008-1 微生物的遗传与变异.ppt
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1、第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传第八章 微生物的遗传变异和育种第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传遗传遗传(heredity inheritance):亲代与子代相似亲代与子代相似变异变异(variation):亲代与子代、子代间不同个体不完全相同亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传遗传(inheritance)和和变异变异(variation)是生命的最本质特性之一是生命的最本质特性之一第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传(1)遗传型遗传型(genotype)生物的全部遗传因子及基因生物的全部遗传因子及基因 又称又称基因型基因型,指某一生物个体所含有的全部遗传,指某一生物个体所含有的
2、全部遗传因子即因子即基因组基因组(genome)所携带的遗传信息。遗传型所携带的遗传信息。遗传型是一种内在可能性或潜力,其实质是遗传物质上所负是一种内在可能性或潜力,其实质是遗传物质上所负载的载的特定遗传信息特定遗传信息。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传(2)表型表型(phenotype)具有一定遗传型的个体,在特定环境条件下通过生具有一定遗传型的个体,在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。又称又称表现型表现型,指某一生物体所具有的一切外表特指某一生物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下通过征和内
3、在特性的总和,是其遗传型在合适环境下通过代谢和发育而得到的具体表现。代谢和发育而得到的具体表现。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传表型是由遗传型所决定,但也和环境有关表型是由遗传型所决定,但也和环境有关第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传(3)变异变异遗传型变异遗传型变异(基因变异、基因突变基因变异、基因突变):指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质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,亦即结构或数量的改变,亦即遗传型的改遗传型的改变。变。遗传物质改变,导致表型改变遗传物质改变,导致表型改变特点:特点:遗传性、群体中极少数个体的行为遗传性、群体中极少数个
4、体的行为(自发突变频率通常为(自发突变频率通常为1010-6-6-10-10-9-9)表型饰变:表型饰变:指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。水平上的表型变化。表型的差异只与环境有关表型的差异只与环境有关特点:特点:暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳。橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳。(4)饰变饰变(modification)微生物是遗传学研究中的明星:微生物是遗传学研究中的明星:t 微生物细胞结构简单,营养体一般为单倍体,方便建立纯系。微生物细胞结构
5、简单,营养体一般为单倍体,方便建立纯系。t 很多常见微生物都易于人工培养,快速、大量生长繁殖。很多常见微生物都易于人工培养,快速、大量生长繁殖。t 对环境因素的作用敏感,易于获得各类突变株,操作性强。对环境因素的作用敏感,易于获得各类突变株,操作性强。第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传第一节 遗传变异的物质基础第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传一、一、DNADNA作为遗传物质作为遗传物质二、二、RNARNA作为遗传物质作为遗传物质三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传 一、一、3 3个经典实验个经典实验 (一)(一)经典转化试验经典转化试验 最早进
6、行最早进行转化转化(transformation)实验的是实验的是F.Griffith(1928年)年),他以,他以Streptococcus pneumoniae(肺炎链球菌)作为研究对象。肺炎链球菌)作为研究对象。(1 1)动物实验动物实验著名的肺炎球菌转化试验著名的肺炎球菌转化试验S型,致病菌,型,致病菌,具荚膜,菌落表面光滑(具荚膜,菌落表面光滑(smooth)R型,非致病菌,型,非致病菌,无荚膜,菌落表面粗糙(无荚膜,菌落表面粗糙(rough)S型型R型型加热灭菌加热灭菌热死热死S菌活菌活R菌菌第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传(2 2)细菌培养
7、试验细菌培养试验第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传(3 3)S S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明了什么?以上实验说明了什么?第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传至此,并不知道是夹膜还是核酸。至此,并不知道是夹膜还是核酸。O.T.Avery和和他的同事进行了这方面的工作。他的同事进行了这方面的工作。以上实验说明:以上实验说明:加热杀死的加热杀死的S型细菌型细菌细胞内可能存在一种转化物质,它能通过细胞内可能存在一种转化物质,它能通过某种方式进入某种方式进入R型细胞并使型细胞并使R型细胞获得型细胞获得稳定的遗传性状,转变为稳定的遗传性状,转变为S型细胞。型细胞。这时能确认
8、这种转化物质是什么吗?核这时能确认这种转化物质是什么吗?核酸还是荚膜?酸还是荚膜?第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传AveryAvery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验(1 1)从活的)从活的S S菌中抽提各种细胞成分(菌中抽提各种细胞成分(DNADNA,蛋白质,蛋白质,荚膜多糖等)荚膜多糖等)(2 2)对各组分进行转化试验)对各组分进行转化试验只只有有S型型细细菌菌的的DNA才才能能将将S.pneumoniae的的R型型转转化化为为S型型,且且DNA纯纯度度越越高高,转转化化效效率率也也越越高高。说说明明S型型菌菌株株转转移移给给R型型菌
9、菌株株的的,决决不不是是夹夹膜膜多多糖糖,而而是是以以DNA为物质基础的遗传信息。为物质基础的遗传信息。|加加R R菌菌DNADNA|加加R R菌菌DNADNA及及DNADNA酶以外的酶酶以外的酶|加加R R菌的菌的DNADNA和和DNADNA酶酶|加加R R菌的菌的RNARNA|加加R R菌的蛋白质菌的蛋白质|加加R R菌的荚膜多糖?菌的荚膜多糖?活活S S菌菌长出?长出?菌菌只有?只有?菌菌若该实验用下列组合进行结果会怎样?若该实验用下列组合进行结果会怎样?该组合有何缺陷?该组合有何缺陷?无法证明荚膜多糖无法证明荚膜多糖能用能用死死R菌菌代替吗代替吗?第第八八章章微微生生物物的的遗遗传传(
10、二)(二)噬菌体感染实验噬菌体感染实验 19521952年,年,A.D.HersheyA.D.Hershey和和M.ChaseM.Chase发表了证明发表了证明DNADNA是噬菌体的遗传物质基础的著名实验是噬菌体的遗传物质基础的著名实验 噬菌体感染实验噬菌体感染实验该上清液和沉淀中不同比例的放射性是如何形成的?该上清液和沉淀中不同比例的放射性是如何形成的?10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步培沉淀细胞进一步培养后,可产生大量养后,可产生大量完整的子代噬菌体完整的子代噬菌体上清液中含上清液中含15%放射性放射性沉淀中含沉淀中含85%放射性放射性(1)
11、以)以32P标记标记DNA做噬菌体感染实验做噬菌体感染实验沉淀中含沉淀中含25%放射性放射性(2)以)以35S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步培沉淀细胞进一步培养后,可产生大量养后,可产生大量完整的子代噬菌体完整的子代噬菌体上清液中含上清液中含75%放射性放射性 该上清液和沉淀中不同比例的放射性是如何形成的?该上清液和沉淀中不同比例的放射性是如何形成的?在在DNADNA中存在着包括中存在着包括合成蛋白质外壳在内合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。的整套遗传信息。(三)(三)植物病毒的重建
12、实验植物病毒的重建实验 为了证明核酸是遗传物质,为了证明核酸是遗传物质,H.Fraenkel-Conrat(19561956)用含用含RNARNA的的烟草花叶病毒烟草花叶病毒(TMVTMV)进行了著名的进行了著名的植物病毒重建实验植物病毒重建实验。选选用用TMV和和霍霍氏氏车车前前花花叶叶病病毒毒(HRV),分分别别拆拆分分取取得得各各自自的的RNA和和蛋蛋白白质质,将将两两种种RNA分分别别与与对对方方的的蛋蛋白白质质外外壳重建形成两种杂合病毒:壳重建形成两种杂合病毒:z(1)RNA(TMV)蛋白质蛋白质(HRV)z(2)RNA(HRV)蛋白质蛋白质(TMV)|用两种杂合病毒感染寄主:用两种
13、杂合病毒感染寄主:z(1)表现)表现TMV的典型症状病分离的典型症状病分离到正常到正常TMV粒子粒子z(2)表现)表现HRV的典型症状病分离的典型症状病分离到正常到正常HRV粒子。粒子。|上述结果说明,在上述结果说明,在RNA病毒病毒中,遗传中,遗传的物质基础也是核酸。的物质基础也是核酸。TMV HRVHRV MTV亚病毒的一种:具有传染性的蛋白质致病因子,迄今为止亚病毒的一种:具有传染性的蛋白质致病因子,迄今为止尚为发现该蛋白内含有核酸。尚为发现该蛋白内含有核酸。其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrP c改变折叠改变折叠状态为状态为PrP sc所致,而
14、这二种蛋白质的一级结构并没有改所致,而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。变。二、朊病的发现与思考思思 考考 1)蛋白质是否可以作为遗传物质?)蛋白质是否可以作为遗传物质?prion是生命的一个特例?还是仅仅为表达调控的一种形式?是生命的一个特例?还是仅仅为表达调控的一种形式?2)蛋白质折叠与功能的关系,是否存在折叠密码?)蛋白质折叠与功能的关系,是否存在折叠密码?DNARNARNA肽链肽链蛋白质蛋白质 三、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式(一)(一)7 7个水平个水平1.1.细胞水平细胞水平DNADNA大部分大部分集中在细胞核或核区中集中在细胞核或核区中2.2.细胞核水平细胞核水平3.3
15、.染色体水平染色体水平(1 1)染色体数)染色体数316真真3(2 2)染色体倍数)染色体倍数单倍体单倍体(heoloid):):一个细胞中只有一套染色体。一个细胞中只有一套染色体。双倍体双倍体(diploid):):一个细胞中含有两套功能相同的染色体。一个细胞中含有两套功能相同的染色体。指同一细胞中相同染色体的套数指同一细胞中相同染色体的套数4.4.核酸水平核酸水平(1 1)核酸种类)核酸种类:DNA,RNA:DNA,RNA(2 2)核酸结构)核酸结构:ds,ssds,ss(3 3)DNADNA长度长度 DNADNA长度即基因组的大小,一般可用长度即基因组的大小,一般可用bpbp(碱基对,碱
16、基对,base pair)、)、kbkb(千碱基对,千碱基对,kilo bp)和)和MbMb(百万或百万或兆碱基对,兆碱基对,mega bp)作单位。作单位。5.5.基因水平基因水平基因基因是生物体内一切具有自主复制能力的是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位最小遗传功能单位,其物质基础是一条以直线排列、其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的具有特定核苷酸序列的核酸片段核酸片段。(原核原核)乳糖操纵子乳糖操纵子 lac operontayz opstructural genepromoterterminatoroperator-galactosidase半乳糖苷酶半乳糖苷酶
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