第七章 微生物的遗传变异和育种 郑新添 2011-5-3.

Presentation on theme: "第七章 微生物的遗传变异和育种 郑新添 2011-5-3."— Presentation transcript:

1 第七章 微生物的遗传变异和育种 郑新添

2 第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变和诱变育种★ 第三节 基因重组与杂交育种★ 第四节 基因工程 第五节 菌种的衰退、复壮和保藏★
本章内容 第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变和诱变育种★ 第三节 基因重组与杂交育种★ 第四节 基因工程 第五节 菌种的衰退、复壮和保藏★

3 遗传与变异的概念 遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。
特点：具稳定性。 遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；------是一种内在可能性或潜力。 遗传型 + 环境条件 表型 代谢 发育 例如：粘质沙雷氏菌：在25℃下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37℃下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25℃，又恢复产色素的能力。 表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;------是一种现实存在，是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。

4 遗传与变异的概念 变异(variation):生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。 变异的特点：
b.性状变化的幅度大； c.变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。 饰变（modification）：指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。例：粘质沙雷氏菌 特点是： a.几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化； b.性状变化的幅度小； c. 饰变是不遗传的。引起饰变的因素消失后， 表型即可恢复。 变异(variation)生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。变异的特点：a.在群体中以极低的几率出现，突变频率一般为10-6～10-10；b.形状变化的幅度大； c.变异使得生物在形态、结构、生理特性等性状面有所改变，形成新的性状，新性状是稳定的，可遗传的。 饰变（modification）：指生物体由于非遗传因素引起的表型改变，变化发生在转录、转译水平，特点是几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化，性状变化的幅度小，不遗传，引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。举例：Serratia marcescens 的红色素在25℃和37℃的变化。 微生物与其他生物一样,变异性是由遗传物质控制,也受环境的影响。微生物的变异性可概括为暂时变异性和永久变异性．暂时变异性即饰变．主要是由环境因子控制,因而微生物在某一个特殊环境下,发生变异性,然而当回到正常环境下,又回复为正常型．在实验室内采用各种化学成分均不相同的培养基培养细菌,例如,把培养在某一个培养基上面的细菌转到各种培养基上面生长,或者把细菌放在不同温度、氢离子浓度、氧分压等特殊的物理环境因子下培养,象这样培养的细菌经常在细胞体积和形态、芽抱有无、鞭毛有无、菌落形态、荚膜形成、色素增减、上理、抗原等

5 模式生物（model organism） 微生物作为模式生物的特点： 物种与代谢类型的多样性 个体的体制极其简单 营养体一般是单倍体
易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖 繁殖速度快 易于积累不同的中间代谢物或终产物 菌落形态的可见性与多样性 环境条件对微生物群体中各个体作用的直接性和均一性 易于形成营养缺陷型突变株 各种微生物一般都有其相应的病毒 存在多种处于进化过程中、富有特色的原始有性生殖方式

6 模 式 生 物 human Arabidopsis 拟南芥 Ureaplasma urealyticum
Drosophila melanogaster Rickettsia prowazekii Bacillus subtilis Helicobacter pylori 模 式 生 物 Buchnerasp. APS Escherichia coli大肠杆菌 human Arabidopsis 拟南芥 Thermotoga maritima Thermoplasma acidophilum Caenorhabitis elegans mouse rat Borrelia burgorferi Plasmodium falciparum Neisseria meningitidis Z2491 Borrelia burgorferi Aquifex aeolicus Mycobacterium tuberculosis

7 第一节 遗传变异的物质基 核酸－－遗传变异的物质基础（3个经典实验） 肺炎链球菌的转化试验 噬菌体的侵染试验 病毒重建实验

8 (一)肺炎链球菌的转化试验 动物试验

9

10 分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化

11 （2）细菌培养实验 平皿培养 热死S菌 不生长 活 R 菌 长出R菌 热死S菌 长出大量R菌和少量S菌 +活R菌

12 实验说明： 加热杀死的S型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入R型细胞并使R型细胞获得稳定的遗传性状，转变为S型细胞。

13 1944年O.T.Avery等从热死S型pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分,并在离体条件下进行了转化试验:
①加S菌DNA ②加S菌DNA及DNA酶以外的酶 ③加S菌的DNA和DNA酶 ④加S菌的RNA ⑤加S菌的蛋白质 ⑥加S菌的荚膜多糖 长出S菌 活R菌 只有R菌

14 只有S型细菌的DNA才能将pneumoniae的R型转化为S型
Avery的实验说明： 只有S型细菌的DNA才能将pneumoniae的R型转化为S型 DNA纯度越高，转化效率也越高 S型菌株转移给R型菌株的决不是遗传性状的本身，而是以DNA为物质基础的遗传信息。

15 （二）噬菌体感染实验 1952 年Hershey和Chase利用示踪元素，对大肠杆菌 T2 噬菌体进行了这类实验
将E.coli分别培养在以放射性32PO43-或35SO42-作为磷源或硫源的组合培养基中. 让 T2 噬菌体侵染培养后的E.coli ，从而使 噬菌体打上 标记。 这种噬菌体再侵染不含标记元素的E.coli ，并在完成吸附和侵入后， 强烈搅拌洗涤，以便使吸附在菌体外表的 噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布，再进行离心沉淀，分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记

16

17 沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体
10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离 吸附 离心 沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体 上清液中含 15%放射性 沉淀中含 85%放射性 将E.coli分别培养在以放射性32PO43-或35SO42-作为磷源或硫源的组合培养基中，可以获得含32P-DNA的噬菌体或含35S-蛋白质的噬菌体。 将两种带有不同放射性的噬菌体分别感染寄主，10min后用捣碎器使噬菌体外壳脱离寄主细胞，离心后测定上清液和沉淀的放射性。 （1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中 （2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中 （1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中

18 沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体
以35S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验 10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离 吸附 离心 沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体 上清液中含 75%放射性 沉淀中含 25%放射性 （2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中

19 　实验结果：几乎全部 35S 都在上清液中，而几乎全部 32P 和细菌一起出现在沉淀物中。
　实验说明：在其DNA中，含有包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。

20

21 实验结果说明 杂种病毒的感染特征和蛋白质的特性 是由它的RNA所决定，而不是由蛋白质所决定，遗传物质是RNA。

22 结论 只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础

23 朊病毒的发现和思考 蛋白质是不是遗传物质？ 蛋白质的折叠与生物功能 “第二遗传密码”－－“折叠密码”？
中心法则是否应表述为：DNA→RNA→多肽链→蛋白质呢?

24 （一）七个水平 细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 细胞核水平: 真核与组蛋白结合，原核不结合蛋白质
二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式 （一）七个水平 细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 细胞核水平: 真核与组蛋白结合，原核不结合蛋白质 染色体水平: 倍性(真核)和染色体数 核酸水平： DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链 基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位 一）核酸存在的七个水平及质粒 1、细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 2、细胞核水平：原核生物与真核生物的细胞核结构不同，核外 DNA 3、染色体水平：倍性(真核)和染色体组数， 4、核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体DNA或 RND，复合或裸露，双链或单链 5、基因（gene）水平：长度与信息量，自主复制，遗传功能,功能 单位, 6、密码子水平：第三位模糊,起始和终止,信息单位 7、核苷酸水平：突变单位和交换单位，四种碱基 密码子水平： 信息单位，起始和终止 核苷酸水平： 突变或交换单位，四种碱基

25

26 核外DNA的种类 核外染色体 线粒体 细胞质基因 叶绿体 （质体） 共生生物： 卡巴颗粒 酵母菌 : 2m质粒 真核生物的“质粒”
细胞质基因 叶绿体 （质体） 共生生物： 卡巴颗粒 酵母菌 : m质粒 真核生物的“质粒” 原核生物的质粒 核外染色体 F因子 R因子 Col质粒 Ti质粒 巨大质粒 降解性质粒

27 （二）、原核生物的质粒（plasmid）
定义：是一类小型闭合环状核外双螺旋DNA分子，能独立于细胞核进行自主复制(cccDNA)。 大小：约为 kb，分子量 上面携带有数个到数十个甚至上百个基因。 E.Coli 质粒 附加体：某些质粒具有与核染色体整合和脱离的功能， 如F因子。

28 质粒的性质 ①可在胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以附加体（episome）的形式存在；
②质粒是一种复制子（replicon），根据自我复制能力的不同，分为严紧型和松弛型两种， 严紧型质粒的复制受细胞核控制，与染色体DNA复制相伴随,一般一个寄主细胞内只有少数几个（1-5）个拷贝； 松弛型质粒的复制不受细胞核控制，在染色体DNA复制停止的情况下仍可以进行复制，在细胞内的数量可以达到10-200个或更多。

29 质粒的性质 ③可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；
质粒转移时，它可以单独转移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它可成为基因工程的载体。 ④对于细菌的生存并不是必要的 ⑤功能多样化

30 原核生物的质粒 功能：细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、 抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。
重组：质粒之间、质粒与染色体之间均可发生 制备：包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋白质等成分、去除RNA和蛋白质等步骤。 鉴定：电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱等方法

31 几种代表性质粒 1. F–因子（fertility factor）致育因子或性因子 与接合作用有关
存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、 链球菌等细菌中，决定性别

32 2. R因子（resistence factor）抗性因子
存在于痢疾志贺氏菌（Shigella dysenteriae），Salmonella、 Vibrio、Bacillus、Pseudomonas和Staphylococcus等。 由两个DNA片段组成，即抗性转移因子（ RTF ）和抗 性决定R因子（r-determinant） RTF控制质粒copy数及复制 抗性决定因子大小不固定，其上带有其它抗生素的抗 性基因。

33 3. Col质粒（colicinogenic factor）产大肠杆菌素因子
编码大肠杆菌素 能专一地杀死其它肠道细菌。 Col因子可分为两类，分别以ColE1和ColIb为代表。 ColE1，无接合作用； 广泛地用于重组DNA 的研究和用于体外复制系统上。 ColIb，与F因子相似，具有通过接合作用转移的功能，属于严紧型控制，只有1~2个copy。 凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。

34 4. Ti质粒（tumor inducing plasmid）诱癌质粒）
存在于根癌土壤杆菌（Agrobacterium tumefaciens）中,可引起许多双子叶植物的根癌 Ti质粒长200kb，是一个大型质粒 植物遗传工程研究中的重要载体

35 6. 巨大质粒（mega质粒） 是近年来在Rhizobium（根瘤菌属）中发现的一种质粒，
分子量为200~300×106Dalton，比一般质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒， 其上有一系列固氮基因。

36 7. 降解性质粒 降解性质粒 只在假单胞菌属中发现。 降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。
以其所分解的底物命名 CAM（樟脑）质粒，XYL（二甲苯）质粒，SAL（水杨酸）质粒，MDL（扁桃酸）质粒，，NAP（奈）质粒和TOL（甲苯）质粒等。

37

38 本节小结 1、遗传的几个基本概念：遗传型与表型， 变异与饰变 2、证明核酸是一切生物遗传物质基础的 3个经典实验
3、遗传物质在细胞中的7个水平 4、质粒的特点、种类及其在基础理论和实际应用中的重要性

39 2、为何证明核酸是遗传物质基础的3个经典实验都不约而同的同时选用微生物作研究对象，且其中2个是病毒
思考题 1、名词解释 ：遗传型、表型 2、为何证明核酸是遗传物质基础的3个经典实验都不约而同的同时选用微生物作研究对象，且其中2个是病毒 3、什么是质粒？它有哪些特点？主要质粒有几类？各有何理论和 实际意义？