微生物 10-1第十章 微生物的遺傳變異和育種課件

1、第十章微生物的遺傳變異和育種遺傳：親代與子代相似變異：親代與子代、子代間不同個(gè)體不完全相同遺傳（inheritance）和變異（variation）是生命的最本質(zhì)特性之一遺傳型：表型：生物的全部遺傳因子所攜帶的遺傳信息具有一定遺傳型的個(gè)體，在特定環(huán)境條件下通過(guò)生長(zhǎng)發(fā)育所表現(xiàn)出來(lái)的外表特征和內(nèi)在特征的總和。表型是由遺傳型所決定，但也和環(huán)境有關(guān)。表型飾變：表型的差異只與環(huán)境有關(guān)特點(diǎn)：暫時(shí)性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個(gè)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(gè)體的行為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.微生物是遺傳學(xué)研究中的明星： 微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，營(yíng)養(yǎng)體一般為單倍體， 方便建立純系。 很多常見(jiàn)微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大 量生長(zhǎng)繁殖。 物種和代謝類(lèi)型多樣 對(duì)環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類(lèi)突變株， 操作性強(qiáng)。第一節(jié) 微生物遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)第二節(jié) 基因突變與自然選育第三節(jié) 突變的

3、誘發(fā)與微生物誘變育種第四節(jié) 基因重組與雜交育種第五節(jié) 分子育種第六節(jié) 菌種的退化、復(fù)壯與保藏第一節(jié) 遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)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：S型（菌體具莢膜，菌落表面光滑，有 致病能力） R型（菌體無(wú)莢膜，菌落表面粗糙，無(wú) 致病能力）1928年，F(xiàn).Griffth作了3組實(shí)驗(yàn):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DNA2、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。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。二、遺傳物質(zhì)

4、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(gè)水平上的形式1、細(xì)胞水平2、細(xì)胞核水平3、染色體水平4、核酸水平5、基因水平6、密碼子水平7、核苷酸水平（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(jì)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(gè)別細(xì)菌(鼠傷寒沙門(mén)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2、真核微

5、生物（啤酒酵母）的基因組1）典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；啤酒酵母基因組大小為13.5106bp，分布在16條染色體中。 2）沒(méi)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；3、原核生物和真核生物的基因組比較（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。質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷?xì)胞一般是非必需的；在某些特殊條件下，質(zhì)粒有時(shí)能賦予宿主細(xì)胞以特殊的機(jī)能，從而使宿主得到生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通常以共價(jià)閉合環(huán)狀(covalently closed circle，簡(jiǎn)稱CCC)的超螺旋雙鏈DNA分子存

6、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)）3、質(zhì)粒的類(lèi)型嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒(stringent plasmid)：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(relaxed plasmid)：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(narrow host range plasmid)（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(broad host range plasmid)（可以在許多種細(xì)菌中復(fù)制）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)

7、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(gè)常用的克隆載體5、質(zhì)粒的檢測(cè) 提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察； 超速離心或瓊脂糖凝膠電泳后觀察； 對(duì)于實(shí)驗(yàn)室常用菌，可用質(zhì)粒所帶的某些特點(diǎn)， 如抗藥性初步判斷。6、質(zhì)粒的主要種類(lèi)質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng)致育因子（Fertility factor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistance factor，R因子）產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）毒性質(zhì)粒（virulence plasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolic plasmid）隱秘質(zhì)粒（cryptic pla

8、smid）The end!1、細(xì)胞水平真核微生物：細(xì)胞核原核微生物：核區(qū)細(xì)胞核或核區(qū)的數(shù)目在不同的微生物中是不同的2、細(xì)胞核水平真核生物 細(xì)胞核 核染色體原核生物 核區(qū) DNA鏈核基因組在核基因組之外，還存在各種形式的核外遺傳物質(zhì)3、染色體水平染色體是由組蛋白與DNA構(gòu)成的線狀結(jié)構(gòu)染色體的數(shù)目在不同的生物中是不同的染色體的倍數(shù)在同一生物的不同生活時(shí)期是不同的4、核酸水平核酸種類(lèi)：DNA，RNA核酸結(jié)構(gòu)：雙鏈、單鏈； 環(huán)狀，線狀，超螺旋狀DNA長(zhǎng)度：因種而異微生物基因組測(cè)序工作是在人類(lèi)基因組計(jì)劃的促進(jìn)下開(kāi)始的，最開(kāi)始是作為模式生物，后來(lái)不斷發(fā)展，已成為研究微生物學(xué)的最有力的手段。5、基因水平6、

9、密碼子水平7、核苷酸水平核苷酸是最小突變單位和交換單位（1）致育因子(Fertility factor，F(xiàn)因子)又稱F質(zhì)粒，其大小約100kb，這是最早發(fā)現(xiàn)的一種與大腸桿菌的有性生殖現(xiàn)象（接合作用）有關(guān)的質(zhì)粒。攜帶F質(zhì)粒的菌株稱為F+菌株（相當(dāng)于雄性），無(wú)F質(zhì)粒的菌株稱為F-菌株（相當(dāng)于雌性）。F因子能以游離狀態(tài)(F+)和以與染色體相結(jié)合的狀態(tài)(Hfr)存在于細(xì)胞中，所以又稱之為附加體(episome)。（2）抗性因子（Resistance factor，R因子）包括抗藥性和抗重金屬二大類(lèi)，簡(jiǎn)稱R質(zhì)粒?？剐再|(zhì)粒在細(xì)菌間的傳遞是細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一。R質(zhì)?？剐赞D(zhuǎn)移因子（RTF）：轉(zhuǎn)移和復(fù)

10、制基因抗性決定因子：抗性基因R100質(zhì)粒(89kb)可使宿主對(duì)下列藥物及重金屬具有抗性：汞（mercuric ion ，mer）四環(huán)素（tetracycline，tet ）鏈霉素(Streptomycin, Str)、磺胺(Sulfonamide, Su)、氯霉素(Chlorampenicol, Cm)、夫西地酸（fusidic acid，fus）并且負(fù)責(zé)這些抗性的基因是成簇地存在于抗性質(zhì)粒上。（3）產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）一般都位于質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，因此，細(xì)菌素可以殺死同種但不攜帶該質(zhì)粒的菌株。細(xì)菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類(lèi)進(jìn)行命名：大腸桿菌（

11、E. coli）產(chǎn)生的細(xì)菌素為colicins（大腸桿菌素），而質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因涉及細(xì)菌素運(yùn)輸及發(fā)揮作用的蛋白質(zhì)的基因賦予宿主對(duì)該細(xì)菌素具有“免疫力”的相關(guān)產(chǎn)物的基因（4）毒性質(zhì)粒（virulence plasmid）許多致病菌的致病性是由其所攜帶的質(zhì)粒引起的，這些質(zhì)粒具有編碼毒素的基因，其產(chǎn)物對(duì)宿主（動(dòng)物、植物）造成傷害。產(chǎn)毒素大腸桿菌是引起人類(lèi)和動(dòng)物腹瀉的主要病原菌之一，其中許多菌株含有為一種或多種腸毒素編碼的質(zhì)粒。蘇云金桿菌含有編碼內(nèi)毒素(伴孢晶體中)的質(zhì)粒根癌土壤桿菌所含Ti質(zhì)粒是引起雙子葉植物冠癭瘤的致病因子Ti質(zhì)粒中的T-DNA可攜帶任何外源基因整合到植物基因組中，是植物基因工程中有效的克隆載體（5）代謝質(zhì)粒（Metabolic plasmid）質(zhì)粒上攜帶有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基質(zhì)的酶，進(jìn)行共生固氮，或產(chǎn)生抗生素（某些放線菌）等。將復(fù)雜的有機(jī)化合物降解成能被其作為碳源和能源利用的簡(jiǎn)單形式，環(huán)境保護(hù)方面具有重要的意義。降解質(zhì)粒：假單胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香