第8章-遗传变异和育种上.ppt

1、第7章 微生物的遗传变异和育种,遗传：,亲代与子代相似,变异：,亲代与子代、子代间不同个体不完全相同,遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一,遗传型：,表型（表现型）：,生物的全部遗传因子及基因,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形态等生物 学特征的总和。,表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。,基本概念,表型饰变：,表型的差异只与环境有关 特点：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）：,遗传物质改变，导致表型改变 特点：遗传性、群体中极少数个体的行为 （自发突变频率通常为10-6-10

2、-9）,微生物是遗传学研究中的明星：,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。,对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。,第一节 遗传的物质基础,一、DNA作为遗传物质,二、RNA作为遗传物质,三、朊病毒的发现与思考,一、DNA作为遗传物质,第一节 遗传的物质基础,Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验,分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶 作用于有毒的S型菌细胞抽提物,只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性,DNA是转化所必需的转化因子,第一节 遗传的物质基础,T2噬菌体感染实验（1952年）,第一

3、节 遗传的物质基础,二、RNA作为遗传物质,生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病 毒蛋白质外壳（病毒1）和核酸（病毒2）,抗血清处理，证明杂种病毒的蛋 白质外壳来自病毒1，而非病毒2,杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现 为病毒2，而非病毒1,遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质,第一节 遗传的物质基础,三、朊病毒的发现与思考,亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚为 发现该蛋白内含有核酸。,其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrP c改变折叠状态为 PrP sc所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。,人的库鲁病(kuru)、克雅氏病(Creutzfeldt Jakob disea

4、se, CJD)等,羊搔痒症(scrapie),牛海绵状脑病(spongiform encephalopathy),引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病,Prusiner (1982)提出羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒 （proteinaceous infectious particle），并将之称做Prion或Virino。 -朊病毒,1997年，Stanley B. Prusiner荣获诺贝尔奖,第一节 遗传的物质基础,三、朊病毒的发现与思考,1）蛋白质是否可以作为遗传物质？ prion是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？,2）蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？,DN

5、ARNA肽链蛋白质,核 苷 酸 水 平,密 码 子 水 平,基 因 水 平,遗传物质存在的部位,核 酸 水 平,染色体水平,细胞核水平,细胞水平,核苷酸水平,核糖核酸和脱氧核糖核酸,基因水平,基因是生物体内具有自主复制能力的最小遗传功能单位，其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段。,基因组是指存在于细胞或病毒中的所有基因。由于现在发现许多非编码序列具有重要的功能，因此目前基因组的含义实际上是指细胞中基因以及非基因的DNA序列组成的总称，包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能还尚不清楚的DNA序列。,原核生物基因的组成,操纵子,调节基因,结构基因,操作基因,启动基因,原

6、核生物基因的特点,遗传信息的连续性,功能相关的结构基因组成操纵子结构,结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝,基因组的重复序列少而短,真核生物基因的特点,基因的不连续性：内含子、外显子,高度拷贝和重复顺序 ：遗传丰余,转录和转译在细胞中有空间分隔,原核生物的质粒,质粒的概念： 游离于原核生物基因组以外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，即cccDNA。 质粒赋予细菌某些对其生存并非必不可少的特殊功能。 如：产毒、抗药、产特殊酶、降解有毒化合物等,质粒的主要类型,高拷贝数(high copy number)质粒 （每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝） 松弛型质粒,低拷贝数(

7、low copy number)质粒 （每个宿主细胞中只有1-2个拷贝） 严紧型质粒,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）,广宿主范围质粒(broad host range plasmid) （可以在许多种细菌中复制）,典型质粒简介,F质粒： 大肠杆菌等部分细菌内存在，决定其性别并具有转移能力的质粒。 R质粒： 表现为对抗生素等药物的抗性。 Col质粒： 细菌素的概念,在医疗中具有危害，但可用于微生物筛选和基因工程的标记,部分细菌由质粒编码的蛋白质产生的能抑制或杀死其他近源细菌的代谢产物。,用于“残害手足”,Ti质粒：,诱癌质

8、粒，导致植物产生根癌，膨大等现象；用于植物基因工程。,月季根癌,Ri质粒：,发根质粒，诱发大量称为毛状根的不定根。,降解性质粒：,仅在假单胞菌（Pseudomonas）中发现。具有降解复杂有毒化合物的能力。“超级菌”。,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。,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）,第二节 基因突变和诱变育种,基因突变,突变类型,突变率,基因突变的特点,基因突变自发性和不对应性的实验证明,基因突变及

9、机制,紫外线对DNA的损伤及其修复,基因突变（gene mutation）,基因突变的概念：,泛指遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，可自发或诱导产生。,野生型菌株（wild type strain）：,从自然界分离到的菌株。,突变株（mutant）：,野生型经突变后形成的带有新性状的菌株。,基因突变的类型,突变株的表型,选择性突变株,（selectable mutant）,非选择性突变株,（ nonselectable mutant ）,营养缺陷型,抗性突变型,条件致死突变型,形态突变型,抗原突变型,产量突变型,突变率（mutation rate）,细胞在每一世代中发生某一性状突

10、变的几率。 某一基因的突变一般是独立发生的，他的突变率不影响其他基因的突变。 通常突变发生的几率为10-610-9,基因突变的特点,1.自发性。,2.不对应性,细胞可自发的产生突变,突变性状与引起突变的原因间无直接对应关系,3.稀有性,突变几率为10-610-9,4.独立性,5.可诱变性,诱变剂的使用可大大提高突变几率,6.稳定性,7.可逆性,正向突变/回复突变,基因突变自发性和不对应性的证明,1.Luria等的变量实验 2.Newcomb的涂布实验 3.Lederberg等的影印平板法,变量实验（fluctuation analysis）（1943）,Salvador Luria,Max D

11、elbruck,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,Newcombe的涂布实验（1949）,影印实验（replica plating ）（1952）,基因突变及其机制,基因突变,诱变,碱基置换,移码突变,点突变,畸变,缺失,添加,易位、倒位,自发突变,紫外线对DNA的损伤及其修复,UV导致遗传物质产生嘧啶二聚体（TT、TC、CC），造成局部DNA分子无法配对，引起微生物的死亡或突变。 一般微生物具有光复活作用。 在利用UV进行诱变育种等工作时，应在红光灯下进行照射和后继操作，并放置在黑暗条件下培养。,（一）自发突变与育种 1.从生产中育

12、种。 仔细观察，做“伯乐” 2.定向培育优良菌株。 卡介苗（BCG vaccine）：Bacillus Calmette-Guerin,A.Calmette,C.Guerin,第二节 基因突变和诱变育种,二、突变与育种,（二）诱变育种 诱变育种是指利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选出少数符合目的的突变株，以供科学试验和生产实践使用。,第二节 基因突变和诱变育种,二、突变与育种,1.选择简便有效的诱变剂,诱变剂,物理诱变剂：,化学诱变剂：,紫外线、激光、离子束、rRay,烷化剂、碱基类似物等,诱变育种,诱变

13、育种的几个原则,很多种化学物质，能以各种机制导致DNA的突变,a）利用各种诱变剂获得各类遗传突变，进行诱变育种；,b）对有害微生物进行控制；,c）危害人类自身的健康,诱变育种,“生物化学统一性”法则,人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。,诱变育种,“三致”作用,诱变剂的共性原则： 化学药剂对细菌的诱变率 与其对动物的致癌性成正比,超过95%的致癌物质对微生物有诱变作用 90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用,回复突变(reverse mutation或back mutation)： 突变体

14、失去的野生型性状，可以通过第二次突变 得到恢复，这种第二次突变称为回复突变,美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于1966年发明， 因此称为Ames试验,具体操作：检测 鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium) 组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率,Ames试验,证明Ames试验重要性的应用实例：,国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停”，由于其 药效显著，在60-70年代十分流行， 但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的 妇女大多曾服用“反应停”，后来采用Ames试验发现这种物质的确 具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用

15、但如果能在这种药物上市之前就进行Ames试验检测，那么这种大 量出生畸形儿的悲剧完全可以避免，,由于生物体内、体外可能存在的差异，可在体外加入哺乳动物（如大鼠）微粒体酶系统，使待测物活化，使Ames试验的准确率达80-90%。,Ames试验,2.挑选优良的出发菌株,依靠经验,诱变育种的几个原则,3.处理单细胞或单孢子悬液,诱变育种的细胞应尽量选用单核细胞，丝状菌应选用单孢子。,诱变育种的几个原则,4.选用最适的诱变剂量,剂量存活率曲线，剂量诱变率曲线。,诱变育种的几个原则,5.充分利用复合处理的协同效应,诱变育种的几个原则,6.利用和创造形态、生理与产量间的相关指标,利用蛋白酶水解圈、淀粉酶变

16、色圈、纤维素水解圈等,诱变育种的几个原则,7.设计高效筛选方案,8.创造新型筛选方法,结合具体的目标，大胆尝试，勇于创新。,诱变育种的几个原则,3类突变株的筛选方法,1.产量突变株的筛选,2.抗药性突变株的筛选,梯度平板法定向培育若 干代谢产物高产菌株,3.营养缺陷型突变株的筛选,筛选的意义：,（1）遗传标记菌种,（2）生物测定的试验菌种,（3）生产菌种,基本培养基：MM,M9 medium： Na2HPO4 12.8g KH2PO4 3.0g NaCl 0.5g NH4Cl 0.5g 葡萄糖(单独灭菌) 10.0g 维生素B1(单独灭菌) 1g/mlpH 自然,不能错误的认为基本培养基均是简单的， 不含生长因子的。,完全培养基：CM,Pepton (蛋白胨) 5g Beef extract (牛肉膏) 30gNaCl 5g Agar (琼脂) 15gDistilled water (蒸馏水) Adjust (调) pH to 7.0-7.2,可满足一切营养缺陷型菌株营养需要的 天然或半组合培养基。,补充培养基：SM,例如：在M9培养基中添加LHis等,只能满足相应的