廈大微生物課件第七章微生物遺傳變異與育種

Chap.7

微生物遺傳變異和育種

當前1頁，總共102頁。

微生物遺傳學研究意義1）微生物學的主要分支2）為生命遺傳現(xiàn)象的解釋提供依據(jù)3）是分子生物學發(fā)展的基礎(chǔ)學科4）促進工業(yè)微生物菌種的選育

當前2頁，總共102頁。§.1遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)

一、證明遺傳物質(zhì)的三個典型實驗

----細菌轉(zhuǎn)化實驗----噬菌體感染實驗----植物病毒的重建實驗

當前3頁，總共102頁。1、細菌轉(zhuǎn)化實驗----動物試驗(Grifith,1928)當前4頁，總共102頁。----細菌培養(yǎng)實驗S（死）+R（活）S（少量活）+R（活）S（無細胞提取液）+R（活）S（少量活）+R（活）當前5頁，總共102頁。----細菌培養(yǎng)試驗（Avery，1944）當前6頁，總共102頁。當前7頁，總共102頁。2．噬菌體感染實驗(Hershey;Chase,1952)當前8頁，總共102頁。3．植物病毒的重建實驗(Fraenkel-Conrat,1956)當前9頁，總共102頁。二、遺傳物質(zhì)在細胞內(nèi)的存在部位和方式（一）真核與原核微生物遺傳物質(zhì)比較

當前10頁，總共102頁。●原核與真核微生物基因組大小當前11頁，總共102頁。細菌染色體數(shù)目與形狀當前12頁，總共102頁?！窦毦旧w結(jié)構(gòu)當前13頁，總共102頁。真核微生物染色體結(jié)構(gòu)(示核小體）

當前14頁，總共102頁。真核生物基因結(jié)構(gòu)當前15頁，總共102頁。真核微生物基因表達控制當前16頁，總共102頁。（二）原核生物的質(zhì)粒

質(zhì)粒：游離于染色體外，獨立復制，環(huán)狀、共價、閉合dsDNA分子，即cccDNA。當前17頁，總共102頁?！褓|(zhì)粒的特點1）大?。捍筚|(zhì)粒：>60kb、1/cell小質(zhì)粒：10-20/cell當前18頁，總共102頁。2）自主復制能力：型復制、滾環(huán)復制當前19頁，總共102頁。

數(shù)量控制：嚴緊型；松弛型當前20頁，總共102頁。3）轉(zhuǎn)移性：Tra區(qū)基因：附加體：某些質(zhì)粒既可整合進宿主染色體，又可與染色體脫離，稱之~。當前21頁，總共102頁。4）質(zhì)粒的消除：

----理化因子----原生質(zhì)體誘導法當前22頁，總共102頁。5）不相容性：

兩種親緣關(guān)系相近的質(zhì)粒不能穩(wěn)定地存在于同一個細胞中。（G-菌的部分不相容群）當前23頁，總共102頁?！褓|(zhì)粒的遺傳表型1） F質(zhì)粒（致育因子）Tra基因：編碼轉(zhuǎn)移相關(guān)蛋白；合成性纖毛

當前24頁，總共102頁。2）R質(zhì)粒（抗藥因子）----RTF基因（抗性轉(zhuǎn)移因子）----抗性決定子（抗抗生素、抗藥、抗種金屬）當前25頁，總共102頁。3）Col質(zhì)粒（大腸桿菌素因子）----產(chǎn)大腸桿菌素細菌素：由細菌質(zhì)粒編碼產(chǎn)生的只能抑制或殺滅近緣細菌或同種不同菌株的蛋白質(zhì)。Col質(zhì)粒類型：----非接合型：松弛型----接合型：嚴緊型當前26頁，總共102頁。4）Ti質(zhì)粒：合成冠癭堿、大型質(zhì)粒5）Ri質(zhì)粒：產(chǎn)生根毛、大型質(zhì)粒當前27頁，總共102頁。7）降解質(zhì)粒：降解、接合當前28頁，總共102頁。8）致病性質(zhì)粒：溶血素、腸毒素（S.aureus）9）共生固氮質(zhì)粒：----結(jié)瘤基因（nod）----固氮基因（nif）10）隱蔽質(zhì)粒：---未有明確表型當前29頁，總共102頁?！窆こ藤|(zhì)粒----pBR322主要特點：1）分子量小2）穩(wěn)定、松弛型復制3）可大量擴增4）容易分離5）可攜帶小于10kb外源DNA 6）帶有2個選擇標記;7）多個單一酶切位點8）容易轉(zhuǎn)化當前30頁，總共102頁。●利用選擇標記鑒別攜帶外源片段的轉(zhuǎn)化子(雙抗菌素對照篩選）當前31頁，總共102頁。建議讀物當前32頁，總共102頁。

§.2基因突變和誘變育種

一、基因突變●野生型菌株：從自然界分離獲得的菌株，稱之為~?！窕九囵B(yǎng)基(MM)：滿足野生型菌株生長最低營養(yǎng)要求的合成培養(yǎng)基。當前33頁，總共102頁。（一）突變類型●營養(yǎng)缺陷型：野生型菌株由于突變而喪失了某種營養(yǎng)合成能力，而無法在基本培養(yǎng)基上生長的變異類型。

表示：基因：his+，his-；表型：His+，His-當前34頁，總共102頁。●抗性突變型：野生型菌株由于突變而產(chǎn)了對某些化學藥物或致死物理因子抗性變異類型。表示：基因：

strr、strs；tetr、tets；

表型：Strr，Strs當前35頁，總共102頁。

●條件致死突變型：某些菌株或病毒經(jīng)基因突變后，在某種條件可生長并實現(xiàn)表型，而在另一條件卻無法生長繁殖的突變類型。(如溫度敏感突變株：Ts）●形態(tài)突變株●抗原突變株●產(chǎn)量突變株當前36頁，總共102頁。●突變株類型劃分：----選擇性突變株：營養(yǎng)缺陷型、抗性突變型、條件致死突變型----非選擇突變株：形態(tài)、抗原、產(chǎn)量突變型當前37頁，總共102頁。（二）突變率及其撿出●突變率：某一細胞在每一世代中發(fā)生突變的幾率。常用單位群體中每一世代產(chǎn)生的突變株的數(shù)目來表示。當前38頁，總共102頁?！裢蛔冎甑膿斐黾巴蛔兟实挠嬎銚斐龇椒ǎ?）選擇性突變株----營養(yǎng)缺陷型----抗藥性突變回復突變:當前39頁，總共102頁。（三）基因突變的自發(fā)性與不對稱性

●突變的自發(fā)性：基因可自發(fā)產(chǎn)生突變。（輻射、自身有害物質(zhì)、堿基配對錯誤）●突變的不對應(yīng)性：突變性狀與引起突變的環(huán)境因素無直接對應(yīng)關(guān)系。當前40頁，總共102頁。●平板影印培養(yǎng)試驗

(Lederberg)當前41頁，總共102頁。（四）基因突變及其機制1、誘發(fā)突變(點突變,畸變)1)點突變(1)堿基置換---轉(zhuǎn)換---顛換當前42頁，總共102頁。●可能的突變型：錯義突變無義突變同義突變當前43頁，總共102頁。

●相關(guān)的誘變劑－－直接引起置換：

亞硝酸、亞硝基胍、羥胺、烷化劑－－間接引起置換：堿基類似物（5－BU,5-AU)當前44頁，總共102頁。(2）移碼突變DNA序列中插入或缺失少數(shù)核苷酸，從而使該處后面遺傳密碼的閱讀框架發(fā)生改變的突變。當前45頁，總共102頁。2）染色體畸變

DNA分子的大段損傷，包括缺失、重復、插入、易位（轉(zhuǎn)座）和倒拉等。●轉(zhuǎn)座：DNA分子通過非同源重組方式，從染色體的某一部位轉(zhuǎn)移到另一部位的現(xiàn)象。

當前46頁，總共102頁?！褶D(zhuǎn)座因子凡具有轉(zhuǎn)座作用的DNA序列均稱之~。

特點：---轉(zhuǎn)座作用---末端重復序列---轉(zhuǎn)座酶基因當前47頁，總共102頁?！褶D(zhuǎn)座因子類型插入序列轉(zhuǎn)座子(或稱復合轉(zhuǎn)座子）轉(zhuǎn)座噬菌體當前48頁，總共102頁。

a）插入序列(IS)b）轉(zhuǎn)座子(Tn)當前49頁，總共102頁?！褶D(zhuǎn)座機理當前50頁，總共102頁。●轉(zhuǎn)座子的遺傳效應(yīng)和生物學意義（復制型轉(zhuǎn)座）遺傳效應(yīng)1）插入突變2）DNA重排意義：進化，獲得突變株，抗藥性鑒定必須基因當前51頁，總共102頁。

（五）紫外線對DNA的損傷及其修復1．損傷的機理：

形成胸腺嘧啶二聚體2、修復作用

1）光復活作用光解酶-二聚體復合物為光激活

當前52頁，總共102頁。2.暗修復作用：

當前53頁，總共102頁。3、重組修復4、SOS修復當前54頁，總共102頁。

二、

突變與育種（一）自發(fā)突變與育種(定向培育）（二）誘變育種當前55頁，總共102頁。1、基本原則（應(yīng)考慮的問題）1）誘變劑的選擇(有效性,安全性，簡便性)當前56頁，總共102頁?！裾T變劑誘變效果測定（回復突變率的測定）---艾姆氏試驗(檢測三致物質(zhì)）當前57頁，總共102頁。2）出發(fā)菌株3）誘變菌株的狀態(tài)----處理單胞（孢）懸液----選擇單倍體或單核細胞4）劑量：低劑量；(表示方法)5）提高檢出效率----利用形態(tài)特征----鑒別培養(yǎng)基當前58頁，總共102頁?！窭描b別培養(yǎng)基檢出突變株----蛋白酶高活性菌株的檢出（酪蛋白為N源，加HgCl2觀察透明圈）----淀粉酶高活性菌株的檢出（淀粉為C源，加I2液觀察透明圈）----有機酸高產(chǎn)菌株的檢出（培養(yǎng)基加CaCO3觀察透明圈）當前59頁，總共102頁。6）設(shè)計高效的篩選方案----初篩（數(shù)量、定性）----復篩（質(zhì)量、定量）7）創(chuàng)新性的篩選方法當前60頁，總共102頁。2、營缺型的篩選（1）三種基本培養(yǎng)基●基本培養(yǎng)基[-]:滿足野生型菌株生長最低營養(yǎng)要求的組合培養(yǎng)基?！裢耆囵B(yǎng)基[+]：滿足所有營缺型菌株生長營養(yǎng)要求的天然或半組合培養(yǎng)基?！裱a充培養(yǎng)基[A]，[B]：滿足相應(yīng)營缺型菌株生長營養(yǎng)要求的組合或半組合培養(yǎng)基。當前61頁，總共102頁。（2）三類遺傳型個體●野生型：從自然界分離獲得的菌株不論營養(yǎng)狀況如何，均稱為~。（A+B+）●營缺型：野生型菌株經(jīng)誘變由于代謝障礙，而必須添加某種物質(zhì)才能生長的突變株。

（A+B-）（A-B+）●原養(yǎng)型：營缺型回復突變后的菌株。

（A+B+）當前62頁，總共102頁。

基本基完全基補充基野生型+++營缺型—++原養(yǎng)型+++當前63頁，總共102頁。（3）篩選步驟

1）誘變2）淘汰野生型：抗生素法、菌絲過濾法3）檢出：夾層培養(yǎng)法；限量補充法逐個檢出法；影印平板法

當前64頁，總共102頁?！駣A層培養(yǎng)法當前65頁，總共102頁。（4）鑒定缺陷型(生長譜法)1）制備基本培養(yǎng)基；2）加充分洗滌菌懸液；3）加待測營養(yǎng)物；4）觀察生長。當前66頁，總共102頁?！穸ㄎ唬c）誘變盒式誘變寡核苷酸引物誘變當前67頁，總共102頁。Strainimprovementforfermentationandbiocatalysisprocessesbygeneticengineeringtechnology建議讀物當前68頁，總共102頁?！?3基因重組

●基因重組（遺傳重組）：兩個獨立基因組內(nèi)的遺傳物質(zhì)，通過一定的途徑轉(zhuǎn)移到一起，形成新的穩(wěn)定的基因組過程。當前69頁，總共102頁。●遺傳工程

----基因重組技術(shù)經(jīng)典、同源、生物自然屬性、體內(nèi)----DNA重組技術(shù)：分子水平、同--異源、體外當前70頁，總共102頁。一、原核生物的基因重組（一）轉(zhuǎn)化受體菌直接吸收供體菌游離的DNA片段而獲得部分遺傳性狀的現(xiàn)象。當前71頁，總共102頁。1、轉(zhuǎn)化的基本條件（1）感受態(tài)：受體菌最容易接受外源DNA片段并能實現(xiàn)轉(zhuǎn)化的一種生理狀態(tài)。影響因素：---遺傳因素（感受態(tài)因子;種屬的特異性；）---外部因素（CAMP、聚乙二醇、二價陽離子---低溫低滲CaCl處理、培養(yǎng)條件）

當前72頁，總共102頁。

●轉(zhuǎn)化頻率：0.1～1%（很低），最高10%，質(zhì)粒

為良好的轉(zhuǎn)化因子?！駶舛龋?0-5ug/ml●結(jié)構(gòu)：一般轉(zhuǎn)化因子都是線狀雙鏈DNA，少數(shù)為

線狀單鏈DNA。●大?。好恳晦D(zhuǎn)化DNA片段分子量約1×107，約占染色體組0.3%，平均15個基因。（2）轉(zhuǎn)化因子當前73頁，總共102頁。●轉(zhuǎn)化因子非交換當前74頁，總共102頁。2、轉(zhuǎn)化過程

1）酶解和吸收單鏈2）同源區(qū)配對、整合3）復制4）形成轉(zhuǎn)化子當前75頁，總共102頁。3.轉(zhuǎn)染(Tranfection)提純的病毒DNA或RNA進入宿主細胞并增殖出正常的病毒后代現(xiàn)象。IfDNAfromavirusisusedasthecloningvector,theprocessiscalledtransfection.

(Introductiontomicrobiology,JohnL.Ingraham)當前76頁，總共102頁。（二）轉(zhuǎn)導完全缺陷或部分缺陷噬菌體為媒介,使受體細胞獲得供體細胞部分遺傳性狀的現(xiàn)象。當前77頁，總共102頁。1、普遍轉(zhuǎn)導

完全缺陷噬菌體對供體任何DNA小片段進行“誤包”,而將其遺傳性狀傳遞給受體菌的現(xiàn)象，包括完全普遍轉(zhuǎn)導和流產(chǎn)普遍轉(zhuǎn)導兩種類型。當前78頁，總共102頁。

●完全轉(zhuǎn)導(形成轉(zhuǎn)導子)感染復數(shù)：感染的噬菌體數(shù)/被感染細胞數(shù)當前79頁，總共102頁?！窳鳟a(chǎn)轉(zhuǎn)導：(僅形成一個轉(zhuǎn)導子,產(chǎn)生小菌落)●經(jīng)轉(zhuǎn)導進入受體菌的供體菌DNA片段，在受體菌內(nèi)不交換、整合、復制，也不迅速消失，僅進行轉(zhuǎn)錄、翻譯、性狀表達轉(zhuǎn)導現(xiàn)象。

當前80頁，總共102頁。２、局限轉(zhuǎn)導部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌少數(shù)特定的基因攜帶到受體菌中并獲得表達的轉(zhuǎn)導現(xiàn)象。

A、低頻轉(zhuǎn)導（ＬＦＴ）１）噬菌體感染２）誘導裂解３）不正常切離（低頻轉(zhuǎn)導裂解物）（dgal、dbio）４）形成局限轉(zhuǎn)導子當前81頁，總共102頁。B、高頻轉(zhuǎn)導（ＨＦＴ）1）概念●低頻轉(zhuǎn)導(LFT)裂解物：溶源噬菌體感染后，帶少數(shù)局限轉(zhuǎn)導噬菌體的細胞裂解物?！耠p重溶源菌：同時感染有正常噬菌體和缺陷噬菌體的受體菌。(來源：LFT裂解物以高的感染復數(shù)感染宿主)當前82頁，總共102頁?！耠p重溶源菌當前83頁，總共102頁。2）高頻轉(zhuǎn)導：在局限轉(zhuǎn)導中，用雙重溶源菌誘導后產(chǎn)生的高頻轉(zhuǎn)導裂解物轉(zhuǎn)導受體菌可獲得的高達50%的轉(zhuǎn)導子，稱之~。3）過程：1）雙重溶源菌2）誘導，獲得高頻轉(zhuǎn)導裂解物3）高頻轉(zhuǎn)導裂解物低m.o.i感染受體菌當前84頁，總共102頁。（3）溶源轉(zhuǎn)變

溫和噬菌體感染宿主后，宿主通過溶源化而獲得免疫性以外新性狀的現(xiàn)象?！癜缀矶舅兀喊缀項U菌的?-噬菌體帶有“TOX”基因當前85頁，總共102頁。（三）接合

●接合：通過細胞間的直接接觸,由質(zhì)粒介導的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象.●接合子：通過接合而獲得新的遺傳性狀的受體細胞。當前86頁，總共102頁?！翊嬖诜绞?四種接合型菌株1、F-當前87頁，總共102頁。

2、F+菌株Orit：起始子當前88頁，總共102頁。3、Hfr菌株：高頻重組菌株，F(xiàn)+整合在染色體上成為附加體的狀態(tài)，若與F-接合，有很高的重組頻率。1）細胞接觸2）Hfr斷裂、轉(zhuǎn)移、復制