微生物的遗传变异和育种 (I).ppt
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1、第七章微生物的遗传变异和育种第七章微生物的遗传变异和育种 遗传和变异是生物体最本质的属性之遗传和变异是生物体最本质的属性之一。在遗传性适宜的环境条件下时,通过一。在遗传性适宜的环境条件下时,通过代谢和发育才能使其后代转化为与亲代相代谢和发育才能使其后代转化为与亲代相同的具体性状。对微生物遗传变异规律的同的具体性状。对微生物遗传变异规律的深入研究,不仅促进了现代生物学的发展,深入研究,不仅促进了现代生物学的发展,而且还为微生物育种工作提供了丰富的理而且还为微生物育种工作提供了丰富的理论基础。论基础。第一节第一节 微生物的遗传与变异概述微生物的遗传与变异概述遗传性:遗传性:遗传性:遗传性:又称基因
2、型,指某一生物个体所含有又称基因型,指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。表型:表型:表型:表型:指某一生物个体所具有的一切外表特征指某一生物个体所具有的一切外表特征和内在特性的总和,是其遗传型在合适环境条和内在特性的总和,是其遗传型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体表现。件下通过代谢和发育而得到的具体表现。w变异:变异:变异:变异:指生物体在某种外因或内因的作用下所引指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变,亦即遗传型的起的遗传物质结构或数量的改变,亦即遗传型的改变。变化后的新性状是稳定的、可遗传的
3、。改变。变化后的新性状是稳定的、可遗传的。饰变:饰变:饰变:饰变:指外表的修饰性改变,即一种不涉及遗传指外表的修饰性改变,即一种不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。饰变是不遗传的。型变化。饰变是不遗传的。例如,粘质沙雷氏菌,在例如,粘质沙雷氏菌,在2525下培养时,下培养时,会产生一种深红色的灵杆菌素,把菌落染成会产生一种深红色的灵杆菌素,把菌落染成似鲜血那样。可是,当培养在似鲜血那样。可是,当培养在3737下时,群下时,群体中所有细胞都不产色素。如果重新降温至体中所有细胞都不产色素。如果重新降温至2525,产色素能力又得到恢复
4、。只有遗传型,产色素能力又得到恢复。只有遗传型的改变,即生物体遗传物质结构上发生的变的改变,即生物体遗传物质结构上发生的变化,才称为变异。化,才称为变异。第二节第二节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础w(一)、核酸遗传变异的物质基础(一)、核酸遗传变异的物质基础(3 3个经典实验)个经典实验)1 1、经典转化实验、经典转化实验wGriffithGriffith是第一个发现转化现象的是第一个发现转化现象的 ,虽,虽然当时还不知道称之为转化因子的本质是然当时还不知道称之为转化因子的本质是什么,但是他的工作为后来什么,但是他的工作为后来AveryAvery等人进等人进一步揭示转化因子的实质,确立
5、一步揭示转化因子的实质,确立DNADNA为遗为遗传物质奠定了重要基础。传物质奠定了重要基础。结论结论w活的、非致病性的活的、非致病性的R R型从已被杀死的型从已被杀死的SS型型中获得了遗传物质,使其产生膜中获得了遗传物质,使其产生膜成为致病性的成为致病性的SS型。型。GriffithGriffith将这种现将这种现象称为转化象称为转化(transformation)(transformation)2 2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验1952年,年,Hershey和和Chase证实了证实了DNA是是噬菌体的遗传物质基础的著名实验。噬菌体的遗传物质基础的著名实验。T2T2T2T2噬菌体的实验噬菌
6、体的实验噬菌体的实验噬菌体的实验3 3、植物病毒重建实验、植物病毒重建实验 1956年年Fraenkel-Conrat等用含等用含RNA的烟的烟草花叶病毒进行了病毒重建实验,证实了草花叶病毒进行了病毒重建实验,证实了RNA是遗传物质。是遗传物质。(1)(1)用表面活性剂处理标准用表面活性剂处理标准TMVTMV,得到它的蛋白质;,得到它的蛋白质;(2)(2)从从TMVTMV的变种的变种HRHR通过弱碱处理得到它的通过弱碱处理得到它的RNARNA;(3)(3)通过重建获得杂种病毒;通过重建获得杂种病毒;(4)(4)证实杂种病毒的蛋白质外壳是来自证实杂种病毒的蛋白质外壳是来自TMVTMV标准株。标准
7、株。(5)(5)杂杂种种病病毒毒感感染染烟烟草草产产生生HRHR所所特特有有的的病病斑斑,说说明明杂杂种种病病毒毒的的感染特性是由感染特性是由HRHR的的RNA RNA 所决定,而不是二者的融合特征所决定,而不是二者的融合特征(6)(6)从病斑中一再分离得到的子病毒的蛋白质外壳是从病斑中一再分离得到的子病毒的蛋白质外壳是HRHR蛋白质,蛋白质,而不是标准株的蛋白质外壳。以上实验结果说明杂种病毒的而不是标准株的蛋白质外壳。以上实验结果说明杂种病毒的感染特征和蛋白质的特性感染特征和蛋白质的特性 是由它的是由它的RNARNA所决定,而不是由蛋所决定,而不是由蛋白质所决定,遗传物质是白质所决定,遗传物
8、质是RNARNA。(二)、核酸的结构与复制(二)、核酸的结构与复制w1、DNA的结构(A、T、C、G)w2、RNA的结构的结构(A、U、C、G)w3、核酸的复制、核酸的复制半保留复制半保留复制v真核微生物的核内真核微生物的核内DNADNA与组蛋白结合成为与组蛋白结合成为染色体。染色体。v原核微生物的原核微生物的DNADNA不与蛋白质结合,呈松不与蛋白质结合,呈松散的核质体状态存在。散的核质体状态存在。(三)、遗传物质在细胞内存在的方式(三)、遗传物质在细胞内存在的方式 遗传性变异是由基因结构发生改变所致,遗传性变异是由基因结构发生改变所致,主要通过基因突变、基因损伤后的修复、主要通过基因突变、
9、基因损伤后的修复、基因的转移与重组来实现。基因的转移与重组来实现。第三节第三节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种 基因突变基因突变 又称点突变,又称点突变,DNA链上的一对链上的一对 突变突变 或少数几对碱基发生改变。或少数几对碱基发生改变。(碱碱 基置换基置换、移码突变、移码突变)染色体畸变染色体畸变 DNA的大段变化的大段变化(损伤损伤)现象现象 (添加、缺失、易位、倒位添加、缺失、易位、倒位)基因重组:基因重组:把两个不同性状个体内的遗传基因转移把两个不同性状个体内的遗传基因转移 到一起,经过遗传分子的重新组合后,到一起,经过遗传分子的重新组合后,形成新遗传型个体的方式,称为基因重形
10、成新遗传型个体的方式,称为基因重 组组(原核生物、真核生物原核生物、真核生物)遗遗传传性性变变异异(一)基因突变的类型(一)基因突变的类型 1 1、营养缺陷型、营养缺陷型 2 2、抗性突变型、抗性突变型 3 3、条件致死突变型、条件致死突变型 4 4、形态突变型、形态突变型 5 5、抗原突变型、抗原突变型 6 6、其他突变型、其他突变型 如毒力、糖发酵能力、代谢如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种类和产量以及对某种药物的依赖性突产物的种类和产量以及对某种药物的依赖性突变型等。变型等。一、基因突变一、基因突变(二)基因突变的特点(二)基因突变的特点(7(7个特点个特点)1 1 1 1 不对应性不对应
11、性不对应性不对应性2 2 2 2 自发性自发性自发性自发性3 3 3 3 稀有性稀有性稀有性稀有性4 4 4 4 独立性独立性独立性独立性5 5 5 5 诱变性诱变性诱变性诱变性6 6 6 6 稳定性稳定性稳定性稳定性7 7 7 7 可逆性可逆性可逆性可逆性1 1、不对应性、不对应性 即突变的性状与引起突变的原因间无直接的即突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。对应关系。例如,细菌在有青霉素的环境下,出现了抗青霉例如,细菌在有青霉素的环境下,出现了抗青霉素的突变体;在紫外线的作用下,出现了抗紫外线素的突变体;在紫外线的作用下,出现了抗紫外线的突变体;在较高的培养温度下,出现了耐高温的的
12、突变体;在较高的培养温度下,出现了耐高温的突变体等。表面上看来,会认为正是由于青霉素、突变体等。表面上看来,会认为正是由于青霉素、紫外线或高温的紫外线或高温的 诱变诱变,才产生了相对应的突变性,才产生了相对应的突变性状。事实恰恰相反,这类性状都可通过自发的或其状。事实恰恰相反,这类性状都可通过自发的或其任何诱变因子诱发而行。这里的青霉素、紫外线或任何诱变因子诱发而行。这里的青霉素、紫外线或高仅是起着淘汰原有非突变型高仅是起着淘汰原有非突变型(敏感型敏感型)个体的作用。个体的作用。2 2、自发性、自发性 各种性状的突变,可以在没有人为的诱变因素各种性状的突变,可以在没有人为的诱变因素处理下自发地
13、发生。处理下自发地发生。自发突变自发突变 决不意味着这决不意味着这种突变是没有原因的,而只是说明人们对它们种突变是没有原因的,而只是说明人们对它们还没有很好认识而已。还没有很好认识而已。3 3、稀有性、稀有性 自发突变虽可随时发生,但突变的频率是较低自发突变虽可随时发生,但突变的频率是较低和稳定的,一般在和稳定的,一般在1010-6-6 1010-9-9间。所谓突变率,一间。所谓突变率,一般指每一细胞在每一世代中发生某一性状突变般指每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的机率。例如,突变率为的机率。例如,突变率为110110-8-8者,就意味着者,就意味着当当10 10 8 8个细胞群体分裂成个
14、细胞群体分裂成210 210 8 8个细胞时,平个细胞时,平均会形成一个突变体。均会形成一个突变体。4 4、独立性、独立性 突变的发生一般是独立的,即在某一群体中,突变的发生一般是独立的,即在某一群体中,既可发生抗青霉素的突变型,也可发生抗链霉既可发生抗青霉素的突变型,也可发生抗链霉素或任何其他药物的抗药性,而且还可发生其素或任何其他药物的抗药性,而且还可发生其他不属抗药性的任何突变。某一基因的突变,他不属抗药性的任何突变。某一基因的突变,既不提高也不降低其他基因的突变率。既不提高也不降低其他基因的突变率。5 5、诱变性、诱变性 通过诱变剂的作用,可提高自发突变的频率,通过诱变剂的作用,可提高
15、自发突变的频率,一般可提高一般可提高10-1010-10 5 5倍。不论是自发突变或诱发倍。不论是自发突变或诱发突变突变(诱变诱变)得到的突变型,它们之间并无本质得到的突变型,它们之间并无本质上的差别,因为诱变剂仅起着提高突变率的作上的差别,因为诱变剂仅起着提高突变率的作用。用。6 6、稳定性、稳定性 由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化,所以产生的新性状也是稳定的、可遗的变化,所以产生的新性状也是稳定的、可遗传的。传的。7 7、可逆性、可逆性 由原始的野生型基因变异为突变型基因的由原始的野生型基因变异为突变型基因的过程,称为正向突变,相反的过
16、程则称为过程,称为正向突变,相反的过程则称为回复突变或回变。实验证明,任何性状既回复突变或回变。实验证明,任何性状既有正向突变,也可发生回复突变。有正向突变,也可发生回复突变。(三)(三)基因突变自发性和不对应性基因突变自发性和不对应性的实验证明的实验证明v1、Luria等的变量试验(彷徨实验)等的变量试验(彷徨实验)v2、Newcombe的涂布试验的涂布试验v3、Lederberg等的影印平板培养法等的影印平板培养法彷徨试验彷徨试验(fluctuation test)影印试验影印试验(replica plating)w 1 1、物理诱变:、物理诱变:紫外线、紫外线、X X射线等射线等紫外线诱
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