微生物101第十章微生物的遗传变异和育种课件.ppt

1、遗传遗传：亲代与子代相似亲代与子代相似变异变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传（遗传（inheritance）和变异（和变异（variation）是生命的最本质特性之一是生命的最本质特性之一遗传型遗传型：表型表型：生物的全部遗传因子所携带的遗传信息生物的全部遗传因子所携带的遗传信息具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型饰变：表型饰变：

2、表型的差异只与环境有关表型的差异只与环境有关特点：特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为遗传型变异（基因变异、基因突变）遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变遗传物质改变，导致表型改变特点：特点：遗传性、群体中极少数个体的行为遗传性、群体中极少数个体的行为Production of a red pigment(prodigiosin)by Serratia marcescens.From left to right:slant culture grown at 25C,slant culture grown at 37C,b

3、roth culture grown at 25C,broth culture grown at 37C.微生物是遗传学研究中的明星：微生物是遗传学研究中的明星：t 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。方便建立纯系。t 很多常见微生物都易于人工培养，快速、大很多常见微生物都易于人工培养，快速、大 量生长繁殖。量生长繁殖。t 物种和代谢类型多样物种和代谢类型多样t 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。操作性强。l第一节 微生物遗传变异的物质基础l第二节 基因突变与自然选育l第三节

4、突变的诱发与微生物诱变育种l第四节 基因重组与杂交育种l第五节 分子育种l第六节 菌种的退化、复壮与保藏一、三个证明一、三个证明DNA是遗传物质的经典实验是遗传物质的经典实验1、经典转化实验、经典转化实验肺炎链球菌：肺炎链球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有 致病能力）致病能力）R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无 致病能力）致病能力）1928年，年，F.Griffth作了作了3组实验组实验:1944年，年，Avery精确重复了转化实验，确定了转化因子精确重复了转化实验，确定了转化因子实验证明，将实验证明，将R菌转化为菌转化为S

5、菌的转化因子是菌的转化因子是DNA2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验实验证明，进入实验证明，进入细菌细胞内部的细菌细胞内部的物质是物质是DNA。DNA包含有产生包含有产生完整噬菌体的全完整噬菌体的全部信息。部信息。3、植物病毒重建实验、植物病毒重建实验实验证明，遗传信息的流向与实验证明，遗传信息的流向与DNA的传递是一致的。的传递是一致的。二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式二、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上的形式1、细胞水平细胞水平2、细胞核水平细胞核水平3、染色体水平染色体水平4、核酸水平核酸水平5、基因水平基因水平6、

6、密码子水平密码子水平7、核苷酸水平核苷酸水平（二）微生物基因组结构的特点（二）微生物基因组结构的特点1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组、原核生物（细菌、古生菌）的基因组1）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；2）基因组上遗传信息具有连续性；）基因组上遗传信息具有连续性；基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；）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）结构基因的

7、单拷贝及rRNA基因的多拷贝；基因的多拷贝；5）基因组的重复序列少而短；）基因组的重复序列少而短；个别细菌个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的和古生菌的rRNA和和tRNA中也发现有内含子或间插序列中也发现有内含子或间插序列2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组、真核微生物（啤酒酵母）的基因组1）典型的真核染色体结构；）典型的真核染色体结构；啤酒酵母基因组大小为啤酒酵母基因组大小为13.5106bp，分布在分布在16条染色体中。条染色体中。2）没有明显的操纵子结构；）没有明显的操纵子结构；3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；）有间隔区（即非编码区）和内含子序列

8、；4）重复序列多；）重复序列多；3、原核生物和真核生物的基因组比较、原核生物和真核生物的基因组比较（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，能进行自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主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。胞中。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊在某些特殊条件下，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。的机能，从而使宿主得到生长优势。2、结构特点、结构

9、特点通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称简称CCC)的超螺旋双的超螺旋双链链DNA分子存在于细胞中；分子存在于细胞中；也发现有线型双链也发现有线型双链DNA质粒和质粒和RNA质质粒；粒；质粒分子的大小范围从质粒分子的大小范围从1kb左右到左右到1000kb；细菌质粒多在细菌质粒多在10kb以内）以内）3、质粒的类型、质粒的类型严谨型质粒严谨型质粒(stringent plasmid)：复制行为与核染色体的复制同步，复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数低拷贝数松弛型质粒松弛型质粒(relaxed plasmid)：复制行为与核染色体的复制

10、不同步，复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数高拷贝数窄宿主范围质粒窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid)（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(broad host range plasmid)（可以在许多种细菌中复制）（可以在许多种细菌中复制）4、质粒在基因工程中的应用、质粒在基因工程中的应用质粒的优点：质粒的优点：（1）体积小，易分离和操作）体积小，易分离和操作（2）环状，稳定）环状，稳定（3）独立复制）独立复制（4）拷贝数多）拷贝数多（5）存在标记位点，易筛选）存在标记位点，易筛选E.coli的的

11、pBR322质粒是一个常用的克质粒是一个常用的克隆载体隆载体5、质粒的检测、质粒的检测t 提取所有胞内提取所有胞内DNA后电镜观察；后电镜观察；t 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；t 对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，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。如抗药性初步判断。6、质粒的主要种类、质粒的主要种类质粒所编码质粒所编码的功能和赋的功能和赋予宿主的表予宿主的表型效应型效应致育因子致育因子（Fertility factor，F因子）因子）抗性因子抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）产细菌素的质粒产细菌素的

12、质粒（Bacteriocin production plasmid）毒性质粒毒性质粒（virulence plasmid）代谢质粒代谢质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒隐秘质粒（cryptic plasmid）1、细胞水平、细胞水平真核微生物：细胞核真核微生物：细胞核原核微生物：核区原核微生物：核区细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的2、细胞核水平、细胞核水平真核生物真核生物 细胞核细胞核 核染色体核染色体原核生物原核生物 核区核区 DNA链链核基因组核基因组在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质在核基因组之外，还存在各种形

13、式的核外遗传物质3、染色体水平、染色体水平染色体是由组蛋白与染色体是由组蛋白与DNA构成的线状结构构成的线状结构染色体的数目在不同的生染色体的数目在不同的生物中是不同的物中是不同的染色体的倍数在同一生物染色体的倍数在同一生物的不同生活时期是不同的的不同生活时期是不同的4、核酸水平、核酸水平核酸种类：核酸种类：DNA，RNA核酸结构：双链、单链；核酸结构：双链、单链；环状，线状，超螺旋状环状，线状，超螺旋状DNA长度：因种而异长度：因种而异微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为始的，最开始是

14、作为模式生物，后来不断发展，已成为研究微生物学的最有力的手段。研究微生物学的最有力的手段。5、基因水平、基因水平6、密码子水平、密码子水平7、核苷酸水平、核苷酸水平核苷酸是最小突变单位和交换单位核苷酸是最小突变单位和交换单位（1）致育因子致育因子(Fertility factor，F因子因子)又称又称F质粒，其大小约质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象的有性生殖现象（接合作用）（接合作用）有关的质粒。有关的质粒。携带携带F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F+菌株菌株（相当于雄性），无（相当于雄性），无F质粒的质粒的菌株称为菌株称为F-菌株

15、（相当于雌菌株（相当于雌性）。性）。F因子能以游离状态因子能以游离状态(F+)和和以与染色体相结合的状态以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以存在于细胞中，所以又称之为附加体又称之为附加体(episome)。（2）抗性因子（抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。质粒。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。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。R质粒质粒抗性转移因子（抗性转移因子（RTF）：转移和复制基因转移和复制基因抗性决定因子抗性决定因子：抗性基因：抗性基

16、因R100质粒质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（汞（mercuric ion，mer）四环素（四环素（tetracycline，tet）链霉素链霉素(Streptomycin,Str)、磺胺磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素氯霉素(Chlorampenicol,Cm)、夫西地酸（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。并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。细菌素细菌素抗生素抗生素抑制或杀死近缘，甚至同种不同株的细菌抑制或杀死近缘，甚至同种不同株的细菌较广的抗菌谱通过

17、核糖体直接合成的多肽类物质通过核糖体直接合成的多肽类物质一般是次级代谢产物编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位于质粒或转座子上于质粒或转座子上一般无直接的结构基因，相关酶的基因多在染色体上（3）产细菌素的质粒（产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）一般都位于一般都位于质粒或转座质粒或转座子上，因此，子上，因此，细菌素可以细菌素可以杀死同种但杀死同种但不携带该质不携带该质粒的菌株。粒的菌株。细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（大肠杆菌（E.coli）产生的细菌素为产生的细

18、菌素为colicins（大肠杆大肠杆菌素），而质粒被称为菌素），而质粒被称为Col质粒。质粒。细菌素结构基因涉及细菌素运输及细菌素结构基因涉及细菌素运输及发挥作用的蛋白质的基因赋予宿主发挥作用的蛋白质的基因赋予宿主对该细菌素具有对该细菌素具有“免疫力免疫力”的相关的相关产物的基因产物的基因（4）毒性质粒（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）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。造成伤害。产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹

19、泻的主要病产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。素编码的质粒。苏云金杆菌含有编码苏云金杆菌含有编码内毒素内毒素(伴伴孢晶体中孢晶体中)的质粒的质粒根癌土壤杆菌所含根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子瘿瘤的致病因子Ti质粒质粒中的中的T-DNA可携带任何外源基因整合到植物基可携带任何外源基因整合到植物基因组中，是植物基因工程中有效的克隆载体因组中，是植物基因工程中有效的克隆载体（5）代谢质粒（代谢质粒（Metabolic plasmid）质粒上携带有有利

20、于微生物生存的基因，如能降解某质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。线菌）等。将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。，环境保护方面具有重要的意义。降解质粒：降解质粒：假单胞菌：假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物如芳香簇化合物(苯苯)、农、农药药(2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能辛烷和樟脑等的能力。力。（6）隐秘质粒（隐秘质粒（cryptic plasmid）隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）（一般加上抗性基因）