微生物学-7遗传(1).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,*,遗传性状稳定；,生长速度快，不易被噬菌体等异种微生物污染；,目标产物的产量尽可能接近理论转化率；,目标产物最好能分泌到细胞外，以降低产物抑制并利于分离；,尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产量并利于分离；,培养基成分简单、来源广、价格低廉；,对温度、pH、离子强度、剪切力等环境因素不敏感；,对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。,理想的工业发酵菌种应符合以下要求：,微生物是研究现代遗传学和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。,研究微生物遗传学的意义,遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。,遗传(heredity)：,亲代生物的性状在子代得到表现；亲代,生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。,特点：具稳定性。,遗传型（genotype,）：又称基因型，指某一生物个体所含,有的全部基因的总和；-是一种内在可能性或潜力。,表型,（phenotype）：,指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;-,是一种现实存在，是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状,。,遗传与变异的概念,肺炎球菌的转化试验,噬菌体感染试验,病毒的拆开与重建试验,一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验,研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌）,S型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性,R型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性,（一）经典转化实验（transformation）,1928年，Griffith进行了以下几组实验：,（1）动物实验,对小鼠注射活R菌或死S菌,小鼠存活,对小鼠注射活S菌,小鼠死亡,对小鼠注射活R菌和热死S菌,小鼠死亡,抽取心血,分离,活的S菌,Griffith转化试验 示意,混合培养,R型活菌,S型活菌,S型热死菌,R型活菌,S型活菌,健康,健康,健康,健康,健康,健康,健康,病死,病死,病死,（2）细菌培养实验,（3）S型菌的无细胞抽提液试验,以上实验说明：加热杀死的S,I,型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入R型细胞并使R型细胞获得稳定的遗传性状，转变为S型细胞。,肺炎链球菌,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。,（二）噬菌体感染实验,A.D.Hershey和M.Chase，1952年,含,32,P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中,10分钟后,用捣碎器,使空壳脱离,吸附,离心,沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体,上清液中含,15%放射性,沉淀中含,85%放射性,沉淀中含,25%放射性,以,35,S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验,含,35,S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中,10分钟后,用捣碎器,使空壳脱离,吸附,离心,沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体,上清液中含,75%放射性,（三）植物病毒的重建实验,为了证明核酸是遗传物质,，,H.Fraenkel-Conrat,（,1956,）,用含,RNA,的烟草花叶病毒（,TMV,）,进行了著名的植物病毒重建实验。,将,TMV,在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与,RNA,核心相分离。分离后的,RNA,在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。,选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：,MTV HRV,HRV MTV,（1）RNA（TMV）蛋白质（HRV）,（2）RNA（HRV）蛋白质（TMV）,用两种杂合病毒感染寄主：,（1）表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子,（2）表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子。,上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。,细胞水平：存在于细胞核或核质体,大部分或全部,DNA,都集中于细胞核或核质体中，不同种类微生物或同种不同细胞中细胞核的数目不同，单核或多核。,细胞核水平,:,真核生物,(,与组蛋白结合在一起,),，原核生物（环状双链结构，不与蛋白质结合）,染色体水平,:,染色体数和染色体倍数，原核生物多为单倍体,真核微生物的每个细胞核内含有一定数量的染色体；而原核生物中一个核质体就是一个裸露的、光学显微镜下不能看到的环状染色体。,二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式,（一）核酸存在的七个水平及质粒,核外DNA的种类,核外遗传物质,真核生物的“质粒”,原核生物的质粒,线粒体,细胞质基因叶绿体,（质体）中心体,动 体,共生生物卡巴颗粒,酵母菌的2,m质粒,F因子,R因子,Col质粒,Ti质粒,巨大质粒,降解性质粒,核基因组,遗传物质类型,核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体，,DNA,或,RNA,，复合或裸露，双链或单链,基因水平：原核生物（调控由操纵子和条件基因组 成），真核生物无操纵子结构,密码子水平：密码子为信息单位,由,mRNA,上,3,个连续核苷酸序列表示,核苷酸水平：突变或交换单位，绝大多数四种碱基,基因,：能够表达和产生基因产物（蛋白质或RNA）的DNA序列。,原核生物基因系统：,启动基因（启动子）,操纵子 操纵基因,基因调控系统 结构基因,调节基因,遗传密码,：指DNA链上各个核苷酸的特定排列顺序,密码子（coden）：,由3个核苷酸顺序决定，负载遗传信息的基本单位,不对称转录：,只有DNA双链的一股才作为有意义链被转录，这种现象又称不对称转录。,起始密码子：,AUG，甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸,终止密码子：,UAA、UGA、UAG,定义：,是一类小型闭合环状核外双螺旋,DNA,分子，能独立于细胞核进行自主复制。,大小：,约,1.5-300kb,，携带数个到数十个甚至上百个基因。,性质：,对于细菌的生存并不是必要的,功能多样化,质粒是一种复制子（,replicon,），根据自我复制能力的不同，可把质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种，严紧型质粒的复制受细胞核控制，与染色体,DNA,复制相伴随,一般一个寄主细胞内只有少数几个（,1-2,）；松弛型质粒的复制不受细胞核控制，在染色体,DNA,复制停止的情况下仍可以进行复制，在细胞内的数量可以达到,10-15,个或更多。,（二）原核生物的质粒,可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒转移时，它可以单独转移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它可成为基因工程的载体。,可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以,附加体（episome）,的形式存在。,功能：,进行细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。,重组：,在质粒之间、质粒与染色体之间菌可发生。,存在范围,：很多细菌如E.coli、Shigella、S.aureus、Streptococcus lactis、根癌土壤杆菌等,制备：,包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋白质等成分、去除RNA和蛋白质等步骤。,鉴定：,电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱等方法,几种代表性质粒：,1.F,质粒（F plasmid）,：又称致育因子或性因子，100kb，相当于核染色体DNA2%的环状双链DNA，足以编码94个中等大小多肽，其中1/3基因（tra区）与接合作用有关。存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别。,R质粒由相连的两个DNA片段组成，即抗性转移因子（resistence transfor factor，RTF）和抗性决定子（r-determinant），RTF为分子量约为1.110,7,，含调节DNA复制和拷贝数的基因及转移基因；抗性决定质粒大小不固定，从几百万到1.010,8,以上。其上带有其它抗生素的抗性基因，无转移功能。,2.R质粒（R plasmid,resistrance plasmid）,最初发现于痢疾志贺氏菌（,Shigella dysenteriae,），后来发现还存在于,Salmonella、Proteus,、和,E.coli,Klebsiella,中。,R质粒在细胞内的拷贝数可从12个到几十个，分为严紧型和松弛型两种，经氯霉素处理后，松弛型质粒可达20003000个/细胞。,又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子。,大肠杆菌素是由,E.coli,的某些菌株所分泌的细菌素，能通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其它肠道细菌。其分子量约,2.310,4,9.010,4,。大肠杆菌素都是由,Col,因子编码的。,Col,因子可分为两类，分别以,ColE1,和,ColIb,为代表。,ColE1,分子量约为,510,6,，无接合作用，是多拷贝的；,ColE1,研究得很多，并被广泛地用于重组,DNA,的研究和用于体外复制系统上。,ColIb,分子量约为,810,7,，它与,F,因子相似，具有通过接合作用转移的功能，属于严紧型控制，只有,1-2,个拷贝。,凡带,Col,因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。,3.Col质粒（colicin plasmid,col plasmid）,即诱癌质粒。,存在于根癌土壤杆菌（,Agrobacterium tumefaciens,）,中,可引起许多双子叶植物的根癌,当细菌侵入植物细胞中后，在其细胞中溶解，把细菌的,DNA,释放到植物细胞中。这时，含有复制基因的,Ti,质粒的小片段与植物细胞中的核染色体发生整合，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。,Ti,质粒长,200kb,，,是一个大型质粒。当前，,Ti,质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体。一些具有重要性状的外源基因可借,DNA,重组技术设法插入到,Ti,质粒中，并进一步使之整合到植物染色体上，以改变该植物的遗传性，达到培育植物优良品种的目的。,4.Ti质粒（tumor inducing plasmid）,5.Ri质粒（root inducing plasmid）,Agrobacterium rhizogenes,（发根土壤杆菌）可侵染双子叶植物的根部，并诱生大量称为毛状根的不定根。与Ti质粒相似，该菌侵入植物根部细胞后，会将大型Ri（250kb）中的一段T-DNA整合到宿主根部细胞的核基因组中，使之发生转化，从而稳定遗传下去。,由Ri质粒转化的根部不形成瘤，仅生出可再生新植株的毛状根。实践上，Ri质粒已成为外源基因的良好载体，也可用作进行次生代谢产物的生产。,只在假单胞菌属中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。这些质粒以其所分解的底物命名，例如有分解CAM（樟脑）质粒，XYL（二甲苯）质粒，SAL（水杨酸）质粒，MDL（扁桃酸）质粒，NAP（奈）质粒和TOL（甲苯）质粒等。,7.降解性质粒,6.mega质粒（megaplasmid）,即巨大质粒，是近年来在,Rhizobium,（根瘤菌属）中发现的一种质粒，分子量为2.0-3.010,8,，比一般质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒，其上有一系列固氮基因。,