微生物遺傳變異和育種(5)講稿

1、關于微生物的遺傳變異和育種 (5)第一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 微生物的遺傳與變異概述遺傳性：又稱基因型，指某一生物個體所含有的全部遺傳因子即基因組所攜帶的遺傳信息。表型：指某一生物個體所具有的一切外表特征和內(nèi)在特性的總和，是其遺傳型在合適環(huán)境條件下通過代謝和發(fā)育而得到的具體表現(xiàn)。第二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月變異：指生物體在某種外因或內(nèi)因的作用下所引起的遺傳物質(zhì)結構或數(shù)量的改變，亦即遺傳型的改變。變化后的新性狀是穩(wěn)定的、可遺傳的。飾變：指外表的修飾性改變，即一種不涉及遺傳物質(zhì)結構改變而只發(fā)生在轉錄、轉譯水平上的表型變化。飾變是不遺傳的。第三張，PPT共八十

2、頁，創(chuàng)作于2022年6月 例如，粘質(zhì)沙雷氏菌，在25下培養(yǎng)時，會產(chǎn)生一種深紅色的靈桿菌素，把菌落染成似鮮血那樣?？墒?，當培養(yǎng)在37下時，群體中所有細胞都不產(chǎn)色素。如果重新降溫至25，產(chǎn)色素能力又得到恢復。只有遺傳型的改變，即生物體遺傳物質(zhì)結構上發(fā)生的變化，才稱為變異。 第四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 遺傳變異的物質(zhì)基礎（一）、核酸遺傳變異的物質(zhì)基礎（3個經(jīng)典實驗）第五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月1、經(jīng)典轉化實驗Griffith是第一個發(fā)現(xiàn)轉化現(xiàn)象的 ，雖然當時還不知道稱之為轉化因子的本質(zhì)是什么，但是他的工作為后來Avery等人進一步揭示轉化因子的實質(zhì)，確立DNA

3、為遺傳物質(zhì)奠定了重要基礎。第六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月結論活的、非致病性的R型從已被殺死的S型中獲得了遺傳物質(zhì)，使其產(chǎn)生膜成為致病性的S型。Griffith將這種現(xiàn)象稱為轉化(transformation)第八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月2、噬菌體感染實驗1952年，Hershey和Chase證實了DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)基礎的著名實驗。第九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月T2噬菌體的實驗第十張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月3、植物病毒重建實驗 1956年Fraenkel-Conrat等用含RNA的煙草花葉

4、病毒進行了病毒重建實驗，證實了RNA是遺傳物質(zhì)。第十一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第十二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月(1)用表面活性劑處理標準TMV，得到它的蛋白質(zhì)；(2)從TMV的變種HR通過弱堿處理得到它的RNA；(3)通過重建獲得雜種病毒；(4)證實雜種病毒的蛋白質(zhì)外殼是來自TMV標準株。(5)雜種病毒感染煙草產(chǎn)生HR所特有的病斑，說明雜種病毒的感染特性是由HR的RNA 所決定，而不是二者的融合特征(6)從病斑中一再分離得到的子病毒的蛋白質(zhì)外殼是HR蛋白質(zhì)，而不是標準株的蛋白質(zhì)外殼。以上實驗結果說明雜種病毒的感染特征和蛋白質(zhì)的特性 是由它的RNA所決定，而不是由蛋

5、白質(zhì)所決定，遺傳物質(zhì)是RNA。 第十三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）、核酸的結構與復制1、DNA的結構（A、T、C、G）第十四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第十五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月2、RNA的結構（A、U、C、G）3、核酸的復制半保留復制第十六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月真核微生物的核內(nèi)DNA與組蛋白結合成為染色體。原核微生物的DNA不與蛋白質(zhì)結合，呈松散的核質(zhì)體狀態(tài)存在。（三）、遺傳物質(zhì)在細胞內(nèi)存在的方式第十七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 遺傳性變異是由基因結構發(fā)生改變所致，主要通過基因突變、基因損傷后的修復、基因的轉移

6、與重組來實現(xiàn)。第三節(jié) 基因突變和誘變育種第十八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 基因突變 又稱點突變， DNA鏈上的一對 突變 或少數(shù)幾對堿基發(fā)生改變。 (堿 基置換 、移碼突變 ) 染色體畸變 DNA的大段變化(損傷)現(xiàn)象 (添加、缺失、易位、倒位 ) 基因重組：把兩個不同性狀個體內(nèi)的遺傳基因轉移 到一起，經(jīng)過遺傳分子的重新組合后， 形成新遺傳型個體的方式，稱為基因重 組(原核生物、真核生物)遺傳性變異第十九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）基因突變的類型 1、營養(yǎng)缺陷型 2、抗性突變型 3、條件致死突變型 4、形態(tài)突變型 5、抗原突變型 6、其他突變型 如毒力、糖發(fā)酵能

7、力、代謝產(chǎn)物的種類和產(chǎn)量以及對某種藥物的依賴性突變型等。 一、基因突變第二十張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）基因突變的特點(7個特點) 1 不對應性2 自發(fā)性3 稀有性4 獨立性5 誘變性6 穩(wěn)定性7 可逆性第二十一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月1、不對應性 即突變的性狀與引起突變的原因間無直接的對應關系。 例如，細菌在有青霉素的環(huán)境下，出現(xiàn)了抗青霉素的突變體；在紫外線的作用下，出現(xiàn)了抗紫外線的突變體；在較高的培養(yǎng)溫度下，出現(xiàn)了耐高溫的突變體等。表面上看來，會認為正是由于青霉素、紫外線或高溫的誘變，才產(chǎn)生了相對應的突變性狀。事實恰恰相反，這類性狀都可通過自發(fā)的或其任何誘

8、變因子誘發(fā)而行。這里的青霉素、紫外線或高僅是起著淘汰原有非突變型(敏感型)個體的作用。第二十二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月2、自發(fā)性 各種性狀的突變，可以在沒有人為的誘變因素處理下自發(fā)地發(fā)生。 自發(fā)突變決不意味著這種突變是沒有原因的，而只是說明人們對它們還沒有很好認識而已。 第二十三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月3、稀有性 自發(fā)突變雖可隨時發(fā)生，但突變的頻率是較低和穩(wěn)定的，一般在10-610-9間。所謂突變率，一般指每一細胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的機率。例如，突變率為110-8者，就意味著當10 8個細胞群體分裂成210 8個細胞時，平均會形成一個突變體。第二十四張

9、，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月4、獨立性 突變的發(fā)生一般是獨立的，即在某一群體中，既可發(fā)生抗青霉素的突變型，也可發(fā)生抗鏈霉素或任何其他藥物的抗藥性，而且還可發(fā)生其他不屬抗藥性的任何突變。某一基因的突變，既不提高也不降低其他基因的突變率。 第二十五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月5、誘變性 通過誘變劑的作用，可提高自發(fā)突變的頻率，一般可提高10-10 5倍。不論是自發(fā)突變或誘發(fā)突變(誘變)得到的突變型，它們之間并無本質(zhì)上的差別，因為誘變劑僅起著提高突變率的作用。第二十六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月6、穩(wěn)定性 由于突變的根源是遺傳物質(zhì)結構上發(fā)生了穩(wěn)定的變化，所以產(chǎn)生的新

10、性狀也是穩(wěn)定的、可遺傳的。第二十七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月7、可逆性 由原始的野生型基因變異為突變型基因的過程，稱為正向突變，相反的過程則稱為回復突變或回變。實驗證明，任何性狀既有正向突變，也可發(fā)生回復突變。第二十八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月（三） 基因突變自發(fā)性和不對應性的實驗證明1、Luria等的變量試驗（彷徨實驗）2、Newcombe的涂布試驗3、Lederberg等的影印平板培養(yǎng)法第二十九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月彷徨試驗(fluctuation test)第三十張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于202

11、2年6月第三十二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月影印試驗(replica plating)第三十三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 1、物理誘變：紫外線、X射線等紫外線誘變機制輻射劑量光復活作用二、誘變與育種 第三十五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月2、化學誘變： 誘變劑： 亞硝酸、硫酸二乙酯、亞硝基胍等 誘變機制 注意事項： 選擇適宜的誘變劑及劑量，適當?shù)臏囟?和PH，終止反應，安全第三十六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月基因突變及其機制第三十七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月(一) 自發(fā)突變與育種1、從

12、生產(chǎn)實踐中選育 選育步驟 (1)采樣 (2)加富培養(yǎng) (3)平板分離 (4)性能測定三、突變與育種 第三十八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月定向培育一般是指用某一特定環(huán)境長期處理某一微生物培養(yǎng)物(群體)，同時不斷對它們進行移種傳代，以達到積累和選擇合適的自發(fā)突變體的一種古老的育種方法。由于自發(fā)突變的頻率較低，變異程度較輕微，所以培育新種的過程一般十分緩慢。與誘變育種、雜交育種和基因工程技術相比，定向培育法帶有守株待兔的被動狀態(tài)。 例如，異煙肼是吡哆醇的代謝拮抗物(即結構類似物)，兩者分子結構類似。 2 、定向培育優(yōu)良菌種第三十九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十張，PPT共

13、八十頁，創(chuàng)作于2022年6月(二) 誘變育種 誘變育種就是利用物理或化學誘變劑處理均勻分散的微生物細胞群，促進其突變頻率大幅度提高，然后設法采用簡便、快速和高效的篩選方法，從中挑選少數(shù)符合育種目的突變株，以供生產(chǎn)實踐或科學實驗之用。 誘變育種除提高產(chǎn)量外，還可改進產(chǎn)品質(zhì)量、擴大品種和簡化工藝等目的。它具有方法簡便、工作速度快和收效顯著等優(yōu)點，仍是目前最廣泛使用的育種手段。第四十一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月1、誘變育種的基本環(huán)節(jié)第四十二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月1、初篩：以量為主2、復篩：以質(zhì)為主2、誘變育種的步驟第四十三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月3、營

14、養(yǎng)缺陷型的篩選 營養(yǎng)缺陷型(auxotroph)是指通過誘變而產(chǎn)生的，在一些營養(yǎng)物質(zhì)(如氨基酸、維生至少和堿基等)的合成能力上出現(xiàn)缺陷，因此必須在基本培養(yǎng)基(minimal medium)中加入相應的有機營養(yǎng)成分才能正常生長的變異菌株。野生型是指從自然界分離到的任何微生物在其發(fā)生人為營養(yǎng)缺陷突變前的原始菌株。在其相應的基本培養(yǎng)基上生長。 第四十四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月基本培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基補充培養(yǎng)基與篩選營養(yǎng)缺陷型突變株有關的3類培養(yǎng)基：第四十五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月篩選營養(yǎng)缺陷型菌株4個環(huán)節(jié)： (1)誘變劑處理 (2)淘汰野生型 (3)檢出缺陷型 (4)鑒定

15、缺陷型 第四十六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月4、誘變育種工作中的幾個原則 (1)選擇簡便有效的誘變劑 目前在實踐上常用的誘變劑主要有紫外線(u.v.)、氮芥、硫酸二乙酯、N-甲基-N-硝基-N-亞硝基胍(NTG或MNNG)和亞硝基甲脲(NMU)等。后兩種因為有突出的誘變效果，所以被譽為“超誘變劑”。 (2)挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株 第四十八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月(4)選用最適劑量要確定一個合適的劑量，常常要經(jīng)過多次試驗。就一般微生物而言，誘變率往往隨劑量的增高而提高，但達到一定劑量后，再提高劑量反而會使誘率下降。根據(jù)對紫外

16、線、X射線和乙烯亞胺等誘變效應的研究結果，發(fā)現(xiàn)正變轉多地出現(xiàn)在偏低的劑量中，而負變較多地出現(xiàn)于偏高的劑量中；還發(fā)現(xiàn)經(jīng)多次誘變而提高產(chǎn)量的菌株中，更容易出現(xiàn)負變。因此，在誘變育種工作中，目前比較傾向于采用較低的劑量。 第四十九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月(5)利用復合處理的協(xié)同效應 誘變劑的復合處理常常呈現(xiàn)一定的協(xié)同效應，這對育種實踐是很有參考價值的。 (6)利用和創(chuàng)造形態(tài)、生理與產(chǎn)量間的相關指標 為了確切地了解某一突變株產(chǎn)量性狀的提高程度，必須進行大量的分析測定和統(tǒng)計工作。第五十張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月(7)設計和采用高效篩選方案和方法 通過誘變處理，在微生物群體中

17、會出現(xiàn)種種突變型個體，絕大多數(shù)是負變體，要在其中把極個別的產(chǎn)量提高較顯著的正變體篩選到手，就要求采用效率較高的科學篩選方案和方法。篩選過程以分初篩與復篩兩階段進行為好。前者以量(選留菌株的數(shù)量)為主，后者以質(zhì)(測定數(shù)據(jù)的精確度)為主。 第五十一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 基因重組 凡把兩個不同性狀個體內(nèi)的遺傳基因轉移到一起，經(jīng)過遺傳分子的重新組合后，形成新遺傳型個體的方式，稱為基因重組。重組可使生物體在未發(fā)生突變的情況下，也能產(chǎn)生新遺傳型的個體。 重組是分子水平上的一個概念，可以理解成是遺傳物質(zhì)分子水平上的雜交。第五十二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月真核微生物中的

18、有性雜交、準性雜交及原核生物中的轉化、轉導、接合和原生質(zhì)體融合等都是基因重組在細胞水平上的反映?；蛑亟M是雜交育種的理論基礎。由于雜交育種是選用已知性狀的供體和受體菌種作為親本，因此不論在方向性還是自覺性方面，都比誘變育種前進了一大步。第五十三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月(一)接合 通過供體菌和受體菌完整細胞間的直接接觸而傳遞大段DNA的過程，稱為接合(有時也稱雜交)。一、原核微生物的基因重組第五十四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月接合：是細菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）從供體菌轉移給受體菌。能通過結合方式轉移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，不能通過性菌毛在

19、細菌間轉移的質(zhì)粒為非接合性質(zhì)粒。第五十五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十一張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月 受體菌直接吸收了來自供體菌的DNA片段，通過交換，把它組合到自己的基因組中，從而獲得了供體菌的部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱轉化。(二)轉化第六十二張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十三張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第六

20、十四張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月(三) 轉導 通過缺陷噬菌體的媒介，把供體細胞的DNA片段攜帶到受體細胞中，從而使后者獲得了前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉導。 根據(jù)轉導基因片段的范圍，可將轉導分為兩類：普遍性轉導（轉導的DNA可是供菌染色體上的任何部分）、局限性轉導（轉導的DNA只限供菌染色體上的特定基因）。第六十五張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月普遍性轉導( generalized transduction)第六十六張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十七張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十八張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十九張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月(四)原生質(zhì)體融合 通過人為方法，使遺傳性狀不同的兩細胞的原生質(zhì)體發(fā)生融合，并產(chǎn)生重組子的過程，稱為原生質(zhì)體融合或細胞融合。第七十張，PPT共八十頁，創(chuàng)作于2022年6月原生質(zhì)體融合的一般原理和主要過程先準備兩個有選擇性遺傳標記的突變株，在高滲溶液中，用適當?shù)拿摫诿?如細菌可用溶菌酶或青霉素處理，入線菌可用溶菌酶或相應的脫壁權衡利弊，真菌可用蝸牛酶或相應的脫壁酶等)去除細胞壁，再將形成的原生質(zhì)體離心聚集，并加入促融合劑PE