第一章-微生物遗传学绪论.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,2025/9/16 周二,遗传（,heredity,）：,是指生物繁殖过程中，亲代与子代在各方面的相似现象。,变异（,variation,）：,是指子代个体发生了改变，在某些方面不同于亲代。,2025/9/16 周二,遗传,生育,传染病,遗传病,易感性,微生物,2025/9/16 周二,微生物遗传与育种,微生物的遗传规律,微生物的育种方式,2025/9/16 周二,在新,H7N9,甲型禽流感的,8,个基因中，表面血凝素,haemagglutinin,蛋白基因来自于,H7,亚型病毒，神经氨酸酶,neuraminidase,基因来自,H11N9,，,其余,6,个内核基因都来自,H9N2,。,也就是说新,H7N9,甲型禽流感是由这三个病毒的基因重组产生的一个全新的基因。,政府应对,2025/9/16 周二,捕捉,H7N9,的,30,天,上海郊区，金山，,2004,年上海市政府一号工程,H7N9,新,H7N9,甲型禽流感自,4,月,1,日国际卫生组织正式公布以来，截止到,4,月,7,日，中国已经有,18,例确诊。大部分确诊的病例的病情严重，,6,人 已确认死亡。目前尚未发现人与人之间传播，并且确诊的案例彼此并无关联。然而，我们对这个新的病毒的许多方面都不了解，包括它的传播性，致病性和起源，因 此，导致了我们在判断这个病毒是否会造成瘟疫时存在不确定性，以及我们的公共健康管理部门应该如何正确的应对。,科学界：一个全新的病毒,在新,H7N9,甲型禽流感的,8,个基因中，表面血凝素,haemagglutinin,蛋白基因来自于,H7,亚型病毒，神经氨酸酶,neuraminidase,基因来自,H11N9,，,其余,6,个内核基因都来自,H9N2,。,也就是说新,H7N9,甲型禽流感是由这三个病毒的基因重组产生的一个全新的基因。,中国杭州疾控中心和,WHO,中国流感中心共采集，分析了,4,个新,H7N9,甲型禽流感的基因组，并在,GISAID,数据库上公布。我们用这,4,个基因组以及,1193,个已知的流感各亚型的基因组，做了一个全面的系统生成树和进化分析。,病毒开始变异,我们在,haemagglutinin,全长,560,个氨基酸中，发现了,A/Shanghai/1/2013,病毒有,9,个变异。这说明新,H7N9,甲型禽流感有很强的变异能力。由于表面血凝素,haemagglutinin,蛋白是病毒用来吸附感染动物细胞的，它的高变异能力可能导致它传播感染能力和治病能力的变化，这需要引起我们的特别注意。,新,H7N9,甲型禽流感不是由经典的,H7N9,进化而来,基因重组的地点可能在江浙一带,Cell Host&Microbe,于,9,月,19,日在线发表,第一次病毒重配事件产生了一个原初的,H7N9,病毒，它是由具有欧亚起源的禽流感病毒提供了,HA,和,NA,基因和中国野鸟携带的,H9N2,病毒提供内部基因。随后，这种原初的,H7N9,病毒从野鸟传入家禽中，并与原来在华东地区家禽中流行的,H9N2,病毒发生第二次重配。这次重配发生在,2012,年早期，从而导致了家禽中爆发了这次能感染人的多样的新型,H7N9,病毒。,2025/9/16 周二,2025/9/16 周二,2025/9/16 周二,国内知名机构,中科院微生物所（北京）,中科院病毒所（武汉）,上海交大,山东大学,南开大学,2025/9/16 周二,杨胜利 院士（中科院上海生物工程研究中心）,赵国屏 院士（中科院上海生命科学院）,邓子新 院士（上海交通大学）,谭华荣（中科院微生物研究所，中国遗传学会微生物遗传专业委员会主任委员）,2025/9/16 周二,参考教材：,现代微生物遗传学 陈三凤编，化工出版社,2002,盛祖嘉，,微生物遗传学,，,2007,（第三版），科学出版社,2025/9/16 周二,大纲,第一章 绪论,(1.5),第二章 经典遗传学概论,(6),第三章 遗传的物质基础,(2),第四章 细菌遗传学,(4),第五章 放线菌遗传学,(1),第六章 真菌的遗传学,(4),第七章 基因突变与诱变育种,(6),第八章 转座因子（,1.5,）,第九章 代谢控制育种（,2,）,2025/9/16 周二,绪论,第一节 微生物遗传学的发展简史,第二节 微生物作为遗传学研究材料的优越性,第三节 微生物遗传学方法在高等动植物的遗传与育种研究中的应用,2025/9/16 周二,第一节 微生物遗传学的发展简史,1.,成为一门独立的学科前,2.,发展成为一门独立的学科,3.,分子遗传学的发展,2025/9/16 周二,什么是科学,库恩的,“,范式,”,概念,科学革命的结构,范式,是由理论要素、心理要素以及联结这两个要素的本体论和方法论要素组成的。,理论要素,包括概念、原理、定律、公式、实验技术和设备等；,心理要素,包括科学家团体从事科学活动的共同心理功能，诸如信念、直觉、审美、灵感、顿悟、价值判断等；,本体论、方法论,要素起着世界观、思维方式、研究纲领的作用，以此指导科学共同体的工作,2025/9/16 周二,1.,成为一门独立的学科前,微生物学发展的早期，微生物的,遗传变异,现象已为许多人注意。如巴斯德观察到炭疽杆菌在高温培养后毒性大减而抗原性不变；,科赫法则,。,由于,20,世纪,40,年代前,遗传学的研究只限于高等动物和植物，对在动物和植物中发现的遗传学规律能否用于微生物持怀疑态度。认为细菌的核是分散的，细菌的变异不同于植物和动物的突变。,2025/9/16 周二,法国化学家和生物学家巴斯德是微生物学的伟大创立者。,巴斯德（,1822-1895,）,(1),彻底否定了,自然发生,学说,(2),免疫学,-,预防接种,(3),证实发酵是由微生物引起的,(4),巴斯德消毒法,2025/9/16 周二,巴斯德与炭疽病,炭疽病，马、牛、羊很快死去，血液里发现了丝状体。,巴斯德得到比较纯粹的炭疽病菌。,巴斯德提议，将那些患病的牲口令部杀掉，并烧掉尸体深埋地下以制止疾病蔓延。,2025/9/16 周二,接种预防,巴斯德根据人类种牛痘可预防天花的现象，总结出接种免疫原理：接种什么病菌，就可以防治该病菌所引起的疾病。,巴斯德重新回到炭疽病的防治研究上来。他将自己提纯出来的炭疽病菌放在温热的鸡汤里培养，这样可以使病菌的毒性更快地减弱。在最终培养出毒性极弱的疫苗。,2025/9/16 周二,Koch,证明了炭疽病由炭疽杆菌引起,1882,，发现结核杆菌,1883,，首次发表,Koch,法则。,2025/9/16 周二,其他重要研究,1928,年肺炎双球菌中的,转化,现象被发现。,30,年代中酵母菌、脉孢菌是进行系统的遗传学研究的仅有的微生物，研究的内容基本只限于,基因重组和定位。,总之，,40,年代以前的微生物遗传学的研究是不系统的、局限的。,2025/9/16 周二,40,年代前大量的微生物遗传变异现象的观察，及酵母菌和脉孢菌中的经典遗传学研究都为以后的发展打下基础。,在高等动物和植物的遗传学研究中也逐渐认识到研究基因的作用机制这一类问题时有必要采用微生物作为研究材料。,40,年代初期抗生素工业的兴起给微生物遗传学研究以很大的推动力。,2025/9/16 周二,2,发展成为一门独立的学科,40,年代主要有,5,个方面的工作促使微生物遗传学发展成为一门独立的学科。,（,1,）脉孢菌中营养缺陷型的发现,（,2,）细菌的抗性突变的证实,（,3,）细菌基因重组的发现,（,4,）转化因子的化学本质的鉴定,（,5,）噬菌体遗传学研究的开展,2025/9/16 周二,（,1,）脉孢菌中,营养缺陷型,的发现,40,年代前已发现,X,射线,能诱发霉菌细胞的突变。,研究果蝇基因作用机制的遗传学家比德尔（,G.W.,Beadle,）和生物化学家塔特姆（,E.L.,Tatum,）用,X,射线处理,脉孢菌的分生孢子,，得到预期的营养缺陷型。,营养缺陷型,因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变类型。,2025/9/16 周二,研究营养缺陷型的重要意义,为生物合成代谢途径的研究提供了有效的手段,;lys-,提出了一个基因一种酶的假设；,利用营养缺陷型探索代谢途径的原理在遗传学各个领域中得到广泛应用；,除研究基因的原初功能外，还被应用于研究基因结构和基因突变,;,应用营养缺陷作为标记,发现了,细菌接合,。,2025/9/16 周二,（,2,）细菌的,抗性突变,的证实,1943,年以前对于细菌的抗性是否来源于基因突变已有许多讨论，但缺乏严密的实验论证。,1943,年卢里亚（,S.E.Luria,）和物理学家德尔布吕克（,M.,Delbruck,）用严密的实验证实细菌的抗性是基因突变的结果。,使人们认识到可能所有的生物都有着基本相同的遗传变异规律。,严密的实验方法开始被应用到微生物遗传学领域。,抗性突变型,因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性,2025/9/16 周二,抗性突变的争论,一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是,“,定向变异,”,，也有人称它为,“,驯化,”,或,“,驯养,”,。,另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。,从,1943,年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题，终于解决了这场纷争。,2025/9/16 周二,基因突变的自发性和不对应性的证明,变量试验,涂布试验,平板影印培养试验,2025/9/16 周二,大肠杆菌稀释培养物,10,ml,10,ml,(,培养前先分成,50,小管,),(,在同一个大管中作整体培养,),3 7 1 4 4 3 5,抗噬菌体菌落数 抗噬菌体菌落数,变量试验,甲管,乙管,噬菌体起淘汰原始未突变株和鉴别抗噬菌体突变株的作用。,（,10mL,）,（,10mL,）,1943,年，,S.E.Luria,和,M.Delbrck,根据统计学原理设计。,加入噬菌体,2025/9/16 周二,（,3,）细菌,基因重组,的发现,细菌能否通过有性生殖而导致基因重组这一问题早在,20,年代便曾有人提出并企图用实验解答。可是由于方法的局限而得不到应有的结果。,应用细菌的营养缺陷型为材料，在,1946-1947,年莱德伯格（,J.Lederberg,）和泰特姆报道了大肠杆菌中的基因重组。,2025/9/16 周二,1946,年，,J.Lederberg,的大肠杆菌,杂交试验,：,材料：大肠杆菌,(Escherichia coli)K12,菌株的两个营养缺陷型品系：,菌株,A,甲硫氨酸缺陷型,met-,和生物素缺陷型,bio-,；,菌株,B,苏氨酸缺陷型,thr-,和亮氨酸缺陷型,leu-,。,方法：将,A,、,B,两菌株混和，在基本培养基,(,固体,),上涂布培养。,结果：平板上长出原养型菌落,(+),。,2025/9/16 周二,A,品系：,met,bio,leu,thr,B,品系：,met,bio,leu,thr,A,A+B,B,基本培,养基,met,bio,leu,thr,2025/9/16 周二,使人们更为明确地认识到微生物和高等动植物在遗传规律上的一致性。,通过基本相同的方法，以后陆续在霉菌、放线菌等各种生物中发现基因重组，从此遗传学研究遍及任何一种生物。,探索基因重组促使在,50,年代发现了,转导,，遗传学研究的手段得以扩充。,2025/9/16 周二,（,4,）,转化因子,的化学本质的鉴定,1928,年格里菲斯（,F.Griffith,）在肺炎双球菌中发现转化现象（,非致病的,R,型肺炎球菌,可以转变为致病的,S,型肺炎球菌,）后，直到,1944,年转化因子的本质才被艾弗里,(O.T.Avery),所鉴定。,这是说明遗传的物质基础是,DNA,的第一个明确的实验根据。是,1953,年,DNA,分子双螺旋模型的提出和分子遗传学发展的前奏。,2025/9/16 周二,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。,2025/9/16 周二,（,5,）,噬菌体,遗传学研究的开展,噬菌体是体制最简单的生物。噬菌体遗传学的研究非但把遗传学规律推广到最简单的生物，而且温和噬菌体及转导作用的发现成为微生物遗传学、分子遗传学研究的有效手段。,2025/9/16 周二,同时期，遗传学的发展,2025/9/16 周二,1.,遗传学,初创时期(1900-1910),(1).,1900,年，三位植物学家：,狄,弗里斯（,De Vris H.,）,科伦斯（,Correns C.,）,冯,切尔迈克（,VonTschermak E.,）,在不同国家用多种植物进行了与孟德尔早期研究相类似,的杂交育种试验,获得与孟德尔相似的解释,证实孟尔,遗传规律,确认重大意义。,1900,年孟德尔遗传规律的重新发现,标志着,遗传学的,建立,和开始发展,孟德尔被公认为现代遗传学的创始人。,1910,年起将孟德尔遗传规律,孟德尔定律。,2025/9/16 周二,遗传学初创时期,(1900-1910),(2).1901-1903年，狄弗里斯发表“突变学说”,，认为，突变是生物进化的因素。,(3).1903年，,Sutton,和,Boveri,分别提出染色体遗传理论，认为：遗传因子位于细胞核内染色体上,（即萨顿-,鲍维里假说）,，从而将孟德尔遗传规律与细胞学研究结合起来,(4).1906,年，贝特森（英国的遗传学家）首创“遗传学,(Genetics)”,，并引入了,F,1,代,F,2,代、等位基因、合子等概念,(5).1909年，约翰生,（丹麦的遗传学家）,发表“纯系学说”，并提出“,gene”、,“基因型（,genotype)”、和“表现型(phenotype)”等,概念，以代替孟德尔所谓的“遗传因子”,(6).1908年，哈德和温伯格分别推导出群体遗传平衡定律,2025/9/16 周二,遗传学,全面发展时期(1910-1952),形成了近代遗传学的主要内容与研究领域,(1).细胞遗传学/,经典遗传学,(1910-1940)1910，摩尔根等：性状连锁遗传规律,（对黑腹果蝇的研究）,摩尔根等人认识到同一对染色体上的两对等位基因，大都一起分离，即“连锁”；少数则进行交换每两个相互连锁的基因间都有一定的交换值。根据交换值，摩尔根等人创造了染色体作图法，并于,1913,年画出了历史上第一个果蝇基因位置图。,摩尔根是遗传学史上的巨人，一生共写了,22,本书和大约,370,篇文章，是第一个获得诺贝尔奖的遗传学家,2025/9/16 周二,遗传学,全面发展时期(1910-1952),(2).数量遗传学与群体遗传学基础(1920-),费希尔等：数理统计方法在遗传分析中的应用,1918,年，,费希尔,发表了重要文献,“,根据孟德尔遗传假设的亲属间相关的研究,”,，成功运用多基因假设分析资料，首次将数量变异划分为各个分量，开创了数量性状遗传研究的思想方法。,1925,年，首次提出了方差分析（,ANOVA,）方法,为数量遗传学的发展奠定了基础。,2025/9/16 周二,遗传学,全面发展时期(1910-1952),(3).微生物遗传学及生化遗传学(1940-1953)1941，Beadle,和,Tatum,等,认为：一个基因相当于一个蛋白质，从而提出了“,一个基因一个酶,”假说（,one-gene-one-enzyme hypothesis),1944，阿委瑞：肺炎双球菌转化,证明遗传物质是,DNA,而不是蛋白质,1952，赫尔歇和蔡斯：噬菌体重组,，用同位素,32,P,和,35,S,标记实验证明,DNA,噬菌体的遗传物质也是,DNA,而不是蛋白质,(4).其它研究方向1927，穆勒,在果蝇、斯塔德勒在玉米中,人工诱,导基因突变，开始人工诱变的工作，丰富遗传学内容，为育种提供依据,1937，布莱克斯里等：植物多倍体诱导,（用秋水仙素）,杂种优势的遗传理论,2025/9/16 周二,3.,分子遗传学的发展,微生物遗传学是在研究对象上区别于经典遗传学的一个分支。,分子遗传学是在研究方法上区别于经典遗传学的一个遗传学分支,；（基因）,40,年代中遗传学家就意识到基因有两个基本属性：自体催化和异体催化。,自体催化是,DNA,和染色体复制问题。,1953,年,DNA,分子结构的现代模型的提出为这方面的研究开辟了广阔的前景。,2025/9/16 周二,异体催化是蛋白质合成问题。通过微生物营养缺陷型的研究提出了一个基因一种酶假设，它首先指出了基因在蛋白质合成中所起的作用。分子遗传学的一个中心课题是遗传密码，而遗传密码是蛋白质合成问题的关键。,关于这两个属性的认识也只有当遗传学发展到应用微生物为研究材料后，才有一定的基础，分子遗传学才能发展起来,。,2025/9/16 周二,微生物遗传学是在经典遗传学基础上发展起来的，又在它的基础上发展成为分子遗传学。,2025/9/16 周二,第二节 微生物作为遗传学研究材料的优越性,1,为什么在基因作用的研究中采用微生物为材料,2.,微生物作为遗传学研究材料的优越性,3,微生物遗传学方法在高等动植物的遗传和育种研究中的应用,2025/9/16 周二,1,为什么在,基因作用,的研究中采用微生物为材料,从整个遗传学发展史来看，大约从,1900,年到,1910,年这一段时间中的主要成就便是在微生物以外的各种生物中证实了,孟德尔规律,的普遍性；,大约从,1910,年到,30,年代中的主要成就是和,细胞,学相结合，阐明遗传物质的传递规律；,从,40,年代起主要是阐明基因突变机制和基因作用机制，而在这些研究中微生物方面的研究占有重要的地位。,2025/9/16 周二,比德尔等在,30,年代中用果蝇为材料研究基因的作用机制，逐渐认识到采用微生物为材料可能会收到更好的效果。,研究果蝇中，发现基因突变有影响翅的、触角的、复眼色素的等，用组织移植法。,2025/9/16 周二,果蝇的复眼色素是十分复杂的物质，能否用更便于分析的性状进行基因作用的研究？氨基酸、维生素结构比较简单，是理想的研究对象，能否用果蝇来研究氨基酸、维生素等的合成中的基因作用？,首先野生型能合成这类物质，才能得到不能合成这类物质的突变型。但动物一般不能合成氨基酸和维生素，因而较少可能获得这类突变型。,2025/9/16 周二,判断突变型，必须给以含有某种氨基酸和不含有这种氨基酸的饲料，观察其能否在前一种饲料上而不能在后一种饲料上生活繁殖。必须有一种全部成分已知的饲料，可对果蝇来说当时还没有这个条件。,许多微生物能够合成全部氨基酸和维生素，不难配制一定的培养基来培养他们，并在这些微生物中获得营养缺陷型，找出各个营养缺陷型所需要的物质。,2025/9/16 周二,脉孢菌的营养需要已知（它需要的唯一的生长因子是,生物素,），选择脉孢菌作为研究对象。,用,X,射线和紫外线照射脉孢菌的分生孢子，把照射过的分生孢子放到未经照射的原子囊果上受精。把成熟的子囊孢子接种到补充有全部氨基酸和维生素的培养基上，然后再个别地接种到不含有任何氨基酸和维生素的培养基上观察是否生长。不能生长的菌株再接种到补充有个别氨基酸或维生素的培养基上测定它所需求的氨基酸和维生素。,2025/9/16 周二,2.,微生物作为遗传学研究,材料,的优越性,单细胞体制或多细胞而极少分化的体制,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,在固态培养基上能从单细胞通过无性繁殖方式形成菌落,繁殖迅速,代谢旺盛，在液体培养基中能在短时间内积累大量代谢产物,环境因素对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,微生物中有最简单的类型，如病毒,2025/9/16 周二,3,微生物遗传学方法在,高等动植物,的遗传和育种研究中的应用,50,年代中有人意识到把微生物遗传学的研究方法应用到高等动植物的研究中。,高等生物细胞的集落生长：,在细胞水平建立纯系，筛选突变型，研究细胞纯系的生理和生化特性及其它工作。如人子宫颈癌上皮样细胞株,海拉（,Hela,）细胞的集落生长的成功对高等生物的体细胞遗传学研究有重要意义。,2025/9/16 周二,合成培养基的应用：,合成培养基对于营养缺陷型的筛选和生化遗传学方面的研究是不可缺少的。它对于高等动植物的体细胞遗传学研究同样重要。高等动物细胞的合成培养基比较复杂。,液体培养：,微生物遗传学的某些方面的研究必须采用液体培养。人体细胞也可以进行液体培养，在培养液中可以得到比较均匀的细胞群体。,2025/9/16 周二,单倍体细胞培养：,高等生物的体细胞一般是二倍体，它们的生殖细胞才是单倍体，可没有受精的生殖细胞一般不能分裂。微生物和高等生物的一大区别便是单倍体细胞能不断分裂。,60,年代花药培养的成功进一步推动了体细胞遗传学的发展。,体细胞融合和体细胞杂交：,高等动植物细胞融合的成功进一步推动了体细胞遗传学的研究。,2025/9/16 周二,谢谢！,