第八章 微生物的遗传变异和育种1.ppt

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1、第八章第八章 微生物的遗微生物的遗传变异和育种传变异和育种遗传遗传（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（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

2、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。（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。表型是由遗传型所决定

3、，但也和环境有关。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。（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，亦即遗传型的改变。结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。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）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

4、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

5、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。第一节第一节 遗传变异的物质遗传变异的物质基础基础一、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 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，旧称肺炎链球菌，旧称“肺炎双球菌肺炎双球菌”）作为研究对象。）作为研究对象。（1 1）动物

6、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（2 2）细菌培养试验细菌培养试验（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

7、等）（2 2）对各组分进行转化试验）对各组分进行转化试验只有只有DNADNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性被酶降解破坏的抽提物无转化活性DNADNA是转化所必需的转化因子是转化所必需的转化因子（二）（二）噬菌体感染实验噬菌体感染实验 1952 1952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3535S S蛋白质外壳的噬菌体蛋白质外壳的噬菌体3232P PDNADNA核心的噬菌体核心的噬菌体在在DNADNA中存在着包括中存在着包

8、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。烟草花叶病毒的核酸烟草花叶病毒的核酸抗血清处理，证明杂抗血清处理，证明杂种病毒的蛋白质外壳种病毒的蛋白质外壳来自来自病毒病毒1，而非，而非病病毒毒2杂种病毒的后代的杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为蛋白质外壳表现为病毒病毒2，而非，而非病毒病毒1遗传物质是核

9、酸（遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质而非蛋白质霍氏车前病毒霍氏车前病毒的蛋白质外壳的蛋白质外壳HRVTMV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、二、朊病的发现与思考朊病的发现与思考思考思考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

10、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、三、遗传物质在微生物细胞内存在遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式的部位和方式 （一）（一）7 7个水平个水平1.1.细胞水平细胞水平DNADNA都集中在细胞核或核质体中都集中在细胞核或核质体中2.2.细胞核水平细胞核水平3.3.染色体水平染色体水平（1 1）染色体数）染色体数（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

11、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（2 2）核酸结构）核酸结构（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

12、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。6.6.密码子水平密码子水平遗传密码遗传密码（genetic code）是指是指DNADNA链上决定各链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。遗传密码的信息单位是遗传密码的信息单位是密码子密码子（codon），每，每一密码子由一密码子由3 3个核苷酸序列即一个三联体（个核苷酸序列即一个三联体（triplet）所组成。一般都用所组成。一般都用mRNAmRNA上上3 3个连续核苷序列表示

13、。个连续核苷序列表示。7.7.核苷酸水平核苷酸水平腺苷酸（腺苷酸（AMPAMP）胸苷酸（胸苷酸（TMPTMP）鸟苷酸（鸟苷酸（GMPGMP）胞苷酸（胞苷酸（CMPCMP）5 5羟甲基胞嘧啶羟甲基胞嘧啶 每个碱基对（每个碱基对（bp）的平均相对分子质量约为的平均相对分子质量约为650；1106的的dsDNA约为约为1.5kb（千碱基对）或千碱基对）或0.5m mm（长度）；长度）；3nmol碱基的重量约等于碱基的重量约等于1 m mg。（二）（二）原核生物的质粒原核生物的质粒 1.1.定义和特点定义和特点质粒：质粒：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质一种独立于染色体外，能进行自主复制的细

14、胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。cccDNAcccDNAocDNAocDNAlDNAlDNA另一类质粒的复制与核染色体的复制不同步，另一类质粒的复制与核染色体的复制不同步，在这类细胞中，一般含在这类细胞中，一般含10101515个或更多质粒。个或更多质粒。严紧型复制控制严紧型复制控制（stringent replication control）松弛型复制控制松弛型复制控制（relaxed replication control）质粒的复制与核染色体的复制同步，质粒的复制与核染色体的复制同步，在这类细胞中，一般只含在这类细胞中，一般只含1 12 2

15、个质粒；个质粒；质粒是一种独立存在于细胞内的质粒是一种独立存在于细胞内的复制子复制子（replicon）。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）的超螺旋双链的超螺旋双链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以内）以内）2.2.质粒的分子结构质粒的分子结构t 提取所有胞内提取所有胞内DNA后电镜观察；后电镜观察；t 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；超速

16、离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；t 对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药性初步判断。如抗药性初步判断。特定的质粒提取方特定的质粒提取方法和后处理使染色法和后处理使染色体和体和RNA均被除掉。均被除掉。3.3.质粒的检测质粒的检测质粒的主要功能质粒的主要功能: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，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。从而使宿主得到生长优势。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；质粒所编码质粒所编码的功能和赋的功能和赋予宿主的表予宿主

17、的表型效应型效应致育因子致育因子（Fertility factor，F因子）因子）抗性因子抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）产细菌素的质粒产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）毒性质粒毒性质粒（virulence plasmid）代谢质粒代谢质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒隐秘质粒（cryptic plasmid）4.4.质粒的主要类型质粒的主要类型（1）F质粒（质粒（F plasmid）又称又称F因子、致育因子（因子、致育因子（fertility factor）或性）或性因子（因子（sex factor），）

18、，其大小约其大小约100kb，为为cccDNA，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。（接合作用）有关的质粒。携带携带F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），菌株（相当于雄性），无无F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。菌株（相当于雌性）。（2）R质粒（质粒（R plasmid）包括抗药性和抗重金属二大类。包括抗药性和抗重金属二大类。又称又称R因子因子（R factor）、抗性因子抗性因子（resisitrance plasmid）。含调节含调节DNA复制和拷贝数的基因以及转移基因，复制和拷贝数

19、的基因以及转移基因，相对分子量约相对分子量约11107，具有转移功能；具有转移功能；抗性转移因子抗性转移因子（resistance transfer factor，RTF）抗性决定因子抗性决定因子（r-determinant）大小不很固定，相对分子量从几百万至大小不很固定，相对分子量从几百万至11108以上，以上，无转移功能，含各种抗性基因，如抗青霉素、氨苄青无转移功能，含各种抗性基因，如抗青霉素、氨苄青霉素、氯霉素、链霉素、卡那霉素和磺胺等基因。霉素、氯霉素、链霉素、卡那霉素和磺胺等基因。R质粒一般由两个相连的质粒一般由两个相连的DNA片段组成片段组成由由RTFRTF和和r r决定子结合而形

20、成决定子结合而形成R R质粒的过程：质粒的过程：抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。的重要原因之一。R100质粒（质粒（89kb）可使宿主对下列可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：药物及重金属具有抗性：汞（汞（mercuric ion，mer）四环素（四环素（tetracycline，tet）链霉素（链霉素（Streptomycin,Str）、）、磺胺（磺胺（Sulfonamide,Su）、）、氯霉素（氯霉素（Chlorampenicol,Cm）夫西地酸（夫西地酸（fusidic acid，fus）并且负责这些抗性的基因是成簇地存并且负责

21、这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。在于抗性质粒上。R质粒的种类很多，质粒的种类很多，例如，例如，R1（94kb）和和R100（89.3kb）等。等。（3）Col质粒（质粒（colicin plasmid，col plasmid）又称又称大肠杆菌素质粒大肠杆菌素质粒或或产大肠杆菌素产大肠杆菌素因子因子（colicinogenic factor，col factor）。细菌素细菌素（bacteriocin）是质粒编码的蛋白质，一般是质粒编码的蛋白质，一般由细菌产生，可抑制或杀死其他近缘细菌或同种不由细菌产生，可抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的代谢产物，但不具有很广的杀菌谱。同菌株的代谢

22、产物，但不具有很广的杀菌谱。细菌素结构基因、细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有赋予宿主对该细菌素具有“免疫力免疫力”的相关产物的基因的相关产物的基因一般都位于质粒或转座子上，一般都位于质粒或转座子上，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（大肠杆菌（E.coli）产生的细菌素为产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），大肠杆菌素），而质粒被称为而质粒被称为Col

23、质粒。质粒。Col E1Col E1质粒：质粒：相对分子量小（相对分子量小（9kb，约约5106），），无接合作无接合作用，是松弛性控制、多拷贝的；用，是松弛性控制、多拷贝的；ColbColb质粒：质粒：相对分子量大（相对分子量大（94kb，约约8107），），具有通具有通过接合而转移的功能，属严紧型控制，只有过接合而转移的功能，属严紧型控制，只有12个拷贝。个拷贝。（4）Ti质粒（质粒（tumor inducing plasmid）即即诱癌质粒诱癌质粒或或冠瘿质粒冠瘿质粒（crown gall plasmid）。Ti质粒是一种质粒是一种200kb的环状质粒，包括的环状质粒，包括毒性区（毒性区

24、（vir）、接接合转移（合转移（con）、复制起始区（复制起始区（ori）和和T-DNAT-DNA区区4 4部分。部分。T-DNAT-DNA区可携带任何外源基因整合到植物基因组中，区可携带任何外源基因整合到植物基因组中，TiTi质粒是植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体。质粒是植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体。Agrobacterium tumefaciens（根癌土壤杆菌或根癌土壤杆菌或根癌农杆菌）释放出的根癌农杆菌）释放出的TiTi质粒上的质粒上的T-DNAT-DNA片断与植片断与植物细胞的核基因组整合，合成冠瘿碱类物细胞的核基因组整合，合成冠瘿碱类（opines）,破坏控

25、制细胞分裂的激素调节系统，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，使之变成癌细胞。使之变成癌细胞。（5）Ri质粒（质粒（root inducing plasmid）250kb的的Ri质粒中的一段质粒中的一段T-DNAT-DNA整合到整合到宿主根部宿主根部细胞细胞的核基因组中，可发生转化。的核基因组中，可发生转化。Agrobacterium rhizogenes（发根土壤杆菌或发根土壤杆菌或发根农杆菌）可侵染双子叶植物的根部，并诱发发根农杆菌）可侵染双子叶植物的根部，并诱发大量称为毛状根的不定根。大量称为毛状根的不定根。RiRi质粒是外源基因的良好载体！质粒是外源基因的良好载体！（6）mega质粒（质粒

26、（megaplasmid）即即巨大质粒巨大质粒，其相对分子量，其相对分子量比一般质粒大几比一般质粒大几十倍至几百倍，存在于十倍至几百倍，存在于Rhizobium（根瘤菌属）中，根瘤菌属）中，其上有一系列与共生固氮相关的基因。其上有一系列与共生固氮相关的基因。（7）降解质粒）降解质粒 这类质粒是由降解一系列复杂有机物的酶编码，这类质粒是由降解一系列复杂有机物的酶编码，所以在污水处理、环境保护等方面发挥作用。所以在污水处理、环境保护等方面发挥作用。只在假单胞菌属（只在假单胞菌属（Pseudomonas）中发现降解质粒。中发现降解质粒。降解质粒以其所分解的底物命名，降解质粒以其所分解的底物命名，例如，例如，CAM（樟脑）质粒，樟脑）质粒，OCT（辛烷）质粒，辛烷）质粒，XYL（二甲苯）质粒，二甲苯）质粒，SAL（水杨酸）质粒，水杨酸）质粒，MDL（扁桃酸）质粒，扁桃酸）质粒，NAP（萘）质粒，萘）质粒，TOL（甲苯）质粒等甲苯）质粒等“超级菌超级菌”通过遗传工程手段构建具有数种降解质粒的菌株，通过遗传工程手段构建具有数种降解质粒的菌株，具有广谱降解能力的工程菌。具有广谱降解能力的工程菌。下节课再见了下节课再见了