微生物的遗传变异和诱变育种

微生物的遗传变异和诱变育种学习微生物遗传学得意义遗传学中很多重要得成果都就是以微生物作为材料而研究获得得。微生物遗传学得结果就是分子生物学得重要理论基础。微生物遗传学得原理和方法就是遗传工程得基石,并已被生物学其她学科广泛采用,产生了积极地影响。微生物就是遗传学研究中得明星:

微生物细胞结构简单,营养体一般为单倍体,方便建立纯系。

很多常见微生物都易于人工培养,快速、大量生长繁殖。

对环境因素得作用敏感,易于获得各类突变株,操作性强。一、基因突变(GeneMutation)

在自然界,微生物得形态和生理特性由于环境条件得改变,常会发生表型得变化。由遗传物质发生变化引起得表型得变化称为基因突变,这种突变引起表型变异就是遗传性得,称为遗传性变异。第一节基因突变和诱变育种广义得突变基因突变(点突变)狭义得突变染色体畸变野生型菌株(wildtypestrain)突变株(mutant)

(一)突变得类型1形态突变型细胞形态改变:芽胞、荚膜、鞭毛、分生孢子得丧失;菌落形态改变:表观、颜色、大小、噬菌斑大小、混浊度;2生化突变型代谢途径变化:营养缺陷型,抗性突变型抗药物、抗噬菌体。3条件致死突变型4其她突变型:影响次生代谢产物突变型、毒力突变型、糖发酵能力突变型、影响质粒转移功能突变型。1)突变就是自发产生得,与环境条件无关2)自发突变得随机性和突变率3)各种突变得发生彼此无关4)突变就是可逆得5)某些理化因子可显著提高突变率(二)突变得规律1)突变就是自发产生得

基因得突变就是自发产生得,并且自发突变与环境条件就是不对应得。证明突变就是自发产生得两个实验:

1、波动试验(fluctuation)

2、影印培养试验(replicaplating)

1234假设1:突变在各个世代随机发生,与环境条件无关,则不同群体中子代中突变细胞数目不同,产生波动。波动试验fluctuation1943,LuriaandDelbruck用统计学原理设计了波动试验,E、coli

及其噬菌体T1做抗性试验。

1234假设2:突变与环境条件有关,则不同群体中子代中突变细胞数目大概相同,不会产生波动。11大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流1952年Lederberg夫妇设计了影印培养法,直接证明突变菌株就是预先存在得,与相应得环境因素无关。影印培养试验replicaplating

自发突变在时间、地点上就是随机得、偶然得,但就是偶然性表现在必然性之中,突变得必然性表现在一定得突变有一定得突变率。突变率就是某一细胞在每一世代中发生某一性状突变得几率。细菌中自发突变得概率一般就是10-6-10-9。2)自发突变得随机性和突变率

基因突变就是随机得,独立得,因此两个不同突变同时发生得几率就是两者各自发生几率得乘积。在实践中,可同时使用两种药物,以防止细菌抗性突变得产生,提高疗效。3)独立性4)突变就是可逆得突变就是可逆得:正向突变野生型突变型

回复突变回复突变也有一定得机率。

真正得回复突变突变基因上被改变得碱基对在第二次突变时恢复成原来得碱基顺序,真正恢复到野生型基因得功能。抑制基因突变在DNA得不同位置上发生第二次突变抑制了原来突变基因得表达,恢复野生型表型,而不就是直接改变回原来得野生基因型。第一次突变一条多肽链无活性第二次突变恢复活性抑制基因突变第二次突变5)某些理化因子可显著提高突变率

自发突变率一般在10-6-10-9,而理化诱变剂引起得诱发突变率可提高103-104倍。(三)突变得机制

基因突变一般又称点突变,就是由于DNA上1个或多个碱基顺序变化得结果。突变得形式:

1)碱基置换

2)移码突变

3)染色体畸变

1)碱基置换(basesubstitution)在这种突变中,碱基对得数量没有变,只就是一对碱基对被另一对碱基对所代替:转换transiton:颠换transversion:

G-CC-GT-AA-T

转换颠换碱基置换得结果(1)错义突变

(2)无义突变

(3)同义突变因碱基改变使相应氨基酸变化,进而使多肽失活或活性下降。例如:DNAACCACCCCTGGTGGGGmRNAUGGGGG多肽色氨酸甘氨酸(1)错义突变

碱基改变使编码某一氨基酸得密码子变为终止密码子,使蛋白质合成中断,产生无活性得多肽,例如:

DNAATAAGTmRNAUAU(酪氨酸)UCA(丝氨酸)

DNA上ATTATCACTmRNAUAAUAG

UGA

赭色突变琥珀突变乳白突变终止子(Ochre)(Amber)(Opal)(2)无义突变突变后得密码子编码相同得氨基酸,如:

DNATTTTTCmRNAAAAAAG

多肽LysLys(3)同义突变在正常得碱基序列中插入或减少一个或多个碱基,造成突变位点下游密码子得错读,产生氨基酸顺序完全改变了得蛋白质,一般无活性。

DNAGATCGTACATATCCCmRNACAUGCAUGUAUAGGG

多肽LeuAlaCysIleGly

插入

DNAGATACGTACATATCCCmRNACUAUGCAUGUAUAGG

多肽LeuCysMetTyrArg

2)移码突变

frameshiftmutation染色体缺失、重复、倒位、易位引起得大范围变化叫～。染色体畸变可引起生物表型明显得改变。染色体内畸变:只涉及同一条染色体上得核酸。染色体间畸变:涉及不同染色体间得核酸。易位现象:转座子、跳跃基因。3)染色体畸变(四)人工诱变与诱变剂

自发突变得机率很低,一般在10－6～10－9。某些物理、化学因子可以诱发突变,提高突变率,这些因子称为诱变剂;理化诱变剂引起得突变率可提高103～104倍。1、化学诱变剂1)碱基类似物2)嵌入诱变剂3)改变DNA结构得诱变剂碱基类似物:

定义:一类与正常碱基类似得化合物。

机理:在DNA复制时可以替代正常碱基,掺入DNA;在DNA再次复制时,这些类似物发生异构,发生错配,导致碱基置换。

常见得有:2-氨基嘌呤和5-溴尿嘧啶。A••TA••BUG•••BUG•••CG•••BUA•••BU突变嵌入诱变剂

一类结构上扁平得化合物,能够插入DNA链得两个碱基之间,使得DNA在复制时会插入一个额外得碱基,最终导致移码突变。常见得有丫啶橙类化合物。

改变DNA结构得诱变剂

这类化合物可以直接使得碱基发生变化,在DNA复制时造成错误配对,产生碱基置换,常用得有羟胺、亚硝酸、各种烷化剂(亚硝基胍、氮芥)等。2、物理诱变剂

(1)紫外线

(2)电离辐射

直接作用:辐射直接击中DNA链,造成DNA损伤,DNA重接后可能产生缺失、倒位、易位、重复等畸变。间接作用:辐射使DNA周围得水分子发生电离,产生大量游离基,这些游离基又可与DNA发生作用,使碱基氧化,在复制时发生错配,导致突变。Chapter7MicrobialGenetics5、突变与修复修复系统:光复活作用切除修复修复与突变形成得关系细胞外得诱变剂DNA损伤(前突变)

不修复修复

死亡无误修复易误修复

恢复正常易误修复

基因突变

分离突变基因型表达突变表型细胞分裂突变克隆第二节基因重组和杂交育种

两个不同生物个体交换遗传物质并进行重新组合以产生具有新基因型和表型个体得过程。原核生物基因重组得特点1、非等量交换;2、单向进行得;

供体:提供DNA

受体:接受DNA细菌基因重组得3种方式:

细胞接触 DNA载体 涉及DNA片断 接合 ＋ F因子部分染色体转导 －噬菌体 1个/少数基因 转化 －－1个/少数基因 1、转化transformation

来自供体得DNA片断或质粒DNA转移到受体菌并整合进染色体得过程叫转化。转化后得受体菌叫转化子。转化得3个阶段1)感受态阶段

petence2)DNA得结合和吸收

bindinganduptake3)整合

integration1)感受态阶段petence感受态:受体菌细胞容易接收DNA片断得生理状态。感受态就是细菌得一种遗传特性,并且受培养条件得影响,感受态一般在对数中期或后期出现,因菌种而异。2)DNA得结合和吸收

细胞壁上得受体蛋白与DNA片断相互作用,吸附DNA。结合得DNA双链被核酸内切酶切成约14kb大小得片断,然后再被分解成单链,一条单链被降解,另一条单链进入细胞。3)

整合

进入细胞得DNA单链取代受体菌染色体上得同源片断得一条单链,被取代得那条单链被降解。这样形成得杂合双链经修复后将成为含有供体基因得转化子或正常得受体DNA得后代。转化得过程转化得特性

细胞接触 DNA载体涉及DNA片断 － －1个/少数基因 2、转导

供体基因通过噬菌体作为中间载体转移至受体得过程叫转导。转导后得受体菌叫转导子。两种:普遍性转导局限性转导1)普遍性转导

generalizedtransduction

转导噬菌体:噬菌体在装配时,会错把大小与其DNA相似得细菌染色体片断包装进壳体中,形成转导噬菌体。当这种噬菌体侵染下一个寄主细胞后,就把供体得DNA片断带进受体细胞。供体片断可与受体染色体上同源片断配对,通过双交换整合进受体染色体,形成稳定得转导子。流产转导

但就是约有90％得供体DNA片断并不能整合进受体染色体上,能表达却不能复制,只能将供体DNA片断传递给一个子细胞,在选择性培养基上形成微小得菌落,叫流产转导。-鼠伤寒沙门氏菌得P22,大肠杆菌得P1,B、Subtilis得PBS1,PS10等。能进行普遍性转导得噬菌体:2)局限性转导

specializedtransduction

原噬菌体受诱导从寄主DNA上脱离下来时,因不正常切割,会偶尔把其整合位点两侧得寄主基因切下并包装进壳体,进而带进下一个受感染得细胞,并可能通过整合带进受体染色体。如E、coli

:λ、φ80phage、只能使供体得一个或少数几个基因以噬菌体为媒介转移到受体得转导作用称为局限性转导。大肠杆菌得温和噬菌体λ只能转导大肠杆菌得gal或bio基因。

基因 频率 稳定性 普遍性转导 任何 10－6～10－8 90％流产 局限性转导 少数 10－4～10－6 2/3不稳定 两类转导得比较3、接合conjugation

通过细胞接触而进行得基因转移,叫接合。得到了供体DNA得受体菌叫接合子。接合就是借F因子(致育因子)实现得。

F(fertility)因子就是一种小分子得双链环状DNA,约有40个基因。F因子基因组3个区段:1、控制自主复制,含有复制酶基因(rep)、决定不相容性得基因(inc)和复制起点(oviV)。2、转移区段3、插入区段F因子得特性1、可在细胞之间转递;2、可插入核染色体上;3、可从核染色体上脱落F+细胞和F-细胞F+细胞:带有F因子得细胞,每个F+细胞带有1～多个性丝。F-细胞:不带有F因子得细胞,无性丝、F+细胞可以将F因子通过接合方式传给F-细胞。使之成为F+、

导致了基因重组、高频重组菌株(Hfr):

比通过一般接合方式基因重组频率高出1000倍得菌株。原因:由于F因子可整合在染色体上,又可断裂后带动染色体上基因通过接合方式进入寄主细胞。F因子可以通过重组插入细菌染色体中形成Hfr得细胞。Hfr细胞中得F因子既可以从染色体上沿原插入位点正常脱离下来恢复成F+,也可以误差脱离而形成F´细胞。F´因子:

整合在染色体上得F因子在脱离得过程中,由于不正常得切割,而形成得带有寄主基因得F因子。初生F´细胞:含有F´因子得寄主细胞。次生F´细胞:F´×F–

性导:F´×F-得接合作用:由于在F´×F-得接合作用中能专一性地向F-转移F´质粒携带得供体菌基因,因而也有人把通过F´因子得转移而使受体菌改变其遗传性状得现象称为F因子转导或性因子转导。不同类型细胞接合得结果见表接合类型 受体菌变化 染色体基因重组F因子转移 F+×F－

F－→F+ 10－4～10－5 100％ Hfr×F－

F－→F－

10－1～10－2

极少 F´×F－

F－→F’ 10－1 100％

第三节真菌得基因重组方式:

1、有性生殖

2、准性生殖

1、异核现象

heterocaryon异核体:真菌菌丝内含有2个以上不同基因型得细胞核。异核现象就是普遍存在得。异核体得形成方式:菌丝内一个核发生突变,形成不同质得核;不同菌丝得融合。异核体得意义:不同质得核彼此互补,有利生存。

2、准性生殖

就是真菌通过体细胞进行有丝分裂时发生得基因重组过程。

准性生殖得过程1)异核体

2)二倍体化异核体中得两个核一般不融合,只以10－6概率发生融合,形成杂合二倍体。这种二倍体形成后,相当稳定,可以进行有丝分裂。

3)有丝分裂交换(体细胞交换)单元化

3-1)有丝分裂交换

杂合得二倍体核在进行有丝分裂时,以很低得频率发生同源染色体交换,产生各种重组子。

AbCdAbCdaBcDaBcDAbCd13241423AbCdaBCd1234aBCd

AbcDAbcDaBcDaBcD

3-2)单元化

经过有丝分裂后,由于少部分染色体着丝粒不分离可形成2n+1或2n-1得非整倍体核,2n+1可能失去一条染色体再次成2n。2n-1不稳定,将会逐步失去其她染色体成为n。单元化过程a