畜牧微生物学微生物的遗传与变异ppt课件

1、畜牧兽医学院畜牧兽医学院 冯冯 新新第六章第六章 微生物的遗传变异微生物的遗传变异Microbiology Genetics - -2 2- -第一节 微生物遗传与变异的概念第二节 常见的微生物表型变异第三节 微生物变异的机理第四节 微生物变异株的获得及微生物遗传性的保管- -3 3- -Review Genetics遗传学遗传学: science of heredityHeredity, inheritance遗传遗传: genetic substance transmitted from parentto offspring 子代子代Variation变异变异: Inheritable,

2、low rate (10-510-8)Mutation突变突变: any change in the nucleotide sequence of the DNA in a cell. Modification饰变饰变: on phenotype, not genotype Genotype基因型基因型: genetic makeupPhenotype表现型表现型: actual, expressed properties第一节第一节 微生物遗传与变异的概念微生物遗传与变异的概念- -4 4- -微生物是遗传学研讨中的明星：微生物是遗传学研讨中的明星：t 微生物细胞构造简单，营养体普通为单倍体

3、，微生物细胞构造简单，营养体普通为单倍体，t 方便建立纯系。方便建立纯系。t 很多常见微生物都易于人工培育，快速、大很多常见微生物都易于人工培育，快速、大t 量生长繁衍，菌落形状特征的可见性和多样量生长繁衍，菌落形状特征的可见性和多样性。性。t 物种和代谢类型多样，易于积累不同的中间代物种和代谢类型多样，易于积累不同的中间代谢谢t 产物或终产物。产物或终产物。t 对环境要素的作用敏感，易于获得各类突变株，对环境要素的作用敏感，易于获得各类突变株，t 易于构成营养缺陷型，操作性强。易于构成营养缺陷型，操作性强。- -5 5- -研讨微生物遗传学的意义研讨微生物遗传学的意义微生物是研讨现代遗传学和

4、其它许多主要的生微生物是研讨现代遗传学和其它许多主要的生物学根本实际问题时最热衷的研讨对象。物学根本实际问题时最热衷的研讨对象。对微生物遗传规律的深化研讨，不仅促进了现对微生物遗传规律的深化研讨，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的开展，而且为育代分子生物学和生物工程学的开展，而且为育种任务提供了丰富的实际根底，促使育种任务种任务提供了丰富的实际根底，促使育种任务从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向开展。向、从近缘杂交到远缘杂交的方向开展。- -6 6- -Three Classical Experiments 三个经

5、典实验三个经典实验三个经典实验三个经典实验1.Transformation 转化转化2.Infection of bacteriophage噬菌体感染噬菌体感染3.Reconstruction of plant virus 植物病毒重建植物病毒重建- -7 7- -三个证明三个证明DNA是遗传物质的经典实验是遗传物质的经典实验1、经典转化实验、经典转化实验肺炎链球菌：肺炎链球菌：S型菌体具荚膜，菌落外表光型菌体具荚膜，菌落外表光滑，有致病才干；滑，有致病才干； R型菌体无荚膜，菌型菌体无荚膜，菌落外表粗糙，无致病才干落外表粗糙，无致病才干遗传变异的物质根底遗传变异的物质根底- -8 8- -1

6、928年，年，F.Griffth作了作了3组实验组实验:- -9 9- -1944年，年，Avery准确反复了转化实验，确定了转化因子准确反复了转化实验，确定了转化因子实验证明，将实验证明，将R菌转化为菌转化为S菌的转化因子是菌的转化因子是DNA- -1010- -2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验Hershey &Chases experiment of phage infectionConclusion: DNA was the physical carrier of heredity 遗传物质根底是遗传物质根底是DNA- -1111- -3.Reconstruction of Tobac

7、co Mosaic Virus (TMV) 植物病毒重建植物病毒重建Nucleic acid, DNA or RNA, is the hereditary materialv为了证明核酸是遗传物质，H. Fraenkel-Conrat1956用含RNA的烟草花叶病毒TMV进展了著名的植物病毒重建实验。v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中心相分别。分别后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型病症，而且在病斑中还能分别出正常病毒粒子。- -1212- -v选用TMV和霍氏车前花叶病毒HRV，分别拆分获得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的

8、蛋白质外壳重建构成两种杂合病毒： v1RNATMV- 蛋白质HRVv2RNAHRV- 蛋白质TMVv用两种杂合病毒感染寄主：v1表现TMV的典型病症病分别到正常TMV粒子v2表现HRV的典型病症病分别到正常HRV粒子。v上述结果阐明，在RNA病毒中，遗传的物质根底也是核酸。- -1313- -朊病毒的发现和思索朊病毒的发现和思索v朊病毒含有微量的核酸，仍未发现？v朊病毒仅由蛋白质构成v朊病毒的遗传物质为蛋白质？- -1414- -质粒质粒plasmid：一种独立于染色体外，能进展自：一种独立于染色体外，能进展自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微

9、生物细胞中。细胞中。质粒所含的基因对宿主细胞普通是非必需的；质粒所含的基因对宿主细胞普通是非必需的；在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。殊的机能，从而使宿主得到生长优势。- -1515- -质粒的构造特点质粒的构造特点通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称，简称CCC)的超螺旋双的超螺旋双链链DNA分子存在于细胞中；分子存在于细胞中；也发现有线型双链也发现有线型双链DNA质粒和质粒和RNA质质粒；粒；质粒分子的大小范围从质粒分子的大小范围从1kb左右到左右

10、到1000kb； 细菌质粒多在细菌质粒多在10kb以内以内- -1616- -质粒的检测质粒的检测t 提取一切胞内提取一切胞内DNA后电镜察看；后电镜察看；t 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后察看；超速离心或琼脂糖凝胶电泳后察看；t 对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，t 如抗药性初步判别。如抗药性初步判别。- -1717- -质粒的主要种类质粒的主要种类质粒所编码质粒所编码的功能和赋的功能和赋予宿主的表予宿主的表型效应型效应致育因子致育因子Fertility factor，F因子因子抗性因子抗性因子Resistance factor，R因子因子产细菌

11、素的质粒产细菌素的质粒Bacteriocin production plasmid毒性质粒毒性质粒virulence plasmid代谢质粒代谢质粒Metabolic plasmid隐秘质粒隐秘质粒cryptic plasmid- -1818- -Advantages of using plasmid as Advantages of using plasmid as vector in gene engineering vector in gene engineering 质粒作为基因工程载体的优势质粒作为基因工程载体的优势质粒作为基因工程载体的优势质粒作为基因工程载体的优势1.Small

12、size: easily used in DNA separation and manipulation 体积小体积小,易操作易操作2.Circular shape环形环形: keep DNA stable3.Independent starting point of replication: not controlled by nuclear genome 独立的复制起点独立的复制起点4.Multiple copies多拷贝多拷贝: increase exogenousDNA rapidly迅速复制外源迅速复制外源DNA5.Antibiotic resistant gene: used as

13、 selective marker 抗抗生素抗性基因作为选择标志生素抗性基因作为选择标志- -1919- -一、形状和构造的变异一、形状和构造的变异 3-6%食盐食盐鼠疫杆菌鼠疫杆菌 多形状性多形状性(衰残型衰残型)。 琼脂培基琼脂培基第二节第二节 常见的微生物表型变异常见的微生物表型变异- -2020- - 青霉素、溶菌酶正常形状细菌 L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁)正常霍乱弧菌霍乱弧菌L型一、形状和构造的变异一、形状和构造的变异- -2121- - 特殊构造的变异：特殊构造的变异： 42-43炭疽杆菌炭疽杆菌 失去构成芽胞才干失去构成芽胞才干, 毒毒性降低性降低 10-20天天

14、 变形杆菌变形杆菌H 1%石炭酸石炭酸 单个菌落单个菌落O 迁徙生长迁徙生长 鞭毛变异鞭毛变异一、形状和构造的变异一、形状和构造的变异- -2222- - -2323- -二、菌落变异二、菌落变异v 在陈旧培育基中长期培育光滑型菌落 粗糙型菌落 S 或在有免疫力的人体内 Rv 失去LPS的特异性多糖反复单位v 同时伴有其他性状的改动- -2424- -Single cell sort of Salmonella culture results in different colony morphology Non-Genetic variation- -2525- -三、毒力变异三、毒力变异v

15、棒状噬菌体白喉棒状杆菌 获得白喉毒素 - -2626- -v 胆汁、甘油、马铃薯培育基牛型结核杆菌 卡介苗 13年(230代)三、毒力变异三、毒力变异- -2727- -四、耐药性变异四、耐药性变异v 细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。v金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14%上升至目前的70%以上。v有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。v 含链霉素培基痢疾杆菌 依链株(耐药菌株) 长期培育- -2828- -四、耐药性变异四、耐药性变异- -2929- -四、耐药性变异四、耐药性变异- -3030- -五、代谢的变异五、代谢的

16、变异某种微生物原来在代谢过程中能全成某种微生物原来在代谢过程中能全成某种营养成分的特性，会变为失去这某种营养成分的特性，会变为失去这种才干，成为所谓的营养缺陷型。种才干，成为所谓的营养缺陷型。- -3131- -六、抗原性的变异六、抗原性的变异- -3232- -第三节第三节 微生物变异的机理微生物变异的机理表型的差别只与环境有关表型的差别只与环境有关特点：特点：暂时性、暂时性、不可遗传性、不可遗传性、表现为全部个体的行为表现为全部个体的行为一、非遗传性变异一、非遗传性变异 微生物受外界环境条件变化影响，产生诱导作用，微生物受外界环境条件变化影响，产生诱导作用，使基因表达暂时改动，某一表型性状

17、随之发生改动，当使基因表达暂时改动，某一表型性状随之发生改动，当除去该诱发条件时，可恢复原来的性状。除去该诱发条件时，可恢复原来的性状。- -3333- -遗传型变异基因转移、基因突变：遗传型变异基因转移、基因突变：遗传物质改动，导致表型改动遗传物质改动，导致表型改动特点：遗传性、群体中极少数个体的行为自发突变频率特点：遗传性、群体中极少数个体的行为自发突变频率通常为通常为10-6-10-910-6-10-9第三节第三节 微生物变异的机理微生物变异的机理二、遗传性变异二、遗传性变异 在自然或人工条件下，微生物的基因发生了改动，在自然或人工条件下，微生物的基因发生了改动，使相应的性状也发生变化，

18、并可以遗传下去，这就是遗使相应的性状也发生变化，并可以遗传下去，这就是遗传性变异。传性变异。- -3434- -一基因突变一基因突变基因突变基因突变gene mutation简称突变，是变异的一简称突变，是变异的一种，指生物体内遗传物质的分子构造或数量忽然发生种，指生物体内遗传物质的分子构造或数量忽然发生的可遗传的变化。突变率常在的可遗传的变化。突变率常在10-410-9范围内。范围内。- -3535- -Characteristics of Mutation Characteristics of Mutation 突变的特征突变的特征突变的特征突变的特征1.Spontaneous自发性自发性

19、2.Non-correspondent 不对应性不对应性3.Rare 稀有性稀有性4.Independent 独立性独立性5.Inducible 可诱发性可诱发性6.Stability 稳定性稳定性7.Reversible 可逆性可逆性- -3636- -二基因转移二基因转移transgenosistransgenosis转化转导噬菌体转换接合基因转移的方式- -3737- -1. 转化转化transformation转化或转化作用：受体菌转化或转化作用：受体菌recipient或或receptor直接吸直接吸收了来自供体菌收了来自供体菌donor的的DNA片段，经过交换整合到片段，经过交换整

20、合到本人的基因组中，从而获得部分新的遗传型状的景象。接本人的基因组中，从而获得部分新的遗传型状的景象。接受了供体菌受了供体菌DNA的受体菌称为转化子的受体菌称为转化子transformant。范围：原核生物中，转化是一个较普遍的景象。范围：原核生物中，转化是一个较普遍的景象。转化发生的条件转化发生的条件:两个菌种或菌株之间能否发生转化，与它们在进化过程中两个菌种或菌株之间能否发生转化，与它们在进化过程中的亲缘关系有着亲密的关系。但即使在转化率极高的那些的亲缘关系有着亲密的关系。但即使在转化率极高的那些种中，其不同菌株间也不一定都可发生转化。种中，其不同菌株间也不一定都可发生转化。进展转化的受体

21、细胞必需处于感受态进展转化的受体细胞必需处于感受态(competence)。即受。即受体细胞最易接受外源体细胞最易接受外源DNA片段并实现其转化的一种生理形片段并实现其转化的一种生理形状。也可以采用人工的方法使细菌转变成感受态状。也可以采用人工的方法使细菌转变成感受态- -3838- -供体菌供体菌受体菌受体菌DNA片段片段1928年，年，Griffith发现肺炎链球菌发现肺炎链球菌Streptococcus pneumoniae的转化景象的转化景象,目前知有二十多个种的细菌具有自目前知有二十多个种的细菌具有自然转化的才干然转化的才干- -3939- -自然转化过程的特点：自然转化过程的特点：

22、a不需求活的不需求活的DNA供体细胞；供体细胞；b转化能否胜利及转化效率的高低主要取决于转转化能否胜利及转化效率的高低主要取决于转化供体菌株和转化受体菌株之间的亲源关系；化供体菌株和转化受体菌株之间的亲源关系； c通常情况下质粒的自然转化效率要低得多。通常情况下质粒的自然转化效率要低得多。- -4040- - -4141- -人工转化人工转化用用CaCl2处置细胞，电穿孔等是常用的人工转化手段。处置细胞，电穿孔等是常用的人工转化手段。在自然转化的根底上开展和建立的一项细菌基因重组在自然转化的根底上开展和建立的一项细菌基因重组手段，是基因工程的奠基石和根底技术。手段，是基因工程的奠基石和根底技术

23、。不是由细菌本身的基因所控制；不是由细菌本身的基因所控制；用多种不同的技术处置受体细胞，使其人为地处于一用多种不同的技术处置受体细胞，使其人为地处于一种可以摄取外源种可以摄取外源DNA的的“人工感受态。人工感受态。质粒的转化效率高；质粒的转化效率高；- -4242- -2. 转导转导transduction：经过完全缺陷或部分：经过完全缺陷或部分缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的DNA小片段携小片段携带到受体细胞中，经过交换与整合，使后者获得带到受体细胞中，经过交换与整合，使后者获得前者部分遗传外形的景象。获得新遗传外形的受前者部分遗传外形的景象。获得新遗传外形的受体

24、细胞称为转导子体细胞称为转导子transductant。普遍转导：经过完全缺陷噬菌体对供体菌任何小片段部普遍转导：经过完全缺陷噬菌体对供体菌任何小片段部分携带到受体菌中，而实现其遗传性状传送到受体菌的分携带到受体菌中，而实现其遗传性状传送到受体菌的转导景象转导景象局限性转导：经过部分缺陷的温暖噬菌体把供体菌的少数特局限性转导：经过部分缺陷的温暖噬菌体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并获得表达的转导景象。定基因携带到受体菌中，并获得表达的转导景象。- -4343- - -4444- -Transduction1. Generalized transduction2. Specialized

25、 transduction- -4545- -3. 噬菌体转换噬菌体转换phage conversion：或称溶原：或称溶原性转换性转换lysogenic conversion。当温暖噬菌体。当温暖噬菌体感染其寄主细菌之后，噬菌体的基因整合于寄主基感染其寄主细菌之后，噬菌体的基因整合于寄主基因组中，导致寄主的某些性状发生变异，称为噬菌因组中，导致寄主的某些性状发生变异，称为噬菌体转换。体转换。- -4646- -4. 接合接合conjugation ：供体菌经过性菌毛传送：供体菌经过性菌毛传送不同长度的单链不同长度的单链DNA给受体菌，在后者细胞中发生给受体菌，在后者细胞中发生交换、整合，从而

26、使后者获得供体菌的遗传性状的交换、整合，从而使后者获得供体菌的遗传性状的景象。获得新性状的受体细胞称为接合子。景象。获得新性状的受体细胞称为接合子。存在范围：细菌和放线菌中都存在接合景象。存在范围：细菌和放线菌中都存在接合景象。- -4747- -Transfer of plasmid DNA by conjugationvThe F plasmid of an F+ cell is being transferred to a F- recipient cell - -4848- -一、从自然变异中挑选一、从自然变异中挑选诱变剂诱变剂物理要素物理要素化学要素化学要素紫外线紫外线激光激光离子束

27、离子束X射线射线r射线射线温度温度烷化剂烷化剂碱基类似物碱基类似物吖啶化合物吖啶化合物二、传统的人工诱变方法二、传统的人工诱变方法第四节第四节 微生物变异株的获得及微生物遗传性的保管微生物变异株的获得及微生物遗传性的保管- -4949- -三、原生质体交融三、原生质体交融protoplast fusion概念：经过人为的方法，使遗传性状不同的两细胞概念：经过人为的方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体发生交融，并进而发生遗传重组以产生的原生质体发生交融，并进而发生遗传重组以产生同时带有双亲性状的、遗传性稳定的交融子的过程，同时带有双亲性状的、遗传性稳定的交融子的过程，称为原生质体交融。称为原生

28、质体交融。原生质体交融的优点：原生质体交融的优点：可以提高重组率可以提高重组率双亲可以少带标志或不带标志双亲可以少带标志或不带标志可进展多亲本交融可进展多亲本交融有利于不同种间、属间微生物的杂交有利于不同种间、属间微生物的杂交经过原生质体交融提高产量经过原生质体交融提高产量 - -5050- -四、基因工程四、基因工程Incorporation into artificial plasmids of genes from a wide variety of sources has made possible the transfer of genetic material across vir

29、tually any species barrier。- -5151- - -5252- -Mutants that are detectablev Non-motilev Non-capsulatedv Rough colonyv Nutritionalv Sugar fermentationv Drug resistantv Virus resistantv Temperature sensitivev Pigment- -5353- -按能否比较容易、迅速地分别到发生突变的细胞来分：选择性突变株selective mutant：具有选择标志如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型，只需选择适当的环境条件，如培育基、温度、pH值等，就比较容易检出和