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1、第八章,微生物的遺傳變異和育種,遺傳（inheritance）保證了種的存在和延續(xù),變異（variation）可遺傳，推動(dòng)了種的進(jìn)化和發(fā)展,遺傳和變異是生命的最本質(zhì)特性之一。,1. 遺傳型,2. 表型,又稱基因型，指某一生物個(gè)體所含有的全部遺傳因子的總和,指某一生物體所具有的一切外表特征和內(nèi)在特性的總和。,3. 變異,4. 飾變：不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上的表型變化。,特點(diǎn)：暫時(shí)性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個(gè)體的行為,特點(diǎn)：遺傳性、群體中極少數(shù)個(gè)體的行為（自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）,Production of a red pigment (prodigiosin

2、) by Serratia marcescens. From left to right: slant culture grown at 25C, slant culture grown at 37C, broth culture grown at 25C, broth culture grown at 37C.,第一節(jié) 遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)第二節(jié) 基因突變和誘變育種第三節(jié) 基因重組和雜交育種第四節(jié) 基因工程第五節(jié) 菌種的衰退、復(fù)壯和保藏,第一節(jié) 遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ),一、證明DNA是遺傳物質(zhì)的三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn) 1. 經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) 2. 噬菌體感染實(shí)驗(yàn) 3. 植物病毒重建實(shí)驗(yàn)二、遺傳物質(zhì)存在的部位和方

3、式三、基因和性狀,一、三個(gè)證明DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),1. 經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn),肺炎鏈球菌(Streptococcus pneumoniae)： S型（菌體具莢膜，菌落表面光滑，有致病能力） R型（菌體無莢膜，菌落表面粗糙，無致病能力）,1928年，F(xiàn). Griffth作了3組實(shí)驗(yàn):,以上實(shí)驗(yàn)說明：加熱殺死的S型細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)可能存在一種轉(zhuǎn)化物質(zhì)，它能通過某種方式進(jìn)入R型細(xì)胞并使R型細(xì)胞獲得穩(wěn)定的遺傳性狀，轉(zhuǎn)變?yōu)镾型細(xì)菌,1944年Avery精確重復(fù)了轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，確定轉(zhuǎn)化因子,實(shí)驗(yàn)證明，將R菌轉(zhuǎn)化為S菌的轉(zhuǎn)化因子是DNA,2.噬菌體感染實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)證明，進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)部的物質(zhì)是DNA。DNA包含有產(chǎn)生完

4、整噬菌體的全部信息。,3.植物病毒重建實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)證明，遺傳信息的流向與DNA的傳遞是一致的。在RNA病毒中，遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)也是核酸，只不過是RNA而已。,二、遺傳物質(zhì)在微生物細(xì)胞內(nèi)存在的部位和方式,除部分病毒的遺傳物質(zhì)是RNA外，其余生物體的遺傳物質(zhì)都是DNA。分染色體DNA和染色體外DNA。,1. DNA在原核微生物中的存在方式 染色體DNA處于核區(qū)，無組蛋白，與類組蛋白相結(jié)合 染色體外DNA主要指質(zhì)粒,2DNA在真核微生物中的存在方式 染色體DNA與組蛋白結(jié)合構(gòu)成復(fù)合染色體 染色體外DNA指線粒體DNA、質(zhì)粒DNA等,三、基因和性狀,1. 基因的概念 具有遺傳因子效應(yīng)的DNA片段，它是遺傳

5、物質(zhì)的最小功能單位。2. 性狀與基因表達(dá)性狀：構(gòu)成一個(gè)生物個(gè)體的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、物質(zhì)和功能等各方面特征的總稱。基因決定性狀，性狀是基因表達(dá)的結(jié)果?；颍悍譃檎{(diào)節(jié)基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因（蛋白質(zhì)編碼基因 ）3大類。,第二節(jié) 基因突變和誘變育種,一、基因突變（gene mutation） （一）突變類型 （二）突變率 （三）突變的特點(diǎn) （四）基因突變自發(fā)性和不對(duì)應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)證明 （五）基因突變的機(jī)制 二、基因突變與育種 （一）自發(fā)突變與育種 （二）誘變育種,一、基因突變（gene mutation）,野生型（原始性狀）,基因突變,突變型（新性狀）,（一）突變類型,1. 按突變后的表型能否被選擇性培養(yǎng)基加

6、以鑒別：,營養(yǎng)缺陷型：某一野生型菌株因發(fā)生突變而喪失合成一種或幾種生長因子、堿基或氨基酸的能力，因而無法再在基本培養(yǎng)基上正常生長繁殖的變異類型?？剐酝蛔冃停褐敢吧途臧l(fā)生基因突變，而產(chǎn)生對(duì)某化學(xué)藥物或致死因子的抗性變異類型。條件致死突變型：某菌株在基因突變后，在某種條件下可正常生長、繁殖，而在另一種條件下卻無法生長、繁殖。形態(tài)突變型：抗原突變型：產(chǎn)量突變型：,2. 按突變的發(fā)生方式,突變,自發(fā)突變,誘發(fā)突變,環(huán)境因素的影響，DNA復(fù)制過程的偶然錯(cuò)誤等而導(dǎo)致，一般頻率較低，通常為10-6-10-9 。,某些物理、化學(xué)因素對(duì)生物體的DNA進(jìn)行直接作用，突變以較高的頻率產(chǎn)生。,3. 按遺傳物質(zhì)的結(jié)

7、構(gòu)改變：,突變（誘變）,點(diǎn)突變point mutation 只涉及到DNA分子中一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)堿基的突變?nèi)旧w畸變chromosomal aberration 染色體在結(jié)構(gòu)上有較大范圍變化的變異,（二）突變率mutation rate,某一細(xì)胞或病毒粒在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的幾率,（三）基因突變的特點(diǎn),（1）自發(fā)性：（2）不對(duì)應(yīng)性：（3）稀有性：（4）獨(dú)立性：（5）穩(wěn)定性：（6）可逆性：（7）可誘變性：,目的： 1. 突變是否自發(fā)產(chǎn)生的？ 2. 原因 突變性狀,（二）基因突變自發(fā)性和不對(duì)應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)證據(jù),野生型（原始性狀）,突變型（適應(yīng)環(huán)境的新性狀）,特定環(huán)境,馴化,定向誘變,篩選,突變的

8、原因,？,？,？,？,三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn),？,是否對(duì)應(yīng),1. 變量實(shí)驗(yàn),2. 涂布實(shí)驗(yàn),3. 影印實(shí)驗(yàn),變量實(shí)驗(yàn)（fluctuation analysis）,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,Max Delbruck,Salvador Luria,&,（1943）,變量實(shí)驗(yàn)（fluctuation analysis）,涂布試驗(yàn),Newcombe （1949）,影印實(shí)驗(yàn)（replica plating ）,Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）,（五）基因突變及其機(jī)制,1. 誘發(fā)突變：物理、化學(xué)

9、和生物的因素，提高突變率的人為的作法,（1）堿基的置換轉(zhuǎn)換（transition）顛換（transversion),終止密碼子（UAA，UAG，UGA),同義突變：錯(cuò)義突變：無義突變：,誘變劑(mutagen),直接引起置換的誘變劑 一類可直接與核酸的堿基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的誘變劑，不論在機(jī)體內(nèi)或是在離體條件下均有作用。例如亞硝酸、羥胺和各種烷化劑 間接引起置換的誘變劑 通過活細(xì)胞的代謝活動(dòng)摻入到DNA分子中后而引起的。誘變劑是一些堿基類似物，如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氨基尿嘧啶（5-AU）,（2）移碼突變frame-shift mutation,吖啶類染料是移碼突變的有效誘變劑,（3）染色體

10、畸變：DNA的大損傷（macrolesion）,染色體結(jié)構(gòu)的改變 缺失（deletion） 重復(fù)（duplication） 易位（translocation） 倒位（inversion），染色體數(shù)目的變化,轉(zhuǎn)座（transposition）,轉(zhuǎn)座因子的類型：插入序列（IS，insertion sequence）-分子量最小，只起轉(zhuǎn)座效應(yīng)轉(zhuǎn)座子（Tn，transposon，又稱轉(zhuǎn)位子，易位子）Mu噬菌體（mutator phage，誘變噬菌體）-分子量最大，可引起插入突變,轉(zhuǎn)座因子(transposable element, TE),二、突變與育種,選育 定向培育,（一）自發(fā)突變與育種：,例：卡

11、介苗的篩選，連續(xù)接種230代,（二）誘變育種,1. 基本環(huán)節(jié)2. 原則（8項(xiàng)）3. 突變株的篩選（4步）,1. 誘變育種的基本環(huán)節(jié),2. 誘變育種的原則,（1）使用簡便有效的誘變劑,艾姆氏試驗(yàn),艾姆氏試驗(yàn)：Ames于1975年發(fā)明的一種利用鼠傷寒沙門氏菌組氨酸營養(yǎng)缺陷型的回復(fù)突變來檢測(cè)環(huán)境或食品中是否存在化學(xué)致癌劑的簡便有效方法，一般采用紙片點(diǎn)試法和平皿摻入法。,（2）選用優(yōu)良的出發(fā)菌株,（3）處理單細(xì)胞或單孢子懸浮液,（4）使用最佳誘變劑量 劑量 = 強(qiáng)度（濃度） 作用時(shí)間,（5）利用復(fù)合處理的協(xié)同效應(yīng),（6）尋找和利用形態(tài)、生理與產(chǎn)量間的相關(guān)指標(biāo)（7）設(shè)計(jì)高效率篩選方案（8）根據(jù)具體情況創(chuàng)

12、造新型篩選方案,3. 突變株的篩選： （1）產(chǎn)量突變株的篩選 （2）抗藥性突變株的篩選 （3）營養(yǎng)缺陷型突變株的篩選,（3）營養(yǎng)缺陷型的篩選方法 第一步：誘變劑處理,第二步：淘汰野生型 抗生素法：青霉素適用于細(xì)菌； 制霉菌素適用于真菌 菌絲過濾法：進(jìn)行絲狀生長的真菌和放線菌,第三步：檢出缺陷型,a 夾層培養(yǎng)法,b 限量補(bǔ)充培養(yǎng)法,c 逐個(gè)檢出法,d 影印平板法,生長譜法：在混有供試菌的平板表面點(diǎn)加微量營養(yǎng)物，視某營養(yǎng)物的周圍有否長菌來確定該供試菌的營養(yǎng)要求的一種快速、直觀的方法,第四步：鑒定缺陷型,第三節(jié) 基因重組和雜交育種,基因重組（gene recombination）或遺傳重組。,重組是

13、分子水平上的一個(gè)概念，可以理解成是遺傳物質(zhì)分子水平上的雜交，而一般所說的雜交（hybridization）則是細(xì)胞水平上的一個(gè)概念。真核微生物中的有性雜交、準(zhǔn)性雜交等及原核生物中的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合和原生質(zhì)體融合等都是基因重組在細(xì)胞水平上的反映。,重組與雜交的關(guān)系,雜交中必然包含著重組，而重組則不限于雜交這一形式,一、原核生物的基因重組 （一）接合(conjugation) （二）轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction) （三）轉(zhuǎn)化(transformation) （四）原生質(zhì)體融合(protoplast fusion)二、真核微生物的基因重組 （一）有性雜交(sexual hybridization)

14、 （二）準(zhǔn)性雜交(parasexual hybridization),一、原核生物的基因重組（一）接合(conjugation),直接接觸,1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Tatum細(xì)菌的多重營養(yǎng)缺陷型雜交實(shí)驗(yàn),中間平板上長出的原養(yǎng)型菌落是兩菌株之間發(fā)生了遺傳交換和重組所致。,真正證實(shí)接合過程需要細(xì)胞間的直接接觸的是：“U”型管實(shí)驗(yàn)（ Bernard Davis，1950 ）,1. 接合的機(jī)制2. 接合菌株與F因子3. 幾種雜交結(jié)果,1. 接合機(jī)制(大腸桿菌的接合機(jī)制),接合作用由F因子介導(dǎo)。,F因子為附加體質(zhì)粒,既可以脫離染色體在細(xì)胞內(nèi)獨(dú)立存在，也可插入（整

15、合）到染色體上,2. 接合菌株與F因子,E.coli：有性別分化，決定其性別的是F因子。,（1）F因子：又叫致育因子，性因子。是染色體外的環(huán)狀DNA分子(為大腸桿菌染色體的2%)。有編碼細(xì)菌產(chǎn)生性菌毛及控制接合過程進(jìn)行的20多個(gè)基因。,（2）F因子的四種細(xì)胞形式,a）F-菌株(“雌性”菌株)，不含F(xiàn)因子，沒有性菌毛，但可以通過接合作用接收F因子而變成F+菌株；,b）F+菌株(“雄性”菌株)， F因子獨(dú)立存在，細(xì)胞表面有性菌毛。,c）Hfr菌株，F(xiàn)因子插入到染色體DNA上，細(xì)胞表面有性菌毛。,d）F菌株，Hfr菌株內(nèi)的F因子因不正常切割而脫離染色體時(shí)，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F因子，特

16、稱為F因 子。 細(xì)胞表面同樣有性菌毛。,1） F+F-F+F+,理化因子的處理可將F因子消除而使F+菌株變成F-菌株,F+ 與F- 接合時(shí)， F+菌株的F因子復(fù)制后單鏈DNA通過性傘毛進(jìn)入F-細(xì)胞，然后再形成雙鏈環(huán)狀DNA，即F-變成F+。,3. 幾種雜交結(jié)果（細(xì)菌雜交）,高頻重組菌株：,2） Hfr F- Hfr + F- Hfr F-Hfr +Hfr（極少數(shù)）,Hfr菌株具有F性菌毛，象F+一樣與F-細(xì)胞進(jìn)行接合。接合轉(zhuǎn)移時(shí)，F(xiàn)因子除先導(dǎo)區(qū)以外，其余絕大部分是處于轉(zhuǎn)移染色體的末端，由于轉(zhuǎn)移過程常被中斷，因此F因子不易轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞中。HfrF-雜交后的受體細(xì)胞(或接合子)大多數(shù)仍然是F-。,染色體上越靠近F因子的先導(dǎo)區(qū)的基因，進(jìn)入的機(jī)會(huì)就越多，在F-中出現(xiàn)重組子的的時(shí)間就越早，頻率也高。,FF-與F+F-的不同：供體的部分染色體基因隨F一起轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞a）與染色體發(fā)生重組；b）繼續(xù)存在于F因子上，形成一種部分二倍體；,3）FF-F+ F,（二）轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）,轉(zhuǎn)導(dǎo)的類型,普遍轉(zhuǎn)導(dǎo),局限轉(zhuǎn)導(dǎo),完全普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)普遍轉(zhuǎn)導(dǎo),低頻轉(zhuǎn)導(dǎo)高頻轉(zhuǎn)導(dǎo),轉(zhuǎn)導(dǎo)：以完全缺陷或部分缺陷噬菌體