微生物的遗传变异和育种 (4)精选PPT.ppt

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1、关于微生物的遗传变异和育种(4)第1页，讲稿共89张，创作于星期日 微生物是现代遗传学、分子生物学和其微生物是现代遗传学、分子生物学和其它许多重要的生物学基础研究中最热衷选用它许多重要的生物学基础研究中最热衷选用的的模式生物模式生物。研究微生物遗传学的意义研究微生物遗传学的意义 为什么进化的速度以及复杂性变得越来越快？为什么进化的速度以及复杂性变得越来越快？根据化石记录显示，单细胞生物于根据化石记录显示，单细胞生物于35亿年亿年前首次出现在地前首次出现在地球上，但是之后它们用了大约球上，但是之后它们用了大约25亿年亿年进化成多细胞生物，进化成多细胞生物，剩下的剩下的10亿年亿年却发展成了植物、

2、哺乳动物、昆虫、鸟却发展成了植物、哺乳动物、昆虫、鸟类等各种各样的地球物种。类等各种各样的地球物种。第2页，讲稿共89张，创作于星期日 Rice大学科学家的研究结果可望解决这一问题，他们大学科学家的研究结果可望解决这一问题，他们认为生物进化速度的加快是因为认为生物进化速度的加快是因为细菌和病毒不断在不同物细菌和病毒不断在不同物种之间传递种之间传递DNA，如果没有这种作用，只依靠，如果没有这种作用，只依靠基因突变基因突变和和两性选择作用两性选择作用是不会达到如此快速度的。是不会达到如此快速度的。对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生现代分子生物学物

3、学和和生物工程学生物工程学生物工程学生物工程学的发展，而且为的发展，而且为育种工作育种工作提供了丰富提供了丰富的理论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到的理论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。展。第3页，讲稿共89张，创作于星期日 在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品的过在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品的过程中，要想有效地大幅度提高产品的产量、质量和花程中，要想有效地大幅度提高产品的产量、质量和花色品种色品种,首先必须选育优良的生产菌种，才能达到目首先必须选育优良的生产菌种

4、，才能达到目的。的。优良菌种的选育是在微生物遗传变异的基础上进优良菌种的选育是在微生物遗传变异的基础上进行的。行的。遗传和变异是相互关联，同时又相互矛盾对遗传和变异是相互关联，同时又相互矛盾对立的两个方面，在一定条件下，二者是相互转立的两个方面，在一定条件下，二者是相互转化的。化的。第4页，讲稿共89张，创作于星期日遗传与变异的概念遗传与变异的概念遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。遗传遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。子代一套实现与其相同

5、形状的遗传信息。特点：具稳定性。特点：具稳定性。遗传型（遗传型（genotype）：又称基因型，：又称基因型，生物的全部遗传因子所携带生物的全部遗传因子所携带的遗传信息的遗传信息。遗传型遗传型+环境条件环境条件 表型表型表型（表型（phenotype）：具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下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外表特征和内在特征的总和。通过生长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。代谢代谢发育发育第5页，讲稿共89张，创作于星期日变变异异(variation):生生物物体体在在外外因因或或内内因因的的作作用用下下，遗遗传传物物质质的的结结构或数量发

6、生改变，亦即遗传型的改变。构或数量发生改变，亦即遗传型的改变。特点特点:a.在群体中出现几率极低，（一般为在群体中出现几率极低，（一般为1061010）b.形状变化的幅度大；形状变化的幅度大；c.变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。饰饰变变（modification）：指指不不涉涉及及遗遗传传物物质质结结构构改改变变而而只只发发生生在在转录、转译水平上的表型变化。转录、转译水平上的表型变化。特特点点是是：a.几几乎乎整整个个群群体体中中的的每每一一个个个个体体都都发发生生同同样样的的变变化化；b.性性状状变变化化幅幅度度小小；c.因因遗遗传传物物质质不不

7、变变，故故饰饰变变是是不不遗遗传传的的。引引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。起饰变的因素消失后，表型即可恢复。橘生淮南则为橘橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳。生于淮北则为枳。第6页，讲稿共89张，创作于星期日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，微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。方便建立纯系。t 很多常见微生物都易于人工培养，能够快速、大很多常见微生物都易于人工培养，能够快速、大 量生长繁殖。量生长繁殖。t 物种和代谢类型多样物种和代谢类型多样t 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，对环境因素的作用敏感，易

8、于获得各类突变株，操作性强。操作性强。第7页，讲稿共89张，创作于星期日第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础 种质连续理论种质连续理论：18831889年间年间Weismann提出。认为遗传物质是提出。认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物。一种具有特定分子结构的化合物。基因学说基因学说：二十世纪初发现了染色体并提出基因学说，使得遗传物二十世纪初发现了染色体并提出基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上质基础的范围缩小到染色体上。染色体由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。染色体由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。20多种氨基酸经过不同多种氨基酸经过不同排列组合，可以演变出的

9、蛋白质数目几乎可以达到一个天文数字，排列组合，可以演变出的蛋白质数目几乎可以达到一个天文数字，而核酸的组成却简单得多，一般仅由而核酸的组成却简单得多，一般仅由4种不同的核苷酸组成，它们通种不同的核苷酸组成，它们通过排列组合只能产生较少种类的核酸，因此当时认为决定生物遗传过排列组合只能产生较少种类的核酸，因此当时认为决定生物遗传型的染色体和基因，起活性成分是型的染色体和基因，起活性成分是蛋白质蛋白质。DNA是遗传变异的物质基础的证明是遗传变异的物质基础的证明：1944年以后，利用微年以后，利用微生物为实验对象进行的生物为实验对象进行的三个著名实验（肺炎球菌的转化试验、噬菌三个著名实验（肺炎球菌的

10、转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验）体感染试验、病毒的拆开与重建试验）第8页，讲稿共89张，创作于星期日一、三个证明一、三个证明DNA是遗传物质的经典实验是遗传物质的经典实验（一）经典转化实验（一）经典转化实验（1928年，年，F.Griffth）肺炎链球菌：肺炎链球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）第9页，讲稿共89张，创作于星期日Griffith转化试验示意图转化试验示意图混合培养混合培养R型活菌型活菌S型活菌型活菌S型热死菌型热死菌R型活菌

11、型活菌S型活菌型活菌健康健康病死病死第10页，讲稿共89张，创作于星期日（1）动物实验）动物实验对对小鼠注射活小鼠注射活R菌或死菌或死S菌菌 小鼠存活小鼠存活对小鼠注射活对小鼠注射活S菌菌小鼠死亡小鼠死亡对小鼠注射活对小鼠注射活R菌和热死菌和热死S菌菌 小鼠死亡小鼠死亡抽取心血分离抽取心血分离活的活的S菌菌热死热死S菌菌不生长不生长活活R 菌菌长出长出R菌菌热死热死S菌菌长出大量长出大量R菌和少量菌和少量S菌菌（2）细菌培养实验）细菌培养实验平皿培养平皿培养+活活R菌菌第11页，讲稿共89张，创作于星期日（3）S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验实验说明：实验说明：加热杀死的加热杀死

12、的S型细菌细胞内可能存在型细菌细胞内可能存在一种转化物质一种转化物质，它能通过某种方式进入，它能通过某种方式进入R型细胞并使型细胞并使R型细胞获得稳定的遗传性状，转变为型细胞获得稳定的遗传性状，转变为S型细胞。型细胞。活活R菌菌+S菌无细胞抽提液菌无细胞抽提液长出大量长出大量R菌和少量菌和少量S菌菌第12页，讲稿共89张，创作于星期日加加S菌菌DNA加加S菌菌DNA及及DNA酶以外的酶酶以外的酶加加S菌的菌的DNA和和DNA酶酶加加S菌的菌的RNA加加S菌的蛋白质菌的蛋白质加加S菌的荚膜多糖菌的荚膜多糖活活R菌菌长出长出S菌菌只有只有R菌菌 1944年年O.T.Avery等等从从热热死死S型型

13、pneumoniae中中提提纯纯了了可可能能作作为为转转化化因因子子的的各各种种成成分分,并并在在离离体体条条件件下下进进行了转化试验行了转化试验:第13页，讲稿共89张，创作于星期日Avery的实验说明：的实验说明：只只有有S型型细细菌菌的的DNA才才能能将将pneumoniae的的R型型转转化化为为S型型;且且DNA纯度越高，转化效率也越高。纯度越高，转化效率也越高。也也说说明明S型型菌菌株株转转移移给给R型型菌菌株株的的决决不不是是遗遗传传性性状状的的本身，而是以本身，而是以DNA为物质基础的遗传信息。为物质基础的遗传信息。第14页，讲稿共89张，创作于星期日（二）噬菌体感染实验（二）噬

14、菌体感染实验 1952 年年Hershey和和Chase利用示踪元素，对大利用示踪元素，对大肠杆菌肠杆菌 T2 噬菌体进行了这类实验。噬菌体进行了这类实验。将将E.coli分别培养在以放射性分别培养在以放射性32PO43或或35SO42作为磷源或硫作为磷源或硫源的组合培养基中源的组合培养基中.让让 T2 噬菌体侵染培养后的噬菌体侵染培养后的E.coli，从而使噬菌体打上，从而使噬菌体打上 35S 和和 32P 的标记。的标记。这种噬菌体再侵染不含标记元素的这种噬菌体再侵染不含标记元素的E.coli，并在完成吸附和侵，并在完成吸附和侵入后，入后，强烈搅拌洗涤，以便使吸附在菌体外表的强烈搅拌洗涤，

15、以便使吸附在菌体外表的 噬菌体蛋噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布，再进行离心沉淀，分别测白质外壳脱离细胞并均匀分布，再进行离心沉淀，分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记。定沉淀物和上清液中的同位素标记。第15页，讲稿共89张，创作于星期日放射性放射性85%在沉淀中在沉淀中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%放射性放射性以以32P标记标记DNA做噬菌体感染实验做噬菌体感染实验第16页，讲稿共89张，创作于星期

16、日沉淀中含沉淀中含25%放射性放射性以以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放射性放射性75%在上清液中在上清液中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%放射性放射性第17页，讲稿共89张，创作于星期日实验结果：实验结果：几乎全部几乎全部 35S 都在上清液中，而几乎全都在上清液中，而几乎全部部 32P 和细菌一起出现在沉淀物中。和细菌一起出现在沉淀物中。实验说明：实验说明：在其在其DNA中，含有包括合成蛋白质外壳中

17、，含有包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。在内的整套遗传信息。第18页，讲稿共89张，创作于星期日（三）植物病毒的重建实验（三）植物病毒的重建实验 1956年，年，H.FraenkelConrat用含用含RNA的烟草花叶病毒的烟草花叶病毒（TMV）进行了植物病毒重建实验。）进行了植物病毒重建实验。具体步骤：具体步骤：将将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与外壳与RNA核心相分离。分离后的核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，

18、而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。中还能分离出正常病毒粒子。第19页，讲稿共89张，创作于星期日选用选用TMV和霍氏车前花叶病毒（和霍氏车前花叶病毒（HRV），），分别拆分取得各自的分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，和蛋白质，将两种将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒重建形成两种杂合病毒RNA（TMV）蛋白质（蛋白质（HRV）RNA（HRV）蛋白质（蛋白质（TMV）用两种杂合病毒用两种杂合病毒感染寄主：感染寄主：表现表现TMV的典型的典型症状病分离到正常症状病分离到正常TMV粒子粒子表现表现HRV的典型的典型症状病分离到正常症状病分离到正常HRV粒子粒

19、子第20页，讲稿共89张，创作于星期日通过这三个具有历史意义的经典实验，得到一个通过这三个具有历史意义的经典实验，得到一个确信无疑的共同结论：确信无疑的共同结论：只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础。只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础。实验证明，遗传信息的流向与实验证明，遗传信息的流向与RNA的传递是一的。的传递是一的。遗传物质是核酸遗传物质是核酸(RNA)而非蛋白质而非蛋白质结论结论第21页，讲稿共89张，创作于星期日Prusiner(1982)提出羊搔痒病因子是一种提出羊搔痒病因子是一种蛋白蛋白质侵染颗粒质侵染颗粒(proteinaceous infectious particle)

20、,并将之称做并将之称做Prion或或Virino。朊病毒朊病毒1997年，年，Stanley B.Prusiner荣获诺贝尔奖荣获诺贝尔奖第22页，讲稿共89张，创作于星期日朊病毒的发现与思考朊病毒的发现与思考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？是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？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）蛋白质折叠与功能的关系,是否存在折是否存在折 叠密码？叠密码？第23页，讲稿共89张，创作于星期日二、微生物的基因组二、微生物的基因组基因（基因（gene）是生物体内一切具有自主复制能是生物体内

21、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的核酸片断。直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片断。据报道，到据报道，到2004年底，有年底，有150多种微生物基因组多种微生物基因组序列已经测定完成，还有上百种正在测序当中。序列已经测定完成，还有上百种正在测序当中。第24页，讲稿共89张，创作于星期日（一）真核微生物的基因组（一）真核微生物的基因组真核微生物的基因组包括真核微生物的基因组包括染色体染色体DNA和和染色体外的染色体外的DNA。染色体染色体DNA大多与蛋白质结合成染色体。（种类不同，大多与蛋白质结合成染色

22、体。（种类不同，染色体数目各异）染色体数目各异）染色体外染色体外DNA主要存在于细胞器中，如线粒体主要存在于细胞器中，如线粒体DNA、叶绿体、叶绿体DNA 和和2um质粒等。质粒等。第25页，讲稿共89张，创作于星期日（二）原核微生物的基因组（二）原核微生物的基因组原核微生物的基因组包括原核微生物的基因组包括核基因组核基因组DNA和和染色体外的染色体外的DNA。核基因组核基因组DNA游离于细胞质中，大多为环状游离于细胞质中，大多为环状DNA。染色体外的染色体外的DNA称之为称之为质粒质粒。严紧型质粒严紧型质粒：复制行为与核染色体的复制同步：复制行为与核染色体的复制同步松弛型质粒松弛型质粒：复制

23、行为与核染色体的复制不同步：复制行为与核染色体的复制不同步第26页，讲稿共89张，创作于星期日（三）原核生物的质粒（三）原核生物的质粒1、定义、定义质粒（质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的一类小型）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的一类小型闭合环状双链闭合环状双链DNA分子。分子。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。得到生长优势。第27页，讲稿共89张，创作于星期日2、结构特点、结

24、构特点通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称简称CCC)的超螺旋双的超螺旋双链链DNA分子存在于细胞中；分子存在于细胞中；也发现有线型双链也发现有线型双链DNA质粒和质粒和RNA质粒；质粒；质粒分子的大小范围从质粒分子的大小范围从1kb左右到左右到1000kb；（细菌质粒多在（细菌质粒多在10kb以以内）内）第28页，讲稿共89张，创作于星期日3、质粒在基、质粒在基因工程中的应因工程中的应用用质粒的优点：质粒的优点：（1）体积小，易分）体积小，易分离和操作离和操作（2）环状，稳定）环状，稳定（3）独立复制）独立复制（4）拷贝数多）拷贝数多（

25、5）存在标记位）存在标记位点，易筛选点，易筛选第29页，讲稿共89张，创作于星期日4、质粒的主要种类、质粒的主要种类致育因子（致育因子（F因子）因子）抗性因子（抗性因子（R因子）因子）Col质粒质粒Ti质粒质粒Ri质粒质粒mega质粒（巨大质粒）质粒（巨大质粒）降解性质粒降解性质粒第30页，讲稿共89张，创作于星期日第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种 一、基因突变（基因突变（gene mutation）简称突变，简称突变，是变异的一种，指生物体内遗传物质的分是变异的一种，指生物体内遗传物质的分子结构或数量突然发生的子结构或数量突然发生的可遗传可遗传的变化。的变化。突变率常在突变

26、率常在106109范围内。范围内。野生型（原始性状）野生型（原始性状）基因突变基因突变突变型（新性状）突变型（新性状）第31页，讲稿共89张，创作于星期日突变突变自发突变自发突变诱变诱变环境因素的影响环境因素的影响,DNA复制过程的偶然错误等复制过程的偶然错误等而导致而导致,一般频率较低一般频率较低,通常为通常为106109。某些物理、化学因素对生某些物理、化学因素对生物体的物体的DNA进行直接作用，进行直接作用，突变以较高的频率产生。突变以较高的频率产生。第32页，讲稿共89张，创作于星期日（一）常见的基因突变的类型（一）常见的基因突变的类型基因突变的类型是多种多样的，按突变体表型不基因突变

27、的类型是多种多样的，按突变体表型不同，可分为以下几种类型：同，可分为以下几种类型：（1）营养缺陷突变型。）营养缺陷突变型。（2）抗性突变型。）抗性突变型。（3）条件致死突变型。）条件致死突变型。（4）形态突变型。）形态突变型。（5）其他突变型。）其他突变型。第33页，讲稿共89张，创作于星期日（1）营养缺陷型）营养缺陷型 一种缺乏合成其生存所必须的营养物一种缺乏合成其生存所必须的营养物(包包括括氨基酸、维生素、碱基等氨基酸、维生素、碱基等)的突变型的突变型,只只有从周围环境或培养基中获得这些营养有从周围环境或培养基中获得这些营养物才能生长。物才能生长。营养缺陷型突变株在遗传学、分子生物学和育营

28、养缺陷型突变株在遗传学、分子生物学和育种工作中十分有用。种工作中十分有用。判断表型的标准判断表型的标准:在基本培养基上能否生长在基本培养基上能否生长.第34页，讲稿共89张，创作于星期日（2）抗药性突变型）抗药性突变型(resistant mutant)基因突变使菌株对某种或某几种药物基因突变使菌株对某种或某几种药物,特特别是抗生素，产生抗性。别是抗生素，产生抗性。特点特点:正选择标记正选择标记(突变株可直接从抗性平板突变株可直接从抗性平板上获得上获得在加有相应抗生素的平板上在加有相应抗生素的平板上,只有抗只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。性突变能生长。所以很容易分离得到。)表示方法表示

29、方法:所抗药物的前三个小写斜体英文所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上字母加上“r”表示表示strr 和和 strs 分别表示对链霉素分别表示对链霉素的抗性和敏感性。的抗性和敏感性。第35页，讲稿共89张，创作于星期日（3）条件致死突变型）条件致死突变型 在某一条件下具有致死效应在某一条件下具有致死效应,而在另一条件而在另一条件下没有致死效应的突变型。下没有致死效应的突变型。常用的条件致死突变是常用的条件致死突变是温度敏感突变温度敏感突变,用用ts(temperature sensitive)表示。表示。如：某些如：某些T4T4噬菌体突变株在噬菌体突变株在25 25 下可感染宿下可感染宿主，而

30、在主，而在37 37 下却不能感染。下却不能感染。第36页，讲稿共89张，创作于星期日（4）形态突变型）形态突变型指由突变引起的个体或菌落形态的变异。指由突变引起的个体或菌落形态的变异。特点：特点：非选择性突变非选择性突变突变株和野生型菌株均可生长突变株和野生型菌株均可生长,但但可从形态特征上进行区分。可从形态特征上进行区分。举例：举例：产蛋白酶缺陷突变株的筛选产蛋白酶缺陷突变株的筛选菌落颜色变化菌落颜色变化形成芽孢缺陷菌株形成芽孢缺陷菌株第37页，讲稿共89张，创作于星期日（5）其它突变类型）其它突变类型 毒力、生产某种代谢产物的发酵能力毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变化等在实际应用中具

31、有重要意义，突的变化等在实际应用中具有重要意义，突变类型一般都变类型一般都不具有很明显或可直接检测到不具有很明显或可直接检测到的表型的表型。其突变株的获得往往需要较大的。其突变株的获得往往需要较大的工作量。工作量。第38页，讲稿共89张，创作于星期日（二）突变率（二）突变率 突变率突变率:每一细胞在每一世代中发生某一性状每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。突变率为突变的几率。突变率为108是指该细胞在一亿是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变。突变率也可次细胞分裂中，会发生一次突变。突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株以用每一单位群体在每一世代中产生突变株（mutan

32、t，即突变型）的数目来表示。如一个，即突变型）的数目来表示。如一个含含108个细胞的群体，当其分裂为个细胞的群体，当其分裂为2108个细胞个细胞时，即可产生一个突变表型。时，即可产生一个突变表型。突变率突变率=突变细胞数突变细胞数/分裂前群体细胞数分裂前群体细胞数 突变率是独立的突变率是独立的。某一基因发生突变不会影响。某一基因发生突变不会影响其它基因的突变率。在同一个细胞中同时发生其它基因的突变率。在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的，因为双重突变两个基因突变的几率是极低的，因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积。型的几率只是各个突变几率的乘积。第39页，讲稿共89张，创作于

33、星期日（三）突变的特点（三）突变的特点 适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。1.不对应性不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。（变量试验、涂布试验、平板影印培养试验）（变量试验、涂布试验、平板影印培养试验）2.自发性自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。3.稀有性稀有性：突变率低且稳定。：突变率低且稳定。4.独立性独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。：各种突变独立发生，不会互相影响。5.可诱发性可诱发性：诱变剂可提高突变率。：诱变剂可

34、提高突变率。6.稳定性稳定性：变异性状稳定可遗传。：变异性状稳定可遗传。7.可逆性可逆性：原始的野生基因到变异株的突变称为正向：原始的野生基因到变异株的突变称为正向 突变，相反的过程则称为回复突变。突变，相反的过程则称为回复突变。第40页，讲稿共89张，创作于星期日证明突变的性状与引起突变的原因间证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！无直接对应关系！如何证明基因突变的不对应性如何证明基因突变的不对应性?三个经典实验三个经典实验变量实验、涂布实验、影印实验变量实验、涂布实验、影印实验第41页，讲稿共89张，创作于星期日Salvador Luria and Max Delbruck的的变

35、量实验变量实验（1943）The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969第42页，讲稿共89张，创作于星期日Newcombe的的涂布实验涂布实验(1949)第43页，讲稿共89张，创作于星期日证明：耐药突变是自发的、随机的，药物只起选择作用证明：耐药突变是自发的、随机的，药物只起选择作用无抗生素平板无抗生素平板含抗生素平板含抗生素平板标记点标记点2耐药菌株耐药菌株影印用无菌影印用无菌丝绒布丝绒布影印影印后后丝绒布上丝绒布上对应菌落对应菌落1含抗生素培养管含抗生素培养管（细菌生长（细菌生长 混浊）混浊）3 含抗生素培养管（细菌含抗生素培养管（细菌不生

36、长不生长 澄清）澄清）3 Joshua Lederberg的的影印实验影印实验(1952)第44页，讲稿共89张，创作于星期日J.Lederberg is awarded the Noble Prize in Medicine or Physiology in 1958第45页，讲稿共89张，创作于星期日（四）突变的机制（四）突变的机制 碱基置换（转换碱基置换（转换 颠换）颠换）点突变点突变 移码突变（缺失移码突变（缺失 添加）添加）诱变诱变 畸变：缺失、添加、易位、倒位畸变：缺失、添加、易位、倒位 自发突变自发突变突突变变第46页，讲稿共89张，创作于星期日二、突变与育种二、突变与育种1、自

37、发突变与育种、自发突变与育种：选育选育 定向培育定向培育2、诱变育种、诱变育种（1）诱变育种的基本环节）诱变育种的基本环节第47页，讲稿共89张，创作于星期日（2）诱变育种简便有效的诱变剂）诱变育种简便有效的诱变剂诱变剂诱变剂物理因素物理因素化学因素化学因素紫外线紫外线激光激光离子束离子束X射线射线g g射线射线快中子快中子烷化剂烷化剂碱基类似物碱基类似物吖啶化合物吖啶化合物第48页，讲稿共89张，创作于星期日诱变剂与致癌物质诱变剂与致癌物质Ames试验试验a)利用各种诱变剂获得各类遗传突变，利用各种诱变剂获得各类遗传突变，进行诱变育种；进行诱变育种；c)危害人类自身的健康危害人类自身的健康.

38、b)对有害微生物进行控制；对有害微生物进行控制；很多种化学物质很多种化学物质,能以各种机制导致能以各种机制导致DNA的突变的突变第49页，讲稿共89张，创作于星期日Ames试验：利用细菌模型了解潜在化学致癌物的诱变作用试验：利用细菌模型了解潜在化学致癌物的诱变作用“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在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突变，最后造成癌变或其使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。他不良的后果。诱变剂的共性原则：诱变剂的共性

39、原则：化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比超过超过95%的致癌物质对微生物有诱变作用的致癌物质对微生物有诱变作用90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用 第50页，讲稿共89张，创作于星期日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试验试验具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium)组组氨酸营养缺陷型菌株氨酸营养缺陷型菌株(his)的回复突变率的回复突变率回复突变回复

40、突变：突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变第51页，讲稿共89张，创作于星期日Ames试验试验第52页，讲稿共89张，创作于星期日证明证明Ames试验重要性的应用实例：试验重要性的应用实例：国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停反应停”,由于药效显著由于药效显著,在五十年代十分在五十年代十分流行流行,但随后人们就发现畸形儿的出生率明但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高显增高,而且生产畸形儿的妇女大多曾服用而且生产畸形儿的妇女大多

41、曾服用“反应停反应停”,后来采用后来采用Ames试验发现这种物质的试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用确具有很强的致突变作用,因此这种药物被禁止因此这种药物被禁止使用使用.如果能在这种药物上市之前就进行如果能在这种药物上市之前就进行Ames试验检测试验检测,那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免。可以避免。第53页，讲稿共89张，创作于星期日以营养缺陷型突变株的筛选为例以营养缺陷型突变株的筛选为例（3）突变株的筛选）突变株的筛选第54页，讲稿共89张，创作于星期日与筛选营养缺陷型突变株有关的三类培养基与筛选营养缺陷型突变株有关的三类培养基基本培养基（基本培

42、养基（MM，minimal medium）：）：仅能满足仅能满足某微生物的野生型菌株生长需要的最低成分组合培某微生物的野生型菌株生长需要的最低成分组合培养基，称基本培养基。可用符号养基，称基本培养基。可用符号“”来表示。来表示。完全培养基（完全培养基（CM，complete medium）：）：凡可满足凡可满足一切营养缺陷型菌株营养需要的组合培养基，可称一切营养缺陷型菌株营养需要的组合培养基，可称为完全培养基。可用符号为完全培养基。可用符号“”。补充培养基（补充培养基（SM，supplemental medium）：）：凡凡只能满足相应的营养缺陷型生长需要的组合培养基，只能满足相应的营养缺陷型

43、生长需要的组合培养基，称为补充培养基。补充培养基的符号可根据加入的称为补充培养基。补充培养基的符号可根据加入的是是A或或B等代谢物而分别用等代谢物而分别用A或或B等来表示。等来表示。第55页，讲稿共89张，创作于星期日与营养缺陷突变有关的三类遗传型个体与营养缺陷突变有关的三类遗传型个体野生型野生型：从自然界分离到的任何微生物在其发生营养缺：从自然界分离到的任何微生物在其发生营养缺陷突变前的原始菌株。陷突变前的原始菌株。营养缺陷型营养缺陷型：野生型菌株经诱变处理后，丧失了某酶的合：野生型菌株经诱变处理后，丧失了某酶的合成能力，只能在加有该酶合成产物的培养基中生长，这类成能力，只能在加有该酶合成产

44、物的培养基中生长，这类突变称为营养缺陷型突变株（简称营养缺陷型）。突变称为营养缺陷型突变株（简称营养缺陷型）。原养型原养型：营养缺陷型突变经回变或重组后产生的菌株，：营养缺陷型突变经回变或重组后产生的菌株，营养要求在表型上与野生型相同。营养要求在表型上与野生型相同。第56页，讲稿共89张，创作于星期日突变株的筛选方法突变株的筛选方法诱变诱变检出营养缺陷型检出营养缺陷型淘汰野生型淘汰野生型鉴定营养缺陷型鉴定营养缺陷型富集培养富集培养（抗生素法）（抗生素法）（菌丝过滤法）（菌丝过滤法）夹层培养法夹层培养法限量补充培养法限量补充培养法逐个检出法逐个检出法影印平板法影印平板法生长谱法生长谱法第57页，

45、讲稿共89张，创作于星期日第三节第三节 基因重组与杂交育种基因重组与杂交育种基因重组（基因重组（gene recombination）：凡把两个不同性状个：凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子间的重新组体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传型个体的方式。重组可使生物体在未发合，形成新遗传型个体的方式。重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新遗传型的个体。生突变的情况下，也能产生新遗传型的个体。重组是分子水平上的一个概念，而一般所说的杂交则是细重组是分子水平上的一个概念，而一般所说的杂交则是细胞水平上的一个概念。杂交中必然包含着重组，而重组则胞水

46、平上的一个概念。杂交中必然包含着重组，而重组则不限于杂交这一形式。真核微生物中的不限于杂交这一形式。真核微生物中的有性杂交、准性杂有性杂交、准性杂交交等原核生物中的等原核生物中的转化、转导、接合转化、转导、接合和和原生质体融合原生质体融合等等都是基因重组在细胞水平上的反映。都是基因重组在细胞水平上的反映。第58页，讲稿共89张，创作于星期日一、原核微生物的基因重组一、原核微生物的基因重组 转化转化转导转导接合接合 原生质体融合原生质体融合基基因因重重组组的的方方式式第59页，讲稿共89张，创作于星期日（一）转化（一）转化（transformation）供体菌供体菌受体菌受体菌DNA片段片段19

47、28年，年，Griffith发现肺炎链球菌（发现肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）的转化现象的转化现象,目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力。目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力。转化或转化作用转化或转化作用：受体菌（：受体菌（recipient或或receptor）直接吸收了来自供体）直接吸收了来自供体菌（菌（donor）的）的DNA片段，通过交换整合到自己的基因组中，从片段，通过交换整合到自己的基因组中，从而获得部分新的遗传型状的现象。接受了供体菌而获得部分新的遗传型状的现象。接受了供体菌DNA的受体菌的受体菌称为称为转化子（转化子（transf

48、ormant）。第60页，讲稿共89张，创作于星期日范围范围：原核生物中，转化是一个较普遍的现象。：原核生物中，转化是一个较普遍的现象。若干放线菌和蓝细菌及少数真核微生物也有转化报道。若干放线菌和蓝细菌及少数真核微生物也有转化报道。转化发生的条件转化发生的条件两个菌种或菌株之间能否发生转化，与它们在进化过程两个菌种或菌株之间能否发生转化，与它们在进化过程中的亲缘关系有着密切的关系。但即使在转化率极高的中的亲缘关系有着密切的关系。但即使在转化率极高的那些种中，其不同菌株间也不一定都可发生转化。那些种中，其不同菌株间也不一定都可发生转化。进行转化的受体细胞必须处于进行转化的受体细胞必须处于感受态感

49、受态，亦即受体细胞最易，亦即受体细胞最易接受外源接受外源DNA片段并实现其转化的一种生理状态。也可以采片段并实现其转化的一种生理状态。也可以采用人工的方法使细菌转变成用人工的方法使细菌转变成感受态感受态。第61页，讲稿共89张，创作于星期日strRstrS转化的过程转化的过程复制分裂，只有一个子代复制分裂，只有一个子代DNA分子获得供体基因分子获得供体基因strRstrS吸附吸附第62页，讲稿共89张，创作于星期日（二）接合（二）接合(conjugation)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细菌

50、的多重营养缺陷型杂交实验。验。概念：概念：供体菌通过性菌毛传递不供体菌通过性菌毛传递不同长度的单链同长度的单链DNA给受体菌，在给受体菌，在后者细胞中发生交换、整合，从后者细胞中发生交换、整合，从而使后者获得供体菌的遗传性状而使后者获得供体菌的遗传性状的现象。获得新性状的受体细胞的现象。获得新性状的受体细胞称为接合子。称为接合子。第63页，讲稿共89张，创作于星期日中间平板上长中间平板上长出的原养型菌出的原养型菌落，是因为两落，是因为两菌株之间发生菌株之间发生了遗传交换和了遗传交换和重组所致！重组所致！第64页，讲稿共89张，创作于星期日证实接合过程需要细胞间的直接接触的证实接合过程需要细胞间