微生物的突变和诱变育种课件.ppt
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1、第一节微生物的突变第一节微生物的突变一、一、基因突变基因突变(gene mutationgene mutation)基因突变简称突变,是变异的一类,泛指细胞内(或病基因突变简称突变,是变异的一类,泛指细胞内(或病毒粒内)遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变毒粒内)遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化,可自发或诱导产生。突变的几率一般很低(化,可自发或诱导产生。突变的几率一般很低(1010-6-6 1010-9-9)从自然界分离到的菌株一般称野生型菌株(从自然界分离到的菌株一般称野生型菌株(wild type wild type strainstrain),简称野生型。野生型经
2、突变后形成的带有新性状),简称野生型。野生型经突变后形成的带有新性状的菌株,称突变株(的菌株,称突变株(mutantmutant,或突变体、突变型)。,或突变体、突变型)。凡能用选择性培养基(或其他选择性培养条件)凡能用选择性培养基(或其他选择性培养条件)快速选择出来的突变株称选择性突变株快速选择出来的突变株称选择性突变株(selectable mutantselectable mutant),反之则称为非选择性突变),反之则称为非选择性突变株。株。(一)突变类型(一)突变类型1 1、营养缺陷型、营养缺陷型(auxotrophauxotroph)某一野生菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生
3、长某一野生菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力,因而无法再在基本培养基上正常因子、碱基或氨基酸的能力,因而无法再在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。生长繁殖的变异类型。2 2、抗性突变型、抗性突变型(resistant mutantresistant mutant)指野生型菌株因发生基因突变,而产生的对某化学药物或指野生型菌株因发生基因突变,而产生的对某化学药物或致死物理因子的抗性突变类型。致死物理因子的抗性突变类型。3 3、条件致死突变型、条件致死突变型(conditional lethal mutant)(conditional lethal mutant)
4、某菌株或病毒经基因突变后,在某种条件下可正常地生长、某菌株或病毒经基因突变后,在某种条件下可正常地生长、繁殖并呈现其固有的表型,而在另一种条件下却无法生长、繁繁殖并呈现其固有的表型,而在另一种条件下却无法生长、繁殖的突变类型。殖的突变类型。4 4、形态突变型、形态突变型(morphological mutant)(morphological mutant)指由突变引起的个体或菌落形态的变异,一般属非选择性指由突变引起的个体或菌落形态的变异,一般属非选择性突变。突变。5 5、抗原突变型、抗原突变型(antigenic mutant)(antigenic mutant)指由于基因突变引起的细胞抗原
5、结构发生的变异类型,包指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异类型,包括细胞壁缺陷变异、荚膜或鞭毛成分变异等。括细胞壁缺陷变异、荚膜或鞭毛成分变异等。6 6、产量突变型、产量突变型(metabolic quantitative mutant)(metabolic quantitative mutant)通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株,称产量突变型。有两种类型:正变株(菌株的突变株,称产量突变型。有两种类型:正变株(plus-plus-mutantmutant)、负变株()、负变株(minus-mutantmin
6、us-mutant)(二)(二)突变率突变率(mutation ratemutation rate)某一细胞(或病毒粒)在每一世代中发生某一性状某一细胞(或病毒粒)在每一世代中发生某一性状突变的几率,称突变率。突变的几率,称突变率。(三)(三)基因突变的特点基因突变的特点 1.1.自自 发发 性性:各种突变都可在无人为诱变因素处理下自发发生;:各种突变都可在无人为诱变因素处理下自发发生;2.2.不对应性不对应性:突变的性状与引起的原因间无直接对应关系;:突变的性状与引起的原因间无直接对应关系;3.3.稀稀 有有 性性:自发突变的几率极低,一般:自发突变的几率极低,一般1010-6-6-10-1
7、0-9-9,但稳定;,但稳定;4.4.独独 立立 性性:某一突变既不提高也不降低其他任何基因的突变率;:某一突变既不提高也不降低其他任何基因的突变率;5.5.可可 诱变性诱变性:诱变剂可提高突变的几率,两种变异株无本质差别;:诱变剂可提高突变的几率,两种变异株无本质差别;6.6.稳稳 定定 性性:是遗传物质结构上发生了稳定的变化,稳定,可遗传;:是遗传物质结构上发生了稳定的变化,稳定,可遗传;7.7.可可 逆逆 性性:任何性状都可发生正向突变,也都可发生回复突变。:任何性状都可发生正向突变,也都可发生回复突变。(四)基因突变自发性和不对应性的实验证明(四)基因突变自发性和不对应性的实验证明1
8、1、Luria Luria 等的变量试验等的变量试验(fluctuation testfluctuation test)2 2、NewcombeNewcombe的涂布试验的涂布试验3 3、LederbergLederberg等的影印平板培养法等的影印平板培养法(replica plating)(replica plating)(五五)基因突变及机制基因突变及机制1 1、诱发突变诱发突变(induced mutation induced mutation)诱发突变简称诱变,是指通过人为的方法,诱发突变简称诱变,是指通过人为的方法,利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发利用物理、化学或生物因素显
9、著提高基因自发突变频率的手段。凡具有诱变效应的任何因素,突变频率的手段。凡具有诱变效应的任何因素,都称诱变剂(都称诱变剂(mutagenmutagen)。)。1 1)碱基的置换碱基的置换(substitution substitution)转换转换(嘌呤间或嘧啶间嘌呤间或嘧啶间)颠换颠换(嘌呤和嘧啶间嘌呤和嘧啶间)亚硝酸引起的使亚硝酸引起的使A AT T转换成转换成G G C C过程的简式见下图过程的简式见下图 HNO2 A:T He:T Hk+T第一次复制第一次复制 A T Hk C 第二次复制第二次复制 G C Hk C直接引起置换的诱变剂直接引起置换的诱变剂 间接引起置换的诱变剂间接引起
10、置换的诱变剂 2 2)移码突变()移码突变(frame-shift mutationframe-shift mutation)指诱变剂会使指诱变剂会使DNADNA序列中的一个或少数几个核苷酸发生增序列中的一个或少数几个核苷酸发生增添(插入)或缺失,从而使该处后面的全部遗传密码的阅读框添(插入)或缺失,从而使该处后面的全部遗传密码的阅读框架发生改变,并进一步引起转录和转译错误的一类突变。架发生改变,并进一步引起转录和转译错误的一类突变。诱变剂:诱变剂:ICRICR(美国一癌症研究所名称)类化合物:(美国一癌症研究所名称)类化合物:原黄素,吖啶黄,吖啶橙等。原黄素,吖啶黄,吖啶橙等。诱变机理:至今
11、不清。诱变机理:至今不清。结果:加结果:加3 3、减、减3 3;加(减);加(减)1 1,短距离减(加),短距离减(加)1 1;影响小。;影响小。增(减)增(减)1 1、2 2、4 4、5 5引起后面全变。引起后面全变。常见的致变剂及其致变作用常见的致变剂及其致变作用(a)(a)亚硝基的脱氨作用;亚硝基的脱氨作用;(b)(b)烷化剂和被甲基化的碱基;烷化剂和被甲基化的碱基;(c)5-(c)5-溴脱氧嘧啶与鸟嘌呤配对溴脱氧嘧啶与鸟嘌呤配对(A=T(A=T变变G G三三C)C)。3)染色体畸变(染色体畸变(chromosomal aberration)n 某些强烈理化因子会引起某些强烈理化因子会引
12、起DNADNA分子的大损伤(分子的大损伤(macrolesionmacrolesion)染色体畸变染色体畸变。既包括染色体结构上的缺失(既包括染色体结构上的缺失(deletiondeletion)、重复)、重复(duplication)(duplication)、插入、插入(insertion)(insertion)、易位、易位(translocation)(translocation)和倒位和倒位(inversion)(inversion),也包括染色体数目的变化。,也包括染色体数目的变化。n转座(因)子转座(因)子:在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段:在染色体组中或染色体组间能改
13、变自身位置的一段DNADNA顺序。顺序。其跳跃过程往往导致其跳跃过程往往导致DNADNA链的断裂或重接,产生重组交换、基因链的断裂或重接,产生重组交换、基因启动或关闭,使突变发生。启动或关闭,使突变发生。n转座(因)子主要有三类:转座(因)子主要有三类:ISIS、TnTn、MuMu。2 2、自发突变、自发突变n自发突变自发突变(spontaneous mutationspontaneous mutation)是指生物体在无人工干预下自然发生的低频率是指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。突变。n自发突变的原因自发突变的原因:1 1)背景辐射和环境因素的诱变;)背景辐射和环境因素的诱变;2
14、 2)微生物自身有害代谢产物的诱变效应;)微生物自身有害代谢产物的诱变效应;3 3)互变异构效应;(配对错误)互变异构效应;(配对错误)4 4)环出效应。(发生缺失)环出效应。(发生缺失)(六六)紫外线对紫外线对DNADNA的损伤及其修复的损伤及其修复嘧啶碱基受紫外辐射后产生的衍生物嘧啶碱基受紫外辐射后产生的衍生物 (六六)紫外线对紫外线对DNADNA的损伤及其修复的损伤及其修复 1 1、光复活作用光复活作用(photoreactivationphotoreactivation)把经把经UVUV照射后的微生物立即暴露于可见光下时,照射后的微生物立即暴露于可见光下时,就可就可 出现明显降低其死亡
15、率的现象,此即光复活作用。出现明显降低其死亡率的现象,此即光复活作用。2 2、切除修复切除修复(excision repairexcision repair)是活细胞内一种用于对被是活细胞内一种用于对被UVUV等诱变剂损伤后等诱变剂损伤后DNADNA的的修复修复 方式之一,又称暗修复(方式之一,又称暗修复(dark repairdark repair),这是一种不),这是一种不依赖依赖 可见光,只通过酶切作用去除嘧啶二聚体,随后重新可见光,只通过酶切作用去除嘧啶二聚体,随后重新合成合成 一段正常一段正常DNADNA链的核酸修复方式。链的核酸修复方式。一、化学诱变剂一、化学诱变剂 碱基类似物碱基
16、类似物二、物理诱变剂二、物理诱变剂 非电离辐射类因子和电离辐射类因子两种非电离辐射类因子和电离辐射类因子两种三、生物诱变剂三、生物诱变剂 (一)转座诱发突变(一)转座诱发突变 (二)转化诱发突变(二)转化诱发突变 (三)转导诱发突变(三)转导诱发突变 (四)定点诱导(四)定点诱导第二节第二节 诱发突变及诱变剂诱发突变及诱变剂第三节 突变体的选择和检出n一、基因的突变延迟原因:突变前所产生的物质仍然在细胞中存在活性 诱变剂作用在DNA的一条链上 多核细胞,所有的核都变为变异的核时细胞才会表现出来二、突变体的筛选n(一)随机筛选n(二)根据菌落特征或生化反应筛选n(三)冷敏感菌筛选法n(四)梯度平
17、板法n(五)营养缺陷型菌株的筛选菌种筛选的策略菌种筛选的策略 筛选的手段必需配合不同筛选阶段的要求筛选的手段必需配合不同筛选阶段的要求初筛:要力求快速、简便初筛:要力求快速、简便 复筛:应该做到精确,测得的数据要能够反映将来的生产水平复筛:应该做到精确,测得的数据要能够反映将来的生产水平 (1)(1)从菌体形态变异分析从菌体形态变异分析初筛初筛有些菌体的形态变异与产量的变异存在着一定的相关性,在筛有些菌体的形态变异与产量的变异存在着一定的相关性,在筛选工作中应尽可能捕捉、利用这些直接的形态特征性变化。选工作中应尽可能捕捉、利用这些直接的形态特征性变化。平皿快速检测法平皿快速检测法平皿快速检测法
18、是利用菌体在特定固体培养基平皿快速检测法是利用菌体在特定固体培养基平板上的生理生化反应,将肉眼观察不到的产平板上的生理生化反应,将肉眼观察不到的产量性状转化成可见的量性状转化成可见的“形态形态”变化。变化。纸片培养显色法、变色圈法、透明圈法、生纸片培养显色法、变色圈法、透明圈法、生长圈法和抑制圈法等。长圈法和抑制圈法等。定性或半定量用定性或半定量用 ,大大提高筛选的效率,大大提高筛选的效率 初筛初筛微生物特异性平板检测方法微生物特异性平板检测方法 饱浸含某种指示饱浸含某种指示剂的固体培养基剂的固体培养基的滤纸片变色圈的滤纸片变色圈 指示剂直接掺入或喷洒固体指示剂直接掺入或喷洒固体培养基,菌落周
19、围形成变色培养基,菌落周围形成变色圈。如淀粉的平皿上喷上稀圈。如淀粉的平皿上喷上稀碘液碘液 固体培养基中渗入溶解性固体培养基中渗入溶解性差、可被特定菌利用的营差、可被特定菌利用的营养成分,造成不透明的培养成分,造成不透明的培养基背景。菌落利用此物养基背景。菌落利用此物质形成透明圈。质形成透明圈。利用一些有特别营养要利用一些有特别营养要求的微生物作为工具菌,求的微生物作为工具菌,如待筛选菌具有该营养如待筛选菌具有该营养物的前体转化成营养物物的前体转化成营养物 能力,工具菌就能围绕能力,工具菌就能围绕该菌生长该菌生长 待筛选的菌株能待筛选的菌株能分泌产生某些能分泌产生某些能抑制工具菌生长抑制工具菌
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