8遗传11.ppt
《8遗传11.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《8遗传11.ppt(163页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第八章 微生物的遗传变异与育种,理想的工业发酵菌种应符合以下要求:,遗传性状稳定; 生长速度快,不易被噬菌体等异种微生物污染; 目标产物的产量尽可能接近理论转化率; 目标产物最好能分泌到细胞外,以降低产物抑制并利于分离; 尽可能减少产物类似物的产量,以提高目标产物的产量并利于分离; 培养基成分简单、来源广、价格低廉; 对温度、pH、离子强度、剪切力等环境因素不敏感; 对溶氧的要求低,便于培养及降低能耗。,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
2、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。,研究微生物遗传学的意义,遗传与变异的概念,遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。
3、遗传(heredity):亲代生物的性状在子代得到表现;亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。特点:具稳定性。 遗传型(genotype):又称基因型,指某一生物个体所含有的全部基因的总和;-是一种内在可能性或潜力。 遗传型 + 环境条件 表型 表型(phenotype):指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;-是一种现实存在,是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。,变异(variation):生物体在外因或内因的作用下,遗传物质的结构或数量发生改变。变异的特点:a.在群体中以极低的几率出现,(一般为10-610-10);b.形状变化的幅度大; c. 变化后形
4、成的新性状是稳定的,可遗传的。 饰变(modification):指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。特点是:a.几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化;b.性状变化的幅度小;c.因遗传物质不变,故饰变是不遗传的。引起饰变的因素消失后,表型即可恢复。,例如:粘质沙雷氏菌:在25下培养,产生深红色的灵杆菌素;在37下培养,不产生色素;如果重新将温度降到25,又恢复产色素的能力。,遗传与变异的概念,第一节 遗传变异的物质基础,种质连续理论:18831889年间Weissmann提出。认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物。 基因学说:1933年摩尔根(Thomas
5、 Hunt Morgan)发现了染色体,并证明基因在染色体上呈直线排列,提出了基因学说,使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。 但染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。20多种氨基酸经过不同排列组合,可以演变出的蛋白质数目几乎可以达到一个天文数字,而核酸的组成却简单得多,一般仅由4种不同的核苷酸组成,它们通过排列核组合只能产生较少种类的核酸,因此当时认为决定生物遗传型的染色体和基因,其活性成分是蛋白质。 DNA是遗传变异的物质基础的证明:1944年以后,先后有利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证(肺炎球菌的转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验),才使人们普遍接受核酸才是真
6、正的遗传物质。,(一)核酸存在的七个水平及质粒 细胞水平:存在于细胞核或核质体,单核或多核 细胞核水平: 原与真核生物的细胞核结构不同,核外DNA 染色体水平: 倍性(真核)和染色体数 核酸水平:在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 DNA或RNA,复合或裸露,双链或单链 基因水平:具自主复制能力的遗传功能单位,长度与信息量,转录翻译 密码子水平: 信息单位,起始和终止, 核苷酸水平: 突变或交换单位,四种碱基,一、遗传物质在细胞内的存在部位和方式,二、原核生物的质粒,定义:是一类小型闭合环状核外双螺旋DNA分子,能独立于细胞核进行自主复制。 大小:约为2100106Dalton,上面携带有数
7、个到数十个甚至上百个基因。 性质: 可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在(游离态),也可以通过交换掺入染色体上,以附加体(episome)的形式存在; 质粒是一种复制子(replicon),根据自我复制能力的不同,可把质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种,严紧型质粒的复制受细胞核控制,与染色体DNA复制相伴随,一般一个寄主细胞内只有少数几个(15)个拷贝;松弛型质粒的复制不受细胞核控制,在染色体DNA复制停止的情况下仍可以进行复制,在细胞内的数量可以达到10200个或更多。,可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中,使两个细胞都成为带有质粒的细胞;质粒转移时,它可
8、以单独转移,也可以携带着染色体(片段)一起进行转移,所以它可成为基因工程的载体。 对于细菌的生存并不是必要的 功能多样化,二、原核生物的质粒,功能:进行细胞间接合,并带有一些基因,如产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。 重组:在质粒之间、质粒与染色体之间均可发生。 存在范围:很多细菌如E.coli、Shigella、S.aureus、Streptococcus lactis、根癌土壤杆菌等 制备:包括增殖、裂解细胞、去除RNA和蛋白质等成分、分离质粒与染色体DNA等步骤。 鉴定:电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱等方法,二、原核生物的质粒,几种代表性质粒:,1. F因子(f
9、ertility factor):又称致育因子或性因子,62106Dalton,94.5kb,相当于核染色体DNA2%的环状双链DNA,足以编码94个中等大小多肽,其中1/3基因(tra区)与接合作用有关。存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中,决定性别。,最初发现于痢疾志贺氏菌(Shigella dysenteriae),后来发现还存在于Salmonella、Vibrio、Bacillus、Pseudomonas和Staphylococcus中。 R因子由相连的两个DNA片段组成,即抗性转移因子(resistence transfor factor, RTF )和抗
10、性决定R因子(r-determinant),RTF为分子量约为11106Dalton,控制质粒copy数及复制,转移。抗性决定因子大小不固定,从几百万到100106Dalton以上,其上带有其它抗生素的抗性基因。 R-因子在细胞内的copy数可从12个到几十个,分为严紧型和松弛型两种,经氯霉素处理后,松弛型质粒可达20003000个/细胞。,2. R因子(resistence factor),细菌素 产大肠杆菌素因子。 大肠杆菌素是由E.coli的某些菌株所分泌的细菌素,能通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其它肠道细菌。其分子量约41048104Dalton。大肠杆菌素都是由Co
11、l因子编码的。 Col因子可分为两类,分别以ColE1和ColIb为代表。 ColE1分子量约为5106Dalton,无接合作用,是多copy的; ColE1研究得很多,并被广泛地用于重组DNA 的研究和用于体外复制系统上。 ColIb分子量约为80106Dalton,它与F因子相似,具有通过接合作用转移的功能,属于严紧型控制,只有12个copy。 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。,3. Col因子(colicinogenic factor),降解性质粒 只在假单胞菌属中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码,从而能利
12、用一般细菌所难以分解的物质做碳源。这些质粒以其所分解的底物命名,例如有分解CAM(樟脑)质粒,XYL(二甲苯)质粒,SAL(水杨酸)质粒,MDL(扁桃酸)质粒,NAP(奈)质粒和TOL(甲苯)质粒等。,4. 降解性质粒,即诱癌质粒。 存在于根癌土壤杆菌(Agrobacterium tumefaciens)中,可引起许多双子叶植物的根癌 。当细菌侵入植物细胞中后,在其细胞中溶解,把细菌的DNA释放到植物细胞中。这时,含有复制基因的Ti质粒的小片段与植物细胞中的核染色体发生整合,破坏控制细胞分裂的激素调节系统,从而使它转变成癌细胞。 Ti质粒长200kb,是一个大型质粒。当前,Ti质粒已成为植物遗
13、传工程研究中的重要载体。一些具有重要性状的外源基因可借DNA重组技术设法插入到Ti质粒中,并进一步使之整合到植物染色体上,以改变该植物的遗传性,达到培育植物优良品种的目的。,5. Ti质粒(tumor inducing plasmid),是近年来在Rhizobium(根瘤菌属)中发现的一种质粒,分子量为200300106Dalton,比一般质粒大几十倍到几百倍,故称巨大质粒,其上有一系列固氮基因。,6. 巨大质粒(mega质粒),第二节 基因突变和诱变育种,突变( mutation ):指生物体的表型突然发生的可遗传的变化。 染色体畸变细胞学上可以看到染色体的变化 突变 基因突变细胞学上看不到
14、遗传物质的变化 突变体(mutant):发生了突变的微生物细胞或菌株 野生型(wild type):从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的原始菌株,依表型的改变分为: 形态突变型个体和菌落形态的变异 营养缺陷型因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力,并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变类型。 发酵突变型丧失产生某种生物合成酶能力的突变型 抗性突变型因突变而产生了对某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可正常生长繁殖,而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型 抗原突变型因突变而引起的抗原结构发生改变 产量突变型,(一)基因突变的类型,按是否比较容易、迅速地
15、分离到发生突变的细胞来分: 选择性突变株(selective mutant):具有选择标记(如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型),只要选择适当的环境条件,如培养基、温度、pH值等,就比较容易检出和分离到。 非选择性突变株(non-selective mutant):无选择标记(如产量突变型、抗原突变型、形态突变型),能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。,定义:每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。 突变率为108是指该细胞在一亿次细胞分裂中,会发生一次突变。突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株(mutant,即突变型)的数目来表示。如一个含108个细胞的
16、群体,当其分裂为2108个细胞时,即可平均发生一次突变的突变率也是108 。 突变率=突变细胞数/分裂前群体细胞数 突变是独立的。某一基因发生突变不会影响其它基因的突变率。在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的,因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积。 由于突变的几率一般都极低,因此,必须采用特殊手段筛选突变株加以确定。,(二)突变率,若干细菌某一性状的自发突变率,菌 名 突变性状 突变率 E. coli 抗T1噬菌体 3 108 E. coli 抗T3噬菌体 1 107 E. coli 不发酵乳糖 1 1010 E. coli 抗紫外线 1 105 Staphylococcus
17、 aureus 抗青霉素 1 107 S. aureus 抗链霉素 1 109 Salmonella typhi 抗25g/L链霉素 1 106 Bacillus megaterium 抗异烟肼 5 105,(三)突变的特点,适用于整个生物界,以细菌的抗药性为例。 不对应性:突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。 自发性:突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。 稀有性:突变率低且稳定。 独立性:各种突变独立发生,不会互相影响。 可诱发性:诱变剂可提高突变率。 稳定性:变异性状稳定可遗传。 可逆性:从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突 变(forward mutation),从突
18、变株回到野生型的 过程则称为回复突变或回变(back mutation或 reverse mutation)。,(四)基因突变的自发性和不对应性的证明,在各种基因突变中,抗性突变最为常见。但在过去相当长时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。 一种观点认为,突变是通过适应而发生的,即各种抗性是由其环境(指其中所含的抵抗对象)诱发出来的,突变的原因和突变的性状间是相对应的,并认为这就是“定向变异”,也有人称它为“驯化”或“驯养”。 另一种看法则认为,基因突变是自发的,且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起,所以难以探究问题的实质。 从1943年起,
19、经过几个严密而巧妙的实验设计,主要攻克了检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题,终于解决了这场纷争。,变量试验又称波动试验或彷徨试验。 1943年,S. E. Luria 和M. Delbrck 根据统计学原理,设计了左方的实验。,1. 变量试验fluctuation test,2.涂布试验,原理与变量试验相同,方法更为简便,且可计算突变率。,涂布试验中突变率的计算,初始接种量:5 104 个/皿 培养5小时,繁殖了12.3代,每个微菌落约含5100个细菌 这时,每个平皿上的细胞数为: 5100 5 104 2.6 108个/皿 在6个平板上,比接种时增加的细胞数为: 6 (2.6 10
20、8 5 104)= 15.6 108 在未涂布的平板上共发现28个突变,故 突变率 = 28/15.6 108 = 1.8 108,3. 平板影印培养试验(replica plating),1952年,J. Lederberg夫妇的论文平板影印培养法和细菌突变株的间接选择,更好地证明了微生物的抗药性是在未接触药物前自发地产生的,这一突变与相应药物环境毫不相干。 平板影印培养法,是一种能达到在一系列培养皿的相同位置上出现相同遗传型菌落的接种培养方法:把长有许多菌落的母种培养皿倒置于包有灭菌丝绒布的木质圆柱印章上,使其沾上来自平板上的菌落。然后可把这一“印章”上的菌落一一接种到不同的选择性培养基平
21、板上。待这些平板培养后,对各平板相同位置上的菌落作对比后,就可选出适当的突变型菌株。据报道,用此法可把母平板上1020%量的细菌转移到丝绒布上,并可利用这一“印章”接种8个子培养皿。因此,通过影印培养法,就可以从在非选择性条件下生长的细菌群体中,分离出各种类型的突变株。,平板影印培养法,在根本未接触过任何一点链霉素的情况下,就可以筛选到大量抗链霉素的突变株,充分说明了突变是自发产生的,链霉素只是起到了一种检出作用。 平板影印培养不仅在微生物遗传理论的研究中有重要应用,而且在育种时间和其它研究中均有应用,值得很好地领会。,(五)基因突变的机制,基因突变的原因是多种多样的,可以是自发的或诱发的,诱
22、变又可分为点突变和畸变。具体类型可归纳如下:,1. 诱变机制,诱变剂(mutagen):凡能提高突变率的任何理化因子,就称为诱变剂 种类:诱变剂的种类很多,作用方式多样。即使是同一种诱变剂,也常有几种作用方式。 按照遗传物质结构变化的特点讨论几种有代表性的诱变剂的作用机制。,(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(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(t
23、ransversion),即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。,对某一具体诱变剂来说,即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。,直接引起置换的诱变剂,定义:一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂,不论在机体内或是在离体条件下均有作用。 种类:很多。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-亚硝基胍,N-甲基-N-亚硝基脲,乙烯亚胺,环氧乙酸,氮芥等)。 作用: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。
24、 羟胺只引起GCA : T, 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.,亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。 HNO2 胞嘧啶(C) 尿嘧啶(U) HNO2 腺嘌呤(A) 次黄嘌呤(H) HNO2 鸟嘌呤(G) 黄嘌呤(X) 这些反应及形成物均可在DNA复制中产生影响,主要是使碱基对发生转换。,碱基转换的分子机制以亚硝酸为例,腺嘌呤(A)变成次黄嘌呤(H)后引起的转换过程:,腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤(He) He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤(HK) DNA复制时,HK 与胞嘧啶(C)配对 DNA第二次复制时,C与G正常配对,实现了转换。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 遗传 11
链接地址:https://www.31doc.com/p-2967753.html