亚硝酸可使碱基发生氧化脱氨作用，故它能使腺嘌呤（A）变成次黄嘌呤（H），使胞嘧啶（C）变成尿嘧啶（U），从而发生转换。它也可使鸟嘌呤（G）变成黄嘌呤（X），但这时不能引起转换。其中AH而引起的转换过程分以下几个环节： 腺嘌呤经氧化脱氨后变成烯醇式次黄嘌呤（He）； He通过自发的互变异构效应而

14、形成Hk（酮式次黄嘌呤）； DNA双链第一次复制，结果Hk因其在6位上含有酮基，故只能与6位上含有氨基的胞嘧啶（C）配对； DNA双链的第二次复制，这时其中的C按常规与G配对，因而最终实现了转换。,亚硝酸引起的使AT转换成GC过程的简式见下图,HNO2 A:T H:T H+T 第一次复制 AT HC 第二次复制 GC HC,（2）间接引起置换的诱变剂,引起这类变异的诱变剂都是一些碱基类似物，如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氨基尿嘧啶（5-AU）、8-氮鸟嘌呤（8-NG）、2-氨基嘌呤（2-AP）和6-氯嘌呤（6-CP）等。它们的作用是通过细胞的代谢活动掺入到DNA分子中后而引起碱基置换，故是间

15、接的。例:5-BU 5-BU是T的代谢类似物。当把某一微生物培养在含5-BU的培养液中时，细胞中有一部分新合成的DNA的T就被5-BU所取代。5-BU一般以酮式状态存在于DNA中，因而仍可正常地与A配对，这时并未发生碱基对的转换。有时5-BU会以烯醇式状态出现在DNA中，于是当DNA进行复制时，在其相对位置上出现的就是G，而不是原来的A，因而引起了碱基对从原来的AT变至GC的转换。,5-BU在以酮式或烯醇式状态存在时引起的ATGC的转换,A:T G:C A:T A:Buk G:Bue G:C G:Bue A:T G:C A:Buk A:BU G:C A:T A:BU,C,O,H,T：烯醇式,C,T ： 酮式,O,间接引起置换的诱变剂,碱基的置换,从上图中，还可看到5-