微生物遗传育种第一章-绪论

微生物遗传育种,GeneticImprovmentofMicroorganisms,主讲：樊游fanyou,目的要求地位和作用,本课程为生物工程专业本科生的必修课。其先修课程为生物化学、细胞生物学概论、微生物学等。本课程的目的在于使生物工程专业本科学生对发酵工业所涉及的微生物的育种技术有深刻的认识。要求学生掌握微生物育种的基础理论和基本方法，包括诱变育种、基因重组育种和基因工程育种。本课程的作用是为企业及研究机构培养所需的从事工业微生物遗传育种的专业技术人才。,教学内容与教学安排,第一章绪论（4学时）第一节微生物工业菌种第二节微生物遗传育种的遗传学原理第三节RNA和蛋白质合成第四节基因表达规则第五节微生物遗传育种技术简介第六节微生物菌种选育的简史第二章突变的机制（7学时）第一节突变类型和基因符号第二节基因突变的规律,第三节自发突变机制第四节诱发剂及其作用第五节突变生成过程第三章突变的应用（10学时）第一节诱变育种第二节营养缺陷型突变株的筛选与应用第三节抗反馈调节突变型的筛选及应用第四节其它类型突变株的筛选与应用第五节菌种退化及其防治,第四章基因重组育种（8学时）第一节转化第二节接合第三节转导第四节真菌的有性生殖第五节真菌的准性生殖第六节原生质体育种,第五章基因工程育种技术（3学时）第一节基因克隆的酶学基础第二节基因克隆的载体第三节目的基因的获得第四节重组体DNA分子的构建及导入受体细胞第五节重组子的筛选第六节基因工程的应用,主要参考书,教材：微生物遗传育种学工业微生物遗传育种学原理及应用金志华等2006微生物学诸葛健、李华钟主编，科学出版社现代微生物遗传学陈三凤，化工出版社，2003微生物遗传学，盛祖嘉，科学出版社，2007，第三版（1987，第二版）InstantNoteinMolecularBiology(分子生物学精要速览），科学出版社，1999MicrobialGenetics,StanleyR.Maloy,SecondEdition,第一章绪论,主要内容：遗传与变异的基本概念遗传的物质基础遗传信息的复制、表达与调控微生物遗传育种技术及其发展简史,遗传学(Genetics)是研究生物遗传与变异规律的一门科学。目的是掌握和利用这些规律，主动地控制、改造生物，使其为人类服务。遗传(Inheritance)指亲代的性状在子代表现的现象。（生物繁殖过程中，子代与亲代在各方面的相似现象）变异(Variation)指同种生物世代之间或同代不同个体之间的性状的差异。（子代个体发生了改变，在某些方面不同于原来亲代的现象）遗传与变异是生物界的共同特征，它们之间是辩证统一的。,第一节微生物工业菌种,微生物工业菌种：在大规模培养条件下，批量商业性获得微生物细胞或其代谢产物过程中所使用的微生物菌株；或，利用微生物特定代谢过程，规模化加工或转化特定底物或环境物料的微生物菌株。,工业微生物菌种基本特征,非致病性；适合大规模培养工艺要求；利于规模化产品加工工艺；具有相对稳定的遗传性能和生产性状；形成具有商业价值的产品或具有商业应用价值。,工业微生物菌种的来源,选种（自然选育）：从自然样本中通过筛选与分离获得；育种（遗传育种）：在实验室中对保藏的微生物菌株进行遗传改良获得,工业微生物菌种的分类,天然菌种（Nativestrain）：通过自然筛选和分离获得的工业菌种；诱变菌种（Mutagenizedstrain）：通过物理、化学等诱变剂在实验室人工诱变自然筛选与分离的菌株所获得产量或/和性状改善的工业菌种；重组菌种（Recombinantstrain）：是通过遗传重组技术对菌种进行定向遗传改良获得的工业菌种；遗传修饰生物体（Geneticmodificationorganisms,GMOs）：经外源基因导入并因此发生遗传整合和性状改变的生物体；,第二节微生物育种的遗传学原理,一、遗传物质化学本质的确证肺炎链球菌转化实验转化：一个品系的生物吸收了来自另一品系生物的遗传物质，从而获得后一品系的某些遗传性状的现象。,Griffith实验1928S活菌，致死小白鼠S死菌，不致死小白鼠R活菌，不致死小白鼠R活菌+S死菌，致死小白鼠，分离出S活菌,体内转化实验DNA是遗传物质的证明,1928年，英国微生物学家Griffith.F做了肺炎双球菌的转化实验,Avery实验1944S型活菌提取蛋白质+R活菌无S活菌类脂+R活菌无S活菌多糖+R活菌无S活菌RNA+R活菌无S活菌DNA+R活菌有S活菌SDNA蛋白酶处理具转化能力SDNADNase处理无转化能力结论：转化因子的化学本质为DNA,体外转化实验DNA是遗传物质的证明,1944年Avery.O、Macleod.C、McCarty.M.J揭开了转化因子的化学本质。,2、噬菌体感染实验,Hershey&Chase1952年T235S+E.coli培养液吸附10分钟后，振荡细胞，离心分离，放射性在上清中，子代噬菌体无35S标记T232P+E.coli培养液吸附10分钟后，振荡细胞，离心分离，放射性在沉淀中，子代噬菌体有32P标记解释：35S放射性标记留在宿主细胞外，32P放射性标记进入宿主细胞内结论：DNA是遗传物质。,3、病毒重建实验,HeinzFraenkel-ConratandB.Singre，1957TMV烟草花叶病毒HR霍氏车前病毒TMV外壳+HR病毒RNA重组病毒感染植株病灶表现HR病毒特征从病灶中分离的病毒具有HR病毒RNA和HR病毒蛋白质TMVRNA+HR病毒外壳重组病毒感染植株病灶表现TMV病毒特征从病灶中分离的病毒具有TMV病毒RNA和TMV病毒蛋白质结论：HR病毒的遗传物质是RNA,结论：生物的遗传物质的化学本质是核酸，在绝大多数生物中是DNA，在少数病毒中是RNA。,二、遗传物质的结构与存在状态,碱基,核糖脱氧核糖核苷、核苷酸,磷酸二酯键,核酸序列,碱基配对,双链,DNA双螺旋结构,2.DNA的存在状态(1)细菌核DNA（拟核）,细菌质粒,(2)真核细胞染色体（Chromosome),存在于真核生物细胞核内，由DNA、蛋白质及少量RNA组成的嗜碱性丝状或杆状小体。在细胞分裂间期时又称染色质（chromatin）。1）染色体的形态与构造细胞分裂中期的染色体具有典型的形态结构，一般包括着丝粒、臂和端粒等结构。,染色体,染色体,2）染色体的特点：各条染色体的长度、着丝粒位置，随体及次级溢痕数目、大小、位置各不相同；不同生物染色体数目不同；,物种染色体数目人2n=46金丝猴2n=44黄牛2n=60马2n=64驴2n=62小家鼠2n=40大家鼠2n=42果蝇2n=8洋葱2n=16玉米2n=20水稻2n=24豌豆2n=14向日葵2n=34衣藻2n=16,3）染色体的化学组成与结构,化学组成：1/3DNA，1/3Histones（组蛋白）1/3Nonhistons（非组蛋白）及少量RNA和磷脂。DNA：携带传递遗传信息，染色体的功能体现者。组蛋白：染色体中与DNA联结的碱性蛋白质，是染色体主要的结构蛋白。近乎所有的染色体中都含有5种组蛋白，除H1外，无种或组织特异性。非组蛋白：染色体中除组蛋白外的其他蛋白，其种类比组蛋白复杂得多，具种和组织特异性。,小牛胸腺染色体组蛋白的特点,染色体的结构,分子生物学和生物化学研究表明，染色体基本结构单位为核小体，核小体连接成染色质丝，经卷曲形成螺线管solenoid，（中期）后者进一步卷曲成超粗纤维，再进一步浓缩即为染色体。高度浓缩的染色体长度只有DNA双螺旋的1/万左右。,(三)噬菌体中遗传物质的存在状态1)T4噬菌体烈性，蝌蚪形，头部80120nm，尾部9520nm遗传物质：线状双链DNA，MW1.3108d，169kbT4DNA的特点组成上全部胞嘧啶为羟甲基胞嘧啶(hm5C)所取代；结构上具有末端冗余和环状排列末端冗余：一端具有与另一端相重复的碱基序列。环状排列：一群不同的线状DNA分子具有循环排列的DNA序列,ABCDEFGHIJAB,DEFGHIJABCDE,GHIJABCDEFGH,2)l噬菌体温和性，蝌蚪形，头部60nm，尾部15217nm，线状双链DNA，47kb，MW3.08107dlDNA特点具有粘性末端（stickyends)-位于双链DNA分子两端的呈互补关系的单链部分。Single-strandedendsofdouble-strandedDNAsthatarecomplementaryandcanthereforebase-pairandsticktogether.,具有线状和环状两种存在状态可以整合到细菌染色体DNA中，成为原噬菌体3)fx174噬菌体微型噬菌体，球状，25nm，环状单链DNA，5000bases,三、遗传物质的复制,1、DNA的半保留复制模型2、DNA的二向复制模型(模型)3、DNA的滚环复制模型,DNA复制的半保留模型,DNA复制叉,2DNA的复制方式,细菌DNA的q-形复制真核生物DNA的复制,10100mm,复制叉,复制叉,复制原点,模板新生链,DNA的二向复制模型(q模型),3.DNA的滚环复制模式,切口,5,5,3,3,3,模板新生链,新链连续复制,互补链合成,DNA滚环复制模型,DNA复制过程非常精确；一般碱基错误配对的发生率为10-10。,第三节RNA和蛋白质的合成,一、转录：DNARNA转录是在一个DNA模板上合成一个与之互补的RNA链。转录产物有三种形式:信使RNA（mRNA）、核糖体RNA（rRNA）和转运RNA（tRNA）,一、翻译：RNA蛋白质,翻译是在一个mRNA指导下合成蛋白质的过程，即将核酸语言翻译成蛋白质语言。mRNA语言是以密码子的形式存在的，密码子由三个核苷酸组成。一个mRNA分子上的密码子序列决定着被合成蛋白质里的氨基酸序列。每一个密码子编码一个特殊的氨基酸，这就是遗传密码。共有64种可能的密码子。,在64个密码子里，61个是有义密码子，3个是无义密码子。有义密码子编码氨基酸，无义密码子（也叫终止密码子，Stopcodon）则不编码氨基酸。密码子具有兼并性。引导蛋白质分子合成的起始密码子（Startcodon）是AUG，该密码子也是合成蛋氨酸的密码子。起始的蛋氨酸有时在后加工过程中被去掉，所以不是所有成熟的蛋白质的氨基酸链都是以蛋氨酸开始。翻译位点是核糖体，由tRNA识别特殊的密码子并运输必需的氨基酸。,第四节基因表达规则,略,笫五节微生物遗传育种技术简介,一、诱变育种：采用物理和化学等因素对出发菌株进行诱变处理，然后运用合理的筛选程序及适当的筛选方法把符合要求的优良变异菌株筛选出来的一种育种技术。二、重组育种：利用不同微生物菌株间遗传物质的重组而实现的工业微生物育种技术。三、重组DNA技术：在体外构建重组DNA分子并导入宿主内表达，从而获得重组工业微生物菌种的育种技术。,微生物菌种选育简史,一、自然选育