微生物的遗传变异和育种PPT课件

第8章微生物的遗传变异和育种,8.1遗传变异的物质基础8.2质粒结构及类型8.3DNA的突变和诱变育种8.4基因重组8.5微生物细胞融合育种,遗传和变异是一切生物最本质的属性，是一切生物存在和进化的基本要素遗传性“种瓜得瓜种豆得豆”遗传的保守性子代与亲代相似性（“大同”）变异的多样性“龙生九子，各不相同”,细菌变异形式：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。,.,3,遗传性：生物亲代传递给子代一套遗传信息的特性。遗传型：生物所携带的全部基因的总称。表型：具有一定遗传型的个体，在特定的外界环境中，通过生长和发育所表现出的种种形态和生理特征的总和。遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变异，变异中有遗传。,.,4,细菌的选育与细菌的变异,选育筛选与定向培育筛选“众里挑一”,定向培育“教育培训”,定向培育在水的生物处理俗称驯化。,.,5,(1)细菌的筛选方法,原理：优胜劣汰方式：选择性培养基例如筛选能降解石油的细菌？,选择长期被石油污染的土壤(天然选择性固体培养基），必有适应石油环境利用石油作为食物的细菌，将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，筛选分离，富集，为下一步的驯化工作奠定基础。,.,6,驯化,选择性培养基（石油）浓度升高,筛选分离,2,3、4,1,4,小考,中考,高考,.,7,（2）细菌的驯化,渐变诱导法(休眠的酶基因复活+自然突变)方法：,待降解物通常为有机毒物或惰性物。,5,选择性培养基（待降解物，如石油）浓度升高,5,n,大一大四,筛选与诱导驯化可以同时进行特点:操作简便，驯化的潜力有限，慢。,结果,.,8,8.1遗传变异的物质基础,一、遗传和变异的物质基础亲代的性状如何遗传给子代？现代生物遗传学已经证明：一切生物遗传变异的物质基础是核酸。核酸分为DNA和RNA。,.,9,核苷酸的结构,.,10,格利菲斯（1928）肺炎双球菌试验,埃弗里（1944）试验：,二、DNA的结构克里克和沃森（1953）,两条走向相反的多核苷酸链，以右手方向沿同一轴心平行盘绕呈双螺旋，螺旋直径为2m。两条多肽链以碱基对的氢键相连。每条多肽链含四种碱基A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）相互配对。A-T,G-C互相间通过氢键连接。一个DNA分子可含有几十万或几百万个碱基对，相邻两碱基对距离为0.34nm，每个螺距为3.4nm。,DNA双螺旋结构：,DNA的复制（半保留复制）,三、DNA的变性和复性DNA的变性：天然双链DNA受热或其他因素的作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链DNA的过程。DNA的复性/退火：变性DNA经适当处理后重新形成天然DNA的过程。杂交：不同来源的两个互补核苷酸序列通过相互退火形成双链的过程。,DNA的变性,DNA复性,四、转录,遗传的中心法则：将携带遗传信息的DNA复制；将DNA携带的遗传信息转录到RNA；将RNA获得的遗传信息翻译成蛋白质。,DNA转录成RNA,转录与复制的区别：,尿嘧啶U取代胸腺嘧啶T；RNA不与模板DNA以氢键结合；RNA链远低于DNA。,按照mRNA上的遗传信息将氨基酸合成多肽，最终生成具有特定功能的蛋白质的过程。遗传密码规则：mRNA分子内的核苷酸序列以3个一组(三联密码子)被连续阅读，mRNA中含有4种碱基，共有64种组合。每个密码子编译一种氨基酸，每一种氨基酸含有1-6个密码子不等，61个密码子代表20种氨基酸，另外3个UAA,UAG,UGA为肽链终止信号，不代表任何氨基酸。,四、翻译,蛋白质的合成过程,8.2质粒结构和类型,一、微生物中的DNA原核微生物DNA不与蛋白质结合，无核膜，以单独裸露的状态存在；多数DNA为双链的，少数为单链；DNA链拉直时比细胞本身长许多倍，如大肠杆菌的细胞长度为2m，DNA拉直后为1100-1400m；有少量DNA（约1%）存在细胞质中质粒。,真核微生物DNA与蛋白质结合，有核膜，主要存在存在细胞核的染色体上；DNA含量高于原核生物中DNA；少量DNA（约1%）存在叶绿体、线粒体中。,二、质粒质粒：微生物染色体外或附着于染色体的携带有某种特异性遗传信息的DAN片断。质粒有线性、环形、超螺旋形结构，大小1-1000Kb。质粒具有可遗传性、可整合性、可重组性、可消除性等特点。,致育因子（F因子）抗性质粒（R质粒）产生抗生素的质粒产生细菌毒素的质粒降解性质粒Ti质粒共生固氮质粒2m质粒,常见质粒类型,8.3DNA突变与诱变育种,什么是基因？生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位。一、DNA突变/基因突变微生物的变异由于子代的基因变化引起的微生物子代的表型与其亲代表型特征发生较大的差异。微生物变异的类型基因突变/点突变：由于DNA链上的1对或少数几个碱基被另一个或几个碱基对取代发生的改变。染色体突变：DNA链上大段发生变化或损失引起的突变。,无定向性自发性突变率低稳定性独立性可逆行可诱变性,基因突变的特点,基因突变的形式,自发突变凡是在没有特设的诱变条件下，由外界环境的自然作用（高温、辐射等）或微生物体内的生理和生化变化（代谢产物、H2O2等）引起的突变。诱发突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。常用诱变剂：紫外线、5-溴尿嘧啶、亚硝酸、碱性染料。,定向培育利用微生物的自发突变，并采用特定的选择条件，通过对微生物群体不断移植以选育出较优良菌株的方法。诱变育种利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便，快速和高效的筛选方法，从中挑选中少数符合目的的突变株，以供科学实验和生产实践使用。应用：活性污泥驯化；人工诱变育种的商业化操作。,8.4基因重组,两个不同性状的个体细胞，其中一个细胞（供体细胞）与另外一个细胞（受体细胞）的DNA融合，使基因重新排列，产生新品种或新的遗传性状的过程。基因重组形式：自发基因重组与人工基因重组自发基因重组a.真核生物为杂交；精卵细胞质融合过程中所有遗传物质的重组b.原核生物为转化、转导、接合；部分遗传物质的转移和重组,.,35,一、细菌接合（Conjugation）通过供体和受体细菌完整细胞间的性菌毛的直接接触而传递大段DNA分子的过程。,莱德伯格和塔图姆（1946）营养缺陷型大肠杆菌实验：B:维生素，M:甲硫氨酸，T:苏氨酸，L:亮氨酸,二、转化（Transformation）供体细胞中的DNA片断直接吸收进入活的受体细胞的基因重组方式。埃弗里（1944）肺炎双球菌实验。,目前发现细菌、放线菌、真菌和高等动植物中也有转化现象。,三、转导(Transduction)遗传物质通过噬菌体的携带作用而转移到受体细胞中的基因重组过程。辛德尔和莱德贝尔格（1951）,.,39,人工基因重组遗传工程,遗传工程是70年代初发展起来的生物技术。定义：对遗传物质进行改造（人工干预下的杂交、转化、接合、转导）的技术。工程：类似工程设计那样有很高的预见性、精确性与严密性。,.,40,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。又分为细胞工程和基因工程。细胞工程两个细胞原生质体融合,基因工程两个细胞DNA片段剪接拼接,狭义的讲，遗传工程就是基因工程。原理：限制性核酸内切酶,带有目的基因的DNA片断获得；目的基因与载体的体外连接；重组DNA分子导入宿主细胞；阳性重组子的筛选和鉴定；重组子的扩增或表达。,四、基因工程的操作步骤,构建降解尼龙、TNT、石油的超级细菌；降解染料的质粒耐汞质粒转基因抗病菌作物,五、基因工程在环境工程中的应用,.降解石油的工程细菌,美国生物学家查克捡巴蒂(Chakrabarty)制造多质粒“超级细菌”,.,45,.耐汞工程菌日本水俣事件及瑞典鸟类汞中毒事件后，日本和瑞典对汞在自然界转化做了大量研究工作，提出了汞化合物转化的途径，主要是某些微生物使水体汞元素甲基化形成甲基汞，使人及生物中毒。另一面自然界中存在一些耐汞的微生物，它们的耐汞基因在质粒R因子上。例如，恶臭假单胞菌一般在超过2ugml汞浓度中即将中毒死，查克拉巴蒂用质粒转移技术，把嗜油假单胞菌的耐汞质粒(MER质粒)转移到恶臭假单胞菌中去，后者获得MER质粒，可在5070ugml氯化汞中