微生物的遺傳變異.ppt

1、第 七 章 微生物的遺傳變異,第七章 微生物的遺傳變異與育種,理想的工業(yè)發(fā)酵菌種應(yīng)符合以下要求,遺傳性狀穩(wěn)定； 生長(zhǎng)速度快，不易被噬菌體等異種微生物污染； 目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量盡可能接近理論轉(zhuǎn)化率； 目標(biāo)產(chǎn)物最好能分泌到細(xì)胞外，以降低產(chǎn)物抑制并利于分離； 盡可能減少產(chǎn)物類(lèi)似物的產(chǎn)量，以提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量并利于分離； 培養(yǎng)基成分簡(jiǎn)單、來(lái)源廣、價(jià)格低廉； 對(duì)溫度、pH、離子強(qiáng)度、剪切力等環(huán)境因素不敏感； 對(duì)溶氧的要求低，便于培養(yǎng)及降低能耗。,微生物是研究現(xiàn)代遺傳學(xué)和其它許多主要的生物學(xué)基本理論問(wèn)題中最熱衷的研究對(duì)象。 對(duì)微生物遺傳規(guī)律的深入研究，不僅促進(jìn)了現(xiàn)代分子生物學(xué)和生物工程學(xué)的發(fā)展，而且為育種工作

2、提供了豐富的理論基礎(chǔ)，促使育種工作從不自覺(jué)到自覺(jué)、從低效到高效、從隨機(jī)到定向、從近緣雜交到遠(yuǎn)緣雜交的方向發(fā)展。,研究微生物遺傳學(xué)的意義,一、遺傳與變異的概念,遺傳和變異是生物體的最本質(zhì)的屬性之一。 遺傳(heredity)：親代生物的性狀在子代得到表現(xiàn)；親代生物傳遞給子代一套實(shí)現(xiàn)與其相同形狀的遺傳信息。特點(diǎn)：具穩(wěn)定性。 遺傳型（genotype）：又稱(chēng)基因型，指某一生物個(gè)體所含有的全部基因的總和；-是一種內(nèi)在可能性或潛力。 遺傳型 + 環(huán)境條件 表型 表型（phenotype）：指生物體所具有的一切外表特征和內(nèi)在特性的總和;-是一種現(xiàn)實(shí)存在，是具一定遺傳型的生物在一定條件下所表現(xiàn)出的具體性狀。

3、,概述,變異(variation):生物體在外因或內(nèi)因的作用下，遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或數(shù)量發(fā)生改變。變異的特點(diǎn)：a.在群體中以極低的幾率出現(xiàn)，（一般為10-610-10）；b.形狀變化的幅度大； c. 變化后形成的新性狀是穩(wěn)定的，可遺傳的。,例如：粘質(zhì)沙雷氏菌：在25下培養(yǎng)，產(chǎn)生深紅色的靈桿菌素；在37下培養(yǎng)，不產(chǎn)生色素；如果重新將溫度降到25，又恢復(fù)產(chǎn)色素的能力。,遺傳與變異的概念,二、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ),種質(zhì)連續(xù)理論：1883-1889年間Weissmann提出。認(rèn)為遺傳物質(zhì)是一種具有特定分子結(jié)構(gòu)的化合物。 基因?qū)W說(shuō)：1933年摩爾根（Thomas Hunt Morgan）發(fā)現(xiàn)了染色體，并證明基

4、因在染色體上呈直線(xiàn)排列，提出了基因?qū)W說(shuō)，使得遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的范圍縮小到染色體上。 DNA是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)的證明：利用微生物為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行的三個(gè)著名實(shí)驗(yàn)的論證（肺炎球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn)、噬菌體感染試驗(yàn)、病毒的拆開(kāi)與重建試驗(yàn)），才使人們普遍接受核酸才是真正的遺傳物質(zhì)。,經(jīng)典試驗(yàn)1. 肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn),加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白質(zhì) 加S菌的莢膜多糖,活R菌,長(zhǎng)出S菌,只有R菌,1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty從熱死S型S. pneumoniae中提純了可能作為轉(zhuǎn)化因子的各種成分，并在離體

5、條件下進(jìn)行了轉(zhuǎn)化試驗(yàn)：,只有S型細(xì)菌的DNA才能將S. pneumoniae的R型轉(zhuǎn)化為S型。且DNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高。說(shuō)明S型菌株轉(zhuǎn)移給R型菌株的，是遺傳因子。,分離后的S型細(xì)胞物質(zhì)對(duì)R型細(xì)胞的轉(zhuǎn)化,結(jié)論,細(xì)胞生物的遺傳物質(zhì)是雙鏈DNA 病毒的遺傳物質(zhì)可以是單鏈的或雙鏈的DNA或RNA， 即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。,三、 DNA和RNA的分子結(jié)構(gòu)和復(fù)制,遺傳物質(zhì)的復(fù)制-雙鏈DNA的復(fù)制 （半保留復(fù)制）,密碼子（coden）：由3個(gè)核苷酸順序決定，負(fù)載遺傳信息的基本單位 不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄：只有DNA雙鏈的一股才作為有意義鏈被轉(zhuǎn)錄，這種現(xiàn)象又稱(chēng)不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄。 起始密碼子

6、：AUG，甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸 終止密碼子：UAA、UGA、UAG,遺傳密碼 指DNA鏈上各個(gè)核苷酸的特定排列順序,DNA與遺傳密碼,四、轉(zhuǎn)座因子和毒力島,（一）轉(zhuǎn)座因子 近年來(lái)發(fā)現(xiàn)微生物的某些DNA片段作為一個(gè)獨(dú)立單位可以在染色體上移動(dòng)，此種移動(dòng)甚至發(fā)生在不同種細(xì)菌之間。這種可移動(dòng)的DNA片段稱(chēng)之為轉(zhuǎn)座因子。細(xì)菌的轉(zhuǎn)座因子有三種類(lèi)型：插入序列、轉(zhuǎn)座子以及某些特殊的噬菌體。,（二）毒力島 毒力島是20世紀(jì)90年代提出的一個(gè)新概念。毒力島是指病原菌的某個(gè)或某些毒力基因群，分子結(jié)構(gòu)與功能有別于細(xì)菌染色體，但位于細(xì)菌染色體之內(nèi)，因此稱(chēng)之為“島”。其生物學(xué)意義尚不清楚,推測(cè)其與細(xì)菌的毒力變異有關(guān)。,

7、第一節(jié)常見(jiàn)的微生物變異現(xiàn)象,形態(tài)、結(jié)構(gòu)變異 毒力變異 耐藥性變異 菌落變異 生化特性變異,1.形態(tài)結(jié)構(gòu)變異,3-6%食鹽鼠疫桿菌多形態(tài)性(衰殘型)。 瓊脂培基,形態(tài)結(jié)構(gòu)變異,青霉素、溶菌酶正常形態(tài)細(xì)菌 L型變異 抗體或補(bǔ)體 (部分或完全失去胞壁),正常霍亂弧菌,霍亂弧菌L型,形態(tài)結(jié)構(gòu)變異,特殊結(jié)構(gòu)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） 0.1%石炭酸 （O） 遷徙生長(zhǎng) 單個(gè)菌落,連續(xù)通過(guò)易感動(dòng)物 和其他微生物共生或被溫和噬菌體感染。 例如魏氏梭菌與八疊球菌共生時(shí)毒力變強(qiáng)，無(wú)毒的白喉棒狀桿菌被溫和-噬菌體感染后產(chǎn)生白喉毒素，成為有毒細(xì)菌。,增強(qiáng)毒力的

8、方法,2.毒力變異,毒力變異,棒狀噬菌體白喉棒狀桿菌 獲得白喉毒素,減弱毒力的方法,通過(guò)非易感動(dòng)物 例如：馬爾他強(qiáng)毒布氏桿菌連續(xù)通過(guò)雞育成弱毒株；豬丹毒苗GC42系將強(qiáng)毒株通過(guò)豚鼠傳370代后又通過(guò)雞傳42代育成弱毒。 在較高溫度下培養(yǎng)。強(qiáng)毒炭疽 42.5下培養(yǎng)弱毒 在含有某些特殊化學(xué)物質(zhì)的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。著名的 卡介苗BCG,在含有抗血清，噬菌體或抗生素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。 長(zhǎng)期的人工培養(yǎng)。 在特殊氣體條件下培養(yǎng)。 如無(wú)莢膜炭疽芽胞苗是半強(qiáng)毒株在含50%血清的培養(yǎng)基上，在50% CO2的條件下選育的。 通過(guò)基因工程的方法。去除毒力基因可獲得無(wú)毒力株。,3.耐藥性變異,細(xì)菌對(duì)某種抗菌藥物有敏感變成耐

9、藥的變異稱(chēng)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80%。 有些細(xì)菌還表現(xiàn)為同時(shí)耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴(lài)性。 含鏈霉素培基痢疾桿菌依鏈株(耐藥菌株) 長(zhǎng)期培養(yǎng),4.菌落變異,光滑型粗糙型變異 S型（smooth）菌落：光滑，濕潤(rùn)，邊緣整齊。 R型（rough）菌落：菌落表面粗糙，枯干，邊緣不整齊。 一般來(lái)說(shuō)，SR毒力由強(qiáng)變?nèi)酰烤覘U菌，結(jié)核分支桿菌， 正常菌落為R型S型，毒力減弱,R菌落,S菌落,D菌落的變異,當(dāng)細(xì)菌接觸某些化學(xué)物質(zhì)時(shí)如CuSO4, LiCl形成細(xì)小菌落叫D菌落。（dwarf clone, 侏儒菌落）,5.生化特性

10、變異,乳糖操縱子,第二節(jié) 微生物變異的機(jī)制,一、突變（ mutation ） 指生物體的表型突然發(fā)生的可遺傳的變化。 染色體畸變細(xì)胞學(xué)上可以看到染色體的變 基因突變細(xì)胞學(xué)上看不到遺傳物質(zhì)的變化 突變體（mutant） 發(fā)生了突變的微生物細(xì)胞或菌株 野生型（wild type） 從自然界分離到的任何微生物在其發(fā)生突變前的 原始菌株,(一)突變的特點(diǎn),不對(duì)應(yīng)性：突變的性狀與突變?cè)蛑g無(wú)直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 自發(fā)性：突變可以在沒(méi)有人為誘變因素處理下自發(fā)地產(chǎn)生。 稀有性：突變率低且穩(wěn)定。 獨(dú)立性：各種突變獨(dú)立發(fā)生，不會(huì)互相影響。 可誘發(fā)性：誘變劑可提高突變率。 穩(wěn)定性：變異性狀穩(wěn)定可遺傳。 可逆性：從原

11、始的野生型基因到變異株的突變稱(chēng)為正向突變（forward mutation），從突變株回到野生型的過(guò)程則稱(chēng)為回復(fù)突變或回變（back mutation或reverse mutation）。,變量試驗(yàn)又稱(chēng)波動(dòng)試驗(yàn)或彷徨試驗(yàn)。 1943年，S. E. Luria 和M. Delbrck 根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，設(shè)計(jì)了左方的實(shí)驗(yàn)。,1. 變量試驗(yàn)fluctuation test,2.涂布試驗(yàn),原理與變量試驗(yàn)相同，方法更為簡(jiǎn)便，且可計(jì)算突變率。,(二) 突變機(jī)制,誘變劑（mutagen）：凡能提高突變率的任何理化因子，就稱(chēng)為誘變劑. 種類(lèi)：誘變劑的種類(lèi)很多，作用方式多樣。即使是同一種誘變劑，也常有幾種作用方式

12、。,誘發(fā)突變,1.堿基置換（substitution）,定義：對(duì)DNA來(lái)說(shuō)，堿基的置換屬于一種染色體的微小損傷（microlesion），一般也稱(chēng)點(diǎn)突變（point mutation）。它只涉及一對(duì)堿基被另一對(duì)堿基所置換。 分類(lèi)：轉(zhuǎn)換（transition），即DNA鏈中的一個(gè)嘌呤被另一個(gè)嘌呤或是一個(gè)嘧啶被另一個(gè)嘧啶所置換； 顛換（transversion），即一個(gè)嘌呤被一個(gè)嘧啶,或是一個(gè)嘧啶被一個(gè)嘌呤所置換。,對(duì)某一具體誘變劑來(lái)說(shuō)，即可同時(shí)引起轉(zhuǎn)換與顛換，也可只具其中的一種功能。,亞硝酸可以使堿基發(fā)生氧化脫氨作用 HNO2 胞嘧啶（C） 尿嘧啶（U） HNO2 腺嘌呤（A） 次黃嘌呤（H）

13、HNO2 鳥(niǎo)嘌呤（G） 黃嘌呤（X） 這些反應(yīng)及形成物均可在DNA復(fù)制中產(chǎn)生影響，主要是使堿基對(duì)發(fā)生轉(zhuǎn)換。,堿基轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制以亞硝酸為例,若干誘變劑的作用機(jī)制及誘變功能,2.移碼突變,frame-shift mutation 或 phase-shift mutation，指誘變劑使DNA分子中增加（插入）或缺失一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)核苷酸，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(cuò)誤的一類(lèi)突變。 由移碼突變所產(chǎn)生的突變株，稱(chēng)為移碼突變株（frame-shift mutant）。與染色體畸變相比，移碼突變也只能算是DNA分子的微小損傷。 丫啶類(lèi)染料，包括原黃素、丫啶黃、丫啶橙和-氨基丫啶等，以及一

14、系列稱(chēng)為ICR類(lèi)的化合物，都是移碼突變的有效誘變劑。,能誘發(fā)移碼突變的幾種代表性化合物,引起移碼突變的誘變劑：主要是吖啶類(lèi)染料，如吖啶黃、吖啶橙等等。 這類(lèi)化合物都是平面型的三環(huán)分子，它們的結(jié)構(gòu)與一個(gè)嘌呤嘧啶對(duì)十分相似。,丫啶類(lèi)化合物誘發(fā)的移碼突變及其回復(fù)突變圖示,3.染色體畸變（chromosomal aberration）,某些理化因子，如X射線(xiàn)等的輻射及烷化劑、亞硝酸等，除了能引起點(diǎn)突變外，還會(huì)引起DNA的大損傷（macrolesion）染色體畸變，它包括： 染色體結(jié)構(gòu)上的變化： 缺失（deletion） 重復(fù)（duplication） 易位（translocation） 倒位（inve

15、rsion） 染色體數(shù)目的變化,染色體結(jié)構(gòu)上的變化,分為染色體內(nèi)畸變和染色體間畸變兩類(lèi)。 染色體內(nèi)畸變：只涉及一條染色體上的變化， 如發(fā)生染色體的部分缺失或重復(fù)時(shí)，其結(jié)果可造成基因的減少或增加； 如發(fā)生倒位或易位時(shí)，則可造成基因排列順序的改變，但數(shù)目卻不改變。 倒位-是指斷裂下來(lái)的一段染色體旋轉(zhuǎn)180后，重新插入到原來(lái)染色體的原位置上，從而使其基因順序與其它的基因順序相反； 易位-是指斷裂下來(lái)的一小段染色體再順向或逆向地插入到同一條染色體的其它部位上。 染色體間畸變：指非同源染色體間的易位。,自發(fā)突變機(jī)制,自發(fā)突變是指在沒(méi)有人工參與下生物體自然發(fā)生的突變。 幾種自發(fā)突變的可能機(jī)制 微生物自身有

16、害代謝產(chǎn)物的誘變效應(yīng) 過(guò)氧化氫是普遍存在于微生物體內(nèi)的一種代謝產(chǎn)物。它對(duì)Neurospora（脈孢菌）有誘變作用，這種作用可因同時(shí)加入過(guò)氧化氫酶而降低，如果在加入該酶的同時(shí)又加入酶抑制劑KCN，則又可提高突變率。這就說(shuō)明，過(guò)氧化氫很可能是“自發(fā)突變”中一種內(nèi)源性誘變劑。在許多微生物的陳舊培養(yǎng)物中易出現(xiàn)自發(fā)突變株，可能也是同樣的原因。,環(huán)出效應(yīng),即環(huán)狀突出效應(yīng)。有人提出，在DNA的復(fù)制過(guò)程中，如果其中某一單鏈上偶然產(chǎn)生一個(gè)小環(huán)，則會(huì)因其上的基因越過(guò)復(fù)制而發(fā)生遺傳缺失，從而造成自發(fā)突變。,二、基因重組,定義：凡把兩個(gè)不同性狀個(gè)體內(nèi)的遺傳基因轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過(guò)遺傳分子間的重新組合，形成新遺傳型個(gè)體的方

17、式，稱(chēng)為基因重組（gene recombination）或遺傳重組。 作用：重組可使生物體在未發(fā)生突變的情況下，也能產(chǎn)生新遺傳型的個(gè)體。,生長(zhǎng)快、產(chǎn)量低,生長(zhǎng)慢、產(chǎn)量高,基因重組,生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高,細(xì)菌的基因重組,基因重組的方式 轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)導(dǎo) 接合 原生質(zhì)體融合,定義：受體菌自然或在人工技術(shù)作用下直接攝取來(lái)自供體菌的游離DNA片段，并把它整合到自己的基因組中，而獲得部分新的遺傳性狀的基因轉(zhuǎn)移過(guò)程，稱(chēng)為轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的的受體菌稱(chēng)為轉(zhuǎn)化子（transformant）。 有關(guān)名詞： 受體菌：recipient/receptor，轉(zhuǎn)化基因的接受者 供體菌：donor，轉(zhuǎn)化基因的提供者 轉(zhuǎn)化因子：來(lái)自供體菌的

18、DNA片段 轉(zhuǎn)化子：transformant，將轉(zhuǎn)化基因重組進(jìn)入自身染色體組的重組子,(一)、轉(zhuǎn)化（transformation）,1、轉(zhuǎn)化及其發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)化,受體細(xì)胞要處于感受態(tài). 感受態(tài)：competence，受體細(xì)胞能從環(huán)境吸取外源DNA片段并實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)化的一種生理狀態(tài) 供體DNA片段（轉(zhuǎn)化因子）大小適宜，分子量一般為1 107 D 左右 菌株間的親緣關(guān)系密切,2、轉(zhuǎn)化發(fā)生的條件,3、轉(zhuǎn)化的類(lèi)型,根據(jù)感受態(tài)建立的方式，可以分為： 自然遺傳轉(zhuǎn)化natural genetic transformation 人工轉(zhuǎn)化artificial transformation,人工轉(zhuǎn)化,人工轉(zhuǎn)化是通過(guò)人為誘導(dǎo)的方法，使細(xì)胞具有攝取DNA的能力，或人工地將DNA導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)。 方法： CaCl2處理細(xì)胞，使其成為能攝取外源DNA的感受態(tài)狀態(tài). 電穿孔法electroporation：用高壓脈沖電流擊破細(xì)胞膜，或擊成小孔，使各種大分子（包括DNA ）能通過(guò)這些小孔進(jìn)入細(xì)胞。,可轉(zhuǎn)化的性狀,莢膜多糖的合成