微生物遺傳變異與育種

微生物遺傳變異與育種第1頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四

微生物遺傳學(xué)研究意義1）微生物學(xué)的主要分支2）為生命遺傳現(xiàn)象的解釋提供依據(jù)3）是分子生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科4）促進(jìn)工業(yè)微生物菌種的選育

第2頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四§.1遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)

一、證明遺傳物質(zhì)的三個典型實驗

----細(xì)菌轉(zhuǎn)化實驗----噬菌體感染實驗----植物病毒的重建實驗

第3頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四1、細(xì)菌轉(zhuǎn)化實驗----動物試驗(Grifith,1928)第4頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四----細(xì)菌培養(yǎng)實驗S（死）+R（活）S（少量活）+R（活）S（無細(xì)胞提取液）+R（活）S（少量活）+R（活）第5頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四----細(xì)菌培養(yǎng)試驗（Avery，1944）第6頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四第7頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四2．噬菌體感染實驗(Hershey;Chase,1952)第8頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四3．植物病毒的重建實驗(Fraenkel-Conrat,1956)第9頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四二、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的存在部位和方式（一）真核與原核微生物遺傳物質(zhì)比較

第10頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●原核與真核微生物基因組大小第11頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四細(xì)菌染色體數(shù)目與形狀第12頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●細(xì)菌染色體結(jié)構(gòu)第13頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四真核微生物染色體結(jié)構(gòu)(示核小體）

第14頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四真核生物基因結(jié)構(gòu)第15頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四真核微生物基因表達(dá)控制第16頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四（二）原核生物的質(zhì)粒

質(zhì)粒：游離于染色體外，獨立復(fù)制，環(huán)狀、共價、閉合dsDNA分子，即cccDNA。第17頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●質(zhì)粒的特點1）大小：大質(zhì)粒：>60kb、1/cell小質(zhì)粒：10-20/cell第18頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四2）自主復(fù)制能力：型復(fù)制、滾環(huán)復(fù)制第19頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四

數(shù)量控制：嚴(yán)緊型；松弛型第20頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四3）轉(zhuǎn)移性：Tra區(qū)基因：附加體：某些質(zhì)粒既可整合進(jìn)宿主染色體，又可與染色體脫離，稱之~。第21頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四4）質(zhì)粒的消除：

----理化因子----原生質(zhì)體誘導(dǎo)法第22頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四5）不相容性：

兩種親緣關(guān)系相近的質(zhì)粒不能穩(wěn)定地存在于同一個細(xì)胞中。（G-菌的部分不相容群）第23頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●質(zhì)粒的遺傳表型1） F質(zhì)粒（致育因子）Tra基因：編碼轉(zhuǎn)移相關(guān)蛋白；合成性纖毛

第24頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四2）R質(zhì)粒（抗藥因子）----RTF基因（抗性轉(zhuǎn)移因子）----抗性決定子（抗抗生素、抗藥、抗種金屬）第25頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四3）Col質(zhì)粒（大腸桿菌素因子）----產(chǎn)大腸桿菌素細(xì)菌素：由細(xì)菌質(zhì)粒編碼產(chǎn)生的只能抑制或殺滅近緣細(xì)菌或同種不同菌株的蛋白質(zhì)。Col質(zhì)粒類型：----非接合型：松弛型----接合型：嚴(yán)緊型第26頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四4）Ti質(zhì)粒：合成冠癭堿、大型質(zhì)粒5）Ri質(zhì)粒：產(chǎn)生根毛、大型質(zhì)粒第27頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四7）降解質(zhì)粒：降解、接合第28頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四8）致病性質(zhì)粒：溶血素、腸毒素（S.aureus）9）共生固氮質(zhì)粒：----結(jié)瘤基因（nod）----固氮基因（nif）10）隱蔽質(zhì)粒：---未有明確表型第29頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●工程質(zhì)粒----pBR322主要特點：1）分子量小2）穩(wěn)定、松弛型復(fù)制3）可大量擴增4）容易分離5）可攜帶小于10kb外源DNA 6）帶有2個選擇標(biāo)記;7）多個單一酶切位點8）容易轉(zhuǎn)化第30頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●利用選擇標(biāo)記鑒別攜帶外源片段的轉(zhuǎn)化子(雙抗菌素對照篩選）第31頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四建議讀物第32頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四

§.2基因突變和誘變育種

一、基因突變●野生型菌株：從自然界分離獲得的菌株，稱之為~?！窕九囵B(yǎng)基(MM)：滿足野生型菌株生長最低營養(yǎng)要求的合成培養(yǎng)基。第33頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四（一）突變類型●營養(yǎng)缺陷型：野生型菌株由于突變而喪失了某種營養(yǎng)合成能力，而無法在基本培養(yǎng)基上生長的變異類型。

表示：基因：his+，his-；表型：His+，His-第34頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●抗性突變型：野生型菌株由于突變而產(chǎn)了對某些化學(xué)藥物或致死物理因子抗性變異類型。表示：基因：

strr、strs；tetr、tets；

表型：Strr，Strs第35頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四

●條件致死突變型：某些菌株或病毒經(jīng)基因突變后，在某種條件可生長并實現(xiàn)表型，而在另一條件卻無法生長繁殖的突變類型。(如溫度敏感突變株：Ts）●形態(tài)突變株●抗原突變株●產(chǎn)量突變株第36頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●突變株類型劃分：----選擇性突變株：營養(yǎng)缺陷型、抗性突變型、條件致死突變型----非選擇突變株：形態(tài)、抗原、產(chǎn)量突變型第37頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四（二）突變率及其撿出●突變率：某一細(xì)胞在每一世代中發(fā)生突變的幾率。常用單位群體中每一世代產(chǎn)生的突變株的數(shù)目來表示。第38頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●突變株的撿出及突變率的計算撿出方法：1）選擇性突變株----營養(yǎng)缺陷型----抗藥性突變回復(fù)突變:第39頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四（三）基因突變的自發(fā)性與不對稱性

●突變的自發(fā)性：基因可自發(fā)產(chǎn)生突變。（輻射、自身有害物質(zhì)、堿基配對錯誤）●突變的不對應(yīng)性：突變性狀與引起突變的環(huán)境因素?zé)o直接對應(yīng)關(guān)系。第40頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●平板影印培養(yǎng)試驗

(Lederberg)第41頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四（四）基因突變及其機制1、誘發(fā)突變(點突變,畸變)1)點突變(1)堿基置換---轉(zhuǎn)換---顛換第42頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●可能的突變型：錯義突變無義突變同義突變第43頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四

●相關(guān)的誘變劑－－直接引起置換：

亞硝酸、亞硝基胍、羥胺、烷化劑－－間接引起置換：堿基類似物（5－BU,5-AU)第44頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四(2）移碼突變DNA序列中插入或缺失少數(shù)核苷酸，從而使該處后面遺傳密碼的閱讀框架發(fā)生改變的突變。第45頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四2）染色體畸變

DNA分子的大段損傷，包括缺失、重復(fù)、插入、易位（轉(zhuǎn)座）和倒拉等?！褶D(zhuǎn)座：DNA分子通過非同源重組方式，從染色體的某一部位轉(zhuǎn)移到另一部位的現(xiàn)象。

第46頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●轉(zhuǎn)座因子凡具有轉(zhuǎn)座作用的DNA序列均稱之~。

特點：---轉(zhuǎn)座作用---末端重復(fù)序列---轉(zhuǎn)座酶基因第47頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●轉(zhuǎn)座因子類型插入序列轉(zhuǎn)座子(或稱復(fù)合轉(zhuǎn)座子）轉(zhuǎn)座噬菌體第48頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四

a）插入序列(IS)b）轉(zhuǎn)座子(Tn)第49頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●轉(zhuǎn)座機理第50頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●轉(zhuǎn)座子的遺傳效應(yīng)和生物學(xué)意義（復(fù)制型轉(zhuǎn)座）遺傳效應(yīng)1）插入突變2）DNA重排意義：進(jìn)化，獲得突變株，抗藥性鑒定必須基因第51頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四

（五）紫外線對DNA的損傷及其修復(fù)1．損傷的機理：

形成胸腺嘧啶二聚體2、修復(fù)作用

1）光復(fù)活作用光解酶-二聚體復(fù)合物為光激活

第52頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四2.暗修復(fù)作用：

第53頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四3、重組修復(fù)4、SOS修復(fù)第54頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四

二、

突變與育種（一）自發(fā)突變與育種(定向培育）（二）誘變育種第55頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四1、基本原則（應(yīng)考慮的問題）1）誘變劑的選擇(有效性,安全性，簡便性)第56頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●誘變劑誘變效果測定（回復(fù)突變率的測定）---艾姆氏試驗(檢測三致物質(zhì)）第57頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四2）出發(fā)菌株3）誘變菌株的狀態(tài)----處理單胞（孢）懸液----選擇單倍體或單核細(xì)胞4）劑量：低劑量；(表示方法)5）提高檢出效率----利用形態(tài)特征----鑒別培養(yǎng)基第58頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●利用鑒別培養(yǎng)基檢出突變株----蛋白酶高活性菌株的檢出（酪蛋白為N源，加HgCl2觀察透明圈）----淀粉酶高活性菌株的檢出（淀粉為C源，加I2液觀察透明圈）----有機酸高產(chǎn)菌株的檢出（培養(yǎng)基加CaCO3觀察透明圈）第59頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四6）設(shè)計高效的篩選方案----初篩（數(shù)量、定性）----復(fù)篩（質(zhì)量、定量）7）創(chuàng)新性的篩選方法第60頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四2、營缺型的篩選（1）三種基本培養(yǎng)基●基本培養(yǎng)基[-]:滿足野生型菌株生長最低營養(yǎng)要求的組合培養(yǎng)基。●完全培養(yǎng)基[+]：滿足所有營缺型菌株生長營養(yǎng)要求的天然或半組合培養(yǎng)基?！裱a充培養(yǎng)基[A]，[B]：滿足相應(yīng)營缺型菌株生長營養(yǎng)要求的組合或半組合培養(yǎng)基。第61頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四（2）三類遺傳型個體●野生型：從自然界分離獲得的菌株不論營養(yǎng)狀況如何，均稱為~。（A+B+）●營缺型：野生型菌株經(jīng)誘變由于代謝障礙，而必須添加某種物質(zhì)才能生長的突變株。

（A+B-）（A-B+）●原養(yǎng)型：營缺型回復(fù)突變后的菌株。

（A+B+）第62頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四

基本基完全基補充基野生型+++營缺型—++原養(yǎng)型+++第63頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四（3）篩選步驟

1）誘變2）淘汰野生型：抗生素法、菌絲過濾法3）檢出：夾層培養(yǎng)法；限量補充法逐個檢出法；影印平板法

第64頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●夾層培養(yǎng)法第65頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四（4）鑒定缺陷型(生長譜法)1）制備基本培養(yǎng)基；2）加充分洗滌菌懸液；3）加待測營養(yǎng)物；4）觀察生長。第66頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●定位（點）誘變盒式誘變寡核苷酸引物誘變第67頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四Strainimprovementforfermentationandbiocatalysisprocessesbygeneticengineeringtechnology建議讀物第68頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四§.3基因重組

●基因重組（遺傳重組）：兩個獨立基因組內(nèi)的遺傳物質(zhì)，通過一定的途徑轉(zhuǎn)移到一起，形成新的穩(wěn)定的基因組過程。第69頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●遺傳工程

----基因重組技術(shù)經(jīng)典、同源、生物自然屬性、體內(nèi)----DNA重組技術(shù)：分子水平、同--異源、體外第70頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四一、原核生物的基因重組（一）轉(zhuǎn)化受體菌直接吸收供體菌游離的DNA片段而獲得部分遺傳性狀的現(xiàn)象。第71頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四1、轉(zhuǎn)化的基本條件（1）感受態(tài)：受體菌最容易接受外源DNA片段并能實現(xiàn)轉(zhuǎn)化的一種生理狀態(tài)。影響因素：---遺傳因素（感受態(tài)因子;種屬的特異性；）---外部因素（CAMP、聚乙二醇、二價陽離子---低溫低滲CaCl處理、培養(yǎng)條件）

第72頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四

●轉(zhuǎn)化頻率：0.1～1%（很低），最高10%，質(zhì)粒

為良好的轉(zhuǎn)化因子?！駶舛龋?0-5ug/ml●結(jié)構(gòu)：一般轉(zhuǎn)化因子都是線狀雙鏈DNA，少數(shù)為

線狀單鏈DNA?！翊笮。好恳晦D(zhuǎn)化DNA片段分子量約1×107，約占染色體組0.3%，平均15個基因。（2）轉(zhuǎn)化因子第73頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●轉(zhuǎn)化因子非交換第74頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四2、轉(zhuǎn)化過程

1）酶解和吸收單鏈2）同源區(qū)配對、整合3）復(fù)制4）形成轉(zhuǎn)化子第75頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四3.轉(zhuǎn)染(Tranfection)提純的病毒DNA或RNA進(jìn)入宿主細(xì)胞并增殖出正常的病毒后代現(xiàn)象。IfDNAfromavirusisusedasthecloningvector,theprocessiscalledtransfection.

(Introductiontomicrobiology,JohnL.Ingraham)第76頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四（二）轉(zhuǎn)導(dǎo)完全缺陷或部分缺陷噬菌體為媒介,使受體細(xì)胞獲得供體細(xì)胞部分遺傳性狀的現(xiàn)象。第77頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四1、普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)

完全缺陷噬菌體對供體任何DNA小片段進(jìn)行“誤包”,而將其遺傳性狀傳遞給受體菌的現(xiàn)象，包括完全普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)和流產(chǎn)普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)兩種類型。第78頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四

●完全轉(zhuǎn)導(dǎo)(形成轉(zhuǎn)導(dǎo)子)感染復(fù)數(shù)：感染的噬菌體數(shù)/被感染細(xì)胞數(shù)第79頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)：(僅形成一個轉(zhuǎn)導(dǎo)子,產(chǎn)生小菌落)●經(jīng)轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)入受體菌的供體菌DNA片段，在受體菌內(nèi)不交換、整合、復(fù)制，也不迅速消失，僅進(jìn)行轉(zhuǎn)錄、翻譯、性狀表達(dá)轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。

第80頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四２、局限轉(zhuǎn)導(dǎo)部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌少數(shù)特定的基因攜帶到受體菌中并獲得表達(dá)的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。

A、低頻轉(zhuǎn)導(dǎo)（ＬＦＴ）１）噬菌體感染２）誘導(dǎo)裂解３）不正常切離（低頻轉(zhuǎn)導(dǎo)裂解物）（dgal、dbio）４）形成局限轉(zhuǎn)導(dǎo)子第81頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四B、高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)（ＨＦＴ）1）概念●低頻轉(zhuǎn)導(dǎo)(LFT)裂解物：溶源噬菌體感染后，帶少數(shù)局限轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體的細(xì)胞裂解物?！耠p重溶源菌：同時感染有正常噬菌體和缺陷噬菌體的受體菌。(來源：LFT裂解物以高的感染復(fù)數(shù)感染宿主)第82頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●雙重溶源菌第83頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四2）高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)：在局限轉(zhuǎn)導(dǎo)中，用雙重溶源菌誘導(dǎo)后產(chǎn)生的高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)裂解物轉(zhuǎn)導(dǎo)受體菌可獲得的高達(dá)50%的轉(zhuǎn)導(dǎo)子，稱之~。3）過程：1）雙重溶源菌2）誘導(dǎo)，獲得高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)裂解物3）高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)裂解物低m.o.i感染受體菌第84頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四（3）溶源轉(zhuǎn)變

溫和噬菌體感染宿主后，宿主通過溶源化而獲得免疫性以外新性狀的現(xiàn)象?！癜缀矶舅兀喊缀項U菌的?-噬菌體帶有“TOX”基因第85頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四（三）接合

●接合：通過細(xì)胞間的直接接觸,由質(zhì)粒介導(dǎo)的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象.●接合子：通過接合而獲得新的遺傳性狀的受體細(xì)胞。第86頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●存在方式:四種接合型菌株1、F-第87頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四

2、F+菌株Orit：起始子第88頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四3、Hfr菌株：高頻重組菌株，F(xiàn)+整合在染色體上成為附加體的狀態(tài)，若與F-接合，有很高的重組頻率。1）細(xì)胞接觸2）Hfr斷裂、轉(zhuǎn)移、復(fù)制3）接合中斷4）形成接合子第89頁，共102頁，2023年，2月20日，星期四●利用接合中斷法繪制染色體