1、第七章第七章 微生物遗传变异与育种微生物遗传变异与育种 第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础 第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种 第三节第三节 基因重组和杂交育种基因重组和杂交育种 第四节第四节 基因工程基因工程 第五节第五节 菌种的衰退、复壮与保藏菌种的衰退、复壮与保藏1.1.遗传与变异的基本概念遗传与变异的基本概念遗传遗传(heredity)(heredity):亲代生物的性状在子代得到表现亲代生物的性状在子代得到表现;亲代生物传递给子代实现与其相同性状的遗传信息亲代生物传递给子代实现与其相同性状的遗传信息.特点特点:具稳定性具稳定性.基因型基因型(genot
2、ype):(genotype):指一生物体指一生物体全部基因全部基因的总和的总和;是一是一种内在可能性或潜力种内在可能性或潜力.表型表型(phenotype)(phenotype):生物体所有生物体所有外表特征和内在特性外表特征和内在特性的的总和总和;是具一定基因型的生物在一定条件下所表现出是具一定基因型的生物在一定条件下所表现出的具体性状的具体性状.变异变异(variation)(variation):生物体在外因或内生物体在外因或内因的作用下因的作用下,遗传物质的结构或数量发遗传物质的结构或数量发生改变生改变.变异的特点变异的特点:a.a.出现几率极低出现几率极低 b.b.变化幅度大变化幅
3、度大;c.c.新性状稳定新性状稳定,可遗传可遗传.饰变饰变(modification)(modification):指不涉及遗传物质结构改变指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的而只发生在转录、转译水平上的表型表型变化变化.特点特点:每个个体都发生同样变化每个个体都发生同样变化;性状变化幅度小性状变化幅度小;不遗传不遗传.引起饰变的因素消失后引起饰变的因素消失后,可恢复可恢复.第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础主要的遗传物质主要的遗传物质DNADNA的特点的特点:分子结构相对稳定分子结构相对稳定 能够自我复制能够自我复制,前后代保持一定连续性前后代保持一定连续性
4、指导蛋白质的合成指导蛋白质的合成,控制新陈代谢过程和性状控制新陈代谢过程和性状 产生可遗传的变异产生可遗传的变异2.1 DNA2.1 DNA作为遗传物质的实验证据之一作为遗传物质的实验证据之一 肺炎链球菌的转化现象肺炎链球菌的转化现象 19281928年，格里菲斯年，格里菲斯(Griffith)(Griffith)以肺炎链球菌为研究对以肺炎链球菌为研究对象，发现了象，发现了S S型菌株和型菌株和R R型菌株发生转化的现象。型菌株发生转化的现象。19441944年，艾维里年，艾维里(Avery)(Avery)通过进一步的转化实验弄清通过进一步的转化实验弄清楚了楚了GriffithGriffith
5、实验中的转化因子的实质。实验中的转化因子的实质。1928年，年，Griffith进行了以下几组实验：进行了以下几组实验：（1）动物实验）动物实验对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌或死菌或死SIII菌菌 小鼠存活小鼠存活对小鼠注射活对小鼠注射活SIII菌菌小鼠死亡小鼠死亡对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌和热死菌和热死SIII菌菌 小鼠死亡小鼠死亡 抽取心血抽取心血 分离分离 活的活的SIII菌菌一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验（一）（一）经典转化实验（经典转化实验（transformationtransformation）：）：F.GriffithF
6、.Griffith，研究对象：研究对象：Streptococcus pneumoniaeStreptococcus pneumoniae（肺炎双球菌）（肺炎双球菌）S SIIIIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性 R RIIII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性（2 2）细菌培养实验）细菌培养实验（3）S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验热死热死SIII菌菌不生长不生长活活 RII 菌菌长出长出RII菌菌热死热死SIII菌菌长出大量长出大量RII菌和菌和10-6SIII菌菌活活R菌菌+S菌无细胞抽
7、提液菌无细胞抽提液长出大量长出大量R菌菌和少量和少量S菌菌+活活RII菌菌平皿培养平皿培养肺炎链球菌体外转化实验肺炎链球菌体外转化实验 2.2 DNA2.2 DNA作为遗传物质的实验证据之一作为遗传物质的实验证据之一 E.coli E.coli噬菌体噬菌体T T2 2的感染实验的感染实验19521952年年,侯喜侯喜(A.D.Hershey)A.D.Hershey)和和蔡斯蔡斯(M(M.Chase).Chase)用用同同位素示踪法位素示踪法研究了大肠杆菌噬菌体研究了大肠杆菌噬菌体T2T2的感染过程。的感染过程。10min10minT2T2噬菌体感染实验（引自噬菌体感染实验（引自Russell,
8、2000Russell,2000）噬菌体感染实验噬菌体感染实验（1）含）含32P-DNA的一组：放射性的一组：放射性85%在沉淀中在沉淀中沉淀中含沉淀中含85%放射性放射性以以3232P P标记标记DNADNA做噬菌体感染实验做噬菌体感染实验以以3535S S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验（2 2）含）含3535S-S-蛋白质的一组：放射性蛋白质的一组：放射性75%75%在上清液中在上清液中2.3 RNA2.3 RNA作为遗传物质的实验证据作为遗传物质的实验证据 烟草花叶病毒烟草花叶病毒(TMV)(TMV)的重建实验的重建实验19561956年年,H.Fraenk
9、el-Conrat,H.Fraenkel-Conrat用含用含RNARNA的的TMVTMV所作的著所作的著名的植物病毒重建实验证明名的植物病毒重建实验证明TMVTMV的主要感染成分是其的主要感染成分是其核糖核酸核糖核酸RNARNA。病毒重建实验示意病毒重建实验示意图图(引自引自Klug and Klug and CummingsCummings，2000)2000)3 3、病毒重建实验、病毒重建实验（一）核酸存在的七个水平及质粒（一）核酸存在的七个水平及质粒细胞水平：细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核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:原核与真核生物的细胞核结构不同原
10、核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：核酸水平：在原核中染色体水平、存在部分二倍在原核中染色体水平、存在部分二倍 体体DNA或或RNA，复合或裸露，双链或单链，复合或裸露，双链或单链基因水平：基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录信息量，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：核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基突变或交换单位，四种碱基代表性生物体内基因组大小代表性生物体内基因组大小种种 类类生物体生物体相对相对分子量分子量碱基对
11、碱基对/bpbp最简单的微最简单的微生物生物SV40SV40病毒病毒3 310106 65 510103 3噬菌体噬菌体3.43.410107 75 510104 4细菌细菌大肠杆菌大肠杆菌2.22.210109 94.24.210106 6哺乳动物哺乳动物小鼠小鼠1.51.5101012122.32.310109 9人人1.81.8101012122.82.810109 9 微生物基因组微生物基因组基因组基因组(genome):(genome):某一物种的单倍体的某一物种的单倍体的所有染色体上遗传物资的总称。所有染色体上遗传物资的总称。由配子发育而成的个体叫做由配子发育而成的个体叫做单倍体单
12、倍体(haploid)(haploid)；由受精卵发育而成的个体叫做由受精卵发育而成的个体叫做二倍体二倍体(diploid)(diploid)密码子水平密码子水平核苷酸核苷酸是最小突变单位和交换单位是最小突变单位和交换单位核苷酸水平核苷酸水平 原核微生物核外遗传物质原核微生物核外遗传物质质粒（质粒（plasmidplasmid）：）：游离于染色体外，具有自主复制能力的小型共游离于染色体外，具有自主复制能力的小型共价闭合环装价闭合环装DNADNA分子。分子。提取所有胞内提取所有胞内DNADNA后电镜观察后电镜观察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对于实验室常用菌，可用质
13、粒所带的某些特点，如抗对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药性初步判断。药性初步判断。共价闭合环状共价闭合环状开环型开环型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的在某些特殊条件下，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。机能，从而使宿主得到生长优势。质粒所质粒所编码的编码的功能和功能和赋予宿赋予宿主的表主的表型效应型效应致育因子（致育因子（Fertility factor，F F因子）因子）抗性因子（抗性因子（Resistance factor，R R因子）因子）产细菌素的质粒产
14、细菌素的质粒(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）质粒的主要类型质粒的主要类型1)1)致育因子致育因子(F(F因子因子)由于这种质粒还可以整合到细菌染色体上，成为由于这种质粒还可以整合到细菌染色体上，成为染色体的一部分，又叫作染色体的一部分，又叫作附加体附加体。F F质粒整合到质粒整合到宿主细胞染色体上的菌株叫宿主细胞染色体上的菌株叫Hfr.Hfr.携带携带F F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F F+菌株（相
15、当于雄性），菌株（相当于雄性），无无F F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F F-菌菌株（相当于雌性）株（相当于雌性）环形的环形的F F因子主要包括因子主要包括 四个部分：四个部分：原点，转移的起点；原点，转移的起点；形成性伞毛的基因；形成性伞毛的基因；DNADNA复制酶基因；复制酶基因；插入序列，与插入到细插入序列，与插入到细 菌染色体的过程有关。菌染色体的过程有关。细菌染色体细菌染色体2)2)抗性因子（抗性因子（R 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 R质粒质粒。抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生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
16、药性的重要原因之一。R R因子一般由相连的二个因子一般由相连的二个DNADNA片段组片段组成。成。一是一是RTFRTF质粒质粒 （抗性转移因子），（抗性转移因子），它含调节它含调节DNADNA复制和转移的基因；复制和转移的基因；二是抗性决定质粒二是抗性决定质粒，含有抗性基因。，含有抗性基因。R R因子的特征：因子的特征：1 1）能自行重组，即来自两种不同耐药菌）能自行重组，即来自两种不同耐药菌株的株的R R因子基因整合在一起，构成多重耐因子基因整合在一起，构成多重耐药菌株药菌株2 2）R R因子也能借助性纤毛进行接合而传递因子也能借助性纤毛进行接合而传递,而且而且R R因子和因子和F F因子之
17、间也能发生重组因子之间也能发生重组3 3）R R因子不能整合到核染色体上因子不能整合到核染色体上4 4）由相连的）由相连的RTFRTF质粒和抗性决定基因组成质粒和抗性决定基因组成R R因子的结构组成因子的结构组成 大肠杆菌产生的细菌素为大肠杆菌素大肠杆菌产生的细菌素为大肠杆菌素(colicins),(colicins),而产生这种细菌素的质粒被称为而产生这种细菌素的质粒被称为ColCol质粒。质粒。通过抑制复制、转录、翻译或能量代谢等而专一性地通过抑制复制、转录、翻译或能量代谢等而专一性地杀死近缘且不含杀死近缘且不含ColCol质粒的菌株，而宿主不受其产生的质粒的菌株，而宿主不受其产生的细菌素
18、的影响，质粒本身编码一种免疫蛋白，从而使细菌素的影响，质粒本身编码一种免疫蛋白，从而使宿主对大肠杆菌素有免疫作用。宿主对大肠杆菌素有免疫作用。作用机理：作用机理：3)3)产细菌素的质粒产细菌素的质粒(Bacteriocin production plasmid)4 4）TiTi质粒（诱癌质粒）的结构及特点质粒（诱癌质粒）的结构及特点 环状环状dsDNA,160-250kbdsDNA,160-250kb，六个功能区，六个功能区致瘤区：合成植物生长素和细胞致瘤区：合成植物生长素和细胞 分裂素分裂素冠瘿碱合成区：参与冠瘿碱合成冠瘿碱合成区：参与冠瘿碱合成冠瘿碱分解区：参与冠瘿碱分解冠瘿碱分解区：参与
19、冠瘿碱分解质粒转移区质粒转移区(tra)(tra)：参与不同农杆：参与不同农杆 菌中的接合转移菌中的接合转移毒（性）区：参与毒（性）区：参与T-DNAT-DNA的转移和的转移和 插入植物染色体插入植物染色体DNADNA复制区：参与复制区：参与Ti Ti 质粒质粒DNADNA复制复制5)5)代谢质粒（代谢质粒（Metabolic plasmidMetabolic plasmid）质粒上携带有有利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
20、物降解成能被其作为碳源和能源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，环境保护方面具有重要的意义。利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。降解质粒：降解质粒：巨大质粒：巨大质粒：又叫共生质粒。发现于根瘤菌属中的一些成员，质又叫共生质粒。发现于根瘤菌属中的一些成员，质粒上有一系列固氮基因。粒上有一系列固氮基因。6)6)隐秘质粒（隐秘质粒（cryptic plasmid）隐秘质粒不显示任何表型效应隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过，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。它们存在的
21、生物学意义，目前几乎不了解。发现。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。质粒的特性质粒的特性质粒的不亲和性质粒的不亲和性 两种亲缘关系密切的不同质粒，不能够在两种亲缘关系密切的不同质粒，不能够在同一个寄主细胞系中稳定地共存的现象。同一个寄主细胞系中稳定地共存的现象。质粒的稳定性质粒的稳定性 正常条件下质粒在细胞分裂前复制，其特正常条件下质粒在细胞分裂前复制，其特殊的分配机制以保证其在子代细胞中的均等分殊的分配机制以保证其在子代细胞中的均等分配，从而实现质粒遗传的稳定。配，从而实现质粒遗传的稳定。质粒作为载体的优点质粒作为载体的优点1 1、体积小，便于、体积小，便于DNADNA的分离与操作的分离
22、与操作2 2、呈环状，使其在化学分离过程中能保持性能稳定。、呈环状，使其在化学分离过程中能保持性能稳定。3 3、有不受核基因组控制的独立复制起始点。、有不受核基因组控制的独立复制起始点。4 4、拷贝数多，使外源、拷贝数多，使外源DNADNA可很快扩增。可很快扩增。5 5、存在抗药性基因等选择性标记。、存在抗药性基因等选择性标记。质粒的类型质粒的类型严谨型质粒严谨型质粒(stringent plasmid)(stringent plasmid)：复制行为与核复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数染色体的复制同步，低拷贝数松弛型质粒松弛型质粒(relaxed plasmid)(relaxed pl
23、asmid)：复制行为与核染复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数色体的复制不同步，高拷贝数窄宿主范围质粒窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid)(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)(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第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种 基因突变基因突变 指遗传物质本身发生根本的变化。指遗传物质本身发生根本的变
24、化。广义广义的突变包括染色体变异和基因突变或点突变。的突变包括染色体变异和基因突变或点突变。狭义狭义的突变单指基因突变的突变单指基因突变,它是指一个基因内部遗它是指一个基因内部遗传结构或传结构或DNADNA序列的任何改变。序列的任何改变。自发突变自发突变 环境因素的影响，环境因素的影响，DNADNA复制过程的偶然错误等而复制过程的偶然错误等而导致导致,一般频率较低，通常为一般频率较低，通常为1010-6-6-10-10-9-9。诱发突变诱发突变 人们利用某些物理、化学因素对生物体的人们利用某些物理、化学因素对生物体的DNADNA进行直接作用，突变以较高的频率产生。进行直接作用，突变以较高的频率
25、产生。基因突变的特征基因突变的特征不对应性不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。对应关系。自发性：自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。发地产生。稀有性：稀有性：突变率低且稳定。突变率低且稳定。独立性：独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。各种突变独立发生，不会互相影响。可诱发性：可诱发性：诱变剂可提高突变率诱变剂可提高突变率,一般可以将突一般可以将突变率提高变率提高1010 10105 5倍倍。可逆性：可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变（称为正向
26、突变（forward mutationforward mutation），从突变株），从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变（回到野生型的过程则称为回复突变或回变（back back mutationmutation或或reverse mutationreverse mutation）。）。稳定性：稳定性：变异性状稳定可遗传。变异性状稳定可遗传。突变类型突变类型 按方法分：按突变株的表型是否能在选择性培养基按突变株的表型是否能在选择性培养基 上加以鉴别来区分上加以鉴别来区分基因突变自发性和不对应性的实验证明基因突变自发性和不对应性的实验证明三个经典实验三个经典实验变量实验变量实验涂布实验
27、涂布实验影印实验影印实验证明：证明：1、突变是自发产生的、突变是自发产生的 2、突变的性状与引起、突变的性状与引起 突变的原因间无直突变的原因间无直 接对应关系。接对应关系。1、变量实验（、变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria and Max Delbruck（1943）Salvador LuriaMax DelbruckThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969突变率：突变率：每个每个细胞在每世代细胞在每世代中某性状的突中某性状的突变几率。变几率。2 2、NewcombeNewcombe的涂布实验（
28、的涂布实验（19491949）3 3、影印实验、影印实验Joshua LederbergJoshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）1 1、诱发突变的原因、诱发突变的原因 （1 1）碱基的置换碱基的置换 （2 2）移码突变：移码突变：添加或缺失核苷酸，引起阅读错误添加或缺失核苷酸，引起阅读错误 （3 3）染色体畸变染色体畸变：缺失、重复、插入、易位、倒位：缺失、重复、插入、易位、倒位 2 2、自发突变的原因、自发突变的原因（1 1）背景辐射）背景辐射（2 2）有害产物积累）有害产物积累（3 3）碱基错配）碱基错配*突变机制突变机制1、碱基的置换：也称点
29、突变。指一对碱基被另一对碱基所替代。分类 转换：嘌呤置换嘌呤，嘧啶置换嘧啶 颠换：嘌呤置换嘧啶，嘧啶置换嘌呤2、移码突变：诱变剂使DNA分子中的核苷酸插入或缺失，从而使该部分后面的遗传密码发生转录和转译错误的突变。3、染色体畸变：DNA较大的损伤，包括染色体结构上的缺失、插入、易位、倒位以及染色体数目改变。紫外线对紫外线对DNADNA的损伤及其修复的损伤及其修复嘧啶嘧啶嘧啶二聚体嘧啶二聚体UV1 1、光复活作用、光复活作用嘧啶二聚体嘧啶二聚体光解酶光解酶2 2、切除修复（暗修复作用）、切除修复（暗修复作用）需要内切、外切、聚合以需要内切、外切、聚合以及连接酶共同作用。及连接酶共同作用。嘧啶比嘌
30、呤对紫嘧啶比嘌呤对紫外线敏感得多外线敏感得多 胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚体二聚体 嘧啶的紫外线光化产物嘧啶的紫外线光化产物胸腺嘧啶二聚体的修复胸腺嘧啶二聚体的修复光复活作用光复活作用 微生物等生物的细微生物等生物的细胞内存在光复活酶胞内存在光复活酶 光复活酶识别胸腺嘧啶二聚光复活酶识别胸腺嘧啶二聚体，并与之结合形成复合物体，并与之结合形成复合物打开二聚体打开二聚体,将将DNADNA复原。复原。可见光光能可见光光能(300-500nm)(300-500nm)激活光复活酶激活光复活酶此时的光此时的光复活酶没复活酶没有活性有活性PREPRE为光复活酶为光复活酶 暗修复作用暗修复作用 一种不需要光一种不需要
31、光激活的修复体激活的修复体系。系。可修复由紫外可修复由紫外线、线、射线和射线和烷化剂等对烷化剂等对DNADNA造成的损伤。造成的损伤。切开二聚体的切开二聚体的5-5-末端末端,形成形成3-3-OHOH和和5-P5-P的单链缺口的单链缺口从从5-P5-P到到3-3-OHOH方向切除二方向切除二聚体聚体,并扩大缺并扩大缺口口 以另一条互补以另一条互补链为模板链为模板,从原从原有链上暴露的有链上暴露的3-OH 3-OH 端起合端起合成缺失片段成缺失片段将新合成链的将新合成链的3-OH3-OH与原链与原链的的5-P5-P相连接相连接 突变结果突变结果错义突变错义突变:使所表达的蛋白质中一种氨基酸的位使
32、所表达的蛋白质中一种氨基酸的位置上置上,变成另一种氨基酸变成另一种氨基酸.无义突变无义突变:正常翻译为氨基酸的碱基置换后变成正常翻译为氨基酸的碱基置换后变成UAG(UAG(琥珀突变琥珀突变)、UAA(UAA(赫石突变赫石突变)或或UGA(UGA(乳石突变乳石突变)等终止密码子等终止密码子,造成多肽链合成的中止造成多肽链合成的中止.同义突变同义突变:碱基发生了置换碱基发生了置换,但由于遗传密码子的简但由于遗传密码子的简并性并性,而并没有影响原来的氨基酸顺序而并没有影响原来的氨基酸顺序.如密码子如密码子GCUGCU置换成置换成GCCGCC后后,它们都是丙氨酸的密码子它们都是丙氨酸的密码子.基因突变
33、的类型（根据遗传信息的变化）基因突变的类型（根据遗传信息的变化）原原序列序列 5-AUG CCU UCA AGA UGU GGG Met Pro Ser Arg Cys Gly(1)(1)同义突变同义突变 5-AUG CCU UCA AGA UGU GGA Met Pro Ser Arg Cys Gly(2)(2)错义突变错义突变 5-AUG CCU UCA GGA UGU GGA Met Pro Ser Gly Cys Gly(3)(3)无义突变无义突变 5-AUG CCU UCA AGA UGA GGA Met Pro Ser Arg(4)(4)移码突变移码突变 5-AUG CCU UCA
34、 AGU GUG GG Met Pro Ser Ser Val 第三节第三节 基因重组和杂交育种基因重组和杂交育种基因重组基因重组（gene recombinationgene recombination）是两个独立基是两个独立基因组内的遗传基因，通过交换与重新组合形成新因组内的遗传基因，通过交换与重新组合形成新的稳定基因组的过程。的稳定基因组的过程。基因重组基因重组原核微生物原核微生物 通过转化、接合和转导完成基因重组通过转化、接合和转导完成基因重组 真核微生物真核微生物 有性繁殖有性繁殖 染色体高频率重组。染色体高频率重组。部分真菌部分真菌 有丝分裂（准性生殖）低频率基因重有丝分裂（准性生
35、殖）低频率基因重组的方式。组的方式。细菌基因重组的方式细菌基因重组的方式原核生物的基因重组原核生物的基因重组接合：接合：细胞与细胞的直接接触细胞与细胞的直接接触(由由F F因子介导因子介导)转导：转导：由噬菌体介导由噬菌体介导自然转化：自然转化：游离游离DNADNA分子分子 +感受态细胞感受态细胞原生质体融合原生质体融合1 1、转化：、转化：（transfrmationtransfrmation）受体受体菌接受供体菌的菌接受供体菌的DNADNA片段而获得部分片段而获得部分新遗传性状的现象。新遗传性状的现象。细菌的遗传转化细菌的遗传转化(genetic transformationgenetic
36、 transformation)定义定义:同源或异源的游离同源或异源的游离DNADNA分子分子(质粒和染色体质粒和染色体DNA)DNA)被自然或人工感受态细胞摄取被自然或人工感受态细胞摄取,并得到表达的并得到表达的水平方向的基因转移过程。水平方向的基因转移过程。包括自然遗传转化和人工转化两种转化方式。包括自然遗传转化和人工转化两种转化方式。2 2、转导：、转导：（transductiontransduction）以噬菌体为媒介，把供体以噬菌体为媒介，把供体细胞的细胞的DNADNA小片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，小片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，使受体细胞获得供体细胞的部分遗传性状
37、的现象。使受体细胞获得供体细胞的部分遗传性状的现象。分类：分类：普遍转导普遍转导 局限转导局限转导 溶源转变溶源转变 低频转导低频转导高频转导高频转导完全普遍转导完全普遍转导流产普遍转导流产普遍转导普遍转导：普遍转导：完全缺陷噬菌体完全缺陷噬菌体对供体对供体菌菌任何任何DNADNA小片段小片段“误包误包”，实现，实现遗传性状的传递至受体菌的转导现遗传性状的传递至受体菌的转导现象。象。局限转导：局限转导：通过通过部分缺陷噬菌体部分缺陷噬菌体把供体菌的把供体菌的少数特定少数特定基因基因携带到受体菌中，并获得表达的转导现象。携带到受体菌中，并获得表达的转导现象。特点特点:1.1.只转导供体菌个别特定
38、基因只转导供体菌个别特定基因 2.2.由部分缺陷的噬菌体携带由部分缺陷的噬菌体携带 3.3.低频低频“误切误切”或双重溶源菌裂解产生缺陷噬或双重溶源菌裂解产生缺陷噬菌体菌体（鼠伤寒沙门氏菌）（鼠伤寒沙门氏菌）普遍转导局限转导区别要点区别要点普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导转导发生时期转导发生时期裂解期裂解期溶源期溶源期转导的遗传物质转导的遗传物质供体菌染色体供体菌染色体DNADNA任何部位或任何部位或质粒质粒噬菌体噬菌体DNADNA及供及供体菌体菌DNADNA的特定的特定部位部位转导的后果转导的后果完全转导或完全转导或流产转导流产转导受体菌获得供受体菌获得供体菌体菌DNADNA特定部特
39、定部位的遗传特性位的遗传特性转导频率转导频率受体菌的受体菌的1010-7-7转导频率较普转导频率较普遍转导增加遍转导增加10001000倍倍(10(10-4-4)普遍性转导与局限性转导的区别普遍性转导与局限性转导的区别溶源转变与转导的本质差异：溶源转变与转导的本质差异：1 1、溶源转变温和噬菌体不携带来自供、溶源转变温和噬菌体不携带来自供体菌的外源基因体菌的外源基因2 2、新性状来自于噬菌体本身的基因、新性状来自于噬菌体本身的基因3 3、温和噬菌体是完整的，无缺陷、温和噬菌体是完整的，无缺陷4 4、新获得的性状随噬菌体消失而消失、新获得的性状随噬菌体消失而消失溶源转变：溶源转变：温和噬菌体温和
40、噬菌体感染宿主使其感染宿主使其溶源化，噬菌体基因整合到宿主核基溶源化，噬菌体基因整合到宿主核基因上，使其获得除免疫性以外的新性因上，使其获得除免疫性以外的新性状的现象。状的现象。3 3、接合：、接合：供体菌通过供体菌通过性菌毛性菌毛与受体与受体菌接触，并传递不同长度的菌接触，并传递不同长度的单链单链DNADNA给受体菌并在其细胞中进行给受体菌并在其细胞中进行双链化或双链化或与核染色体发生交换、整合与核染色体发生交换、整合，使受体使受体菌获得供体菌遗传性状的现象。菌获得供体菌遗传性状的现象。多在多在细菌细菌和和放线菌放线菌中存在结合现象。中存在结合现象。4 4、原生质体融合：、原生质体融合：通过
41、人为的方法，将遗传性状不同的两通过人为的方法，将遗传性状不同的两个原生质体发生融合，进而发生遗传重个原生质体发生融合，进而发生遗传重组以产生同时携带双亲性状、遗传稳定组以产生同时携带双亲性状、遗传稳定的融合子的过程。的融合子的过程。真核微生物的基因重组真核微生物的基因重组真核微生物的基因重组的方式真核微生物的基因重组的方式 有性杂交：有性杂交：一般指性细胞之间的结合和随之发一般指性细胞之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生的染色体重组，并产生新遗传型后代的一种育种技术。育种技术。准性杂交：准性杂交：同种生物的两个不同的体细胞发生同种生物的两个不同的体细胞发生融合，以有丝分
42、裂的方式而导致低频率的基因融合，以有丝分裂的方式而导致低频率的基因重组并产生重组子的杂交方式。重组并产生重组子的杂交方式。第四节第四节 基因工程基因工程 (自学）自学）第五节第五节 菌种的衰退、复壮与保藏菌种的衰退、复壮与保藏菌种的衰退菌种的衰退（degeneration）：菌种在培养或保藏过程中，由于自发突变的菌种在培养或保藏过程中，由于自发突变的存在，出现某些原有优良生产性状的劣化、存在，出现某些原有优良生产性状的劣化、遗传标记的丢失等现象。遗传标记的丢失等现象。菌种的生产性状是不进则退的。菌种的生产性状是不进则退的。表现：表现：1 1、菌落和细胞形状改变、菌落和细胞形状改变 2 2、生长
43、速度减缓、生长速度减缓 3 3、代谢产物生产能力下降、代谢产物生产能力下降 4 4、抗不良环境条件能力减弱、抗不良环境条件能力减弱采用有效的菌种保藏方法。采用有效的菌种保藏方法。防止菌种衰退的方法：防止菌种衰退的方法：控制传代次数控制传代次数减少移种和传代的次数减少自发突变的几率。减少移种和传代的次数减少自发突变的几率。选择合适的培养条件选择合适的培养条件采用不同类型的细胞进行传代采用不同类型的细胞进行传代对丝状微生物而言，通常采用稳定的单核孢子进行对丝状微生物而言，通常采用稳定的单核孢子进行接种；接种；菌种的复壮：菌种的复壮：使衰退的菌种恢复原使衰退的菌种恢复原来优良性状态。来优良性状态。狭
44、义狭义：菌种已发生衰退菌种已发生衰退的情况下，通过纯的情况下，通过纯种分离和生产性能测定等方法，从衰退的种分离和生产性能测定等方法，从衰退的群体中找出未衰退的个体，以达到恢复该群体中找出未衰退的个体，以达到恢复该菌原有典型性状的措施。菌原有典型性状的措施。广义广义：菌种的生产性能未衰退前菌种的生产性能未衰退前就有意识的经常、进就有意识的经常、进行纯种的分离和生产性能测定工作，以期菌种的生产行纯种的分离和生产性能测定工作，以期菌种的生产性能逐步提高。性能逐步提高。实际上是利用自发突变（正变）不断地从生产中选种。实际上是利用自发突变（正变）不断地从生产中选种。淘汰已衰退的个体：淘汰已衰退的个体：采
45、用比较激烈的理化条件进行处理，以杀死生命采用比较激烈的理化条件进行处理，以杀死生命力较差的已衰退个体）。力较差的已衰退个体）。菌种的复壮措施：菌种的复壮措施：纯种分离：纯种分离：平板划线法、涂布法、倾注法、单细胞挑取法等。平板划线法、涂布法、倾注法、单细胞挑取法等。通过寄主体内生长进行复壮：通过寄主体内生长进行复壮：接种到相应宿主体内以提高其致病性接种到相应宿主体内以提高其致病性前提前提：鉴别菌种衰退与杂菌污染鉴别菌种衰退与杂菌污染采用有效的菌种保藏方法。采用有效的菌种保藏方法。菌种保藏：菌种保藏：目的：目的：存活，不丢失，不污染存活，不丢失，不污染 防止优良性状丧失防止优良性状丧失 随时为生
46、产、科研提供优良菌种随时为生产、科研提供优良菌种原理：原理：选用优良的纯种，（最好是休眠体，如分生孢选用优良的纯种，（最好是休眠体，如分生孢子、芽胞等），创造降低微生物代谢活动强度，生子、芽胞等），创造降低微生物代谢活动强度，生长繁殖受抑制，难以发生突变的环境条件。（其环长繁殖受抑制，难以发生突变的环境条件。（其环境要素是干燥、低温、缺氧、缺营养境要素是干燥、低温、缺氧、缺营养 以及添加保以及添加保护剂等）护剂等）菌菌种种保保藏藏方方法法生活态：生活态：休眠态休眠态传代培养保藏法传代培养保藏法连续在培养基上（内）移种连续在培养基上（内）移种连续在活宿主上（内）移种连续在活宿主上（内）移种湿法湿
47、法干法干法固体斜面固体斜面半固体琼脂柱半固体琼脂柱液体介质（蒸馏水、糖液、其它溶液）液体介质（蒸馏水、糖液、其它溶液）藏在玻璃管内藏在玻璃管内吸附在合适的载体上吸附在合适的载体上菌种保藏的方法菌种保藏的方法石蜡油低温保藏法：石蜡油低温保藏法：橡皮塞取代棉塞、加石蜡油。橡皮塞取代棉塞、加石蜡油。干燥保藏法干燥保藏法将菌种置于土壤、细纱、滤纸、硅胶等干燥材料上保将菌种置于土壤、细纱、滤纸、硅胶等干燥材料上保藏。如砂土管法，适用于放线菌、芽孢菌和某些真菌藏。如砂土管法，适用于放线菌、芽孢菌和某些真菌保藏，保藏时间几至几十年。保藏，保藏时间几至几十年。低温保藏法低温保藏法方法：菌种管置方法：菌种管置4
48、4冰箱保藏，定时传代冰箱保藏，定时传代 原理：低温下，微生物代谢强度明显下降原理：低温下，微生物代谢强度明显下降 。真空冷冻干燥法真空冷冻干燥法加有保护剂的菌悬液在冻结状态下予加有保护剂的菌悬液在冻结状态下予以真空干燥。适用于各种微生物，便以真空干燥。适用于各种微生物，便于大量保藏，菌种存活时间长，是目于大量保藏，菌种存活时间长，是目前最好的保藏方法。前最好的保藏方法。液氮超低温保藏法液氮超低温保藏法将菌种置于保护剂中，预冻后保存在液氮超低将菌种置于保护剂中，预冻后保存在液氮超低温冰箱中温冰箱中(-196)(-196)。适用于各种微生物的较理。适用于各种微生物的较理想的保藏方法想的保藏方法菌种
49、保藏机构的任务菌种保藏机构的任务：广泛收集科研和生产菌广泛收集科研和生产菌种、菌株，并加以妥善保管，使之达到不死、不种、菌株，并加以妥善保管，使之达到不死、不衰、不乱以及便于研究、交换和使用的目的。衰、不乱以及便于研究、交换和使用的目的。国内外菌种保藏机构：国内外菌种保藏机构：菌种保藏机构：菌种保藏机构：中国微生物菌种保藏委员会中国微生物菌种保藏委员会(CCCCM)(CCCCM)美国的典型菌种保藏中心美国的典型菌种保藏中心(ATCC)(ATCC)英国国家典型菌种保藏所（英国国家典型菌种保藏所（NCTCNCTC）法国里昂巴斯德研究所（法国里昂巴斯德研究所（IPLIPL）中国武汉大学微生物菌种保藏中心中国武汉大学微生物菌种保藏中心(CCTCC)(CCTCC)德国国家菌种保藏中心德国国家菌种保藏中心(DSMZ)(DSMZ)荷兰微生物菌种保藏中心荷兰微生物菌种保藏中心(CBS)(CBS)干法保藏菌种的方法干法保藏菌种的方法几种常用菌种保藏方法的比较几种常用菌种保藏方法的比较Thank you!
