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第七章 微生物的遗传变异和育种

第七章 微生物的遗传变异和育种. 郑新添 2011-5-3. 第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变和诱变育种 ★ 第三节 基因重组与杂交育种 ★ 第四节 基因工程 第五节 菌种的衰退、复壮和保藏 ★. 代谢. 发育. 遗传与变异的概念. 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.

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第七章 微生物的遗传变异和育种

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  1. 第七章 微生物的遗传变异和育种 郑新添 2011-5-3

  2. 第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变和诱变育种★ 第三节 基因重组与杂交育种★ 第四节 基因工程 第五节 菌种的衰退、复壮和保藏★

  3. 代谢 发育 遗传与变异的概念 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 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。 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。

  4. 遗传与变异的概念 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。 变异的特点： a.在群体中以极低的几率出现，（一般为10-5～10-10）； b.性状变化的幅度大； 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。例：粘质沙雷氏菌 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. 饰变是不遗传的。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。

  5. 微生物作为模式生物的特点： • 物种与代谢类型的多样性 • 个体的体制极其简单 • 营养体一般是单倍体 • 易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖 • 繁殖速度快 • 易于积累不同的中间代谢物或终产物 • 菌落形态的可见性与多样性 • 环境条件对微生物群体中各个体作用的直接性和均一性 • 易于形成营养缺陷型突变株 • 各种微生物一般都有其相应的病毒 • 存在多种处于进化过程中、富有特色的原始有性生殖方式

  6. Rickettsia prowazekii Ureaplasma urealyticum Drosophila melanogaster Helicobacter pylori Bacillus subtilis 模 式 生 物 Buchnerasp. APS Escherichia coli大肠杆菌 human Arabidopsis 拟南芥 Thermotoga maritima Caenorhabitis elegans Thermoplasma acidophilum mouse rat Borrelia burgorferi Plasmodium falciparum Neisseria meningitidis Z2491 Borrelia burgorferi Aquifex aeolicus Mycobacterium tuberculosis

  7. 核酸－－遗传变异的物质基础（3个经典实验）核酸－－遗传变异的物质基础（3个经典实验） • 肺炎链球菌的转化试验 • 噬菌体的侵染试验 • 病毒重建实验

  8. (一)肺炎链球菌的转化试验 动物试验

  9. 分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化

  10. （2）细菌培养实验 平皿培养 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 +活R菌

  11. 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。

  12. 1944年O.T.Avery等从热死S型pneumoniae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:1944年O.T.Avery等从热死S型pneumoniae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: • ①加S菌DNA • ②加S菌DNA及DNA酶以外的酶 • ③加S菌的DNA和DNA酶 • ④加S菌的RNA • ⑤加S菌的蛋白质 • ⑥加S菌的荚膜多糖 长出S菌 活R菌 只有R菌

  13. 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 • DNA纯度越高，转化效率也越高 • 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为物质基础的遗传信息。

  14. （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32PO43-或35SO42-作为磷源或硫源的组合培养基中. • 让T2噬菌体侵染培养后的E.coli，从而使 噬菌体打上 标记。 • 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

  15. 吸附 离心 10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离 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 （1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中

  16. 吸附 离心 10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离 沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体 以35S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 上清液中含 75%放射性 沉淀中含 25%放射性

  17. 实验结果：几乎全部 35S 都在上清液中，而几乎全部32P 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。

  18. 实验结果说明 杂种病毒的感染特征和蛋白质的特性 是由它的RNA所决定，而不是由蛋白质所决定，遗传物质是RNA。

  19. 只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础

  20. 朊病毒的发现和思考 • 蛋白质是不是遗传物质？ • 蛋白质的折叠与生物功能 • “第二遗传密码”－－“折叠密码”？ • 中心法则是否应表述为：DNA→RNA→多肽链→蛋白质呢?

  21. （一）七个水平 • 细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 • 细胞核水平: 真核与组蛋白结合，原核不结合蛋白质 • 染色体水平: 倍性(真核)和染色体数 • 核酸水平： 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 • 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

  22. 核外DNA的种类 线粒体 细胞质基因 叶绿体 （质体） 共生生物： 卡巴颗粒 酵母菌 : 2m质粒 • 核外染色体 真核生物的“质粒” 原核生物的质粒 F因子 R因子 Col质粒 Ti质粒 巨大质粒 降解性质粒

  23. 定义：是一类小型闭合环状核外双螺旋DNA分子，能独立于细胞核进行自主复制(cccDNA)。定义：是一类小型闭合环状核外双螺旋DNA分子，能独立于细胞核进行自主复制(cccDNA)。 • 大小：约为1.5-300kb，分子量106-108上面携带有数个到数十个甚至上百个基因。 E.Coli 质粒

  24. 质粒的性质 • ①可在胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以附加体（episome）的形式存在； • ②质粒是一种复制子（replicon），根据自我复制能力的不同，分为严紧型和松弛型两种， • 严紧型质粒的复制受细胞核控制，与染色体DNA复制相伴随,一般一个寄主细胞内只有少数几个（1-5）个拷贝； • 松弛型质粒的复制不受细胞核控制，在染色体DNA复制停止的情况下仍可以进行复制，在细胞内的数量可以达到10-200个或更多。

  25. 质粒的性质 ③可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞； 质粒转移时，它可以单独转移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它可成为基因工程的载体。 ④对于细菌的生存并不是必要的 ⑤功能多样化

  26. 原核生物的质粒 功能：细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、 抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。 重组：质粒之间、质粒与染色体之间均可发生 制备：包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋白质等成分、去除RNA和蛋白质等步骤。 鉴定：电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱等方法

  27. 几种代表性质粒 1. F–因子（fertility factor）致育因子或性因子 • 与接合作用有关 • 存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别

  28. 2. R因子（resistence factor）抗性因子 存在于痢疾志贺氏菌（Shigella dysenteriae），Salmonella、Vibrio、Bacillus、Pseudomonas和Staphylococcus等。 • 由两个DNA片段组成，即抗性转移因子（ RTF ）和抗性决定R因子（r-determinant） • RTF控制质粒copy数及复制 • 抗性决定因子大小不固定，其上带有其它抗生素的抗性基因。

  29. 3. Col质粒（colicinogenic factor）产大肠杆菌素因子 • 编码大肠杆菌素 • 能专一地杀死其它肠道细菌。 • Col因子可分为两类，分别以ColE1和ColIb为代表。 • ColE1，无接合作用； 广泛地用于重组DNA 的研究和用于体外复制系统上。 • ColIb，与F因子相似，具有通过接合作用转移的功能，属于严紧型控制，只有1~2个copy。 • 凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。

  30. 4. Ti质粒（tumor inducing plasmid）诱癌质粒） • 存在于根癌土壤杆菌（Agrobacterium tumefaciens）中,可引起许多双子叶植物的根癌 • Ti质粒长200kb，是一个大型质粒 • 植物遗传工程研究中的重要载体

  31. 6. 巨大质粒（mega质粒） • 是近年来在Rhizobium（根瘤菌属）中发现的一种质粒， • 分子量为200~300×106Dalton，比一般质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒， • 其上有一系列固氮基因。

  32. 7. 降解性质粒 • 降解性质粒 • 只在假单胞菌属中发现。 • 降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。 • 以其所分解的底物命名 • CAM（樟脑）质粒，XYL（二甲苯）质粒，SAL（水杨酸）质粒，MDL（扁桃酸）质粒，，NAP（奈）质粒和TOL（甲苯）质粒等。

  33. 1、遗传的几个基本概念：遗传型与表型， 变异与饰变 2、证明核酸是一切生物遗传物质基础的 3个经典实验 3、遗传物质在细胞中的7个水平 4、质粒的特点、种类及其在基础理论和实际应用中的重要性

  34. 1、名词解释 ：遗传型、表型 2、为何证明核酸是遗传物质基础的3个经典实验都不约而同的同时选用微生物作研究对象，且其中2个是病毒 3、什么是质粒？它有哪些特点？主要质粒有几类？各有何理论和 实际意义？

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