《农业微生物学》PPT课件.ppt

二、突变的类型,按突变的条件和原因划分，自发突变诱发突变,1、自发突变,自发突变：是指某种微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变，自发突变的原因有：多因素低剂量的诱变效应互变异构效应环出效应,（1）多因素低剂量的诱变效应,包括背景辐射、环境因素、有害代射产物的作用。不少自发突变是由一些原因不详的低剂量诱变因素长期作用的综合效应。例如：充满宇宙空间的各种短波辐射，自然界中存在的一些低浓度诱变物质及微生物自身代谢活动所产生的一些诱变物质(例如过氧化氢)的作用。,（2）互变异构效应,通常DNA双链结构中总是以A-T和G-C碱基配对的形式出现。偶而T不以酮基形式出现，而以烯醇式出现，C以亚氨基形式出现，在DNA复制时出现与前不同的碱基对：G-T，C-A。在微生物生长繁殖过程中，个别基因自发突变的机率(称突变型频率)极低，例如，细菌突变型频率为10-410-10，即一万到一百亿次裂殖中才出现一个个别基因的突变体。,（3）环出效应,在DNA的复制过程中，如果其中某一单链上偶然产生一个小环，则会因在其上的基因越过复制而发生遗传缺失，从而造成自发突变。,2、诱发突变,诱发突变是利用物理的或化学因素处理微生物群体，促使少数个体细胞的遗传物质(主要是DNA)的分子结构发生改变，在基因内部碱基配对发生差错，从而引起微生物的遗传性状发生突变。凡能提高突变率的因素都称诱发因素或诱变剂（mutagen）。物理诱变化学诱变复合处理定向培育,（1）物理诱变,利用物理因素引起基因突变的，称物理诱变。物理诱变因素有：紫外线、X射线，r射线、射线和激光等。,紫外线的诱变机制,在前面已经讲过紫外线可造成DNA分子内和分子间的交联，核酸与蛋白质的交联，胞嘧啶和鸟嘌呤的水合作用及胸腺嘧啶二聚体的形成等。,（2）化学诱变,利用化学物质对微生物进行诱变，因而引起基因突变或真核生物染色体畸变的，称为化学诱变。化学诱变物质很多，常用的有。（1）烷化剂：引起DNA中A和G，T和C碱基转换（2）碱基类似物：以假乱真，如：5-Bu，2氨基嘌呤（3）造成DNA增加或减少一、二个碱基(移码突变)：丫啶类染料，氮芥类衍生物等,（3）复合处理,复合处理，往往能够增强诱变效果。常用的有两种或多种诱变剂先后使用；同一诱变剂的重复使用；两种或多种诱变剂的同时使用。,（4）定向培育,定向育种法，就是逐步加大某一影响因素，使微生物对新的条件由不适应到适应，最后成为生活不可缺少的条件。如废水中的酚、氰本来对微生物有较强的毒害作用但经过逐步加入浓度定向驯化，即可筛选出能忍受300500mgL酚和2030mg/l氰的菌株，这种菌将在净化含酚和含氰废水中起重要作用。,附：诱发突变的机制,（1）碱基置换（substitution)（2）移码突变（frame-shiftmutation)（3）染色体畸变（Chromosomalaberration),A、碱基置换,也称点突变只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。分为两个亚类：转换(transition)DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或一个嘧啶被另一个嘧啶所置换。颠换(transversion)一个嘌呤被一个嘧啶或一个嘧啶被一个嘌呤所置换。亚硝酸、各种烷化剂等诱变剂均可造成,B、移码突变,指诱变剂使DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添（插失）或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转移错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株。吖啶类染料可造成。,C、染色体畸变,它既包括了染色体结构上的缺失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化。某些理化因子，如X射线等的辐射剂、烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起DNA的大损伤染色体畸变。,染色体的数量变异,无籽西瓜,生物的变异,染色体的数量变异,群体发病率1/650症状:眼裂小，舌常外伸并有舌裂，掌纹异常，生长迟缓，智力低下病因：47（2n+1),21号染色体多一条,Down氏综合症（21三体）,生物的变异,染色体的数量变异,Down氏综合症（21三体）,生物的变异,染色体的结构变异,人类的猫叫综合症：第5号染色体缺失（短臂缺失）患儿发出咪咪声，耳位低下，智商仅2040.,生物的变异,染色体的结构变异,人类的猫叫综合症：,生物的变异,附：紫外线的诱变机制DNA损伤及其修复,损伤类型很多，研究最多的是紫外线作用紫外线可造成DNA分子内和分子间的交联，核酸与蛋白质的交联，胞嘧啶和鸟嘌呤的水合作用及胸腺嘧啶二聚体的形成等。主要作用是使同链DNA的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，并引起双链结构发生扭曲变形，阻碍碱基间的正常配对，从而可能引起突变或死亡。在互补双链结构间形成嘧啶二聚体的机会少，但一旦形成会妨碍双链的解开因而影响DNA的复制和转录，并使细胞死亡。,DNA的修复,1、光复活（Photoreactivation)2、切除修复(Excisionrepair)3、重组修复(Recombinationrepair)4、SOS修复5、适应性修复,光复活修复,它只作用于紫外线引起的DNA嘧啶二聚体。可见光（510钠米）激活了光复活酶，光复活酶能直接修复DNA，不需切除部分碱基。,切除修复,若DNA的损伤较严重，就必须进行切除修复。切除修复的遗传信息来自DNA双螺旋的互补链。切除方法都基于在DNA受伤部位不是一条单链的断裂，就是产生了一个缺口，从3-羟基末端开始DNA聚合酶就可合成新的DNA片段，以代替切去的部位，切除修复的酶是DNA聚合酶I，DNA聚合酶作用之后，DNA连接酶便来封闭所留下的缺口。,重组修复,受损伤的DNA先经复制，染色体交换，使子链上的空隙部分面对正常的单链，DNA多聚酶修复空隙部分成为正常链。,SOS修复,SOS是紧急修复。SOS是一组基因，它是DNA修复最重要最广泛的基因集团，通常称为DNA紧急修复基因（SOSDNArepairgene)。它们为DNA的损伤所诱导产生大量的或新的修复酶。,第三节：基因重组,凡把两个不同性状个体细胞内的遗传基因转移到一个个体细胞内并使之发生遗传变异的过程，称为基因重组，通过重组可使微生物在不发生突变的情况下，也可以产生新的遗传型个体。以原核微生物为例，微生物基因重组可通过杂交、转化、转导、接合等方式进行。,一、杂交,是通过双亲细胞的融合，使整套染色体的基因重组，或者是通过双亲细胞的沟通，使部分染色体基因重组。,二、接合(Conjugation),接合指供体菌和受体菌的完整细胞经直接接触而传递大段DNA(包括质粒)遗传信息的现象，这是原核生物的有性生殖过程，通过性毛转移DNA。真核微生物的基因重组是通过性孢子的接合进行。利用基因重组，可使一个菌种的性状转移到另一菌种中，从而培育出一种具有新的遗传特性的菌种。,三、转化（Transformation),转化即受体细胞直接吸收了来自供体细胞的DNA片段，并把它整合到白己的基因组中，从而获得了供体细胞部分遗传性状的现象,四、转导(Transduction),转导：通过温和噬菌体的媒介，把供体细胞的DNA片段携带到受体细胞中，从而使后者获得前者部分遗传性状的现象。转导又分为:普遍性转导和局限性转导普遍性转导：噬菌体可误带供体菌中的任何基因，并使受体菌实现各种性状的转导，称为。局限性转导：通过某些温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中的转导现象。,第四节：遗传工程技术与环境保护中的应用,质粒育种基因工程PCR,一、质粒育种,质粒的概念质粒的类型质粒的特性质粒的应用育种实例,1、概念,在原核微生物中独立于染色体外的小型的带有少量遗传信息的环状DNA分子。可进行自我复制，有的独立于细胞质中，有的与和染色体整合，称为附加体。,2、种类,F因子（又叫致育因子）R因子（又称抗药性因子）Col因子（大肠杆菌素因子）等等,3、特性,质粒在原核微生物的生长中并不重要，常因某种因素影响发生质粒丢失或转移。某种细菌一旦丧失质粒，只会丧失由该质粒所决定的某些性状，而菌体不会死亡。,4、应用,由于质粒从供体菌到受体菌中去，除了带去自身所决定的性状外，有时还会携带供体菌的一部分染色体基因，从而使受体菌又获得了供体菌的部分性状。所以在基因工程中常被用作基因转移的运载工具-载体。,5、育种实例,多功能超级菌的构建：解烷抗汞质粒菌的构建脱色工程菌的构建Q5T工程菌的构建,二、基因工程,定义：它是用人工方法把我们所需的某一供体生物的遗传物质DNA大分子取出来，在离体条件下进行切割后，把它和作为载体的DNA分子连起来，然后导入某一受体细胞中，以让外来的遗传物质在其中“安家落户”(进行正常的复制和表达)并使受体细胞表达出为供体细胞所应有的部分遗传性状。理论上的三大发现为基因工程提供了理论基础。技术上的三大发明为基因工程提供了技术保障。,理论上的三大发现,DNA为遗传物质：Avery的肺炎双球菌转化实验DNA双螺旋结构的发现和DNA半保留复制机制遗传密码与中心法则,技术上的三大发明,限制性内切酶和连接酶：DNA的“手术刀”与“缝纫机”载体：运送遗传物质的工具，如质粒、病毒等逆转录酶：从mRNA到DNA，使真核基因制备成为可能,基因工程的主要操作步骤,目的基因的获得目的基因与载体的连接成重组DNA分子重组DNA分子导入受体细胞筛选重组克隆基因表达与产物分离,抽取DNA,切下鼠DNA,切开质粒DNA,将质粒导入宿主细胞,混合、连接,培养基中加抗生素,培养,裂解细胞释放DNA,分子杂交,分离扩增目的克隆,三、PCR,Polymerasechainreaction,又称多聚酶链式反应。1985年由关国Millus创立。,基因的扩增技术链式扩增反应,变性(94),复性(55),延伸（72）,PCR,四、整体动物克隆技术,1938汉斯斯皮曼建议用成年的细胞核植入卵子的办法进行哺乳动物克隆,1962约翰格登宣布他用一个成年细胞克隆出一只蝌蚪,1984斯蒂恩威拉德森用胚胎细胞克隆出一只羊,1996用成年哺乳动物细胞克隆出的个体克隆羊Dolly出世,2000美国科学家用无性繁殖技术成功地克隆出一只猴子,2001年美、意科学家联手展开克隆人的工作,1996-2000欧美日俄中国等多国科学家成功克隆多种动物,“Clone”一词源于1903年，是当是园艺学中一种操作,上世纪50年代科学家成功无性繁育出非洲瓜蟾,生物克隆原理,基因工程,体细胞克隆技术Dolly诞生记,生产小羊,五、基因工程的应用,工业上的应用农业上的应用医疗上的应用环境保护中的应用,1、基因工程在工业上的应用,实例1胰岛素的提取：100000胰脏只能提取34克，而用“工程菌”进行发酵生产，则只要几升发酵液就可取得同样数量的产品。实例2生长激素释放因子（一种十四肽，能抑制其他激素的释放和治疗糖尿病）：它原来要从羊的脑下垂体中提取，宰50万头羊也只能提取5毫克的产品，而现在只要用10L发酵液就可获得同样的产量。,2、基因工程在农业上的应用,例1：将木质素分解酶的基因或纤维素分解酶的基因重组到酵母菌中，使酵母菌能充分利用稻草、木屑等地球上贮量极大并可永续利用的廉价原料来直接生产酒精，并可望为人类开辟一个取之不尽的新能源和化工原料来源。例2：将固氮菌的固氮基因克隆到根际微生物或致瘤微生物，甚至作物的细胞中，以获得能独立固氮的新型作物品种。,3、基因工程在医疗上的应用,亲子鉴定、基因诊断和基因治疗等。例如在1971年，有人对人类半乳糖血症遗传病患者的成纤维细胞进行过离体培养，然后将E.coli的DNA作为供体基因，并通