第七章微生物的遗传变异和育种-微生物学(周德庆主编)课件.ppt

1、遗传：遗传：指上一代生物如何将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的行为或功能。遗传型：遗传型：即基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。表型：表型：指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体体现。变异：变异：指生物体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。饰变：饰变：指外表的修饰性改变，即一种不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。人类基因组计划（人类基因组计划（HGP）：）：HGP产生的背景：HGP的任务：HGP对医学发展的影响：基因资源的保护：我

2、国的HGP计划：微生物在生物学研究中作为模式生物的原因：微生物在生物学研究中作为模式生物的原因：微生物作为模式生物的优越性：微生物作为模式生物的优越性：(1)便于获得营养缺陷性；(2)便于作为基因作用的研究材料；(3)便于作为基因突变的研究材料；(4)便于作为研究杂交、转导、转化等现象的材料；(5)便于作为基因精细结构的研究材料；(6)能被用作研究复杂体制的生物的简单模型。一、遗传变异的物质基础（一）证明遗传物质基础的三个经典实验（二）关于朊病毒（三）遗传物质在细胞内的存在部位和方式1、经典转化实验2、噬菌体感染实验3、植物病毒的重建实验返回 (1)F.Griffith的转化实验的转化实验 1

3、)动物实验动物实验 S.pneumoniae的R型转化为S型。活R菌噬菌体感染实验返回 植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验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7、核苷酸水平(1)核基因组 又称染色体基因组或基因组，是一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称。原核生物的基因组1)小，为双链的DNA分子，一般具有单一的复制起点；2)基因组上遗传信息具有连续性；3)功能相关的基因构成操纵子或形成重叠基因，且常转录为多顺反子mRNA。4)基因组的重复序列少而短；5)结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝真核微生物的基因组1)典型的染色体结构，大

4、，具有许多复制起点；2)一个基因组包含若干染色体，一般不呈环状；3)功能上密切相关的基因集中程度不如原核生物，很少有关于操纵子的报道，一般为单顺反子；4)基因不连续，分外显子和内含子；5)有大量重复序列，有很多是不编码序列 （2）核外染色体原核生物的质粒 定义:游离于原核生物染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状DNA分子，即cccDNA(circular,covalently,closedDNA)称为质粒。性质1)不相容性：亲缘关系较近的质粒在同一寄主细胞中不能稳定复制。2)可传递性：质粒可在不同菌株间发生转移，与核染色体整合、脱离 等。3)可被消除性：在一些理化因子作用下，质粒的复制

5、受到抑制而核染 色体的复制仍继续进行，从而使子代细胞中的质粒消除。功能：质粒携带着某些染色体上所没有的基因，使细菌等原核生物被赋予了某些对其生存并非必不可少的特殊功能。质粒在基因工程中的应用克隆载体 质粒的分离与鉴定典型质粒简介1)F因子(fertility factor)：又称致育因子或性因子。其功能是决定细菌的性别。2)R因子(resistance factor):又称R质粒，对多种抗生素有抗药性，因此R因子可作为筛选时的理想标记，也可作为基因载体。此外，它还能将这类抗药性转移到其他菌株甚至其它种中。3)Col因子(colicinogenic factors):即产大肠杆菌素因子。大肠杆菌

6、素由Col因子编码，凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。Col因子中的ColE1广泛用于重组DNA的研究和用于体外复制系统上。4)Ti质粒(tumor inducing plasmid):即诱癌质粒。是植物遗传工程的主要载体。5)巨大质粒(mega 质粒)：发现于亘瘤菌属中，上面有一系列固氮基因。6)降解性质粒：仅在假单孢菌属中发现。可编码一系列能降解复杂物质的酶，从而能利用一般细菌所难以分解的物质作碳源。返回返回3、染色体水平(1)染色体数(2)染色体倍数整倍体1)单倍体2)二倍体3)多倍体非整倍体4、核酸水平(1)核酸种类：大多DNA

7、，少数RNA(2)核酸结构：1)一级结构；2)二级结构；3)高级结构；(3)DNA长度返回返回5、基因水平（1）基因概念 基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。（2）种类1)结构基因和调节基因：2)核糖体RNA基因(rDNA)与转译RNA基因(tDNA)3)启动子与操纵基因（3）操纵子:功能相关的几个基因前后相连，在加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操纵基因等）在基因转录时协同动作。（4）基因的命名三字命名法1)基因名称一般用三个小写字母表示；例：赖氨酸基因：lysinelysLys （基因）（基因产物）与核糖体中较大蛋白质亚基有关的基因 ribo

8、somal protein largerpl2)产生同一突变型表型的不同基因，用三个字母后面所加的斜体大写字母表示；例：组氨酸基因his;各组氨酸基因hisA；hisB3)同一基因的不同突变位点用基因符号后面的阿拉伯数字表示；例：色氨酸基因trp 各个色氨酸基因trpA;trpB 基因trp各位点的突变型trpA23;trpA464)抗性基因，一般把“抗”用大写R注在基因符号右上角。返回返回遗传物质类型核基因组核外染色体真核生物的细胞质基因线粒体叶绿体等共生生物2um质粒等原核生物的F因子（F质粒）R因子（R质粒）Col质粒Ti质粒巨大质粒降解性质粒等返回返回返回返回返回返回返回返回返回6、密

9、码子水平 遗传密码：指DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸顺序。(1)三联密码子遗传的信息单位 mRNA上每三个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这三个核苷酸就叫密码，又称三联密码子。(2)遗传密码的性质1)密码的简并性：指一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象。2)密码的通用性：所有的生物共用一套密码。3)密码子与反密码子的相互作用摆动学说（或称变偶假说）在密码子和反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度可以“摆动”，因而使某些 tRNA可以识别一个以上的密码子。（3）密码子的使用规律1)原核生物中大部分以AUG为起始密码子，少数使用GUG；真核生物则全部

10、为AUG；终止密码子为UAA、UAG、UGA。2)密码不重叠。3)密码间无间隔。返回返回一、遗传变异的物质基础二、基因突变和诱变育种三、基因重组和杂交育种四、基因工程二、基因突变和诱变育种 指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子结构突然发生的可遗传的变化。（一）突变类型（二）突变率（三）突变的表达（四）基因突变的特点（五）DNA损伤的修复（六）突变株的分离筛选（七）诱变物质的检测Ames实验（八）突变与育种二、基因突变 指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子结构突然发生的可遗传的变化。（一）突变类型（二）突变率（三）突变的表达（四）基因突变的特点（五）DNA损伤的修复（六）突变株的分离筛选（七）诱

11、变物质的检测Ames实验（八）突变与育种2)重复：一个染色体上某一片段出现两份或两份以上，使位于这些片段上的基因多了一份或几份。3)倒位 在同一染色体上某一个片段作180的颠倒，造成染色体上基因顺序的重排。4)易位 一个染色体臂的一段移接到另一非同源染色体的臂上的结构变异。染色体数目改变1)倍数性改变2)非整倍性改变根据DNA变化的范围分基因突变碱基置换移码突变染色体畸变染色体结构改变染色体数目改变转换颠换缺失重复倒位易位倍数性改变非整倍性改变营养缺陷型抗性突变型条件致死突变型形态突变型抗原突变型产量突变型选择型突变非选择型突变根据表型分根据突变发生的效应同义突变：指不改变氨基酸的密 码子变化

12、。错义突变：指碱基替换的结果引 起氨酸序列的改变。无义突变：编码区的单碱基突变导致终止密码子的形成，使mRNA的翻译提前完成，形成不完全的肽链，因而产物一般不具活性。（二）突变率1、概念：2、检出：1、根据突变起因分；2、根据DNA变化范围分；3、根据突变发生的效应分；4、根据表型分DNA复制中的错误自发损伤脱嘌呤脱氨基氧化性损伤碱基可转移遗传因子的作用自发突变碱基类似物烷化剂嵌合剂辐射黄曲霉素诱发突变根据突变起因分BACK(1)基因突变（狭义）指DNA的单个碱基发生置换所引起的突变。碱基置换1)转换2)颠换移码突变(2)染色体畸变 指染色体的结构和数目的改变。染色体结构变异3)缺失 指染色体

13、丢失了一个片段，使之位于这个片段上的基因也随之丢失。（三）突变的表达1、突变表达的时限2、突变表达的条件（四）基因突变的特点1、基因突变的特点2、基因突变的自发性和不对应性的证明（1）变量实验（2）涂布实验（3）影印培养实验（五）DNA损伤的修复1、DNA损伤 指在生物体生命过程中DNA双螺旋结构发生的任何改变，包括单个碱基改变及结构的扭曲。2、DNA损伤的类型(1)异常碱基：DNA中除ATGC之外的碱基。(2)AP位点：指无嘌呤或无嘧啶的位点，即无碱基位点。(3)切口：35磷酸二酯键断裂。(4)缺口：双链中一条链丢失一个或多个核苷酸形成。(5)断裂：双链损伤，DNA分子被切开。(6)交链：分

14、为链内交链和链间交链。3、修复机制：(1)光复活：是专一地针对紫外线引起的DNA损伤而形成的嘧啶二聚体在损伤部位就地修复的修复途径。(2)切除修复：又称核苷酸外切修复，是紫外线等辐射物质所造成的损伤部位被取代的暗修复系统。(3)重组修复：是一种越过损伤部位而进行修复的途径，它必须在DNA进行复制的情况下进行，故又称复制后修复。(4)SOS修复：是在DNA受损伤的范围较大而且复制受到抑制时出现的一种修复作用。出发菌株纯化、同步培养培养液离心收集细胞洗涤、制菌悬液玻璃珠打散、过滤细胞或孢子悬液活菌计数、诱变预备实验诱变处理存活细胞计数致死率计算平板分离初筛复筛保藏及扩大培养变异率计算（六）突变株的

15、分离筛选方法1、产量突变株的筛选琼脂块培养法2、抗药性突变株的筛选梯度平板法3、营养缺陷型突变株的筛选(1)与筛选营养缺陷型突变株有关的三类培养基1)基本培养基（MM）2)完全培养基（CM+）3)补充培养基（SMA或B）(2)与营养缺陷型突变有关的三类遗传型个体4)野生型5)营养缺陷型6)原养型(3)营养缺陷型的筛选方法1)诱变剂处理2)浓缩缺陷型3)检出缺陷型4)鉴定缺陷型抗生素法菌丝过滤法差别杀菌法饥饿法夹层培养法限量补充培养法逐个检出法影印平板法（七）诱变物质的检测Ames实验1、原理：鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸缺陷型菌株在基本培养基的平板上不能生长，如发生回复突变变成原养型后则能生长。2、

16、方法：在待测可疑“三致”试样中，加入鼠肝匀浆液，经一段时间保温后，吸入滤纸片中，然后将滤纸片放入基本培养基平板上。3、结果：(1)在平板上无大量菌落产生，说明试样中不含诱变剂；(2)在纸片周围有一抑制圈，其外周出现大量菌落，说明试样中有某种高浓度的诱变剂存在；(3)在纸片周围有大量菌落，说明试样中有浓度适当的诱变剂存在。幻灯片 28BACK（八）突变与育种1、自发突变与育种(1)生产选育 (2)定向培育2、诱变育种(2)诱变育种的方法及基本环节(3)诱变育种中的几个原则1)关于诱变剂2)关于出发菌株3)关于菌悬液4)前培养5)利用和创造形态、生理与产量间的相关指标以提高育种效率6)设计高效新型的筛选方案 种类：a.物理诱变剂 非电离辐射类：紫外线、激光、离子束 电离辐射类：x射线、r射线和快中子等b.化学诱变剂：烷化剂、碱基类似物、丫啶化合物等 诱变剂剂量：a.诱变剂量的表达方式b.诱变剂量的确定 充分利用复合处理的协同效应a.菌悬液的制备：采用同步生长状态的单细胞或孢子；b.菌龄：a)细菌：对数生长期b)真菌、放线菌：孢子c.菌悬液的浓度a)酵母细胞或真菌孢子：106个mlb)细菌或放线菌孢子：108个mld.菌悬液的配制方法：生理盐水或缓冲液配制BACKBACK