微生物遗传和变异课件.ppt

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1、 第一节第一节 菌种的衰退、复壮和保藏菌种的衰退、复壮和保藏 第二节第二节 遗传和变异的物质基础遗传和变异的物质基础 第三节第三节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种 第四节第四节 基因重组基因重组 第五节第五节 基因工程基因工程返回主目录返回主目录第八章第八章微生物的遗传变异和育种微生物的遗传变异和育种一一.菌种的衰退和复壮菌种的衰退和复壮 遗传性的变异是绝对的；它的稳定性是相对的。遗传性的变异是绝对的；它的稳定性是相对的。最最易易觉觉察察的的是是菌菌落落和和细细胞胞形形状状的的改改变变；生生长长速速度度的的减减缓缓，代代谢谢能能力力的的减减缓缓（产产量量少少，孢孢子子少少。侵侵染染力力下

2、下降降；抗性减低）抗性减低）正变体；衰退；复壮（狭义和广义）正变体；衰退；复壮（狭义和广义）第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种返回目录返回目录1）从衰退的菌种群体中把少数个体再找出来，重新获得具有从衰退的菌种群体中把少数个体再找出来，重新获得具有原有典型性状的菌种。原有典型性状的菌种。2）有意识地利用微生物会发生自发突变的特性，在日常的菌种）有意识地利用微生物会发生自发突变的特性，在日常的菌种维护工作中不断筛选维护工作中不断筛选“正变正变”个体。个体。大量群体中的自发突变大量群体中的自发突变菌种的复壮：a）纯种分离；b）通过寄主体进行复壮；菌种衰退的特点：二、防止衰退的措

3、施1）减少传代次数；减少传代次数；2）创造良好的培养条件；）创造良好的培养条件；3）经常进行纯种分离，并对相应的性状指标进行检查；）经常进行纯种分离，并对相应的性状指标进行检查；4）采用有效的菌种保藏方法；）采用有效的菌种保藏方法；三、菌种保藏三、菌种保藏在一定时间内使菌种不死、不变、不乱在一定时间内使菌种不死、不变、不乱基本要求：基本方法：生活态休眠态培养基传代培养寄主传代培养冷冻冷冻干燥干燥斜面、平板液氮、低温冰箱沙土管、冷冻真空干燥第一节第一节遗传和变异的物质基础遗传和变异的物质基础一一.3个经典实验个经典实验1、1944年，年，Avery精确重复了转化实验，精确重复了转化实验，确定了转

4、化因子确定了转化因子实验证明实验证明:将将R菌转化为菌转化为S菌的转化因子是菌的转化因子是DNA 第八章微生物的第八章微生物的遗传变遗传变异和育种异和育种返回目录返回目录 第八章微生物的第八章微生物的遗传变遗传变异和育种异和育种2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验实验证明：实验证明：进入进入细菌细胞内部的细菌细胞内部的物质是物质是DNA。DNA包含有产包含有产生完生完整噬菌体的全部整噬菌体的全部信息。信息。第八章微生物的第八章微生物的遗传变遗传变异和育种异和育种二二.遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式（一）遗传物质在（一）遗传物质在7个水平上的形式个水平

5、上的形式细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核细胞核水平细胞核水平:原与真核生物的细胞核结构不同原与真核生物的细胞核结构不同染色体水平染色体水平:倍性倍性(真核真核)和染色体数和染色体数核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 DNADNA或或RNARNA，复合或裸露，双链或单链，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，基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录转录翻译翻译密码子水平：密码子水平：信息单位信息单位,起始和终止起始和终止,核苷酸水平

6、：核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基突变或交换单位，四种碱基 第八章微生物的第八章微生物的遗传变遗传变异和育种异和育种（三）原核生物的质粒（三）原核生物的质粒1、定义、定义质粒（质粒（plasmid）：）：一种独立于染色体外，能进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。物细胞中。第八章微生物的第八章微生物的遗传变遗传变异和育种异和育种2、结构特点、结构特点通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalentlyclosedcircle，简称简称CCC)的超螺旋双链的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；分子存

7、在于细胞中；第八章微生物的第八章微生物的遗传变遗传变异和育种异和育种3、质粒的类型、质粒的类型严谨型质粒严谨型质粒(stringentplasmid)：复制行为与核染色体的复制同复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数步，低拷贝数松弛型质粒松弛型质粒(relaxedplasmid)：复制行为与核染色体的复制不同复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数步，高拷贝数窄宿主范围质粒窄宿主范围质粒(narrowhostrangeplasmid)（只能在一种特定的宿主细胞中复制）只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒广宿主范围质粒(broadhostrangeplasmid)（可以在许多种细菌中复

8、制）可以在许多种细菌中复制）第八章微生物的第八章微生物的遗传变遗传变异和育种异和育种一一.突变突变生物体的表型，突然发生了可遗传的变化。生物体的表型，突然发生了可遗传的变化。(一一).基因突变基因突变 营养缺陷型营养缺陷型 基因突变而丧失合成一种或几种生基因突变而丧失合成一种或几种生 长因子的能力类型。长因子的能力类型。选择性突变选择性突变 抗性突变型抗性突变型 产生对某种药物或物理因子的抗性产生对某种药物或物理因子的抗性 类型类型 条件致死突变型某种条件可生长，另一种条件死条件致死突变型某种条件可生长，另一种条件死 的类型。的类型。形态突变性形态突变性 个体或菌落形态所发生的非选择变个体或菌

9、落形态所发生的非选择变 化的类型。化的类型。非选择性突变非选择性突变 抗原突变型抗原突变型指基因突变引起的抗原结构发生指基因突变引起的抗原结构发生 突变的变异类型。（突变的变异类型。（L型细菌）型细菌）产量突变型产量突变型 指基因突变而获得的在有用代指基因突变而获得的在有用代 谢产物产量上高于原始菌株的突变株。谢产物产量上高于原始菌株的突变株。第八章微生物的第八章微生物的遗传变遗传变异和育种异和育种 .不不对对应应性性指指突突变变的的性性状状与与引引起起突突变变的的原原因因间间无无直直接接的的对对应应关关系。因这一突变有的可自发或其他诱变因子诱发获得。系。因这一突变有的可自发或其他诱变因子诱发

10、获得。.自发性自发性 变量实验变量实验:19431943年年S.E.Luria S.E.Luria 等又称波动实验等又称波动实验 涂布实验涂布实验:1949 1949 NewcombeNewcombe设计设计 平板培养法。平板培养法。平板影印实验平板影印实验:19521952证明微生物的抗药性在未接触证明微生物的抗药性在未接触 药物前就产生了，这一突变与药物毫无关系：产生药物前就产生了，这一突变与药物毫无关系：产生28 28 个突变株。个突变株。.稀有性稀有性 一般在一般在1010-6-6-10-10-9-9 .诱变性诱变性 可提高可提高10 10 -10 10 5 5 .稳定性稳定性 遗传结

11、构发生了稳定性的变化。遗传结构发生了稳定性的变化。.独立性独立性 在某在某一群体中，即可发生抗青霉素，又可发生抗链霉素的突变型一群体中，即可发生抗青霉素，又可发生抗链霉素的突变型 .可逆性可逆性 野生型基因野生型基因 突变型基因突变型基因.第八章微生物的第八章微生物的遗传变遗传变异和育种异和育种 基因突变的机理基因突变的机理 1.碱基的置换 碱基的置换属于一种染色体的微小损伤，也称点突变。分为转换（嘌呤换嘌呤，嘧啶换嘧啶）A-G；颠换（嘌呤换嘧啶或）A-T。2.移码突变 指诱变剂使DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的添加（插入）或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误。吖啶类染

12、料，包括亚啶黄。亚啶橙（诱变机制还不清楚）。第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种 1.背景辐射和环境因素 实质上是一些原因不详的低剂量诱变因素长期综合诱变作用的结果。辐射或高温。2.微生物自身有害代谢物的诱变效应，如自己产生过氧化氢的作用。3.互变异构效应酮式至烯醇式的互变效应引起。5-BU。第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种 1.1.自发突变与育种自发突变与育种 .从生产中选育从生产中选育 .定定向向培培育育优优良良品品种种用某一特定因素长期处理某些微生物的群体，同时不断的对他们进行移种传代，选择相应的自发突变菌株。传统的方法。卡卡介介苗苗（结结核核

13、分分支支杆杆菌菌）的的培培育育，法法国国科科学学家家A.CalmetteA.Calmette 和和C.GuerinC.Guerin把把牛牛型型结结核核分分支支杆杆菌菌接接种种了了230230代，前后代，前后1313年年，获得了显著减毒的卡介苗。2.2.诱变育种诱变育种 .基本环节基本环节可以概括为由少数到高效 第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种 （1）选择简便有效的诱变剂）选择简便有效的诱变剂：化学诱变剂种类很多，N-甲基-N硝基-N-亚硝基胍（NTG），诱变效果显著。NTG处理许多菌种，可得到1280%的营养缺陷型，又称为超诱变剂，而一般的诱变剂处理只得到几%，拟辐射（

14、有些烷化拟辐射（有些烷化剂既能诱发点突变，又能诱发只有辐射才能诱发的剂既能诱发点突变，又能诱发只有辐射才能诱发的染色体染色体畸变）。变）。任何能改变核酸结构的因素都可能引起核酸生物学功能的改变。三致“致变(正负)致畸 致癌”第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种1 1、平板上无大量菌落出现，说明样品不含诱变剂；、平板上无大量菌落出现，说明样品不含诱变剂；2 2、有抑制圈出现，并在外围长满大量菌落，说明浓度过高；、有抑制圈出现，并在外围长满大量菌落，说明浓度过高；3 3、在滤紙片周围长满菌落说明浓度合适。、在滤紙片周围长满菌落说明浓度合适。该法广泛用于监测食品饮料药物等试样中的

15、致该法广泛用于监测食品饮料药物等试样中的致 癌物时间癌物时间3 3天，天，准确率准确率85%85%。第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种化学诱变方法化学诱变方法（较为简单的一种）：先在平板表面涂一层出发菌株细胞，然后在平板上放几棵很小的诱变颗粒，或含诱变剂的滤纸片，在菌圈的边缘挑取突变菌落，分别制成悬乳液，稀释涂抹接种，最后用影印培养法或逐个检出法选出突变株。物理诱变剂物理诱变剂：紫外线、其它射线。常用的物理诱变方法常用的物理诱变方法：紫外线诱变15w灯，30厘米，时间不短于15秒，不长于10-20分，将5毫升单细胞悬液，放置在6厘米的培养皿中在无盖条件下照射。第八章微生物

16、的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种.诱变育种应考虑的原则：诱变育种应考虑的原则：（2 2）挑选优良的出发菌株）挑选优良的出发菌株 最好是经过选育过的自发变异株。（3 3）处理单孢子（或单细胞）、均匀悬液）处理单孢子（或单细胞）、均匀悬液 尽管如此还会出现不纯的菌落，称为表型延迟。因为诱变剂只作用于DNA一条连，故某一突变无法反映在当代表型上，对霉菌放线菌处理孢子，对芽孢杆菌处理芽孢。（4 4）选用最适剂量选用最适剂量 目前采用杀菌率为7075%，甚至3070%（5 5）充分利用复合处理的协同效应）充分利用复合处理的协同效应 同一诱变剂的重复使用、两种混合或多种先后使用、同时使用等（6

17、 6）利用和创造形态、生理和产量间的相关指标）利用和创造形态、生理和产量间的相关指标 一般分为初筛和复筛两种方案。第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种.培养基的培养基的选择选择 基本培养基（MM）仅能满足某微生物野生型营养菌株生长的 最低组分培养。完全培养基（CM）凡可满足一切营养缺陷型菌株营养需要的 天然或半合成培养基，称为完全培养基。补充培养基（SM）凡只能满足相应营养缺陷型菌株营养需要 的组合培养基，称为补充培养基。第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种 筛选方案：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实际工作中，为了提高筛选效率

18、，往往将筛选工作分为初筛和复筛两步进行。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；至于漏网；因此，初筛工作以量为主，测定的精确因此，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。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；复筛的目的：确认符合要求的菌株；复筛以质为主，复筛以质为主，应精确测定每个菌株的生产指标。应精确测定每个菌株的生产指标。筛选是最为艰难的也是最为重要

19、的步骤.可可见，设计和采用效率高的和采用效率高的筛选方案和方法方案和方法极其重要。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：第一轮：第一轮：一个出发菌株一个出发菌株选出选出200个菌株个菌株选出选出50株株选出选出5株株诱变处理初筛（每瓶一株）复筛（每瓶四株）第二轮：第二轮：5个出发菌株个出发菌株选出选出50株株选出选出5株株40株株40株株40株株40株株40株株诱变处理初筛复筛（每瓶一株）（每瓶四株）概念凡把两个不同性状个体内的基因转移到一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传型个体的方式。注意：重组是分子水平上的，杂交是细胞水平上的概念。杂交包含重组，重组不局限于杂交

20、这一形式。真核微生物中的有性杂交，准性杂交等及原核生物中的转化、转导结合等都是基因重组在细胞上的反映。第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种返回目录返回目录 1.1.转化转化 受体菌直接吸收了来自供体菌的DNA片段，通过交换把它整合在自己的基因组中，再经复制就使自己变成一个转化子。这种受体菌接受供体菌的DNA片段而获得部分新遗传性状的现象称为转化或转化作用。第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种感受态感受态受体细胞最易接受外源DNA片段并实现其转化的一种生理状态。第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种 转转导导通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体的

21、媒介，把供体细胞的DNA小片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，从而使后者获的前者部分的遗传性状的现象。获得新遗传性状的受体细胞为转导子转导子。普遍转导由温和噬菌体携带供体菌基因组中的任何一部分染色体片段，当他去感染受体菌时，使后者获得了这部分遗传性状的现象。第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种 1.有有性性杂杂交交指性细胞间的结合和随之发生的染色体重组，并产生新遗传型后代的一种育种技术。凡能产生有性孢子的酵母或霉菌原则上都可应用由于高等动植物杂交育种的方式进行育种。2.准准性性杂杂交交是一种类似于有性生殖，但比它更为原始的一种生殖方式，它可使同种生物两个不同菌株的体细胞发

22、生融合，且不以减数分裂的方式而导致低频率的基因重组并产生组重子。第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种准性杂交主要过程为：主要过程：菌丝连接：它发生在形态上没有区别，但在遗传性上有差别的同一菌种的两个不同菌株的体细胞间，频率很低。形成异核体：两个体细胞经联合后，使原来的两个单倍体核集中到同一细胞中，形成异核体，异核体能独立生活。核融合：在异核体中的双核，偶然可以发生核融合，产生双倍体杂合子。10-5-10-7。第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种 概概念念：基基因因水水平平上上的的遗遗传传工工程程。既既用用人人为为的的方方法法将将所所需需要要的的某某一一供

23、供体体生生物物的的遗遗传传物物质质DNA提提取取出出来来，在在离离体体条条件件下下用用适适当当的的工工具具酶酶进进行行切切割割，把把他他与与作作为为载载体体的的DNA分分子子连连接接起起来来，染染后后与与载载体体一一起起导导入入某某一一更更易易生生长长的的受受体体细细胞胞中中，让让外外源源DNA在在其其中中安安家家落落户户，进进行行正正常常的的复复制制和和表表达达，从从而而获获得新物种的一种崭新的育种技术。得新物种的一种崭新的育种技术。1.基因工程的基本操作基因工程的基本操作2.基因工程的应用和发展前景基因工程的应用和发展前景生生产产多多肽肽类类药药物物、疫疫苗苗中中的的应应用用：改改造造传传统统工工业业发发酵酵菌菌种种；动植物特性的基因工程改良：基因工程在环境保护中的应用。动植物特性的基因工程改良：基因工程在环境保护中的应用。第八章微生物的遗传变异和育种第八章微生物的遗传变异和育种返回目录返回目录 第八章微生物的第八章微生物的遗传变遗传变异和育种异和育种