畜牧微生物學第六章微生物的遺傳與變異

畜牧微生物學第六章微生物的遺傳與變異第1頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)微生物遺傳與變異的概念第二節(jié)常見的微生物表型變異第三節(jié)微生物變異的機理第四節(jié)微生物變異株的獲得及微生物遺傳性的保存第2頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月ReviewGenetics遺傳學:scienceofheredityHeredity,inheritance遺傳:geneticsubstancetransmittedfromparenttooffspring子代Variation變異:Inheritable,lowrate(10-5~10-8)Mutation突變:anychangeinthenucleotidesequenceoftheDNAinacell.Modification飾變:onphenotype,notgenotypeGenotype基因型:geneticmakeupPhenotype表現(xiàn)型:actual,expressedproperties第一節(jié)微生物遺傳與變異的概念第3頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月微生物是遺傳學研究中的明星：微生物細胞結構簡單，營養(yǎng)體一般為單倍體，方便建立純系。很多常見微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長繁殖，菌落形態(tài)特征的可見性和多樣性。物種和代謝類型多樣，易于積累不同的中間代謝產物或終產物。對環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，易于形成營養(yǎng)缺陷型，操作性強。第4頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月研究微生物遺傳學的意義微生物是研究現(xiàn)代遺傳學和其它許多主要的生物學基本理論問題時最熱衷的研究對象。對微生物遺傳規(guī)律的深入研究，不僅促進了現(xiàn)代分子生物學和生物工程學的發(fā)展，而且為育種工作提供了豐富的理論基礎，促使育種工作從不自覺到自覺、從低效到高效、從隨機到定向、從近緣雜交到遠緣雜交的方向發(fā)展。第5頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月ThreeClassicalExperiments三個經典實驗三個經典實驗1.Transformation轉化2.Infectionofbacteriophage噬菌體感染3.Reconstructionofplantvirus植物病毒重建第6頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月三個證明DNA是遺傳物質的經典實驗1、經典轉化實驗肺炎鏈球菌：S型（菌體具莢膜，菌落表面光滑，有致病能力）；R型（菌體無莢膜，菌落表面粗糙，無致病能力）遺傳變異的物質基礎第7頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1928年，F(xiàn).Griffth作了3組實驗:第8頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1944年，Avery精確重復了轉化實驗，確定了轉化因子實驗證明，將R菌轉化為S菌的轉化因子是DNA第9頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2、噬菌體感染實驗Hershey&Chase’sexperimentofphageinfectionConclusion:DNAwasthephysicalcarrierofheredity遺傳物質基礎是DNA第10頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.ReconstructionofTobaccoMosaicVirus(TMV)植物病毒重建

Nucleicacid,DNAorRNA,isthehereditarymaterial為了證明核酸是遺傳物質，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的煙草花葉病毒（TMV）進行了著名的植物病毒重建實驗。將TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質外殼與RNA核心相分離。分離后的RNA在沒有蛋白質包裹的情況下，也能感染煙草并使其患典型癥狀，而且在病斑中還能分離出正常病毒粒子。第11頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月選用TMV和霍氏車前花葉病毒（HRV），分別拆分取得各自的RNA和蛋白質，將兩種RNA分別與對方的蛋白質外殼重建形成兩種雜合病毒：（1）RNA（TMV）-蛋白質（HRV）（2）RNA（HRV）-蛋白質（TMV）用兩種雜合病毒感染寄主：（1）表現(xiàn)TMV的典型癥狀病分離到正常TMV粒子（2）表現(xiàn)HRV的典型癥狀病分離到正常HRV粒子。上述結果說明，在RNA病毒中，遺傳的物質基礎也是核酸。第12頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月朊病毒的發(fā)現(xiàn)和思考朊病毒含有微量的核酸，仍未發(fā)現(xiàn)？朊病毒僅由蛋白質構成朊病毒的遺傳物質為蛋白質？第13頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月質粒（plasmid）：一種獨立于染色體外，能進行自主復制的細胞質遺傳因子，主要存在于各種微生物細胞中。質粒所含的基因對宿主細胞一般是非必需的；在某些特殊條件下，質粒有時能賦予宿主細胞以特殊的機能，從而使宿主得到生長優(yōu)勢。第14頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月質粒的結構特點通常以共價閉合環(huán)狀(covalentlyclosedcircle，簡稱CCC)的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細胞中；也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質粒和RNA質粒；質粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb；

細菌質粒多在10kb以內）第15頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月質粒的檢測提取所有胞內DNA后電鏡觀察；超速離心或瓊脂糖凝膠電泳后觀察；對于實驗室常用菌，可用質粒所帶的某些特點，如抗藥性初步判斷。第16頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月質粒的主要種類質粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應致育因子（Fertilityfactor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）產細菌素的質粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性質粒（virulenceplasmid）代謝質粒（Metabolicplasmid）隱秘質粒（crypticplasmid）第17頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月AdvantagesofusingplasmidasAdvantagesofusingplasmidasvectoringeneengineeringvectoringeneengineering質粒作為基因工程載體的優(yōu)勢質粒作為基因工程載體的優(yōu)勢1.Smallsize:easilyusedinDNAseparationandmanipulation體積小,易操作2.Circularshape環(huán)形:keepDNAstable3.Independentstartingpointofreplication:notcontrolledbynucleargenome獨立的復制起點4.Multiplecopies多拷貝:increaseexogenousDNArapidly迅速復制外源DNA5.Antibioticresistantgene:usedasselectivemarker抗生素抗性基因作為選擇標記第18頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月一、形態(tài)和結構的變異3-6%食鹽

鼠疫桿菌多形態(tài)性(衰殘型)。

瓊脂培基第二節(jié)常見的微生物表型變異第19頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月青霉素、溶菌酶

正常形態(tài)細菌L型變異抗體或補體

(部分或完全失去胞壁)正?；魜y弧菌霍亂弧菌L型一、形態(tài)和結構的變異第20頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月特殊結構的變異：

42-43℃

炭疽桿菌失去形成芽胞能力,毒性降低10-20天

變形桿菌（H）1%石炭酸單個菌落（O）遷徙生長鞭毛變異一、形態(tài)和結構的變異第21頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月二、菌落變異在陳舊培養(yǎng)基中長期培養(yǎng)

光滑型菌落

粗糙型菌落

S

或在有免疫力的人體內

R失去LPS的特異性多糖重復單位同時伴有其他性狀的改變第23頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月SinglecellsortofSalmonellacultureresultsindifferentcolonymorphologyNon-Geneticvariation第24頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月三、毒力變異

β棒狀噬菌體

白喉棒狀桿菌獲得白喉毒素

第25頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基

牛型結核桿菌卡介苗

13年(230代)三、毒力變異第26頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月四、耐藥性變異細菌對某種抗菌藥物有敏感變成耐藥的變異稱為耐藥性變異。金黃色葡萄球菌耐青霉素的菌株已從1946年的14%上升至目前的70%以上。有些細菌還表現(xiàn)為同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產生藥物依賴性。含鏈霉素培基

痢疾桿菌依鏈株(耐藥菌株)

長期培養(yǎng)

第27頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月四、耐藥性變異第28頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月四、耐藥性變異第29頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月五、代謝的變異某種微生物原來在代謝過程中能全成某種營養(yǎng)成分的特性，會變?yōu)槭ミ@種能力，成為所謂的營養(yǎng)缺陷型。第30頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月腸道桿菌細胞壁脂多糖上的特異性多糖稱為O抗原，具有屬特異性；鞭毛蛋白稱為H抗原，具有種特異性。血清學鑒定的基礎。O與H是可以發(fā)生變異的。六、抗原性的變異第31頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)微生物變異的機理表型的差異只與環(huán)境有關特點：暫時性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個體的行為一、非遺傳性變異微生物受外界環(huán)境條件變化影響，產生誘導作用，使基因表達暫時改變，某一表型性狀隨之發(fā)生改變，當除去該誘發(fā)條件時，可恢復原來的性狀。第32頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月遺傳型變異（基因轉移、基因突變）：遺傳物質改變，導致表型改變特點：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）第三節(jié)微生物變異的機理二、遺傳性變異在自然或人工條件下，微生物的基因發(fā)生了改變，使相應的性狀也發(fā)生變化，并可以遺傳下去，這就是遺傳性變異。第33頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）基因突變基因突變（genemutation）簡稱突變，是變異的一種，指生物體內遺傳物質的分子結構或數(shù)量突然發(fā)生的可遺傳的變化。突變率常在10-4~10-9范圍內。第34頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月CharacteristicsofMutationCharacteristicsofMutation突變的特征突變的特征1.Spontaneous自發(fā)性2.Non-correspondent不對應性3.Rare稀有性4.Independent獨立性5.Inducible可誘發(fā)性6.Stability穩(wěn)定性7.Reversible可逆性第35頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）基因轉移（transgenosis）轉化轉導噬菌體轉換接合基因轉移的方式第36頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1.轉化（transformation）轉化或轉化作用：受體菌（recipient或receptor）直接吸收了來自供體菌（donor）的DNA片段，通過交換整合到自己的基因組中，從而獲得部分新的遺傳型狀的現(xiàn)象。接受了供體菌DNA的受體菌稱為轉化子（transformant）。范圍：原核生物中，轉化是一個較普遍的現(xiàn)象。轉化發(fā)生的條件:兩個菌種或菌株之間能否發(fā)生轉化，與它們在進化過程中的親緣關系有著密切的關系。但即使在轉化率極高的那些種中，其不同菌株間也不一定都可發(fā)生轉化。進行轉化的受體細胞必須處于感受態(tài)(competence)。即受體細胞最易接受外源DNA片段并實現(xiàn)其轉化的一種生理狀態(tài)。也可以采用人工的方法使細菌轉變成感受態(tài)第37頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月供體菌受體菌DNA片段1928年，Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae）的轉化現(xiàn)象,目前已知有二十多個種的細菌具有自然轉化的能力第38頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月自然轉化過程的特點：a）不需要活的DNA供體細胞；b）轉化是否成功及轉化效率的高低主要取決于轉化供體菌株和轉化受體菌株之間的親源關系；c）通常情況下質粒的自然轉化效率要低得多。第39頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月人工轉化用CaCl2處理細胞，電穿孔等是常用的人工轉化手段。在自然轉化的基礎上發(fā)展和建立的一項細菌基因重組手段，是基因工程的奠基石和基礎技術。不是由細菌自身的基因所控制；用多種不同的技術處理受體細胞，使其人為地處于一種可以攝取外源DNA的“人工感受態(tài)”。質粒的轉化效率高；第41頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2.轉導（transduction）：通過完全缺陷或部分缺陷噬菌體的媒介，把供體細胞的DNA小片段攜帶到受體細胞中，通過交換與整合，使后者獲得前者部分遺傳形狀的現(xiàn)象。獲得新遺傳形狀的受體細胞稱為轉導子（transductant）。普遍轉導：通過完全缺陷噬菌體對供體菌任何小片段部分攜帶到受體菌中，而實現(xiàn)其遺傳性狀傳遞到受體菌的轉導現(xiàn)象局限性轉導：通過部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌的少數(shù)特定基因攜帶到受體菌中，并獲得表達的轉導現(xiàn)象。第42頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月Transduction1.Generalizedtransduction2.Specializedtransduction第44頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.噬菌體轉換（phageconversion）：或稱溶原性轉換（lysogenicconversion）。當溫和噬菌體感染其寄主細菌之后，噬菌體的基因整合于寄主基因組中，導致寄主的某些性狀發(fā)生變異，稱為噬菌體轉換。第45頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月4.接合（conjugation）：供體菌通過性菌毛傳遞不同長度的單鏈DNA給受體菌，在后者細胞中發(fā)生交換、整合，從而使后者獲得供體菌的遺傳性狀的現(xiàn)象。獲得新性狀的受體細胞稱為接合子。存在范圍：細菌和放線菌中都存在接合現(xiàn)象。第46頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月TransferofplasmidDNAbyconjugationTheFplasmidofanF+cellisbeingtransferredtoaF-recipientcell第47頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月一、從自然變異中篩選誘變劑物理因素化學因素紫外線激光離子束X射線r射線溫度烷化劑堿基類似物吖啶化合物二、傳統(tǒng)的人工誘變方法第四節(jié)微生物變異株的獲得及微生物遺傳性的保存第48頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月三、原生質體融合（protoplastfusion）概念：通過人為的方法，使遺傳性狀不同的兩細胞的原生質體發(fā)生融合，并進而發(fā)生遺傳重組以產生同時帶有雙親性狀的、遺傳性穩(wěn)定的融合子的過程，稱為原生質體融合。原生質體融合的優(yōu)點：可以提高重組率雙親可以少帶標記或不帶標記可進行多親本融合有利于不同種間、屬間微生物的雜交通過原生質體融合提高產量第49頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月四、基因工程Incorporationintoartificialplasmidsofgenesfromawidevarietyofsourceshasmadepossiblethetransferofgeneticmaterialacrossvirtuallyanyspeciesbarrier。第50頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第51頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月MutantsthataredetectableNon-motileNon-capsulatedRoughcolonyNutritionalSugarfermentationDrugresistantVirusresistantTemperaturesensitivePigment第52頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月★按是否比較容易、迅速地分離到發(fā)生突變的細胞來分：選擇性突變株（selectivemutant）：具有選擇標記（如營養(yǎng)缺陷性、抗性突變型、條件致死突變型），只要選擇適當?shù)沫h(huán)境條件，如培養(yǎng)基、溫度、pH值等，就比較容易檢出和分離到。非選擇性突變株（non-selectivemutant）：無選擇標記（如產量突變型、抗原突變型、形態(tài)突變型），能鑒別這種突變體的惟一方法是檢查大量菌落并找出差異。第四節(jié)微生物變異株的獲得及微生物遺傳性的保存第53頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月變異菌的一般篩選方法平皿快速檢測法變色圈法透明圈法生長圈法抑菌圈法梯度平板法搖瓶培養(yǎng)法第54頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第55頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第56頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月菌種保藏：

1.目的：

①存活，不丟失，不污染

②防止優(yōu)良性狀喪失

③隨時為生產、科研提供優(yōu)良菌種

2.原理：選用優(yōu)良的純種，（最好是休眠體，如分生孢子、芽胞等），創(chuàng)造降低微