第七章-微生物的遗传变异和育种-课件.ppt

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1、第七章 微生物的遗传变异 和育种,概述,1遗传:讲的是发生在亲子间即上下代间的关系，即指上一代生物如何将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的行为或功能，它具有极其稳定（保守）的特性。4个基本概念,(1)遗传型又称基因型,遗传型又称基因型 指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。遗传型是一种内在的可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。具有某遗传型的生物，只有在适当的环境条件下，通过其自身的代谢和发育，才能将它付诸实现，即产生自己的表型。遗传型环境条件 表型（可能性）（现实性）,(2)表型 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

2、境条件下通过代谢和发育而得到的具体体现。所以，它与遗传型不同，是一种现实性（具体性状）。(3)变异 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。其特点是在群体中只以极低的几率（一般为10-510-10）出现，性状变化幅度大，且变化后的新性状是稳定的、可遗传的。(4)饰变 顾名思义，饰变是指外表的修饰性改变，意即一种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。其特点是整个群体中的几乎每一个体都发生同样变化；性状变化的幅度小；因其遗传物质未变，故饰变是不遗传的。,第一节遗传变异的物质基础,一、3个经典实验（一）经典转化实验(1)动物试验,(2

3、)细菌培养试验,(3)S型菌的无细胞抽提液试验,离体转化实验,（二）噬菌体感染实验,(三)植物病毒的重建实验,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 1细胞水平 在细胞水平上,真核微生物和原核生物的大部聚DNA都集中在细胞核或核区(核质体)中。在不伺种微生物或同种微生物的不同细胞中，细胞核的数目常有所不同。2细胞核水平 不论真核生物的细胞核或原核生物细胞的核区都是该微生物遗传信息的最主要负荷者，被称为核基因组、核染色体组或简称基因组。,3.染色体水平,(1)染色体数不同(2)染色体倍数,4核酸水平(1)核酸种类,(2)核酸结构,(3)DNA长度（即基因组的大小）,5.基因水

4、平,（1）基因:是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位，其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段。,（2）基因调控系统,A结构基因:是决定某一多肽链结构的DNA模板，它是通过转录和转译过程来执行多肽链合成任务的。B 操纵基因:是位于启动基因和结构基因之间的一段核苷酸序列，控制结构基因是否转录。C启动基因:是一种依赖于DNA的RNA多聚酶所识别的核苷酸序列。,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。UAA;UAG和UGA仅表示转译中的终止信号,7核苷酸水平,（二）原核生物的质粒,1定义和特点 定义:凡游离于原核生物核基因组以外，具有独

5、立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子.,特点：,(1)可自我复制，稳定遗传。对生存不是必要的。复制与染色体分开。(2)不同质粒携带不同遗传信息。(3)无质粒细菌可通过接合、转化、转导等方式获得，不能自发产生。,2.质粒在基因工程中的应用,质粒具有的优点：体积小，便于DNA的分离和操作；呈环状，使其在化学分离过程中能保持性能稳定；有不受核基因组控制的独立复制起始点；拷贝数多，使外源DNA可很快扩增；存在抗药性基因等选择性标记。,E.coli的pBR322质粒克隆载体,3.质粒的分离与鉴定,（1）质粒的分离步骤,细胞的裂解,蛋白质去除,RNA的去除,质粒DNA与染色体DNA相分离,（2）质

6、粒鉴定。,电镜、琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶电泳,4.质粒的种类,5典型质粒简介,(1)F质粒,又称F因子、致育因子或性因子，是E.coli等细菌决定性别并有转移能力的质粒。,(2)R质粒,又称R因子 由RTF和r决定子结合而形成R质粒,(3)Col质粒,Col质粒：又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子。细菌素：许多细菌都能产生抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的代谢产物是由质粒编码的蛋白质。,(4)Ti质粒即诱瘤质粒或冠瘿质粒。,Ti质粒即诱瘤质粒或冠瘿质粒Ti质粒是一种200 kb的环状质粒，包括毒性区（vir）、接合转移区（con）、复制起始区（on）和T-DNA区4部分。植物基因工程中使用

7、最广、效果最佳的克隆载体。,(5)Ri质粒,发根土壤杆菌或发根农杆菌可侵染双子叶植物的根部，并诱生大量称为毛状根的不定根。Ri质粒已成为外源基因的良好载体，也可用作进行次生代谢产物的生产。,(6)mega质粒,即巨大质粒，存在于根瘤菌属中，。分子质量比一般质粒大几十倍至几百倍。,假单胞菌属中发现。质粒编码降解一系列复杂有机物的酶，,(7)降解性质粒,第二节基因突变和诱变育种,一、基因突变基因突变:简称突变泛指细胞内遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，可自发或诱导产生。狭义专指基因突变，广义则包括基因突变和染色体畸变。,（一）突变类型,凡能用选择性培养基（或其他选择性培养条件）快速选

8、择出来的突变株称选择性突变株,反之则称为非选择性突变株.,（二）突变率,定义:某一细胞（或病毒粒）在每一世代中发生某一性状突变的几率，称突变率。,共同特点：自发性 不对应性 稀有性 独立性 可诱变性 稳定性 可逆性,（三）基因突变的特点,（五）基因突变及其机制,1诱发突变,诱发突变:简称诱变，是指通过人为的方法，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。凡具有诱变效应的任何因素，都称诱变剂。,（1）碱基的置换,诱变剂:,直接引起置换的诱变剂：直接与核酸的碱基发生化学反应的化学诱变剂 间接引起置换的诱变剂 一些碱基类似物,（2）移码突变,指诱变剂会使DNA序列中的一个或几个核甘酸发

9、生增添（插入）或缺失,从而使该处后面的全部遗传密码的阅读框架发生改变,并进一步引起转录错误的一类突变.原因:吖啶类染料及一系列类化合物,移码突变图：,(3)染色体畸变,1、染色体畸变：引起DNA分子的大损伤染色体畸变，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。、转座和转座因子转座：DNA序列通过非同源重组的方式，从染色体某一部位转移到同一染色体上另一部位或其他染色体上某一部位的现象，称为转座。转座因子：凡具有转座作用的一段DNA序列，称转座因子包括原核生物中的插入序列(is）、转座子（Tn)和E.coli的Mu噬菌体等转座噬菌体。,转座的过程及其中受体DNA中靶序

10、列的复制过程,2.自发突变,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。自发突变的原因有：由背景辐射和环境因素引起，由微生物自身有害代谢产物引起，由DNA复制过程中碱基配对错误引起。,(六）紫外线对DNA的损伤及其修复,1光复活作用 把经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下时，就可出现明显降低其死亡率的现象，此即光复活作用。,2.切除修复,切除修复:是一种不依赖可见光、只通过酶切作用去除嘧啶二聚体,随后重新合成一段正常DNA链的核酸修复方式.,二、突变与育种,1从生产中育种正突变株:指生产性状优于原株的产量突变株2.定向培育优良菌株 定向培育:是一种利用微生物的自发突变，并 采用特定

11、的选择条件，通过对微生物群体不断移植以选育出较优良菌株的古老方法。例如:卡介苗,（一）自发突变与育种,（二）诱变育种,诱变育种:是指利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选出少数符合目的的突变株，以供使用。,1诱变育种的基本环节,2.诱变育种中的几个原则,(1)选择简便有效的诱变剂 物理因素:A非电离辐射类的紫外线、激光和离子束等，B电离辐射的X射线、丫射线和快中子等；化学诱变剂:主要有烷化剂、碱基类似物和吖啶化合物,艾姆氏试验,原理：鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸营养缺陷型（his-）菌株在基本培养基-的平板上不能生长，如发生回复突变变成原养型（h

12、is）后则能生长。方法大致是在含待测可疑“三致”物例如黄曲霉毒素、二甲氨基偶氮苯、“反应停”或二口恶口英等的试样中，加入鼠肝匀浆液，经一段时间保温后，吸人滤纸片中，然后将滤纸片放置于上述平板中央。经培养后，出现3种情况：在平板上无大量菌落产生，说明试样中不含诱变剂；在纸片周围有一抑制圈，其外周出现大量菌落，说明试样中有某种高浓度的诱变剂存在；在纸片周围长有大量菌落，说明试样中有浓度适当的诱变剂存在。,艾姆斯试验法检测致癌物示意图,(2）挑选优良的出发菌株,用于育种的原始菌株，,(3)处理单细胞或单孢子悬液,（4）选用最适的诱变剂量,(5)充分利用复合处理的协同效应,(6）利用和创造形态、生理与

13、产量间的相关指标,(7)设计高效筛选方案,(8）创造新型筛选方法,3.3类突变株的筛选方法,（1）产量突变株的筛选,(2)抗药性突变株的筛选,(3)营养缺陷型突变株的筛选,基本培养基（MM，符号为-）：仅能满足某微生物的野生型菌株生长所需要的最低成分的组合培养基，称基本培养基。完全培养基（CM,符号为）：凡可满足一切营养缺陷型菌株营养需要的天然或半组合培养基，称完全培养基。补充培养基（SM;符号为A或B等）：凡只能满足相应的营养缺陷型突变株生长需要的组合或半组合培养基，称补充培养基。,有关的3类培养基：,与营养缺陷型突变有关的3类遗传型个体：,野生型：指从自然界分离到的任何微生物在其发生人为营

14、养缺陷突变前的原始菌株。营养缺陷型：野生型菌株经诱变剂处理后，由于发生了丧失某酶合成能力的突变，因而只能在加有该酶合成产物的培养基中才能生长，这类突变菌株称为营养缺陷型突变株，或简称营养缺陷型。原养型：一般指营养缺陷型突变株经回复突变或重组后产生的菌株，其营养要求在表型上与野生型相同，遗传型均用A+B+表示,营养缺陷型的筛选方法：,一般要经过诱变、淘汰野生型、检出和鉴定营养缺陷型4个环节：第一步，诱变剂处理：第二步，淘汰野生型：第三步，检出缺陷型 第四步，鉴定缺陷型,第三节基因重组和杂交育种,基因重组:两个独立基因组内的遗传基因，通过一定的途径转移到一起，形成新的稳定基因组的过程，称为基因重组

15、或遗传重组，简称重组。,一、原核生物的基因重组,（一）转化 1定义 转化:受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得后者部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。2.转化微生物的种类在原核生物中主要有肺炎链球菌 等在真核微生物主要有酿酒酵母等,3感受态,感受态:是指受体细胞最易接受外源DNA片段并能实现转化的一种生理状态。感受态因子:调节感受态的一类特异蛋白称，包括3种主要成分，即膜相关DNA结合蛋白、细胞壁自溶素和几种核酸酶。,转化因子的本质是离体的DNA片段。,4转化因子,5转化过程,6转染,转染:指用提纯的病毒核酸（DNA或RNA）去感染其宿主细胞或其原生质体，可增殖出一群正常病毒后代的现象。

16、,（二）转导,转导:通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的小片段DNA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性状的现象，称为转导。1普遍转导 普遍转导分为两种：(1)完全普遍转导(2)流产普遍转导,2.局限转导,局限转导:根据转导子出现频率的高低可分为两类：（1）低频转导 只能形成极少数（10-4106）转导子，故称低频转导。(2)高频转导 高达50%左右的转导子，故称这种转导为高频转导。,3溶源转变,溶源转变:当正常的温和噬菌体感染其宿主而使其发生溶源化时，因噬菌体基因整合到宿主的核基因组上，而使宿主获得了除免疫性外的新遗传性状的现象，称溶源转变。,（三）接合,1定义 接合:供

17、体菌（“雄性”）通过性菌毛与受体菌（“雌性”）直接接触，把F质粒或其携带的不同长度的核基因组片段传递给后者，使后者获得若干新遗传性状的现象，称为接合。接合子:通过接合而获得新遗传性状的受体细胞，称为接合子.2能进行接合的微生物种类 E.coli 等,3Ecoli的4种接合型菌株,(1)F菌株即“雄性”菌株，指细胞内存在一至几个F质粒，并在细胞表面着生一至几条性菌毛的菌株。,(1)F菌株,F菌株即“雌性”菌株，指细胞中无F质粒、细胞表面也无性菌毛的菌株。,(2)F菌株,(3）Hfr菌株（高频重组菌株）,Hfr菌株（高频重组菌株）Hfr菌株与F菌株相接合后，发生基因重组的频率要比单纯用F与F接合后

18、的频率高出数百倍，故名。,(4)F菌株,F质粒:当Hfr菌株细胞内的F质粒因不正常切离而脱离核染色体组时，可重新形成游离的、但携带整合位点邻近一小段核染色体基因的特殊F质粒，称F质粒或F因子。,初生F菌株 与次生F菌株,（四）原生质体融合,1定义:通过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程，称为原生质体融合。由此法获得的重组子，称为融合子。2.原生质体融合的生物种类 原核生物中的细菌和放线菌，而且还包括各种真核生物细胞,3.原生质体融合的主要操作步骤,（1）先选择两株有特殊价值置于高渗溶液中,用脱壁酶去除细胞壁，（2）再将形成的原生质

19、体加入促融合剂PEG或借电脉冲等因素促进融合，（3）然后涂在平板上，检验它们是否为稳定的融合子，最后再测定其有关生物学性状或生产性能,原生质体融合示意图,二、真核微生物的基因重组,（一）有性杂交 A 杂交:是指在细胞水平上进行的一种遗传重组方式。B 有性杂交:一般指不同遗传型的两性细胞间发生的接合和随之进行的染色体重组，进而产生新遗传型后代的一种育种技术。产生有性孢子的酵母菌、霉菌和蕈菌，,（二）准性杂交,1定义 准性生殖是一种在同种而不同菌株的体细胞间发生的融合,它可不借减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子,2准性生殖过程,(1)菌丝联结(2)形成异核体(3)核融合或称核配(4)体细胞交

20、换和单 倍体化,3.准性杂交育种,(1)选择亲本(2)强制异合(3)移单菌落(4)验稳定性(5)促进变异,主要步骤和原理,第四节基因工程,一、基因工程定义 基因工程又称遗传工程，是指人们利用分子生物学的理论和技术，自觉设计、操纵、改造和重建细胞的遗传核心基因组，从而使生物体的遗传性状发生定向变异，以最大限度地满足人类活动的需要。,二、基因工程的基本操作,（一）目的基因的取得（二）优良载体的选择（三）目的基因与载体DNA的体外重组（四）重组载体导入受体细胞（五）重组受体细胞的筛选和鉴定（六）“工程菌”或“工程细胞”的大规模培养,基因工程的主要原理和操作步骤,三、基因工程的应用,（一）在生产多肽类

21、药物、疫苗中的应用基因工程药物的生产途径的4个阶段：细菌基因工程，酵母菌等真核微生物细胞的基因工程；哺乳动物细胞基因工程转基因动物或转基因植物基因工程,（二）改造传统工业发酵菌种（三）动、植物特性的基因工程改良 植物基因工程重点主要为：转抗病虫害基因 抗逆境植物品种的培育 高产、优质品种的培育 生产药用多肽或可降解塑料等优良品种 培育适应商品化的优良水果新品种 转固氮、结瘤、分解纤维素或木质素酶的基因，或是能提高光合作用效率等基因的新品种（四）基因工程在环境保护中的应用,第五节菌种的衰退、复壮和保藏,衰退:是指由于自发突变的结果，而使某物种原有一系列生物学性状发生量变或质变的现象。具体表现有：原有形态性状变得不典型了，生长速度变慢，产生的孢子变少，代谢产物生产能力下降，即出现负变致病菌对宿主侵染力的下降，对外界不良条件包括低温、高温或噬菌体侵染等抵抗能力的下降；等等。,一、菌种的衰退与复壮,广义的复壮:是一项积极的措施，即在菌种的典型特征或生产性状尚未衰退前，就经常有意识地采取纯种分离和生产性状的测定工作，以期从中选择到自发的正变个体。,（一）衰退的防止,1控制传代次数2.创造良好的培养条件 3利用不易衰退的细胞传代 4.采用有效的菌种保藏方法,（二）菌种的复壮,1纯种分离法,2.通过宿主体复壮,3淘汰已衰退的个体,菌种保藏方法,