7微生物的遗传育种2

第七章微生物的遗传变异与育种亲代与子代相似遗传：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一一、几个基本概念•遗传(heredity)：生物的上一代将自己的一整套遗传因子传递给下一代的行为或功能，具有极其稳定（保守）的特性。遗传型（或基因型）(genotype)：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。生物所携带的全部遗传因子或者基因的总称•表型(phenotype)：某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境下通过代谢和发育而得到的具体表现。•遗传型（可能性）+环境条件→表型（现实性）表型是由遗传型所决定，但也和环境有关变异(variation)：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，即遗传型的改变饰变(modification)：外表的修饰性改变，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。饰变是不遗传的表型饰变：表型的差异，只与环境有关Productionofaredpigment(prodigiosin)bySerratiamarcescens（粘质沙雷氏菌菌落）特点：表现为全部个体的行为，变化幅度小；暂时性、不可遗传性。微生物是遗传学研究中的明星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，易于积累不同的代谢产物和中间代谢物，菌落形态具有可见性与多样性；物种和代谢类型多样；对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。二、遗传变异的物质基础•三个经典实验I.肺炎链球菌的转化实验II.噬菌体的感染实验III.植物病毒的重建实验1、Discoveryofbacterialtransformation（转化）•1928，FredGriffith，（格里菲斯)discoveredthephenomenonoftransformationinStreptococcuspneumoniae（肺炎链球菌）实验材料：肺炎链球菌光滑型（S）粗糙型（R）有荚膜菌落光滑分泌毒素致病无荚膜菌落粗糙无毒不致病SⅠSⅡSⅢ三个血清型RⅠRⅡRⅢ三个血清型R型活菌S型活菌加热杀死S型菌动物实验R型活菌+加热杀死S型+？活的无毒（R）型细菌受到了死的有毒（S）型细菌的影响，转化为有毒（S）型DiscoveryofDNAasgeneticmaterial细菌培养试验热死S菌培养皿培养不生长活R菌培养皿培养长出R菌热死S菌+活R菌培养皿培养长出大量R菌及10-6S菌S型菌的无细胞抽提液试验活R菌+S菌无细胞抽提液培养皿培养长出大量R菌和少量S菌以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。1944年，Avery精确重复了转化实验，确定了转化因子实验证明，将R菌转化为S菌的转化因子是DNA2、T2噬菌体感染实验1952年Hershey和Chase用32P标记DNA，用35S标记蛋白。实验证明，进入细菌细胞内部的物质是DNA。DNA包含有产生完整噬菌体的全部信息。植物病毒蛋白质和RNA可以人为地分开,同时又可把它们重新组合成具感染性的病毒3、植物病毒的重建实验TMVHRVHRVTMV原始株拆开重建感染分离纯化植物病毒的重建实验TMV:烟草花叶病毒;HRV:霍氏车前花叶病毒12二、遗传物质在微生物细胞内存在方式(189)1、细胞水平2、细胞核水平3、染色体水平4、核酸水平5、基因水平6、密码子水平7、核苷酸水平1、细胞水平真核微生物：细胞核原核微生物：核区细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的2、细胞核水平真核与原核，被称为核基因组、核染色体或基因组。多数存在核外DNA含量少、能自主复制的核外染色体——质粒。3、染色体水平（1）染色体是由组蛋白与DNA构成的线状结构（2）染色体的数目在不同的生物中是不同的（3）染色体的倍数在同一生物的不同生活时期是不同的，染色体倍数：指同一细胞中相同染色体的套数。4、核酸水平核酸种类：DNA，RNA核酸结构：双链、单链；环状，线状，超螺旋状DNA长度：因种而异（bp、kb、Mb)微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为研究微生物学的最有力的手段。5、基因水平1、基因概念基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。2、种类(1)结构基因和调节基因：编码蛋白质的基因结构基因→各种结构蛋白和催化各种生化反应的酶；调节基因→阻遏蛋白或激活蛋白。(2)核糖体RNA基因(rDNA)与转译RNA基因(tDNA)：无翻译产物的基因(3)启动子与操纵基因：不转录的DNA区段6、密码子水平遗传密码是指DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。遗传密码的信息单位是密码子。每一密码子由3个核苷酸序列，即1个三联体组成。7、核苷酸水平核苷酸是最小突变单位和交换单位28细胞核、染色体、染色质、DNA、碱基对三、基因突变（Genemutation）基因突变（突变）：细胞内（或病毒体内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。狭义的突变：专指基因突变（点突变）。广义的突变：包括基因突变和染色体突变。突变概率一般为10-9~10-6野生型菌株（wildtypestrain，野生型）：从自然界分离到的、没有发生过突变的菌株。突变株（mutant，突变体、突变型）：野生型经突变后形成的带有新性状的菌株。•突变率：某一细胞（或病毒体）在每一世代中发生某一性状突变的几率•如突变率为10-8，即该细胞发生1亿次分裂，发生1次突变•某一单位群体在每一世代（分裂一次）中产生的突变株的数目•1x108----2x1081、基因突变的特点(P200)•自发性：突变可以在没有人为的诱变因素处理下自发产生。•稀有性：突变率极低。•诱变性：通过诱变剂的作用提高自发突变几率。•独立性：突变的发生一般是独立的。•稳定性：新的诱变性状是稳定的、可遗传的。•可逆性：野生型基因突变型基因•不对称性：突变性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。正向突变回复突变2、基因突变的自发性与不对称性的证明突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是“定向变异”，也有人称它为“驯化”或“驯养”。基因突变是自发的，且与环境是不相对称的。•变量试验（fluctuationtest）•1943年，S.E.Luria和M.Delbrück•涂布试验（newcombeexperiment）•1949年，Newcombe•平板影印培养试验（replicaplating）•1952年，J.Lederberg变量实验（fluctuationanalysis）SalvadorLuriaandMaxDelbruck（1943）SalvadorLuriaMaxDelbruckTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1969Newcombe的涂布实验（1949）6皿共353个6皿共28个影印实验（replicaplating）JoshuaLederbergandEstherLederberg（1952）JoshuaLederbergJ.LederbergisawardedtheNoblePrizeinMedicineandPhysiologyin1958营养缺陷型（auxotroph）影印平板培养法：一种通过盖章的方式，使在一系列培养皿的相同位置能出现相同菌落的接种培养方法。实验原理：通过盖印章的方式，在未接触抗性因素的条件下筛选出的抗性突变株。由于实验过程中没有接触过抗性因素，所以直接证明了基因突变的自发性。结果：得到越来越多的抗性菌落，最终甚至可以得到纯的抗性菌株细胞群。。结论：基因突变的自发性。3、突变类型•选择性突变株:•具有选择性标记，可通过某种环境条件使它们得到优势生长，从而取代原始菌株•条件致死突变型(conditionallethalmutant)•抗性突变型(resistantmutant)•营养缺陷型(auxotroph)•非选择性突变株:•无选择性标记，而只有一些性状的数量差别，如菌落大小、颜色深浅、代谢物产量等•形态突变型(morphologicalmutant)•抗原突变型(antigenicmutant)•产量突变型(producingmutant•)●营养缺陷型（auxotroph）表型判断的标准：在基本培养基上能否生长常见的微生物突变类型一种缺乏合成其生存所必须的营养物(包括氨基酸、维生素、碱基等)的突变型,只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物(precursor)才能生长.在选择性培养基（一般为基本培养基）上不生长负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得营养缺陷型特点：营养缺陷型的表示方法：基因型：用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。表型：第一个字母大写，且不用斜体：HisC抗药性突变型基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。表示方法：所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示strr和strs分别表示对链霉素的抗性和敏感性正选择标记突变株可直接从抗性平板上获得在加有相应抗生素的平板上,只有抗性突变能生长.所以很容易分离得到.条件致死突变型特点：负选择标记这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts表示，这类突变在高温下（如42℃）是致死的，但可以在低温（如25-30℃）下得到这种突变。在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。基因突变：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。四、基因突变及其机制环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等而导致，一般频率较低，通常为10-6~10-9。某些物理、化学因素或生物因素对生物体的DNA进行直接作用，突变以较高的频率产生。突变自发突变诱发突变1.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。引起自发突变的原因：（1）由背景辐射和环境因素引起；（2）由微生物自身有害代谢产物引起；（3）由DNA复制过程中碱基配对错误引起。★自发突变频率约为10-6。对细菌作一般液体培养，因细胞浓度可达108/mL，常会在其中产生自发突变菌株。2、诱发突变（诱变）•指通过人为的方法，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•诱变剂：凡具有诱变效应的任何因素。•诱变剂的种类很多，有物理因素（UV、激光、离子束、X射线、γ射线、快中子）和化学因素（亚硝酸、氮芥、烷化剂、碱基类似物、吖啶类化合物）（1）碱基的置换——点突变一对碱基被另一对碱基置换。1）转换DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤（一个嘧啶被另一个嘧啶）所置换。2）颠换DNA链中的一个嘌呤被另一个嘧啶（一个嘧啶被另一个嘌呤）所置换。碱基置换的两种类型——转换（实线，对角线）和颠换（虚线，纵横线）（2）移码突变造成突变点以后全部遗传密码转录与转释发生错误ABCABCABCABCABCABCABCABCAB+ABCABCCBACBACBACBACBAABCBCABCABCABCABCABCABCA增添一个碱基缺少一个碱基DNA序列中的一个或少数几个核苷酸发生增添（插入）或缺失，而使其后面的全部遗传密码发生改变，而引起转录和转译错误。某些理化因子，如Ｘ射线，紫外线，亚硝酸等，除引起点突变外，还会引起DNA分子大损伤，包括染色体缺失，重复，易位，倒位等，即为染色体畸变。（3）染色体畸变（四）紫外线对DNA的损伤及其修复DNA中嘧啶对UV的敏感性较强，经UV照射后相邻嘧啶会形成嘧啶二聚体（TT，TC，CC）和水合物。形成二聚体