微生物遺傳和變異

關(guān)于微生物遺傳和變異

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110頁，2024年2月25日，星期天§.1遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)

一、證明遺傳物質(zhì)的三個(gè)典型實(shí)驗(yàn)

----細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

----噬菌體感染實(shí)驗(yàn)

----植物病毒的重建實(shí)驗(yàn)

第3頁,共110頁，2024年2月25日，星期天1、細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

----動物試驗(yàn)(Grifith,1928)第4頁,共110頁，2024年2月25日，星期天----細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)■

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110頁，2024年2月25日，星期天----細(xì)菌培養(yǎng)試驗(yàn)（Avery，1944）(DNA是遺傳物質(zhì)的第一個(gè)證明者)第6頁,共110頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共110頁，2024年2月25日，星期天2．噬菌體感染實(shí)驗(yàn)(Hershey;Chase,1952)第8頁,共110頁，2024年2月25日，星期天3．植物病毒的重建實(shí)驗(yàn)

(Fraenkel-Conrat,1956)第9頁,共110頁，2024年2月25日，星期天二、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110頁，2024年2月25日，星期天●原核與真核微生物基因組大小第11頁,共110頁，2024年2月25日，星期天細(xì)菌染色體數(shù)目與形狀第12頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●細(xì)菌染色體結(jié)構(gòu)第13頁,共110頁，2024年2月25日，星期天真核微生物染色體結(jié)構(gòu)(示核小體）

第14頁,共110頁，2024年2月25日，星期天真核生物基因結(jié)構(gòu)(僅外顯子有編碼功能)第15頁,共110頁，2024年2月25日，星期天真核微生物基因表達(dá)控制第16頁,共110頁，2024年2月25日，星期天（二）原核生物的質(zhì)粒

質(zhì)粒：游離于染色體外，獨(dú)立復(fù)制的dsDNA分子。(環(huán)狀、共價(jià)、閉合?)第17頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●質(zhì)粒的特點(diǎn)1）大?。捍筚|(zhì)粒：>60kb、1/cell小質(zhì)粒：

10-20/cell第18頁,共110頁，2024年2月25日，星期天2）自主復(fù)制能力：型復(fù)制、滾環(huán)復(fù)制第19頁,共110頁，2024年2月25日，星期天

數(shù)量控制：嚴(yán)緊型；松弛型第20頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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110頁，2024年2月25日，星期天4）質(zhì)粒的消除：

----理化因子

----原生質(zhì)體誘導(dǎo)法第22頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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(gè)細(xì)胞中。（G-菌的部分不相容群）第23頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●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110頁，2024年2月25日，星期天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、抗重金屬）第25頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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(colE1)：松弛型接合型(colIb)：嚴(yán)緊型第26頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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110頁，2024年2月25日，星期天7）降解質(zhì)粒：降解、接合第28頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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110頁，2024年2月25日，星期天●工程質(zhì)粒----pBR322主要特點(diǎn)：1）分子量小2）穩(wěn)定、松弛型復(fù)制3）可大量擴(kuò)增4）容易分離5）可攜帶小于10kb外源DNA 6）帶有2個(gè)選擇標(biāo)記

;7）多個(gè)單一酶切位點(diǎn)8）容易轉(zhuǎn)化第30頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●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110頁，2024年2月25日，星期天建議讀物第32頁,共110頁，2024年2月25日，星期天

§.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110頁，2024年2月25日，星期天（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–完全培養(yǎng)基：滿足各種營缺型菌株生長營養(yǎng)要求的天然或半組合培養(yǎng)基。第34頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●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110頁，2024年2月25日，星期天

●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(shí)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110頁，2024年2月25日，星期天●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110頁，2024年2月25日，星期天（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110頁，2024年2月25日，星期天●突變株的撿出及突變率的計(jì)算1)撿出方法：

營養(yǎng)缺陷型;

抗藥性突變等選擇性突變類型2)突變率測定

突變菌數(shù)/總菌數(shù)第39頁,共110頁，2024年2月25日，星期天（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110頁，2024年2月25日，星期天●平板影印培養(yǎng)試驗(yàn)

(Lederberg)第41頁,共110頁，2024年2月25日，星期天（四）基因突變及其機(jī)制1、誘發(fā)突變(點(diǎn)突變,畸變)1)點(diǎn)突變(1)堿基置換

---轉(zhuǎn)換

---顛換第42頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●可能的突變型：錯義突變無義突變同義突變第43頁,共110頁，2024年2月25日，星期天

●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110頁，2024年2月25日，星期天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110頁，2024年2月25日，星期天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。●轉(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110頁，2024年2月25日，星期天●轉(zhuǎn)座因子凡具有轉(zhuǎn)座作用的DNA序列均稱之~。

特點(diǎn)：---轉(zhuǎn)座作用---末端重復(fù)序列---轉(zhuǎn)座酶基因第47頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●轉(zhuǎn)座因子類型

插入序列

細(xì)菌轉(zhuǎn)座子(Tn,轉(zhuǎn)座子)包括復(fù)合轉(zhuǎn)座子和復(fù)雜轉(zhuǎn)座子）

轉(zhuǎn)座噬菌體第48頁,共110頁，2024年2月25日，星期天

a）插入序列(IS)b）轉(zhuǎn)座子(Tn)第49頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●轉(zhuǎn)座機(jī)理第50頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●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110頁，2024年2月25日，星期天第52頁,共110頁，2024年2月25日，星期天

（五）紫外線對DNA的損傷及其修復(fù)1．損傷的機(jī)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53頁,共110頁，2024年2月25日，星期天2.暗修復(fù)作用：

第54頁,共110頁，2024年2月25日，星期天3、重組修復(fù)4、SOS修復(fù)第55頁,共110頁，2024年2月25日，星期天

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56頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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57頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●誘變劑誘變效果測定（利用回復(fù)突變測定）

艾姆氏試驗(yàn)(檢測三致物質(zhì)）第58頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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;劑量存活曲線)5）提高檢出效率

----利用形態(tài)特征

----鑒別培養(yǎng)基第59頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●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(jī)酸高產(chǎn)菌株的檢出（培養(yǎng)基加CaCO3觀察透明圈）第60頁,共110頁，2024年2月25日，星期天6）設(shè)計(jì)高效的篩選方案初篩（定性）復(fù)篩（質(zhì)量、定量）7）創(chuàng)新性的篩選方法第61頁,共110頁，2024年2月25日，星期天抗菌活性的高通量篩選第62頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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。●補(bǔ)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63頁,共110頁，2024年2月25日，星期天（2）三類遺傳型個(gè)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64頁,共110頁，2024年2月25日，星期天

基本基[-]

完全基[+]

補(bǔ)充基[A]野生型+++營缺型—++原養(yǎng)型+++第65頁,共110頁，2024年2月25日，星期天（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(bǔ)充法逐個(gè)檢出法；影印平板法

第66頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●夾層培養(yǎng)法第67頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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。（4）鑒定缺陷類型(生長譜法)第68頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●定位（點(diǎn)）誘變盒式誘變

寡核苷酸引物誘變第69頁,共110頁，2024年2月25日，星期天Strainimprovementforfermentationandbiocatalysisprocessesbygeneticengineeringtechnology建議讀物第70頁,共110頁，2024年2月25日，星期天§.3基因重組

●基因重組（狹義遺傳重組）：兩個(gè)獨(dú)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71頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●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)(基因工程)：分子水平、同--異源、體外第72頁,共110頁，2024年2月25日，星期天一、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73頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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(shí)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(jià)陽離子;低溫低滲CaCl處理、培養(yǎng)條件）

第74頁,共110頁，2024年2月25日，星期天

●大?。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(gè)基因?！窠Y(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?！褶D(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?/p>

10-5ug/ml（2）轉(zhuǎn)化因子第75頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●轉(zhuǎn)化因子非交換第76頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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77頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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78頁,共110頁，2024年2月25日，星期天

（二）轉(zhuǎn)導(dǎo)(Lederberg,1952)

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79頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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80頁,共110頁，2024年2月25日，星期天

●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81頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)：(僅形成一個(gè)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82頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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83頁,共110頁，2024年2月25日，星期天B、高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)（ＨＦＴ）

條件:雙重溶源菌●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(shí)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)(m.o.i)

感染宿主)第84頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●雙重溶源菌第85頁,共110頁，2024年2月25日，星期天2）高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)：在局限轉(zhuǎn)導(dǎo)中，用雙重溶源菌誘導(dǎo)裂解后產(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86頁,共110頁，2024年2月25日，星期天（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。●白喉毒素：白喉?xiàng)U菌的?-噬菌體帶有“TOX”基因第87頁,共110頁，2024年2月25日，星期天（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88頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●存在方式:四種接合型菌株

1、F-第89頁,共110頁，2024年2月25日，星期天

2、F+

菌株Orit：起始子第90頁,共110頁，2024年2月25日，星期天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91頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●利用接合中斷法繪制染色體圖譜

(分析方法:營缺型接合為重組型)第92頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●中斷雜交試驗(yàn)第93頁,共110頁，2024年2月25日，星期天基因測序（鳥槍法）1.構(gòu)建文庫2.隨機(jī)測序3.片斷排列4.編輯第94頁,共110頁，2024年2月25日，星期天4、F′菌株（質(zhì)粒帶有部分染色體片斷的菌株）初生F′菌株次生F′菌株第95頁,共110頁，2024年2月25日，星期天建議讀物基因水平轉(zhuǎn)移是細(xì)菌進(jìn)化的主要動力

——《微生物功能基因組學(xué)》第96頁,共110頁，2024年2月25日，星期天作業(yè):在大腸桿菌中發(fā)生了基因重組現(xiàn)象.請用一組試驗(yàn)證明發(fā)生該重組的過程是轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)導(dǎo)或者接合?第97頁,共110頁，2024年2月25日，星期天

（四）原生質(zhì)體融合

通過人為方法,使遺傳性狀不同的兩個(gè)細(xì)胞的原生質(zhì)體融合,繼而遺傳重組,借以獲得兼有雙親性狀,遺傳性穩(wěn)定的融合子的過程。第98頁,共110頁，2024年2月25日，星期天●主要步驟：

1）選擇親本2）制備原生質(zhì)體3）促融4）原生質(zhì)體再生5）融合子檢出6）篩選第99頁,共110頁，2024年2月25日，星期天MetabolicengineeringbygenomeshulfflingG.Stephanopoulos

Naturebiotechnology2002,20,666-建議讀物：第100頁,共110頁，2024年2月25日，星期天總結(jié)：第101頁,共110頁，2024年2月25日，星期天§.5菌種衰退、復(fù)壯和保藏●菌種衰退現(xiàn)象：形態(tài)、生長速度、代謝產(chǎn)物