关于微生物的遗传变异和育种课件课件
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微生物学第八章微生物的遗传变异和育种课件PPT
原理
DNA只含P不含S，Pr只含S不含P； 用含同位素Ｓ35, P32的培养基培养大肠杆菌； 让T2感染上述大肠杆菌使其打上S35 、 P32标记。
上清液
吸附
10分钟后
搅动
离心 沉淀
结果：上清液中含15%放射射性；沉淀中含85%放射性
（3）病毒的拆开及重建实验
1956年，Fraenkel-Conrat证明烟草花叶病毒（TMV） 的主要感染成分是RNA。
变量试验
联密码；64种。
（7）核苷酸水平：最低突变单位或交换单位；A、G、T、C。
基因控制Pr因而控制性状
大肠杆菌基因组
4100个基因，4.7×106bp 遗传信息的连续性 功能相关基因组成操纵子 结构基因单拷贝及rRNA多拷贝 基因的重复序列少而短
酵母菌基因组
染色体 长度Kb 基因数 106 423 172 814 292 136 573 291 染色体 长度Kb 9 10 11 12 13 14 15 16 439 745 666 1078 924 784 1092 948 基因数 231 387 334 550 487 421 571 499
突变（mutation）：生物体表型突然发生了可遗 传的变化；包括基因突变和染色体畸变
突变规律研究意义
理论上：基因定位；基因功能研究；
生产上：育种的理论基础。
1.基因突变（gene mutation）：DNA链上的
一对或少数几对碱基发生改变而引起的表型改变；分 为自发突变（spontaneous mutation）和诱变 （induced mutation）。
第八章 微生物的遗传变异和育种
遗传性（heredity）：亲代生物（parent）通过传递 给子代（offspring）的一套遗传信息而保持其相同形状 的特性，遗传是相对稳定的。 变异性（variation）：在遗传物质水平上发生改变， 而引起相应性状发生改变的特性，变异是可以遗传的。 基因型（遗传型、因子型）：决定生物遗传性的物质 基础特征，即全部遗传因子特征。 表型（表现型、现象型）：在合适的外界环境条件下， 特定遗传性的个体，通过新陈代谢和生长发育所表现出的 种种具体性状。
第八章微生物遗传变异与育种ppt课件
子，主要存在于各种微生物细胞中。
(1)质粒的分子结构
●通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简 称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；
●也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒; ●质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb； （细菌质粒多在10kb以内）
质粒的检测
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10-6～10-10); 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.
饰变(modification):指不涉及遗传物质结构改变
而只发生在转录、转译水平上的表型变化.
决定细胞衰老的“生物钟”就是染色体末端的端粒DNA， 它可随着年龄的增长而缩短。
●原核微生物拟核体
与真核生物相比，原核微生物的染色体通常 只有一个核酸分子(DNA或RNA)，其遗传信 息的含量比真核生物少得多。病毒染色体只 含一个DNA或者RNA分子，可以是单链也 可以是双链；大多呈环状，少数呈线性分子。 细菌染色体均为环状双链DNA分子。
●产毒素E.coli是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一, 其中许多菌株含有编码一种或多种肠毒素基因的质粒。
●苏云金杆菌含有编码δ内毒素(伴孢晶体中)的质粒 ●根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致
病因子
Ti质粒的结构及特点
1)致育因子(F因子)
能于染色体外独立增殖的环状DNA分子，其大小约 100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖 现 象有关的质粒。由于这种质粒还可以整合到细菌染色 体上，成为染色体的一部分，又叫作附加体。F质粒整 合到宿主细胞染色体上的菌株叫Hfr.
(1)质粒的分子结构
●通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简 称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；
●也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒; ●质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb； （细菌质粒多在10kb以内）
质粒的检测
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10-6～10-10); 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.
饰变(modification):指不涉及遗传物质结构改变
而只发生在转录、转译水平上的表型变化.
决定细胞衰老的“生物钟”就是染色体末端的端粒DNA， 它可随着年龄的增长而缩短。
●原核微生物拟核体
与真核生物相比，原核微生物的染色体通常 只有一个核酸分子(DNA或RNA)，其遗传信 息的含量比真核生物少得多。病毒染色体只 含一个DNA或者RNA分子，可以是单链也 可以是双链；大多呈环状，少数呈线性分子。 细菌染色体均为环状双链DNA分子。
●产毒素E.coli是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一, 其中许多菌株含有编码一种或多种肠毒素基因的质粒。
●苏云金杆菌含有编码δ内毒素(伴孢晶体中)的质粒 ●根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致
病因子
Ti质粒的结构及特点
1)致育因子(F因子)
能于染色体外独立增殖的环状DNA分子，其大小约 100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖 现 象有关的质粒。由于这种质粒还可以整合到细菌染色 体上，成为染色体的一部分，又叫作附加体。F质粒整 合到宿主细胞染色体上的菌株叫Hfr.
《微生物学》教学课件：07 微生物的遗传变异和育种
4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；
5）基因组的重复序列少而短；
注：古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息 传递系统(复制、转录和翻译)则与细菌不同而类 似于真核生物。
四、微生物的基因组结构
第二节 遗传的物质基础
3. 真核微生物的基因组（啤酒酵母）
1）典型的真核染色体结构；
啤酒酵母基因组大小为13.5×106bp，分布在16条染色体中。
有关内容在讲细菌的接合作用 （conjugation）时具体介绍
五、质粒
第二节 遗传的物质基础
3. 质粒的主要类型——抗性因抗子性质粒在细菌间的传递 抗性因子（Resistance factor是，细R因菌子产）生抗药性的重要 包括抗药性和抗重金属二大原类因之一。
R100质粒(89kb)可使宿主对 下列药物及重金属具有抗性：
编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位 一般无直接的结构基因，相关酶的基因多在
于质粒或转座子上
染色体上
细菌素结构基因、 涉及细菌素运输及发挥作用（processing） 的蛋白质基因、赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产 物的基因
一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死 同种但不携带该质粒的菌株。
长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。
表型由遗传型决定，但也和环境有关
一、遗传变异是微生物的基本第特一征节 微生物遗传变异概述
表型饰变：
即外表的修饰性改变，是发生在转录、转译水平上 的变化，不涉及遗传物质结构改变的表型变化。
特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为
橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。
第二节 遗传的物质基础
• 通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简 称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；
微生物的遗传变异和育种PPT课件
实验设计者
1952年，美国的莱德伯格夫妇
实验材料
E.coli K12
实验过程
Lederberg 的平板培养法
（四）突变的特点
不对应性 自发性 稀有性 独立性 诱变性 稳定性 可逆性
核基因组
真核生物的 有核膜包裹的真核
(DNA+组蛋白)
原核生物的 无核膜包裹的核区
(环状双链DNA)
线粒体
真核生物的
细胞质基因 共生生物
叶绿体等
核外染色体
2um质粒等 F因子(F质粒)
R因子(R质粒)
原核生物的
Col质粒
Ti质粒 巨大质粒
降解性质粒等
原核生物的质粒
1. 质粒的定义
•指游离于原核生物核基因组以外，具有独立复制 能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，即 cccDNA(circular covalently closed DNA)。
4）Ti质粒 (tumor inducing plasmid)
Agrobacterium tumefaciens（根
癌土壤杆菌）从一些双子叶植物的受 伤根部侵入，最后在其中溶解，释放 出Ti质粒，其上的T-DNA片段与植物 细胞中的核染色体组发生整合，合成 正常菌株所没有的冠瘿碱类，破坏控 制细胞分裂的激素调节系统，从而使 它转变成癌细胞。
自发突变几率 一般在10-6~10-9范围内；
突变率为10-9的含义
抗性突变是最常见的突变类型；
细菌产生抗药性的途径 基因突变 抗药性质粒的转移 生理适应
由基因突变引起的抗药性的原因？
两种观点：
突变的性状与引起突变的原因间呈对应 性 — 抗性突变株的产生是由环境因素 诱发出来的，属定向变异；
1952年，美国的莱德伯格夫妇
实验材料
E.coli K12
实验过程
Lederberg 的平板培养法
（四）突变的特点
不对应性 自发性 稀有性 独立性 诱变性 稳定性 可逆性
核基因组
真核生物的 有核膜包裹的真核
(DNA+组蛋白)
原核生物的 无核膜包裹的核区
(环状双链DNA)
线粒体
真核生物的
细胞质基因 共生生物
叶绿体等
核外染色体
2um质粒等 F因子(F质粒)
R因子(R质粒)
原核生物的
Col质粒
Ti质粒 巨大质粒
降解性质粒等
原核生物的质粒
1. 质粒的定义
•指游离于原核生物核基因组以外，具有独立复制 能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，即 cccDNA(circular covalently closed DNA)。
4）Ti质粒 (tumor inducing plasmid)
Agrobacterium tumefaciens（根
癌土壤杆菌）从一些双子叶植物的受 伤根部侵入，最后在其中溶解，释放 出Ti质粒，其上的T-DNA片段与植物 细胞中的核染色体组发生整合，合成 正常菌株所没有的冠瘿碱类，破坏控 制细胞分裂的激素调节系统，从而使 它转变成癌细胞。
自发突变几率 一般在10-6~10-9范围内；
突变率为10-9的含义
抗性突变是最常见的突变类型；
细菌产生抗药性的途径 基因突变 抗药性质粒的转移 生理适应
由基因突变引起的抗药性的原因？
两种观点：
突变的性状与引起突变的原因间呈对应 性 — 抗性突变株的产生是由环境因素 诱发出来的，属定向变异；
第七章 微生物的遗传变异和育种优秀课件
sul r str r
IS1a
有功能不相同的二个组成部 分：抗性转移因子（RTF） 和抗性决定因子（r-det）， 由两个顺向重复序列IS1所 分开。
RTF为73kb，包括与质粒的 性别传递、自我复制、不相
容性以及对四环素的抗性基
因（tetr），在tetr的两边为
反向重复序列IS10。r-det
第七章 微生物的遗 传变异和育种
第七章 微生物的遗传变异和育种
微生物有不同于高等动植物的生物学特性，主要有：
单细胞体制或多细胞极少分化的体制； 营养体多数是单倍体； 多数能在一定成分的培养基上生长繁殖； 在固体培养基上能从单个细胞通过无性繁殖方式形成菌落； 繁殖迅速； 代谢作用旺盛，在液体培养基中能在短期内积累大量代谢产物； 环境因素对于分散的细胞能起均匀而直接的作用； 有性世代同样在较短时间内完成； 微生物中间有最简单的类型，如病毒。
R100.1是一种接合型质粒，分子量为93kb，带有
多 种 抗 药 性 基 因 。 对 氯 霉 素 （ Cam ） 、 链 霉 素 （Str）、四环素（Tet）、磺胺（Sul）和金属汞 （Mer）具有抗性。
RTF
IS10 tet r IS10
R100.1结构示意图
IS1b mer r
r-det Tn21
所以微生物作为遗传学研究的材料具有广泛的优越性。
第一节 遗传变异的物质基础
遗传的染色体学说认为基因在染色体上，染色 体的主要成分是DNA和组蛋白。 大量间接和直接的事实说明，遗传物质是DNA （ 有 时 是 RNA ） ， 遗 传 信 息 就 编 码 在 DNA 分 子的核苷酸序列中。
一、三个经典实验
5 典型质粒简解
F质粒
转移功能区
微生物的遗传变异和育种 PPT课件
著名的肺炎球菌实验
结果说明：加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种 特殊的生物分子或遗传物质，可以使无害的R型肺 炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。 这种生物分子或遗传物质是什么呢？
纽约洛克非勒研究所
Avery
从加热杀死的 S 型肺炎球菌将蛋白质、核酸、 多糖、脂类分离出来，分别加入到无害的 R 型 肺炎球菌中， 结果发现，惟独只有核酸可以使无害的 R 型肺 炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。 1944年 结论：DNA是生命的遗传物质
3、植物病毒的拆分和重建试验
烟 草 花 叶 病 毒 感 染 试 验
二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式
（一）、七个水平
（1）细胞水平
（2）细胞核水平
（3）染色体水平
（4）核酸水平
（5）基因水平 （6）密码子水平 （7）核苷酸水平
（二）、原核生物的质粒
1. 定义和特点： 定义：游离并独立存在于染色体以外的能进行自主复制的细胞质 遗传因子，通常以小型共价闭合环状的超螺旋双链DNA分 子，即cccDNA 存在于各种微生物细胞中。 大小：1～1000kb 构型：超螺旋、线状、环状 特点：（1）质粒携带某些核基因组中所缺少的对宿主生存不必需基因，
其中研究较多的细菌质粒有：F质粒决定大肠杆菌的致 育性；抗性因子决定细菌的耐药性；Col质粒决定产生 大肠杆菌素。
第一节 微生物遗传变异的物质基础 第六章微生物的遗传变异和育种 二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式 2、原核生物的质粒
（2）质粒的种类
①F质粒（接合质粒、F因子、致育因子或性因子） 大小：仅100kb，为cccDNA。 功能：决定细菌的性别和转移能力。 F质粒在大肠杆菌的有性接合作用中起主要作用。
第八章微生物的遗传变异与育种ppt课件
（8） 易于形成营养缺陷型；
（9） 各种微生物一般都有相应的病毒；
（10） 存在多种处于进化过程中的原始有性 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。
（movable gene）。
转座因子
定义：可在DNA链上改变自身位置的一段DNA序列。
原核生物中的转座子类型 转座的遗传效应
插入（IS）序列
转座子(Tn)
特殊病毒（Mu噬 菌体）
插入序列（IS，insertion sequence)
分子量最小（仅0.7~1.4kb），只有引起转座的转座酶基 因而不含其它基因，具有反向末端重复序列。已在染色体、 F因子等质粒上发现IS序列。E . coli的F因子和核染色体组 上有一些相同的IS，通过这些同源序列间的重组，就可使 F因子插入到E . coli的核染色体组上，形成Hfr菌株。因IS 在染色体组上插入的位置和方向的不同，其引起的突变效 应也不同。IS被切离时引起的突变可以回复，如果因切离 部位有误而带走IS以外的一部分DNA序列，就会在插入部 位造成缺失，从而发生新的突变。
第八章 微生物的遗传变异与育种
➢ 第一节 遗传变异的物质基础 ➢ 第二节 微生物的基因组结构 ➢ 第三节 质粒和转座因子 ➢ 第四节 基因突变及修复 ➢ 第五节 基因重组 ➢ 第六节 微生物育种 ➢ 第七节 菌种的衰退、复壮与保藏
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：亲代将自身一整套遗传因子传递给下一代的行为和 功能，
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3.质粒的种类
按其复制与核染色体的复制是否同步
严紧型质粒 (stringent replication plasmid) 松弛型复制控制质粒 (relaxed replication plasmid)
按其功能
接合性质粒：如F质粒 抗药性质粒：如R质粒 产细菌素的质粒：如Col质粒 具有生理功能的质粒：如固氮的mega质粒、降解质粒等 产毒质粒：如Ti质粒
二、遗传物质在细胞中的存在方式 核酸的七个水平
(一) 细胞水平 (二) 细胞核水平 (三) 染色体水平 (四) 核酸水平 (五) 基因水平 (六) 密码子水平 (七) 核苷酸水平
(二) 细胞核水平
遗传物质 类型
核基因组
真核生物的 有核膜包裹的真核
(DNA+组蛋白)
原核A)
实验设计者
1952年，美国的莱德伯格夫妇
实验材料
E.coli K12
实验过程
Lederberg 的平板培养法
（四）突变的特点
不对应性 自发性 稀有性 独立性 诱变性 稳定性 可逆性
(五)基因突变及其机制
转换
碱基置换
基因突变
颠换
诱变
移码突变
缺失
4）Ti质粒 (tumor inducing plasmid)
Agrobacterium tumefaciens（根
癌土壤杆菌）从一些双子叶植物的受 伤根部侵入，最后在其中溶解，释放 出Ti质粒，其上的T-DNA片段与植物 细胞中的核染色体组发生整合，合成 正常菌株所没有的冠瘿碱类，破坏控 制细胞分裂的激素调节系统，从而使 它转变成癌细胞。
接种时每一平皿的细胞数：5×104 培养5h后每一平皿的细胞数：
5×104 ×212.3（5100）= 2.6 ×108 6个平皿上共发现28个突变菌落 突变率=突变的细胞数/增加的细胞总数
=28/ 6 ×（ 2.6 ×108 -5×104）=1.8×10-8
3.平板影印试验（replica plating）
（二）基因突变的类型
基因突变的类型有哪些？
哪些突变型是选择性突变株？哪些是非 选择性突变株？为什么？
举例说明如何筛选抗性突变株？
突变株的表型
选择性突变株
营养缺陷型 抗性突变型 条件致死突变型
形态突变型 非选择性突变株 抗原突变型
产量突变型
（三）突变率
每一个细胞在每一世代中发生某一性状突 变的几率；
自发突变几率 一般在10-6~10-9范围内；
突变率为10-9的含义
抗性突变是最常见的突变类型；
细菌产生抗药性的途径 基因突变 抗药性质粒的转移 生理适应
由基因突变引起的抗药性的原因？
两种观点：
突变的性状与引起突变的原因间呈对应 性 — 抗性突变株的产生是由环境因素 诱发出来的，属定向变异；
关于微生物的遗传变异和育种 课件
几个概念
遗传(heredity) 变异(variation) 遗传型(genotype) 表型(phenotype) 饰变(modification)
第一节 遗传变异的物质基础
三个经典实验
转化实验 噬菌体的感染实验
病毒的拆开和重建实验
（一）转化实验
实验材料：Streptococcus pneumoniae
Streptococcus pneumoniae 的几种形态
S型和R型
转化实验
转化实验
➢ 从活的S菌中抽提各种细胞成分（DNA，蛋白质， 荚膜多糖等），并对各组分进行转化试验
（二）噬菌体感染实验
实验材料：E.coli 噬菌体
（三）病毒的拆开和重建实验(TMV和HRV)
结论
核酸是负载遗传信息的真正物质基础
2. 特点
超螺旋结构； 携带某些特殊功能的基因（核基因组上所缺少），如具有
接合、产毒、抗药、固氮或降解环境毒物功能的基因； 某些质粒可与核染色体发生整合或脱离 — 附加体； 当用一些理化因素处理时，可使子代细胞中的质粒消除，
如丫啶类染料、丝裂霉素、紫外线或高温等因素； 具有重组的功能 — 质粒与质粒间、质粒与染色体之间； 有些质粒不表现任何功能 — 隐蔽性质粒；
实验结果讨论
如果突变的性状与引起突变的原因间呈对应 性结果如何？
如何解释得到的实验结果？ 噬菌体的作用？
突变的发生在时间上是随机的
2.涂布试验（Newcombe experiment）
实验设计者 1949年纽康布
实验材料 对T1噬菌体敏感的大肠杆菌 采用固体平板培养
实验过程
突变率的计算
4. 典型质粒简介
1）F质粒 ( F plasmid )
是E.coli 等细菌决定性别并有转移功能的质粒。
2）R质粒( R plasmid, resistance plasmid)
3）Col质粒 (col plasmid)
大肠杆菌素
是一类由E.coli某些菌株所产生的细菌素，具
有通过复制、转录、转译或能量代谢等方式而 专一性地杀死它种肠道菌或同种其他菌株的能 力，由Col质粒编码；
6个功能区：
•致癌区 •冠婴碱合成区 •冠婴碱分解区 •Ti质粒接合转移区(tra) •毒性区(vir) •DNA复制区(rep)
基因突变
突变
可遗传变异
染色体畸变
生
物
基因重组
的
变
异
不可遗传变异 -----饰变
第二节 基因突变和诱变育种
一、基因突变（gene mutation）
（一）定义
核酸上一对或几对碱基突然发生的可遗传 的变化。
突变是自发产生的，与环境是否存在该 物质无关。
1.变量试验（fluctuation test）
实验设计者 美国的鲁里亚和德尔波留克根据统计学原理设计；
时间：1943年 实验材料：
对T1噬菌体敏感的大肠杆菌 实验目的
验证突变的性状与引起突变的原因间有无直接对应 关系
实验过程
103/mL 24-36h
线粒体
真核生物的
细胞质基因 共生生物
叶绿体等
核外染色体
2um质粒等 F因子(F质粒)
R因子(R质粒)
原核生物的
Col质粒
Ti质粒 巨大质粒
降解性质粒等
原核生物的质粒
1. 质粒的定义
•指游离于原核生物核基因组以外，具有独立复制 能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，即 cccDNA(circular covalently closed DNA)。