微生物遗传变异与育种

微生物遗传变异与育种微生物遗传变异与育种第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础第二节第二节 基因突变与诱变育种基因突变与诱变育种第三节基因重组与杂交育种第三节基因重组与杂交育种第四节原生质体融合第四节原生质体融合第七章第七章第五节基因工程第五节基因工程第六节菌种的衰退、复壮和保藏第六节菌种的衰退、复壮和保藏生命科学与工程学院生命科学与工程学院第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、一、三个经典实验三个经典实验二、二、核酸的结构与功能核酸的结构与功能三、三、微生物的基因组微生物的基因组生命科学与工程学院生命科学与工程学院（一）转化实验（一）转化实验将无毒性的R型活细胞注射到小鼠体内，结果小鼠不死亡；将有毒性的S型活细胞注射到小鼠体内，结果小鼠患败血症死亡；将加热杀死的S型细菌注射到小鼠体内，结果小鼠不死亡；将无毒性的R型活细菌与加热杀死后的S型细菌混合后，注射到小鼠体内，结果小鼠患败血症死亡。一、证明遗传变异物质基础的三个经典实验一、证明遗传变异物质基础的三个经典实验（二）噬菌体感染实验（二）噬菌体感染实验在噬菌体感染过程中，其蛋白质外壳根本未进入宿主细胞，进入宿主细胞的只有噬菌体DNA，尚因释放出的子代噬菌体粒子具有同亲代一样的蛋白质外壳，故可以肯定，仅只有DNA携带有全部遗传信息。（三）植物病毒的重建实验（三）植物病毒的重建实验 病毒的蛋白质取决于相应的RNA。为此证明该病毒的遗传物质为RNA，蛋白质外壳对其仅起保护作用。生命科学与工程学院生命科学与工程学院二、核酸的结构与功能二、核酸的结构与功能 S-脱氧核糖 P-磷酸 A-腺嘌呤 G-鸟嘌呤 C-胞嘧啶 T-胸腺嘧啶DNA的结构和复制方式的结构和复制方式DNA和和RNA的结构比较的结构比较 生命科学与工程学院生命科学与工程学院三、微生物的基因组三、微生物的基因组（一）真核微生物的基因组（一）真核微生物的基因组（二）原核微生物的基因组（二）原核微生物的基因组 生命科学与工程学院生命科学与工程学院第二节第二节 基因突变与诱变育种基因突变与诱变育种一、一、基因突变基因突变二、二、诱变育种诱变育种生命科学与工程学院生命科学与工程学院一、基因突变一、基因突变（一）几个基本概念（一）几个基本概念突变突变（mutation）是由于遗传物质结构的突然变化，导致生物性状的改变，而引起的可遗传变异。包括基因突变和染色体畸变。基因突变基因突变（gene mutation）指DNA分子上某一点的遗传物质的改变，也称点突变，涉及一对或少数几对碱基的改变。把发生基因突变的菌株叫作突变菌株（mutant）。回复突变回复突变（back mutant）由野生型变为突变型的过程叫正向突变（forward mutation）；而从突变型经过又一次突变，成为与野生型有相同表型的突变叫做回复突变（back mutation）。自发突变自发突变（spontaneous mutation）指自然发生的突变，其频率较低，一般为10-510-10。突变率突变率（mutation rate）指每一个细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。也可用单位群体在繁殖一代过程中形成突变体的数目表示。诱发突变诱发突变（induced mutation）又称诱变，指应用人工诱变剂引起的基因突变。生命科学与工程学院生命科学与工程学院（二）基因突变引起的表型效应（二）基因突变引起的表型效应4抗性突变型抗性突变型3生化突变型生化突变型2条件致死突变型条件致死突变型5产量突变型（高产突变株）产量突变型（高产突变株）1形态突变型形态突变型生命科学与工程学院生命科学与工程学院（三）基因突变的特点（三）基因突变的特点2稀有性稀有性6诱变性诱变性5可逆性可逆性4稳定性稳定性3独立性独立性1自发性与不对称性自发性与不对称性生命科学与工程学院生命科学与工程学院（四）基因突变自发性和不对称性的实验证明（四）基因突变自发性和不对称性的实验证明1变量实验变量实验2涂布实验涂布实验3影印平板培养实验影印平板培养实验生命科学与工程学院生命科学与工程学院（五）基因突变的机理（五）基因突变的机理突变基因突变碱基转换碱基颠换移码突变染色体畸变染色体数目的改变染色体结构的改变生命科学与工程学院生命科学与工程学院1诱变机理（1）物理诱变剂引起的基因突变（2）化学诱变剂引起的基因突变 碱基类似物的置换作用 烷化剂的诱变作用 吖啶类诱变剂 生命科学与工程学院生命科学与工程学院2自发突变机理（1）背景辐射和环境诱变（2）自身代谢产物诱变（3）互变异构效应（4）环出效应生命科学与工程学院生命科学与工程学院（六）自然界突变菌株的分离与筛选（六）自然界突变菌株的分离与筛选1采样采样2增殖培养增殖培养3分离培养分离培养4菌落选择菌落选择5筛选筛选生命科学与工程学院生命科学与工程学院二、诱变育种二、诱变育种（一）出发菌株的选择（一）出发菌株的选择（二）菌悬液的制备（二）菌悬液的制备（三）诱变剂的选择（三）诱变剂的选择（四）诱变处理（四）诱变处理（五）菌悬液的后培养（五）菌悬液的后培养（六）突变菌株的分离与筛选（六）突变菌株的分离与筛选 根据形态变异淘汰低产菌株 根据平皿反应直接挑取高产菌株 透明圈法 浓度梯度法 噬菌体筛选法 营养缺陷型菌株的筛选生命科学与工程学院生命科学与工程学院营养缺陷型菌株的筛选营养缺陷型菌株的筛选三类主要培养基三类主要培养基基本培养基（minimal medium,MM）完全培养基（complete medium,CM）补充培养基（supplemental medium,SM）三类遗传型个体三类遗传型个体野生型（Wild type）营养缺陷型（auxotroph）原养型（prototroph）生命科学与工程学院生命科学与工程学院1中间培养2淘汰野生型3检出营养缺陷型（1）逐个检出法（2）限量补充培养基检出法（3）影印培养法4缺陷营养类别的确定5缺陷型所需生长因子的测定生命科学与工程学院生命科学与工程学院第三节第三节 基因重组与杂交育种基因重组与杂交育种一、一、原核微生物基因重组与育种原核微生物基因重组与育种二、二、真核微生物基因重组与育种真核微生物基因重组与育种生命科学与工程学院生命科学与工程学院一、原核微生物基因重组与育种一、原核微生物基因重组与育种转化（transformation）是指受体菌（receptor）直接吸收了来自供体菌（donor）的DNA片断，通过交换，把它整合到自己的基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的现象。转化后的受体菌称为转化子。（一）转化（一）转化1概念概念2转化过程转化过程3利用转化进行育种利用转化进行育种生命科学与工程学院生命科学与工程学院 通过缺陷噬菌体（defective phage）为媒介，把供体细胞的DNA片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，使受体菌获得了供体菌的遗传性状的现象，称为转导（transduction）。能转导供体细胞DNA片段的噬菌体称为转导噬菌体。（二）转导（二）转导1概念概念3利用转导育种利用转导育种2转导类型转导类型（1）普遍转导（2）局限转导完全普遍转导（完全转导）流产普遍转导生命科学与工程学院生命科学与工程学院 接合（conjugation）是指供体菌通过其性菌毛与受体菌相接触，前者传递不同长度的单链DNA给后者，并在后者细胞中进行双链化或进一步与核染色体发生交换、整合，从而使后者获得供体菌遗传性状的现象。通过接合而获得新性状的受体细胞称为接合子（conjugant）。（三）接合（三）接合1概念及原理概念及原理2接合过程接合过程3利用接合进行育种利用接合进行育种生命科学与工程学院生命科学与工程学院二、真核微生物基因重组与育种二、真核微生物基因重组与育种（一）（一）准性重组的含义准性重组的含义（二）（二）准性重组的过程及其特点准性重组的过程及其特点（三）利用准性重组进行育种（三）利用准性重组进行育种生命科学与工程学院生命科学与工程学院第四节第四节 原生质体融合原生质体融合 一、一、原生质体融合原理原生质体融合原理 二、二、原生质体融合育种原生质体融合育种生命科学与工程学院生命科学与工程学院一、原生质体融合原理一、原生质体融合原理 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，遗传性稳定的融合子（Fusant）的过程，称为原生质体融合（potoplast fusion）。原生质体融合技术除不同菌株间或种间进行融合外，还能做到属间、科间甚至更远缘的微生物或高等生物细胞间的融合，以期达到筛选出性状更为优良的新品种。生命科学与工程学院生命科学与工程学院二、原生质体融合育种二、原生质体融合育种（二）原生质体的制备（二）原生质体的制备（一）亲本菌株的选择（一）亲本菌株的选择（四）原生质体融合（四）原生质体融合（三）原生质体的再生（三）原生质体的再生（五）融合子的筛选（五）融合子的筛选原生质体融合育种程序原生质体融合育种程序 生命科学与工程学院生命科学与工程学院第五节第五节 基因工程基因工程一、一、基因工程原理基因工程原理 二、二、基因工程操作步骤基因工程操作步骤 生命科学与工程学院生命科学与工程学院一、基因工程原理一、基因工程原理基因工程（gene engineering）是指在基因水平上的遗传工程，是用人为方法将需要的某一供体生物的遗传物质-DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体（vector）的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源遗传物质在其中进行正常的复制和表达，从而获得新性状的一种崭新育种技术。生命科学与工程学院生命科学与工程学院二、基因工程操作步骤二、基因工程操作步骤（一）目的基因的取得（一）目的基因的取得（二）载体的选择（二）载体的选择（三）目的基因与载体（三）目的基因与载体DNA的体外重组的体外重组（四）重组载体引入受体细胞（四）重组载体引入受体细胞（五）重组受体细胞的筛选和鉴定（五）重组受体细胞的筛选和鉴定（六）（六）“工程菌工程菌”的大规模培养的大规模培养生命科学与工程学院生命科学与工程学院第六节第六节 菌种的衰退、复壮和保藏菌种的衰退、复壮和保藏一、一、菌种的衰退与复壮菌种的衰退与复壮 二、二、菌种的保藏菌种的保藏 生命科学与工程学院生命科学与工程学院一、菌种的衰退与复壮一、菌种的衰退与复壮（一）菌种的衰退和防止（一）菌种的衰退和防止（1）控制传代次数。）控制传代次数。（2）创造良好的培养条件。）创造良好的培养条件。（3）利用不同类型的细胞进行接种传代。）利用不同类型的细胞进行接种传代。（4）采用有效的菌种保藏方法。）采用有效的菌种保藏方法。（二）菌种的复壮（二）菌种的复壮（1）纯种分离。）纯种分离。（2）通过宿主体内生长进行复壮。）通过宿主体内生长进行复壮。（3）淘汰已衰退的个体。）淘汰已衰退的个体。（4）改变营养条件。）改变营养条件。生命科学与工程学院生命科学与工程学院二、菌种的保藏二、菌种的保藏几种常用的菌种保藏方法几种常用的菌种保藏方法生命科学与工程学院生命科学与工程学院生命科学与工程学院生命科学与工程学院变量实验变量实验 生命科学与工程学院生命科学与工程学院 先在两组共先在两组共12个培养皿上涂以等数的大量敏感细菌（个培养皿上涂以等数的大量敏感细菌（5104个个/ml），培养），培养5小时，待长出大量微菌落后，在一组小时，待长出大量微菌落后，在一组6个培养皿个培养皿中喷噬菌体，另中喷噬菌体，另6个皿则用无菌的玻璃棒将微菌落重新涂布后，个皿则用无菌的玻璃棒将微菌落重新涂布后，再喷噬菌体。经培养观察，重新涂布的一组抗性菌落数比未涂再喷噬菌体。经培养观察，重新涂布的一组抗性菌落数比未涂布的要高的多。这就说明，该抗性突变的发生是在未接触噬菌布的要高的多。这就说明，该抗性突变的发生是在未接触噬菌体前，否则两组皿中菌落数应该相等。体前，否则两组皿中菌落数应该相等。涂布实验涂布实验生命科学与工程学院生命科学与工程学院影印培养实验影印培养实验 影印培养影印培养不含药物不含药物的培养皿的培养皿含药物含药物的培养皿的培养皿影印影印接种接种原始敏感原始敏感菌种菌种123458126791011生命科学与工程学院生命科学与工程学院一一表示正常的密码子一一表示正常的密码子=表示变化了的密码子表示变化了的密码子密码子下的中文代表氨基酸的略写密码子下的中文代表氨基酸的略写碱基的插入或缺失引起的移码突变碱基的插入或缺失引起的移码突变物理诱变剂引起的基因突变物理诱变剂引起的基因突变 紫外线照射后引起的紫外线照射后引起的DNA结构改变结构改变嘧啶的紫外线光化学反应产物嘧啶的紫外线光化学反应产物生命科学与工程学院生命科学与工程学院碱基类似物的置换作用碱基类似物的置换作用 5-BU的诱变作用的诱变作用 生命科学与工程学院生命科学与工程学院G:CG:BUeG:CG:CA:BUkA:TA:BU A:TA:TA:BUkG:BUeA:TA:BUG:C5-BU引起的碱基转换引起的碱基转换 5-BD引起的碱基转换引起的碱基转换 A.TAPT.APC.TAPGH.T.ATA.C.GCAP.APT.TAPAT.C.GGC.掺入后复制错误掺入后复制错误掺入错误掺入错误ATGCCGATAP引起的碱基转换引起的碱基转换生命科学与工程学院生命科学与工程学院烷化剂的诱变作用烷化剂的诱变作用 烷化剂引起的碱基转换烷化剂引起的碱基转换生命科学与工程学院生命科学与工程学院点植法检出营养缺陷型生命科学与工程学院生命科学与工程学院缺陷营养类别的确定缺陷营养类别的确定氨基酸缺陷型氨基酸缺陷型氨基酸维生素缺陷型氨基酸维生素缺陷型嘌呤嘧啶缺陷型嘌呤嘧啶缺陷型缺陷型所需生长因子的测定缺陷型所需生长因子的测定 营养缺陷型生长谱的测定营养缺陷型生长谱的测定转化过程示意图转化过程示意图生命科学与工程学院生命科学与工程学院流产转导示意图流产转导示意图生命科学与工程学院生命科学与工程学院局限转导局限转导E.coli K12的的噬菌体的不正常切离噬菌体的不正常切离生命科学与工程学院生命科学与工程学院细菌接合方法的基本原理细菌接合方法的基本原理生命科学与工程学院生命科学与工程学院四种接合型四种接合型E.coli菌株菌株F因子的存在方式及其相互关系因子的存在方式及其相互关系接合过程接合过程生命科学与工程学院生命科学与工程学院大肠杆菌接合（杂交）示意图大肠杆菌接合（杂交）示意图生命科学与工程学院生命科学与工程学院准性重组的含义准性重组的含义生命科学与工程学院生命科学与工程学院准性重组的过程及其特点准性重组的过程及其特点准性重组过程准性重组过程霉菌的准性循环霉菌的准性循环异核体分离异核体分离异核体异核体核融合核融合胞质配合胞质配合杂合二倍体杂合二倍体二倍体分离二倍体分离单倍体单倍体分离子分离子