第九章微生物的遗传变异课件.ppt
第九章 微生物的遗传变异,遗传：亲代生物传递给子代生物的一套实现与其相同性状的遗传信息。变异：由于内外环境作用，子代某一或几个性状与亲代不一致，且能遗传下一代。,主要内容,第一节 遗传的物质基础第二节 微生物发生变异的机制 第三节 基因重组第四节 基因工程第五节 菌种的衰退、复壮和保藏,第一节 遗传的物质基础,一、证实遗传物质的三个经典实验二、脱氧核糖核酸三、基因组DNA和染色体四、染色体以外的遗传因子,一、三个证明DNA是遗传物质的经典实验1、经典转化实验肺炎链球菌：S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）,1928年，F.Griffth作了3组实验:,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DNA,2、噬菌体感染实验,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。,3、植物病毒重建实验,实验证明，遗传信息的流向与DNA的传递是一致的。,结 论,细胞生物的遗传物质是双链DNA病毒的遗传物质可以是单链的或双链的DNA或RNA， 即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。,二、脱氧核糖核酸,1核酸的化学组成和结构 2DNA的复制方式 3DNA的理化性质,1、核酸的化学组成和结构,DNA分子是由两条相互平行、方向相反的多核苷酸单链以右手螺旋方向相互缠绕而形成的双螺旋。脱氧核糖和磷酸构成的主链位于外围，通过氢键相互交联的碱基处于双螺旋的内部。A-T,G-C；两条单链互补；一条链的碱基序列限定了另一条链的序列。,2、DNA的复制方式,细菌DNA的q-形复制 真核生物DNA的复制,10100 mm,复制叉,复制叉,复制原点,模板新生链,DNA的滚环复制模式,切口,5,5,3,3,3,模板新生链,新链连续复制,互补链合成,3、DNA的理化性质,（1）DNA的稳定性（2）DNA的光学性质（3）DNA的热变性（4）复性、退火或杂交（5）分子特征与微生物分类鉴定,（1）DNA的稳定性,在溶液中，DNA具有一定的粘性，易受剪切力的破坏；易被核酸酶降解；在强酸中，DNA能被水解成碱基、糖和磷酸；在特定的稀酸中(如pH3-4)，不同碱基与核糖之间的糖苷键会发生特异性的断裂，根据这种特异性可测定DNA的碱基序列；在稀碱如0.2当量NaOH中，双链DNA很快变性产生单链DNA，继而单链DNA被进一步破坏。,（2）DNA的光学性质,DNA中的碱基属于芳香簇化合物，能够吸收紫外光(UV)。DNA吸收峰的光波波长为260nm；当浓度为1mg/ml时，dsDNA ： A260=20ssDNA、RNA ： A26025人们根据A260测定DNA的浓度， 根据A260 / A280和估算DNA的纯度。,（3）DNA的热变性,双链DNA在一定的高温下解链(变性)产生单链DNA。双链DNA完全解链后，紫外吸收值A260可以提高40，当吸收值的提高达到中点时的温度称为解链温度（Tm）。,（4）复性、退火或杂交,当温度缓慢降低时，序列互补的单链DNA能够渐渐地重新配对，即复性。不同来源的DNA之间碱基序列互补的区段进行的碱基配对，称为退火或杂交，这被广泛应用于DNA的扩增、定点诱变、基因鉴别。,（5）分子特征与微生物分类鉴定,DNA中的GC含量通常通过Tm值来测定。同一个属的细菌， GC含量的变化一般小于10。DNADNA杂交技术用于研究亲缘关系近的微生物。如果两菌株在最适条件下杂交，DNA相关性70%，且Tm值差别5，它们就被认为同种。,三、基因组DNA和染色体,基因组：是指一种生物体内单套遗传物质的全部遗传基因。染色体：指携带细胞功能所必备的基因的遗传单元。非细胞生物，它们的全套遗传基因称为基因组，但不足以形成染色体。原核生物的染色体常为一个环状的DNA分子。真核生物的细胞有几条至几十条染色体，各含一个线状的DNA分子。,四、染色体以外的遗传因子,线粒体和叶绿体中含有的DNA能够自体复制，并编码执行线粒体和叶绿体功能的蛋白，属于染色体以外的遗传因子。 质粒一般指存在于细菌、真菌等微生物细胞中，独立于染色体以外，能进行自我复制的遗传因子。质粒的大小为11000 kb，常为环状的双链DNA分子，也有线状DNA或RNA质粒。有些质粒既能够整合到染色体上，又能以游离状态存在，并能携带部分染色体基因进行转移，它们被称为附加体。,质粒的特性,可转移性：可以细胞间的接合作用或其它途径从供体细胞向受体细胞转移可整合性：可以可逆性地整合到宿主细胞染色体上可重组性：不同来源的质粒之间，质粒与宿主细胞染色体间的基因可以发生重组可消除性：某些理化因素如加热、加丫啶橙或丝裂霉素、溴化乙锭等均可使质粒消除此外，还有互不相容性、耐碱性等。,F因子（fertility factor）又称致育因子或性因子，2106 D，94.5kb，相当于核染色体DNA2%的环状双链DNA，足以编码94个中等大小多肽其中1/3基因（tra区）与接合作用有关。存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别。,几种代表性质粒,2. R因子（resistence factor）最初发现于痢疾志贺氏菌（Shigella dysenteriae），后来发现还存在于Salmonella、Vibrio、Bacillus、Pseudomonas和Staphylococcus中。R因子由相连的两个DNA片段组成，即抗性转移因子（resistence transfor factor， RTF ）和抗性决定R因子（r-determinant），RTF为分子量约为11106 Dalton，控制质粒copy数及复制，抗性决定质粒大小不固定，从几百万到100106Dalton以上。其上带有其它抗生素的抗性基因。,几种代表性质粒,3. Col因子（colicinogenic factor）产大肠杆菌素因子。大肠杆菌素是由E.coli的某些菌株所分泌的细菌素，能通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其它肠道细菌。大肠杆菌素都是由Col因子编码的。Col因子可分为两类，分别以ColE1和ColIb为代表。 ColE1无接合作用，是多拷贝的；ColIb具有通过接合作用转移的功能，只有12个拷贝。凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。,几种代表性质粒,4. 降解性质粒只在假单胞菌属中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编 码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。这些质粒以其所分解的底物命名，例如有分解CAM（樟 脑）质粒，XYL（二甲苯）质粒，SAL（水杨酸）质 粒，MDL（扁桃酸）质粒，NAP（奈）质粒和TOL（甲 苯）质粒等。,几种代表性质粒,5. Ti质粒（tumor inducing plasmid）即诱癌质粒。存在于根癌土壤杆菌（Agrobacterium tumefaciens）中,可引起许多双子叶植物的根癌当细菌侵入植物细胞中后，在其细胞中溶解，把细菌的DNA释放到植物细胞中。这时，含有复制基因的Ti质粒的小片段与植物细胞中的核染色体发生整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。Ti质粒长200kb，是一个大型质粒。当前，Ti质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体。一些具有重要性状的外源基因可借DNA重组技术设法插入到Ti质粒中，并进一步使之整合到植物染色体上，以改变该植物的遗传性，达到培育植物优良品种的目的。,几种代表性质粒,6. 巨大质粒（mega质粒）是近年来在Rhizobium（根瘤菌属）中发现的一种质粒，分子量为200300106 Dalton，比一般质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒，其上有一系列固氮基因。,几种代表性质粒,第二节 遗传物质的变异,突变：生物体表象在遗传物质基础上发生可遗传的变化；按原因可分为：自发突变和诱变，诱变又可分为点突变和畸变；,一、自发突变,1.定义：微生物在无人工参与情况下生物体自然发生的突变2.突变机制：（1）自然界中的短波辐射和射线（2）微生物自身有害产物的诱变效应 如H2O2对脉胞菌有诱变作用（3）碱基的互变异构 酮式至烯醇式的互变异构，烯醇式为突变型（4）环出效应：环状突出效应（5）紫外线对DNA的损伤及修复,嘧啶碱基受紫外辐射后产生的衍生物,3.修复方法,光复活作用：把经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下，可明显降低其死亡率的现象。称为光复活作用；暗修复作用：是活细胞内一种用于修复被紫外线等诱变剂（包括烷化剂，X射线、r射线等）损伤后的DNA的机制，修复过程中有4种酶参与，内切酶、外切酶、DNA聚合酶、连接酶；,二、诱变,1.定义：在外界诱变剂的参与下是生物体发生的突变2.诱变剂：凡能使诱变率提高的物理化学因素（1）物理诱变剂：紫外线、放射线、同位素；（2）化学诱变剂：HNO2、H2O2、 硫酸二乙酯、氮芥,3.诱变的机制,（1）碱基对的置换 属于一种染色体的微小损伤，它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换 转换：一种嘌呤（嘧啶）被另一种嘌呤（嘧啶）所置换 A=T G=T C=G T=G 颠换：一个嘌呤（嘧啶）被另一个嘧啶（嘌呤）所置换,（2）移码突变：微小损伤,指诱变剂使DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添或丢失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。缺失：ABC A CA BCA 正常 ABC ABC ABC添加：ABC A B CABC,（3）染色体畸变,某些理化因子，如x射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸盐，除了能引起点突变外，还会引起DNA的大损伤染色体畸变，它既包括染色体结构上的缺失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化；染色体内畸变：增加、缺失、倒位、易位（在同一染色体上）；染色体外畸变：非同源染色体间易位； 同源染色体：形态和结构相同的一对染色体 非同源染色体：一对染色体与另一对形态结构不同的 染色体,三、基因突变,（一）突变类型,（一）突变类型,选择性突变株：凡能用选择性培养基快速选择出来的突变型；非选择性突变株：凡用选择性培养基不能快速选择出来的突变型；营养缺陷型：由于突变的原因使某些菌株丧失合成一种或几种生长因子的能力，因而无法在基础培养基上正常生长繁殖的变异类型；抗性突变型：由于基因突变而使原始菌株产生了对某种化学药物或致死物理因子抗性的变异类型；,（一）突变类型,条件致死突变型：某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并实现其表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖的突变型；形态突变型：由于突变而产生的个体或菌落形态所发生的非选择性变异；抗原突变型：由于细胞表面成分发生变化而引起抗原结构发生突变的变异类型；产量突变型：由于突变而使微生物产生代谢产物产量大大高于原始菌株的突变型；,（二）突变率,每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率，称突变率。自发突变率一般为10-8-10-9,（三）突变的特点,不对称性自发性独立性稀有性诱变性稳定性可逆性,
