第8章微生物遗传变异与育种.ppt
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1、第8章微生物遗传变异、育种,学时:4,教学内容:,1.掌握遗传变异的物质基础,2.掌握基因突变和诱变育种,3.了解原核生物和真菌的基因重组,4.了解基因工程原理,第八章 微生物遗传,5.了解菌种的保藏与复壮,第八章 微生物的遗传变异和育种,第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变与基因重 第三节 微生物育种 第四节 基因工程(自学) 第五节 菌种保藏,引言:一、遗传变异的基本概念 二、 微生物与遗传学研究,变异(variation) :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。指同种生物后代与前代、同代生物不同个体之间在形体特征、生理特征等方面所表现出来的差
2、别. 变异特点: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。,基本概念,遗传和变异是 生物体最本质的属性之一。 遗传(heredity or inheritance) ,讲的是亲子间的关系,指生物的上一代将自己的一整套遗传因子传递给下一代的行为或功能,它具有极其稳定的特性。 遗传是指经由基因的传递,使后代获得亲代的特征,(一)、基因型(Genotype)或遗传型: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)。 基因型只是一种内在的可能性或潜力,只有在适当的环境条件下,通过自身的代谢和发育,才能使其具体化,转变为表型。
3、,(二)、表型(Phenotype):某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和,是其遗传型在合适环境下,通过代谢和发育而得到的具体体现。 A phenotype is any observable characteristic or trait of an organism: 代谢 遗传型+环境条件-表型 发育,(三)、饰变( Modification ): 指外表的修饰性改变,是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。 A modification is a change in the physical appearance of an organism (ph
4、enotype) caused by environmental factors. Modifications are not inheritable as they do not affect the genes.,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:粘质沙雷氏菌 Serratia marcescens 25培养,产生深红色灵杆菌素,把菌落染成鲜血状 (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。,为什么说微生物是研究现代遗传学的良好材料?,1.个体结构简单
5、; 2.营养体多为单倍体; 3.易于在成分简单的合成培养基上生长繁殖且繁殖速度快; 4.易于累积不同的最终代谢产物及中间代谢物; 5.菌落形态特征的可见性与多样性; 6环境条件对各个体作用具有直接性和均一性; 7易于形成营养缺陷型; 8.一般都有相应的病毒; 9.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。,一.证明遗传物质基础的三个经典实验,二.遗传物质在胞内的存在部位及方式,第一节 遗传变异的物质基础,一.证明DNA是遗传物质基础的三个经典实验,(一)、细菌的转化(Transformation)实验,1928年,F.G
6、riffith首先发现细菌的转化现象。肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)是一种成双或成链排列的球菌,可使人患肺炎,也可使小鼠患败血症而死亡。肺炎链球菌有许多不同类型的菌株,其中: 形成荚膜的菌株,菌落是光滑(Smooth)的,简称S型,有致病性; 不形成荚膜的菌株,菌落是粗糙(Rough)的,称为R型,无致病性。Griffith做了几组实验:,1、动物试验,2、细菌培养试验,3、S型菌的无细胞提取液试验,1、动物试验,小鼠(活),加活S菌,加活R菌或死S菌,加活R菌和热死S菌,小鼠(活),小鼠(死),小鼠(死),活的S菌,抽心血分离,小鼠死亡的原因是S型菌株造成的。
7、 从何而来?,2、细菌培养试验,热死S菌,培养皿培养,不生长,活R菌,培养皿培养,长出R菌,热死S菌,+,活R菌,培养皿培养,长出大量R菌和10-6S菌,结论 A 不是死而复活 B 不是回复突变 C R从死的S获得遗传物质,3、S型菌的无细胞提取液试验,活R菌,S菌无细胞抽提液,+,培养皿培养,长出大量R菌和少量S菌,实验说明:加热杀死的S型细菌,在其细胞内可能存在一种转化物质,它能通过某种方式进入R型细胞,并使R形细胞获得稳定的遗传性状。 Griffith将这一现象称为转化(transformation),并将引起转化的物质称为转化因子。,那么,什么是转化因子?,O.T.Avery,1944
8、年,O.T.Avery等用细胞成分转化,进一步证明了转化因子是DNA。,活R菌,加S菌的DNA,加S菌的DNA及DNA酶以外的酶,加S菌的DNA及DNA酶,加S菌的RNA,加S菌的蛋白质,加S菌的荚膜多糖,活S菌,活R菌,由这些结果可知,只有S型细菌DNA才能将肺炎链球菌由R型转化成S型;并且DNA的纯度越高,转化效率也越高,当所用的DNA量低于610-8g时,仍具有感染力,这说明,由S型菌株转移给R型的只有DNA。,(二)、T2噬菌体感染试验,1952年,Hershey和Chase利用同位素P32和S35标记T2噬菌体,感染大肠杆菌,试验证明DNA是噬菌体的遗传物质基础。做了两组实验: 小问
9、题:如何标记?,实验原理:DNA含不含 ,蛋白质含不含。 实验方法:分别标记、分别感染。 实验结果:)含量与搅拌时间无关,进入细胞,产生噬 )随搅拌时间而减少,留在外面。 实验结论: DNA携带了包括蛋白外壳的全部遗传信息。,(三)、植物病毒的重建实验,1956年,Fraenkel-Conrat利用烟草花叶病毒(TMV)和霍氏车前花叶病毒(HRV)进行了植物病毒的重建实验。TMV与HRV亲缘关系相近,用一定浓度的苯酚振荡处理,可使二者的RNA核心与蛋白外壳相分离。重建杂种病毒进行感染。 (RNA在没有蛋白质包裹的情况下,也能感染烟草并使其患典型症状,从病斑中可分离出正常的病毒粒子,但感染频率较
10、低。) 小问题:与有何区别?,结论:RNA是遗传物质!,结果:蛋白外壳后代 蛋白外壳后代,证明核酸是遗传变异物质的经典实验,通过上述三个经典实验,确信无疑地得出结论: 核酸是贮存遗传信息的物质! 朊病毒的发现和思考! 第二遗传密码-折叠密码: 多肽链中氨基酸的序列如何决定蛋白质的空间结构?,二.遗传物质在胞内的存在部位及方式,(一)、七个水平,细胞水平,细胞核水平,染色体水平,核酸水平,基因水平,密码子水平,核苷酸水平,1、细胞水平,在微生物细胞中,其大部或几乎全部的DNA都集中于细胞核或核质体。不同的微生物细胞或同种微生物的不同细胞中,核的数目有所不同。像酿酒酵母、黑曲霉、产黄青霉等真菌是单
11、核的;粗糙脉孢菌、米曲霉是多核的;放线菌的细胞是多核的,而孢子则是单核的;在细菌中,杆菌细胞大多存在两个核质体,而球菌一般仅一个。,基因组(genome):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。(核基因组;线粒体基因组),2、细胞核水平,(1)真核和核区:真核生物与原核生物存在着明显的差别。前者的核有核膜包裹,形成有固定形态的真核,核内的DNA与组蛋白结合在一起,形成在光学显微镜下可见的染色体;而后者的核是无核膜包裹以松散无定形状态存在的核区,DNA呈环状双链结构,不与任何蛋白质相结合。,(2) 核外染色体:除细胞核外,有些微生物细胞质内还存在,细胞质基因、共生生物、质粒(P
12、lasmid) 能自主复制的核外染色体。,3、染色体水平,(1)不同生物含有不同数目的染色体。 真核生物的染色体数目较多,如酵母菌属为16-17(单倍体),脉孢菌属为7(单倍体);而原核生物只有一个裸露的、在光学显微镜下无法看到的环状染色体。对原核生物来说,染色体水平就是核酸水平。,(2)染色体的倍数也不同。 多数微生物是单倍体的,少数真核微生物(酿酒酵母)的营养细胞,合子是双倍体。,部分双倍体的细胞:? 原核生物通过转化、转导或接合等过程而获得外源染色体片段时,只能形成一种不稳定的称作部分双倍体的细胞。,(1) 核酸种类: 绝大多数生物的遗传物质是DNA,只有部分病毒为RNA。在真核生物中,
13、DNA缠绕着组蛋白,共同构成了染色体;而原核生物不含组蛋白,DNA独立存在。,4、核酸水平,(2)在核酸的结构上,绝大多数微生物的DNA是双链的,少数病毒,如E.coli的X174和fd噬菌体的核酸为单链结构。大多数真菌病毒是双链的,而多数RNA噬菌体则为单链。,(3)DNA长度,基因组的大小:真核生物的DNA要比原核生物长得多,基因数量也较多。如啤酒酵母DNA的长度约6.5mm,13Mb,大肠杆菌为1.11.4mm,4.6Mb,含有7500个基因,T2-噬菌体约有360个基因,而最小的RNA噬菌体MS2只有3个。,此外,不同微生物的DNA,其存在状态也不同:在原核生物中都是环状;在病毒粒子中
14、有的呈环状,有的呈线状的;细菌质粒的DNA是超螺旋结构的。,5、基因水平,(1)基因:是生物体内具有特定核苷酸顺序的核酸片段,具有自主复制能力的最小遗传功能单位。每个基因一般含1000bp1500bp,分子量约为6.7105Dal。每个细菌一般含有5,00010,000个基因。,(2)基因调控系统:原核生物由操纵子和它的调节基因组成调控系统而发挥作用的:,基因调控系统,操 纵 子,调节基因,启动基因,操纵基因,结构基因,真核生物一般无操纵子、存在大量的不编码序列(内含子)和重复序列。,原核生物的基因调控系统由操纵子(Operon)和它的调节基因(Regulator gene)组成。每一个操纵子
15、包含三种基因:即结构基因(Structure gene)、操纵基因(Operator)和启动基因(Promotor)。,操纵子理论,结构基因通过转录和转译过程来执行多肽(酶及结构蛋白)合成。操纵基因是与结构基因紧密连锁在一起的,它能控制结构基因转录的开启与关闭。启动基因是转录起始的部位。操纵基因和启动基因不能转录RNA,不产生任何基因产物。前者是阻遏蛋白的结合部位,后者则是RNA多聚酶附着和启动的部位。调节基因一般位于与操纵子有一定间隔距离(一般小于100个碱基)的部位,它是能调节操纵子中结构基因活动的基因。调节基因能转录出自己的mRNA,并经转译产生阻遏蛋白,后者能识别和结合在操纵基因上。由
16、于阻遏蛋白与操纵基因的相互作用可使DNA双链无法解链,阻挡了RNA聚合酶沿着结构基因移动,从而关闭了结构基因的活动。,6、密码子水平,遗传密码是指DNA链上核苷酸的特定排列顺序。遗传密码,又称密码子、遗传密码子、三联体密码。指信使RNA(mRNA)分子上从5端到3端方向,由起始密码子AUG开始,每三个核苷酸组成的三联体。它决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号,7、核苷酸水平,基因水平是遗传的功能单位,密码子水平是信息单位,而核苷酸水平(即碱基水平)则可认为是一个最低突变单位或交换单位。在绝大多数生物的DNA中,都只含腺苷酸(AMP)、胸苷酸(TMP)、鸟苷酸(GMP)和胞苷酸(C
17、MP) 4种脱氧核苷酸,但也有少数例外,如E.coli的T偶数噬菌体的DNA上就含有少量的稀有碱基5-羟甲基胞嘧啶。,(二)原核生物的质粒,1、质粒的定义 1)质粒:凡游离于原核生物核基因组以外,具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子,即cccDNA (covalently closed circle )。 2)质粒:是真核细胞细胞核外或原核生物拟核区外能进行自主复制的遗传单位,包括 近年来在疏螺旋体、链霉菌和酵母菌中发现了线型双链DNA质粒和RNA质粒,2、质粒的构型和大小,1)构型: CCC型(covalently closed circular): 共价闭合环状,超螺旋环状;
18、 OC型(open circular form):开环型; L型(linear form):线型; 2)大小: 分子量一般在106108Da,大小约为1%核基因组。质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb,细菌质粒多在10kb以内。每个质粒含有几个到数百个基因。每一个细胞可含有1几百个质粒。 3)数目:质粒复制与核染色体同步,称“严紧型复制控制”,细胞一般含12个质粒;不同步,称“松弛型复制控制”,一般含1015个或更多。,3、质粒的特性,a.是细菌非必须的遗传物质。质粒控制着细菌的次要性状,失去质粒通常不会影响细菌的正常生活,但质粒的存在可使细菌获得生长优势。,b.具有不相容性。某些属于
19、同一组并具有共同阻遏物的质粒不能在同一细胞中共存。,c.具有可转移性。某些质粒能以较高的频率(10-6)通过细胞间的接合作用或其他机制从供体细胞转移到受体细胞中。如F、R等。,d.可整合性。在一定条件下,质粒可整合到染色体的DNA上(附加体),并且也可与DNA重新分离。,e.可重组性。不同的质粒与染色体上的基因可以在细胞内或细胞外进行交换重组并形成新的重组质粒。,f.可消除性。在高温或某些化学药物啶类染料、丝裂霉素C的处理下,质粒可以被消除,同时宿主细胞也将失去质粒控制的表型性状。,g.耐碱性。质粒与染色体的DNA比较,质粒DNA具有较强的耐碱性。,4、质粒的检测,a.提取所有胞内DNA后电镜
20、观察;,b.超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察;,c.可借助质粒所带的某些特点,如抗药性初步判断。,(5)质粒的类型,质粒按功能和赋予宿主的表型效应,接合质粒(Fertility factor,F因子),抗性质粒(Resistance factor,R因子),细菌素质粒(Bacteriocin plasmid),毒性质粒(Virulence plasmid),代谢质粒(Metabolic plasmid),隐秘质粒(Cryptic plasmid),FERTILITY PLASMID A fertility plasmid carries the genes for conjugation as
21、well as a number of other genes. In this figure the fertility plasmid also carries antibiotic resistant genes.,质粒的类型,(1)F因子、致育因子或性因子: E.coli等细菌中决定性别。约等于2%核染色体DNA的小型cccDNA。分子量为6.2107Da,94.5kb(千碱基对),其中有1/3的基因与接合作用有关。 (2)R因子、R质粒:抗性质粒: 包括抗药性和抗重金属二大类,简称R质粒。 如R1质粒可使宿主对氯霉素、链霉素、磺胺、氨苄青霉素、卡那霉素产生抗性。 (3)Col因子、产
22、大肠杆菌素因子: 大肠杆菌素是E.coli某些菌株分泌的细菌毒素,具有通过抑制复制、转录、翻译或能量代谢等,专一地杀死其他肠道细菌的功能。约48104Da。携带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。,质粒的类型,(4)、毒性质粒: 许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的,这些质粒具有编码毒素的基因。 如Bt (苏云金芽孢杆菌Bacillus thuringiensis)产生的毒素伴孢晶体即由位于质粒上的基因所编码。 (5)、代谢质粒:降解性质粒: 假单胞菌中发现,此类质粒上携带有能降解某些基质的酶的基因。这类质粒也称为降解质粒,每种具体的质
23、粒常以其降解的底物而命名。在有毒化合物的降解方面有重要意义。 超级细菌。 (6)隐秘质粒: 不显示任何表型效应,它们的存在只有通过物理的方法才能检测发现。,质粒的类型,(7)Ti质粒、诱癌质粒(tumor indcing plasmid): 大型,长200kb。根癌土壤杆菌(Agrobacterium tumefaciens)。侵入到双子叶植物细胞中,Ti质粒片段与植物细胞核染色体组发生整合,破坏控制细胞分裂的激素调节系统,转变成癌细胞。 植物遗传工程研究的重要载体。 Ri质粒:root inducing plasmid, p201. (8)巨大质粒:megaplasmid: 20030010
24、6Da,比一般质粒大几十倍至几百倍。根瘤菌属中发现,具有一系列固氮基因。,一.基因突变,二.突变与育种,第二节 基因突变和诱变育种,一.基因突变,基因突变(Gene mutation)又称点突变,是指生物体内遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。,根据突变的原因又可将其分为自发突变(Spontaneous mutation)和诱发突变(Induced mutation)两种类型。 野生型菌株:从自然界分离到的菌株一般称为野生型菌株。 突变株:野生型突变后带有新性状的菌株。 菌株(strain):菌株又称品系,表示任何由一个独立分离的单细胞(或单个病毒粒子)繁殖而成的纯种群体及其后代。
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