南理工微生物学课件 第八章.ppt

1、1,Chapter 8 微生物的遗传和变异 Section 1 遗传变异的物质基础 一.遗传与变异 heredity variation 子代与亲代的相似现象为遗传，遗传保证了物种的稳定性； 子代与亲代的差异现象为变异，变异推动物种进化与发展。 表型phenotype：遗传特性在一定环境条件下的具体表现。 变异是可遗传的，物种的特性改变不一定都是变异，非变异的特性改变不能遗传。 注意：遗传是相对的；变异则是绝对的。,2,二.遗传变异的物质基础 (一)证明核酸是遗传物质基础的经典实验 1.1944年Avery的转化实验证实了Griffith在1928年的发现：肺炎链球菌S型DNA成功转化R型，首

2、次证明S型荚膜的遗传信息为DNA。 2.1953年Hershey等的搅拌试验：证实DNA是噬菌体的遗传物质。 3.1955年Fraenkel-Conrat的TMV的重组试验：证实RNA也是遗传物质。 4.1953年Watson和Crick的DNA双螺旋结构模型：分子生物学和分子遗传学的诞生。,3,肺炎链球菌转化试验,4,搅拌试验,5,(二)遗传物质在细胞中存在方式 RNA病毒不在讨论范围 1.细胞水平 单核细胞和多核细胞； 2.细胞核水平 真核生物细胞核，原核生物核质体；核外染色体：细胞器、质粒等； 3.染色体水平 真核微生物含多条染色体，原核微生物的核质体为单个环状染色体； 4.核酸水平 细

3、胞生物的遗传物质是DNA，分子生物病毒的遗传物质部分DNA，部分RNA； 5.基因水平 具有自主复制能力的、遗传物质的最小功能单位，1909年提出。 基因表达性状决定；基因型+环境=表型 原核生物的基因表达系统： 操纵子=调节基因+操纵基因+结构基因 6.密码子水平 负载遗传信息的基本单位， 1961年Kornberg破译遗传密码； 7.核苷酸水平 最低突变单位或交换单位。,6,细胞与基因的比喻,7,细胞核、染色体、染色质、DNA、碱基对,8,细胞中的DNA复制及基因表达简图,9,mRNA上的密码子,10,遗传密码表,11,(三)原核生物质粒plasmid 游离于原核生物基因组外，具有独立复制

4、能力的小型环状DNA分子，构型为cccDNA 1.质粒特性： 质粒是一种独立的复制子replicon； 携带染色体所不具有的基因，可赋予细胞 一定功能； 严紧型复制或松弛型复制； 少数质粒可在细胞之间发生转移； 质粒在某些环境条件下可消失； 质粒具有整合与重组功能等。,12,大肠杆菌染色体与质粒DNA,13,2.细菌质粒简介 1)F因子fertility factor：性因子，与细菌接合有关，存在于肠道细菌、假单胞菌、链球菌等； 2)R因子resistance factor：抗性因子，可转移，与抗药性有关，存在于肠道菌、葡萄球菌等； 3)Col因子colicinogenic factor：Co

5、lE1和ColIb；前者无接合作用，用于基因工程技术领域； 4)Ti质粒tumor induced plasmid：大型质粒，引起双子叶植物根癌，植物基因工程载体 5)巨大质粒mega plasmid：根瘤菌质粒，具有固氮基因； 6)降解性质粒：在假单胞菌中发现的系列质粒，分解樟脑、辛烷、二甲苯、水杨酸、萘等。 真核微生物酵母也具有质粒：2u质粒等。,14,细菌染色体与质粒示意,15,* 可动遗传因子Mobile genetic elements：DNA分子内(间)移动位置的一段DNA序列 1)插入序列IS：800-1400bp不等，仅携带转座有关基因，不给予细菌附加表型； 2)转座子Tn：携

6、带赋予细菌某种遗传特性的基因，通常是抗性基因； 3)Mu噬菌体：大肠杆菌整合型温和噬菌体，整合部位随机。 注意大肠杆菌温和噬菌体、P1和Mu之间的溶源性区别。,16,Section 2 微生物的突变Mutation 一.突变率和基因符号 每个细胞在每世代中发生突变的概率突变率 A+和A-代表原养型和缺陷型； Ar和As代表抗性和敏感。 二.突变的遗传学基础 1.基置换：转换transition和颠换transversion的概念； 2.基因缺失或外源DNA片段插入； 3.移码突变：ORF的读码错误； 4.染色体畸变：缺失、重复、倒位、易位等,17,碱基置换,18,三.微生物的突变类型 1.营养

7、缺陷型auxotroph：丧失合成生长因子能力，无法在基本培养基生长的突变类型； 2.抗性突变型resistant：在有关药物平板上生长的突变类型； 3.条件致死突变型conditional lethal：在选择 性条件下死亡的突变类型，如温度敏感； 4.形态突变型morphological：个体或菌落形态发生改变的非选择型突变； 5.抗原突变型antigenic：抗原结构发生改变导致新抗原的产生； 6.产量突变型yields：产量性状是由多因子决定，突变机制复杂；正变和负变。,19,四.突变的特点 主要讨论细菌的抗药性和抗噬菌体特性细菌抗药性的三条途径：基因突变、R因子转移、生理适应。 1.

8、不对应性：突变性状与引起突变的原因间无直接的对应关系；抗药性、抗紫外、耐高温中的药物、紫外和高温仅仅是一种甄别作用。 2.自发性：非人为因素可引发突变； 3.稀有性：突变率一般在10-610-9之间； 4.独立性：基因突变是独立的，突变对细胞是随机的，对基因也是随机的； 5.诱变性：诱变剂可提高突变率； 6.稳定性：变异性状是可遗传的； 7.可逆性：基因可发生正向突变，也可发生回复突变。,20,五.基因突变的自发性和非对应性的证明 1.变量试验fluctuation test 1943年Luria和Delbruck设计 2.涂布试验Newcombe exp 1949年Newcombe设计 3.

9、影印培养试验replica plating 1952年Lederberg设计,21,变量试验,22,影印培养试验,23,六.自发突变 1.自发突变的原因 1)DNA复制：核苷酸的掺入错误 2)微生物自身产生诱变物质 3)环境对微生物的诱变作用：背景辐射、环境因素的积累作用等。 2.自发突变的偶然性及其特点 自发突变概率很低，具有一定随机性，但存在突变热点，并与突变率有一定关系。 突变热点hotspots：基因内部突变率特别高的位点。热点在突变中均存在。,24,七.诱发突变 1.物理因素诱变 1)紫外线：DNA对紫外线具有强烈吸收，生物学效应主要为产生嘧啶二聚体等； 2)X射线和射线：这是电离辐

10、射； 2.化学因素诱变 1)碱基结构类似物：5-BU、5-dU、8-NG、5-AP等 2)与碱基发生反应的诱变剂：亚硝酸、烷化剂等 3)移码诱变剂：丫啶类化合物 诱变因素也是动物的致癌因素,25,5-溴尿嘧啶的诱变机制,26,亚硝酸的诱变机制,27,移码诱变剂-丫啶类染料,28,八.突变的检出 1.抗性突变株：抗代谢物、抗代谢类似物、抗噬菌体、抗特定物质、抗金属离子等； 2.发酵突变株：主要是碳源利用突变株，多采用鉴别培养基； 3.温度敏感突变株：选择性条件培养或死亡的突变株，以温度甄别。,29,Section 3 原核微生物的遗传分析 一.细菌的基因转移与重组 细菌基因转移的三种方式： 接合

11、conjugation、转化、转导 1.接合：供体菌和受体菌完整细胞的直接接触而进行的大片段DNA的转移过程。 1)大肠杆菌杂交试验：1946年试验证实原核生物的接合现象 由Lederberg设计 A菌株：Met-Bio- B菌株：thr-leu-thi- 在完全培养基上混合培养再涂布于基础培养基后出现Met+ Bio+ thr+ leu+thi+；而单独涂布者在基础培养基不出现任何菌落。 1952年发现，大肠杆菌的遗传重组为单向极性，据此将大肠杆菌分为F+和F-,前者具有F因子，后者无随后人们筛选到高频重组菌Hfr。,30,2)接合菌株与F因子 F因子基因组分三个区段： 自主复制区、重组区、

12、转移区。 大肠杆菌的F因子以二种形式存在： 游离态和整合态； F+菌株：F因子为游离态，自主复制； Hfr菌株：F因子整合在宿主染色体的一定部位并与之同步复制； F菌株和F因子：携带宿主染色体基因的F因子为F因子；,31,性繖毛介导的大肠杆菌接合,32,质粒在确定供体菌和受体菌中的作用,33,3)几种杂交结果 F+F-杂交：供体菌和受体菌借助性菌毛连接接合管，F因子由此进入，F因子为单链传输；结果是二个菌株均为F+菌； HfrF-：Hfr中的F因子推动宿主染色体(单链)顺序进入受体菌F-，杂交后的受体菌仍为F-菌株，原因：F因子位于转移DNA的末端 因F因子的整合部位和整合DNA的断裂部位固定

13、，通过接合中断试验可用于基因作图 FF-：F菌株的遗传性状介于Hfr和F+之间，杂交后的受体菌变为F菌，该接合方式称为F因子转导或性导。 注意初生F菌和次生F菌的区别：次生菌株F因子携带的基因为二倍体。,34,大肠杆菌遗传图谱,35,细菌接合过程中的F质粒转移,36,2.转化transformation 1928年Griffith和1944年Avery的试验 1)基本概念 转化：受体细胞直接吸收来自供体细胞DNA片段，使前者获得新的遗传性状的现象 转化子transformant：经转化后出现供体细胞性状的受体细胞。 转化因子：具有转化活性的外来DNA片段 感受态competence：细菌能够从

14、环境中吸收 DNA分子进行转化的生理状态。,37,2)转化条件 受体菌：处于感受态的细菌才能实现转化，有感受态因子或环境条件诱导； 外源DNA：高分子量和同源性。 3)转化过程 感受态细胞的建立，用Ca2+和cAMP处理可提高感受态水平； DNA的结合与摄取； 转化因子与细胞染色体重组：单链DNA与染色体DNA的同源段发生交换重组。 细菌转化的非普遍性和转化的低效率。,38,3.转导transduction 定义：以噬菌体为媒介，将供体菌的DNA片段转移到另一细菌并使后者发生遗传变异的过程。 获得新的供体细胞性状的受体细胞称为转导子transductant；携带供体DNA片段的噬菌体称为转导噬

15、菌体或转导颗粒。 注意完全缺陷噬菌体和部分缺陷噬菌体的区别,39,1)普遍性转导general 转导噬菌体可携带供体染色体的任意片段，且频率相同。 转导现象的发现 1952年Zinder和Lederberg设计的U型管试验：P22介导的遗传重组； 普遍性转导的机制包裹选择模型 P22噬菌体的转导机制：末端冗余的特定识别位点 pac的切割包装用于宿主染色体。 其它转导噬菌体：P1、T4、Mu、枯草杆菌噬菌体PBS1等； 流产转导abortive：被转导进入受体细胞的DNA不能整合到宿主染色体上，单线遗传,40,细菌普遍性转导机制,41,2)局限性转导specialized 这是溶源菌中的温和噬菌

16、体(实际上是缺陷噬菌体)所介导的一种特殊转导形式。 缺陷噬菌体转导受体菌所形成的转导子为缺陷溶源菌 局限性转导机制杂种形成模型：溶源噬菌体DNA的非正常切离(噬菌体DNA与其整合侧翼的宿主DNA发生低频率的错误交换)形成具转导能力的缺陷噬菌体。 如噬菌体的整合部位是大肠杆菌的bio和gal基因之间，故缺陷噬菌体为dgal或dbio。 局限性转导中的低频转导LFT和高频转导HFT HFT的形成是因为供体菌为双重溶源菌(/dg)，二种噬菌体可等量释放，形成高频转导。 LFT即为单一溶源噬菌体的低频率非正常切离引起的转导。 3)普遍性转导与局限性转导之比较,42,Lamda噬菌体与宿主染色体DNA的

17、整合与切离,43,细菌遗传重组示意图,44,细菌中的遗传信息交换,45,Section 4 真菌的基因重组 一.有性生殖 真菌的有性生殖和性融合发生于单倍体之间。多数真菌融合后进行减数分裂，并发育成新的单倍体细胞。 二.准性生殖 不经过减数分裂而导致染色体单倍化和遗传重组的过程。 1.准性生殖的三个阶段 1)异核体形成： 2)核融和杂交二倍体的形成 3)单倍体化：在有丝分裂过程中，杂合二倍体的同源染色体的染色单体之间发生交换，或称体细胞重组。 真菌二倍体的单倍体化是若干次有丝分裂的结果。 2.准性生殖的应用：真菌杂交育种。 3.准性生殖与有性生殖的比较,46,真菌生活史中的核循环,47,真菌准

18、性生殖,48,Section 5 微生物育种 一.诱变育种 理化因素人工处理菌体培养筛选测定分析目的菌株 1.一般原则 微生物的育种主要是就提高微生物产某种有益代谢产物来开展工作。 1)出发菌株的筛选：高产、生长快、营养要求粗放、遗传标记明显、对诱变敏感等； 2)诱变条件选择：菌体生长对数期、孢子萌发前期等 3)诱变剂选择：方便性、有效性；正变与负变的概念 常用诱变剂：紫外、射线、亚硝基胍等 4)诱变剂量选择：高剂量负变率多，低剂量正变率多 5)初筛：将符合需要的变异菌株筛选出来，必需快速 6)复筛：采用摇瓶检测所需产物量,49,2.营养缺陷型的筛选 1)营养缺陷型：某菌株经诱变后丧失合成某营

19、养成分的能力，在基本培养基上不能生长，必须在基本培养基中加入相应物质才能生长的菌株。 基本培养基MM：可满足野生型菌株生长最低限度需要的培养基； 补充培养基SM：在MM上加入生长因子的培养基，如加入蛋白胨或酵母浸膏等； 完全培养基CM：在MM中同时加入蛋白胨和酵母膏的培养基，营养缺陷型可以生长,50,2)筛选过程：诱变中间培养淘汰野生型检出营养缺陷型营养缺陷型鉴定。 中间培养：对数生长期，单核细胞出现双核现象，人工诱变后的变异性状出现延迟现象；因为突变常发生在一个核上，经过几代繁殖后才变为纯种变异细胞；变异到分离为中间培养。 淘汰野生型：浓缩缺陷型，用抗生素淘汰生长期的野生型细胞或过滤去除生长细胞的菌丝；,51,营养缺陷型检出 点种法：完全培养基分离，分别点于完全培养基和基本培养基上可以判断； 夹层检出：低层基本培养基，二层倒