第六章 微生物遗传变异育种

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,*,1、微生物遗传学根底,遗传与变异的概念,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,遗传与变异的概念,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,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。变异的特点：a.在群体中以极低的几率出现，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。,例如：粘质沙雷氏菌：在25下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25，又恢复产色素的能力。,1.1.1 DNA作为遗传物质,Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验,分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶,作用于有毒的S型菌细胞抽提物,只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性,DNA是转化所必需的转化因子,1.1 遗传变异的物质根底,肺炎链球菌的转化现象,T2噬菌体感染实验1952年,侯喜-蔡斯Hershey-Chase,烟草花叶病毒经弱碱、尿素、去垢剂等处理，可以将其蛋白外壳与,RNA,分开，重新将蛋白外壳与,RNA,混合，病毒粒子又会重建。,将普通的,TMV,外壳与毒株霍氏车前花叶病毒,HR,的,RNA,混合构成杂种病毒。,TMV,抗体处理会使其钝化，不能引起病斑。,而用HR抗体处理，那么不会影响杂种病毒的感染性，这说明杂种病毒的外壳确实是TMV病毒的外壳。,杂种病毒感染烟草后，在烟叶上出现HR的病斑，而且从中别离到具HR外壳的HR病毒，这说明是TMV的RNA、而不是蛋白质携带着病毒的所有遗传信息。,烟草花叶病毒经弱碱、尿素、去垢剂等处理，可以将其蛋白外壳与RNA分开，重新将蛋白外壳与RNA混合，病毒粒子又会重建。,1.1.3 朊病毒的发现与思考,亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚为,发现该蛋白内含有核酸。,其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrP,c,改变折叠状态为,PrP,sc,所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。,人的库鲁病(kuru)、克雅氏病(Creutzfeldt Jakob disease,CJD)等,羊搔痒症(scrapie),牛海绵状脑病(spongiform encephalopathy),引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病,Prusiner(1982)提出羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒,proteinaceous infectious particle，并将之称做Prion或Virino。,-朊病毒,1997年，Stanley B.Prusiner荣获诺贝尔奖,核酸存在的七个水平及质粒,细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核,细胞核水平:原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA,染色体水平:倍性(真核)和染色体数,核酸水平：在原核中同染色体水平、存在局部二倍体 DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链,基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录翻译,密码子水平：信息单位,起始和终止,核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基,1.2 遗传物质在细胞内的存在部位和方式,原核生物的核质,类核或拟核nucleoids,习惯上仍称为“梁色体,细菌类核结构：,也存在一些RNA,可能不是必需组份别离中带上,蛋白质和DNA,E.coli,的DNA,大约4510个形成超螺旋的环,高度折叠的结构使DNA分子长度压缩了千余倍,1.3 微生物的染色体分子结构,1.3.1 原核微生物拟核体,DNA分子形成环状，这种环呈超螺旋状,它从致密的含蛋白质的结构中伸出支架,E.coli 2.4109 Da，42000 Kb1300微米，闭合环 状，约编码2000个基因。,类核nucleoid。,支架(scafford 50-100个DNA环组成，每200bp就有一个负超螺旋,DNA这种高度折叠的结构使DNA分子长度压缩了千余倍。,1.3.2 真核微生物染色体,(1)染色质的根本结构,真核基因组的DNA是与蛋白质结合的染色质,染色质：细胞核中被碱性染料所染的成分,染色体：有丝分裂时所见的棒状结构,染色质,核小体是染色质的根本结构单位,核小体结构模型,(2)染色体的结构模型,染色体的结构是由两条,染色单体(chromatid),组成的。,每条染色单体包括一条,染色线(chromonema),，以及位于线上许多染色很深、颗粒状的,染色粒(chromomere),细胞分裂过程中染色质线卷缩成为一定形态结构的染色体,(3)着丝粒和端体,着丝粒是染色体的缩缢部位，是细胞分裂过程中纺锤丝(spindle fiber)结合的区域。,端粒的功能,防止染色体末端为DNA酶酶切；,防止染色体末端与其它DNA分子的结合,使染色体末端在DNA复制过程中保持完整,2.4 微生物基因组,基因组genome：,一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称,原核生物如细菌，多为单倍体在一般情况下只有一条染色体,真核微生物，多条染色体，例如啤酒酵母有16条染色体。有时为双倍体,有代表性的生物体内DNA大小,分子量,碱基对（bp),最简单的微生物,SV40病毒,310,6,510,3,噬菌体,3.410,7,510,4,细菌,大肠杆菌,2.210,9,4.610,6,哺乳动物,小鼠,1.510,12,2.310,9,人,1.810,12,2.810,9,1.4.1原核生物细菌、古生菌的基因组,1染色体为双链环状的DNA分子单倍体；,链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规那么小体形式,存在于细胞中，该小体称为拟核(nucliod)，其上结合有类组蛋白蛋,白质和少量RNA分子，使其压缩成一种手脚架形的致密结构。,2基因组上遗传信息具有连续性；,基因数根本接近由它的基因组大小所估计的基因数,微生物基因组DNA绝大局部用来编码蛋白质、RNA；用作为复制,起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信,号序列。,一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。,真核生物基因组的一个重要,特点就是含有内含子,个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的rRNA和tRNA中也发现有内含子或间插序列,3功能相关的结构基因组成操纵子结构；,4结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；,5基因组的重复序列少而短；,古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统(复制、,转录和翻译)那么与细菌不同而类似于真核生物。,操纵子operon：,功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组,共同的控制位点启动子、操作子等在基因转录时协同动作。,1.4.2真核微生物啤酒酵母的基因组,1典型的真核染色体结构；,2没有明显的操纵子结构；,啤酒酵母基因组大小为13.510,6,bp，分布在16条染色体中。,3有间隔区即非编码区和内含子序列；,4重复序列多；,1.5 染色体外遗传成份,基因不仅存在在染色体上，还存在于细胞中的染色体外的遗传因子上,核外染色体,真核生物的“质粒,原核生物的质粒,线粒体,细胞质基因叶绿体,质体中心体,动 体,共生生物：卡巴颗粒,酵母菌的2m质粒,F因子,R因子,Col质粒,Ti质粒,巨大质粒,降解性质粒,1.5.1 原核微生物核外遗传物质,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。,(1)质粒的分子结构,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。,对于由于三种构型同时存在时造成的多带现象提取质粒时造成或自然存在，可以进行特异性单酶切，使其成为一条带。,特定的质粒提取方法和后处理使染色体和RNA均被除掉。,(2)质粒的主要类型,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。,质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；,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,1)致育因子(Fertility factor，F因子),又称F质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌,的有性生殖现象接合作用有关的质粒。,携带F质粒的菌株称为F+菌株,相当于雄性，无F质粒的,菌株称为F-菌株相当于雌性。,F因子能以游离状态(F+)和,以与染色体相结合的状态,(Hfr)存在于细胞中，所以,又称之为附加体(episome)。,2)抗性因子Resistance factor，R因子,包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。,R100质粒(89kb)可使宿主对,以下药物及重金属具有抗性：,汞mercuric ion，mer,四环素tetracycline，tet,链霉素(Streptomycin,Str)、,磺胺(Sulfonamide,Su)、,氯霉素(Chlorampenicol,Cm),夫西地酸fusidic acid，fus,并且负责这些抗性的基因是,成簇地存在于抗性质粒上。,抗性质粒在细菌间的传递是细菌,产生抗药性的重要原因之一。,3)产细菌素的质粒Bacteriocin production plasmid,细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用processing的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有“免疫力的相关产物的基因,一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死,同种但不携带该质粒的菌株。,细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：,大肠杆菌E.coli产生的细菌素为colicins大肠杆菌素，,而质粒被称为Col质粒。,由G,+,细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不同，,但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸,细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G,+,细菌的生长，而被用于,食品工业的保藏。,4)毒性质粒virulence plasmid,许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒,具有编码毒素的基因，其产物对宿主动物、植物造成伤害。,产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病