畜牧微生物学 第六章 微生物的遗传与变异课件.ppt

第六章 微生物的遗传变异Microbiology Genetics,第一节 微生物遗传与变异的概念,第二节 常见的微生物表型变异,第三节 微生物变异的机理,第四节 微生物变异株的获得及微生物遗传性的保存,Review Genetics遗传学:science of heredityHeredity,inheritance遗传:genetic substance transmitted from parentto offspring 子代Variation变异:Inheritable,low rate(10-510-8)Mutation突变:any change in the nucleotide sequence of the DNA in a cell.Modification饰变:on phenotype,not genotype Genotype基因型:genetic makeupPhenotype表现型:actual,expressed properties,第一节 微生物遗传与变异的概念,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，菌落形态特征的可见性和多样性。物种和代谢类型多样，易于积累不同的中间代谢 产物或终产物。对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，易于形成营养缺陷型，操作性强。,研究微生物遗传学的意义,微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的生物学基本理论问题时最热衷的研究对象。对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育种工作提供了丰富的理论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。,Three Classical Experiments 三个经典实验三个经典实验1.Transformation 转化2.Infection of bacteriophage噬菌体感染3.Reconstruction of plant virus 植物病毒重建,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）,遗传变异的物质基础,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Hershey&Chases experiment of phage infection,Conclusion:DNA was the physical carrier of heredity 遗传物质基础是DNA,3.Reconstruction of Tobacco Mosaic Virus(TMV)植物病毒重建Nucleic acid,DNA or RNA,is the hereditary material,为了证明核酸是遗传物质，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA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，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。,选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：（1）RNA（TMV）蛋白质（HRV）（2）RNA（HRV）蛋白质（TMV）用两种杂合病毒感染寄主：（1）表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子（2）表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子。上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。,朊病毒的发现和思考,朊病毒含有微量的核酸，仍未发现？朊病毒仅由蛋白质构成朊病毒的遗传物质为蛋白质？,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。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。,质粒的结构特点通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)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）,质粒的检测,提取所有胞内DNA后电镜观察；,超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；,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。,质粒的主要种类,质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应,致育因子（Fertility factor，F因子）抗性因子（Resistance factor，R因子）产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）毒性质粒（virulence plasmid）代谢质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒（cryptic plasmid）,Advantages of using plasmid as Advantages of using plasmid as vector in gene engineering vector in gene engineering 质粒作为基因工程载体的优势质粒作为基因工程载体的优势1.Small size:easily used in DNA separation and manipulation 体积小,易操作2.Circular shape环形:keep DNA stable3.Independent starting point of replication:not controlled by nuclear genome 独立的复制起点4.Multiple copies多拷贝:increase exogenousDNA rapidly迅速复制外源DNA5.Antibiotic resistant gene:used as selective marker 抗生素抗性基因作为选择标记,一、形态和结构的变异,3-6%食盐鼠疫杆菌 多形态性(衰残型)。琼脂培基,第二节 常见的微生物表型变异,青霉素、溶菌酶正常形态细菌 L型变异 抗体或补体(部分或完全失去胞壁),一、形态和结构的变异,特殊结构的变异：42-43炭疽杆菌 失去形成芽胞能力,毒性降低 10-20天 变形杆菌（H）1%石炭酸 单个菌落（O）迁徙生长 鞭毛变异,一、形态和结构的变异,二、菌落变异,在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落 粗糙型菌落 S 或在有免疫力的人体内 R失去LPS的特异性多糖重复单位同时伴有其他性状的改变,Single cell sort of Salmonella culture results in different colony morphology,Non-Genetic variation,三、毒力变异,棒状噬菌体白喉棒状杆菌 获得白喉毒素,胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核杆菌 卡介苗 13年(230代),三、毒力变异,四、耐药性变异,细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14%上升至目前的70%以上。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。含链霉素培基痢疾杆菌 依链株(耐药菌株)长期培养,四、耐药性变异,四、耐药性变异,五、代谢的变异,某种微生物原来在代谢过程中能全成某种营养成分的特性，会变为失去这种能力，成为所谓的营养缺陷型。,肠道杆菌细胞壁脂多糖上的特异性多糖称为O抗原，具有属特异性；鞭毛蛋白称为H抗原，具有种特异性。血清学鉴定的基础。O与H是可以发生变异的。,六、抗原性的变异,第三节 微生物变异的机理,表型的差异只与环境有关特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为,一、非遗传性变异 微生物受外界环境条件变化影响，产生诱导作用，使基因表达暂时改变，某一表型性状随之发生改变，当除去该诱发条件时，可恢复原来的性状。,遗传型变异（基因转移、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）,第三节 微生物变异的机理,二、遗传性变异 在自然或人工条件下，微生物的基因发生了改变，使相应的性状也发生变化，并可以遗传下去，这就是遗传性变异。,（一）基因突变,基因突变（gene mutation）简称突变，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可遗传的变化。突变率常在10-410-9范围内。,Characteristics of Mutation Characteristics of Mutation 突变的特征突变的特征1.Spontaneous自发性2.Non-correspondent 不对应性3.Rare 稀有性4.Independent 独立性5.Inducible 可诱发性6.Stability 稳定性7.Reversible 可逆性,（二）基因转移（transgenosis）,转化转导噬菌体转换接合,基因转移的方式,1.转化（transformation）,转化或转化作用：受体菌（recipient或receptor）直接吸收了来自供体菌（donor）的DNA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DNA的受体菌称为转化子（transformant）。范围：原核生物中，转化是一个较普遍的现象。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。进行转化的受体细胞必须处于感受态(competence)。即受体细胞最易接受外源DNA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感受态,供体菌,受体菌,DNA片段,1928年，Griffith发现肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）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,自然转化过程的特点：a）不需要活的DNA供体细胞；b）转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化供体菌株和转化受体菌株之间的亲源关系；c）通常情况下质粒的自然转化效率要低得多。,人工转化,用CaCl2处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化手段。,在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基因重组手段，是基因工程的奠基石和基础技术。,不是由细菌自身的基因所控制；,用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地处于一种可以摄取外源DNA的“人工感受态”。,质粒的转化效率高；,2.转导（transduction）：通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的DNA小片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传形状的现象。获得新遗传形状的受体细胞称为转导子（transductant）。,普遍转导：通过完全缺陷噬菌体对供体菌任何小片段部分携带到受体菌中，而实现其遗传性状传递到受体菌的转导现象,局限性转导：通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并获得表达的转导现象。,Transduction1.Generalized transduction2.Specialized transduction,3.噬菌体转换（phage conversion）：或称溶原性转换（lysogenic conversion）。当温和噬菌体感染其寄主细菌之后，噬菌体的基因整合于寄主基因组中，导致寄主的某些性状发生变异，称为噬菌体转换。,4.接合（conjugation）：供体菌通过性菌毛传递不同长度的单链DNA给受体菌，在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的现象。获得新性状的受体细胞称为接合子。存在范围：细菌和放线菌中都存在接合现象。,Transfer of plasmid DNA by conjugation,The F plasmid of an F+cell is being transferred to a F-recipient cell,一、从自然变异中筛选,诱变剂,物理因素,化学因素,紫外线激光离子束X射线r射线温度,烷化剂碱基类似物吖啶化合物,二、传统的人工诱变方法,第四节 微生物变异株的获得及微生物遗传性的保存,三、原生质体融合（protoplast fusion）概念：通过人为的方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体发生融合，并进而发生遗传重组以产生同时带有双亲性状的、遗传性稳定的融合子的过程，称为原生质体融合。原生质体融合的优点：可以提高重组率双亲可以少带标记或不带标记可进行多亲本融合有利于不同种间、属间微生物的杂交通过原生质体融合提高产量,四、基因工程,Incorporation into artificial plasmids of genes from a wide variety of sources has made possible the transfer of genetic material across virtually any species barrier。,Mutants that are detectable,Non-motileNon-capsulatedRough colonyNutritionalSugar fermentationDrug resistantVirus resistantTemperature sensitivePigment,按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：选择性突变株（selective mutant）：具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、pH值等，就比较容易检出和分离到。非选择性突变株（non-selective mutant）：无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。,第四节 微生物变异株的获得及微生物遗传性的保存,变异菌的一般筛选方法,平皿快速检测法变色圈法透明圈法生长圈法抑菌圈法梯度平板法摇瓶培养法,菌种保藏：1.目的：存活，不丢失，不污染 防止优良性状丧失 随时为生产、科研提供优良菌种2.原理：选用优良的纯种，（最好是休眠体，如分生孢子、芽胞等），创造降低微生物代谢活动强度，生长繁殖受抑制，难以发生突变的环境条件。（其环境要素是干燥、低温、缺氧、缺营养 以及添加保护剂等）,五、微生物遗传性的保存,菌 连续在培养基上（内）移种 种 生活态 传代培养保藏法 连续在活宿主上（内）移种 保 固体斜面 藏 湿法 半固体琼脂柱 方 休眠态 液体介质（蒸馏水、糖液、其它溶液）法 干法 藏在玻璃管内 吸附在合适的载体上,几种常用菌种保藏方法的比较,菌种保藏机构的任务：广泛收集科研和生产菌种、菌株，并加以妥善保管，使之达到不死、不衰、不乱以及便于研究、交换和使用的目的。菌种保藏机构：中国微生物菌种保藏委员会(CCCCM)美国的典型菌种保藏中心(ATCC)英国国家典型菌种保藏所（NCTC）法国里昂巴斯德研究所（IPL）,国内外菌种保藏机构：,Thank You!,