食品微生物学-第五章-微生物的遗传变异.ppt

遗传变异的物质基础微生物的基因突变及修复微生物的基因重组菌种的衰退、复壮与保藏,第五章微生物的遗传变异与菌种选育,遗传：微生物通过繁殖，将自己的性状信息传递给子代，使之在形态、构造、生态和生理生化特性等方面具有一定的相似性。,一、微生物遗传变异的物质基础,（一）遗传变异的物质基础,肺炎双球菌转化实验证实了DNA是生物噬菌体感染实验遗传物质烟草花叶病毒的拆开与重建实验（部分病毒为RNA）,肺炎双球菌转化实验证实了DNA是生物噬菌体感染实验遗传物质烟草花叶病毒的拆开与重建实验（部分病毒为RNA）,（1）动物实验对小鼠注射活R菌或死S菌小鼠存活对小鼠注射活S菌小鼠死亡对小鼠注射活R菌和热死S菌小鼠死亡,1.经典转化实验（肺炎双球菌）S型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有荚膜R型菌株：无致病性，菌落表面粗糙，无荚膜,（2）细菌培养实验热死S菌不生长活R菌长出R菌热死S菌+活R菌长出大量R菌和少量S菌,以上实验说明：加热杀死的S型细菌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型细胞获得稳定的遗传性状.,加S菌DNA加S菌的RNA加S菌的蛋白质加S菌的荚膜多糖,活R菌,R菌S菌,只有R菌,只有S型细菌的DNA才能将R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。,2.噬菌体感染实验,85,3.植物病毒的拆开与重建实验,将TMV拆成蛋白质外壳与RNA，分别对烟草进行感染试验，结果只有RNA能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。,选用TMV和HRV，分别拆分取得各自的RNA和蛋白质：（1）RNA（TMV）蛋白质（HRV）（2）RNA（HRV）蛋白质（TMV）用两种杂合病毒感染寄主：（1）表现TMV的典型症状并分离到正常TMV粒子（2）表现HRV的典型症状并分离到正常HRV粒子。上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。,（二）DNA的结构与复制,1.DNA的结构,（1）DNA是由两条反向平行的聚核苷酸链围绕同一中心轴盘旋形成的右手双螺旋结构；（2）由磷酸和核苷酸相间组成的主链位于螺旋的外侧；（3）侧链碱基位于内侧，两条链间的碱基以氢键互相配对。,2.DNA的复制,特点：半保留式复制，确保了复制的精确性。过程：双链间氢键断裂双螺旋解旋各自为模板合成互补链氢键连接形成新的双螺旋,基因：生物体内DNA分子上储存遗传信息的、有自我复制能力的具有特定的碱基顺序的核苷酸片断。,1.真核微生物大部分DNA蛋白质染色体，呈丝状，存在于细胞核中，极少数DNA存在于细胞器中(线粒体、核糖体)2.原核微生物染色体单纯由DNA或RNA高度折叠成具有一定空间结构的核区，核区以外的闭合环状DNA称为质粒。,3.遗传物质的存在形式,变异：子代与亲代或子代与子代之间在形态、构造、生态和生理生化特性方面总存在差异，凡能引起遗传改变的现象称为变异。,突变：遗传物质突然发生的可遗传的变化。由于重组或附加体等外源遗传物质的整合而引起的DNA改变，不属于突变。,二、微生物的突变,变种（变株）：发生了基因突变的微生物个体在形态、生理生化或其它方面的性状发生改变，改变了的性状可以遗传。,基因突变1.按突变涉及的范围染色体畸变,（一）突变的类型,基因突变：发生在一个基因片段内部，只涉及1对或几对碱基对，由于碱基对的替代或增减造成。转换：A-TG-CC-GT-A碱基对替代颠换：A-TT-AC-GG-C碱基对增减：移码突变,正常DNA链上的三联密码子ABCABCABCABCABCABCABCABC增添了一个碱基ABCABCAB+CABCABCABCABCAB缺失了一个碱基AABCBCABCABCABCABCABCABCA增添了一个碱基缺失一个BABCABCAB+CABCABCACABCABC,染色体畸变染色体数目不变，但有较大范围的结构改变，由DNA（RNA）片段缺失、重复或重排造成。缺失重复倒位易位,同源染色体homologouschromosomes定义：形态、结构、遗传组成基本相同和在减数分裂中彼此联会的一对染色体，一个来自母方，另一个来自父方。一般在同源染色体上有相同的基因座位，因此二倍体细胞中的基因都有两份。,突变株的表型成因检出方法因突变而丧失合成一补充培养基营养缺陷型种或几种生长因子的能力不能在基本培养基上生长突变株抗性突变型因突变而产生了对某药物培养基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培养条件改变可正常生长、繁殖并实现其表型，而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型,2.按表型改变分,突变株的表型成因检出方法形态突变型因突变而产生的个体形态或菌落形态的非选择常用颜色变化性变异抗原突变型因突变而引起的抗原借助于抗原性发生改变抗体反应产量突变型因突变而获得的在有测定产量或用代谢物产量上高于其它原始菌株的突变株,自发突变诱发突变自发突变：没有人工参与，自然条件下发生。原因：自然界中存在的辐射、环境诱变剂以及遗传重组的差错和DNA的复制差错。,3.按突变的条件和原因,物理诱变：紫外线、X、射线、激光、等离子化学诱变：烷化剂复合处理及协同效应：同一种诱变剂重复使用或几种先后使用。定向培育和驯化：特定环境，长期处理,诱发突变：物理或化学因素促使细胞DNA分子结构发生改变、内部碱基配对发生失误。,1.自发性：2.稀有性：10-910-63.诱变性：提高突变率10106倍4.独立性：各个体突变独立进行5.稳定性：突变基因相对稳定，性状可稳定遗传6.可逆性：,（二）基因突变的特点,（三）基因突变的机制*,1.自发突变的机制自然界中存在的诱变效应：辐射、光、热微生物自身代谢产物的诱变效应：咖啡碱、硫氰化合物碱基的互变异构效应：A:TA:TA:TeG:CG:TeG:TeDNA中碱基错配、跳格等,碱基对的置换：化学诱变剂A：烷化剂、亚硝酸等：直接与碱基发生化学反应B：碱基类似物：肌体缺乏天然碱基时，直接掺入到DNA分子中移码突变：DNA分子中碱基对的增加或减少,2.诱发突变机制,染色体畸变：DNA分子中基因片段的易位、倒位、缺失、重复，射线、烷化剂、亚硝酸等光复活作用切除修复作用重组修复作用紧急呼救修复系统,DNA修复损伤机制,三、微生物的基因重组,基因重组：遗传物质从一个微生物细胞向另一个微生物细胞传递,而达到基因的改变，形成新的遗传型个体的过程。,（一）原核生物的基因重组转化转导接合溶源性转变,一个种或品系的生物吸收来自另一个种或品系生物的遗传物质,通过交换组合把它整合到自己的基因组中去，从而获得后者某些遗传性状的现象。,1.转化,转化过程：从供体菌中提取DNA片段与受体细胞结合DNA片段中的一条链降解，另一条侵入与受体细胞染色体上的同源区段配对合成双链染色体复制细胞分裂形成转化子,转化因子：供体菌的DNA片段转化子：转化后的受体菌感受态：细胞能从环境中吸收转化因子的生理状态。影响感受态出现的因素：菌种的遗传特性、生理状态、培养环境等。,影响转化效率的因素：受体细胞的感受态受体细胞的限制酶系统和其它核酸酶受体和供体细胞的同源性。,2.转导,以噬菌体为媒介，把一个菌株的遗传物质导入另一个菌株，并使该菌株获得另一菌株的遗传性状。,普遍性转导：噬菌体能传递供体菌株的任何基因。特异性转导：噬菌体只能传递供体菌株的某些特定基因。,普遍性转导过程：噬菌体侵染供体细胞供体染色体断裂，噬菌体蛋白质衣壳和DNA合成衣壳包裹供体DNA片段侵染受体菌株供体DNA片段整合到受体DNA上完全转导供体DNA片段不能整合到受体DNA上，也不能复制，但能表达,流产转导,特异性转导过程：噬菌体侵染供体细胞供体细胞溶源化噬菌体和供体菌染色体间发生交换转导型噬菌体（转导颗粒）侵染受体菌,形成稳定转导子（取代）形成不稳定转导子（整合),供体和受体菌直接接触传递遗传物质。遗传类型不同时称为杂交。,3.接合,F因子：一种质粒，能自我复制。F-菌株：雌性细菌不含F因子。F+菌株：F因子游离在染色体之外，为自主复制的环状DNA小分子。Hfr菌株：F因子整合在染色体上，随染色体一起复制。（highfrequencyrecombination)F菌株：F因子游离，但带有一小段细胞核DNA。,雄性细菌,接合过程：F与F：F与F混合、配对细胞间形成接合管F菌株F因子的1条链断裂、解旋并进入F供体细胞内重新合成1条新链并形成双链F因子受体细胞内也合成1条互补链并形成F因子双链。结果：F变成F,F与F：过程同上，结果产生2个F。,Hfr与F-:Hfr与F混合、配对细胞间形成接合管Hfr菌株的DNA向F转移,转移完全结果产生Hfr转移不完全结果仍是F-,4.溶源性转变由于噬菌体溶源现象，使菌株遗传性状发生改变的现象。与转导的不同：噬菌体不携带供体的基因，只是把自己的DNA整合到受体菌株。,(二）真核微生物的基因重组1.有性杂交遗传性状不同的2个性细胞相互接合，通过质配、核配、减数分裂，部分染色体发生随机交换，由此产生重组染色体及新的遗传型。,有性杂交准性生殖,2.准性生殖：遗传性状有差别的2个同种亲本体细胞融合后，不经过减数分裂和接合的交替，不产生有性孢子和特殊的囊器，仅导致低频率的基因重组。,过程：菌丝联结形成异核体（两个核）形成杂合二倍体（两个核融合）单倍体化，形成单倍体杂合子（染色体发生交换）。,突变的类型,突变的范围突变的表型突变的原因,突变的特点,基因重组,原核生物：真核生物：,同源染色体形态、结构、遗传组成基本相同和在减数分裂中彼此联会的一对染色体，一个来自母方，另一个来自父方。一般在同源染色体上有相同的基因座位。,同源性并不意味着序列完全相同，两DNA分子只要含有一段碱基序列大体类似的同源区，即使相互间略有差异，仍然可以发生重组。,自然界中工业菌种的筛选微生物的诱变育种微生物的杂交育种原生质体育种利用基因工程技术进行菌种改良,四、微生物的菌种选育,（一）自然界工业菌种的筛选程序1.采样：土壤、水样2.增殖培养：选择性培养基、选择性培养条件，设法增加所要菌种的数量。3.培养分离：稀释平板分离、划线分离等，目的是确保培养出单菌落。4.筛选：菌落形态菌种鉴定试管斜面培养小型发酵试验5.毒性试验：2年以上,（二）微生物的诱变育种1.出发菌株选择：对诱变剂敏感、变异幅度广、产量高的菌株。2.同步培养：使菌悬液中细胞达到同步生长状态3.单细胞悬液制备：先收集菌体并洗涤，然后用生理盐水或缓冲液配制，振荡使分散度90以上。4.诱变处理：物理诱变、化学诱变5.中间培养：使细胞内原有酶量稀释，以得到纯的变异细胞。6.分离筛选：形态、平皿反应（生理特性）,变色圈、透明圈、抑菌圈等,营养缺陷型突变体的筛选及应用,营养缺陷型：缺乏合成某些营养物质的能力，必须在其基本培养基中加入相应缺陷的营养物质才能正常生长繁殖的变异菌株。,基础培养基：MM完全培养基：CM补充培养基：SM,基本步骤：诱变淘汰野生型检出缺陷型确定生长谱,营养缺陷型菌株的筛选,淘汰野生型方法：抗生素法、菌丝过滤法营养缺陷型的检出方法：影印法、夹层法、逐个检出法、补充培养法等,确定生长谱：确定其缺陷因子方法：不同组合的营养混合物与MM培养基铺成平皿后分离。,营养缺陷型菌株的应用,微生物分析法：定量分析各种生长因素，分析食品中氨基酸和维生素的含量作为研究微生物经转化、转导、接合、杂交育种的标记,（三）微生物的杂交育种将两个基因型不同的菌株的细胞互相联合、细胞核融合、减数分裂，遗传性状会出现分离和重新组合，产生具有新性状的重组体，然后经分离和筛选，获得符合要求的生产菌株。,由于杂交育种是选用已知性状的供体和受体菌种，因此无论在方向性还是自觉性方面，都比诱变育种前进了一步。,（四）原生质体育种主要技术：原生质体融合、原生质体转化、原生质体诱变原生质体融合的步骤：原生质体制备融合再生培养选择性培养基上划线培养分离验证生产性能筛选,基因工程技术：将含目的基因的DNA片断经体外操作与载体连接，转入受体细胞并使之扩增、表达的过程。,（五）利用基因工程技术进行菌种改良,步骤：1.目的基因的获得2.载体的选择3.目的基因与载体连接，构成重组载体4.将重组载体引入受体细胞5.筛选带有目的基因的转化细胞6.鉴定外源基因的表达产物,1.微生物菌种的保藏微生物生长的条件：温度、水分、氧气、营养、pH、渗透压等。微生物保藏的原理：采用低温、干燥、缺氧、缺乏营养、添加酸度中和剂等方法，使微生物生长代谢受到抑制。,五、微生物菌种的保藏及复壮,A：蒸馏水悬浮法：保存时间较短B：斜面传代保藏法：实验室用，46保藏，每36个月转接1次。C：矿物油浸没法：隔绝空气D：干燥