第七章微生物的遗传变异和育种课件

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1、长春师范学院生物系长春师范学院生物系第七章第七章 微生物的遗传微生物的遗传变变 异异 和和 育育 种种微生物是遗传学研究的最好材料和对象微生物是遗传学研究的最好材料和对象微生物结构简单微生物结构简单营养体一般都是单倍营养体一般都是单倍体体微生物繁殖速度快微生物繁殖速度快存在多种方式的繁殖类型存在多种方式的繁殖类型 环境条件对微生物作用直接均匀环境条件对微生物作用直接均匀 易积累不同的中间及最终代谢产物易积累不同的中间及最终代谢产物微生物的变异易被识别微生物的变异易被识别参与基因工程的载体供体受体三角色参与基因工程的载体供体受体三角色1 1 1 1 遗传的物质基础基因突变和诱变育种基因重组和杂交

2、育种基因工程菌种的衰退复壮和保藏内容提要1 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础三个经典实验证明核三个经典实验证明核酸是微生物遗传物质酸是微生物遗传物质转化实验转化实验噬菌体感染实验噬菌体感染实验植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式转化实验Cncnc-microNoImage材料方法动物实验细菌培养实验S型菌无细胞抽提液试验光滑型（光滑型（S）粗糙型（粗糙型（R）有有 荚荚 膜膜菌落光滑菌落光滑分泌毒素分泌毒素致致 病病无无 荚荚 膜膜菌落粗糙菌落粗糙无无 毒毒不不 致致 病病SSS三个血清型三个血清型RRR三个血清型

3、三个血清型实验材料：实验材料：肺炎双球菌肺炎双球菌活的S菌加活R菌和热死S菌抽血分离死加活S菌死加活R菌或死S菌活转化实验（1）动物实验杀死 无菌落生长 体外培养 活菌 体外培养 菌落 菌落多菌落少 体外混合培养杀死 活菌 转化实验（2）细菌培养实验大量R菌落活R菌S菌无细胞抽提液+活R菌+S菌DNAS菌落转化实验（3）S型菌无细胞抽提液试验S菌PrS菌多糖R菌落活R菌+Cncnc-microNoImage噬菌体感染实验Pr 只含S不含PDNA只含P不含S原理步骤1：用含同位素35,P32的培养基培养大肠杆菌吸附10分钟后搅动离心上清液沉 淀结果：上清液中含15%放射击性；沉淀中含85%放射性

4、2：让T2感染上述大肠杆菌使其打是S35P32标记3：植物病毒蛋白质和RNA可以人为地分开,同时又可把它们重新组合成具感染性的病毒.植物病毒的重建实验 甲乙r 感染症状同甲病毒；分离得到甲病毒 乙甲r 感染症状同乙病毒；分离得到乙病毒 Cncnc-microNoImageTMVHRVHRVTMV原始株原始株 拆开拆开 重建重建 感染感染 分离纯化分离纯化 植物病毒的重建实验 遗传物质类型核染色体核外染色体真核生物细胞器原核生物质粒遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式染色体染色体基因基因基因基因DNA基因是一段基因是一段DNANoImageNoImageNoImageNoImageDNADNA

5、就是脱氧核糖核酸（长链）就是脱氧核糖核酸（长链）腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）ATCGAAATTTTTTAAAGGGGGCCCCCGC基因测序基因测序就是读出就是读出 A-C-G-T-G-G-A-C-G.基因控制基因控制Pr因而控制性状因而控制性状G A TC T AG A UDNAmRNA天冬天冬氨酸氨酸 基因是什么？基因决定生物体的生、长、病、老死等一切生命现象 基因是生命的密码。基因记录和传递遗传信息。Cncnc-microNoImage大肠杆菌基因组4100个基因，4.7106bp遗传信息的连续性功能相关的结构基因组成操纵子结构基因单拷贝及rRNA多拷贝基因的重复序

6、列少而短Cncnc-microNoImage酵母菌基因组Cncnc-microNoImage染色体 长度Kb基因数12345678染色体 长度Kb基因数439745666107892478410929482304231738142921365732912313873345504874215714991310271310331110241622211520174原核生物基因调控系统原核生物基因调控系统操纵子操纵子RP O结构基因结构基因 启动基因启动基因 操纵基因操纵基因调节调节基因基因质粒 核外环状小型DNA独立复制稳定遗传F因子 与有性接合有关种类 R因子 与抗药性有关COL 编码免疫蛋白T

7、i质粒 诱癌质粒降解散质粒：编码降解有害物质的酶用途 基因工程中作为目的基因载体质粒质粒原核生物遗传物质原核生物遗传物质存在的另一种方式存在的另一种方式基 因 突 变突变与育种基因突变和诱变育种Cncnc-microNoImage突变的特点 Cncnc-microNoImage基因突变诱变机制 突变率突变类型 条件致死突变型（株）突变类型 突变株的表型选择性突变株非选择性突变株营养缺陷型（株）抗性缺陷型（株）形态突变型（株）抗原突变型（株）产量突变型（株）按方法分：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。Cncnc-microNoImage微生物突变体的主要类型微生物突变体的主要

8、类型形态突变型 菌落形态突变型菌体形态突变型生化突变型营养突变体(营养缺陷型)发酵突变体抗性突变体条件致死突变体抗原突变型产量突变型按突变按突变实质分实质分Cncnc-microNoImage突变率出发菌株出发菌株 长出突变株长出突变株含诱变剂的培养基含诱变剂的培养基突变的特点（证明）不对应性 自发性 稀有性 独立性诱变性稳定性 可逆性 Cncnc-microNoImage基因突变自发性和不对应性的证明基因突变自发性和不对应性的证明变 量 试 验 涂 布 试 验 影印培养试验 大肠杆菌稀释培养物10ml10ml(培养前先分成50小管)(在同一个大管中作整体培养)3 7 1 4 4 3 5 抗噬

9、菌体菌落数 抗噬菌体菌落数变量试验 涂布试验 涂布敏感菌5104个共12个平板5104个菌落5000个细菌/菌落喷入T1保温重新涂布后 喷入T1保温6个平板共353个菌落 6个平板共28个菌落影印培养无药培养基含药培养基影印培养试验 原始敏感菌种诱变机制 移码突变 染色体畸变 碱基的置换 Cncnc-microNoImage碱基的置换 直接引起置换的诱变剂直接引起置换的诱变剂HNO2CNH2腺嘌呤CO次黄嘌呤(Hk)A.THe.THk.THk.CA.THk.CG.CCOH次黄嘌呤(He)间接引起置换的诱变剂间接引起置换的诱变剂碱基的置换 COHT：烯醇式CT：酮式OA.TT.AG.CA.T酮式

10、T.G烯醇式COBr5-BU:酮式COHBr5-BU:烯醇式碱基的置换 间接引起置换的诱变剂间接引起置换的诱变剂碱基的置换 G.CA.BUG.BUA.BUG.CA.TA.TA.TA.TG.CA.BU酮式G.BU烯醇式烯醇式酮式移码突变 分子中缺失或增加少数几个碱基对而引起分子中缺失或增加少数几个碱基对而引起造成突变点以后全部遗传密码转录与转释发生错误造成突变点以后全部遗传密码转录与转释发生错误ABC ABCABCABCABCABCABCABCAB+ABC ABCCBA CBA CBA CBA CBAABC BCA BCA BCABCABCABCABCA增添一个碱基增添一个碱基缺少一个碱基缺少一

11、个碱基染色体畸变 某些理化因子，如射线，紫外线，亚硝 酸等，除能引起点突变外，还会引起DNA分 F 子大损伤，包括染色体易位，倒位，缺失，重复等，即为染色体畸变。Cncnc-microNoImage染色体畸变 紫外线诱变作用机理紫外线诱变作用机理 可使链裂断，破坏核糖和磷酸间的键联引起胞嘧啶和尿嘧啶产生水合作用造成氢键断裂 能使胸腺嘧啶成二聚体，使结构发生改变 Cncnc-microNoImage突变与育种突变与育种Cncnc-microNoImage自发突变与育种从生产中选育定向培育优良品种诱变育种 从青霉素产量看诱变育种诱变育种的基本环节诱变育种的原则 效价：指有效成分的浓度。1ug/ul

12、称为1 单位1945时间1943194319431947195519711977目前发酵单位(u/ml)10025050085085080002万5万510万 从 青 霉 素 产 量 看 诱 变 育 种诱变育种的基本环节大多死亡少数存活存活率多数未变少数突变突变率多数负变少数正变正变率多数幅度小少数幅度大高产率投产率多数不宜投产少数适宜投产出发菌株计算出诱变Cncnc-microNoImage诱变育种工作中应考虑的几个原则选优良的出发菌株选择简便有效的诱变剂处理单孢子（或单细胞）悬液选用最适剂量设计或采用高效筛选方案或方法Cncnc-microNoImage利用复合处理的协同效应利用和创造形态

13、，生理与产量间的相关指标选择简便有效的诱变剂选择简便有效的诱变剂出发菌株 含诱变剂的液体培养基接种培养培养接种分离紫外线选择优良突变株S.t.his回变S.t.his 吸入滤纸片保温可疑“三致”试样 鼠肝匀浆（含羟化酶）阳性阴性 利用回变检测致癌剂利用回变检测致癌剂 艾姆斯试验法艾姆斯试验法挑选优良的出发菌株生产中用过的自发变异菌株采用具有有力性状的菌株采用已发生其他变异的菌株采用前体或最终产物代谢高的菌株采用增变菌株Cncnc-microNoImage处理单孢子（或单细胞）悬液芽孢杆菌应处理芽孢放线菌，霉菌应处理孢子细菌指数期，放线菌霉菌要稍加萌发后使用出发菌株应制成均匀悬夜Cncnc-mi

14、croNoImage选用最适剂量选用最适剂量剂量以诱变剂浓度和处理时间来表示合适剂量：能扩大变异幅度又能促使 变异移向正变范围的剂量Cncnc-microNoImage充分利用复合处理的协同效应两种或多种诱变剂先后使用同种诱变剂重复使用两种或多种诱变剂同时使用Cncnc-microNoImage利用和创造形态，生理与产量间的相关指标淀粉酶变色圈试验变色圈大的为淀粉酶高产菌落设计或采用高效筛选方案或方法设计或采用高效筛选方案或方法一个出发菌株诱变剂处理选出200个单 孢子菌菌株初筛（每株1瓶）选出50株复筛（每株4瓶）选出5 株第一轮第二轮五个出发菌株初筛（每株1瓶）选出50株复筛（每株4瓶）选

15、出5 株40株40株40株40株40株诱变剂处理突变株的筛选方法 高产突变菌株的筛选方法 抗性突变体的筛选方法 营养缺陷型的的筛选方法 Cncnc-microNoImage与突变株的筛选相关的几个概念与突变株的筛选相关的几个概念相关培养基基本培养基 -完全培养基补充培养基三类遗传型野生型 A+B+营养缺陷型型A+B-原养型 A+B+Cncnc-microNoImage突变突变春日霉素产生春日霉素产生菌的孢子悬液菌的孢子悬液高产突变株的筛选高产突变株的筛选 琼脂块培养法筛选 春日霉素高产菌种含供试菌种（拮抗对象）的琼脂平板 抗性突变体的筛选方法青霉素浓缩法梯度培养皿法Cncnc-microNoI

16、mage青霉素浓缩法培养基(含青霉素)接入敏感菌液 （含抗性突变株）涂布抗青霉素菌落培养梯度培养皿法梯度培养皿法强抗性中抗性弱抗性含异烟肼接敏感菌含突变株营养缺陷型的筛选办法诱变剂处理淘汰野生型检出缺陷型夹层培养法限量补充培养法逐渐检出法影印接种法鉴定缺陷型Cncnc-microNoImage菌丝过滤法夹层培养法及结果小菌落是第二次长起来的（营养缺陷型）逐个检出法涂布培养基本培养基上不长菌落完全培养基上长出菌落含诱变剂的液体培养基菌种营养缺陷型影印接种法影印接种法完全培养基完全培养基影印接种基本培养基基本培养基营养缺陷型限量补充培养法 微量蛋白质的完全培养基上 小菌落是营养缺陷型突变株菌丝 过

17、滤法筛选营养突变株基本培养基 接入微生物孢子 （含营养突变株）涂布均匀后培养长出菌丝体（野生型）菌丝过滤得营养突变株 细菌的基因重组真核微生物基因重组在有性繁殖过程中发生，当合子减数分裂时，两染色体发生交换。原核微生物 通过转化、接合、转导等形式进行 一 部分物质转移和基因重组。（小结）Cncnc-microNoImageCncnc-microNoImage 转化(transformation)几个概念：转化、转化因子、感受态 转化过程转化的特点 转 化(transformation)受体细胞直接吸收了来自供体细胞的DNA片断，并把它整合到自己的基因组中，细胞部分遗传性状发生变化的现象叫转化。

18、Cncnc-microNoImage转化因子转化是游离的片断的转移和重组游离的片断叫转化因子转化因子由供体提供自然情况下可由细菌细胞自行裂解产生，实验室里通过提取获得双链有转化能力，单链没有，Cncnc-microNoImage受体细胞能接受转化的生理状态称为感受态，只有处于感受态的细菌才能接受转化因子，从出现到消失约为分钟(对数期的中期)Cncnc-microNoImage感受态感觉态出现原因细菌失去部分细胞壁的结果细菌在细胞表面产生某种引起Cncnc-microNoImage感受态的决定决定因素细胞遗传性决定和菌龄有关环腺苷酸Camp可提高1000 倍 Ca2+能促使细胞进入感受态感受态因

19、子是受体细胞表面上的一种蛋白质功能使转化因子结合在受体细胞表面每个受体细胞表面约有30-80个转化因子结合点，当转化因子结合到受体表面结合点上时，DNA一条链被受体细胞膜上的核酸酶分解，另一条链进入受体细胞，通过整合与受体细胞进行基因重组，有人发现DNA也可通过双链形式进入受体细胞形成双倍体的转化子。Cncnc-microNoImage转化过程转化转化过程过程转转化化中中基基因因交交换换过过程程示示意意图图53abc5335ABCDE5335abcABCDE5335ABCDEc5335cABCDE5335cABCDE转化的特点 不需两个细胞直接接触，供体DNA提取出来，注入受体即可。Cncnc

20、-microNoImage转导的种类 完全普遍转导流产普遍转导局 限 转 导溶 源 转 变低频转导高频转导遗传物质通过噬菌体的携带而转移的基因重组 转导的发现 转导(transduction)Cncnc-microNoImage转导的特点 供体A-B+完全普遍性转导完全普遍性转导(compietetransduction)A-B+A+B-少数受体A+B+经重组形成转导子鼠伤寒沙门氏菌鼠伤寒沙门氏菌A+B-多数受体形成溶源菌A-B+色氨酸缺陷型A+B-组氨酸缺陷型galbiogalbio宿主基因组整合不正常切离（10-410-6）正常切离正常dgaldbio低频转导（LFT）裂解物的形成低频转导

21、低频转导高频转导高频转导Cncnc-microNoImage转导的特点 需要噬菌体做媒介，不需要细胞间直接接触 噬菌体DNA不接合到寄主染色体 噬菌体蛋白质包裹寄主任何一部分DNA片段噬菌体DNA整合到寄主染色体上 噬菌体DNA与寄主染色体特定基因发生交换 普遍性转导 局限性转导Cncnc-microNoImage溶源转变溶源转变温和噬菌体的基因整合到宿主核基因组上的现象温和噬菌体并不携带外源供体菌的基因这种温和噬菌体是完整的，而不是缺陷的获得新性状的是溶源化的宿主细胞，而不是转导子获得的性状可随噬菌体的消失而同时消失Cncnc-microNoImageCncnc-microNoImage接

22、合 及 其 发 现因子和接合 接合(conjugation)(雄性菌株与雌性菌株接合结果+A+B+C-D-维甲缺陷型A-B-C+D+苏缺赖陷型接 合 及 其 发 现A+B+C+D+通过细胞间的直接接触能进行大通过细胞间的直接接触能进行大段的转移的过程，叫接合段的转移的过程，叫接合 雄性菌株 Hfr菌株 F 菌株 菌株 （雌株）因子和接合因子和接合 F+菌株FF+F+F+F+FFF+FHfrHfrF（多数情况下）F+HfrHfrHfr（少数情况下）雄性菌株与雌性菌株接合结果三者根本区别在于DNA转移的方式不同 转化：供体DNA片断注入受体细胞，通过细胞膜接合：供体进入受体通过性纤毛转导：供体DNA片断通过媒介噬菌体携带进入受体 Cncnc-microNoImage