微生物 遗传变异和育种.ppt
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1、关于微生物 遗传变异和育种现在学习的是第1页,共63页表型饰变:表型饰变: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遗传型变异(基因变异、基因突变):遗传型变异(基因变异、基因突变):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)现在学习的是第2页,共63页基基因因是生物体内具有自主复制能力的最小遗传功能单位,其物质基础是一一条条以直直线线排列、
2、具有特定核苷酸序列的核酸片段。基因组基因组是指存在于细胞或病毒中的所有基因。由于现在发现许多非编码序列具有重要的功能,因此目前基因组的含义实际上是指细胞中基因以及非基因的DNA序列组成的总称,包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能还尚不清楚的DNA序列。第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构现在学习的是第3页,共63页原核生物基因的特点遗传信息的连续性 功能相关的结构基因组成操纵子结构结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝基因组的重复序列少而短现在学习的是第4页,共63页真核生物的基因的特点基因的不连续性:内含子、外显子。转录和转译在细胞中有空间分隔。高度拷贝和重复顺序:遗
3、传丰余(genetic redundancy)。2、单细胞真核微生物啤酒酵母基因组现在学习的是第5页,共63页质粒:游离游离于原核生物基因组以外,具有独立复制能独立复制能力力的细胞质遗传因子,存在于各种微生物细胞中。转座子:位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列,广泛分布于原核和真核细胞中。第二节第二节 质粒和转座因子质粒和转座因子质粒和转座因子都是细胞中除染色体以外的遗传因子。现在学习的是第6页,共63页致育因子(致育因子(F质粒):质粒):大肠杆菌等部分细菌内存在,决定其性别并具有转大肠杆菌等部分细菌内存在,决定其性别并具有转移能力的质粒。(移能力的质粒。(F+,F-,Hfr,
4、F)抗性因子(抗性因子(R质粒):质粒):表现为抗药性和抗重金属两类。表现为抗药性和抗重金属两类。Col质粒:质粒:细菌素:细菌素:部分细菌由质粒编码的蛋白质产生的能抑部分细菌由质粒编码的蛋白质产生的能抑制或杀死其他近源细菌的代谢产物。制或杀死其他近源细菌的代谢产物。用于用于“残害手足残害手足”根据质粒编码的功能和赋予宿主的表型效应分类:现在学习的是第7页,共63页毒性质粒毒性质粒:质粒具有编码毒素的基因,引起致病质粒具有编码毒素的基因,引起致病菌的致病性。菌的致病性。Ti质粒:质粒:诱癌质粒,导致植物产生根癌,膨大等现象;用于植物基因工程。Ri质粒:质粒:发根质粒,诱发双子叶植物患毛根瘤,大
5、量称为毛状根的不定根。月季根癌月季根癌现在学习的是第8页,共63页代谢质粒代谢质粒质粒上携带有降解某些基质的酶的基因。质粒上携带有降解某些基质的酶的基因。仅在假单胞菌(假单胞菌(Pseudomonas)中发现。具有降解复杂有毒化合物的能力。“超级菌”。现在学习的是第9页,共63页它们存在的生物学意义,目前几乎不了解。它们存在的生物学意义,目前几乎不了解。在应用上,很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体在应用上,很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体(一般加上抗性基因)(一般加上抗性基因)隐秘质粒隐秘质粒隐秘质粒不显示任何表型效应,它们的存在只有通过物隐秘质粒不显示任何表型效应,它们的存在只
6、有通过物理的方法,例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能理的方法,例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。发现。三、质粒的不亲和性三、质粒的不亲和性能在同一种细菌中并存的质粒属于不同的不亲和群,能在同一种细菌中并存的质粒属于不同的不亲和群,反之同一不亲和群。反之同一不亲和群。现在学习的是第10页,共63页第四节第四节 基因突变和修复基因突变和修复基因突变基因突变:基因内部遗传结构或:基因内部遗传结构或DNA序列的任何改序列的任何改变变,包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换,包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换,泛指遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传泛指遗传物质的分子结构或数量
7、突然发生的可遗传的变化,的变化,可自发或诱导产生。可自发或诱导产生。突变率(突变率(mutation rate)细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。某一基因的突变一般是某一基因的突变一般是独立发生独立发生的,他的突变率不影响其他的,他的突变率不影响其他基因的突变。基因的突变。通常突变发生的几率为通常突变发生的几率为10-610-9 现在学习的是第11页,共63页一、基因突变的类型及其分离一、基因突变的类型及其分离碱基变化类型:同义突变、错义突变、碱基变化类型:同义突变、错义突变、无义突变、移码突变无义突变、移码突变突变株的表型变化:突变株的表型变化:
8、营养缺陷型营养缺陷型微生物遗传学中重要的选择标记和育种手段。微生物遗传学中重要的选择标记和育种手段。hisC-和和hisC+影印法分离营养缺陷型现在学习的是第12页,共63页 抗药性突变型抗药性突变型strr 和和 ampr 条件致死突变型条件致死突变型 常用的条件致死突变是温度敏感突变,用常用的条件致死突变是温度敏感突变,用 ts 表示。表示。形态突变型形态突变型 细胞和菌落形态、颜色、噬菌斑等细胞和菌落形态、颜色、噬菌斑等 DNA重组技术中的蓝白筛选。重组技术中的蓝白筛选。产量突变型产量突变型 现在学习的是第13页,共63页1.自发性自发性2.不对应性不对应性细胞可自发的产生突变细胞可自发
9、的产生突变突变性状与引起突变的突变性状与引起突变的原因间无直接对应关系原因间无直接对应关系3.稀有性稀有性突变几率为突变几率为10-610-9 5.独立性独立性4.规律性规律性诱变剂的使用可大大提高诱变剂的使用可大大提高突变几率突变几率6.可诱变性可诱变性7.遗传和可逆性遗传和可逆性正向突变正向突变/回复突变回复突变二、基因突变的分子基础二、基因突变的分子基础现在学习的是第14页,共63页分子基础分子基础由腺嘌呤碱基互变异构导致的自发突变由腺嘌呤碱基互变异构导致的自发突变()DNA聚合酶产生的错误、DNA物理损伤、重组和转座等。转换、颠换RNA基因组的突变:RNA复制酶RNA修复机制现在学习的
10、是第15页,共63页诱发突变诱发突变 通过物理、化学和生物因子能够提高其突变频率,这一类通过物理、化学和生物因子能够提高其突变频率,这一类物质称为诱变剂。物质称为诱变剂。常用的诱变剂:常用的诱变剂:碱基类似物:碱基错配碱基类似物:碱基错配 插入染料插入染料:移码突变移码突变 直接与直接与DNA碱基起化学反应的诱变剂:碱基起化学反应的诱变剂:EMS、DES、NTG 辐射和热:置换突变、辐射和热:置换突变、SOS错误倾向修复错误倾向修复 生物诱变因子:生物诱变因子:转座子转座子现在学习的是第16页,共63页Ames实验 诱变剂与致癌物质“生物化学统一性生物化学统一性”法则:法则:人和细菌在人和细菌
11、在DNA的结构及特性方面是一致的,的结构及特性方面是一致的,能使微生物发生能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA,使其发生突变,最后造成癌使其发生突变,最后造成癌变或其他不良的后果。变或其他不良的后果。美国加利福尼亚大学的美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于教授于1966年发明,年发明,因此称为因此称为Ames试验试验检测检测鼠伤寒沙门氏菌鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium)组氨酸营养缺陷型菌株组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率。的回复突变率。现在学习的是第17页,共63页Ames试验试验潜在的某种化学诱变剂
12、使得回复突变作用增强现在学习的是第18页,共63页UV导致遗传物质产生嘧啶二聚体嘧啶二聚体(TT、TC、CC),造成局部DNA分子无法配对,引起微生物的死亡或突变死亡或突变。一般微生物具有光复活作用光复活作用:光解酶Phr在利用UV进行诱变育种等工作时,应在红红光灯下进行照射和后继操作光灯下进行照射和后继操作,并放置在黑黑暗条件下培养暗条件下培养。三、三、DNA损伤的修复损伤的修复1、光复活作用、光复活作用现在学习的是第19页,共63页2、切除修复、切除修复暗修复,细胞的主要修暗修复,细胞的主要修复系统,涉及复系统,涉及UvrA、UvrB、UvrC、UvrD现在学习的是第20页,共63页3、重
13、组修复、重组修复4、SOS修复修复DNA分子在遇到较大范围的重大损伤时,诱导产生的分子在遇到较大范围的重大损伤时,诱导产生的一种应急机制。一种应急机制。越过损伤直接进行的修复。越过损伤直接进行的修复。现在学习的是第21页,共63页第五节第五节 细菌基因转移和重组细菌基因转移和重组微生物可通过多种途径进行水平方向的基因转移,这种基因的转移与交换是生物进化的动力之一。接合接合(conjugation):细胞与细胞的直接接触(由细胞与细胞的直接接触(由F因子介导)因子介导)转导转导(transduction):由噬菌体介导由噬菌体介导自然遗传转化自然遗传转化(natural genetic tran
14、sformation):游离游离DNA分子分子+感受态细胞感受态细胞现在学习的是第22页,共63页一、细菌的接合作用一、细菌的接合作用(conjugation)通过细胞与细胞的直接接触而通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组产生的遗传信息的转移和重组过程过程1.实验证据实验证据1946年,年,Joshua Lederberg 和和Edward L.Taturm细菌的多重营养缺陷型杂交实验细菌的多重营养缺陷型杂交实验现在学习的是第23页,共63页2.机制机制(大肠杆菌的接合机制大肠杆菌的接合机制)接合作用是由一种被称为接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导因子的质粒介导F因子的分子
15、量通常为因子的分子量通常为5107,上面有编码细菌产生性菌毛,上面有编码细菌产生性菌毛(sex pili)及控制接合过程进行的及控制接合过程进行的20多个基因。多个基因。含有含有F因子的细胞:因子的细胞:“雄性雄性”菌株(菌株(F+),),其细胞表面有性菌毛其细胞表面有性菌毛 不含不含F因子的细胞:因子的细胞:“雌性雌性”菌株(菌株(F-),),细胞表面没有性菌毛细胞表面没有性菌毛现在学习的是第24页,共63页F F因子的四种细胞形式因子的四种细胞形式a)F-菌株,菌株,不含不含F因子,没有性菌毛,但可以通过因子,没有性菌毛,但可以通过 接合作用接收接合作用接收 F因子而变成雄性菌株(因子而变
16、成雄性菌株(F+););b)F+菌株,菌株,F因子独立存在,细胞表面有性菌毛。因子独立存在,细胞表面有性菌毛。c c)HfrHfr菌株,菌株,F F因子插入到染色体因子插入到染色体DNADNA上上,细胞表面有性菌毛。,细胞表面有性菌毛。d d)FF菌株,菌株,Hfr菌株内的菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时,因子因不正常切割而脱离染色体时,形成游离的但携带一小段染色体基因的形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子,特称为因子,特称为F因因 子。子。细胞表面同样有性菌毛。细胞表面同样有性菌毛。现在学习的是第25页,共63页HfrHfr菌株的菌株的F F因子插入到染色体因子插入到染色体DNA
17、DNA上,因此上,因此只要发生接合转移过只要发生接合转移过程,就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给程,就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F F-细胞并发生重组细胞并发生重组,由此而得名为,由此而得名为高频重组菌株高频重组菌株。2 2)Hfr Hfr F-杂交杂交现在学习的是第26页,共63页染色体上越靠近染色体上越靠近F因子的先导区的基因,进入的机会因子的先导区的基因,进入的机会就越多,在就越多,在F-中出现重组子的的时间就越早,频率也高。中出现重组子的的时间就越早,频率也高。F因子不易转入受体细胞中,故因子不易转入受体细胞中,故HfrF-杂交后的受体细胞(或称接合子)大多杂交后的受体细胞(
18、或称接合子)大多数仍然是数仍然是F-。现在学习的是第27页,共63页3 3)FFF-杂交杂交Hfr菌株内的菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时,因子因不正常切割而脱离染色体时,形成游离的但携带一小段染色体基因的形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子,因子,特称为特称为F因子。因子。FF-与与F+F-的不同:的不同:给体的给体的部分染色体基因随部分染色体基因随F一起转入受体细胞一起转入受体细胞a)与染色体发生重组;与染色体发生重组;b)继续存在于继续存在于F因子上,因子上,形成一种部分二倍体;形成一种部分二倍体;细胞基因的这种转移过程又常称为性导(细胞基因的这种转移过程又常称为性导(sex
19、duction)、)、F因子转导因子转导(F-duction),),或或F因子媒介的转导(因子媒介的转导(F-mediated transduction)。)。现在学习的是第28页,共63页二、细菌的转导(二、细菌的转导(transduction)由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式:由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式:一个细胞的一个细胞的DNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体称为带到另一个细菌的噬菌体称为转导噬菌体转导噬菌体细菌转导的二
20、种类型:细菌转导的二种类型:普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导现在学习的是第29页,共63页1、普遍性转导(、普遍性转导(generalized transduction)噬菌体可以转导噬菌体可以转导给体染色体的任何部分给体染色体的任何部分到受体细胞中的转导过程到受体细胞中的转导过程(1)意外的发现意外的发现19511951年,年,Joshua LederbergJoshua Lederberg和和Norton ZinderNorton Zinder为了证实大肠杆菌以外为了证实大肠杆菌以外的其它菌种是否也存在接合作用,用二株具不同的多重营养缺陷型的其它菌种是否也存在接合作用,用二株具不同
21、的多重营养缺陷型的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验:的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验:用用“U”U”型管进行同样的实验时,在给体和受体细胞型管进行同样的实验时,在给体和受体细胞不接触的情况下,同样出现原养型细菌!不接触的情况下,同样出现原养型细菌!现在学习的是第30页,共63页沙门氏菌沙门氏菌LT22A是携带是携带P22噬菌体的溶源性细菌噬菌体的溶源性细菌 另另一株是非溶源性细菌一株是非溶源性细菌一个表面看起来的常规研究却导致一个表面看起来的常规研究却导致一个惊奇和十分重要发现的重要例证!一个惊奇和十分重要发现的重要例证!基因的传递很可能是由可透过基因的传递很可能是由可透过“U”型管滤板的型管滤板的
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