微生物的遺傳變異.ppt

1、第 七 章 微生物的遺傳變異,第七章 微生物的遺傳變異與育種,理想的工業(yè)發(fā)酵菌種應(yīng)符合以下要求,遺傳性狀穩(wěn)定； 生長速度快，不易被噬菌體等異種微生物污染； 目標產(chǎn)物的產(chǎn)量盡可能接近理論轉(zhuǎn)化率； 目標產(chǎn)物最好能分泌到細胞外，以降低產(chǎn)物抑制并利于分離； 盡可能減少產(chǎn)物類似物的產(chǎn)量，以提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)量并利于分離； 培養(yǎng)基成分簡單、來源廣、價格低廉； 對溫度、pH、離子強度、剪切力等環(huán)境因素不敏感； 對溶氧的要求低，便于培養(yǎng)及降低能耗。,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)基本理論問題中最熱衷的研究對象。 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

2、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、從隨機到定向、從近緣雜交到遠緣雜交的方向發(fā)展。,研究微生物遺傳學(xué)的意義,一、遺傳與變異的概念,遺傳和變異是生物體的最本質(zhì)的屬性之一。 遺傳(heredity)：親代生物的性狀在子代得到表現(xiàn)；親代生物傳遞給子代一套實現(xiàn)與其相同形狀的遺傳信息。特點：具穩(wěn)定性。 遺傳型（genotype）：又稱基因型，指某一生物個體所含有的全部基因的總和；-是一種內(nèi)在可能性或潛力。 遺傳型 + 環(huán)境條件 表型 表型（phenotype）：指生物體所具有的一切外表特征和內(nèi)在特性的總和;-是一種現(xiàn)實存在，是具一定遺傳型的生物在一定條件下所表現(xiàn)出的具體性狀。

3、,概述,變異(variation):生物體在外因或內(nèi)因的作用下，遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或數(shù)量發(fā)生改變。變異的特點：a.在群體中以極低的幾率出現(xiàn)，（一般為10-610-10）；b.形狀變化的幅度大； c. 變化后形成的新性狀是穩(wěn)定的，可遺傳的。,例如：粘質(zhì)沙雷氏菌：在25下培養(yǎng)，產(chǎn)生深紅色的靈桿菌素；在37下培養(yǎng)，不產(chǎn)生色素；如果重新將溫度降到25，又恢復(fù)產(chǎn)色素的能力。,遺傳與變異的概念,二、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ),種質(zhì)連續(xù)理論：1883-1889年間Weissmann提出。認為遺傳物質(zhì)是一種具有特定分子結(jié)構(gòu)的化合物。 基因?qū)W說：1933年摩爾根（Thomas Hunt Morgan）發(fā)現(xiàn)了染色體，并證明基

4、因在染色體上呈直線排列，提出了基因?qū)W說，使得遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的范圍縮小到染色體上。 DNA是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)的證明：利用微生物為實驗對象進行的三個著名實驗的論證（肺炎球菌的轉(zhuǎn)化試驗、噬菌體感染試驗、病毒的拆開與重建試驗），才使人們普遍接受核酸才是真正的遺傳物質(zhì)。,經(jīng)典試驗1. 肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化試驗,加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白質(zhì) 加S菌的莢膜多糖,活R菌,長出S菌,只有R菌,1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty從熱死S型S. pneumoniae中提純了可能作為轉(zhuǎn)化因子的各種成分，并在離體

5、條件下進行了轉(zhuǎn)化試驗：,只有S型細菌的DNA才能將S. pneumoniae的R型轉(zhuǎn)化為S型。且DNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高。說明S型菌株轉(zhuǎn)移給R型菌株的，是遺傳因子。,分離后的S型細胞物質(zhì)對R型細胞的轉(zhuǎn)化,結(jié)論,細胞生物的遺傳物質(zhì)是雙鏈DNA 病毒的遺傳物質(zhì)可以是單鏈的或雙鏈的DNA或RNA， 即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。,三、 DNA和RNA的分子結(jié)構(gòu)和復(fù)制,遺傳物質(zhì)的復(fù)制-雙鏈DNA的復(fù)制 （半保留復(fù)制）,密碼子（coden）：由3個核苷酸順序決定，負載遺傳信息的基本單位 不對稱轉(zhuǎn)錄：只有DNA雙鏈的一股才作為有意義鏈被轉(zhuǎn)錄，這種現(xiàn)象又稱不對稱轉(zhuǎn)錄。 起始密碼子

6、：AUG，甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸 終止密碼子：UAA、UGA、UAG,遺傳密碼 指DNA鏈上各個核苷酸的特定排列順序,DNA與遺傳密碼,四、轉(zhuǎn)座因子和毒力島,（一）轉(zhuǎn)座因子 近年來發(fā)現(xiàn)微生物的某些DNA片段作為一個獨立單位可以在染色體上移動，此種移動甚至發(fā)生在不同種細菌之間。這種可移動的DNA片段稱之為轉(zhuǎn)座因子。細菌的轉(zhuǎn)座因子有三種類型：插入序列、轉(zhuǎn)座子以及某些特殊的噬菌體。,（二）毒力島 毒力島是20世紀90年代提出的一個新概念。毒力島是指病原菌的某個或某些毒力基因群，分子結(jié)構(gòu)與功能有別于細菌染色體，但位于細菌染色體之內(nèi)，因此稱之為“島”。其生物學(xué)意義尚不清楚,推測其與細菌的毒力變異有關(guān)。,

7、第一節(jié)常見的微生物變異現(xiàn)象,形態(tài)、結(jié)構(gòu)變異 毒力變異 耐藥性變異 菌落變異 生化特性變異,1.形態(tài)結(jié)構(gòu)變異,3-6%食鹽鼠疫桿菌多形態(tài)性(衰殘型)。 瓊脂培基,形態(tài)結(jié)構(gòu)變異,青霉素、溶菌酶正常形態(tài)細菌 L型變異 抗體或補體 (部分或完全失去胞壁),正常霍亂弧菌,霍亂弧菌L型,形態(tài)結(jié)構(gòu)變異,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） 0.1%石炭酸 （O） 遷徙生長 單個菌落,連續(xù)通過易感動物 和其他微生物共生或被溫和噬菌體感染。 例如魏氏梭菌與八疊球菌共生時毒力變強，無毒的白喉棒狀桿菌被溫和-噬菌體感染后產(chǎn)生白喉毒素，成為有毒細菌。,增強毒力的

8、方法,2.毒力變異,毒力變異,棒狀噬菌體白喉棒狀桿菌 獲得白喉毒素,減弱毒力的方法,通過非易感動物 例如：馬爾他強毒布氏桿菌連續(xù)通過雞育成弱毒株；豬丹毒苗GC42系將強毒株通過豚鼠傳370代后又通過雞傳42代育成弱毒。 在較高溫度下培養(yǎng)。強毒炭疽 42.5下培養(yǎng)弱毒 在含有某些特殊化學(xué)物質(zhì)的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。著名的 卡介苗BCG,在含有抗血清，噬菌體或抗生素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。 長期的人工培養(yǎng)。 在特殊氣體條件下培養(yǎng)。 如無莢膜炭疽芽胞苗是半強毒株在含50%血清的培養(yǎng)基上，在50% CO2的條件下選育的。 通過基因工程的方法。去除毒力基因可獲得無毒力株。,3.耐藥性變異,細菌對某種抗菌藥物有敏感變成耐

9、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80%。 有些細菌還表現(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),4.菌落變異,光滑型粗糙型變異 S型（smooth）菌落：光滑，濕潤，邊緣整齊。 R型（rough）菌落：菌落表面粗糙，枯干，邊緣不整齊。 一般來說，SR毒力由強變?nèi)?，但炭疽桿菌，結(jié)核分支桿菌， 正常菌落為R型S型，毒力減弱,R菌落,S菌落,D菌落的變異,當細菌接觸某些化學(xué)物質(zhì)時如CuSO4, LiCl形成細小菌落叫D菌落。（dwarf clone, 侏儒菌落）,5.生化特性

10、變異,乳糖操縱子,第二節(jié) 微生物變異的機制,一、突變（ mutation ） 指生物體的表型突然發(fā)生的可遺傳的變化。 染色體畸變細胞學(xué)上可以看到染色體的變 基因突變細胞學(xué)上看不到遺傳物質(zhì)的變化 突變體（mutant） 發(fā)生了突變的微生物細胞或菌株 野生型（wild type） 從自然界分離到的任何微生物在其發(fā)生突變前的 原始菌株,(一)突變的特點,不對應(yīng)性：突變的性狀與突變原因之間無直接的對應(yīng)關(guān)系。 自發(fā)性：突變可以在沒有人為誘變因素處理下自發(fā)地產(chǎn)生。 稀有性：突變率低且穩(wěn)定。 獨立性：各種突變獨立發(fā)生，不會互相影響。 可誘發(fā)性：誘變劑可提高突變率。 穩(wěn)定性：變異性狀穩(wěn)定可遺傳。 可逆性：從原

11、始的野生型基因到變異株的突變稱為正向突變（forward mutation），從突變株回到野生型的過程則稱為回復(fù)突變或回變（back mutation或reverse mutation）。,變量試驗又稱波動試驗或彷徨試驗。 1943年，S. E. Luria 和M. Delbrck 根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，設(shè)計了左方的實驗。,1. 變量試驗fluctuation test,2.涂布試驗,原理與變量試驗相同，方法更為簡便，且可計算突變率。,(二) 突變機制,誘變劑（mutagen）：凡能提高突變率的任何理化因子，就稱為誘變劑. 種類：誘變劑的種類很多，作用方式多樣。即使是同一種誘變劑，也常有幾種作用方式

12、。,誘發(fā)突變,1.堿基置換（substitution）,定義：對DNA來說，堿基的置換屬于一種染色體的微小損傷（microlesion），一般也稱點突變（point mutation）。它只涉及一對堿基被另一對堿基所置換。 分類：轉(zhuǎn)換（transition），即DNA鏈中的一個嘌呤被另一個嘌呤或是一個嘧啶被另一個嘧啶所置換； 顛換（transversion），即一個嘌呤被一個嘧啶,或是一個嘧啶被一個嘌呤所置換。,對某一具體誘變劑來說，即可同時引起轉(zhuǎn)換與顛換，也可只具其中的一種功能。,亞硝酸可以使堿基發(fā)生氧化脫氨作用 HNO2 胞嘧啶（C） 尿嘧啶（U） HNO2 腺嘌呤（A） 次黃嘌呤（H）

13、HNO2 鳥嘌呤（G） 黃嘌呤（X） 這些反應(yīng)及形成物均可在DNA復(fù)制中產(chǎn)生影響，主要是使堿基對發(fā)生轉(zhuǎn)換。,堿基轉(zhuǎn)換的分子機制以亞硝酸為例,若干誘變劑的作用機制及誘變功能,2.移碼突變,frame-shift mutation 或 phase-shift mutation，指誘變劑使DNA分子中增加（插入）或缺失一個或少數(shù)幾個核苷酸，從而使該部位后面的全部遺傳密碼發(fā)生轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯錯誤的一類突變。 由移碼突變所產(chǎn)生的突變株，稱為移碼突變株（frame-shift mutant）。與染色體畸變相比，移碼突變也只能算是DNA分子的微小損傷。 丫啶類染料，包括原黃素、丫啶黃、丫啶橙和-氨基丫啶等，以及一

14、系列稱為ICR類的化合物，都是移碼突變的有效誘變劑。,能誘發(fā)移碼突變的幾種代表性化合物,引起移碼突變的誘變劑：主要是吖啶類染料，如吖啶黃、吖啶橙等等。 這類化合物都是平面型的三環(huán)分子，它們的結(jié)構(gòu)與一個嘌呤嘧啶對十分相似。,丫啶類化合物誘發(fā)的移碼突變及其回復(fù)突變圖示,3.染色體畸變（chromosomal aberration）,某些理化因子，如X射線等的輻射及烷化劑、亞硝酸等，除了能引起點突變外，還會引起DNA的大損傷（macrolesion）染色體畸變，它包括： 染色體結(jié)構(gòu)上的變化： 缺失（deletion） 重復(fù)（duplication） 易位（translocation） 倒位（inve

15、rsion） 染色體數(shù)目的變化,染色體結(jié)構(gòu)上的變化,分為染色體內(nèi)畸變和染色體間畸變兩類。 染色體內(nèi)畸變：只涉及一條染色體上的變化， 如發(fā)生染色體的部分缺失或重復(fù)時，其結(jié)果可造成基因的減少或增加； 如發(fā)生倒位或易位時，則可造成基因排列順序的改變，但數(shù)目卻不改變。 倒位-是指斷裂下來的一段染色體旋轉(zhuǎn)180后，重新插入到原來染色體的原位置上，從而使其基因順序與其它的基因順序相反； 易位-是指斷裂下來的一小段染色體再順向或逆向地插入到同一條染色體的其它部位上。 染色體間畸變：指非同源染色體間的易位。,自發(fā)突變機制,自發(fā)突變是指在沒有人工參與下生物體自然發(fā)生的突變。 幾種自發(fā)突變的可能機制 微生物自身有

16、害代謝產(chǎn)物的誘變效應(yīng) 過氧化氫是普遍存在于微生物體內(nèi)的一種代謝產(chǎn)物。它對Neurospora（脈孢菌）有誘變作用，這種作用可因同時加入過氧化氫酶而降低，如果在加入該酶的同時又加入酶抑制劑KCN，則又可提高突變率。這就說明，過氧化氫很可能是“自發(fā)突變”中一種內(nèi)源性誘變劑。在許多微生物的陳舊培養(yǎng)物中易出現(xiàn)自發(fā)突變株，可能也是同樣的原因。,環(huán)出效應(yīng),即環(huán)狀突出效應(yīng)。有人提出，在DNA的復(fù)制過程中，如果其中某一單鏈上偶然產(chǎn)生一個小環(huán)，則會因其上的基因越過復(fù)制而發(fā)生遺傳缺失，從而造成自發(fā)突變。,二、基因重組,定義：凡把兩個不同性狀個體內(nèi)的遺傳基因轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過遺傳分子間的重新組合，形成新遺傳型個體的方

17、式，稱為基因重組（gene recombination）或遺傳重組。 作用：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。,生長快、產(chǎn)量低,生長慢、產(chǎn)量高,基因重組,生長快、產(chǎn)量高,細菌的基因重組,基因重組的方式 轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)導(dǎo) 接合 原生質(zhì)體融合,定義：受體菌自然或在人工技術(shù)作用下直接攝取來自供體菌的游離DNA片段，并把它整合到自己的基因組中，而獲得部分新的遺傳性狀的基因轉(zhuǎn)移過程，稱為轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的的受體菌稱為轉(zhuǎn)化子（transformant）。 有關(guān)名詞： 受體菌：recipient/receptor，轉(zhuǎn)化基因的接受者 供體菌：donor，轉(zhuǎn)化基因的提供者 轉(zhuǎn)化因子：來自供體菌的

18、DNA片段 轉(zhuǎn)化子：transformant，將轉(zhuǎn)化基因重組進入自身染色體組的重組子,(一)、轉(zhuǎn)化（transformation）,1、轉(zhuǎn)化及其發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)化,受體細胞要處于感受態(tài). 感受態(tài)：competence，受體細胞能從環(huán)境吸取外源DNA片段并實現(xiàn)其轉(zhuǎn)化的一種生理狀態(tài) 供體DNA片段（轉(zhuǎn)化因子）大小適宜，分子量一般為1 107 D 左右 菌株間的親緣關(guān)系密切,2、轉(zhuǎn)化發(fā)生的條件,3、轉(zhuǎn)化的類型,根據(jù)感受態(tài)建立的方式，可以分為： 自然遺傳轉(zhuǎn)化natural genetic transformation 人工轉(zhuǎn)化artificial transformation,人工轉(zhuǎn)化,人工轉(zhuǎn)化是通過人為誘導(dǎo)的方法，使細胞具有攝取DNA的能力，或人工地將DNA導(dǎo)入細胞內(nèi)。 方法： CaCl2處理細胞，使其成為能攝取外源DNA的感受態(tài)狀態(tài). 電穿孔法electroporation：用高壓脈沖電流擊破細胞膜，或擊成小孔，使各種大分子（包括DNA ）能通過這些小孔進入細胞。,可轉(zhuǎn)化的性狀,莢膜多糖的合成