微生物的遺傳變異和誘變育種

微生物的遺傳變異和誘變育種學(xué)習(xí)微生物遺傳學(xué)得意義遺傳學(xué)中很多重要得成果都就是以微生物作為材料而研究獲得得。微生物遺傳學(xué)得結(jié)果就是分子生物學(xué)得重要理論基礎(chǔ)。微生物遺傳學(xué)得原理和方法就是遺傳工程得基石,并已被生物學(xué)其她學(xué)科廣泛采用,產(chǎn)生了積極地影響。微生物就是遺傳學(xué)研究中得明星:

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。

對(duì)環(huán)境因素得作用敏感,易于獲得各類(lèi)突變株,操作性強(qiáng)。一、基因突變(GeneMutation)

在自然界,微生物得形態(tài)和生理特性由于環(huán)境條件得改變,常會(huì)發(fā)生表型得變化。由遺傳物質(zhì)發(fā)生變化引起得表型得變化稱(chēng)為基因突變,這種突變引起表型變異就是遺傳性得,稱(chēng)為遺傳性變異。第一節(jié)基因突變和誘變育種廣義得突變基因突變(點(diǎn)突變)狹義得突變?nèi)旧w畸變野生型菌株(wildtypestrain)突變株(mutant)

(一)突變得類(lèi)型1形態(tài)突變型細(xì)胞形態(tài)改變:芽胞、莢膜、鞭毛、分生孢子得喪失;菌落形態(tài)改變:表觀、顏色、大小、噬菌斑大小、混濁度;2生化突變型代謝途徑變化:營(yíng)養(yǎng)缺陷型,抗性突變型抗藥物、抗噬菌體。3條件致死突變型4其她突變型:影響次生代謝產(chǎn)物突變型、毒力突變型、糖發(fā)酵能力突變型、影響質(zhì)粒轉(zhuǎn)移功能突變型。1)突變就是自發(fā)產(chǎn)生得,與環(huán)境條件無(wú)關(guān)2)自發(fā)突變得隨機(jī)性和突變率3)各種突變得發(fā)生彼此無(wú)關(guān)4)突變就是可逆得5)某些理化因子可顯著提高突變率(二)突變得規(guī)律1)突變就是自發(fā)產(chǎn)生得

基因得突變就是自發(fā)產(chǎn)生得,并且自發(fā)突變與環(huán)境條件就是不對(duì)應(yīng)得。證明突變就是自發(fā)產(chǎn)生得兩個(gè)實(shí)驗(yàn):

1、波動(dòng)試驗(yàn)(fluctuation)

2、影印培養(yǎng)試驗(yàn)(replicaplating)

1234假設(shè)1:突變?cè)诟鱾€(gè)世代隨機(jī)發(fā)生,與環(huán)境條件無(wú)關(guān),則不同群體中子代中突變細(xì)胞數(shù)目不同,產(chǎn)生波動(dòng)。波動(dòng)試驗(yàn)fluctuation1943,LuriaandDelbruck用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理設(shè)計(jì)了波動(dòng)試驗(yàn),E、coli

及其噬菌體T1做抗性試驗(yàn)。

1234假設(shè)2:突變與環(huán)境條件有關(guān),則不同群體中子代中突變細(xì)胞數(shù)目大概相同,不會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。11大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問(wèn)的，可以詢(xún)問(wèn)和交流1952年Lederberg夫婦設(shè)計(jì)了影印培養(yǎng)法,直接證明突變菌株就是預(yù)先存在得,與相應(yīng)得環(huán)境因素?zé)o關(guān)。影印培養(yǎng)試驗(yàn)replicaplating

自發(fā)突變?cè)跁r(shí)間、地點(diǎn)上就是隨機(jī)得、偶然得,但就是偶然性表現(xiàn)在必然性之中,突變得必然性表現(xiàn)在一定得突變有一定得突變率。突變率就是某一細(xì)胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變得幾率。細(xì)菌中自發(fā)突變得概率一般就是10-6-10-9。2)自發(fā)突變得隨機(jī)性和突變率

基因突變就是隨機(jī)得,獨(dú)立得,因此兩個(gè)不同突變同時(shí)發(fā)生得幾率就是兩者各自發(fā)生幾率得乘積。在實(shí)踐中,可同時(shí)使用兩種藥物,以防止細(xì)菌抗性突變得產(chǎn)生,提高療效。3)獨(dú)立性4)突變就是可逆得突變就是可逆得:正向突變野生型突變型

回復(fù)突變回復(fù)突變也有一定得機(jī)率。

真正得回復(fù)突變突變基因上被改變得堿基對(duì)在第二次突變時(shí)恢復(fù)成原來(lái)得堿基順序,真正恢復(fù)到野生型基因得功能。抑制基因突變?cè)贒NA得不同位置上發(fā)生第二次突變抑制了原來(lái)突變基因得表達(dá),恢復(fù)野生型表型,而不就是直接改變回原來(lái)得野生基因型。第一次突變一條多肽鏈無(wú)活性第二次突變恢復(fù)活性抑制基因突變第二次突變5)某些理化因子可顯著提高突變率

自發(fā)突變率一般在10-6-10-9,而理化誘變劑引起得誘發(fā)突變率可提高103-104倍。(三)突變得機(jī)制

基因突變一般又稱(chēng)點(diǎn)突變,就是由于DNA上1個(gè)或多個(gè)堿基順序變化得結(jié)果。突變得形式:

1)堿基置換

2)移碼突變

3)染色體畸變

1)堿基置換(basesubstitution)在這種突變中,堿基對(duì)得數(shù)量沒(méi)有變,只就是一對(duì)堿基對(duì)被另一對(duì)堿基對(duì)所代替:轉(zhuǎn)換transiton:顛換transversion:

G-CC-GT-AA-T

轉(zhuǎn)換顛換堿基置換得結(jié)果(1)錯(cuò)義突變

(2)無(wú)義突變

(3)同義突變因堿基改變使相應(yīng)氨基酸變化,進(jìn)而使多肽失活或活性下降。例如:DNAACCACCCCTGGTGGGGmRNAUGGGGG多肽色氨酸甘氨酸(1)錯(cuò)義突變

堿基改變使編碼某一氨基酸得密碼子變?yōu)榻K止密碼子,使蛋白質(zhì)合成中斷,產(chǎn)生無(wú)活性得多肽,例如:

DNAATAAGTmRNAUAU(酪氨酸)UCA(絲氨酸)

DNA上ATTATCACTmRNAUAAUAG

UGA

赭色突變琥珀突變?nèi)榘淄蛔兘K止子(Ochre)(Amber)(Opal)(2)無(wú)義突變突變后得密碼子編碼相同得氨基酸,如:

DNATTTTTCmRNAAAAAAG

多肽LysLys(3)同義突變?cè)谡５脡A基序列中插入或減少一個(gè)或多個(gè)堿基,造成突變位點(diǎn)下游密碼子得錯(cuò)讀,產(chǎn)生氨基酸順序完全改變了得蛋白質(zhì),一般無(wú)活性。

DNAGATCGTACATATCCCmRNACAUGCAUGUAUAGGG

多肽LeuAlaCysIleGly

插入

DNAGATACGTACATATCCCmRNACUAUGCAUGUAUAGG

多肽LeuCysMetTyrArg

2)移碼突變

frameshiftmutation染色體缺失、重復(fù)、倒位、易位引起得大范圍變化叫～。染色體畸變可引起生物表型明顯得改變。染色體內(nèi)畸變:只涉及同一條染色體上得核酸。染色體間畸變:涉及不同染色體間得核酸。易位現(xiàn)象:轉(zhuǎn)座子、跳躍基因。3)染色體畸變(四)人工誘變與誘變劑

自發(fā)突變得機(jī)率很低,一般在10－6～10－9。某些物理、化學(xué)因子可以誘發(fā)突變,提高突變率,這些因子稱(chēng)為誘變劑;理化誘變劑引起得突變率可提高103～104倍。1、化學(xué)誘變劑1)堿基類(lèi)似物2)嵌入誘變劑3)改變DNA結(jié)構(gòu)得誘變劑堿基類(lèi)似物:

定義:一類(lèi)與正常堿基類(lèi)似得化合物。

機(jī)理:在DNA復(fù)制時(shí)可以替代正常堿基,摻入DNA;在DNA再次復(fù)制時(shí),這些類(lèi)似物發(fā)生異構(gòu),發(fā)生錯(cuò)配,導(dǎo)致堿基置換。

常見(jiàn)得有:2-氨基嘌呤和5-溴尿嘧啶。A??TA??BUG???BUG???CG???BUA???BU突變嵌入誘變劑

一類(lèi)結(jié)構(gòu)上扁平得化合物,能夠插入DNA鏈得兩個(gè)堿基之間,使得DNA在復(fù)制時(shí)會(huì)插入一個(gè)額外得堿基,最終導(dǎo)致移碼突變。常見(jiàn)得有丫啶橙類(lèi)化合物。

改變DNA結(jié)構(gòu)得誘變劑

這類(lèi)化合物可以直接使得堿基發(fā)生變化,在DNA復(fù)制時(shí)造成錯(cuò)誤配對(duì),產(chǎn)生堿基置換,常用得有羥胺、亞硝酸、各種烷化劑(亞硝基胍、氮芥)等。2、物理誘變劑

(1)紫外線

(2)電離輻射

直接作用:輻射直接擊中DNA鏈,造成DNA損傷,DNA重接后可能產(chǎn)生缺失、倒位、易位、重復(fù)等畸變。間接作用:輻射使DNA周?chē)盟肿影l(fā)生電離,產(chǎn)生大量游離基,這些游離基又可與DNA發(fā)生作用,使堿基氧化,在復(fù)制時(shí)發(fā)生錯(cuò)配,導(dǎo)致突變。Chapter7MicrobialGenetics5、突變與修復(fù)修復(fù)系統(tǒng):光復(fù)活作用切除修復(fù)修復(fù)與突變形成得關(guān)系細(xì)胞外得誘變劑DNA損傷(前突變)

不修復(fù)修復(fù)

死亡無(wú)誤修復(fù)易誤修復(fù)

恢復(fù)正常易誤修復(fù)

基因突變

分離突變基因型表達(dá)突變表型細(xì)胞分裂突變克隆第二節(jié)基因重組和雜交育種

兩個(gè)不同生物個(gè)體交換遺傳物質(zhì)并進(jìn)行重新組合以產(chǎn)生具有新基因型和表型個(gè)體得過(guò)程。原核生物基因重組得特點(diǎn)1、非等量交換;2、單向進(jìn)行得;

供體:提供DNA

受體:接受DNA細(xì)菌基因重組得3種方式:

細(xì)胞接觸 DNA載體 涉及DNA片斷 接合 ＋ F因子部分染色體轉(zhuǎn)導(dǎo) －噬菌體 1個(gè)/少數(shù)基因 轉(zhuǎn)化 －－1個(gè)/少數(shù)基因 1、轉(zhuǎn)化transformation

來(lái)自供體得DNA片斷或質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)移到受體菌并整合進(jìn)染色體得過(guò)程叫轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后得受體菌叫轉(zhuǎn)化子。轉(zhuǎn)化得3個(gè)階段1)感受態(tài)階段

petence2)DNA得結(jié)合和吸收

bindinganduptake3)整合

integration1)感受態(tài)階段petence感受態(tài):受體菌細(xì)胞容易接收DNA片斷得生理狀態(tài)。感受態(tài)就是細(xì)菌得一種遺傳特性,并且受培養(yǎng)條件得影響,感受態(tài)一般在對(duì)數(shù)中期或后期出現(xiàn),因菌種而異。2)DNA得結(jié)合和吸收

細(xì)胞壁上得受體蛋白與DNA片斷相互作用,吸附DNA。結(jié)合得DNA雙鏈被核酸內(nèi)切酶切成約14kb大小得片斷,然后再被分解成單鏈,一條單鏈被降解,另一條單鏈進(jìn)入細(xì)胞。3)

整合

進(jìn)入細(xì)胞得DNA單鏈取代受體菌染色體上得同源片斷得一條單鏈,被取代得那條單鏈被降解。這樣形成得雜合雙鏈經(jīng)修復(fù)后將成為含有供體基因得轉(zhuǎn)化子或正常得受體DNA得后代。轉(zhuǎn)化得過(guò)程轉(zhuǎn)化得特性

細(xì)胞接觸 DNA載體涉及DNA片斷 － －1個(gè)/少數(shù)基因 2、轉(zhuǎn)導(dǎo)

供體基因通過(guò)噬菌體作為中間載體轉(zhuǎn)移至受體得過(guò)程叫轉(zhuǎn)導(dǎo)。轉(zhuǎn)導(dǎo)后得受體菌叫轉(zhuǎn)導(dǎo)子。兩種:普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)1)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)

generalizedtransduction

轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體:噬菌體在裝配時(shí),會(huì)錯(cuò)把大小與其DNA相似得細(xì)菌染色體片斷包裝進(jìn)殼體中,形成轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體。當(dāng)這種噬菌體侵染下一個(gè)寄主細(xì)胞后,就把供體得DNA片斷帶進(jìn)受體細(xì)胞。供體片斷可與受體染色體上同源片斷配對(duì),通過(guò)雙交換整合進(jìn)受體染色體,形成穩(wěn)定得轉(zhuǎn)導(dǎo)子。流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)

但就是約有90％得供體DNA片斷并不能整合進(jìn)受體染色體上,能表達(dá)卻不能復(fù)制,只能將供體DNA片斷傳遞給一個(gè)子細(xì)胞,在選擇性培養(yǎng)基上形成微小得菌落,叫流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)。-鼠傷寒沙門(mén)氏菌得P22,大腸桿菌得P1,B、Subtilis得PBS1,PS10等。能進(jìn)行普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)得噬菌體:2)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)

specializedtransduction

原噬菌體受誘導(dǎo)從寄主DNA上脫離下來(lái)時(shí),因不正常切割,會(huì)偶爾把其整合位點(diǎn)兩側(cè)得寄主基因切下并包裝進(jìn)殼體,進(jìn)而帶進(jìn)下一個(gè)受感染得細(xì)胞,并可能通過(guò)整合帶進(jìn)受體染色體。如E、coli

:λ、φ80phage、只能使供體得一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)基因以噬菌體為媒介轉(zhuǎn)移到受體得轉(zhuǎn)導(dǎo)作用稱(chēng)為局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。大腸桿菌得溫和噬菌體λ只能轉(zhuǎn)導(dǎo)大腸桿菌得gal或bio基因。

基因 頻率 穩(wěn)定性 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) 任何 10－6～10－8 90％流產(chǎn) 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo) 少數(shù) 10－4～10－6 2/3不穩(wěn)定 兩類(lèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)得比較3、接合conjugation

通過(guò)細(xì)胞接觸而進(jìn)行得基因轉(zhuǎn)移,叫接合。得到了供體DNA得受體菌叫接合子。接合就是借F因子(致育因子)實(shí)現(xiàn)得。

F(fertility)因子就是一種小分子得雙鏈環(huán)狀DNA,約有40個(gè)基因。F因子基因組3個(gè)區(qū)段:1、控制自主復(fù)制,含有復(fù)制酶基因(rep)、決定不相容性得基因(inc)和復(fù)制起點(diǎn)(oviV)。2、轉(zhuǎn)移區(qū)段3、插入?yún)^(qū)段F因子得特性1、可在細(xì)胞之間轉(zhuǎn)遞;2、可插入核染色體上;3、可從核染色體上脫落F+細(xì)胞和F-細(xì)胞F+細(xì)胞:帶有F因子得細(xì)胞,每個(gè)F+細(xì)胞帶有1～多個(gè)性絲。F-細(xì)胞:不帶有F因子得細(xì)胞,無(wú)性絲、F+細(xì)胞可以將F因子通過(guò)接合方式傳給F-細(xì)胞。使之成為F+、

導(dǎo)致了基因重組、高頻重組菌株(Hfr):

比通過(guò)一般接合方式基因重組頻率高出1000倍得菌株。原因:由于F因子可整合在染色體上,又可斷裂后帶動(dòng)染色體上基因通過(guò)接合方式進(jìn)入寄主細(xì)胞。F因子可以通過(guò)重組插入細(xì)菌染色體中形成Hfr得細(xì)胞。Hfr細(xì)胞中得F因子既可以從染色體上沿原插入位點(diǎn)正常脫離下來(lái)恢復(fù)成F+,也可以誤差脫離而形成F′細(xì)胞。F′因子:

整合在染色體上得F因子在脫離得過(guò)程中,由于不正常得切割,而形成得帶有寄主基因得F因子。初生F′細(xì)胞:含有F′因子得寄主細(xì)胞。次生F′細(xì)胞:F′×F–

性導(dǎo):F′×F-得接合作用:由于在F′×F-得接合作用中能專(zhuān)一性地向F-轉(zhuǎn)移F′質(zhì)粒攜帶得供體菌基因,因而也有人把通過(guò)F′因子得轉(zhuǎn)移而使受體菌改變其遺傳性狀得現(xiàn)象稱(chēng)為F因子轉(zhuǎn)導(dǎo)或性因子轉(zhuǎn)導(dǎo)。不同類(lèi)型細(xì)胞接合得結(jié)果見(jiàn)表接合類(lèi)型 受體菌變化 染色體基因重組F因子轉(zhuǎn)移 F+×F－

F－→F+ 10－4～10－5 100％ Hfr×F－

F－→F－

10－1～10－2

極少 F′×F－

F－→F’ 10－1 100％

第三節(jié)真菌得基因重組方式:

1、有性生殖

2、準(zhǔn)性生殖

1、異核現(xiàn)象

heterocaryon異核體:真菌菌絲內(nèi)含有2個(gè)以上不同基因型得細(xì)胞核。異核現(xiàn)象就是普遍存在得。異核體得形成方式:菌絲內(nèi)一個(gè)核發(fā)生突變,形成不同質(zhì)得核;不同菌絲得融合。異核體得意義:不同質(zhì)得核彼此互補(bǔ),有利生存。

2、準(zhǔn)性生殖

就是真菌通過(guò)體細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂時(shí)發(fā)生得基因重組過(guò)程。

準(zhǔn)性生殖得過(guò)程1)異核體

2)二倍體化異核體中得兩個(gè)核一般不融合,只以10－6概率發(fā)生融合,形成雜合二倍體。這種二倍體形成后,相當(dāng)穩(wěn)定,可以進(jìn)行有絲分裂。

3)有絲分裂交換(體細(xì)胞交換)單元化

3-1)有絲分裂交換

雜合得二倍體核在進(jìn)行有絲分裂時(shí),以很低得頻率發(fā)生同源染色體交換,產(chǎn)生各種重組子。

AbCdAbCdaBcDaBcDAbCd13241423AbCdaBCd1234aBCd

AbcDAbcDaBcDaBcD

3-2)單元化

經(jīng)過(guò)有絲分裂后,由于少部分染色體著絲粒不分離可形成2n+1或2n-1得非整倍體核,2n+1可能失去一條染色體再次成2n。2n-1不穩(wěn)定,將會(huì)逐步失去其她染色體成為n。單元化過(guò)程a