畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異課件

第六章微生物的遺傳變異

Microbiology

Genetics

第六章微生物的遺傳變異

MicrobiologyGen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(jī)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2ReviewGenetics遺傳學(xué):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Review第一節(jié)微生物遺傳與變異的概念3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(chǎn)物或終產(chǎn)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(qiáng)。微生物是遺傳學(xué)研究中的明星：微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單，營養(yǎng)體一4研究微生物遺傳學(xué)的意義微生物是研究現(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(jìn)了現(xiàn)代分子生物學(xué)和生物工程學(xué)的發(fā)展，而且為育種工作提供了豐富的理論基礎(chǔ)，促使育種工作從不自覺到自覺、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)的意義微生物是研究現(xiàn)代遺傳學(xué)和其它許多主要的5ThreeClassicalExperiments三個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)三個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)1.Transformation轉(zhuǎn)化2.Infectionofbacteriophage噬菌體感染3.Reconstructionofplantvirus植物病毒重建ThreeClassicalExperiments6三個證明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（菌體無莢膜，菌落表面粗糙，無致病能力）遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)三個證明DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)71928年，F(xiàn).Griffth作了3組實(shí)驗(yàn):1928年，F(xiàn).Griffth作了3組實(shí)驗(yàn):81944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DNA1944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)92、噬菌體感染實(shí)驗(yàn)Hershey&Chase’sexperimentofphageinfectionConclusion:DNAwasthephysicalcarrierofheredity遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA2、噬菌體感染實(shí)驗(yàn)Conclusion:103.ReconstructionofTobaccoMosaicVirus(TMV)植物病毒重建

Nucleicacid,DNAorRNA,isthehereditarymaterial為了證明核酸是遺傳物質(zhì)，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的煙草花葉病毒（TMV）進(jìn)行了著名的植物病毒重建實(shí)驗(yàn)。將TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質(zhì)外殼與RNA核心相分離。分離后的RNA在沒有蛋白質(zhì)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。3.ReconstructionofTobaccoMo11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(zhì)，將兩種RNA分別與對方的蛋白質(zhì)外殼重建形成兩種雜合病毒：（1）RNA（TMV）-

蛋白質(zhì)（HRV）（2）RNA（HRV）-

蛋白質(zhì)（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(jié)果說明，在RNA病毒中，遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)也是核酸。選用TMV和霍氏車前花葉病毒（HRV），分別拆分取得各自的R12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(zhì)構(gòu)成朊病毒的遺傳物質(zhì)為蛋白質(zhì)？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)？13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)粒有時能賦予宿主細(xì)胞以特殊的機(jī)能，從而使宿主得到生長優(yōu)勢。質(zhì)粒（plasmid）：一種獨(dú)立于染色體外，能進(jìn)行自主復(fù)制的14質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(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)）質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)15質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(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。質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；超速離心或瓊脂16質(zhì)粒的主要種類質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng)致育因子（Fertilityfactor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）質(zhì)粒的主要種類質(zhì)粒所編碼致育因子（Fertilityfac17AdvantagesofusingplasmidasAdvantagesofusingplasmidasvectoringeneengineeringvectoringeneengineering質(zhì)粒作為基因工程載體的優(yōu)勢質(zhì)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(dú)立的復(fù)制起點(diǎn)4.Multiplecopies多拷貝:increaseexogenousDNArapidly迅速復(fù)制外源DNA5.Antibioticresistantgene:usedasselectivemarker抗生素抗性基因作為選擇標(biāo)記Advantagesofusingplasmidas18一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)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一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變異319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型一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變異青霉素、20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）1%石炭酸單個菌落（O）遷徙生長鞭毛變異一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變異特殊結(jié)構(gòu)的變異：一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變異21畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異課件22二、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(nèi)

R失去LPS的特異性多糖重復(fù)單位同時伴有其他性狀的改變二、菌落變異在陳舊培養(yǎng)基中23SinglecellsortofSalmonellacultureresultsindifferentcolonymorphologyNon-GeneticvariationSinglecellsortofSalmonella24三、毒力變異

β棒狀噬菌體

白喉棒狀桿菌

獲得白喉毒素

三、毒力變異β棒狀噬25

膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基

牛型結(jié)核桿菌卡介苗

13年(230代)三、毒力變異膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)26四、耐藥性變異細(xì)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(xì)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(chǎn)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)

四、耐藥性變異細(xì)菌對某種抗菌藥物有敏感變成耐藥的變異稱為耐27四、耐藥性變異四、耐藥性變異28四、耐藥性變異四、耐藥性變異29五、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。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30腸道桿菌細(xì)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(xué)鑒定的基礎(chǔ)。O與H是可以發(fā)生變異的。六、抗原性的變異腸道桿菌細(xì)胞壁脂多糖上的特異性多糖稱為O抗原，具有屬特異性；31第三節(jié)微生物變異的機(jī)理表型的差異只與環(huán)境有關(guān)特點(diǎn)：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(chǎn)生誘導(dǎo)作用，使基因表達(dá)暫時改變，某一表型性狀隨之發(fā)生改變，當(dāng)除去該誘發(fā)條件時，可恢復(fù)原來的性狀。第三節(jié)微生物變異的機(jī)理表型的差異只與環(huán)境有關(guān)一、非遺傳性32遺傳型變異（基因轉(zhuǎn)移、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(jī)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(yīng)的性狀也發(fā)生變化，并可以遺傳下去，這就是遺傳性變異。遺傳型變異（基因轉(zhuǎn)移、基因突變）：遺傳物質(zhì)改變，導(dǎo)致表型改變33（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(nèi)遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)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(nèi)。（一）基因突變基因突變（genemutation）簡稱突變34CharacteristicsofMutationCharacteristicsofMutation突變的特征突變的特征1.Spontaneous自發(fā)性2.Non-correspondent不對應(yīng)性3.Rare稀有性4.Independent獨(dú)立性5.Inducible可誘發(fā)性6.Stability穩(wěn)定性7.Reversible可逆性CharacteristicsofMutationCh35（二）基因轉(zhuǎn)移（transgenosis）轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體轉(zhuǎn)換接合基因轉(zhuǎn)移的方式（二）基因轉(zhuǎn)移（transgenosis）轉(zhuǎn)化基因轉(zhuǎn)移的方式361.轉(zhuǎn)化（transformation）轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化子（transformant）。范圍：原核生物中，轉(zhuǎn)化是一個較普遍的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化發(fā)生的條件:兩個菌種或菌株之間能否發(fā)生轉(zhuǎn)化，與它們在進(jìn)化過程中的親緣關(guān)系有著密切的關(guān)系。但即使在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化。進(jìn)行轉(zhuǎn)化的受體細(xì)胞必須處于感受態(tài)(competence)。即受體細(xì)胞最易接受外源DNA片段并實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)化的一種生理狀態(tài)。也可以采用人工的方法使細(xì)菌轉(zhuǎn)變成感受態(tài)1.轉(zhuǎn)化（transformation）轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)化作用：受37供體菌受體菌DNA片段1928年，Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae）的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象,目前已知有二十多個種的細(xì)菌具有自然轉(zhuǎn)化的能力供體菌受體菌DNA片段1928年，Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎鏈38自然轉(zhuǎn)化過程的特點(diǎn)：a）不需要活的DNA供體細(xì)胞；b）轉(zhuǎn)化是否成功及轉(zhuǎn)化效率的高低主要取決于轉(zhuǎn)化供體菌株和轉(zhuǎn)化受體菌株之間的親源關(guān)系；c）通常情況下質(zhì)粒的自然轉(zhuǎn)化效率要低得多。自然轉(zhuǎn)化過程的特點(diǎn)：39畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異課件40人工轉(zhuǎn)化用CaCl2處理細(xì)胞，電穿孔等是常用的人工轉(zhuǎn)化手段。在自然轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上發(fā)展和建立的一項細(xì)菌基因重組手段，是基因工程的奠基石和基礎(chǔ)技術(shù)。不是由細(xì)菌自身的基因所控制；用多種不同的技術(shù)處理受體細(xì)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(zhì)粒的轉(zhuǎn)化效率高；人工轉(zhuǎn)化用CaCl2處理細(xì)胞，電穿孔等是常用的人工轉(zhuǎn)化手段。412.轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）：通過完全缺陷或部分缺陷噬菌體的媒介，把供體細(xì)胞的DNA小片段攜帶到受體細(xì)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(xì)胞稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)子（transductant）。普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過完全缺陷噬菌體對供體菌任何小片段部分?jǐn)y帶到受體菌中，而實(shí)現(xiàn)其遺傳性狀傳遞到受體菌的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)：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(dá)的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。2.轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）：通過完全缺陷或部分缺42畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異課件43Transduction1.Generalizedtransduction2.SpecializedtransductionTransduction443.噬菌體轉(zhuǎn)換（phageconversion）：或稱溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenicconversion）。當(dāng)溫和噬菌體感染其寄主細(xì)菌之后，噬菌體的基因整合于寄主基因組中，導(dǎo)致寄主的某些性狀發(fā)生變異，稱為噬菌體轉(zhuǎn)換。3.噬菌體轉(zhuǎn)換（phageconversion）：或稱溶454.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(xì)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(xì)胞稱為接合子。存在范圍：細(xì)菌和放線菌中都存在接合現(xiàn)象。4.接合（conjugation）：供體菌通過性菌毛傳遞46TransferofplasmidDNAbyconjugationTheFplasmidofanF+cellisbeingtransferredtoaF-recipientcellTransferofplasmidDNAbycon47一、從自然變異中篩選誘變劑物理因素化學(xué)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一、從自然變異中篩選誘變劑物理因素化學(xué)因素紫外線烷化劑二、傳48三、原生質(zhì)體融合（protoplastfusion）概念：通過人為的方法，使遺傳性狀不同的兩細(xì)胞的原生質(zhì)體發(fā)生融合，并進(jìn)而發(fā)生遺傳重組以產(chǎn)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(zhì)體融合。原生質(zhì)體融合的優(yōu)點(diǎn)：可以提高重組率雙親可以少帶標(biāo)記或不帶標(biāo)記可進(jìn)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(zhì)體融合提高產(chǎn)量三、原生質(zhì)體融合（protoplastfusion）49四、基因工程Incorporationintoartificialplasmidsofgenesfromawidevarietyofsourceshasmadepossiblethetransferofgeneticmaterialacrossvirtuallyanyspeciesbarrier。四、基因工程Incorporationintoartif50畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異課件51MutantsthataredetectableNon-motileNon-capsulatedRoughcolonyNutritionalSugarfermentationDrugresistantVirusresistantTemperaturesensitivePigmentMutantsthataredetectableNon52★按是否比較容易、迅速地分離到發(fā)生突變的細(xì)胞來分：選擇性突變株（selectivemutant）：具有選擇標(biāo)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(dāng)?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(biāo)記（如產(chǎn)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★按是否比較容易、迅速地分離到發(fā)生突變的細(xì)胞來分：第四節(jié)53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)法變異菌的一般篩選方法平皿快速檢測法54畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異課件55畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異課件56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(chǎn)、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)造降低微生物代謝活動強(qiáng)度，生長繁殖受抑制，難以發(fā)生突變的環(huán)境條件。（其環(huán)境要素是干燥、低溫、缺氧、缺營養(yǎng)以及添加保護(hù)劑等）

五、微生物遺傳性的保存菌種保藏：

1.目的：

①存活，不丟失，不污染

②防止優(yōu)57菌連續(xù)在培養(yǎng)基上（內(nèi)）移種種生活態(tài)傳代培養(yǎng)保藏法連續(xù)在活宿主上（內(nèi)）移種保固體斜面藏濕法半固體瓊脂柱方休眠態(tài)液體介質(zhì)（蒸餾水、糖液、其它溶液）法干法藏在玻璃管內(nèi)吸附在合適的載體上菌58幾種常用菌種保藏方法的比較方法名稱主要措施適宜菌種保藏期評價冰箱保藏法（斜面）冰箱保藏法（半固體）石蠟油封藏法*沙土保藏法冷凍干燥法低溫低溫低溫、缺氧干燥、無營養(yǎng)干燥、無氧、低溫、有保護(hù)劑各大類細(xì)菌、酵母菌各大類**產(chǎn)孢子微生物各大類3~6月6~12月1~2年1~10年5~15年以上簡便簡便簡便簡便有效簡便有效幾種常用菌種保藏方法的比較方法名稱主要措施適宜菌種保藏期評價59畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異課件60菌種保藏機(jī)構(gòu)的任務(wù)：廣泛收集科研和生產(chǎn)菌種、菌株，并加以妥善保管，使之達(dá)到不死、不衰、不亂以及便于研究、交換和使用的目的。菌種保藏機(jī)構(gòu)：

中國微生物菌種保藏委員會(CCCCM)

美國的典型菌種保藏中心(ATCC)

英國國家典型菌種保藏所（NCTC）法國里昂巴斯德研究所（IPL）國內(nèi)外菌種保藏機(jī)構(gòu)：菌種保藏機(jī)構(gòu)的任務(wù)：廣泛收集科研和生產(chǎn)菌種、菌株，并加以妥善61ThankYou!ThankYou!第六章微生物的遺傳變異

Microbiology

Genetics

第六章微生物的遺傳變異

MicrobiologyGen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(jī)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64ReviewGenetics遺傳學(xué):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Review第一節(jié)微生物遺傳與變異的概念65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(chǎn)物或終產(chǎn)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(qiáng)。微生物是遺傳學(xué)研究中的明星：微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單，營養(yǎng)體一66研究微生物遺傳學(xué)的意義微生物是研究現(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(jìn)了現(xiàn)代分子生物學(xué)和生物工程學(xué)的發(fā)展，而且為育種工作提供了豐富的理論基礎(chǔ)，促使育種工作從不自覺到自覺、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)的意義微生物是研究現(xiàn)代遺傳學(xué)和其它許多主要的67ThreeClassicalExperiments三個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)三個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)1.Transformation轉(zhuǎn)化2.Infectionofbacteriophage噬菌體感染3.Reconstructionofplantvirus植物病毒重建ThreeClassicalExperiments68三個證明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（菌體無莢膜，菌落表面粗糙，無致病能力）遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)三個證明DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)691928年，F(xiàn).Griffth作了3組實(shí)驗(yàn):1928年，F(xiàn).Griffth作了3組實(shí)驗(yàn):701944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DNA1944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)712、噬菌體感染實(shí)驗(yàn)Hershey&Chase’sexperimentofphageinfectionConclusion:DNAwasthephysicalcarrierofheredity遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA2、噬菌體感染實(shí)驗(yàn)Conclusion:723.ReconstructionofTobaccoMosaicVirus(TMV)植物病毒重建

Nucleicacid,DNAorRNA,isthehereditarymaterial為了證明核酸是遺傳物質(zhì)，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的煙草花葉病毒（TMV）進(jìn)行了著名的植物病毒重建實(shí)驗(yàn)。將TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質(zhì)外殼與RNA核心相分離。分離后的RNA在沒有蛋白質(zhì)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。3.ReconstructionofTobaccoMo73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(zhì)，將兩種RNA分別與對方的蛋白質(zhì)外殼重建形成兩種雜合病毒：（1）RNA（TMV）-

蛋白質(zhì)（HRV）（2）RNA（HRV）-

蛋白質(zhì)（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(jié)果說明，在RNA病毒中，遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)也是核酸。選用TMV和霍氏車前花葉病毒（HRV），分別拆分取得各自的R74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(zhì)構(gòu)成朊病毒的遺傳物質(zhì)為蛋白質(zhì)？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)？75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)粒有時能賦予宿主細(xì)胞以特殊的機(jī)能，從而使宿主得到生長優(yōu)勢。質(zhì)粒（plasmid）：一種獨(dú)立于染色體外，能進(jìn)行自主復(fù)制的76質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(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)）質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)77質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(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。質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；超速離心或瓊脂78質(zhì)粒的主要種類質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng)致育因子（Fertilityfactor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）質(zhì)粒的主要種類質(zhì)粒所編碼致育因子（Fertilityfac79AdvantagesofusingplasmidasAdvantagesofusingplasmidasvectoringeneengineeringvectoringeneengineering質(zhì)粒作為基因工程載體的優(yōu)勢質(zhì)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(dú)立的復(fù)制起點(diǎn)4.Multiplecopies多拷貝:increaseexogenousDNArapidly迅速復(fù)制外源DNA5.Antibioticresistantgene:usedasselectivemarker抗生素抗性基因作為選擇標(biāo)記Advantagesofusingplasmidas80一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)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一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變異381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型一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變異青霉素、82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）1%石炭酸單個菌落（O）遷徙生長鞭毛變異一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變異特殊結(jié)構(gòu)的變異：一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變異83畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異課件84二、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(nèi)

R失去LPS的特異性多糖重復(fù)單位同時伴有其他性狀的改變二、菌落變異在陳舊培養(yǎng)基中85SinglecellsortofSalmonellacultureresultsindifferentcolonymorphologyNon-GeneticvariationSinglecellsortofSalmonella86三、毒力變異

β棒狀噬菌體

白喉棒狀桿菌

獲得白喉毒素

三、毒力變異β棒狀噬87

膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基

牛型結(jié)核桿菌卡介苗

13年(230代)三、毒力變異膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)88四、耐藥性變異細(xì)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(xì)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(chǎn)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)

四、耐藥性變異細(xì)菌對某種抗菌藥物有敏感變成耐藥的變異稱為耐89四、耐藥性變異四、耐藥性變異90四、耐藥性變異四、耐藥性變異91五、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。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92腸道桿菌細(xì)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(xué)鑒定的基礎(chǔ)。O與H是可以發(fā)生變異的。六、抗原性的變異腸道桿菌細(xì)胞壁脂多糖上的特異性多糖稱為O抗原，具有屬特異性；93第三節(jié)微生物變異的機(jī)理表型的差異只與環(huán)境有關(guān)特點(diǎn)：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(chǎn)生誘導(dǎo)作用，使基因表達(dá)暫時改變，某一表型性狀隨之發(fā)生改變，當(dāng)除去該誘發(fā)條件時，可恢復(fù)原來的性狀。第三節(jié)微生物變異的機(jī)理表型的差異只與環(huán)境有關(guān)一、非遺傳性94遺傳型變異（基因轉(zhuǎn)移、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(jī)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(yīng)的性狀也發(fā)生變化，并可以遺傳下去，這就是遺傳性變異。遺傳型變異（基因轉(zhuǎn)移、基因突變）：遺傳物質(zhì)改變，導(dǎo)致表型改變95（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(nèi)遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)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(nèi)。（一）基因突變基因突變（genemutation）簡稱突變96CharacteristicsofMutationCharacteristicsofMutation突變的特征突變的特征1.Spontaneous自發(fā)性2.Non-correspondent不對應(yīng)性3.Rare稀有性4.Independent獨(dú)立性5.Inducible可誘發(fā)性6.Stability穩(wěn)定性7.Reversible可逆性CharacteristicsofMutationCh97（二）基因轉(zhuǎn)移（transgenosis）轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體轉(zhuǎn)換接合基因轉(zhuǎn)移的方式（二）基因轉(zhuǎn)移（transgenosis）轉(zhuǎn)化基因轉(zhuǎn)移的方式981.轉(zhuǎn)化（transformation）轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化子（transformant）。范圍：原核生物中，轉(zhuǎn)化是一個較普遍的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化發(fā)生的條件:兩個菌種或菌株之間能否發(fā)生轉(zhuǎn)化，與它們在進(jìn)化過程中的親緣關(guān)系有著密切的關(guān)系。但即使在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化。進(jìn)行轉(zhuǎn)化的受體細(xì)胞必須處于感受態(tài)(competence)。即受體細(xì)胞最易接受外源DNA片段并實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)化的一種生理狀態(tài)。也可以采用人工的方法使細(xì)菌轉(zhuǎn)變成感受態(tài)1.轉(zhuǎn)化（transformation）轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)化作用：受99供體菌受體菌DNA片段1928年，Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae）的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象,目前已知有二十多個種的細(xì)菌具有自然轉(zhuǎn)化的能力供體菌受體菌DNA片段1928年，Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎鏈100自然轉(zhuǎn)化過程的特點(diǎn)：a）不需要活的DNA供體細(xì)胞；b）轉(zhuǎn)化是否成功及轉(zhuǎn)化效率的高低主要取決于轉(zhuǎn)化供體菌株和轉(zhuǎn)化受體菌株之間的親源關(guān)系；c）通常情況下質(zhì)粒的自然轉(zhuǎn)化效率要低得多。自然轉(zhuǎn)化過程的特點(diǎn)：101畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異課件102人工轉(zhuǎn)化用CaCl2處理細(xì)胞，電穿孔等是常用的人工轉(zhuǎn)化手段。在自然轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上發(fā)展和建立的一項細(xì)菌基因重組手段，是基因工程的奠基石和基礎(chǔ)技術(shù)。不是由細(xì)菌自身的基因所控制；用多種不同的技術(shù)處理受體細(xì)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(zhì)粒的轉(zhuǎn)化效率高；人工轉(zhuǎn)化用CaCl2處理細(xì)胞，電穿孔等是常用的人工轉(zhuǎn)化手段。1032.轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）：通過完全缺陷或部分缺陷噬菌體的媒介，把供體細(xì)胞的DNA小片段攜帶到受體細(xì)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(xì)胞稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)子（transductant）。普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過完全缺陷噬菌體對供體菌任何小片段部分?jǐn)y帶到受體菌中，而實(shí)現(xiàn)其遺傳性狀傳遞到受體菌的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)：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(dá)的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。2.轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）：通過完全缺陷或部分缺104畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異課件105Transduction1.Generalizedtransduction2.SpecializedtransductionTransduction1063.噬菌體轉(zhuǎn)換（phageconversion）：或稱溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenicconversion）。當(dāng)溫和噬菌體感染其寄主細(xì)菌之后，噬菌體的基因整合于寄主基因組中，導(dǎo)致寄主的某些性狀發(fā)生變異，稱為噬菌體轉(zhuǎn)換。3.噬菌體轉(zhuǎn)換（phageconversion）：或稱溶1074.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(xì)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(xì)胞稱為接合子。存在范圍：細(xì)菌和放線菌中都存在接合現(xiàn)象。4.接合（conjugation）：供體菌通過性菌毛傳遞108TransferofplasmidDNAbyconjugationTheFplasmidofanF+cellisbeingtransferredtoaF-recipientcellTransferofplasmidDNAbycon109一、從自然變異中篩選誘變劑物理因素化學(xué)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一、從自然變異中篩選誘變劑物理因素化學(xué)因素紫外線烷化劑二、傳110三、原生質(zhì)體融合（protoplastfusion）概念：通過人為的方法，使遺傳性狀不同的兩細(xì)胞的原生質(zhì)體發(fā)生融合，并進(jìn)而發(fā)生遺傳重組以產(chǎn)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(zhì)體融合。原生質(zhì)體融合的優(yōu)點(diǎn)：可以提高重