遗传与变异1.2节.ppt

第八章微生物的遗传与变异 无角牛 长角牛 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 遗传 heredity 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 特点 具稳定性 遗传型 环境条件表型表型 phenotype 遗传特性在一定环境条件下的具体表现 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 特点 a 在群体中以极低的几率出现 10 6 10 10 b 形状变化的幅度大 c 变化后的新性状是稳定的 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个个体都发生同样的变化 b 性状变化的幅度小 c 新性状是不遗传的 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 1遗传变异的物质基础 转化实验三个经典实验噬菌体感染实验植物病毒的重建实验七个水平DNA存在方式原核生物的质粒 遗传变异的物质基础 核酸是否能担当生命体内遗传与变异曾是生物学中推测与争论的重大理论问题 一 三个经典实验 三个实验均用微生物材料 肺炎链球菌的转化实验 噬菌体的感染实验 植物病毒的重建实验 核酸是决定生物体遗传物质的基础 一 经典转化实验 transformation 实验者 F Gruffith 1928 O T Avery等 1944 材料 Streptococcuspneumoniae 肺炎双球菌 有荚膜为致病株 称S型菌株 R型为无毒株 致病性 人患肺炎 鼠患败血症而亡 试验 动物试验 细菌培养试验和S型菌株细胞抽提液试验及离体条件下的转化实验 结论 S型菌株具有小鼠致死及使R型菌株转化为S型菌株的转化物 1 动物实验 1 活R 小白鼠 未死 热死S 小白鼠 未死 2 活S 小白鼠 死亡 3 热死S 活R 小白鼠 死亡 分离出活S 2 细菌培养实验 1 热死S菌 培养皿培养 不生长 2 活R菌 培养皿培养 长出R菌 3 热死S菌 活R菌 培养皿培养 长出大量R菌 少量S菌 3 S菌无细胞抽提液实验S菌无细胞抽提液 活R菌 培养皿培养 长出大量R菌 少量S菌 加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖 活R菌 长出S菌 只有R菌 1944年O T Avery C M MacLeod和M McCarty从热死S型S pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分 并在离体条件下进行了转化试验 只有S型细菌的DNA才能将S pneumoniae的R型转化为S型 且DNA纯度越高 转化效率也越高 DNA是转化所必需的转化因子 二 噬菌体感染实验 研究者 A D Hershey和M Chase 1952 材料 E Coli方法 同位素标记32P DNA或35S 蛋白 上清液中含15 放射性 沉淀中含85 放射性 1 含32P DNA的一组 放射性85 在沉淀中 沉淀中含25 放射性 以35S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验 2 含35S 蛋白质的一组 放射性75 在上清液中 上清液中含75 放射性 三 植物病毒的重建实验 创建者 H Fraenkel Conrat 1956 材料 TMV和HRV巧思 将两病毒的核酸与衣壳蛋白分开 然后交叉重建成杂合病毒 再做感染试验 观察所成病斑类型 二 遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式 一 核酸在胞内存在的七个水平细胞水平 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 核外DNA的种类 核外染色体 真核生物的 质粒 原核生物的质粒 线粒体细胞质基因叶绿体 质体 中心体动体共生生物 卡巴颗粒酵母菌的2 m质粒 F因子R因子Col质粒Ti质粒巨大质粒降解性质粒 基因的含义及功能 基因 存在于生物体内 具自主复制的遗传功能单位 即为一段特定排列顺序的核苷酸每个基因约1000bp 功能 原核基因调控系统 启动子 基因 操纵子操纵子 基因 基因调控系统结构基因调节基因 二 原核生物的质粒 1 定义 凡游离于原核生物核基因组之外 具有独立复制能力的小型共价闭合环状的双链DNA分子 称为质粒 plasmid 2 特点 具有麻花状的超螺旋结构 大小1 5 300kb 分子量106 108 相当于1 核基因组大小 质粒也能进行复制 遗传 含有核基因组没有的少量基因 质粒虽含有少量基因 但不象染色体那样重要 因为丧失了质粒 生物体并不死亡 只是丧失由它们所决定的某些性状 质粒的种类很多 有致育F因子 抗药性R因子 大肠杆菌毒素Col因子 诱癌Ti因子 假单胞菌的 降解 质粒等 2基因突变和诱变育种 基因突变突变类型突变率突变的特点基因突变自发性和不对应性基因突变机制 诱变育种自发突变与育种诱变育种 一基因突变 genemutation 遗传物质的结构发生改变 狭义的突变专指基因突变 广义的突变包括基因突变和染色体畸变 特点 突然发生 由体内外未知或已知因素综合作用结果 可遗传 几率低 10 6 10 9 染色体畸变 狭义的突变专指基因突变 广义的突变包括基因突变和染色体畸变 一 突变类型 突变株的表型 选择性突变株 非选择性突变株 营养缺陷型 株 抗性缺陷型 株 形态突变型 株 抗原突变型 株 产量突变型 株 条件致死突变型 株 选择性突变与非选择性突变 选择性突变 在选择性培养基上能快速鉴别与区分的微生物突变 非选择性突变 non selectivemutant即无法用选择性或鉴别性培养基来鉴别与区分的微生物突变 营养缺陷型 auxotroph 某一野生型菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子 碱基或氨基酸的能力 因而无法再在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型 称为营养缺陷型 它们可在加有相应营养物质的基本培养基平板上选出 抗性突变型 resistantmutant 指野生型菌株因发生基因突变 而产生的对某种化学药物或致死物理因子的抗性变异类型 原始或出发菌株对某种化学或物理因子无抗性经基因突变后成为具有抗性可在加有相应理化因子的平板中选择之 条件致死突变型 conditionallethalmutant 出发菌株经突变在某种条件下可生长 而在另一种条件下不能生长繁殖 例 E ColiTs突变株 即温度敏感突变株 有些菌株在37 下生长正常 却不能在42 下生长 T4噬菌体的某些感染性突变株在25 下具有感染性 而37 下丧失 形态突变型 morphologicalmutant 即由突变而产生个体或菌落形态所发生的非选择性突变 例 孢子有无或颜色变化 鞭毛有无或荚膜有无的突变 有时可引起菌落表观改变而具有选择性 抗原突变型 antigenicmutant 指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异的类型 类型多 细胞壁成份改变或丧失 荚膜改变或丧失及鞭毛的有无等 产量变异型 由基因突变所致的获得代谢产物的产量高于出发菌株之变异株 常称产量突变型或高产菌株 highproducingmutant 分为 正变株与负变株 产量性状是多基因与复杂因素的综合结果 故获取高产菌株是一个逐步累积 变异机理十分复杂探索过程 二 突变率 某一细胞 或病毒粒子 在每一世代中发生某一性状突变的几率 称突变率 一细胞在1亿次分裂中只发生1次突变 突变率为10 8 108个细胞群体分裂为2 108个细胞 平均发生1次突变 突变率也为10 8 基因突变一般独立发生 菌名突变性状突变率E coli抗T1噬菌体3 10 8E coli抗T3噬菌体1 10 7E coli不发酵乳糖1 10 10E coli抗紫外线1 10 5Staphylococcusaureus抗青霉素1 10 7S aureus抗链霉素1 10 9Salmonellatyphi抗25 g L链霉素1 10 6Bacillusmegaterium抗异烟肼5 10 5 若干细菌某一性状的突变率 三 突变的特点 不对应 致突性状与诱突因子无对应性自发性 性状突变可与人为诱变无关系稀有性 突变虽自发 但却突变率极低独立性 任何性状突变各自独立发生的稳定性 突变子一旦形成是可以遗传的可诱性 加诱变剂可使突变率得以提高可逆性 既可正向突变又能回复变异之 四 基因自发突变自发性和不对应性的实验证明 关于基因自发与不对应性突变的争论曾十分激烈 而巧妙的构思与精密的实验来自科学工作者的勤奋与努力探索闯新的实验证明 如 变量试验 fluctuationtest 1943 涂布试验 newcombeexperiment1949 影印平板试验 replicaplating 1952 1 变量实验 fluctuationanalysis SalvadorLuriaandMaxDelbruck 1943 TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1969 3 影印实验 replicaplating JoshuaLederbergandEstherLederberg 1952 JoshuaLederberg J LederbergisawardedtheNoblePrizeinMedicineandPhysiologyin1958 Velveteen 锦绒布 Auxotroph 营养缺陷型 Prototroph 原养型 五 基因突变及其机制 导致变异的原因是多种多样和复杂的 可概括为基因受内 外环境作用的综合结果与反映 大致可分为自发突变或诱发突变 诱变包括点突变或畸变两大类 基因突变的具体类型 5 BU 酮式 5 BU 烯醇式 碱基的置换 间接引起置换的诱变剂 碱基类似物 碱基的置换 烯醇式 酮式 自发突变 自发突变 无人为参与 即生物体在自然环境条件作用下所产生的各种变异 特点 突变机理相同只是诱因不清剂量不清不知作用时期不晓如何协同作用难明综合 即为原因不详的低剂量诱因的长期综合作用结果 引起自发突变的可能有以下几点 背景辐射和环境因素的综合生物体自身有害代谢物的致变作用在生物体内外环境下DNA互变异构效应DNA自我复制中的环出效应等 六 uv对DNA的损伤及修复 1诱变机制DNA相邻嘧啶间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体 二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用 并引起双链结构扭曲变形 阻碍碱基间的正常配对 从而有可能引起突变或死亡 2光复活作用 经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时 可明显降低其死亡率的现象 PREenzyme 光激活酶 2暗修复作用 暗修复作用 切除修复 有四种酶参与 内切核酸酶外切核酸酶DNA聚合酶连接酶 二诱变育种 一 自发突变与育种生产选育 丰富实际经验和细致观察及抓住良机的有效育种手段 定向选育 选用某一特定因素 长期处理微生物的群体 同时不断地连续传代 以达到累积相应自发突变株 二 诱变育种 诱变育种 是用物理或化学的诱变剂使诱变对象内的遗传物质 DNA 的分子结构发生改变 引起性状变异并通过筛选获得符合要求的变异菌株的一种育种方法 诱变育种的意义堤高产量与改善产品质量扩大品种与简化生产工艺等目的 诱变剂的种类 种类多 可分为理 化两大类 物理类 非电离辐射类的紫外线与激光及电离辐射的X射线和快中子等 化学类 有烷化剂类 碱基类似物和吖啶类化合物等 最常用的NTG EMS 甲基磺酸乙酯 NMU 甲基亚硝基脲 DES 硫酸二乙酯 氮芥 乙烯亚胺和环氧乙酸等是烷化剂类诱变剂 诱变育种的环节 诱变育种的原则 选择简便有效的诱变剂 选择优良的出发菌株 处理单孢子悬液 选择最适剂量 利用复合处理的协同效应 利用和创造与形态 生理 产量等相关的指标 营养缺陷型突变株的筛选 三种培养基 基本培养基 MM满足野生型 完全培养基 CM满足缺陷型 补充培养基 A B 满足特殊缺陷型 三类遗传型 野生