微生物的遗传变异和育种学习教案.pptx

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1、会计学1微生物的遗传变异和育种微生物的遗传变异和育种(y zhng)第一页，共79页。(1)遗传型又称基因型遗传型又称基因型 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。遗传型是一种内在的可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载(fzi)的特定遗传信息。具有某遗传型的生物，只有在适当的环境条件下，通过其自身的代谢和发育，才能将它付诸实现，即产生自己的表型。遗传型环境条件 表型 （可能性）（现实性）第2页/共79页第二页，共79页。(2)表型 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条件下通过代谢和发育而得到的具体体现。所以，它与遗传型不同，是一种现实

2、性（具体性状）。(3)变异 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，亦即遗传型的改变。其特点是在群体中只以极低的几率(j l)（一般为10-510-10）出现，性状变化幅度大，且变化后的新性状是稳定的、可遗传的。(4)饰变 顾名思义，饰变是指外表的修饰性改变，意即一种不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。其特点是整个群体中的几乎每一个体都发生同样变化；性状变化的幅度小；因其遗传物质未变，故饰变是不遗传的。第3页/共79页第三页，共79页。第一节遗传变异的物质基础 一、3个经典实验 （一）经典转化(zhunhu)实验 (1)动物试验 第4页/共79

3、页第四页，共79页。(2)细菌(xjn)培养试验(3)S型菌的无细胞(xbo)抽提液试验 离体转化(zhunhu)实验第5页/共79页第五页，共79页。（二）噬菌体感染(gnrn)实验 第6页/共79页第六页，共79页。(三)植物(zhw)病毒的重建实验 第7页/共79页第七页，共79页。二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位(bwi)和方式（一）7个水平 1细胞水平 在细胞水平上,真核微生物和原核生物的大部聚DNA都集中在细胞核或核区(核质体)中。在不伺种微生物或同种微生物的不同细胞中，细胞核的数目常有所不同。2细胞核水平 不论真核生物的细胞核或原核生物细胞的核区都是该微生物遗传信息的最主要负

4、荷者，被称为(chn wi)核基因组、核染色体组或简称基因组。第8页/共79页第八页，共79页。3.染色体水平(shupng)(1)染色体数不同(b tn)(2)染色体倍数4核酸(h sun)水平 (1)核酸(h sun)种类(2)核酸结构(3)DNA长度（即基因组的大小）第9页/共79页第九页，共79页。5.基因(jyn)水平（1）基因:是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位，其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列(xli)的核酸片段。第10页/共79页第十页，共79页。（2）基因(jyn)调控系统A结构基因:是决定某一多肽链结构的DNA模板，它是通过转录和转译过程来执行多

5、肽链合成任务的。B 操纵基因:是位于(wiy)启动基因和结构基因之间的一段核苷酸序列，控制结构基因是否转录。C启动基因:是一种依赖于DNA的RNA多聚酶所识别的核苷酸序列。第11页/共79页第十一页，共79页。6密码子水平(shupng)遗传密码:是指DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。UAA;UAG和UGA仅表示转译中的终止(zhngzh)信号 7核苷酸水平(shupng)第12页/共79页第十二页，共79页。（二）原核(yun h)生物的质粒 1定义和特点 定义:凡游离于原核生物核基因组以外(ywi)，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子.特点特点(tdin)(t

6、din)：(1)(1)可自我复制，稳定遗传。对生存不是必要的。复制与染色体分开。可自我复制，稳定遗传。对生存不是必要的。复制与染色体分开。(2)(2)不同质粒携带不同遗传信息。不同质粒携带不同遗传信息。(3)(3)无质粒细菌可通过接合、转化、转导等方式获得，不能自发产生。无质粒细菌可通过接合、转化、转导等方式获得，不能自发产生。第13页/共79页第十三页，共79页。2.质粒在基因工程(jyn gngchng)中的应用 质粒具有的优点：体积小，便于DNA的分离和操作；呈环状，使其在化学分离过程(guchng)中能保持性能稳定；有不受核基因组控制的独立复制起始点；拷贝数多，使外源DNA可很快扩增；

7、存在抗药性基因等选择性标记。第14页/共79页第十四页，共79页。E.coli的pBR322质粒克隆(k ln)载体 第15页/共79页第十五页，共79页。3.质粒的分离(fnl)与鉴定（1）质粒的分离(fnl)步骤细胞(xbo)的裂解蛋白质去除RNA的去除质粒DNA与染色体DNA相分离（2）质粒鉴定。电镜、琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶电泳第16页/共79页第十六页，共79页。4.质粒的种类(zhngli)第17页/共79页第十七页，共79页。5典型(dinxng)质粒简介(1)F质粒 又称F因子、致育因子或性因子，是E.coli等细菌(xjn)决定性别并有转移能力的质粒。第18页/共79页第十八页

8、，共79页。(2)R质粒又称R因子(ynz)由RTF和r决定子结合而形成R质粒 第19页/共79页第十九页，共79页。(3)Col质粒Col质粒：又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子。细菌素：许多细菌都能产生抑制(yzh)或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的代谢产物是由质粒编码的蛋白质。第20页/共79页第二十页，共79页。(4)Ti质粒即诱瘤质粒或冠瘿质粒。Ti质粒即诱瘤质粒或冠瘿质粒Ti质粒是一种200 kb的环状质粒，包括毒性区（vir）、接合转移区（con）、复制起始区（on）和T-DNA区4部分。植物基因工程(jyn gngchng)中使用最广、效果最佳的克隆载体。第21页/共79页第

9、二十一页，共79页。(5)Ri质粒发根土壤杆菌或发根农杆菌可侵染双子叶植物的根部，并诱生大量称为毛状根的不定根。Ri质粒已成为外源基因的良好载体，也可用作进行(jnxng)次生代谢产物的生产。第22页/共79页第二十二页，共79页。(6)mega质粒即巨大(jd)质粒，存在于根瘤菌属中，。分子质量比一般质粒大几十倍至几百倍。假单胞菌属中发现。质粒编码(bin m)降解一系列复杂有机物的酶，(7)降解(jin ji)性质粒第23页/共79页第二十三页，共79页。第二节基因突变和诱变(yu bin)育种 一、基因突变基因突变:简称突变泛指细胞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

10、或诱导产生。狭义(xiy)专指基因突变，广义则包括基因突变和染色体畸变。第24页/共79页第二十四页，共79页。（一）突变(tbin)类型 凡能用选择性培养基（或其他选择性培养条件）快速(kui s)选择出来的突变株称选择性突变株,反之则称为非选择性突变株.第25页/共79页第二十五页，共79页。（二）突变率定义:某一细胞（或病毒粒）在每一世代中发生(fshng)某一性状突变的几率，称突变率。共同特点(tdin)：自发性 不对应性 稀有性 独立性 可诱变性 稳定性 可逆性（三）基因突变(j yn t bin)的特点 第26页/共79页第二十六页，共79页。（五）基因突变(j yn t bin)

11、及其机制第27页/共79页第二十七页，共79页。1诱发(yuf)突变诱发突变:简称诱变，是指通过人为的方法(fngf)，利用物理、化学或生物因素显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，都称诱变剂。（1）碱基的置换(zhhun)第28页/共79页第二十八页，共79页。诱变剂:直接引起置换的诱变剂：直接与核酸的碱基发生化学(huxu)反应的化学(huxu)诱变剂 间接引起置换的诱变剂 一些碱基类似物 第29页/共79页第二十九页，共79页。（2）移码突变(tbin)指诱变剂会使DNA序列中的一个或几个核甘酸发生增添（插入）或缺失,从而使该处后面的全部遗传密码(m m)的阅读框架发

12、生改变,并进一步引起转录错误的一类突变.原因:吖啶类染料及一系列类化合物第30页/共79页第三十页，共79页。移码突变(tbin)图：第31页/共79页第三十一页，共79页。(3)染色体畸变(jbin)1、染色体畸变：引起DNA分子的大损伤染色体畸变，包括染色体结构上的缺失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化。、转座和转座因子转座：DNA序列通过非同源重组的方式，从染色体某一部位转移到同一染色体上另一部位或其他染色体上某一部位的现象，称为转座。转座因子：凡具有(jyu)转座作用的一段DNA序列，称转座因子包括原核生物中的插入序列(is）、转座子（Tn)和E.coli的Mu噬菌体等转

13、座噬菌体。第32页/共79页第三十二页，共79页。转座的过程(guchng)及其中受体DNA中靶序列的复制过程(guchng)第33页/共79页第三十三页，共79页。2.自发(zf)突变自发突变:指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。自发突变的原因有：由背景辐射和环境因素引起，由微生物自身有害代谢产物引起，由DNA复制过程(guchng)中碱基配对错误引起。第34页/共79页第三十四页，共79页。(六）紫外线对DNA的损伤(snshng)及其修复 1光复活作用 把经UV照射(zhosh)后的微生物立即暴露于可见光下时，就可出现明显降低其死亡率的现象，此即光复活作用。第35页/共79页第三

14、十五页，共79页。2.切除(qich)修复切除(qich)修复:是一种不依赖可见光、只通过酶切作用去除嘧啶二聚体,随后重新合成一段正常 DNA链的核酸修复方式.第36页/共79页第三十六页，共79页。二、突变(tbin)与育种 1从生产中育种正突变株:指生产性状优于原株的产量突变株2.定向培育优良菌株 定向培育:是一种利用微生物的自发突变，并 采用特定的选择条件，通过对微生物群体不断移植以选育(xun y)出较优良菌株的古老方法。例如:卡介苗（一）自发突变(tbin)与育种第37页/共79页第三十七页，共79页。（二）诱变(yu bin)育种诱变育种:是指利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的

15、微生物细胞群，采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选出少数(shosh)符合目的的突变株，以供使用。第38页/共79页第三十八页，共79页。1诱变(yu bin)育种的基本环节第39页/共79页第三十九页，共79页。2.诱变(yu bin)育种中的几个原则(1)选择简便有效的诱变剂 物理(wl)因素:A非电离辐射类的紫外线、激光和离子束等，B电离辐射的X射线、丫射线和快中子等；化学诱变剂:主要有烷化剂、碱基类似物和吖啶化合物 第40页/共79页第四十页，共79页。艾姆氏试验(shyn)原理：鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸营养缺陷型（his-）菌株在基本培养基-的平板上不能生长，如发生回复突变变成原养

16、型（his）后则能生长。方法大致是在含待测可疑“三致”物例如黄曲霉毒素、二甲氨基(nj)偶氮苯、“反应停”或二口恶口英等的试样中，加入鼠肝匀浆液，经一段时间保温后，吸人滤纸片中，然后将滤纸片放置于上述平板中央。经培养后，出现3种情况：在平板上无大量菌落产生，说明试样中不含诱变剂；在纸片周围有一抑制圈，其外周出现大量菌落，说明试样中有某种高浓度的诱变剂存在；在纸片周围长有大量菌落，说明试样中有浓度适当的诱变剂存在。第41页/共79页第四十一页，共79页。艾姆斯试验(shyn)法检测致癌物示意图第42页/共79页第四十二页，共79页。(2）挑选优良(yuling)的出发菌株 用于育种(y zhng

17、)的原始菌株，(3)处理(chl)单细胞或单孢子悬液（4）选用最适的诱变剂量(5)充分利用复合处理的协同效应 (6）利用和创造形态、生理与产量间的相关指标(7)设计高效筛选方案(8）创造新型筛选方法 第43页/共79页第四十三页，共79页。3.3类突变株的筛选(shixun)方法（1）产量突变(tbin)株的筛选(2)抗药性突变(tbin)株的筛选 第44页/共79页第四十四页，共79页。(3)营养缺陷型突变(tbin)株的筛选 基本培养基（MM，符号为-）：仅能满足某微生物的野生型菌株生长所需要的最低成分的组合培养基，称基本培养基。完全培养基（CM,符号为）：凡可满足一切营养缺陷(quxin

18、)型菌株营养需要的天然或半组合培养基，称完全培养基。补充培养基（SM;符号为A或B等）：凡只能满足相应的营养缺陷(quxin)型突变株生长需要的组合或半组合培养基，称补充培养基。有关(yugun)的3类培养基：第45页/共79页第四十五页，共79页。与营养缺陷型突变(tbin)有关的3类遗传型个体：野生型：指从自然界分离到的任何微生物在其发生(fshng)人为营养缺陷突变前的原始菌株。营养缺陷型：野生型菌株经诱变剂处理后，由于发生(fshng)了丧失某酶合成能力的突变，因而只能在加有该酶合成产物的培养基中才能生长，这类突变菌株称为营养缺陷型突变株，或简称营养缺陷型。原养型：一般指营养缺陷型突变

19、株经回复突变或重组后产生的菌株，其营养要求在表型上与野生型相同，遗传型均用A+B+表示 第46页/共79页第四十六页，共79页。营养缺陷(quxin)型的筛选方法：一般要经过诱变、淘汰野生型、检出和鉴定营养(yngyng)缺陷型4个环节：第一步，诱变剂处理：第二步，淘汰野生型：第三步，检出缺陷型 第四步，鉴定缺陷型 第47页/共79页第四十七页，共79页。第三节基因(jyn)重组和杂交育种 基因(jyn)重组:两个独立基因(jyn)组内的遗传基因(jyn)，通过一定的途径转移到一起，形成新的稳定基因(jyn)组的过程，称为基因(jyn)重组或遗传重组，简称重组。第48页/共79页第四十八页，共

20、79页。一、原核生物的基因(jyn)重组（一）转化 1定义 转化:受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得后者部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。2.转化微生物(shngw)的种类在原核生物(shngw)中主要有肺炎链球菌 等在真核微生物(shngw)主要有酿酒酵母等 第49页/共79页第四十九页，共79页。3感受态 感受态:是指受体细胞最易接受外源DNA片段并能实现转化的一种生理状态。感受态因子:调节感受态的一类特异蛋白(dnbi)称，包括3种主要成分，即膜相关DNA结合蛋白(dnbi)、细胞壁自溶素和几种核酸酶。转化因子(ynz)的本质是离体的 DNA片段。4转化(zhunhu)因子第5

21、0页/共79页第五十页，共79页。5转化(zhunhu)过程 第51页/共79页第五十一页，共79页。6转染转染:指用提纯的病毒核酸(h sun)（DNA或RNA）去感染其宿主细胞或其原生质体，可增殖出一群正常病毒后代的现象。第52页/共79页第五十二页，共79页。（二）转导(zhun do)转导:通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的小片段 DNA携带到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者(qin zh)部分遗传性状的现象，称为转导。1普遍转导 普遍转导分为两种：(1)完全普遍转导 (2)流产普遍转导 第53页/共79页第五十三页，共79页。2.局限转导 局限转导:根据转导子出现频率的高低

22、可分为两类：（1）低频转导 只能形成(xngchng)极少数（10-4106）转导子，故称低频转导。(2)高频转导 高达50%左右的转导子，故称这种转导为高频转导。第54页/共79页第五十四页，共79页。3溶源转变(zhunbin)溶源转变:当正常的温和噬菌体感染其宿主而使其发生(fshng)溶源化时，因噬菌体基因整合到宿主的核基因组上，而使宿主获得了除免疫性外的新遗传性状的现象，称溶源转变。第55页/共79页第五十五页，共79页。（三）接合(jih)1定义 接合:供体菌（“雄性”）通过性菌毛与受体菌（“雌性”）直接接触，把 F质粒或其携带的不同长度的核基因组片段传递给后者，使后者获得若干新遗

23、传性状的现象(xinxing)，称为接合。接合子:通过接合而获得新遗传性状的受体细胞，称为接合子.2能进行接合的微生物种类 E.coli 等第56页/共79页第五十六页，共79页。3Ecoli的4种接合(jih)型菌株 第57页/共79页第五十七页，共79页。(1)F菌株即“雄性”菌株，指细胞(xbo)内存在一至几个F质粒，并在细胞(xbo)表面着生一至几条性菌毛的菌株。(1)F菌株 F菌株即“雌性”菌株，指细胞(xbo)中无F质粒、细胞(xbo)表面也无性菌毛的菌株。(2)F菌株第58页/共79页第五十八页，共79页。(3）Hfr菌株（高频(o pn)重组菌株）Hfr菌株（高频重组菌株）Hf

24、r菌株与F菌株相接(xin ji)合后，发生基因重组的频率要比单纯用F与F接合后的频率高出数百倍，故名。第59页/共79页第五十九页，共79页。(4)F菌株F质粒:当Hfr菌株细胞内的F质粒因不正常切离而脱离核染色体组时，可重新形成游离的、但携带整合位点邻近(ln jn)一小段核染色体基因的特殊F质粒，称F质粒或F因子。初生(ch shn)F菌株 与次生F菌株第60页/共79页第六十页，共79页。（四）原生质体融合(rngh)1定义:通过(tnggu)人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程，称为原生质体融合。由此法获得的重组子，称为融

25、合子。2.原生质体融合的生物种类 原核生物中的细菌和放线菌，而且还包括各种真核生物细胞 第61页/共79页第六十一页，共79页。3.原生质体融合(rngh)的主要操作步骤（1）先选择两株有特殊价值置于高渗溶液中,用脱壁酶去除细胞壁，（2）再将形成的原生质体加入促融合剂 PEG或借电脉冲等因素促进融合，（3）然后涂在平板上，检验它们是否为稳定的融合子，最后再测定(cdng)其有关生物学性状或生产性能 第62页/共79页第六十二页，共79页。原生质体融合(rngh)示意图 第63页/共79页第六十三页，共79页。二、真核微生物的基因(jyn)重组（一）有性(yu xn)杂交 A 杂交:是指在细胞水

26、平上进行的一种遗传重组方式。B 有性(yu xn)杂交:一般指不同遗传型的两性细胞间发生的接合和随之进行的染色体重组，进而产生新遗传型后代的一种育种技术。产生有性(yu xn)孢子的酵母菌、霉菌和蕈菌，第64页/共79页第六十四页，共79页。（二）准性杂交(zjio)1定义 准性生殖是一种在同种而不同菌株的体细胞间发生的融合,它可不借减数分裂而导致低频率(pnl)基因重组并产生重组子 第65页/共79页第六十五页，共79页。2准性生殖过程(guchng)(1)菌丝联结(linji)(2)形成异核体(3)核融合或称核配 (4)体细胞交换和单 倍体化 第66页/共79页第六十六页，共79页。3.准

27、性杂交育种(z jio y zhn)(1)选择亲本(2)强制异合(3)移单菌落(jnlu)(4)验稳定性(5)促进变异 主要(zhyo)步骤和原理 第67页/共79页第六十七页，共79页。第四节基因工程(jyn gngchng)一、基因工程定义 基因工程又称遗传工程，是指人们利用分子生物学的理论和技术，自觉设计、操纵、改造和重建细胞的遗传核心(hxn)基因组，从而使生物体的遗传性状发生定向变异，以最大限度地满足人类活动的需要。第68页/共79页第六十八页，共79页。二、基因工程(jyn gngchng)的基本操作（一）目的(md)基因的取得（二）优良载体的选择（三）目的(md)基因与载体DNA

28、的体外重组（四）重组载体导入受体细胞（五）重组受体细胞的筛选和鉴定（六）“工程菌”或“工程细胞”的大规模培养 第69页/共79页第六十九页，共79页。基因工程的主要(zhyo)原理和操作步骤第70页/共79页第七十页，共79页。三、基因工程(jyn gngchng)的应用（一）在生产多肽类药物、疫苗中的应用基因工程药物的生产途径(tjng)的4个阶段：细菌基因工程，酵母菌等真核微生物细胞的基因工程；哺乳动物细胞基因工程转基因动物或转基因植物基因工程第71页/共79页第七十一页，共79页。（二）改造传统工业发酵菌种 （三）动、植物特性的基因工程改良 植物基因工程重点主要为：转抗病虫害基因 抗逆境

29、(njng)植物品种的培育 高产、优质品种的培育 生产药用多肽或可降解塑料等优良品种 培育适应商品化的优良水果新品种 转固氮、结瘤、分解纤维素或木质素酶的基因，或是能提高光合作用效率等基因的新品种 （四）基因工程在环境保护中的应用第72页/共79页第七十二页，共79页。第五节菌种的衰退(shuitu)、复壮和保藏衰退:是指由于自发突变的结果，而使某物种原有一系列生物学性状发生量变或质变的现象。具体表现有：原有形态性状变得不典型了，生长速度变慢，产生的孢子变少，代谢产物生产能力下降，即出现负变致病菌对宿主(szh)侵染力的下降，对外界不良条件包括低温、高温或噬菌体侵染等抵抗能力的下降；等等。一、

30、菌种的衰退(shuitu)与复壮第73页/共79页第七十三页，共79页。广义的复壮:是一项积极的措施，即在菌种的典型特征或生产性状尚未衰退前，就经常有意识地采取纯种分离和生产性状的测定(cdng)工作，以期从中选择到自发的正变个体。第74页/共79页第七十四页，共79页。（一）衰退(shuitu)的防止1控制传代次数2.创造良好的培养(piyng)条件 3利用不易衰退的细胞传代 4.采用有效的菌种保藏方法 第75页/共79页第七十五页，共79页。（二）菌种的复壮(fzhung)1纯种(chn zhn)分离法2.通过(tnggu)宿主体复壮3淘汰已衰退的个体 第76页/共79页第七十六页，共79页。菌种保藏(bocng)方法第77页/共79页第七十七页，共79页。第78页/共79页第七十八页，共79页。感谢您的观看(gunkn)！第79页/共79页第七十九页，共79页。