微生物遗传与育种.doc
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1、1、 诱变育种:采用物理和化学等因素对出发菌株进行诱变处理,然后运用合理的筛选程序及适当的筛选方法把符合要求的优良变异菌株筛选出来的一种育种技术。 二、重组育种:利用不同微生物菌株间遗传物质的重组而实现的工业微生物育种技术。 三、重组DNA技术:在体外构建重组DNA分子并导入宿主内表达,从而获得重组工业微生物菌种的育种技术。分离规律、独立分配规律和连锁遗传是遗传学的三大基本规律。分离规律 分离规律是遗传学中最基本的一个规律。它从本质上阐明了控制生物性状的遗传物质是以自成单位的基因存在的。基因作为遗传单位在体细胞中是成双的,它在遗传上具有高度的独立性,因此,在减数分裂的配子形成过程中,成对的基因
2、在杂种细胞中能够彼此互不干扰,独立分离,通过基因重组在子代继续表现各自的作用。这一规律从理论上说明了生物界由于杂交和分离所出现的变异的普遍性。独立分配规律(又称自由组合定律) 该定律是在分离规律基础上,进一步揭示了多对基因间自由组合的关系,解释了不同基因的独立分配是自然界生物发生变异的重要来源之一。 独立分配定律是指两对以上独立基因的分离和重组,是对分离规律的发展。因此分离定律的应用完全适用于独立分配规律。连锁遗传规律 1900年孟德尔遗传规律被重新发现后,人们以更多的动植物为材料进行杂交试验,其中属于两对性状遗传的结果,有的符合独立分配定律,有的不符。摩尔根以果蝇为试验材料进行研究,最后确认
3、所谓不符合独立遗传规律的一些例证,实际上不属独立遗传,而属另一类遗传,即连锁遗传。于是继孟德尔的两条遗传规律之后,连锁遗传成为遗传学中的第三个遗传规律。所谓连锁遗传定律,就是原来为同一亲本所具有的两个性状,在F2中常常有连系在一起遗传的倾向,这种现象称为连锁遗传。连锁遗传定律的发现,证实了染色体是控制性状遗传基因的载体。通过交换的测定进一步证明了基因在染色体上具有一定的距离的顺序,呈直线排列。这为遗传学的发展奠定了坚实地科学基础。微生物遗传学的研究一方面要依靠生物化学的知识和方法,另一方面也对生物化学有许多贡献。氨基酸、核苷酸及蛋白质和核酸等大分子的生物合成的研究多采用微生物为材料,而且常用微
4、生物遗传学方法。微生物遗传学是以病毒、细菌、小型真菌以及单细胞动植物等微生物为研究对象的遗传学分支学科。微生物有个体小、生活周期短、能在简单的合成培养基上迅速繁殖等特点,并且可以在相同条件下处理大量个体,所以是进行遗传学研究的良好材料。开始认识和利用微生物的优越性进行遗传学研究的是美国遗传学家G.W.比德尔和生物化学家E.L.塔特姆。他们原来企图通过果蝇复眼色素遗传的研究来阐明基因的原初功能,虽然取得了一些进展,但并不理想,于是便改用脉孢菌作为研究材料,另行研究基因在氨基酸等的生物合成中所起的作用。这样做的原因是:果蝇复眼色素的分子结构和生物合成途径比较复杂,要取得大量色素也比较困难;氨基酸等
5、的分子结构或生物合成都比色素简单;脉孢菌便于通过大量培养而取得它的代谢产物;正像在果蝇的复眼色素的研究中必须获得不能合成色素的突变型一样,要研究基因在氨基酸合成中的作用,必须获得不能合成氨基酸的突变型。要做到这一点,所研究的生物必须本身能合成全部氨基酸,脉孢菌正是这样一种生物;脉孢菌的基因分离、连锁、重组等研究已经有一定的基础;在微生物中利用射线诱发基因突变已有报道。 微生物作为遗传学研究材料的特点个体结构简单;营养体多为单倍体;易于在成分简单的合成培养基上生长繁殖;繁殖速度快;易于累积不同的最终代谢产物及中间代谢物;菌落形态特征的可见性与多样性;环境条件对各个体作用具有直接性和均一性;易于形
6、成营养缺陷型;一般都有相应的病毒;存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式等。研究现代遗传学和重要的生物学基本理论问题,微生物是最佳材料和研究对象。第一章 微生物遗传的物质基础一、基本概念(一)、遗传型、基因型:某一生物个体所含有的全部遗传因子(基因的总和)。具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下,通过自身的代谢和发育,才能将它具体化,即产生表型。-代谢-遗传型+环境条件-表型-发育-(二)、表型:某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和,是遗传型在合适环境下的具体体现。表型是一种现实性。(三)、变异:在某种外因或内因的作用下,生物体遗传物质结构或数量的改变,即遗传型的改变。变异特点:
7、在群体中以极低的几率(一般为10-510-10)出现;性状变化的幅度大;变化后的新性状是稳定和可遗传的。(四)、饰变:不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。饰变特点:整个群体中每一个体都发生同样变化;性状变化的幅度小;饰变性状不遗传。例如,粘质沙雷氏菌25培养,产生深红色灵杆菌素,把菌落染成鲜血似的(因此过去称它为“神灵色杆菌”或“灵杆菌”);37时,群体中所有个体都不产色素。重新降温至25 ,所有细胞产色素能力又可以恢复。证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验1. 肺炎双球菌的转化实验1.注射R 型活菌2.注射S 型灭活菌3.注射S 型活菌4.注射R型活菌 +S 型死菌细
8、菌培养1.热致死S 型菌2.R 型活菌 3.热致死S 型菌 +R 型活菌 4.R 型活菌 +S 菌抽取提物2. 噬菌体的感染实验让这两种T2 噬菌体侵染不含标记元素的大肠杆菌,并在T2 噬菌体完成吸附和侵入后,强烈搅拌洗涤,使吸附在菌体外表的T2 噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布,再进行离心沉淀,分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记。结果发现,几乎全部 35S 都在上清液中,而几乎全部 32P 和细菌一起出现在沉淀物中。 蛋白质外壳根本不可能进入宿主细胞,进入宿主细胞的只有噬菌体的DNA,且子代噬菌体例子具有同亲代一样的蛋白质外壳。实验证明,有且仅有DNA携带有全部的遗传信息。3. 烟草花叶
9、病毒的拆开与重组实验将烟草花叶病毒拆成RNA(该病毒不含DNA)和蛋白质,并分别对烟草进行感染实验;结果,只有RNA能感染烟草,且感染后的寄主,可分离到完整的具蛋白质外壳的烟草花叶病毒。而后将烟草花叶病毒和霍氏车前花叶病毒拆开,在体外分别将两种病毒的RNA和蛋白质分别结合,进行重组。再把这些经重组的病毒分别感染烟草。结果从寄主分离所得的病毒蛋白质均取决于相应病毒的RNA。证明了核酸(RNA)是烟草花叶病毒的遗传物质基础。第二章 基因突变定义1:突变是指生物表型突然发生的可遗传的变化。 定义2:突变是指生物生长过程中,由于内因或外因的作用导致染色体DNA结构或数量发生的改变。突变(Mutatio
10、n):遗传物质核酸中的核苷酸序列突然发生了稳定的可遗传的变化。 突变是一种遗传的状态,是基因由于结构发生改变从而由原来的存在状态变为另一种存在状态,即它的等位基因。 突变体:带有突变基因的细胞或个体 突变型:突变体的基因型或表型称为突变型,和其相对的原存在状态称为野生型。按突变发生原因分类 自发突变(spontaneous mutagenesis) :未经任何人为的处理而自然地发生的突变,称为自发突变。 诱发突变(induced mutagenesis) :由人们有意识地利用物理或化学手段引起的突变称为诱发突变。 诱发突变的频率要远远高于自发突变频率按变化范围分突变类型 突变可以发生在染色体水
11、平或基因水平,发生在染色体水平的突变称为染色体畸变,发生在基因水平的突变称为基因突变。染色体畸变(chromosome aberration)染色体数目的变化或染色体结构发生较大片段的异常改变。 染色体数目的变化 整倍体(euploidy):含有完整的染色体组 单倍体( n ):haploid 二倍体(2n):diploid 三倍体(3n):triploid 四倍体(4n):tetraploid非整倍体 aneuploidy:含有不完整状态的染色体组,一般是指二倍体中成对染色体成员的增加或减少。 单体(二倍减一,monosomic diploid): 2n-1 缺体(二倍减二,nullisom
12、ic dilpoid): 2n-2 三体(二倍加一,trisomic diploid): 2n+1 四体(二倍加二,tetrasomic diploid): 2n+2 双二倍加一(double trisomic): 2n+1+ 1 部分二倍体(merodiploid):细菌等原核生物中由一整条染色体和外来的一个染色体片段所构成的不完整二倍染色体结构的变化 1.染色体结构的改变,多数是染色体或染色单体遭到巨大损伤产生断裂,而断裂的数目、位2.置、断裂端连接方式等造成不同的突变 3.包括染色体缺失、重复、倒位和易位等 4.涉及到DNA分子上较大范围的变化,往往会涉及到多个基因。 染色体结构的变化缺
13、失 deficiency :是染色体片段的丢失。 细胞学效应:缺失环 遗传学效应:这种突变往往是不可逆的损伤,其结果会造成遗传平衡的失衡。 重复 repetition :是染色体片段的二次出现细胞学效应:重复环 遗传学效应:这种突变有可能获得具有优良遗传性状的突变体。 倒位 inversion:是指染色体的片段发生了180的位置颠倒 细胞学效应:倒位环 遗传学效应:造成染色体部分节段的位置顺序颠倒,极性相反。 易位 translocation :是指一个染色体的一个片段连接到另一个非同源染色体上。相互易位 reciprocal translocation:两个非同源染色体间相互交换一部分。 相
14、互易位的细胞学效应:十字型图象 相互易位的遗传学效应:相应基因表达出现异常。基因突变(gene mutation)基因突变是指一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变,包括一对或少数几对核苷酸的缺失、插入或置换,分为碱基置换和移码突变。 染色体局部座位内的变化 点突变point mutation :单碱基对的置换 突变发生在一个基因范围内。 多位点突变:突变超出一个基因范围。碱基置换 base pair substitution DNA链上一个碱基对为另一碱基对所取代叫碱基置换 转换 transition :DNA链中一个嘌呤(嘧啶)被另一个嘌呤(嘧啶)所置换。 颠换 transversio
15、n:DNA链中一个嘌呤(嘧啶)被一个嘧啶(嘌呤)所置换。 移码突变 frameshift mutation在DNA序列中由于一对或少数几对核苷酸的插入或缺失,而使其后全部遗传密码的阅读框架发生移动,进而引起转录和转译错误的突变叫移码突变。 一般只引起一个基因的表达出现错误。遗传学效应:错义突变 missense mutation:突变后的密码子编码另一种氨基酸。个别碱基的改变导致多肽链上某个氨基酸为另一种氨基酸所取代。 例:AAG突变为GAG,编码的氨基酸由亮氨酸变成谷氨酸。 无义突变 nonsense mutation:突变后的密码子变为终止密码。 例:TGC(亮氨酸)突变为TGA(终止密码
16、子)同义/沉默突变 silent mutation:突变后的密码子编码的仍是同一种氨基酸。(碱基序列发生改变而氨基酸序列未发生改变的突变称为同义/沉默突变)。 例:ATT突变为ATC,两者都编码异亮氨酸。沉默突变的发生是由于遗传密码的简并性。同义突变和沉默突变不会导致编码特性的改变,但往往会引起限制酶切割位点的变化,造成DNA限制片段长度的多态性。按突变的表型变化效应分类野生型 wild type:表现该物种正常表型的生物。 突变型 mutant:由于突变导致其正常的表型发生了改变的生物。 形态突变型morphological mutant :引起细胞个体形态和菌落形态发生改变的突变型。是一种
17、可见突变。生化突变型:引起特定生化功能的丧失而无形态学效应的突变型。包括营养缺陷型、抗性突变型、糖代谢突变型等。 营养缺陷型 auxotrophic mutant:由于代谢过程的缺陷而不能合成某种与合成初级代谢物有关的基因产物的缺陷型。 lack of a gene product involved in the synthesis of an essential metabolite.抗性突变型 resistant mutant:由于基因突变而产生的对某种化学药物、致死物理因子或噬菌体具有抗性的变异菌株 抗药物突变型: 对原本敏感的药物具有一定的耐性。 抗噬菌体突变型: 对原本敏感的噬菌体产
18、生抗性。致死突变型 lethal mutant:由于基因突变造成个体死亡的突变型。 杂合状态的显性致死和纯合状态的隐性致死都导致个体的死亡 条件致死突变型 condition lethal mutant:在某一条件下具有致死效应,而在另一条件下没有致死效应的突变型。如:温度敏感突变型 temperature-sensitive mutant 调节突变型 regulatory mutant:丧失对某一基因或操纵子表达能力调节的突变型。 产量突变型 metabolite quantitative mutant : 所产生的代谢产物的产量明显有别于原始菌株的突变株称产量突变型 二. 基因符号基因命名
19、原则 1966年 M. Demerec 每一基因座位(locus)用三个小写英文字母表示,它们来自说明这一基因特性的一个、两个或三个英文单词的前三个字母; 例如:his:组氨酸基因 histidine rim:核糖体的装配、成熟有关基因 ribosomal modification rps :核糖体蛋白小亚基基因 ribosomal protein small 产生同一突变型表型的不同基因,在三个小写字母后用不同的一个大写斜体字母来表示 ; 例如:hisA、hisB:不同的组氨酸基因 同一基因的不同突变位点(mutation site)在基因符号后用阿拉伯数字表示。如果位点所属的基因还不确定,
20、那么大写字母用一短线表示 例如:trpA46, trpA23:trpA的不同位点的突变。突变型的基因符号用基因座符号加“+”或“-”或其它符号。如:hisA-, strr, strs, strd。 基因表型或其表达产物用相应基因符号的正写字母,其中第一个字母大写。如:基因lacZ的表达产物是LacZ 第2节 基因突变的规律一、基因突变的自发性 突变可自发产生,突变的微生物与所处的环境因素没有对应关系。 1)波动实验2)涂布实验3) 影印培养实验二、基因突变的随机性1、随机性 波动试验的结果还说明了突变具有随机性,突变发生的时间是随机的。 基因突变的发生从时间、个体、位点和所产生的表型变化等方面
21、都带有比较明显的随机性。 突变总是以一定的频率在群体中发生。2、突变热点(hot spots of mutation) DNA分子上各个部分有着不同的突变频率,某些位点的突变频率大大高于平均值,这些位点称为突变热点 形成突变热点的最主要的原因 5-甲基胞嘧啶(MeC)的存在 发生DNA上短的连续重复序列处 突变热点也还与诱变剂有关 三、基因突变的稀有性 1、稀有性 突变以一定的突变率发生在个别细胞中。正常情况下,突变发生的频率往往很低。 突变率(mutation rate):某基因或某个性状在每个细胞世代中发生突变的概率。 突变率也可以用某一群体在每一世代(即分裂1次)中产生突变株的数目来表示
22、。2、突变率(m)的计算 世代总数=N2-N1 突变率的测定: 固体平板法测突变率: 在2组平板上接种相等数量的敏感菌,培养一定时间后取一组洗下计细菌总数,另一组计抗性突变菌落数,每一菌落代表一次抗性突变。 m=(M2-M1)/(N2-N1) 一般N0N,M00,mM/N液体培养法测突变率: 液体培养时突变株有2个可能来源:一次新的突变产生或原突变株分裂而来。因此M/N只能被成为突变型频度,不是突变率。此时 m=2(M2/N2-M1/N1)/(g2-g1)M/N-g做图,斜率则为m/2 例:在20个试管中有11个试管不含任何突变型细菌,每一试管的平均细菌数N测得是5.6108 P0=e-mN
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