第六章 微生物遗传变异与育种

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第六章 微生物的遗传和变异,微生物是现代遗传学、分子生物学和其它许多重要的生物学根底,研究中最热衷选用的模式生物。,为什么进化的速度以及复杂性变得越来越快？,根据化石记录显示，单细胞生物于35亿年前首次出现在地球上，但是之后它们用了大约25亿年进化成多细胞生物，剩下的10亿年却开展成了植物、哺乳动物、昆虫、鸟类等各种各样的地球物种。,研究微生物遗传学的意义,Rice大学科学家的研究结果可望解决这一问题，他们认为生物进化速度的加快是因为细菌和病毒不断在不同物种之间传递DNA，如果没有这种作用，只依靠基因突变和两性选择作用是不会到达如此快速度的。,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开展，而且为育种工作提供了丰富的理论根底，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开展。,在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品,的过程中，要想有效地大幅度提高产品的产,量、质量和花色品种,首先必须选育优良的生产,菌种，才能到达目的。优良菌种的选育是在微,生物遗传变异的根底上进行的。在一定条件下，二者是相互转遗传和变异是相互关联，同时又相互矛盾对化的。,遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。,遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。特点：具稳定性。,遗传型genotype：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；-是一种内在可能性或潜力。,遗传型+环境条件 表型,表型phenotype：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;,是一种现实存在，是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。,代谢,发育,遗传变异概念,变异(variation):生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。,特点:a.在群体中出现几率极低，一般为10-610-10,b.形状变化的幅度大；,c.变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。,饰变modification：指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。特点是：a.几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化；b.性状变化的幅度小；c.因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。,第一节 遗传变异的物质根底,种质连续理论：18831889年间Weissmann提出。认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物。,基因学说：1933年 Morgan发现了染色体，并证明基因在染色体上呈直线排列，提出了基因学说，使得遗传物质根底的范围缩小到染色体上。,染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。20多种氨基酸经过不同排列组合，可以演变出的蛋白质数目几乎可以到达一个天文数字，而核酸的组成却简单得多，一般仅由4种不同的核苷酸组成，它们通过排列核组合只能产生较少种类的核酸，因此当时认为决定生物遗传型的染色体和基因的活性成分是蛋白质。,遗传变异的物质根底是核酸，通过以下三个经典实验加以证明。,、肺炎球菌的转化试验,、噬菌体感染试验,、植物病毒的拆开与重建试验,一、证明核酸是遗传物质根底的三个经典实验,一经典转化实验transformation：,1928年F.Griffith，,研究对象：Streptococcus pneumoniae肺炎双球菌,S型菌株：有荚膜，菌落外表光滑，有致病性,R型菌株：无荚膜，菌落外表粗糙，无致病性,Griffith转化试验示意图,混合培养,R型活菌,S型活菌,S型热死菌,R型活菌,S型活菌,健康,病死,1动物实验对小鼠注射活R菌或死S菌 小鼠存活对小鼠注射活S菌小鼠死亡对小鼠注射活R菌和热死S菌 小鼠死亡抽取心血别离活的S菌,热死S菌不生长活 R 菌长出R菌热死S菌长出大量R菌和少量S菌,2细菌培养实验,平皿培养,+,活R菌,3S型菌的无细胞抽提液试验,实验说明：,加热杀死的S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R型细胞并使R型细胞获得稳定的遗传性状，转变为S型细胞。,活R菌+S菌无细胞抽提液长出大量R菌和少量S菌,加S菌DNA,加S菌DNA及DNA酶以外的酶,加S菌的DNA和DNA酶,加S菌的RNA,加S菌的蛋白质,加S菌的荚膜多糖,活R菌,长出S菌,只有R菌,1944年等,从热死S型中提纯了可能作为转化因子的各种成分,并在离体条件下进行了转化试验:,Avery的实验说明：,只有S型细菌的DNA才能将Pneumoniae的R型转化为S型;且DNA纯度越高，转化效率也越高。,也说明S型菌株转移给R型菌株的决不是遗传性状的本身，而是以DNA为物质根底的遗传信息。,二噬菌体感染实验,1952 年Hershey和Chase利用示踪元素，对大肠杆菌 T2 噬菌体进行了这类实验。,将,E.coli,分别培养在以放射性,32,PO,4,3-,或,35,SO,4,2-,作为磷源或硫源的组合培养基中.这种噬菌体再侵染不含标记元素的,E.coli,，并在完成吸附和侵入后，强烈搅拌洗涤，以便使吸附在菌体外表的 噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布，再进行离心沉淀，分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记。,1含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中,10分钟后,用捣碎器,使空壳脱离,吸附,离心,沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体,上清液中含,15%放射性,沉淀中含,85%放射性,沉淀中含,25%放射性,以,35,S,标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验,2含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中,10分钟后,用捣碎器,使空壳脱离,吸附,离心,沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体,上清液中含,75%放射性,实验结果,：几乎全部,35,S 都在上清液中，而几乎全部,32,P 和细菌一起出现在沉淀物中。,实验说明：,在其DNA中，含有包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。,三植物病毒的重建实验,1956年，H.Fraenkel-Conrat用含RNA的烟草花叶病毒TMV进行了植物病毒重建实验。,具体步骤：,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核心相别离。别离后的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病症，而且在病斑中还能别离出正常病毒粒子。,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：,2RNAHRV 蛋白质TMV,1RNATMV 蛋白质HRV,用两种杂合病毒感染寄主：,1表现TMV的典型病症病别离到正常TMV粒子,2表现HRV的典型病症病别离到正常HRV粒子。,结果说明，RNA也是遗传的物质根底,MTV HRV,HRV MTV,结论,通过这三个具有历史意义的经典实验，得到一个确信无疑的共同结论：,只有核酸才是负载遗传信息的真正物质根底。,二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式,一细胞水平,从细胞水平来看为细胞核；除此之外，在细胞质中存在着一些能自我复制的遗传物质，一般称这局部DNA 为质粒。,二亚细胞核水平,真核微生物的细胞核有核膜包围，形成具有完整形态、在光学显微镜下清晰可见的细胞核，核内DNA 与组蛋白结合在一起构成染色体。,三分子水平,DNA RNA在DNA 大分子上存在着决定某些遗传性状的特定区段，即所谓基因一个基因含假设干核苷酸碱基组成的三联密。,四种核苷酸，按其排列组合方式的不同，可编出三联密码 4364个，用于决定组成蛋白质的20 种氨基酸顺序。起始密码AUG和终止密码UAA、UGA和UAG。,第二节 微生物的基因突变,基因突变：泛指细胞内或病毒粒内遗传物质的分子结构或数量发生了可遗传的变化。,一、基因突变的类型,基因突变的类型是多种多样的，按突变体表型不同，可分为以下几种类型：,1形态突变型。,2条件致死突变型。,3营养缺陷突变型。,4抗性突变型。,5抗原突变型。,6产量突变型。,二、基因突变的特点,整个生物界，由于它们遗传变异的物质根底是相同的，因此显示在遗传变异的本质上都具有相同的规律，这在基因突变的水平上尤其突出。,1不对应性。,2自发性。,3稀有性。,4独立性。,5诱变性。,6稳定性。,7可逆性。,突变与选择证明实验,影印培养 replica plating (Lederberg 1952),证明：耐药突变是自发的、随机的，药物只起选择作用,无抗生素平板,含抗生素平板,标记点,2,耐药菌株,影印用无菌丝绒布,影印,后丝绒布上对应菌落,1,含抗生素培养管（细菌生长 混浊）,3,含抗生素培养管（细菌不生长 澄清）,3,第三节 微生物的基因重组,基因重组又称为遗传重组，它是指把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子的重新组合后，形成新遗传型个体的过程。,重组是分子水平上的概念，可以理解成是遗传物质分子水平上的杂交，而一般所说的杂交是细胞水平上的概念。,杂交中必然包含着重组，而重组那么不限于杂交一种形式。真核微生物中的有性杂交，准性生殖以及原核微生物中的转化、转导、接合和溶原转变等都是基因重组在细胞水平上的反映。,基因工程概念：,基因工程：用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质-DNA大分子提取出来，在离体的条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中使供体DNA进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。,基因工程在食品工业中的应用：,工程菌的构建外源基因的表达、工业发酵用菌种的改造,工业用酶蛋白的该性第二代基因工程,一、,基因工程技术,基因工程操作一般分为以下四个步骤：,1.目的基因的取得,2.载体的选择,3.目的基因与载体DNA的体外重组,4.重组载体引入受体细胞,获得目的基因的主要方法：,从供体细胞的DNA中别离酶切法、PCR扩增。,通过反转录酶的作用由mRNA合成cDNA拷贝数少的目的基因的获得。,由化学方法合成特定功能的基因磷酸二酯法、磷酸三酯法、固相亚磷酸三酯法，合成的长度150200bp，作用：合成基因的元件、合成引物、合成探针、用于基因的定点诱变、作为重组DNA连接的构件。,载体的选择,载体必须具备的几个条件：,必须是一个复制子,在受体细胞中有较高的复制率,最好只有一个内切酶切口,必须具有选择性遗传标记,目前常用载体：,质粒载体,噬菌体载体,柯斯质粒载体噬菌体DNA的COS序列和质粒复制子构成的特殊类型的质粒载体,目的基因与载体DNA的体外连接,核酸内切酶与DNA分子的体外切割：,在基因工程中，必须使用特定的内切酶一般为型内切酶消化目的基因与载体DNA，使它们产生互补的粘性末端或平末端，如EcoR消化DNA 产生的粘性末端为：,G3 5AATTC,CTTAA5 3G,目的基因与载体DNA用同一种内切酶消化，即产生相同的粘性末端，在低温5-6下进行退火时，互补的粘性末端配对重新形成带缺口的双链。,DNA连接酶进行目的基因与载体DNA的体外连接：,粘性末端连接来源于E.coli的DNA连接酶；平末端连接 T4 DNA连接酶。,重组载体引入受体细胞,受体细胞的种类：,微生物细胞E.coli B.subtilis S.cerevisiae,植物细胞,动物细胞,重组载体引入受体细胞的方法：,转化,转染,二、基因工程的应用及开展前景,基因工程在工业、农业、医疗、环保方面的应用。,基因工程与根本理论研究的关系。,基因工程的展望,在微生物工业应用中，微生物菌种工作主要包括以下四方面：,菌种的别离筛选：挑选符合生产要求的菌种，这是选种工作的任务。,菌种培育：改进已有菌种的生产性能，使产品的质和量不断提高,或使它更适应于工艺的要求,这是育种工作的任务。,菌种的保藏：一切生产菌种都要使它防止死亡和生产性能的下降，这是菌种保藏工作的任务。,退化菌种的复壮：如果发现菌种的生产性能下降，就要设法使它恢复，这便是菌种复壮工作的任务。,第