微生物的遺傳變異和育種.ppt

表型飾變 表型的差異只與環(huán)境有關(guān) 其特點(diǎn) 暫時性 不可遺傳性 表現(xiàn)為全部個體的行為 遺傳型變異 基因變異 基因突變 遺傳物質(zhì)改變 導(dǎo)致表型改變特點(diǎn) 遺傳性 群體中極少數(shù)個體的行為 自發(fā)突變頻率通常為10 6 10 9 Productionofaredpigment prodigiosin bySerratiamarcescens Fromlefttoright slantculturegrownat25 C slantculturegrownat37 C brothculturegrownat25 C brothculturegrownat37 C 第一節(jié)遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)一 3個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)1 1944年 Avery精確重復(fù)了轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) 確定了轉(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 第八章微生物的遺傳變異和育種 返回目錄 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)生完整噬菌體的全部信息 第八章微生物的遺傳變異和育種 3 植物病毒重建實(shí)驗(yàn)1956年H Frankel conrat用TMV的RNA和HRV 霍氏車前花葉病毒 RNA進(jìn)行重組 說明核酸是遺傳物質(zhì) 第八章微生物的遺傳變異和育種 二 遺傳物質(zhì)在微生物細(xì)胞內(nèi)存在的部位和方式 一 遺傳物質(zhì)在7個水平上的形式1 細(xì)胞水平 真原 2 細(xì)胞核水平 基因組 3 染色體水平 單雙 4 核酸水平 種類結(jié)構(gòu)大小 5 基因水平 操縱子 6 密碼子水平 三聯(lián)體 7 核苷酸水平 第八章微生物的遺傳變異和育種 二 微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 1 原核生物 細(xì)菌 古生菌 的基因組 1 染色體為雙鏈環(huán)狀的DNA分子 單倍體 2 基因組上遺傳信息具有連續(xù)性 基因數(shù)基本接近由它的基因組大小所估計的基因數(shù)一般不含內(nèi)含子 遺傳信息是連續(xù)的而不是中斷的 3 功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu) 4 結(jié)構(gòu)基因的單拷貝及rRNA基因的多拷貝 5 基因組的重復(fù)序列少而短 個別細(xì)菌 鼠傷寒沙門氏菌和犬螺桿菌 和古生菌的rRNA和tRNA中也發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子或間插序列 第八章微生物的遺傳變異和育種 1 典型的真核染色體結(jié)構(gòu) 啤酒酵母基因組大小為13 5 106bp 分布在16條染色體中 2 沒有明顯的操縱子結(jié)構(gòu) 3 有間隔區(qū) 即非編碼區(qū) 和內(nèi)含子序列 4 重復(fù)序列多 2 真核微生物 啤酒酵母 的基因組 第八章微生物的遺傳變異和育種 三 原核生物的質(zhì)粒 1 定義質(zhì)粒 plasmid 一種獨(dú)立于染色體外 能進(jìn)行自主復(fù)制的細(xì)胞質(zhì)遺傳因子 主要存在于各種微生物細(xì)胞中 第八章微生物的遺傳變異和育種 2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通常以共價閉合環(huán)狀 covalentlyclosedcircle 簡稱CCC 的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細(xì)胞中 也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒 質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb 細(xì)菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi) 第八章微生物的遺傳變異和育種 3 質(zhì)粒的類型 嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒 stringentplasmid 復(fù)制行為與核染色體的復(fù)制同步 低拷貝數(shù)松弛型質(zhì)粒 relaxedplasmid 復(fù)制行為與核染色體的復(fù)制不同步 高拷貝數(shù) 窄宿主范圍質(zhì)粒 narrowhostrangeplasmid 只能在一種特定的宿主細(xì)胞中復(fù)制 廣宿主范圍質(zhì)粒 broadhostrangeplasmid 可以在許多種細(xì)菌中復(fù)制 第八章微生物的遺傳變異和育種 4 質(zhì)粒在基因工程中的應(yīng)用質(zhì)粒的優(yōu)點(diǎn) 1 體積小 易分離和操作 2 環(huán)狀 穩(wěn)定 3 獨(dú)立復(fù)制 4 拷貝數(shù)多 5 存在標(biāo)記位點(diǎn) 易篩選 E coli的pBR322質(zhì)粒是一個常用的克隆載體 第八章微生物的遺傳變異和育種 6 質(zhì)粒的主要種類 質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng) 致育因子 Fertilityfactor F因子 抗性因子 Resistancefactor R因子 產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒 Bacteriocinproductionplasmid 毒性質(zhì)粒 virulenceplasmid 代謝質(zhì)粒 Metabolicplasmid 隱秘質(zhì)粒 crypticplasmid 第二節(jié)基因突變和誘變育種 一 基因突變 生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu) 突然發(fā)生了可遺傳的變化 幾率10 6 10 9 一 基因突變營養(yǎng)缺陷型 基因突變而喪失合成一種或幾種生長因子的能力類型 選擇性突變抗性突變型 產(chǎn)生對某種藥物或物理因子的抗性類型條件致死突變型 某種條件可生長 另一種條件死的類型 形態(tài)突變性 個體或菌落形態(tài)所發(fā)生的非選擇變化的類型 非選擇性突變抗原突變型 指基因突變引起的抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的變異類型 L型細(xì)菌 產(chǎn)量突變型 指基因突變而獲得的在有用代謝產(chǎn)物產(chǎn)量上高于原始菌株的突變株 二 突變率10 6 10 9 第八章微生物的遺傳變異和育種 返回目錄 三 突變的特點(diǎn) 不對應(yīng)性 指突變的性狀與引起突變的原因間無直接的對應(yīng)關(guān)系 因這一突變有的可自發(fā)或其他誘變因子誘發(fā)獲得 自發(fā)性變量實(shí)驗(yàn) 1943年S E Luria等又稱波動實(shí)驗(yàn)涂布實(shí)驗(yàn) 1949Newcombe設(shè)計平板培養(yǎng)法 平板影印實(shí)驗(yàn) 1952證明微生物的抗藥性在未接觸藥物前就產(chǎn)生了 這一突變與藥物毫無關(guān)系 產(chǎn)生28個突變株 稀有性 一般在10 6 10 9 誘變性 可提高10 105 穩(wěn)定性 遺傳結(jié)構(gòu)發(fā)生了穩(wěn)定性的變化 4 基因突變的機(jī)制 轉(zhuǎn)換堿基置換點(diǎn)突變顛換移碼突變?nèi)笔дT變?nèi)笔砑犹砑油蛔兤樽円孜坏刮蛔园l(fā)突變 獨(dú)立性 在某一群體中 即可發(fā)生抗青霉素 又可發(fā)生抗鏈霉素的突變型 可逆性 野生型基因突變型基因 四 基因突變自發(fā)性和不對應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)證明 第八章微生物的遺傳變異和育種 1 堿基的置換堿基的置換屬于一種染色體的微小損傷 也稱點(diǎn)突變 分為轉(zhuǎn)換 嘌呤換嘌呤 嘧啶換嘧啶 A G 顛換 嘌呤換嘧啶或 A T 直接引起置換的誘變劑 直接與核酸的堿基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的誘變劑 如亞硝酸 羥胺 各種烷化劑 間接引起置換的誘變劑 通過活細(xì)胞的代謝活動滲入到DNA分子中后引起的 如嘌呤 嘧啶及5 BU 2 移碼突變 指誘變劑使DNA分子中的一個或少數(shù)幾個核苷酸的添加 插入 或缺失 從而使該部位后面的全部遺傳密碼發(fā)生轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯錯誤 吖啶類染料 包括亞啶黃 亞啶橙 誘變機(jī)制還不清楚 轉(zhuǎn)座因子 transposibleelement 跳躍基因 jumpinggene 在染色體組中或染色體組間能改變自身位置的一段DNA順序 3 染色體畸變 插入序列 insertionsequence 分子量小 0 7 1 4kb 只能引起轉(zhuǎn)座效應(yīng)而不含其它任何基因 轉(zhuǎn)座子 Tn transposon 分子量為2 25kb 含有幾個到十幾個基因 能插到受體DNA分子的許多位點(diǎn)上 Mu噬菌體 mutatorphage 是E Coli的一種溫和噬菌體 分子量大 約37kb 含20多個基因 可以引起插入突變 自發(fā)突變的機(jī)制 1 背景輻射和環(huán)境因素實(shí)質(zhì)上是一些原因不詳?shù)牡蛣┝空T變因素長期綜合誘變作用的結(jié)果輻射或高溫 2 微生物自身有害代謝物的誘變效應(yīng) 如自己產(chǎn)生過氧化氫的作用 3 互變異構(gòu)效應(yīng) 酮式至烯醇式的互變效應(yīng)引起5 BU 4 環(huán)出效應(yīng) DNA復(fù)制過程中鏈上產(chǎn)生小環(huán) 1損傷機(jī)理 2修復(fù) 光復(fù)活作用 把近紫外線照射的微生物立即暴露于可見光下 可顯著降低其死亡率 暗修復(fù)作用 切除修復(fù) 有四種酶參與 5紫外線對DNA的損傷及修復(fù) 二 突變與育種 1 自發(fā)突變與育種 從生產(chǎn)中選育 定向培育優(yōu)良品種 用某一特定因素長期處理某些微生物的群體 同時不斷的對他們進(jìn)行移種傳代 選擇相應(yīng)的自發(fā)突變菌株 傳統(tǒng)的方法 卡介苗 結(jié)核分支桿菌 的培育 法國科學(xué)家A Calmette和C Guerin把牛型結(jié)核分支桿菌接種了230代 前后13年 獲得了顯著減毒的卡介苗 梯度平板法篩選 P 220 2 誘變育種 基本環(huán)節(jié) 可以慨括為由少數(shù)到高效 P213 誘變育種應(yīng)考慮的原則 1 選擇簡便有效的誘變劑 化學(xué)誘變劑 種類很多 P214 N 甲基 N 硝基 N 亞硝基胍 NTG 誘變效果顯著 NTG處理許多菌種 可得到12 80 的營養(yǎng)缺陷型 又稱為超誘變劑 而一般的誘變劑處理只得到幾 擬輻射 有些烷化劑既能誘發(fā)點(diǎn)突變 又能誘發(fā)只有輻射才能誘發(fā)的染色體畸變 任何能改變核酸結(jié)構(gòu)的因素都可能引起核酸生物學(xué)功能的改變 三致 致變 正負(fù) 致畸致癌 70年代發(fā)明微生物利用營養(yǎng)物質(zhì)缺陷的回變檢出致癌物艾姆斯試驗(yàn) 艾姆斯試驗(yàn)測定潛在化學(xué)致癌物的基本原理 鼠傷寒沙門氏菌 Salmonellatyphimurium 的組氨酸缺陷型his 菌株在基本培養(yǎng)基的平板上不能生長 如果發(fā)生回復(fù)突變則能生長 國外曾開發(fā)了一種降低婦女妊娠反應(yīng)的藥物 反應(yīng)停 但隨后人們就發(fā)現(xiàn)畸形兒的出生率明顯增高 平板上無大量菌落出現(xiàn) 說明樣品不含誘變劑 有抑制圈出現(xiàn) 并在外圍長滿大量菌落 說明濃度過高 在濾紙片周圍長滿菌落說明濃度合適 該法廣泛用于監(jiān)測食品飲料藥物等試樣中的致癌物時間3天 準(zhǔn)確率85 化學(xué)誘變方法 較為簡單的一種 先在平板表面涂一層出發(fā)菌株細(xì)胞 然后在平板上放幾棵很小的誘變顆粒 或含誘變劑的濾紙片 在菌圈的邊緣挑取突變菌落 分別制成懸乳液 稀釋涂抹接種 最后用影印培養(yǎng)法或逐個檢出法選出突變株 物理誘變劑 紫外線 其它射線 常用的物理誘變方法 紫外線誘變 15w燈 30厘米 時間不短于15秒 不長于10 20分 將5毫升單細(xì)胞懸液 放置在6厘米的培養(yǎng)皿中在無蓋條件下照射 2 挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株最好是經(jīng)過選育過的自發(fā)變異株 3 處理單孢子 或單細(xì)胞 均勻懸液盡管如此還會出現(xiàn)不純的菌落 稱為表型延遲 因?yàn)檎T變劑只作用于DNA一條連 故某一突變無法反映在當(dāng)代表型上 對霉菌放線菌處理孢子 對芽孢桿菌處理芽孢 4 選用最適劑量目前采用殺菌率為70 75 甚至30 70 5 充分利用復(fù)合處理的協(xié)同效應(yīng)同一誘變劑的重復(fù)使用 兩種混合或多種先后使用 同時使用等 6 利用和創(chuàng)造形態(tài) 生理和產(chǎn)量間的相關(guān)指標(biāo)P217 一般分為初篩和復(fù)篩兩種方案 3 營養(yǎng)缺陷型突變菌株的篩選 培養(yǎng)基的選擇基本培養(yǎng)基 MM 僅能滿足某微生物野生型營養(yǎng)菌株生長的最低組分培養(yǎng) 完全培養(yǎng)基 CM 凡可滿足一切營養(yǎng)缺陷型菌株?duì)I養(yǎng)需要的天然或半合成培養(yǎng)基 稱為完全培養(yǎng)基 補(bǔ)充培養(yǎng)基 SM 凡只能滿足相應(yīng)營養(yǎng)缺陷型菌株?duì)I養(yǎng)需要組合培養(yǎng)基 稱為補(bǔ)充培養(yǎng)基 第三節(jié)基因重組 概念 凡把兩個不同性狀個體內(nèi)的基因轉(zhuǎn)移到一起 經(jīng)過遺傳分子間的重新組合 形成新遺傳型個體的方式 注意 重組是分子水平上的 雜交是細(xì)胞水平上的概念 雜交包含重組 重組不局限于雜交這一形式 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)結(jié)合等都是基因重組在細(xì)胞上的反映 返回目錄 一 原核微生物的基因重組 1 轉(zhuǎn)化受體菌直接吸收了來自供體菌的DNA片段 通過交換把它整合在自己的基因組中 再經(jīng)復(fù)制就使自己變成一個轉(zhuǎn)化子 這種受體菌接受供體菌的DNA片段而獲得部分新遺傳性狀的現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)化作用 轉(zhuǎn)化在原核微生物中較普遍 如Streptococcuspneumoniae 肺炎雙球菌 供體菌裂解游離的DNA片段轉(zhuǎn)入某受體菌細(xì)胞內(nèi)的過程 感受態(tài) 受體細(xì)胞最易接受外源DNA片段并實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)化的一種生理狀態(tài) 現(xiàn)已知感受因子是一種胞外蛋白 處于感受態(tài)高峰 群體中呈感受態(tài)細(xì)胞數(shù)也隨菌種的不同而不同 轉(zhuǎn)染 如果把噬菌體或其他病毒的DNA抽提出來 讓他去感染感受態(tài)的宿主細(xì)胞并進(jìn)而產(chǎn)生正常的噬菌體后代 或病毒的后代 這種現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)染 他與轉(zhuǎn)化不同之處是病毒或噬菌體并非遺傳基因的供體 中間也不發(fā)生任何遺傳因子的交換或整合 最后也不產(chǎn)生具有雜種性質(zhì)的轉(zhuǎn)化子 2 轉(zhuǎn)導(dǎo) 轉(zhuǎn)導(dǎo) 通過完全缺陷或部分缺陷噬菌體的媒介 把供體細(xì)胞的DNA小片段攜帶到受體細(xì)胞中 通過交換與整合 從而使后者獲的前者部分的遺傳性狀的現(xiàn)象 獲得新遺傳性狀的受體細(xì)胞為轉(zhuǎn)導(dǎo)子 見P227轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象在自然界比較普遍很可能是產(chǎn)生一種新基因的方式 普遍轉(zhuǎn)導(dǎo) 通過完全缺陷噬菌體對供體菌任何DNA小片段的誤包而實(shí)現(xiàn)其遺傳性狀傳遞至受體菌的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象 完全缺陷噬菌體 極少數(shù)噬菌體的衣殼將與噬菌體頭部DNA芯子相仿的小段供體菌DNA片段誤包入其中 因此形成了一個完全不含噬菌體自生DNA的假噬菌體 普遍轉(zhuǎn)導(dǎo) 完全普遍轉(zhuǎn)導(dǎo) 在鼠傷寒沙門氏菌 S typhimurium 完全普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)中 以野生型菌株做供體 營養(yǎng)缺陷型突變株做受體菌P22噬菌體 烈性噬菌體引起 作為轉(zhuǎn)導(dǎo)媒介 有10 6 108的噬菌體衣殼 誤包裝了與噬菌體頭部DNA相仿的供體DNA片段 形成完全缺陷噬菌體 將供體DNA導(dǎo)入受體 二 真核微生物的基因重組 1 有性雜交 指性細(xì)胞間的結(jié)合和隨之發(fā)生的染色體重組 并產(chǎn)生新遺傳型后代的一種育種技術(shù) 凡能產(chǎn)生有性孢子的酵母或霉菌原則上都可應(yīng)用由于高等動植物雜交育種的方式進(jìn)行育種 2 準(zhǔn)性雜交 是一種類似于有性生殖 但比它更為原始的一種生殖方式 它可使同種生物兩個不同菌株的體細(xì)胞發(fā)生融合 且不以減數(shù)分裂的方式而導(dǎo)致低頻率的基因重組并產(chǎn)生組重子 常見在半知菌中 準(zhǔn)性雜交主要過程為 準(zhǔn)性生