微生物的遗传变异和育种课件

微生物的遗传变异和育种遗传(heredity)变异(variation)遗传型（基因型）(genotype)表型(phenotype)饰变(modification)基本概念遗传与变异：亲、子代间在形态结构、生理功能等特性上的相似与差异。遗传型：生物个体基因组所携带的全部遗传信息。表型：生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和。饰变：不涉及遗传物质结构和数量的改变，只发生在转录、转译水平上的外表修饰性改变（性状变化小，不遗传）一、遗传变异的物质基础（一）3个经典实验1、经典转化实验2、噬菌体感染实验3、植物病毒重建实验实验人：F.Griffith（1928年）实验材料：肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae

）两种类型：S型：具荚膜，菌落表面光滑，致病菌株R型：无荚膜，菌落外观粗糙，非致病菌株3组转化实验：（1）动物实验（2）细菌培养实验（3）S型细菌的无细胞抽提液试验1、转化实验(1)动物实验3组实验说明：S型细菌体内存在一种具有遗传转化能力的物质，它能通过某种方式进入R型细胞，并使之获得表达S型夹膜性状的遗传特性。被转化的物质可能是大分子Thegeneticmaterialshouldbeamacromolecule实验结果表明：只有S型菌株的DNA才能将R型菌株转化成S型，说明S型菌株转移给R型菌株的是以DNA为物质基础的遗传信息。O.T.Avery等（1944年）2、噬菌体感染实验放射性同位素分别标记E.coli噬菌体的蛋白外壳和DNA实验材料：E.coli噬菌体3、病毒的拆开和重建实验(TMV和HRV)实验证明了：在DNA中，存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。结论3个经典实验都证明了：只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础。1、七个水平（二）遗传物质在细胞中的存在方式①细胞水平②细胞核水平③染色体水平④核酸水平⑤基因水平⑥密码子水平⑦核苷酸水平细胞水平真核生物染色体：DNA与组蛋白结合原核生物核区：DNA不结合蛋白质大部分DNA都集中在细胞核或核区核质）中，种类不同细胞核的数目也不同。真菌：单核或多核放线菌：菌丝细胞多核，而孢子单核细菌：杆菌细胞大多有两个核区，而球菌一般仅一个细胞核水平生物种类不同染色体数目也不同。真核多个，原核1个。染色体倍数：同一细胞内相同染色体的套数单倍体：细胞中只有一套染色体。（多数微生）双倍体：细胞中有两套功能相同的染色体。（高等动植物）染色体水平核酸水平核酸种类：细胞生物的遗传物质是DNA；

非细胞生物（病毒）是DNA或RNA。核酸结构：细胞生物多是双链的，病毒是单或双链；双链DNA有环状、线状和超螺旋状。核酸长度：即基因组的大小，采用bp

（碱基对basepair）、kb（千碱基对）、Mb（百万或兆碱基对）为单位。LamdaPhage48.6kb,17micrometerE.coli4,000kb,1.36mmYeast13,500kb,4.6mmDrosophila165,000kb,56mmHuman2,900,000kb,990mmLamdaPhageDNAmoleculesareverylong基因水平基因：是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位。

原核和真核生物基因的作用形式不同。原核生物真核生物：基因被分隔成内含子（无编码功能）和外显子。密码子水平遗传密码：是指DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。密码子是遗传信息单位，由3个核苷酸组成三联体。4个核苷酸按三联体方式排列可有64种组合，为20种氨基酸编码，并且有的氨基酸可有几个密码子。也有不编码氨基酸的无意义密码子。核苷酸水平核苷酸单位是一个最低突变或交换单位。A：腺苷酸（AMP）T：胸苷酸（TMP）绝大多数生物的DNAG：鸟苷酸（GMP）C：胞苷酸（CMP）5-羟甲基胞嘧啶：稀有碱基，少数生物含有质粒：原核生物核基因组以外的、具有独立复制能力的小型共价闭合环状的双链DNA分子。cccDNA(circularcovalentlyclosedDNA)2、原核生物的质粒多为双股环状、超螺旋结构；可游离存在，也可整合到宿主DNA上—附加体；质粒间或质粒与染色体间可发生重组；可携带某些核基因组缺少的基因，如接合、产毒、抗药、固氮、产特殊酶或解毒基因；质粒的复制形式不同，分为严禁型（与染色体复制同步）和松弛型（与染色体复制不同步）；有的质粒可以在不同菌株间转移。有些质粒不表现任何功能—隐蔽性质粒；吖啶类染料、高温、某些离子可使子代质粒消除特点质粒(plasmid)按其复制与核染色体的复制是否同步分类：①严紧型质粒(stringentreplicationplasmid)②松弛型复制控制质粒(relaxedreplicationplasmid)按其功能分类：①接合性质粒：如F质粒②抗药性质粒：如R质粒③产细菌素的质粒：如Col质粒④具有生理功能的质粒：如固氮的mega质粒、降解质粒等⑤产毒质粒：如Ti质粒质粒种类

典型质粒简介（F因子或致育因子或性因子），接合性质粒，是E.coli

等细菌决定性别并有转移功能的质粒。含质粒为F+（♂），无质粒为F-（♀）。①F质粒(Fplasmid)②R质粒(Rplasmid,resistanceplasmid)（R因子），抗药性质粒

，抗抗生素、重金属离子等，携带耐药信息。痢疾杆菌中发现。③Col质粒(colplasmid)（Col因子、大肠杆菌素质粒），产细菌素和抗生素质粒。产生的细菌素能抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的细菌。

肠道菌中发现④Ti质粒(tumorinducingplasmid)（产毒质粒、诱癌质粒），是植物基因工程重要载体，可携带外源基因整合到植物基因组中。根癌土壤杆菌中发现Agrobacteriumtumefaciens（根癌土壤杆菌）从一些双子叶植物的受伤根部侵入，最后在其中溶解，释放出Ti质粒，其上的T-DNA片段与植物细胞中的核染色体组发生整合，合成正常菌株所没有的冠瘿碱类，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。致癌区冠婴碱合成区冠婴碱分解区Ti质粒接合转移区(tra)毒性区(vir)DNA复制区(rep)6个功能区：

可遗传变异不可遗传变异-----饰变基因突变染色体畸变生物变异突变基因重组二、基因突变和诱变育种①基因突变（genemutation）（点突变）：核酸上一对或几对碱基突然发生的可遗传的变化。碱基置换（转换和颠换）②染色体畸变：DNA的大段变化现象，表现为缺失、插入、重复、易位（转座）、倒位③基因重组（重组）：两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子的重新组合，形成新遗传型个体的方式（一）突变机理1、自发突变机理（原因）微生物在没有人工参与下发生的突变

①背景辐射和环境因素：辐射、高温等，低剂量长期效应

②自身代谢产物：

H2O2

—

内源诱变剂

③DNA复制过程中碱基配对错误突变株的表型选择性突变株非选择性突变株营养缺陷型抗性突变型条件致死突变型形态突变型抗原突变型产量突变型形态突变型：细胞形态变化导致菌落形态改变生化突变型：形态无明显变化但代谢途径改变营养缺陷型：代谢酶类某种营养合成能力的改变抗性突变型：抗药、抗紫外、抗噬菌体抗原突变型：细胞表面成分变异，导致抗原性改变致死突变型：导致菌体死亡或生命力下降条件致死突变型：条件影响致死效应抗性突变是最常见的突变类型举例说明如何筛选抗性突变株？细菌产生抗药性途径基因突变抗药性质粒转移生理适应由基因突变引起的抗药性的原因？两种观点：突变的性状与引起突变的原因间呈对应性—抗性突变株的产生是由环境因素诱发出来的，属定向变异；突变是自发产生的，与环境是否存在该物质无关。(1)变量试验（fluctuationtest）实验设计者美国的鲁里亚和德尔波留克根据统计学原理设计时间：1943年实验材料：对T1噬菌体敏感的大肠杆菌实验目的验证突变的性状与引起突变的原因间有无直接对应关系实验过程103/mL24-36h突变的发生在时间上是随机的(2)涂布试验（Newcombeexperiment）实验设计者1949年纽康布实验材料对T1噬菌体敏感的大肠杆菌采用固体平板培养实验过程突变率的计算接种时每一平皿的细胞数：5×104培养5h后每一平皿的细胞数：5×104×212.3（5100）=2.6×1086个平皿上共发现28个突变菌落突变率=突变的细胞数/增加的细胞总数=28/6×（2.6×108-5×104）

=1.8×10-8(3)平板影印试验（replicaplating）实验设计者1952年，美国的莱德伯格夫妇实验材料E.coliK12实验过程Lederberg

的平板培养法自发突变特点自发性：自然发生不对应性：突变性状与突变原因无对应关系

稀有性：突变率极低（10-6~10-9）独立性：突变率不受其它基因突变率的影响诱变性：可人为诱变（物理和化学诱变剂）稳定性：突变后的性状是稳定的、可遗传的可逆性:可发生正向突变和回复突变诱变剂：凡能显著提高突变频率的理化因子；1）碱基置换转换（transition）嘌呤-嘌呤;嘧啶-嘧啶颠换（transversion）嘌呤-嘧啶;嘧啶-嘌呤2诱发突变直接引起置换的诱变剂直接与核酸碱基发生化学反应，体内或离体均有作用

亚硝酸、羟胺、和各种烷化剂间接引起置换的诱变剂通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子中后引起的变化碱基类似物诱变剂种类2）移码突变

DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误诱变剂种类：

丫啶类染料（原黄素、丫啶黄、丫啶橙、-氨基丫啶等）和ICR类化合物3）染色体畸变

某些强烈的理化因子，如电离辐射（X射线等）和烷化剂、亚硝酸等引起DNA分子的大片段损伤；染色体结构上的缺失、重复、插入、易位和倒位；染色体数目的变化染色体的易位

转座DNA序列通过非同源重组方式，从染色体某一部位转移到同一染色体或其他染色体上转座(因)子IS插入序列(insertionsequence)Tn

转座子(transposon)Mu

噬菌体(mutatorphage)ababab（二）DNA损伤的修复

1、光复活2、暗修复（切补修复）3、重组修复4、SOS修复1.光复活PREA-AT=TPREA-AT=TA-AT-TPREUV可见光二聚体解离PRE光激活酶(photoreactivatingenzyme)A-AT-T5‘3‘5‘3‘对紫外线引起损伤的修复胞嘧啶水合物胸腺嘧啶二聚体二氢胸腺嘧啶胸腺嘧啶-胞嘧啶二聚体2.暗修复（切除修复）四种酶参与4、SOS修复：DNA紧急修复，受DNA损伤所诱导。参与的是一组修复基因，包括：RecA、LexA、uvrA、uvrB、uvrC等。正常情况下基因不表达，一旦DNA受损，RecA被激活，切除LexA阻遏蛋白的抑制，使修复基因得以表达。3、重组修复：互补双方的DNA片段都丢失，通过排列组合，从别的DNA分子上取得相应的片段。

重组修复酶参与；大肠杆菌中为

RecA蛋白（三）突变与育种生产中发现和利用自发突变株1、自发突变育种

定向培养（卡介苗的培养）2、诱变育种：利用物理因素（紫外线、激光等）或化学诱变剂（烷化剂、碱基类似物等）处理微生物突变育种的基本环节美国加利福尼亚大学的Ames教授发明化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比。95%以上的致癌物质对微生物有诱变作用，而非致癌物质对微生物没有诱变作用；意义：通过检测某种待测物对微生物的诱变能力，间接判断其致癌能力。Ames试验—

测定潜在化学治癌物Ames试验原理利用鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸营养缺陷型菌株发生的回复突变性，检测待测物的致突变性。供试的几个菌株中，均含有控制组氨酸合成的基因。当培养基中不含组氨酸时它们不能生长。但是，如受到某种致突变物的刺激，发生突变而回复成野生菌株后，培养基中即使不含有组氨酸时，该菌也能生长。

野生型与缺陷型的关系：

正向突变

野生型his+缺陷型his-

回复突变1、某突变菌株在基本培养基上无法生长，而在添加了0.1%碱水解酵母核酸后，该菌株能生长。请设计一实验方案以进一步确定该菌株的生长必需物。2、什么叫做营养缺陷型菌株?在实验室中如何从原养型菌株获得营养缺陷型菌株?请设计一个具体实验方案。3、怎样用实验证明突变是自发产生的，而不是受环境诱导产生的？作业题

三、基因重组和杂交育种基因重组(遗传重组,简称重组）:两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子的重新组合，形成新遗传型个体的方式。是杂交育种的理论基础重组和杂交的关系重组是在核酸分子水平上的杂交，与细胞水平上的杂交有明显区别杂交中必然包含着重组，而重组则不限于杂交一种形式。GeneticRecombinationHomologousorGeneralRecombinationRecAproteinparticipationHomologousDNAsequenceshavethesameornearlythesamesequenceNewgenotypesonlyarisewhentwohomologoussequencesaregeneticallydistinct原核微生物的4种重组形式：转化转导接合原生质体融合真核微生物的2种重组形式：有性杂交准性生殖（一）原核微生物基因重组1、转化(transformation)：受体菌直接接受供体菌的DNA片段，将其组合到自己的基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的现象。

转化子：转化后的受体菌

转化因子：被转化的DNA

条件：1、必须是感受态细胞，即受体菌最易接收外源DNA片段并实现转化的生理状态。2、DNA一般是线状双链DNA。转染(transfection)

：用提纯的病毒核酸（DNA或RNA）去感染其宿主细胞，可增殖出一群正常病毒后代的现象称为转染。

即病毒的转化细菌的转化dsDNA供体（strR）感受态受体（strS）同源区段配对单链整合，形成一小段杂合DNA区段转化子（strR）非转化子（strS）复制与分离转化过程能进行转化的微生物种类:Streptococcuspneumoniae；Bacillus；Rhizobium；Pseudomonas；Staphylococcus；Saccharomycescerevisiae；Neurosporacrassa；Aspergillusniger等。但肠道菌科的细菌如E.coli等很难进行转化2、转导(transduction)缺陷噬菌体当媒介，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。转导子：获得部分新性状的重组细胞。转导类型：普遍转导局限转导溶源转变普遍转导：

噬菌体错误包裹供体菌基因（包括染色体外遗传物质），使受体菌实现各种性状的转导。局限转导：

某些部分缺陷的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。

产生机制：不正常切割

溶源转变：

当温和噬菌体感染其宿主而使之发生溶源化时，噬菌体基因整合到宿主基因上，而使之获得新性状的现象，称溶源转变。

与转导本质上不同，噬菌体不携带任何供体菌基因。细菌的转导SpecializedtransductionSpecializedtransduction溶源转变3、接合(conjugation)

通过供体菌和受体菌完整细胞间的直接接触而传递大段DNA的过程。能进行结合的微生物主要在细菌和放线菌中存在研究得最清楚的是E.coli，E.coli有性别分化，决定性别的是一种质粒，即F因子

供体菌通过性菌毛把F质粒或其携带的核基因组直接传递给受体菌，使之获得若干新遗传性状。F+菌株含有游离的F因子，有性菌毛F-菌株不含F因子，无性菌毛Hfr（高频重组）菌株F因子整合在核染色体组特定位点上F’菌株Hfr菌株内的F因子因不正常切离而脱离核染色体组时形成的游离的但携带一小段核染色体基因的特殊F因子根据F因子在细胞内的存在方式，将E.coli分为四种类型大肠杆菌的接合方式F+×F-

F++F+

Hfr×F-

Hfr+F-（多数情况下）Hfr×F-

Hfr+

Hfr

（少数情况下）F’×F-

F’+F’中断实验F质粒的4种存在方式及相互关系4、原生质体融合也称细胞融合。通过人为的方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体发生融合，并产生重组子的过程。能进行原生质体融合的细胞极其广泛：原核生物、真核生物、高等动植物、人体主要步骤：选定亲本菌株—制备原生质体—融合—再生—筛选原生质体融合的主要步骤：各种融合子长成菌落影印接种[-]检出[A+B+]筛选优良性状的融合子筛选[+]原生质体融合特点重组频率高不受亲缘关系影响能转移多数基因，可获得生产性状更为优良的新物种两个原生质体表面直接接触，对等融合形成（双向转移）基因重组方式：有性杂交、准性杂交、原生质体融合和遗传转化（二）真核微生物基因重组有性杂交：一般指性细胞（有性孢子）间的接合和随之发生染色体重组，并产生新遗传型后代的一种方式。准性杂交：类似于有性生殖。同一生物的两个不同来源的体细胞经融合后，不通过减数分裂而导致低频率的基因重组。步骤：菌丝联结

质配

异核体

核配

体细胞交换和单倍体化比较项目准性生殖有性生殖参与接合的亲本细胞独立生活的异核体阶段接合后双倍体的细胞形态双倍体变为单倍体的途径接合发生的几率形态相同的体细胞有与单倍体基本相同有丝分裂偶然发现，几率低形态或生理上有分化的性细胞无与单倍体明显不同减数分裂正常出现，几率高准性生殖和有性生殖的比较四、基因工程现代生物技术包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等五大工程技术。基因工程技术是现代生物技术的核心技术。基因工程是采用工程设计的方法，按照人类需要，将特定的目的基因即DNA分子插入质粒等载体分子中，构成遗传物质的新