微生物第五章PPT课件

1、第五章 微生物的遗传,第五章微生物的遗传,第一节 概 述 第二节 微生物的变异 与遗传重组,第五章微生物的遗传,第一节 概 述 一、与之相关的几个概念 二、微生物遗传的特点,概述,第五章微生物的遗传,遗传(heredity或inhertiance)和变异(Variation)是生物体最本质的属性之一。 一、与之相关的几个概念 1、遗传(heredity) 生物的上一代将自己的遗传因子传递给下一代的行为或功能，具有极其稳定的特性,概述,第五章微生物的遗传,2、基因（gene）是一切具有自主复制能力的遗传功能单位，核酸链上具有一定核酸数量和排列顺序，贮存遗传信息的核酸片段，能控制特定生化反应的最小

2、遗传单元。eg.某种蛋白的合成是由一段特定的DNA碱基序列决定的，这就构成一个基因。各个基因在细胞中不是单独存在的，而是有序地排列在一些遗传成分上，如染色体和质粒,概述,第五章微生物的遗传,3、基因组（genome）是一种生物全套基因的总称，包含了形成子代的全部遗传信息。 4、染色体是生物的主要遗传成分，基因在其上有序排列（但不是一个个连续排列）,概述,第五章微生物的遗传,5、遗传型(genotype)是某一生物所含有的遗传信息,即DNA中正确的核苷酸序列。生物体通过这个核苷酸序列控制蛋白质或RNA的合成，一旦功能性蛋白质合成，可调控基因表达。遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗传物质上所

3、负载的特定遗传信息。具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下通过自身的代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型,概述,第五章微生物的遗传,6、表型(phenotype) 某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境条件下的具体体现。是一种现实性,概述,第五章微生物的遗传,7、 变异（Variation） 是生物体在某种外因或内因作用下引起的遗传物质结构改变，亦即遗传型的改变。特点：几率极低(一般为10-510-6)；性状变化幅度大；变化后的新性状是稳定的、可遗传的,概述,第五章微生物的遗传,8、饰变(modification) 指不涉及遗传物质结构改变，只发生在转录、转译水

4、平上的表型变化。 特点：每一个体都发生同样的变化;性状变化的幅度小；因遗传物质不变故饰变是不遗传的。 例子：粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)在 25下培养时会产生深红色的灵杆菌素，在37时不产生色素,概述,第五章微生物的遗传,9、野生型：从自然界分离获得的菌株。 10、突变型（或突变体）：野生型菌株发生了基因突变，且变化了的碱基在复制后稳定地存在于子代中，则成为突变型。 11、营养缺陷型：需要某种生长因子（如氨基酸或维生素）的突变体。 12、原养型：恢复到原来的表现后称为原养型,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,二、微生物遗传的特点 1、微生物遗传的物质基础是核酸；真核

5、：DNA，原核：DNA或RNA。 2、特点： 遗传具有高度的稳定性-保守性；遗传的稳定性是相对的，变异是绝对的。 易于变异，易于自然选择或人工培养。 便于建立纯系，或长久保存大量品系,概述,第五章微生物的遗传,3、染色体外的遗传成分 质粒：原核微生物的染色体外的遗传成分是质粒； 真核微生物的主要是在线粒体、叶绿体等细胞器上（细胞器基因组）。 转座因子：具有在染色体上不同部位间移动能力的遗传成分，原核和真核细胞都有，在遗传变异中起重要作用。现已知有三类可转移的因子：插入序列、转座子和某些病毒,概述,第五章微生物的遗传,插入序列是一类分子量很小的遗传成分，大小一般为750-1500bp,其编码容量

6、只有1-2种多肽，可以调节自身的转座，一般没有表型标记。 转座因子（transposon,TN）是能够插入染色体或质粒不同位点的一般DNA序列，一般大小为几kb。在原核、真核微生物中都有,概述,第五章微生物的遗传,此外，DNA或RNA病毒也可以看成是一类染色体外遗传成分，它们不但控制自身的复制，而且在微生物细胞之间进行转移,概述,第五章微生物的遗传,一、基因突变 （一）基因突变的机制 （二）自发突变和诱变 （三）突变株筛选技术 二、微生物的基因重组与杂交 （一）原核生物的基因重组方式 （二）真核微生物的基因重组方式 （三）原生质体融合 （四）基因转座 三、微生物的育种,基因突变及修复,第五章微

7、生物的遗传,基因突变的机制 1、基因突变(gene mutation) 一个基因内部结构或DNA序列的任何改变，改变一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换，而导致的遗传变化称为基因突变,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,DNA序列范围的改变从单个碱基改变通常称为点突变(point mutations)，到基因组大范围的重排，有时称为多位点突变，其中包括DNA链上短的一段序列或长的一段序列改变，从而影响许多基因,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,多位点突变可以是碱基序列的缺失、插入、倒位、置换(包括易位)和重复以及在基因组中发生重组或转座的结果,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,2、点突变

8、点突变中由一个嘌呤变为另一个嘌呤(AG)或一个嘧啶变为另一个嘧啶(CT)称为转换(transition)，嘌呤变为嘧啶和嘧啶变为嘌呤称为颠换(transversions)。遗传型上一个碱基的改变在表型上的效应取决于突变的性质和在基因组点突变发生的位置，有四种点突变类型,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,1）同义突变(same-sense mutations) 由于基因密码的冗余性；同样的氨基酸插入蛋白质，结果表型上没有看出变化。 2）错义突变(mis-sense mutations) 指不同的氨基酸插入蛋白质的多肽链中，多肽链相应氨基酸改变的结果视蛋白质的基本部分或非基本部分改变而定。前者蛋

9、白质功能改变或丧失，后者表型上没有观察到变化,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,3）无义突变(nonsense mutations)是指碱基序列改变为氨基酸终止密码子(UAA，UAG，UGA)。蛋白质合成超前停止，导致一个截短的蛋白质产生。 4）移码突变(frameshift mutations)是DNA序列上缺失或插入12个核苷酸，引起从该突变点后翻译阅读框移位和变成一个完全改变的氨基酸序列,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,1.自发突变: 自发突变是指由内因引起的变异，如DNA复制和修复中的错误。在自然条件下发生的。是常规选种的依据。 2.诱发突变 人为施加诱因：物理的（如紫外线和其它

10、射线）和化学（许多化学诱变剂是作用于DNA本身及其复制的过程）的因素，而发生的突变。是诱变育种的依据,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,突变株筛选 1、根据突变株类型分离 鉴定和分离突变株时，根据突变株基因的特殊性质，一般分成三类,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,1）有毒化合物抗性突变株 如对抗生素或对噬菌体侵染的抗性。这些突变株能通过在有毒药剂或噬菌体存在下生长来选择。只有抗性突变株才生长,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,2）营养缺陷型突变株 突变株不能合成生长所必需的基本化合物如一个氨基酸或维生素。这些突变株不能直接分离，但能通过影印培养法(replica plating)筛选,

11、基因突变及修复,第五章微生物的遗传,3）不能利用特殊底物如乳糖和麦芽糖生长的突变株，可以通过影印培养法鉴别,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,2、影印培养法 用于筛选大量特殊突变菌落的一个方法。细菌铺制成平板，在所含营养成分的培养基上亲本和突变株均能生长，采用一个稀释度使单个菌落能在平板上看到；培养后，用一个无菌的丝绒布包裹的圆柱章的圆垫转移上述菌落至可以检出突变株的培养基平板上,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,培养基的性质根据突变株的需求，在营养缺陷型突变株的情况下，可以在有特殊生长因子和没有特殊生长因子的平板上影印法转移菌落，不能合成那种生长因子的突变菌株，在基本培养基上不能生长，但

12、能在加入已知生长因子的基本培养基上生长(加富培养基)，突变株菌落通过在基本培养基不能生长来鉴别，可以从能生长的补充培养基平板上选出和纯化,基因突变及修复,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,重组（遗传重组）：是指使两个独立的基因组中的遗传成分汇合在一个生物细胞中，以产生基因的新组合，可以是一个完整基因或一组基因，有时甚至是整个染色体在不同生物之间的重组。 杂交：是通过不同性细胞的结合，实现基因重组的方式,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,原核生物的基因重组方式 一、转 化 二、转 导 三、F质粒与接合,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,转 化（Transformation） 1、转化

13、 转化是从周围培养基吸收游离的DNA片段，整合到自己染色体基因组的结果。许多细菌如芽孢杆菌属、链球菌属、奈瑟氏球菌属和嗜血菌属(嗜血杆菌属Haemophilus)能够自然发生转化作用,转化作用,单链DNA进入细胞,与受体DNA的同源部份配对,供体DNA与受体DNA形成共价键，交换下一小段单链受体DNA,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,2、感受态 (compentence) 细胞吸收DNA进行转化的能力取决于细胞所处的特殊生理状态，即细菌细胞的感受态。 感受态与细胞表面存在DNA的受体有关。其它细菌，如大肠杆菌，在冷的条件下通过化学方法处理，可以诱导建立感受态,第五章微生物的遗传,基因的转

14、移和重组,转 导 (Transduction) 利用噬菌体为媒介，将供体菌的部份转移到受体菌内的现象。绝大多数细菌均有噬菌体，转导作用较普遍。 可分为普遍性转导 和局限性转导,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,1、普遍性转导 普遍性转导是当噬菌体装配时偶然出现的错误，是替代噬菌体DNA包装了一段与噬菌体DNA长度大致相等的细菌DNA。这种“误包”的转导噬菌体，能侵染新的宿主(受体)，并注入此段DNA。 普遍性转导噬菌体包括许多温和噬菌体和某些烈性噬菌体,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,在受体菌中的可能存在状况： 若携带的是细菌染色体DNA，可能与受体细胞内染色体通过遗传重组，整合到受

15、体菌染色体上； 若携带的是质粒DNA，可能会在受体细胞中自我复制而稳定保留下来； 若携带含转座子的DNA片段，可能整合到受体细胞染色体或质粒上,普遍性转导,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,2、局限性转导 以某些溶源性噬菌体为媒介，只能使供体的一个或少数几个基因转移到受体的转导作用,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,通常当一个噬菌体被诱导后，以非常精确的方式从染色体上切离形成一个完全的噬菌体基因组。极少数的原噬菌体发生不精确的切离(误切)，邻近噬菌体位点上的一小段染色体被切离，而一小段噬菌体的DNA遗留在染色体上,局限性转导,原噬菌体,F质粒与接合 质粒的类型 1、致育因子(ferti

16、lity factor, F因子) 又称F质粒，一种与大肠杆菌的类似有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。 携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），F质粒的菌株称为F-菌株(相当于雌性)。 F质粒整合到宿主细胞染色体上的菌株称为高频重组菌株, 简称Hfr,第五章微生物的遗传,由于F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。 F质粒在大肠杆菌的接合作用(conjugation)中起主要作用,第五章微生物的遗传,当Hfr菌株上的F因子通过重组回复成自主状态时，有时可将其相邻的染色体基因一起切割下来，而成为携带某一染色体基因的F因

17、子等。因此将这些携带不同基因的F因子统称为F，带有这些F因子的菌株也常用F表示,第五章微生物的遗传,F因子在细胞内存在的4种状态,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,2、接合 (conjugation) 接合是同通过质粒使遗传物质在两个细菌细胞间转移的机制。一个含有接合质粒(F+)的细胞与不含有接合质粒(F-)的细胞借助于细胞表面的F-性菌毛形成交配个体。性菌毛收缩，拉两个细胞接触，从含有质粒的细胞(供体)DNA转移到受体,Electron Micrograph of Escherichia coli with a Conjugation Pilus,F+ x F,第五章微生物的遗传,基因的

18、转移和重组,DNA转移形式 转移的起始点在质粒DNA一条链的一个缺口位点称作oriT上，DNA以单链形式转移，通过滚环模型形式复制。完整链作为DNA合成的模板，而缺口链被替代和转移进人受体细胞。一旦受体细胞中互补的DNA链合成，形成新的F因子,Hfr x F,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,真核生物基因重组 丝状真菌基因重组主要是准性生殖。 1、准性生殖(parasexual reproduction) 指不经过减数分裂就能导致基因重组的生殖过程。真菌菌丝通过相互接触时，通过菌丝间的连接，细胞核可混合在一起而形成异核体(具有二种或二种以上不同基因型的核细胞)，并可以百万分之一的概率发生核

19、融合而形成二倍体（或杂合二倍体,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,2、有性杂交：一般指不同遗传型两性细胞间发生的接合和随之进行的染色体重组，进而产生新遗传后代的一种育种技术。凡能产生有性孢子的酵母菌、霉菌和蕈菌原则上都可应用有性杂交方法进行育种,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,3、线粒体遗传 基因不同线粒体DNA之间也能够进行基因重组,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,三）原生质体融合：通过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子（融合子）的过程。 适用对象：原核、真核细胞均行，但若有细胞壁的先应去壁,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,四）基因转座：转座因子在特异转座酶的作用下进行的基因重组现象。（适用于原核和真核微生物） 保守型：转座因子首先从染色体上割裂出来，然后转到染色体的另一位点上，仍然只有一个拷贝。 复制型：转座因子先复制一个拷贝，新拷贝插入到其它位点，于是染色体上出现该转座因子的两个拷贝,第五章微生物的遗传,基因的转移和重组,微生物的育种 目的是为了要人为使某种微生物的代谢产物过量积累，把生物合成的代谢途径朝人们所希望的方向加以引导