第5章 微生物遺傳育種

第5章微生物的遺傳與育種遺傳和變異的概念遺傳和變異是生物體最本質(zhì)的屬性之一。遺傳性是指生物的親代傳遞給子代一套遺傳信息的特性。生物體所攜帶的全部遺傳因子或基因的總稱，即遺傳型（genotype）。只有遺傳型的改變，即生物體遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)上發(fā)生的變化，才稱為變異。但一旦發(fā)生后，變異形狀是穩(wěn)定的，可遺傳的。遺傳和變異的概念微生物的變異（variation）即是微生物子代的表型特征與其親代的表型特征發(fā)生較大的差異，這種差異是由于子代的基因發(fā)生了突變（mutation）所引起的，即遺傳物質(zhì)DNA或RNA病毒和噬菌體中的RNA中的核苷酸序列發(fā)生了一種穩(wěn)定的和可遺傳的變化。遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)什么是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，在歷史上曾經(jīng)存在爭(zhēng)論。通過(guò)3個(gè)經(jīng)典的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，證明核酸（細(xì)胞生物里是DNA）是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。

細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)噬菌體感染實(shí)驗(yàn)病毒重建實(shí)驗(yàn)1、細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)2、噬菌體感染實(shí)驗(yàn)

病毒重建實(shí)驗(yàn)P126

細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)噬菌體感染實(shí)驗(yàn)病毒重建實(shí)驗(yàn)____________________________________上述實(shí)驗(yàn)證明是DNA攜帶遺傳信息

DNA的結(jié)構(gòu)中心法則5.2微生物的基因和基因組基因的概念

基因是一段具有特定功能和結(jié)構(gòu)的連續(xù)的DAN片斷，是編碼蛋白質(zhì)或RNA分子遺傳信息的基本遺傳單位。原核生物基因組和真核生物基因組的比較1351、真核生物基因組還包括葉綠體、線粒體的基因組。2、原核生物的細(xì)胞中除了主染色體以外，還含有各種質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子。質(zhì)粒常為雙鏈環(huán)狀DNA，可獨(dú)立復(fù)制，有的既可以游離于細(xì)胞質(zhì)中，也可以整合到染色體上。轉(zhuǎn)座因子一般都是整合在基因組中。3、原核生物的染色體分子量較小，基因組含有大量單一順序（unique-sequences），DNA僅有少量的重復(fù)順序和基因。

真核生物基因組存在大量的非編碼序列。包括：內(nèi)含子和外顯子、基因家族和假基因、重復(fù)DNA序列。

5.2微生物的基因和基因組5.2微生物的基因和基因組5.3質(zhì)粒質(zhì)粒的概念一般指細(xì)菌真菌等微生物細(xì)胞中、獨(dú)立于染色體外、能進(jìn)行自主復(fù)制的遺傳因子。

5.3質(zhì)粒

5.3.2質(zhì)粒的命名P138

1976年Novick等人提出并逐漸形成了一個(gè)可為質(zhì)粒研究者普遍接受和遵循的命名原則，主要包括以小寫p代表質(zhì)粒，p后面的大寫字母用來(lái)描述質(zhì)粒，或代表最早分離者，或重新構(gòu)建人。大寫字母之后的數(shù)字以識(shí)別特定的結(jié)構(gòu)。在質(zhì)粒進(jìn)一步改造后，以不同的數(shù)字指出它的變化。如質(zhì)粒pBR322，構(gòu)建者為BoliVer和Rodriguer，取其第一個(gè)字母BR，數(shù)字為衍生質(zhì)粒數(shù)(或編號(hào))，這樣就構(gòu)成pBR322。而pBR325則代表氯霉素抗性基因的插人，新的數(shù)字以區(qū)別原來(lái)的322。5.3質(zhì)粒

5.3.3質(zhì)粒的檢測(cè)P1395.3質(zhì)粒5.3.3質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)與類型

P140

5.4基因突變與遺傳育種

1、突變突變的概念。P143突變包括基因突變（genemutation）或稱點(diǎn)突變（pointmutation）和染色體畸變（chromosomalaberration）兩大類型。

基因突變是由于DNA（或RNA病毒的RNA）鏈上的一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)堿基被另一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)堿基對(duì)取代發(fā)生改變的突變類型。

染色體畸變則是DNA鏈上大段發(fā)生變化或損傷所引起的突變類型。這里包括染色體DNA鏈上的插入（insertion）、缺失（deletion）、重復(fù)（duplication）、易位（translocation）、倒位（inversion）等。

2、突變的幾種常見(jiàn)形式

5.4基因突變與遺傳育種

微生物突變的表型：(1)形態(tài)突變型

(2)

致死突變型

(3)

條件致死突變型

(4)生化突變型微生物突變的效應(yīng)：(1)同義突變

(2)

錯(cuò)義突變

(3)

無(wú)義突變型5.4.1.1基因突變的類型P144

5.4.1.2遺傳學(xué)上常用的幾個(gè)突變株P(guān)272營(yíng)養(yǎng)缺陷突變株溫度敏感突變株抗性突變株這幾種突變株都相對(duì)容易分離。5.4.1.4突變與育種

P148微生物基因的突變可以是自發(fā)發(fā)生（自發(fā)突變）和人工創(chuàng)造環(huán)境促使發(fā)生（誘變）。自發(fā)突變：發(fā)生頻率極低。

誘變：可大大提高突變發(fā)生的頻率，可定向篩選加速獲得符合研究目標(biāo)的遺傳性狀。組氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型的突變非誘變（少量自發(fā)突變）誘變后突變株大大增加1、誘變與誘變劑的概念。

凡能提高突變率的任何理化因子都可稱為誘變劑（mutagen）。2、常用的誘變方式。

誘變劑可包括堿基類似物，可與DNA堿基直接起化學(xué)反應(yīng)的亞硝酸、羥胺和烷化劑等，紫外線、X射線、γ射線、快中子等等射線，熱處理等，還有一些來(lái)自于其他微生物的DNA片段、轉(zhuǎn)座子等生物因子等都可誘發(fā)突變。物理誘變和化學(xué)誘變。物理誘變：紫外線、X射線、γ射線、快中子、β射線等物理因素引起突變的產(chǎn)生主要是對(duì)DNA產(chǎn)生作用。常用紫外線照射，由于DNA對(duì)波長(zhǎng)254nm的紫外線有強(qiáng)烈的吸收作用，所以DNA對(duì)紫外線十分敏感?；瘜W(xué)誘變：亞硝酸、羥胺、亞硝基呱等。誘變的機(jī)理：（1）通過(guò)滲入DNA分子而引起突變。（2）通過(guò)和DNA直接反應(yīng)而引起突變。（3）通過(guò)一對(duì)核苷酸的插入或缺失而引起的突變。測(cè)定化學(xué)物質(zhì)誘變性（致畸致癌性）的埃姆斯實(shí)驗(yàn)組氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型的突變非誘變（少量自發(fā)突變）誘變后突變株大大增加3、誘變?cè)谖⑸镉N中的重要作用。

是傳統(tǒng)的提高微生物菌株生產(chǎn)性能的方法。紫外線誘變與化學(xué)誘變。突變率與回復(fù)突變。誘變的特點(diǎn)細(xì)菌基因的轉(zhuǎn)移和重組遺傳重組和突變的區(qū)別。細(xì)菌基因的轉(zhuǎn)移和重組對(duì)于細(xì)菌的進(jìn)化非常重要。細(xì)菌基因的轉(zhuǎn)移和重組的方式。轉(zhuǎn)化作用。轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。接合作用。細(xì)菌基因的轉(zhuǎn)移和重組1、轉(zhuǎn)化（Transformation）轉(zhuǎn)化是從周圍培養(yǎng)基吸收游離的DNA片段，整合到自己染色體基因組的結(jié)果。細(xì)菌基因的轉(zhuǎn)移和重組

2、轉(zhuǎn)導(dǎo)

(Transduction)

通過(guò)缺陷型噬菌體的媒介，把供體細(xì)胞的DNA片斷攜帶到受體細(xì)胞中，從而使后者獲得前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)。

細(xì)菌基因的轉(zhuǎn)移和重組3、接合(conjugation)

接合是指通過(guò)質(zhì)粒使遺傳物質(zhì)在兩個(gè)細(xì)菌細(xì)胞間轉(zhuǎn)移的機(jī)制。接合細(xì)菌接合F+F-F+F-F+F+F+F+接合示意圖轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)導(dǎo)接合微生物的雜交育種一般指兩個(gè)不同基因型的菌株通過(guò)接合使遺傳物質(zhì)重組，得到新的菌株接合示意圖原生質(zhì)體融合：人為方法使遺傳性狀不同的兩細(xì)胞的原生質(zhì)體發(fā)生融和，并產(chǎn)生重組子的過(guò)程。5.5基因工程（重組DNA技術(shù)）

基因工程的核心即體外重組DNA技術(shù)?；蚬こ痰幕静襟E主要有包括：①目的基因的制??；②基因載體的選擇與構(gòu)建；③目的基因與載體DNA的拼接；④重組體分子導(dǎo)入受體細(xì)胞，篩選和無(wú)性繁殖（克?。?；⑤外源基因的表達(dá)和產(chǎn)物的分離純化。一、目的基因克隆

5.5基因工程（重組DNA技術(shù)）

二、目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞常用載體。P162質(zhì)粒：質(zhì)粒作為載體的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。噬菌體：噬菌體作為載體的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。其它載體，如動(dòng)物病毒等。8.5基因工程（重組DNA技術(shù)）

載體經(jīng)常需要用抗生素抗性基因或色素基因進(jìn)行標(biāo)記目的基因連接到載體上Transformedcell三、克隆子的篩選和鑒定1、篩選在構(gòu)建文庫(kù)之后就需要從眾多的克隆中，篩選出含有目的基因的重組體。載體經(jīng)常需要用抗生素抗性基因或色素基因進(jìn)行標(biāo)記，以利于篩選。2、鑒定鑒定其正確性。這通常有三種鑒定方法：一是重組體表型特征的鑒定，二是重組DNA分子結(jié)構(gòu)特征的鑒定，三是外源基因表達(dá)產(chǎn)物的鑒定。載體上的抗生素抗性標(biāo)記基因工程基本操作示意圖

基因工程技術(shù)生產(chǎn)口蹄疫病毒疫苗

DNA的人工合成和擴(kuò)增

1、DNA的人工合成。2、DNA的人工細(xì)胞外擴(kuò)增：PCR技術(shù)。PCR技術(shù)的概念。

PCR每一循環(huán)的基本步驟：變性、退火、延伸。PCR技術(shù)的重要性。PCR（polymerasechainreaction）

是體外酶促合成特異DNA片段的新方法，主要由高溫變性、低溫退火和適溫延伸三個(gè)步驟反復(fù)的熱循環(huán)構(gòu)成：即在高溫（95℃）下，待擴(kuò)增的靶DNA雙鏈?zhǔn)軣嶙冃猿蔀閮蓷l單鏈DNA模板；而后在低溫（37～55℃）情況下，兩條人工合成的寡核苷酸引物與互補(bǔ)的單鏈DNA模板結(jié)合，形成部分雙鏈；在Taq酶的最適溫度（72℃）下，以引物3’端為合成的起點(diǎn)，以單核苷酸為原料，沿模板以5’→3’方向延伸，合成DNA新鏈。這樣，每一雙鏈的DNA模板，經(jīng)過(guò)一次解鏈、退火、延伸三個(gè)步驟的熱循環(huán)后就成了兩條雙鏈DNA分子。

如此反復(fù)進(jìn)行，每一次循環(huán)所產(chǎn)生的DNA均能成為下一次循環(huán)的模板，每一次循環(huán)都使兩條人工合成的引物間的DNA特異區(qū)拷貝數(shù)擴(kuò)增一倍，PCR產(chǎn)物得以2n的批數(shù)形式迅速擴(kuò)增，經(jīng)過(guò)25～30個(gè)循環(huán)后，理論上可使基因擴(kuò)增109倍以上，實(shí)際上一般可達(dá)106～107倍。

PCR技術(shù)的基本原理PCR由變性--退火--延伸三個(gè)基本反應(yīng)步驟構(gòu)成：

①模板DNA的變性：模板DNA經(jīng)加熱至93℃左右一定時(shí)間后，使模板DNA雙鏈或經(jīng)PCR擴(kuò)增形成的雙鏈DNA解離，使之成為單鏈，以便它與引物結(jié)合，為下輪反應(yīng)作準(zhǔn)備；

②模板DNA與引物的退火(復(fù)性)：模板DNA經(jīng)加熱變性成單鏈后，溫度降至55℃左右，引物與模