复旦微生物学课件10-微生物遗传1

微生物学第七章微生物的遗传变异和育种复旦大学2018-11-271遗传：亲代与子代相似变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一遗传型：表型（表现型）：生物的全部遗传因子及基因遗传型+环境条件→→→→生长发育→→→→形态等生物学特征的总和表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。2表型饰变：表型的差异只与环境有关，只在转录、翻译水平的表型变化特点：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。遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变特点：遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为10-6-10-9）3球形节杆菌少生物素的培养基--少细胞壁诺卡氏菌属完全培养基放射土壤杆菌4蛋白胨琼脂脑心浸出液琼脂微生物是遗传学研究中的明星（模式生物）：微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。5微生物遗传学的意义：促进遗传学向分子水平发展，促进生化、分子生物学和生物工程学发展、促进育种工作、人类（微生物）基因组测序、2015年，美国人类联合微生物组研究计划第一节遗传变异的物质基础第二节基因突变和诱变育种第三节基因重组和杂交育种第五节菌种保藏三个经典实验的原理与方法遗传物质在微生物细胞内存在的部位和形式原核生物的质粒基因突变的规律三种基因水平转移方式及其应用微生物菌种保藏的基本方法突变与育种第四节基因工程6第一节遗传变异的物质基础关于遗传物质的争论：7种质连续理论：1883-1889年间Weismann提出：生物体的物质分为体质和种质，认为种质具有稳定性和遗传性，是一种具有特定分子结构的化合物。基因学说：1933年摩尔根（ThomasHuntMorgan）发现了染色体，并证明基因在染色体上呈直线排列，提出了基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。但染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。什么是遗传物质？一、证明遗传物质是核酸的三个经典实验1944年，Avery离体条件下的肺炎双球菌转化实验1952年，Hershey和Chase噬菌体感染实验1957年，H.Fraenkel-Conrat烟草花叶病毒重建实验（一）经典转化实验最早进行转化（transformation）实验的是F.Griffith（1928年），以Streptococcuspneumoniae（肺炎链球菌，旧称“肺炎双球菌”）作为研究对象。光滑型（S）粗糙型（R）有荚膜无荚膜菌落光滑菌落粗糙分泌毒素无毒致病不致病SⅠ、SⅡ、SⅢ三个血清型RⅠ、RⅡ、RⅢ三个血清型9S型R型加热灭菌热死S菌＋活R菌（１）动物实验10（2）细菌培养试验（3）S型菌的无细胞抽提液试验活Ｒ菌＋Ｓ菌的无细胞提取液培养皿培养长出大量Ｒ菌和少量Ｓ菌11实验说明：加热杀死的S型细菌，其细胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物质，通过某种方式进入R型细胞，并使R型细菌获得表达S型荚膜性状的遗传特性。1944年，O.T.Avery等从热死的S型S．pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了更为精密的转化实验。为Griffith的转化因子是DNA而不是蛋白质提供了第一证据。12O.T.Avery(1877-1955)（1）从活的S菌中抽提各种细胞成分（DNA，蛋白质，荚膜多糖等）（2）对各组分进行转化试验13只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性DNA是转化所必需的转化因子DNA纯度越高，转化效率也越高；DNA浓度越高，转化效率也越高。141950年，有人提出应给Avery授予诺贝尔奖，但当时许多科学家包括诺贝尔奖评委仍然对Avery的转化因子持有异议，提议被搁置.人们仍不相信DNA是遗传物质,这是由于：（1）因认为蛋白分子量大，结构复杂，二十种氨基酸的排列组合将是个天文数字，可作为一种遗传信息。而DNA分子量小，只含4种不同的碱基，人们一度认为不同种的有机体的核酸只有微小的差异。（2）认为转化实验中DNA并未能提得很纯，还附有其它物质。（3）认为即使转化因子确实是DNA，但也可能DNA只是对荚膜形成起着直接的化学效应，而不是充当遗传信息的载体。（二）噬菌体感染实验—经典实验之二1952年，A.D.Hershey和M.Chase发表了证明DNA是噬菌体的遗传物质基础的著名实验16（三）植物病毒的重建实验--RNA作为遗传物质噬菌体转化实验成功后Avery的研究才得到广泛认同。当诺贝尔奖评选委员会准备为Avery授奖时，这位杰出的科学家已于1955年去世。由于诺贝尔奖评委们的失误，使人们对DNA的误解延长了差不多10年。17颁奖词：发现了病毒的复制和遗传结构，证明遗传物质是DNA而不是蛋白质1969年诺贝尔生理学或医学奖二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式（一）7个水平具体内容看书p189-19418细胞水平：（单细胞与多细胞、性细胞与体细胞和单核与多核细胞）细胞核水平：（真核与原核、核内与核外和单核与多核等）染色体水平：（一份染色体与多份染色体及染色体基因组的大小等）核酸水平：（是DNA还是RNA、是复合还是露裸及是长还是短等）基因水平：（依基因功能可分为结构基因及调控基因等）密码子水平：（由结构密码子及起始与终止密码等）碱基水平：（突变的最低交换单位有A,T,G,C等）1、概念基因组（genome）：一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称原核生物（如细菌），多为单倍体（在一般情况下只有一条染色体）真核微生物，多条染色体，例如啤酒酵母有16~17条染色体。有时为双倍体原核及真核微生物基因组的基本特征192、微生物基因组结构的特点1）原核生物（细菌、古生菌）的基因组染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；基因组上遗传信息具有连续性；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；古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统(复制、转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生物。202、微生物基因组结构的特点2）真核微生物（啤酒酵母）的基因组典型的真核染色体结构；没有明显的操纵子结构；啤酒酵母基因组大小为13.5×106bp，分布在16条染色体中。有间隔区（即非编码区）和内含子序列；重复序列多；21（二）原核生物的质粒质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。转座因子（transposableelement）：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。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子质粒的基本特征及类型√23一、质粒的分子结构1、结构通常以共价闭合环状的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；（细菌质粒多在10kb以内）CovalentlyclosedcircularDNA(cccDNA)24一、质粒的分子结构2、质粒的检测提取所有胞内DNA后电镜观察；琼脂糖凝胶电泳或超速离心后观察；对于由于三种构型同时存在时造成的多带现象（提取质粒时造成或自然存在），可以进行特异性单酶切，使其成为一条带。特定的质粒提取方法和后处理使染色体和RNA均被除掉。25一、质粒的分子结构2、质粒的检测提取所有胞内DNA后电镜观察；琼脂糖凝胶电泳或超速离心后观察；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。26二、质粒的主要类型质粒与宿主的关系：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，从而使宿主得到生长优势。27二、质粒的主要类型质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应致育因子（Fertilityfactor，F因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性质粒（virulenceplasmid）代谢质粒（Metabolicplasmid）隐秘质粒（crypticplasmid）28二、质粒的主要类型1、致育因子(Fertilityfactor，F因子)又称F质粒，其大小约100kb，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。携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。F因子存在形式：1|）游离状态(F+)2）与染色体相结合的状态存在于细胞(Hfr)中，所以又称之为附加体(episome)。有关内容在讲细菌的接合作用（conjugation）时具体介绍！自身特性的体现29二、质粒的主要类型2、抗性因子（Resistancefactor，R因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（mercuricion，mer）四环素（tetracycline，tet）链霉素(Streptomycin,Str)、磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素(Chlorampenicol,Cm)夫西地酸（fusidicacid，fus）并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。！威力的体现30大环质粒：脆弱类杆菌，抗克林霉素。小质粒，大肠杆菌，四环素抗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。二、质粒的主要类型3、产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）细菌素：能抑制或杀死近缘、甚至同种不同株的细菌的因子（细菌蛋白），！同类竞争的武器31细菌素抗生素抑制或杀死近缘，甚至同种不同株的细菌较广的抗菌谱通过核糖体直接合成的多肽类物质一般是次级代谢产物编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位于质粒或转座子上一般无直接的结构基因，相关酶的基因多在染色体上二、质粒的主要类型3、产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）细菌素（bacteriocin）1.细菌产生的一种抗生代谢产物，对同源种或近似种才有拮抗作用；2.蛋白质是主要成分；3.有一定的作用机制（杀菌模式）；4.由质粒控制。32二、质粒的主要类型3、产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（E.coli）产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），而质粒被称为Col质粒。由G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G+细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。33产嗜盐菌素嗜盐古菌菌株筛选某些极端嗜盐菌（古生菌）也被发现能产生具有广谱杀菌效果的嗜盐菌素（耐热、稳定）34二、质粒的主要类型4、毒性质粒（virulenceplasmid）许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。编码肠毒素的质粒（产毒素大肠杆菌：引起人类和动物腹泻）编码δ内毒素(伴孢晶体中)的质粒（苏云金杆菌）Ti质粒（根癌土壤杆菌）：双子叶植物冠瘿瘤35二、质粒的主要类型5、代谢质粒（Metabolicplasmid）质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4dichlorophenoxyaceticacid)、辛烷和樟脑等的能力。亦称降解质粒：！人类的公仆36二、质粒的主要类型6、隐秘质粒（cryptic