食品微生物学(第五章微生物的遗传变异与菌种选11育)课件.ppt

1、第五章第五章 微生物的遗传变异微生物的遗传变异与菌种选育与菌种选育Chapter 5.Microbial Genetics遗传遗传：亲代与子代相似变异变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一遗传型遗传型：表型（表现型）表型（表现型）：生物的全部遗传因子及基因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形态等生物学特征的总和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型饰变：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

2、（基因变异、基因突变）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）微生物是遗传学研究中的明星：t 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。t 很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。t 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。微生物的独特生物学特性：微生物的独特生物学特性：（1）个体极其简单；个体极其简单；（2）营

3、养体一般都是单倍体；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易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁 殖；殖；（4）繁殖速度快；繁殖速度快；（5）易于积累不同的中间代谢产物或终产物；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；菌落形态特征的可见性和多样性；（7）环境条件对微生物群体中各个个体作用的直环境条件对微生物群体中各个个体作用的直 接性和均一性；接性和均一性；（8）易于形成营养缺陷型；易于形成营养缺陷型；（9）各种微生物一般都有相应的病毒；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存在多种处于进化过程中

4、的原始有性生殖方式；式；第一节第一节 微生物遗传变异的物质基础微生物遗传变异的物质基础经典试验1.肺炎链球菌的转化试验（a）S型和R型细胞侵染试验一、遗传和变异的物质基础一、遗传和变异的物质基础分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化 A.D.Hershey和和M.Chase，1952年年（1）含）含32P-DNA的一组：放射性的一组：放射性85%在沉淀中在沉淀中10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步培沉淀细胞进一步培养后，可产生大量养后，可产生大量完整的子代噬菌体完整的子代噬菌体上清液中含上清液中含15%放射性放射性沉淀中含沉淀中含85%放射性放射性沉

5、淀中含沉淀中含25%放射性放射性（2）含）含35S-蛋白质的一组：放射性蛋白质的一组：放射性75%在上清液中在上清液中10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步培沉淀细胞进一步培养后，可产生大量养后，可产生大量完整的子代噬菌体完整的子代噬菌体上清液中含上清液中含75%放射性放射性结论结论细胞生物的遗传物质是双链DNA病毒的乙醇物质可以是单链的或双链的DNA或RNA，即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。二、的结构与复制二、的结构与复制1的结构 2DNA的复制31的结构Watson 和Crick在1953年描述了DNA的结构模型：DNA分子是

6、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。2DNA的复制细菌DNA的q-形复制 真核生物DNA的复制10100 m mm 复制叉复制叉复制叉复制叉复制原点复制原点模板模板新生链新生链.有种类型有种类型trm反义反义三三.遗传物质的存在形式遗传物质的存在形式真核生物细胞中的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

7、，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 BIOLOGY by Jack C Carey et al.,eds 细菌染色体DNA的大小和结构(a)(a)大肠杆菌细胞大小和染色体大肠杆菌细胞大小和染色体DNADNA长度的比较；长度的比较；(b)(b)细菌细胞中的拟核；细菌细胞中的拟核；(c)(c)大肠杆大肠杆菌染色体结构电镜图。菌染色体结构电镜图。宽1.11.5 mm、

8、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50100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.染色体以外的遗传因子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

9、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。第二节微生物的基因突变第二节微生物的基因突变一、一、突变的类型突变的类型一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变基因突变：（一）按突变涉及的范围来分（一）按突变涉及的范围来分（二）按突变所带来的表型改变来分（二）按突变所带来的表型改变来分.形态突变型：形态突变型：指细胞形态结构发生变化或引起菌落形态改变的那些突变类型.致死突变型：致死突变型：由于基因突变而造成个体死亡的突变类型.条件致死突变型：条件致死突变型：限定条件

10、下表达突变性状或致死效应，而在许可条件下的表型是正常的.营养缺陷突变型：营养缺陷突变型：指某种微生物经基因突变而引起微生物代谢过程中某些酶合成能力丧失的突变型，它们必须在原有培养基中添加相应的营养成分才能正常生长繁殖。.抗性突变型：抗性突变型：是指一类能抵抗有害理化因素的突变型，细胞或个体能在某种抑制生长的因素存在时继续生长与繁殖。.抗原突变型：抗原突变型：是指细胞成分，特别是细胞表面成分如细胞壁、荚膜、鞭毛的细致变异而引起抗原性变化的突变型。突变突变自发突变诱变环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等而导致，一般频率较低，通常为10-6-10-9。某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接

11、作用，突变以较高的频率产生。（三）按突变的条件和原因划分（三）按突变的条件和原因划分 二、基因突变的特点二、基因突变的特点1）自发性2）稀有性3）诱变性4）独立性5）稳定性6）可逆性 双链DNA 单链DNA 。染色体畸变是指由诱变剂引起染色体畸变是指由诱变剂引起DNA 分子的大损伤，它包括染色体结构上的分子的大损伤，它包括染色体结构上的缺失、重复、易位及倒位等。缺失、重复、易位及倒位等。紫外线、紫外线、X 射线、射线、射线等射线及亚硝酸、烷化剂等均能引起染色体畸变，射线等射线及亚硝酸、烷化剂等均能引起染色体畸变，尤其是紫外线能引起尤其是紫外线能引起DNA 分子多处较大的损伤。分子多处较大的损伤

12、。紫外线主要通过在同链紫外线主要通过在同链DNA 相邻的嘧啶间或在互补双链间形成以共价键结相邻的嘧啶间或在互补双链间形成以共价键结合的胸腺嘧啶二聚体，合的胸腺嘧啶二聚体，微生物能以多种方式去修复被紫外线损作后的微生物能以多种方式去修复被紫外线损作后的 DNA，主要方式有两种：，主要方式有两种：（1 1）光复活作用。）光复活作用。由于微生物中一般都存在着光复合作用，因此，用紫外线照射菌液时都由于微生物中一般都存在着光复合作用，因此，用紫外线照射菌液时都须在红光下进行操作处理微生物，而后在暗室或用黑布包起来培养。须在红光下进行操作处理微生物，而后在暗室或用黑布包起来培养。（2 2）暗修复作用。也称

13、切除修复作用。暗修复作用。也称切除修复作用。X 射线和射线和 射线为电离辐射，含有很高的能量，能产生电离作用，因射线为电离辐射，含有很高的能量，能产生电离作用，因而能直接或间接地改变而能直接或间接地改变DNA 结构。直接的效应是碱基的化学键，脱氧核糖结构。直接的效应是碱基的化学键，脱氧核糖的化学键和糖的化学键和糖酸相连接的化学键断裂；酸相连接的化学键断裂；受体菌直接吸收来自供体菌的受体菌直接吸收来自供体菌的DNA 片段，通过交换片段，通过交换组合把它整合到自己的基因组中，从而获得了供体菌组合把它整合到自己的基因组中，从而获得了供体菌的部分遗传性状的现象，称为转化。转化后的受体菌，的部分遗传性状

14、的现象，称为转化。转化后的受体菌，称为转化子。供体菌的称为转化子。供体菌的DNA 片段称为转化因子。片段称为转化因子。只有处于感受态的细菌才能接受转化因子，进行只有处于感受态的细菌才能接受转化因子，进行转化作用。转化作用。w转化过程大致是这样的：转化过程大致是这样的：w 从供体菌提取出转化因子双链从供体菌提取出转化因子双链DNA片段；片段；w 双链双链DNA 片段与感受态受体菌的细胞表面特片段与感受态受体菌的细胞表面特定位点结合；定位点结合；w 在结合位点上，双链在结合位点上，双链DNA 中的一条单链逐步中的一条单链逐步降解，同时另一条链逐步进入受体细胞。降解，同时另一条链逐步进入受体细胞。w

15、 进入受体细胞的进入受体细胞的DNA 单链与受体菌染色体组单链与受体菌染色体组上同源区段配对，而受体菌染色体组的相应单链上同源区段配对，而受体菌染色体组的相应单链片段被切除，并被进入受体细胞的片段被切除，并被进入受体细胞的DNA 单链所取单链所取代，于是形成了杂种代，于是形成了杂种DNA 区段；区段；w 受体菌染色体进行复制，其中杂种区段被分受体菌染色体进行复制，其中杂种区段被分离成两个，一个恢复，一个形成一个转化子。离成两个，一个恢复，一个形成一个转化子。1普遍性转导普遍性转导 由缺陷型噬菌体误包（而非整合）供体由缺陷型噬菌体误包（而非整合）供体细菌细菌DNA 中的任何一部分片段（包括核外遗

16、传物质在内）中的任何一部分片段（包括核外遗传物质在内）后，当它再次感染受体细菌时，使后者获得了这部分遗传后，当它再次感染受体细菌时，使后者获得了这部分遗传性状的现象，称为普遍性转导。它的转导频率为性状的现象，称为普遍性转导。它的转导频率为 105108。2局限性转导（特异性转导）局限性转导（特异性转导）由温和噬菌体侵染而形由温和噬菌体侵染而形成的某一溶源细菌群被诱导裂解时，其中极少数个体的成的某一溶源细菌群被诱导裂解时，其中极少数个体的DNA 可能与噬菌体可能与噬菌体DNA 发生若干特定基因的交换，从而发生若干特定基因的交换，从而被整合到噬菌体的基因组上，当该噬菌体再次感染受体细被整合到噬菌体

17、的基因组上，当该噬菌体再次感染受体细菌时，就使受体细菌获得了这一特定遗传性状的现象，称菌时，就使受体细菌获得了这一特定遗传性状的现象，称为局限性转导，它的转导频率为为局限性转导，它的转导频率为 10-6。通过供体细菌和受体细菌完整细胞间的直接接触而传递大段通过供体细菌和受体细菌完整细胞间的直接接触而传递大段DNA 的的过程，称为接合（有时也称杂交）。过程，称为接合（有时也称杂交）。在细菌中，接合现象研究最清楚的是大肠杆菌。发现能够进行在细菌中，接合现象研究最清楚的是大肠杆菌。发现能够进行接合现象的大肠杆菌有雄性与雌性之分，而决定它们性别的是由是接合现象的大肠杆菌有雄性与雌性之分，而决定它们性别

18、的是由是否存在否存在 F 因子所决定。因子所决定。F 因子又称致育因子，是一种质粒，分子量为因子又称致育因子，是一种质粒，分子量为 5107 道尔顿道尔顿；雌性细菌不含雌性细菌不含F 因子，称为因子，称为F-菌株，菌株，雄性细菌含有游离存在的雄性细菌含有游离存在的F 因子，称为因子，称为F+菌株，菌株，当当雄性细菌细胞中所含的雄性细菌细胞中所含的F 因子被整合在细胞核的因子被整合在细胞核的DNA 上，不上，不呈游离状态存在称为呈游离状态存在称为Hfr 菌株菌株（高频重组菌株高频重组菌株）；）；有有时时被整合在细胞核被整合在细胞核DNA 上上的的F 因子，从因子，从DNADNA上面脱落下来，上面

19、脱落下来，呈游离存在，但在脱落时，呈游离存在，但在脱落时，F 因子有时能带一小段细胞核因子有时能带一小段细胞核 DNA。我。我们将这种含有游离存在的但又带有一小段细胞核们将这种含有游离存在的但又带有一小段细胞核DNA 的的F 因子的细因子的细菌称为菌称为 F菌株。菌株。方法、地点、时间和周围环境记录方法、地点、时间和周围环境记录纯种分离的原则就是使培养物获得单个菌落：纯种分离的原则就是使培养物获得单个菌落：1稀释分离法稀释分离法 2平板划线分离法平板划线分离法 涂菌涂菌：划线分离划线分离：分步划线法分步划线法；一次划线法：一次划线法：3组织分离法组织分离法 2营养缺陷型菌株筛选的一般方法营养缺

20、陷型菌株筛选的一般方法 1提取目的基因 用密度梯度离心方法分别从供体细胞中提取所需要的DNA即目的基因和作为载体的细菌质粒或噬菌体核酸，目的基因也可通过化学方法人工合成。2处理目的基因 根据基因工程的“设计蓝图”的要求，在从供体细胞中提取出的目的基因中加入专一性很强的限制性核酸内切酶进行处理，从而获得带有特定基因并暴露出粘性末端的DNA单链部分。必要时这种粘性末端也可用人工方法合成。对作为载体的细菌质粒或噬菌体DNA可采用与处理目的基因同一种类的限制性核酸内切酶进行处理，使其形成并暴露出与目的基因相应的粘性末端。3体外重组 将上述分别处理过的目的基因和细菌质粒DNA片段（或噬菌体核酸）放在试管

21、中，在较低温度（56）下混合“退火”。由于这两种DNA是用同一种限制性核酸内切酶进行处理，具有相同的粘性末端，因此相互之间能够形成氢键，这就是所谓“退火”。而相邻的核苷酸，在DNA连接酶的作用下也能形成磷酸二酯键，这样就完成了目的基因与质粒DNA（或噬菌体DNA）的重组，得到的是一个完整的具有复制能力的环状DNA重组体，即“杂种质粒”（或杂种噬菌体）。4载体传递 即通过载体将供体生物中的遗传基因导入到受体细胞内。载体必须具有自我复制的能力，一般可利用质粒的转化作用或噬菌体的转导作用，将供体基因带入受体细胞内。5复制、表达 在理想情况下，进入受体细胞内的杂种质粒（或杂种噬菌体），可通过自我复制到扩增，并使受体细胞表达出作为供体细胞所固有的部分遗传性状，成为“工程菌”。6筛选、繁殖 当前，由于分离纯净的基因功能单位还很困难，所以通过重组后的“杂种质粒”的性状是否都符合原定的“设计蓝图”，以及它能否在受体细胞内正常增殖和表达等，都还需要经过仔细检查，以便能在大量个体中设法筛选出所需要性状的个体，然后才可加以繁殖和利用。