第8章微生物遗传课件

,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8章 微生物遗传,第8章 微生物遗传,1,基因的水平转移：,个体,A,个体,B,遗传物质,通过基因的重组可使后者（,个体,B,）及其后代,的性状发生改变。,细菌所特有的基因重组形式，有别于一般,有性过程,中,的亲本和其后代之间遗传信息的,垂直传递,形式。,基因的水平转移：个体A个体B遗传物质通过基因的重组可使后者（,2,细菌基因的水平转移和重组,本节重点：,三种基因水平转移方式及其应用,水平基因转移,（,Horizontal gene transfer,HGT,），不仅发生在不同的,微生物细胞之间,，而且也发生在,微生物,与,高等动植物,之间。,生物间基因的转移和交换是普遍存在的，是生物进化的重要动力之一。,细菌基因的水平转移和重组本节重点：三种基因水平转移方式及其应,3,第,3,节 细菌基因的水平转移和重组,细菌的三种水平基因转移形式,接合,（,Conjugation,）,转导,（,Transduction,）,转化,（,Transformation,）,第3节 细菌基因的水平转移和重组细菌的三种水平基因转移形式接,4,接合(,conjugation)：,细胞与细胞的直接接触（由,F,因子介导）,转导(,transduction)：,由噬菌体介导,自然遗传转化(,natural genetic transformation)：,游离,DNA,分子+感受态细胞,接合(conjugation)：细胞与细胞的直接接触（由F,5,一、细菌的接合作用(,conjugation),通过细胞与细胞的直接接触而产生的,遗传信息的转移和重组过程,1.实验证据,1946,年，,Joshua Lederberg,和,Edward L.Taturm,细菌的多重营养缺陷型杂交实验,一、细菌的接合作用(conjugation)通过细胞与细胞的,6,中间平板上长出的原养型菌落,是两菌株之间发生了遗传交换,和重组所致！,中间平板上长出的原养型菌落,7,证实接合过程需要细胞间的直接接触的,“,U”,型管实验（,Bernard Davis，1950,）,证实接合过程需要细胞间的直接接触的,8,接合：,供体与受体细胞直接接触，借性菌毛传递,DNA,，在受体细胞中发生交换、整合，使之获得供体菌的遗传性状的现象，称为接合。通过接合而获得新性状的受体细胞就称接合子。,接合：,9,2.机制,(大肠杆菌的接合机制),接合作用是由一种被称为,F,因子的质粒介导,F,因子的分子量通常为510,7,，上面有编码细菌产生性菌毛,（,sex pili,）,及控制接合过程进行的20多个基因。,含有,F,因子的细胞：“雄性”菌株（,F,+,），,其细胞表面有性菌毛,不含,F,因子的细胞：“雌性”菌株（,F,-,），,细胞表面没有性菌毛,2.机制(大肠杆菌的接合机制)接合作用是由一种被称为F因子,10,第,3,节 细菌基因的水平转移和重组,细菌的三种水平基因转移形式,接合,转导,转化,第3节 细菌基因的水平转移和重组细菌的三种水平基因转移形式接,11,二、细菌的转导（,transduction）,由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式：,一个细胞的,DNA,通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中,能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒,DNA,带到另一个细菌的噬菌体称为,转导噬菌体,细菌转导的二种类型：,普遍性转导,局限性转导,二、细菌的转导（transduction）由噬菌体介导的细菌,12,A,B,-,-,Try+his+,Try-his+,Try+his-,定义：以温和,噬菌体为媒介，将供体细胞的,DNA,片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，从而使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。获得新遗传性状的受体细胞，称转导子。,AB-Try+his+Try-his+Try+hi,13,1、普遍性转导（,generalized transduction）,噬菌体可以转导,给体染色体的任何部分,到受体细胞中的转导过程,(1)意外的发现,1951年，,Joshua Lederberg,和,Norton Zinder,为了证实大肠杆菌以外,的其它菌种是否也存在接合作用，用二株具不同的多重营养缺陷型,的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验：,用“,U”,型管进行同样的实验时，在给体和受体细胞,不接触的情况下，同样出现原养型细菌！,1、普遍性转导（generalized transducti,14,三、细菌的遗传转化（,genetic transformation）,定义：,同源或异源的游离,DNA,分子(质粒和染色体,DNA),被自然,或人工感受态细胞摄取，并得到表达的,水平方向,的基因转移过程,自然遗传转化（,natural genetic transformation）,人工转化（,artificial transformation）,感受态细胞：,具有摄取外源,DNA,能力的细胞,（,competent cell）,三、细菌的遗传转化（genetic transformati,15,R,型活菌,+S,型死菌,S,型活菌,定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌的游离,DNA,片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的受体菌称为转化子（,transformant,）。,有关名词：,受体菌：,recipient/receptor,，转化基因的接受者,供体菌：,donor,，转化基因的提供者,转化因子：来自供体菌的,DNA,片段,转化子：,transformant,，将转化基因重组进入自身染色体组的重组子,转化（,transformation,）,1,、转化及其发现：,R型活菌+,16,受体细胞要处于感受态,.,感受态,：,competence,，受体细胞能从环境吸取外源,DNA,片段并实现其转化的一种生理状态,供体,DNA,片段（,转化因子,）,大小适宜，分子量一般为1,10,7,D,左右,菌株间的亲缘关系密切,2,、转化发生的条件：,3,、转化的类型：,根据感受态建立的方式，可以分为：,自然遗传转化,natural genetic transformation,人工转化,artificial transformation,受体细胞要处于感受态.2、转化发生的条件：,17,感受态：,出现时间,：只在细菌生长的某一时期出现；不同菌种的感受态出现在不同生长时期,Streptococcus pneumoniae,的感受态出现在生长曲线中的指数期的中期；,Bacillus,的一些种则往往出现在指数期末及稳定期的初期。,感受态由细胞的遗传性决定，但同时也受环境因子的影响：,cAMP,、,Ca2+,等最明显。如用,CaCl2,处理,E.coli,可以诱发其产生感受态。,感受态细胞的比例：,当处于感受态高峰时，群体中呈感受态的细胞因菌种而不同,.,Bacillus subtilis,不超过,1015%,Streptococcus pneumonia,和,Haemophilus influenzae,（流感嗜血杆菌）达到,100%,转化,DNA,的最低浓度：,在群体中含有,15%,感受态细胞时，,0.1,gDNA/ml,细胞悬液即可有效发生转化,感受态：出现时间：只在细菌生长的某一时期出现；不同菌种的感,18,1、自然遗传转化（简称自然转化）,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,进行自然转化，需要二方面必要的条件：,建立了,感受态的受体细胞,外源游离,DNA,分子,1、自然遗传转化（简称自然转化）1928年，Griffith,19,2、人工转化,用,CaCl,2,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、人工转化用CaCl2处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化手,20,接合(,conjugation)：,细胞与细胞的直接接触（由,F,因子介导）,转导(,transduction)：,由噬菌体介导,自然遗传转化(,natural genetic transformation)：,游离,DNA,分子+感受态细胞,接合(conjugation)：细胞与细胞的直接接触（由F,21,诱变育种：,是用物理或化学的诱变剂使诱变对象内的遗传物质（,DNA,）的分子结构发生改变，引起性状变异并通过筛选获得符合要求的变异菌株的一种育种方法。,诱变育种具有极其重要的实践意义,。当前发酵工业和其他微生物生产部门所使用的高产菌株，几乎毫无例外地都是通过诱变育种而明显提高其生产性能的。,第四节,诱变育种,诱变育种：是用物理或化学的诱变剂使诱变对象内的遗传物质（DN,22,可见，设计和采用效率高的筛选方案和方法极其重要。,以选育高产突变株为例，诱变育种的基本环节概括如下：,可见，设计和采用效率高的筛选方案和方法极其重要。以选育高产突,23,诱变,育种的步骤,：,原始菌种,纯化,斜面,/,肉汤培养,单孢子,/,单细胞悬液,诱变剂处理,平板分离,移至斜面,小试,中试,初筛,复筛,计算存活率,观察形态变异，挑单菌落,良种保藏,原菌种特性鉴定,诱变育种的步骤：原始菌种纯化斜面/肉汤培养单孢子/单细胞悬,24,诱变育种的基本过程：,选择选择合适的出发菌株,制备待处理的菌悬液,诱变处理,筛选,保藏和扩大试验,诱变育种的基本过程：选择选择合适的出发菌株,25,1.,出发菌株的选择：,出发菌株,用来,育种处理的,起始菌株,出发菌株应具备：,对诱变剂的敏感性高；,具有特定生产性状的能力或潜力；,出发菌株的来源；,自然界直接分离到的野生型菌株：历经生产考验的菌株：已经历多次育种处理的菌株：,1.出发菌株的选择：出发菌株用来育种处理的起始菌株,26,3.,诱变处理：,诱变剂的作用：,提高突变的频率,扩大产量变异的幅度,使产量变异朝着正突变或负突变移动,剂量的表示法,：不同种类和不同生长阶段的微生物对诱变剂的敏感程度不同，所以在诱变处理前，一般应预先作诱变剂用量对菌体死亡数量的致死曲线，选择合适的处理剂量。,致死率是最好的诱变剂相对剂量的表示方法。,最适剂量的选择,：产量性状的育种中多倾向于低剂量（致死率在,70-80%,）,3.诱变处理：,27,选择诱变剂的种类,：在选用理化因子作诱变剂时，在同样效果下，应选用,最方便,的因素；而在同样方便的情况下，则应选择,最高效,的因素。在物理诱变剂中，尤以,紫外线,为最方便，而在化学诱变剂中，一般可选用诱变效果最为显著的“超诱变剂”，如,NTG,。,简便有效的诱变方法：,紫外线的照射最为方便。,化学诱变剂的种类、浓度和处理方法尤其是中止反映的方法很多，实际工作时可参看有关书籍。一种较有效的简易处理方法的大致操作步骤是：先在平板上涂上出发菌株细胞，然后在平板上均匀地放上几颗很小的诱变剂颗粒（也可放吸有诱变剂溶液的滤纸片），经培养后，在制菌圈的边缘挑取若干突变菌落，分别制成悬浮液，然后将其涂在一般平板表面使长出许多单菌落，最后可用影印培养法或逐个检出法选出突变种。,选择诱变剂的种类：在选用理化因子作诱变剂时，在同样效果下，应,28,4.,菌种筛选,4.1,筛选方案：,实际工作中，为了提高筛选效率，往往将筛选工作分为初筛和复筛两步进行。,初筛的目的：删去明确不符合要求的大部分菌株，把生产性状类似的菌株尽量保留下来，使优良性状的菌株不至于漏网；,因此，初筛工作以量为主，测定的精确性还在其次；初筛手段应尽可能快速、简单。,复筛的目的：确认符合要求的菌株；,复筛以质为主，应精确测定每个菌株的生产指标。,筛选是,