微生物的遗传变异和育种.ppt

1 8 微生物的遗传变异和育种 遗传和变异是一切生物最本质的特征 细胞是遗传和变异的基本单位 生物个体的遗传信息随着细胞分裂 由一个细胞传递到子代细胞 这些遗传指令储存于每个活细胞内的基因中 基因的化学本质是DNA分子 DNA并不直接指导蛋白质的合成 遗传信息的流向是从DNA到RNA再到蛋白质 细胞将DNA转录成RNA 随后利用RNA上的信息翻译成蛋白质 2 质粒是一类很特别的亚细胞有机体 质粒携带着功能不同的许多基因 并能稳定地游离于细胞染色体之外 这一特性被广泛应用于选育难降解污染物的降解菌株等环境工程中 遗传是相对的 变异是绝对的 遗传中有变异 变异中有遗传 遗传和变异的辩证关系使微生物不断进化 3 所谓微生物的遗传性是指每种微生物所具备的亲代性状在子代重现 子代性状与亲代基本上一致的现象 1 遗传的保守性遗传的作用在于保持生物物种的存在和延续 并保持物种的相对稳定性 遗传引起的亲代与子代严格的相似性 称为遗传的保守性 4 2 变异的多样性 任何一种生物的亲代和子代以及个体之间 在形态结构和生理机能方面都有所差异 这一现象叫做变异 变异是生物对环境能动适应性的表现 在新的生活条件下细菌基因突变 有些突变会产生适应新环境的酶 适应酶 从而适应新环境并生长良好 基因突变是变异的分子本质 内在的变化必然带来外在的变化 细菌变异外在表现形式很多 例如 个体形态的变化 菌落形态 光滑型 粗糙型 的变异 营养要求的变异 对温度 pH要求的变异 毒性的变异 抗毒能力的变异 生理生化特性的变异及代谢途径 产物的变异等 5 3 遗传与变异的辩证关系 遗传与变异是所有生物包括细菌最基本的属性 两者相辅相成 相互依存 遗传中有变异 变异中有遗传 遗传是相对的 变异是绝对的 有些变异了的形态或性状 又会以相对稳定的形式遗传下去 但是并非一切变异都具有遗传性 6 决定决定 1 DNA蛋白质细菌的几乎一切复制 2 亲代DNA子代DNA决定 3 复制传递的稳定性遗传的保守性决定 4 子代DNA的变异变异的多样性 7 格里菲斯实验 8 1遗传变异的物质基础 8 肺炎链球菌的转化现象 9 1928年英国细菌学家格里菲斯 Grifftll 发现肺炎双球菌中S 型菌株 菌落光滑 产生荚膜 当它感染人 小白鼠或家免等时均可致病 其中R 型菌株菌落粗糙 不产生荚膜物质 感染人 小白鼠或家免均不致病 当将R 型活菌注射小白鼠 小白鼠健康不致病 并可从健康的鼠体分离到R 型肺炎双球菌菌落 将S 型的肺炎双球菌注射小白鼠 小白鼠被杀死 从小鼠体内会分离出S 型的肺炎双球菌 将加热杀死的S 型细菌破碎细胞注射入小鼠细胞 小白鼠健康不致病 小鼠体内没有S 型细菌 将加热杀死的S 型细菌与R 型活细菌混合后注射小白鼠 小白鼠死亡 并可从死鼠体内分离到S 型活细菌 当时虽然发现了这一有趣的现象 但并不知道其中的原因 10 1944年才通过试验找出了其中的原因 试验方法如下 11 8 2 细菌的选育与细菌的变异 废水生物处理中起决定性作用的自然是具有高效废物降解能力的微生物 主要是细菌 这些微生物菌种通常都是通过对自然界微生物的筛选与定向培育获得 细菌及其它微生物的筛选与定向培育就称为选育 细菌在自然界是混居的 从中挑选出符合我们需要的细菌就是细菌的筛选 一般而言筛选出来的细菌性能还不是十分理想 通常还需要定向培育 即通过有计划 有目的地控制微生物生长条件 改变细菌遗传性 使其变异为我们需要的理想的废物降解菌 12 在水的生物处理中 这种定向培育过程通常又称为驯化 驯化方法的分子机制有两种 一种是诱导细菌处于休眠状态的功能基因复苏 产生相应得酶 另一种是改变细菌的基因 后一种又分为两条途径 第一条是利用细菌的基因突变 另一条则是人为对细菌进行基因重组改造 这里重点介绍细菌基因改造的驯化方法 我们首先介绍一下细菌的筛选 它是驯化工作的第一步 13 1 细菌的筛选方法 细菌的筛选方法原理是适者生存原理 利用选择性培养基从混杂的各种细菌中单独培养出能满足特殊需要的天然细菌 通常的筛选都是通过人为筛选与天然筛选相结合来进行的 例如筛选能降解石油的细菌 在长期被石油污染的土壤里 适应石油环境利用石油作为食物的细菌必然被天然筛选了出来 我们收集这种土壤样品在实验室用石油降解菌选择性培养基 对样品中的石油降解菌进行进一步的选择培养 筛选 富集 为下一步的驯化工作奠定基础 14 2 细菌的驯化 诱导法诱导法通过以毒性底物为培养基中的唯一碳源 并逐渐提高其浓度 促使细菌由于这种底物的长期缺乏而休眠的基因恢复活性 产生相应的降解酶 从而恢复对毒性底物降解的能力 这种方法主要常用于有机毒物降解菌的驯化 优点是操作简便 因而使用较为普遍 但由于受到细菌固有能力的限制 驯化的潜力有限 15 基因突变法 能动地利用细菌基因突变原理进行细菌驯化的方法就是基因突变法 细菌的基因突变是细菌基因中的碱基组成 顺序的突然改变 能造成这种改变的因素很多 如因温度 紫外线 核辐射 酸 碱 人工诱变剂等自然和人为的因素 他们会造成DNA碱基丢失或DNA复制出现错配或DNA修复时出现差错 这些将引起基因突变 基因突变有这样几个特点 16 A 基因突变的特点 无定向性无定向性是指突变的发生没有固定的方向 如在紫外线作用下 除产生抗紫外线的突变体外 还可诱发任何其他性状的变异 其他诱变因子也是一样 这样突变体发生后 既可能造成细菌的死亡 也可能使细菌获得了更适应环境的能力 没有特定的方向 对环境的适应程度将决定突变后的细菌能否生存 繁殖 稀有性突变发生的频率很低 即稀有性 突变率是指每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的机率 通常为10 5 10 10 也就是说十万至一百亿个细菌中产可能有一个细菌的基因发生突变 自发性细菌基因突变的发生可以在没有人为诱变因素的处理下自然发生 17 独立性某一基因的突变 既不提高也不降低其他任何基因的突变率 说明基因突变不仅对某一个细胞是随机的 而且对某一基因也是随机的 稳定性稳定性是指由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化 所以产生的新的变异性状也是稳定的 可遗传的 可逆性突变可以由原始的野生型向突变型方向进行 称正向突变 也可以反过来 由突变型向野生型的转变 称回复突变 诱变性自发突变的发生频率很低 但是通过人为施加诱变剂处理后突变率可大大提高 一般可提高10 105倍 这是人工诱变情况下的基因突变特点突变利用基因突变的特点 人们通常通过人工诱变进行细菌的基因改造 18 B 诱变 人为地利用物理化学因素 引起细胞DNA分子中碱基对发生变化叫诱变 所利用的物理化学因素称为诱变剂 常用的诱变剂有紫外线 5 溴尿嘧啶 亚硝酸 卟啶染料等 诱变的步骤为 制出发菌株的单细胞悬浮液为了使出发菌株均匀的接触诱变剂 应向细菌培养液中加入玻璃珠 并保持在诱变过程中始终进行振荡搅拌形成出发细菌的单细胞悬浮液 19 选择合适的诱变剂剂量进行诱变诱变剂对细菌而言都是毒药 量太少起不到诱变作用 量太大则会完全杀死细菌 因此每一种诱变剂在使用时都有一定的最佳剂量 例如在进行细菌紫外诱变时 通常使用15或20W的紫外灯距离细菌单细胞悬浮液15 30cm 照射15 20min 筛选利用特制的选择性培养基再从各种突变体中筛选出我们需要的突变体 并进行富集培养 至此诱变的任务就算完成了 获得了理想的菌种 这种方法的潜力要远大于诱导法 但操作复杂 在实际诱变中 往往要经过几次不同诱变方法的诱变处理以及大量繁琐的筛选分离工作才有可能获得理想的突变体 最后这些突变体将会在实验室小试 中试的基础上被投放到生产实践中 20 通常生产上更多利用的是细菌的自发诱导与突变 而不采用基因诱变 如驯化活性污泥及生物膜的方法 一般是把培养 选择 淘汰结合在一起 在特定废水中有些菌种不能适应被淘汰 能产生诱导酶的菌株及自发突变体中能来降解此类废水的菌种能够生存而被保留下来 同时大量繁殖 使废水达到预期的排放标准 另一方面 国外目前正在研究针对某种废水用人工诱变方法筛选大量具有很强分解能力及絮凝能力的菌株 并把它们做成干粉状的产品 如同市面出售的酵母干粉一样 这时细菌处于休眠状态 当工厂处理此类废水时 可把干粉状菌种置于30 水中溶解30min 使细菌恢复活性 不必再驯化 对所需处理的废水有较好效果 21 基因重组法 A 定义基因重组法是将供体细胞DNA融合入另一个细胞的DNA中 使受体细胞基因重新排列 并出现植入DNA基因对应生物特性的细胞改造方法 基因重组是两种DNA的拼接 不发生任何碱基对结构上的变化 这是与基因突变最大的不同之处 B 重组形式基因重组同样有自发的基因重组与人工的基因重组之分 二者的原理本质上是完全相同的 微生物中基因重组的形式很多 在真核微生物中 基因重组是通过二个配子相互融合的有性繁殖的过程中发生的 故称为杂交 在细菌等原核微生物中通常只是部分遗传物质的转移和重组 如转化 转导和接合等都是基因重组在细胞水平上的反映 22 转化 转化 Transformation 是供体细胞研碎物中的DNA片段直接吸收进入活的受体细胞的基因重组方式 受体细胞获得了供体细胞的部分遗传性状 转化现象是1928年英国的细菌学家格里菲斯首先发现的 为纪念格里菲思先生当时发现这一现象的实验被命名为格里菲斯实验 23 细菌转化过程可大体分为以下几步 感受态细胞的出现吸附外源DNA片段外源DNA进入细胞内受体DNA解链形成受体DNA 供体DNA复合物DNA复制和分离其中感受态细胞的出现是关键 所谓感受态细胞是能吸收外来的DNA片段 并能把它整合到自己的染色体组上以实现转化的细胞 感受态细胞是由遗传性决定的 也受细胞的生理状态 菌龄 培养条件的影响 目前发现自然状态下许多其它细菌 放线菌 真菌和高等动植物中都也有转化现象 24 接合细菌的接合是细菌遗传物质染色体DNA片段或质粒DNA通过细菌与细菌的直接接触而进行的转移和重组的现象 在第二章细菌的繁殖一节中 细菌的有性繁殖实际上就是这里所说的接合 转导遗传物质通过噬菌体的携带而转移的基因重组现象称为转导 转导是1951年辛德尔 Zinder 和莱德贝尔格 1Jederberg 在研究鼠沙门氏伤寒杆菌重组时发现的 25 26 基因重组的3种形式 其中细菌的接合必需两个细胞直接接触 而转化和转导无需细胞直接接触 转化没有噬菌体作媒介 转导必须通过噬菌体转移遗传物质 基因重组率均很低 27 8 3遗传工程与细菌改造 遗传工程是70年代初发展起来的生物技术 按照人们预先设计的生物蓝图 通过对遗传物质的直接操纵 改组 重建 实现对遗传性状定向改造的方法称为遗传工程 目前采用的基本方法是 把遗传物质从一种生物细胞中提取出来 在体外施行 外科手术 然后再把它导入另一种生物细胞中 改变其遗传结构 使之产生符合人类需要的新遗传特性 定向地创造新生物类型 之所以称其为遗传工程是由于 它的操作方法采用了对遗传物质体外加工 类似工程设计那样很高的预见性 精确性与严密性 28 遗传工程的方法 遗传工程方法包括两个水平的研究 一种是细胞水平 另一种是基因水平 所以 又可把它分为细胞工程和基因工程 细胞水平主要指的是两个细胞的原生质体融合 实验操作停留在细胞的处理层次 相比而言目前研究的主要内容是基因工程 因此 狭义的讲 遗传工程就是基因工程 基因工程是70年代发展起来的 在分子水平上剪接DNA片段 与同种 同属或异种 甚至异界的基因连接成为一个新的遗传整体 再感染受体细胞 复制出新的遗传特性的机体 我们在生物化学课中的对基因工程原理已作了比较详细地介绍 此处只作一简单回顾 基因工程操作方法如下图所示 29 30 基因工程方法看似简单 但在具体实施上有较大的难度 因为细菌的质粒本身容易丢失或转移 重组的质粒也会面临这个问题 另一方面质粒具有不相容性 两种不同的质粒不能稳定地共存于同一宿主内 只有在一定条件下 属于不同的不相容群的质粒才能稳定地共存于同一宿主中 但无论如何基因工程为培育高效的废物降解菌提供了一条成功的捷径 31 遗传工程在环境工程中的应用 由于新的化学物质的不断发现 难降解污染物的增多 废水处理情况日趋复杂 带有降解某些物质时质粒的微生物往往不一定能在某一废水环境中生存 而能在此种废水条件下生存的细菌又不一定具有降解其中某些物质的质粒 因而各国科学家正试图利用遗传工程 把具有降解某些特殊物质的质粒剪切后 连接到受体细胞中 使之带有一种或多种功能用以处理废水 这种用人工方法选出的多质粒 多功能的新菌种称 超级细菌 32 如 降解石油的超级细菌70年代美国生物学家查克捡巴蒂 Chak