畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異

畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異第1頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)微生物遺傳與變異的概念第二節(jié)常見(jiàn)的微生物表型變異第三節(jié)微生物變異的機(jī)理第四節(jié)微生物變異株的獲得及微生物遺傳性的保存第2頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ReviewGenetics遺傳學(xué):scienceofheredityHeredity,inheritance遺傳:geneticsubstancetransmittedfromparenttooffspring子代Variation變異:Inheritable,lowrate(10-5~10-8)Mutation突變:anychangeinthenucleotidesequenceoftheDNAinacell.Modification飾變:onphenotype,notgenotypeGenotype基因型:geneticmakeupPhenotype表現(xiàn)型:actual,expressedproperties第一節(jié)微生物遺傳與變異的概念第3頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微生物是遺傳學(xué)研究中的明星：微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，營(yíng)養(yǎng)體一般為單倍體，方便建立純系。很多常見(jiàn)微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長(zhǎng)繁殖，菌落形態(tài)特征的可見(jiàn)性和多樣性。物種和代謝類型多樣，易于積累不同的中間代謝產(chǎn)物或終產(chǎn)物。對(duì)環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，易于形成營(yíng)養(yǎng)缺陷型，操作性強(qiáng)。第4頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月研究微生物遺傳學(xué)的意義微生物是研究現(xiàn)代遺傳學(xué)和其它許多主要的生物學(xué)基本理論問(wèn)題時(shí)最熱衷的研究對(duì)象。對(duì)微生物遺傳規(guī)律的深入研究，不僅促進(jìn)了現(xiàn)代分子生物學(xué)和生物工程學(xué)的發(fā)展，而且為育種工作提供了豐富的理論基礎(chǔ)，促使育種工作從不自覺(jué)到自覺(jué)、從低效到高效、從隨機(jī)到定向、從近緣雜交到遠(yuǎn)緣雜交的方向發(fā)展。第5頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ThreeClassicalExperiments三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)1.Transformation轉(zhuǎn)化2.Infectionofbacteriophage噬菌體感染3.Reconstructionofplantvirus植物病毒重建第6頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三個(gè)證明DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)1、經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)肺炎鏈球菌：S型（菌體具莢膜，菌落表面光滑，有致病能力）；R型（菌體無(wú)莢膜，菌落表面粗糙，無(wú)致病能力）遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)第7頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1928年，F(xiàn).Griffth作了3組實(shí)驗(yàn):第8頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1944年，Avery精確重復(fù)了轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，確定了轉(zhuǎn)化因子實(shí)驗(yàn)證明，將R菌轉(zhuǎn)化為S菌的轉(zhuǎn)化因子是DNA第9頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、噬菌體感染實(shí)驗(yàn)Hershey&Chase’sexperimentofphageinfectionConclusion:DNAwasthephysicalcarrierofheredity遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA第10頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.ReconstructionofTobaccoMosaicVirus(TMV)植物病毒重建

Nucleicacid,DNAorRNA,isthehereditarymaterial為了證明核酸是遺傳物質(zhì)，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的煙草花葉病毒（TMV）進(jìn)行了著名的植物病毒重建實(shí)驗(yàn)。將TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質(zhì)外殼與RNA核心相分離。分離后的RNA在沒(méi)有蛋白質(zhì)包裹的情況下，也能感染煙草并使其患典型癥狀，而且在病斑中還能分離出正常病毒粒子。第11頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月選用TMV和霍氏車前花葉病毒（HRV），分別拆分取得各自的RNA和蛋白質(zhì)，將兩種RNA分別與對(duì)方的蛋白質(zhì)外殼重建形成兩種雜合病毒：（1）RNA（TMV）-蛋白質(zhì)（HRV）（2）RNA（HRV）-蛋白質(zhì)（TMV）用兩種雜合病毒感染寄主：（1）表現(xiàn)TMV的典型癥狀病分離到正常TMV粒子（2）表現(xiàn)HRV的典型癥狀病分離到正常HRV粒子。上述結(jié)果說(shuō)明，在RNA病毒中，遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)也是核酸。第12頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月朊病毒的發(fā)現(xiàn)和思考朊病毒含有微量的核酸，仍未發(fā)現(xiàn)？朊病毒僅由蛋白質(zhì)構(gòu)成朊病毒的遺傳物質(zhì)為蛋白質(zhì)？第13頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)粒（plasmid）：一種獨(dú)立于染色體外，能進(jìn)行自主復(fù)制的細(xì)胞質(zhì)遺傳因子，主要存在于各種微生物細(xì)胞中。質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷?xì)胞一般是非必需的；在某些特殊條件下，質(zhì)粒有時(shí)能賦予宿主細(xì)胞以特殊的機(jī)能，從而使宿主得到生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。第14頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通常以共價(jià)閉合環(huán)狀(covalentlyclosedcircle，簡(jiǎn)稱CCC)的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細(xì)胞中；也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒；質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb；

細(xì)菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）第15頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)粒的檢測(cè)提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；超速離心或瓊脂糖凝膠電泳后觀察；對(duì)于實(shí)驗(yàn)室常用菌，可用質(zhì)粒所帶的某些特點(diǎn)，如抗藥性初步判斷。第16頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)粒的主要種類質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng)致育因子（Fertilityfactor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）第17頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AdvantagesofusingplasmidasAdvantagesofusingplasmidasvectoringeneengineeringvectoringeneengineering質(zhì)粒作為基因工程載體的優(yōu)勢(shì)質(zhì)粒作為基因工程載體的優(yōu)勢(shì)1.Smallsize:easilyusedinDNAseparationandmanipulation體積小,易操作2.Circularshape環(huán)形:keepDNAstable3.Independentstartingpointofreplication:notcontrolledbynucleargenome獨(dú)立的復(fù)制起點(diǎn)4.Multiplecopies多拷貝:increaseexogenousDNArapidly迅速?gòu)?fù)制外源DNA5.Antibioticresistantgene:usedasselectivemarker抗生素抗性基因作為選擇標(biāo)記第18頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變異3-6%食鹽

鼠疫桿菌多形態(tài)性(衰殘型)。

瓊脂培基第二節(jié)常見(jiàn)的微生物表型變異第19頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月青霉素、溶菌酶

正常形態(tài)細(xì)菌L型變異抗體或補(bǔ)體

(部分或完全失去胞壁)正常霍亂弧菌霍亂弧菌L型一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變異第20頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特殊結(jié)構(gòu)的變異：

42-43℃

炭疽桿菌失去形成芽胞能力,毒性降低10-20天

變形桿菌（H）1%石炭酸單個(gè)菌落（O）遷徙生長(zhǎng)鞭毛變異一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變異第21頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第22頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、菌落變異在陳舊培養(yǎng)基中長(zhǎng)期培養(yǎng)

光滑型菌落

粗糙型菌落

S

或在有免疫力的人體內(nèi)

R失去LPS的特異性多糖重復(fù)單位同時(shí)伴有其他性狀的改變第23頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SinglecellsortofSalmonellacultureresultsindifferentcolonymorphologyNon-Geneticvariation第24頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、毒力變異

β棒狀噬菌體

白喉棒狀桿菌獲得白喉毒素

第25頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基

牛型結(jié)核桿菌卡介苗

13年(230代)三、毒力變異第26頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、耐藥性變異細(xì)菌對(duì)某種抗菌藥物有敏感變成耐藥的變異稱為耐藥性變異。金黃色葡萄球菌耐青霉素的菌株已從1946年的14%上升至目前的70%以上。有些細(xì)菌還表現(xiàn)為同時(shí)耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴性。含鏈霉素培基

痢疾桿菌依鏈株(耐藥菌株)

長(zhǎng)期培養(yǎng)

第27頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、耐藥性變異第28頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、耐藥性變異第29頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、代謝的變異某種微生物原來(lái)在代謝過(guò)程中能全成某種營(yíng)養(yǎng)成分的特性，會(huì)變?yōu)槭ミ@種能力，成為所謂的營(yíng)養(yǎng)缺陷型。第30頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月腸道桿菌細(xì)胞壁脂多糖上的特異性多糖稱為O抗原，具有屬特異性；鞭毛蛋白稱為H抗原，具有種特異性。血清學(xué)鑒定的基礎(chǔ)。O與H是可以發(fā)生變異的。六、抗原性的變異第31頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)微生物變異的機(jī)理表型的差異只與環(huán)境有關(guān)特點(diǎn)：暫時(shí)性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個(gè)體的行為一、非遺傳性變異微生物受外界環(huán)境條件變化影響，產(chǎn)生誘導(dǎo)作用，使基因表達(dá)暫時(shí)改變，某一表型性狀隨之發(fā)生改變，當(dāng)除去該誘發(fā)條件時(shí)，可恢復(fù)原來(lái)的性狀。第32頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月遺傳型變異（基因轉(zhuǎn)移、基因突變）：遺傳物質(zhì)改變，導(dǎo)致表型改變特點(diǎn)：遺傳性、群體中極少數(shù)個(gè)體的行為（自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）第三節(jié)微生物變異的機(jī)理二、遺傳性變異在自然或人工條件下，微生物的基因發(fā)生了改變，使相應(yīng)的性狀也發(fā)生變化，并可以遺傳下去，這就是遺傳性變異。第33頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（一）基因突變基因突變（genemutation）簡(jiǎn)稱突變，是變異的一種，指生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)或數(shù)量突然發(fā)生的可遺傳的變化。突變率常在10-4~10-9范圍內(nèi)。第34頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CharacteristicsofMutationCharacteristicsofMutation突變的特征突變的特征1.Spontaneous自發(fā)性2.Non-correspondent不對(duì)應(yīng)性3.Rare稀有性4.Independent獨(dú)立性5.Inducible可誘發(fā)性6.Stability穩(wěn)定性7.Reversible可逆性第35頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）基因轉(zhuǎn)移（transgenosis）轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體轉(zhuǎn)換接合基因轉(zhuǎn)移的方式第36頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.轉(zhuǎn)化（transformation）轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)化作用：受體菌（recipient或receptor）直接吸收了來(lái)自供體菌（donor）的DNA片段，通過(guò)交換整合到自己的基因組中，從而獲得部分新的遺傳型狀的現(xiàn)象。接受了供體菌DNA的受體菌稱為轉(zhuǎn)化子（transformant）。范圍：原核生物中，轉(zhuǎn)化是一個(gè)較普遍的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化發(fā)生的條件:兩個(gè)菌種或菌株之間能否發(fā)生轉(zhuǎn)化，與它們?cè)谶M(jìn)化過(guò)程中的親緣關(guān)系有著密切的關(guān)系。但即使在轉(zhuǎn)化率極高的那些種中，其不同菌株間也不一定都可發(fā)生轉(zhuǎn)化。進(jìn)行轉(zhuǎn)化的受體細(xì)胞必須處于感受態(tài)(competence)。即受體細(xì)胞最易接受外源DNA片段并實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)化的一種生理狀態(tài)。也可以采用人工的方法使細(xì)菌轉(zhuǎn)變成感受態(tài)第37頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月供體菌受體菌DNA片段1928年，Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae）的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象,目前已知有二十多個(gè)種的細(xì)菌具有自然轉(zhuǎn)化的能力第38頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自然轉(zhuǎn)化過(guò)程的特點(diǎn)：a）不需要活的DNA供體細(xì)胞；b）轉(zhuǎn)化是否成功及轉(zhuǎn)化效率的高低主要取決于轉(zhuǎn)化供體菌株和轉(zhuǎn)化受體菌株之間的親源關(guān)系；c）通常情況下質(zhì)粒的自然轉(zhuǎn)化效率要低得多。第39頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第40頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月人工轉(zhuǎn)化用CaCl2處理細(xì)胞，電穿孔等是常用的人工轉(zhuǎn)化手段。在自然轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上發(fā)展和建立的一項(xiàng)細(xì)菌基因重組手段，是基因工程的奠基石和基礎(chǔ)技術(shù)。不是由細(xì)菌自身的基因所控制；用多種不同的技術(shù)處理受體細(xì)胞，使其人為地處于一種可以攝取外源DNA的“人工感受態(tài)”。質(zhì)粒的轉(zhuǎn)化效率高；第41頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）：通過(guò)完全缺陷或部分缺陷噬菌體的媒介，把供體細(xì)胞的DNA小片段攜帶到受體細(xì)胞中，通過(guò)交換與整合，使后者獲得前者部分遺傳形狀的現(xiàn)象。獲得新遺傳形狀的受體細(xì)胞稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)子（transductant）。普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過(guò)完全缺陷噬菌體對(duì)供體菌任何小片段部分?jǐn)y帶到受體菌中，而實(shí)現(xiàn)其遺傳性狀傳遞到受體菌的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過(guò)部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌的少數(shù)特定基因攜帶到受體菌中，并獲得表達(dá)的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。第42頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第43頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Transduction1.Generalizedtransduction2.Specializedtransduction第44頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.噬菌體轉(zhuǎn)換（phageconversion）：或稱溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenicconversion）。當(dāng)溫和噬菌體感染其寄主細(xì)菌之后，噬菌體的基因整合于寄主基因組中，導(dǎo)致寄主的某些性狀發(fā)生變異，稱為噬菌體轉(zhuǎn)換。第45頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.接合（conjugation）：供體菌通過(guò)性菌毛傳遞不同長(zhǎng)度的單鏈DNA給受體菌，在后者細(xì)胞中發(fā)生交換、整合，從而使后者獲得供體菌的遺傳性狀的現(xiàn)象。獲得新性狀的受體細(xì)胞稱為接合子。存在范圍：細(xì)菌和放線菌中都存在接合現(xiàn)象。第46頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TransferofplasmidDNAbyconjugationTheFplasmidofanF+cellisbeingtransferredtoaF-recipientcell第47頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、從自然變異中篩選誘變劑物理因素化學(xué)因素紫外線激光離子束X射線r射線溫度烷化劑堿基類似物吖啶化合物二、傳統(tǒng)的人工誘變方法第四節(jié)微生物變異株的獲得及微生物遺傳性的保存第48頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、原生質(zhì)體融合（protoplastfusion）概念：通過(guò)人為的方法，使遺傳性狀不同的兩細(xì)胞的原生質(zhì)體發(fā)生融合，并進(jìn)而發(fā)生遺傳重組以產(chǎn)生同時(shí)帶有雙親性狀的、遺傳性穩(wěn)定的融合子的過(guò)程，稱為原生質(zhì)體融合。原生質(zhì)體融合的優(yōu)點(diǎn)：可以提高重組率雙親可以少帶標(biāo)記或不帶標(biāo)記可進(jìn)行多親本融合有利于不同種間、屬間微生物的雜交通過(guò)原生質(zhì)體融合提高產(chǎn)量第49頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、基因工程Incorporationintoartificialplasmidsofgenesfromawidevarietyofsourceshasmadepossiblethetransferofgeneticmaterialacrossvirtuallyanyspeciesbarrier。第50頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第51頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MutantsthataredetectableNon-motileNon-capsulatedRoughcolonyNutritionalSugarfermentationDrugresistantVirusresistantTemperaturesensitivePigment第52頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月★按是否比較容易、迅速地分離到發(fā)生突變的細(xì)胞來(lái)分：選擇性突變株（selectivemutant）：具有選擇標(biāo)記（如營(yíng)養(yǎng)缺陷性、抗性突變型、條件致死突變型），只要選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件，如培養(yǎng)基、溫度、pH值等，就比較容易檢出和分離到。非選擇性突變株（non-selectivemutant）：無(wú)選擇標(biāo)記（如產(chǎn)量突變型、抗原突變型、形態(tài)突變型），能鑒別這種突變體的惟一方法是檢查大量菌落并找出差異。第四節(jié)微生物變異株的獲得及微生物遺傳性的保存第53頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月變異菌的一般篩選方法平皿快速檢測(cè)法變色圈法透明圈法生長(zhǎng)圈法抑菌圈法梯度平板法搖瓶培養(yǎng)法第54頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第55頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第56頁(yè)，課件共62頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月菌種保藏：

1.目的：

①存活，不丟失，不污染

②防止優(yōu)良性狀喪失

③隨時(shí)為生產(chǎn)、科研提供優(yōu)良菌種

2.原理：選用優(yōu)良的純種，（最好是休眠體，如分生孢子、芽胞等），創(chuàng)造降低微