微生物的遗传变异.ppt

第六章 微生物的遗传变异与菌种选育 第一节遗传变异的物质基础第二节微生物的基因突变第三节微生物的基因重组第四节微生物的菌种选育第五节微生物菌种的保藏和复壮 第一节遗传变异的物质基础 种质连续理论 1885年德国生物学家Weissmann提出 他认为遗传是由种质物质从一代到另一代的传递来实现的 遗传物质是种质中一种具有特定分子结构的化合物 基因学说 1933年摩尔根 ThomasHuntMorgan 发现了染色体 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 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 先后利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证 才使人们普遍接受核酸才是真正的遗传物质 第一节遗传变异的物质基础 证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验肺炎双球菌的转化实验噬菌体的感染实验烟草花叶病毒的拆开与重组实验 一 肺炎双球菌的转化实验 研究对象 Streptococcuspneumoniae 肺炎双球菌 S型菌株 有荚膜 菌落表面光滑 有致病性R型菌株 无荚膜 菌落表面粗糙 无致病性 一 肺炎双球菌的转化实验 一 肺炎双球菌的转化实验 细菌培养试验热致死S型菌培养皿培养无菌落生长R型活菌培养皿培养培养出R型菌落热致死S型菌 R型活菌培养皿培养培养出大量R型和S型菌落R型活菌 S菌抽取提物培养皿培养培养出大量R型和S型菌落 一 肺炎双球菌的转化实验 推断 已经被加热杀死的S型细菌中 存在着使R型活细菌转变成S型细菌的 转化因子 这一 转化因子 究竟是什么物质 当时的格里菲思并不知道 格里菲思之谜 一 肺炎双球菌的转化实验 转化因子 的本质是什么 1944年 美国科学家艾弗里和他的同事 应用分子生物学技术 从S型活细菌中提取出了DNA 蛋白质和多糖等物质 然后将它们分别加入培养R型细菌的培养基中 结果发现只有加入DNA R型细菌才能转化为S型细菌 DNA的纯度越高 转化的效果就越显著 一 肺炎双球菌的转化实验 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 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 说明S型菌株转移给R型菌株的 是遗传因子 一 肺炎双球菌的转化实验 结论 S型细菌的DNA使得R型转化成S型细菌 DNA是转化因子 是使R型细菌产生稳定的遗传变化的物质 即DNA是遗传物质 二 噬菌体的感染实验 二 噬菌体的感染实验 1952年侯喜 A Hershey 和蔡斯 M Chase 利用示踪元素 对大肠杆菌T2噬菌体进行了这类实验 先用含有35S和32P两种元素的培养基培养大肠杆菌 然后让T2噬菌体侵染培养后的大肠杆菌 从而使T2噬菌体打上35S和32P的标记 让这种T2噬菌体侵染不含标记元素的大肠杆菌 并在T2噬菌体完成了吸附和侵入 强烈搅拌洗涤 以便使吸附在菌体外表的T2噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布 再进行离心沉淀 分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记 结果发现 几乎全部35S都在上清液中 而几乎全部32P和细菌一起出现在沉淀物中 二 噬菌体的感染实验 噬菌体的感染实验 用35S标志的噬菌体 用32P标志的噬菌体 二 噬菌体的感染实验 因为对被标记物质进行测试 结果表明噬菌体的蛋白质并没有进入细菌内部 只有噬菌体的DNA才进入细菌体内 所以噬菌体在细菌体内的增殖是在噬菌体DNA的指导下完成的 结论 DNA是遗传物质 蛋白质不是遗传物质 三 烟草花叶病毒的拆开与重组实验 为了证明核酸是遗传物质 美国科学家法朗克 康勒特H Fraenkel Conrat 1956 用含RNA的烟草花叶病毒 TMV 进行了著名的植物病毒的拆开与重建实验 将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡 就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离 然后 用RNA和蛋白质分别去感染烟草 三 烟草花叶病毒的拆开与重组实验 选用TMV和霍氏车前花叶病毒 HRV 分别拆分取得各自的RNA和蛋白质 将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒 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 本节小结 一 肺炎双球菌的转化实验 二 噬菌体的感染实验 三 烟草花叶病毒的拆开与重组实验结论 核酸是遗传变异物质基础 二 遗传物质在细胞中的存在方式 一 细胞水平从细胞水平来看 细胞核 除此之外 在细胞质中存在着一些能自我复制的遗传物质 一般称这部分DNA为质粒 二 亚细胞核水平真核微生物的细胞核有核膜包围 形成具有完整形态 在光学显微镜下清晰可见的细胞核 核内DNA与组蛋白结合在一起构成染色体 三 分子水平DNA RNA 在DNA大分子上存在着决定某些遗传性状的特定区段 即所谓基因 一个基因含若干核苷酸碱基组成的三联密 四种核苷酸 按其排列组合方式的不同 可编出三联密码43 64个 用于决定组成蛋白质的20种氨基酸顺序 起始密码 AUG 和终止密码 UAA UGA和UAG 第二节微生物的基因突变 一 基因突变的类型基因突变的类型是多种多样的 按突变体表型不同 可分为以下几种类型 1 形态突变型 2 条件致死突变型 3 营养缺陷突变型 4 抗性突变型 5 抗原突变型 6 其他突变型 二 基因突变的特点整个生物界 由于它们遗传变异的物质基础是相同的 因此显示在遗传变异的本质上都具有相同的规律 这在基因突变的水平上尤其突出 1 不对应性 2 自发性 3 稀有性 4 独立性 5 诱变性 6 稳定性 7 可逆性 三 基因突变的机理 一 诱发突变及其机理1碱基对的置换 直接引起置换的诱变剂 亚硝酸类 烷化剂类 间接引起置换的诱变剂 碱基类似物 2移码突变3染色体畸变 二 自发突变的机制1背景辐射和环境中多因素低剂量的诱变效应2微生物自身代谢产物的诱变效应3互变异构效应4环状突出效应 碱基对的置换 碱基对的置换可分成两个亚类 一类是DNA链上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 称为转换 另一类是DNA链上的一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换 称为颠换A TT AATC GG CCG双链DNA单链DNA 实线代表转换 虚线代表颠换 直接引起置换的诱变剂 亚硝酸是一种对含有氨基的碱基对直接作用而诱发碱基对转换的诱变剂 它能使碱基中的氨基氧化脱氨 从而使腺嘌呤 A 变成次黄膘呤 H 胞嘧啶C变成尿嘧啶U 而后由于H和C配对 U与A配对 因此当DNA再次复制时 A T就转换为G C 而G C就转换为A T H C H C G C H C G C A T H T A T亚硝酸类引起的碱基对置换 烷化剂是诱变育种极其重要的一类诱变剂 它们的化学结构都带有一个或多个活性烷基 所有这些物质通过烷化磷酸基形成烷化嘌呤和烷化嘧啶与DNA作用 特别是经常形成烷化鸟嘌呤 烷化作用导致基因突变的机制尚未定论 碱基类似物作用 引起碱基配对的错误 烷基在鸟嘌呤引起脱嘌呤作用 使鸟嘌呤从DNA链上脱落下来 进而引起DNA复制时碱基对的缺失和置换 间接引起置换的诱变剂 A BU G BrU G BrU G C5 BU A T A BU A T a G BrU A BU A BU A T5 BrU G C G BrU G C b 5 溴尿嘧啶的诱变效应a 5 BU以酮式掺入 b 5 BrU以烯醇式掺入 移码突变 移码突变这是指由一种诱变剂而引起DNA分子中的一个或少数几个碱基插入或缺失 从而使该部位后面全部遗传密码发生转录错误的一类突变 染色体畸变 染色体畸变是指由诱变剂引起DNA分子的大损伤 它包括染色体结构上的缺失 重复 易位及倒位等 紫外线 X射线 射线等射线及亚硝酸 烷化剂等均能引起染色体畸变 尤其是紫外线能引起DNA分子多处较大的损伤 紫外线主要通过在同链DNA相邻的嘧啶间或在互补双链间形成以共价键结合的胸腺嘧啶二聚体 微生物能以多种方式去修复被紫外线损作后的DNA 主要方式有两种 1 光复活作用 2 暗修复作用 也称切除修复作用 第三节微生物的基因重组 一 原核微生物的基因重组 一 转化 受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段 通过交换组合把它整合到自己的基因组中 从而获得了供体菌的部分遗传性状的现象 称为转化 转化后的受体菌 称为转化子 供体菌的DNA片段称为转化因子 只有处于感受态的细菌才能接受转化因子 进行转化作用 转化过程大致是这样的 从供体菌提取出转化因子双链DNA片段 双链DNA片段与感受态受体菌的细胞表面特定位点结合 在结合位点上 双链DNA中的一条单链逐步降解 同时另一条链逐步进入受体细胞 进入受体细胞的DNA单链与受体菌染色体组上同源区段配对 而受体菌染色体组的相应单链片段被切除 并被进入受体细胞的DNA单链所取代 于是形成了杂种DNA区段 受体菌染色体进行复制 其中杂种区段被分离成两个 一个恢复 一个形成一个转化子 二 转导 transduction 通过缺陷型噬菌体或温和型噬菌体为媒介 将供体细菌细胞中DNA片段携带到受体细菌细胞中 从而使受体细菌获得供体细菌的某些遗传性状的现象 称为转导 根据媒介噬菌体的不同 转导分普遍性转导和局限性转导两类 三 接合 conjugation 接合的结果 F F 2F F F 2F Hfr F 多种情况Hfr F Hfr F 多数情况下 Hfr F Hfr Hfr 少数情况下 四 溶源性转变 二 真核微生物的基因重组 一 有性杂交 二 准性生殖 第四节微生物的菌种选育 在微生物工业应用中 微生物菌种工作主要包括以下四方面 菌种的分离筛选 挑选符合生产要求的菌种 这是选种工作的任务 菌种培育 改良已有菌种的生产性能 使产品的质和量不断提高 或使它更适应于工艺的要求 这是育种工作的任务 菌种的保藏 一切生产菌种都要使它避免死亡和生产性能的下降 这是菌种保藏工作的任务 退化菌种的复壮 如果发现菌种的生产性能下降 就要设法使它恢复 这便是菌种复壮工作的任务 一 从自然界中分离筛选菌种的方法步骤 确定出发菌株 菌种的纯化选优 出发菌株的性能鉴定同步培养 制备单细胞 或单孢子 悬液 活菌浓度测定诱变剂的选择与确定诱变剂量的预试验 诱变处理 平板分离 计形态变异的菌落数 计算突变率挑取疑似突变菌落纯培养 突变体的初步筛选 用简单快捷的方法重复筛选 摇瓶发酵试验选出突变体 根据情况进行生产试验或重复诱变处理 变异菌株的初步筛选 纸片培养显色法 透明圈法 琼脂块培养法 三 营养缺陷型突变体的筛选及其应用 营养缺陷型菌株筛选的一般方法 1 诱变剂处理 2 淘汰野生型菌株 抗生素 菌丝过滤法 3 检出营养缺陷型 4 鉴定营养缺陷型 检出营养缺陷型 转基因工程菌株的构建 1 提取目