微生物遗传变异和育种课件.ppt
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- 微生物 遗传 变异 育种 课件
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1、第七章第七章 微生物遗传与变异微生物遗传与变异 与育种通过本章的学习,要求掌握:1、遗传变异的物质基础2、基因突变的发生3、基因重组的原理和方法。4、基因工程的基本原理5、菌种保藏重点:细菌的基因重组 难点:低频转导,高频转导,准性生殖 v微生物是理想的遗传学研究材料:微生物是理想的遗传学研究材料:物种及代谢类型的多样性;物种及代谢类型的多样性;个体简单,营养体多为单倍体,基因组小;个体简单,营养体多为单倍体,基因组小;繁殖快,繁殖快,易于累积不同的最终代谢产物及中间易于累积不同的最终代谢产物及中间代谢物;代谢物;菌落形态特征的可见性与多样性;菌落形态特征的可见性与多样性;环境条件对微生物群体
2、中各个体作用的直接和环境条件对微生物群体中各个体作用的直接和均匀;均匀;易变异、易得到营养缺陷型突变株;易变异、易得到营养缺陷型突变株;一般都有相应的噬菌体;一般都有相应的噬菌体;存在着处于进化进程中的多种原始方式的有性存在着处于进化进程中的多种原始方式的有性生殖类型等。生殖类型等。v基因组基因组genome:一种生物的全套基因。一种生物的全套基因。v表现型表现型phenotype:生物可见的或可测定的生物可见的或可测定的性状性状v遗传型遗传型genotype:决定生物表现型的遗传因决定生物表现型的遗传因子子v同样遗传型的生物在不同外界条件下,会显同样遗传型的生物在不同外界条件下,会显现不同表
3、现型,但遗传型并没有改变,这种现不同表现型,但遗传型并没有改变,这种变异为非遗传性变异,只能称适应或饰变变异为非遗传性变异,只能称适应或饰变(modification);只有遗传型改变,从而引;只有遗传型改变,从而引起表型变化才称为变异,它发生在基因水平起表型变化才称为变异,它发生在基因水平上,可以遗传给子代。上,可以遗传给子代。vSerretia marcescens在在25下培养时,会产下培养时,会产生一种深红色的灵杆菌生一种深红色的灵杆菌素,把菌落染成鲜红色。素,把菌落染成鲜红色。可是,当培养在可是,当培养在37下下时,群体中所有细胞都时,群体中所有细胞都不产色素。如果重新降不产色素。如
4、果重新降温至温至25,产色素能力,产色素能力又得到恢复。这就是一又得到恢复。这就是一种饰变。种饰变。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、证明一、证明DNA是遗传物质的经典实验是遗传物质的经典实验1928年,年,F.Griffith;1944年年O.T.Avery 肺炎链球菌(肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)转化试验。转化试验。1952年,年,A.D.Hershy、M.Chase的噬菌的噬菌体感染实验。体感染实验。1956年,年,H.Fraenkel-Conrat的的TMV拆拆开和重建实验。开和重建实验。Griffith的转化实验的转化实验SR转化
5、因子本质的阐明转化因子本质的阐明vHershey-ChaseHershey-Chase的噬菌体实验的噬菌体实验v用用3535S S和和3232P P去分别标记大肠杆菌,然后再用去分别标记大肠杆菌,然后再用T T2 2噬噬菌体感染,即可分别得到标有菌体感染,即可分别得到标有3535S S和和T T2 2和和3232P P的的T T2 2噬菌体噬菌体。v把标记噬菌体与其宿主大肠杆菌混合,经短时把标记噬菌体与其宿主大肠杆菌混合,经短时间间(如如10 10 min)min)保温后,使保温后,使T T2 2完成吸附和侵入过完成吸附和侵入过程。程。v在组织捣碎器中剧烈搅拌,使吸附在菌体外表在组织捣碎器中剧
6、烈搅拌,使吸附在菌体外表的的T T2 2蛋白外壳脱离细胞并均匀分布。蛋白外壳脱离细胞并均匀分布。v进行离心沉淀,再分别测定沉淀物和上清液中进行离心沉淀,再分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记。的同位素标记。v实验结果发现,几乎全部的实验结果发现,几乎全部的3232P P都和细菌一起出都和细菌一起出现在沉淀物中,而几乎全部现在沉淀物中,而几乎全部3535S S都在上清液中。都在上清液中。v这意味着噬菌体的蛋白外壳经自然分离后仍留这意味着噬菌体的蛋白外壳经自然分离后仍留在细胞外部,只有核酸芯子才进入宿主体内;在细胞外部,只有核酸芯子才进入宿主体内;v同时,由于最终能释放出一群具有与亲代同样同时,由
7、于最终能释放出一群具有与亲代同样蛋白外壳的完整的子代噬菌体,说明只有核酸蛋白外壳的完整的子代噬菌体,说明只有核酸才是其全部遗体信息的载体。才是其全部遗体信息的载体。v后来通过电子显微镜的观察也证实了这个论点。后来通过电子显微镜的观察也证实了这个论点。vTMVTMV重建实验重建实验(TMV)(HRV)霍氏车前花叶病毒霍氏车前花叶病毒DNA的的双双螺螺旋旋结结构构图图 二、遗传物质在细胞中的存在二、遗传物质在细胞中的存在1 1、真核生物、真核生物v染色体染色体:DNADNA分子与组蛋白结合构成染色体,每分子与组蛋白结合构成染色体,每条染色体有单一线性双链条染色体有单一线性双链DNADNA分子。一个
8、真核分子。一个真核生物细胞内有多条染色体(脉孢菌生物细胞内有多条染色体(脉孢菌7 7条,人条,人2323条)。真核细胞核物质外有核膜包围,形成完条)。真核细胞核物质外有核膜包围,形成完整细胞核。整细胞核。v线粒体线粒体:真菌线粒体基因组的大小介于动物和真菌线粒体基因组的大小介于动物和植物线粒体基因组之间。植物线粒体基因组之间。v叶绿体叶绿体:光合生物叶绿体中存在:光合生物叶绿体中存在DNADNA。v真菌的质粒真菌的质粒:酵母菌的质粒存在细胞核中。:酵母菌的质粒存在细胞核中。丝状真菌的质粒存在线粒体中。丝状真菌的质粒存在线粒体中。2 2、原核生物、原核生物v染色体染色体:染色体仅由一条染色体仅由
9、一条DNADNA组成,组成,DNADNA为共价闭合环状双为共价闭合环状双链链,DNADNA不与组蛋白结合,一个细胞内只有一条染色体(单倍不与组蛋白结合,一个细胞内只有一条染色体(单倍体体haploidhaploid)。)。无核膜膜包围,只在细胞中央形成核区。无核膜膜包围,只在细胞中央形成核区。v质粒质粒(plasmidplasmid):原核生物中,除染色体以外,还有能够自主原核生物中,除染色体以外,还有能够自主复制的共价闭合环状复制的共价闭合环状DNADNA分子。它们携带少量遗传基因,决定分子。它们携带少量遗传基因,决定细胞的某些性状,并非细菌生活必需。细胞的某些性状,并非细菌生活必需。致育质
10、粒致育质粒 能自我复制能自我复制(主要依赖宿主细胞的主要依赖宿主细胞的 抗性质粒抗性质粒 复制酶体系复制酶体系)细菌素质粒细菌素质粒 具不亲和群性具不亲和群性(不同质粒可在同一不同质粒可在同一)降解质粒降解质粒 细胞内共存细胞内共存)毒性质粒毒性质粒 稳定的遗传稳定的遗传 共生质粒共生质粒 代谢型质粒代谢型质粒 具有转移性具有转移性 隐蔽质粒隐蔽质粒(表型和功能未知的质粒表型和功能未知的质粒)质粒的种类质粒的种类质粒的特性质粒的特性 三、三、遗传信息的传递和基因表达遗传信息的传递和基因表达1 1、微生物的遗传信息储存在基因中、微生物的遗传信息储存在基因中v基因基因genegene DNA DN
11、A分子的一定区段,携带特定的遗传信息,是具有自主复制分子的一定区段,携带特定的遗传信息,是具有自主复制能力的遗传功能单位。能力的遗传功能单位。遗传信息通过遗传信息通过DNADNA连上的核苷酸排列顺序连上的核苷酸排列顺序表现出来。表现出来。遗传学上遗传学上每一基因都用每一基因都用3 3个小写斜体英文字母表示,如个小写斜体英文字母表示,如laclac表示表示乳糖基因乳糖基因。基因的表型也用与基因相同的。基因的表型也用与基因相同的3 3个字母表示,但不用个字母表示,但不用斜体,且第一个字母要大写,表示具有乳糖代谢特征的符号为斜体,且第一个字母要大写,表示具有乳糖代谢特征的符号为LacLac+,没有乳
12、糖代谢特征的符号为没有乳糖代谢特征的符号为LacLac-。v基因的种类基因的种类:结构基因结构基因:决定多肽形成的碱基顺序称结构基因。决定多肽形成的碱基顺序称结构基因。一个结构基因一个结构基因表达后,产生一个多肽;即表达后,产生一个多肽;即“一个基因一个酶一个基因一个酶”。调节基因:对结构基因起调节控制作用的基因称调节基因。调节基因:对结构基因起调节控制作用的基因称调节基因。跳跃基因:可在跳跃基因:可在DNADNA上转移位置的基因上转移位置的基因称称跳跃基因。跳跃基因。例如例如:插入序列插入序列(ISIS因子)因子)转座子转座子(TnTn因子)因子)(1)、等位基因的存在与表达:)、等位基因的
13、存在与表达:a.对抗性的:只有一个基因能够对抗性的:只有一个基因能够 表达表达,显性基因表达显性基因表达 真核生物真核生物 b.非对抗性的:两个显性,非对抗性的:两个显性,两个两个 隐性。隐性。在原核细胞中在原核细胞中:在完全单倍体原核细胞中,等在完全单倍体原核细胞中,等 位基因的概念是指决定某一性状位基因的概念是指决定某一性状 的基因在野生型菌株和突变型菌的基因在野生型菌株和突变型菌 株中是否都存在。株中是否都存在。基因表达基因表达2、基因的表达:、基因的表达:v基因表达机制基因表达机制:遵守中心法则遵守中心法则 以以DNADNA为模板,通过为模板,通过RNARNA聚合酶转录出聚合酶转录出m
14、RNAmRNA,然后将然后将mRNAmRNA包含的碱基顺序在核糖体中翻译成包含的碱基顺序在核糖体中翻译成相应氨基酸序列的多肽。相应氨基酸序列的多肽。转录(转录(transcriptiontranscription)双链双链DNADNA单链,以其中一条为模板单链,以其中一条为模板互补互补mRNAmRNA 翻译翻译(translation)translation)mRNAmRNA 多肽多肽 (2)、操纵子和操纵基因的表达:、操纵子和操纵基因的表达:一个操纵子是一段一个操纵子是一段DNA碱基顺序,包括一个碱基顺序,包括一个操纵基因和一个或几个结构基因。操纵基因和一个或几个结构基因。操纵子的模型是雅各
15、布和莫诺操纵子的模型是雅各布和莫诺1961年提出的,年提出的,根据这一模型基因有结构基因,调节基因,操根据这一模型基因有结构基因,调节基因,操纵基因和启动基因之分,基因的活动受调节系纵基因和启动基因之分,基因的活动受调节系统控制,而这种控制又与环境因子有关,如乳统控制,而这种控制又与环境因子有关,如乳糖操纵子,麦芽糖操纵子。糖操纵子,麦芽糖操纵子。乳糖操纵子乳糖操纵子没有乳糖时,没有乳糖时,调节基因产物调节基因产物与操纵基因结与操纵基因结合,阻止结构合,阻止结构基因表达基因表达有乳糖时,有乳糖时,乳糖与调乳糖与调节基因产节基因产物结合,物结合,操纵基因操纵基因启动结构启动结构基因表达基因表达D
16、NA链链麦芽糖操纵子麦芽糖操纵子没有麦芽糖时,调节基因产物没有麦芽糖时,调节基因产物激活蛋白不与启动子结合,结激活蛋白不与启动子结合,结构基因不表达构基因不表达有麦芽糖时,麦芽糖与调节基因有麦芽糖时,麦芽糖与调节基因产物激活蛋白结合,促进产物激活蛋白结合,促进RNA聚合酶与启动子结合,结构基因聚合酶与启动子结合,结构基因表达表达DNA链链 第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种 1.突变:指突变:指DNA上的核苷酸顺序发生了稳定的,可遗上的核苷酸顺序发生了稳定的,可遗传的变化。传的变化。基因突变:基因突变:DNA链上一对或少数几对碱基发生链上一对或少数几对碱基发生 改变而引起。改变
17、而引起。染色体畸变:染色体畸变:DNA链的大片段损失。链的大片段损失。自发突变:在自然条件下发生的基因突变,细自发突变:在自然条件下发生的基因突变,细 菌的自发突变频率为菌的自发突变频率为10-5-10-7。诱发突变:利用物理化学因子处理微生物使其产诱发突变:利用物理化学因子处理微生物使其产 生的突变。生的突变。回复突变:突变菌株发生突变,回复到出发菌株回复突变:突变菌株发生突变,回复到出发菌株 的状态。的状态。突变突变包括包括突变突变分为分为突变机制:突变机制:转换:转换:DNA上一个嘌呤被另一个嘌呤或上一个嘌呤被另一个嘌呤或 者一个嘧啶被另一个嘧啶所替代者一个嘧啶被另一个嘧啶所替代v 颠换
18、:颠换:DNA上一个嘌呤被一个嘧啶替代上一个嘌呤被一个嘧啶替代v 或者一个嘧啶或者一个嘧啶 被另一个嘌呤替代被另一个嘌呤替代 v 添加添加 DNA分子中多了一个或几个碱基,导致编分子中多了一个或几个碱基,导致编 码码v aa三联密码发生了改变,从而引起突变。三联密码发生了改变,从而引起突变。缺失缺失 DNA分子中少了一个或几个碱基引起突变。分子中少了一个或几个碱基引起突变。如:如:GGG AAA UUU AAA CCC 甘甘 赖赖 苯丙苯丙 赖赖 脯脯 加一个碱基后就变成了:加一个碱基后就变成了:AGG GAA AUU UAA ACC C 精精 谷谷 异亮异亮 终止终止 添加:添加:abc X
19、 defg 缺失:缺失:abc D efg 畸变(染色体大损伤)畸变(染色体大损伤)重复:重复:abc abc de (由(由X射线等的辐射烷射线等的辐射烷 移位:移位:abc par de 化剂,亚硝酸等引起)化剂,亚硝酸等引起)倒位:倒位:abc fed g 碱基碱基置换置换移码移码突变突变点突变点突变诱发突变诱发突变基因突变类型:基因突变类型:1 1、营养缺陷型、营养缺陷型 2 2、抗性突变型、抗性突变型 3 3、条件致死突变型、条件致死突变型 4 4、形态突变型、形态突变型 5 5、抗原突变型、抗原突变型 6 6、产量突变型、产量突变型 基因突变的特点:基因突变的特点:不对应性不对应性
20、 自发性自发性 稀有性稀有性 独立性独立性 诱变性诱变性 稳定性稳定性 可逆性可逆性 正向突变正向突变(forward mutation)forward mutation)回复突变回复突变(back back matationmatation或或reversereverse mutation mutation)基因突变自发性和不对应性的证明v1、变量试验:(Fluctuation Test):v 又称波动试验或彷徨试验。1943年美国学者鲁里亚(S、Luria)和德尔波留克(M、Delbrack)设计了此试验。2.涂布实验:(涂布实验:(Newcombe Expetiment)v1949年Ne
21、wcombe设计了这一实验:先在12只培养皿中涂以数目相等的大肠杆菌细胞,经大约5小时培养,于是在平板上长出大量的微菌落,取其中6支直接喷上噬菌体,另6支先用灭菌玻璃棒均匀涂布一遍,然后再喷噬菌体,经过夜培养计算两组培养皿中抗性菌落数。(涂布可将抗性株涂开)。3.平板影印培养试验(平板影印培养试验(Replica Plating)v1952年莱德伯格夫妇(V,Lederberg)设计的实验:v 印章的做法是取一块比培养皿略小的木块,一端用绒布包起来,绒布上许多小纤维起到接种针的作用。在进行试验时,先用培养液培养大肠杆菌,再将菌液涂布在固体培养基上,待长出菌落后,用影印法先在新鲜的固体培养基上打
22、一个印,再在含链霉素的另一个培养皿上打一个印。在含链霉素的培养皿上长出来的是抗链霉素突变体菌落然后再在不含链霉素的培养基上找出相应位置上的菌落,用含链霉素的培养基上找出相应位置上的菌落,用含链霉素的培养基鉴别,发现也是抗链霉素突变体,由于两者来源相同,说明是非链霉素诱变,而是自发的。微生物育种:微生物育种:1 1、自发突变育种、自发突变育种 生产育种生产育种 定向培育定向培育:在某一特定条件下,长期培:在某一特定条件下,长期培养某一微生物菌群,通过不断转接传代以养某一微生物菌群,通过不断转接传代以积累自发突变积累自发突变,并最终获得优良菌株的过,并最终获得优良菌株的过程。如预防结核病的制剂程。
23、如预防结核病的制剂卡介苗,卡介苗,经经历了历了1313年,牛型结核分支杆菌转接年,牛型结核分支杆菌转接230230代。代。2、诱变育种、诱变育种 用物理(用物理(X-ray、UV等)化学(吖啶、亚等)化学(吖啶、亚硝酸、碱基类似物)因素诱变育种,获得硝酸、碱基类似物)因素诱变育种,获得突突变机率提高变机率提高。艾姆氏试验(Ames test)v利用细菌营养缺陷型的回复突变来检测环境或食品中的潜在三致物质。诱变育种的基本原则v挑选优良的出发菌株 自发突变株、具有有利形状、对诱变剂敏感v敏感时期和合适对象的选择v 选择简便有效地诱变剂v选用最适剂量v高效的初筛和复筛 透明圈法、抑菌圈法、变色圈法、
24、生长圈法等 突变体的筛选:突变体的筛选:A、营养突变体的筛选营养突变体的筛选:完全培养基:基本培养基中加入了天然物质(蛋完全培养基:基本培养基中加入了天然物质(蛋白胨,酵母膏等),能满足各种营养缺陷型白胨,酵母膏等),能满足各种营养缺陷型M.生长的生长的培养基。培养基。基本培养基:只含有野生型菌生长繁殖所必须养基本培养基:只含有野生型菌生长繁殖所必须养料的合成培养基叫基本培养基。料的合成培养基叫基本培养基。a、青霉素浓缩法:青霉素浓缩法:用基本培养基培养细菌,并用基本培养基培养细菌,并在其中加入青霉素,由于青霉素只能抑制生长着的细在其中加入青霉素,由于青霉素只能抑制生长着的细菌,故只杀死在基本
25、培养基中生长的野生型细菌,而菌,故只杀死在基本培养基中生长的野生型细菌,而营养缺陷型突变体因不能在基本培养基中生长,青霉营养缺陷型突变体因不能在基本培养基中生长,青霉素对它们不起作用而被保留下来。素对它们不起作用而被保留下来。b、菌丝过滤法:把霉菌和放线菌的孢子放在基本菌丝过滤法:把霉菌和放线菌的孢子放在基本培养基里生长,这时只有野生型菌会萌发长出菌丝,培养基里生长,这时只有野生型菌会萌发长出菌丝,而缺陷型孢子不会长成菌丝,通过过滤可除去野生型而缺陷型孢子不会长成菌丝,通过过滤可除去野生型菌丝,而保留突变体孢子。菌丝,而保留突变体孢子。营养缺陷型的检出v点种法v夹层培养法v限量补充培养法(含0
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