微生物的遗传变异.ppt

1、第 七 章 微生物的遗传变异,第七章 微生物的遗传变异与育种,理想的工业发酵菌种应符合以下要求,遗传性状稳定； 生长速度快，不易被噬菌体等异种微生物污染； 目标产物的产量尽可能接近理论转化率； 目标产物最好能分泌到细胞外，以降低产物抑制并利于分离； 尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产量并利于分离； 培养基成分简单、来源广、价格低廉； 对温度、pH、离子强度、剪切力等环境因素不敏感； 对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。,微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的生物学基本理论问题中最热衷的研究对象。 对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育种工作

2、提供了丰富的理论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。,研究微生物遗传学的意义,一、遗传与变异的概念,遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。 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。 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 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。

3、,概述,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10-610-10）；b.形状变化的幅度大； c. 变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。,例如：粘质沙雷氏菌：在25下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25，又恢复产色素的能力。,遗传与变异的概念,二、遗传变异的物质基础,种质连续理论：1883-1889年间Weissmann提出。认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物。 基因学说：1933年摩尔根（Thomas Hunt Morgan）发现了染色体，并证明基

4、因在染色体上呈直线排列，提出了基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。 DNA是遗传变异的物质基础的证明：利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证（肺炎球菌的转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验），才使人们普遍接受核酸才是真正的遗传物质。,经典试验1. 肺炎链球菌的转化试验,加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖,活R菌,长出S菌,只有R菌,1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从热死S型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体

5、条件下进行了转化试验：,只有S型细菌的DNA才能将S. pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。,分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化,结论,细胞生物的遗传物质是双链DNA 病毒的遗传物质可以是单链的或双链的DNA或RNA， 即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。,三、 DNA和RNA的分子结构和复制,遗传物质的复制-双链DNA的复制 （半保留复制）,密码子（coden）：由3个核苷酸顺序决定，负载遗传信息的基本单位 不对称转录：只有DNA双链的一股才作为有意义链被转录，这种现象又称不对称转录。 起始密码子

6、：AUG，甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸 终止密码子：UAA、UGA、UAG,遗传密码 指DNA链上各个核苷酸的特定排列顺序,DNA与遗传密码,四、转座因子和毒力岛,（一）转座因子 近年来发现微生物的某些DNA片段作为一个独立单位可以在染色体上移动，此种移动甚至发生在不同种细菌之间。这种可移动的DNA片段称之为转座因子。细菌的转座因子有三种类型：插入序列、转座子以及某些特殊的噬菌体。,（二）毒力岛 毒力岛是20世纪90年代提出的一个新概念。毒力岛是指病原菌的某个或某些毒力基因群，分子结构与功能有别于细菌染色体，但位于细菌染色体之内，因此称之为“岛”。其生物学意义尚不清楚,推测其与细菌的毒力变异有关。,

7、第一节常见的微生物变异现象,形态、结构变异 毒力变异 耐药性变异 菌落变异 生化特性变异,1.形态结构变异,3-6%食盐鼠疫杆菌多形态性(衰残型)。 琼脂培基,形态结构变异,青霉素、溶菌酶正常形态细菌 L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁),正常霍乱弧菌,霍乱弧菌L型,形态结构变异,特殊结构的变异 42-43炭疽杆菌失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 变形杆菌（H） 0.1%石炭酸 （O） 迁徙生长 单个菌落,连续通过易感动物 和其他微生物共生或被温和噬菌体感染。 例如魏氏梭菌与八叠球菌共生时毒力变强，无毒的白喉棒状杆菌被温和-噬菌体感染后产生白喉毒素，成为有毒细菌。,增强毒力的

8、方法,2.毒力变异,毒力变异,棒状噬菌体白喉棒状杆菌 获得白喉毒素,减弱毒力的方法,通过非易感动物 例如：马尔他强毒布氏杆菌连续通过鸡育成弱毒株；猪丹毒苗GC42系将强毒株通过豚鼠传370代后又通过鸡传42代育成弱毒。 在较高温度下培养。强毒炭疽 42.5下培养弱毒 在含有某些特殊化学物质的培养基中培养。著名的 卡介苗BCG,在含有抗血清，噬菌体或抗生素的培养基中培养。 长期的人工培养。 在特殊气体条件下培养。 如无荚膜炭疽芽胞苗是半强毒株在含50%血清的培养基上，在50% CO2的条件下选育的。 通过基因工程的方法。去除毒力基因可获得无毒力株。,3.耐药性变异,细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐

9、药的变异称为耐药性变异。 金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14%上升至目前的80%。 有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。 含链霉素培基痢疾杆菌依链株(耐药菌株) 长期培养,4.菌落变异,光滑型粗糙型变异 S型（smooth）菌落：光滑，湿润，边缘整齐。 R型（rough）菌落：菌落表面粗糙，枯干，边缘不整齐。 一般来说，SR毒力由强变弱，但炭疽杆菌，结核分支杆菌， 正常菌落为R型S型，毒力减弱,R菌落,S菌落,D菌落的变异,当细菌接触某些化学物质时如CuSO4, LiCl形成细小菌落叫D菌落。（dwarf clone, 侏儒菌落）,5.生化特性

10、变异,乳糖操纵子,第二节 微生物变异的机制,一、突变（ mutation ） 指生物体的表型突然发生的可遗传的变化。 染色体畸变细胞学上可以看到染色体的变 基因突变细胞学上看不到遗传物质的变化 突变体（mutant） 发生了突变的微生物细胞或菌株 野生型（wild type） 从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的 原始菌株,(一)突变的特点,不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。 自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。 稀有性：突变率低且稳定。 独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。 可诱发性：诱变剂可提高突变率。 稳定性：变异性状稳定可遗传。 可逆性：从原

11、始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变（forward mutation），从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变（back mutation或reverse mutation）。,变量试验又称波动试验或彷徨试验。 1943年，S. E. Luria 和M. Delbrck 根据统计学原理，设计了左方的实验。,1. 变量试验fluctuation test,2.涂布试验,原理与变量试验相同，方法更为简便，且可计算突变率。,(二) 突变机制,诱变剂（mutagen）：凡能提高突变率的任何理化因子，就称为诱变剂. 种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有几种作用方式

12、。,诱发突变,1.碱基置换（substitution）,定义：对DNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（microlesion），一般也称点突变（point mutation）。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。 分类：转换（transition），即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换； 颠换（transversion），即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。,对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一种功能。,亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用 HNO2 胞嘧啶（C） 尿嘧啶（U） HNO2 腺嘌呤（A） 次黄嘌呤（H）

13、HNO2 鸟嘌呤（G） 黄嘌呤（X） 这些反应及形成物均可在DNA复制中产生影响，主要是使碱基对发生转换。,碱基转换的分子机制以亚硝酸为例,若干诱变剂的作用机制及诱变功能,2.移码突变,frame-shift mutation 或 phase-shift mutation，指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。 由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株（frame-shift mutant）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分子的微小损伤。 丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和-氨基丫啶等，以及一

14、系列称为ICR类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。,能诱发移码突变的几种代表性化合物,引起移码突变的诱变剂：主要是吖啶类染料，如吖啶黄、吖啶橙等等。 这类化合物都是平面型的三环分子，它们的结构与一个嘌呤嘧啶对十分相似。,丫啶类化合物诱发的移码突变及其回复突变图示,3.染色体畸变（chromosomal aberration）,某些理化因子，如X射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起DNA的大损伤（macrolesion）染色体畸变，它包括： 染色体结构上的变化： 缺失（deletion） 重复（duplication） 易位（translocation） 倒位（inve

15、rsion） 染色体数目的变化,染色体结构上的变化,分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。 染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化， 如发生染色体的部分缺失或重复时，其结果可造成基因的减少或增加； 如发生倒位或易位时，则可造成基因排列顺序的改变，但数目却不改变。 倒位-是指断裂下来的一段染色体旋转180后，重新插入到原来染色体的原位置上，从而使其基因顺序与其它的基因顺序相反； 易位-是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入到同一条染色体的其它部位上。 染色体间畸变：指非同源染色体间的易位。,自发突变机制,自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。 几种自发突变的可能机制 微生物自身有

16、害代谢产物的诱变效应 过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物。它对Neurospora（脉孢菌）有诱变作用，这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低，如果在加入该酶的同时又加入酶抑制剂KCN，则又可提高突变率。这就说明，过氧化氢很可能是“自发突变”中一种内源性诱变剂。在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，可能也是同样的原因。,环出效应,即环状突出效应。有人提出，在DNA的复制过程中，如果其中某一单链上偶然产生一个小环，则会因其上的基因越过复制而发生遗传缺失，从而造成自发突变。,二、基因重组,定义：凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传型个体的方

17、式，称为基因重组（gene recombination）或遗传重组。 作用：重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新遗传型的个体。,生长快、产量低,生长慢、产量高,基因重组,生长快、产量高,细菌的基因重组,基因重组的方式 转化 转导 接合 原生质体融合,定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的受体菌称为转化子（transformant）。 有关名词： 受体菌：recipient/receptor，转化基因的接受者 供体菌：donor，转化基因的提供者 转化因子：来自供体菌的

18、DNA片段 转化子：transformant，将转化基因重组进入自身染色体组的重组子,(一)、转化（transformation）,1、转化及其发现,转化,受体细胞要处于感受态. 感受态：competence，受体细胞能从环境吸取外源DNA片段并实现其转化的一种生理状态 供体DNA片段（转化因子）大小适宜，分子量一般为1 107 D 左右 菌株间的亲缘关系密切,2、转化发生的条件,3、转化的类型,根据感受态建立的方式，可以分为： 自然遗传转化natural genetic transformation 人工转化artificial transformation,人工转化,人工转化是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNA的能力，或人工地将DNA导入细胞内。 方法： CaCl2处理细胞，使其成为能摄取外源DNA的感受态状态. 电穿孔法electroporation：用高压脉冲电流击破细胞膜，或击成小孔，使各种大分子（包括DNA ）能通过这些小孔进入细胞。,可转化的性状,荚膜多糖的合成