1、畜牧微生物學(xué)第六章微生物的遺傳與變異第1頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六第一節(jié) 微生物遺傳與變異的概念第二節(jié) 常見的微生物表型變異第三節(jié) 微生物變異的機理第四節(jié) 微生物變異株的獲得及微生物遺傳性的保存第2頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六Review Genetics遺傳學(xué): science of heredityHeredity, inheritance遺傳: genetic substance transmitted from parentto offspring 子代Variation變異: Inheritable, low rate (10

2、-510-8)Mutation突變: any change in the nucleotide sequence of the DNA in a cell. Modification飾變: on phenotype, not genotype Genotype基因型: genetic makeupPhenotype表現(xiàn)型: actual, expressed properties第一節(jié) 微生物遺傳與變異的概念第3頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六微生物是遺傳學(xué)研究中的明星： 微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單，營養(yǎng)體一般為單倍體， 方便建立純系。 很多常見微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大

3、量生長繁殖，菌落形態(tài)特征的可見性和多樣性。 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。 對環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株， 易于形成營養(yǎng)缺陷型，操作性強。第4頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六研究微生物遺傳學(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)基本理論問題時最熱衷的研究對象。對微生物遺傳規(guī)律的深入研究，不僅促進了現(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到自覺、從低效到高效、從隨機到定向、從近緣雜交到遠緣雜交的方向發(fā)展。第5頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六Thre

4、e Classical Experiments 三個經(jīng)典實驗三個經(jīng)典實驗1.Transformation 轉(zhuǎn)化2.Infection of bacteriophage噬菌體感染3.Reconstruction of plant virus 植物病毒重建第6頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六三個證明DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實驗1、經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗肺炎鏈球菌：S型（菌體具莢膜，菌落表面光滑，有致病能力）； R型（菌體無莢膜，菌落表面粗糙，無致病能力）遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)第7頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六1928年，F(xiàn).Griffth作了3組實驗:第8頁，共6

5、2頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六1944年，Avery精確重復(fù)了轉(zhuǎn)化實驗，確定了轉(zhuǎn)化因子實驗證明，將R菌轉(zhuǎn)化為S菌的轉(zhuǎn)化因子是DNA第9頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六2、噬菌體感染實驗Hershey &Chases experiment of phage infectionConclusion: DNA was the physical carrier of heredity 遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA第10頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六3.Reconstruction of Tobacco Mosaic Virus (TMV) 植

6、物病毒重建Nucleic acid, DNA or RNA, is the hereditary material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）進行了著名的植物病毒重建實驗。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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六選用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分別與對方的蛋白質(zhì)外殼

7、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)果說明，在RNA病毒中，遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)也是核酸。第12頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六朊病毒的發(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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六質(zhì)粒（plasmid）：一種獨立于染色體外，能進行自主復(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

8、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)粒有時能賦予宿主細(xì)胞以特殊的機能，從而使宿主得到生長優(yōu)勢。第14頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)特點通常以共價閉合環(huán)狀(covalently closed circle，簡稱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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六質(zhì)粒的檢測 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； 對于實驗室常用菌，可用質(zhì)粒所帶

9、的某些特點， 如抗藥性初步判斷。第16頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六質(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（Fertility factor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistance factor，R因子）產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）毒性質(zhì)粒（virulence plasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolic plasmid）隱秘質(zhì)粒（cryptic plasmid）第17頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六Advantages of using plasmid as Advanta

10、ges of using plasmid as vector in gene engineering vector in gene engineering 質(zhì)粒作為基因工程載體的優(yōu)勢質(zhì)粒作為基因工程載體的優(yōu)勢1.Small size: easily used in DNA separation and manipulation 體積小,易操作2.Circular shape環(huán)形: keep DNA stable3.Independent starting point of replication: not controlled by nuclear genome 獨立的復(fù)制起點4.Multip

11、le copies多拷貝: increase exogenousDNA rapidly迅速復(fù)制外源DNA5.Antibiotic resistant gene: used as selective marker 抗生素抗性基因作為選擇標(biāo)記第18頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六一、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) 常見的微生物表型變異第19頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六 青霉素、溶菌酶正常形態(tài)細(xì)菌 L型變異 抗體或補體 (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，共62頁

12、，2022年，5月20日，0點47分，星期六 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 單個菌落（O） 遷徙生長 鞭毛變異一、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變異第21頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六第22頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六二、菌落變異 在陳舊培養(yǎng)基中長期培養(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)單位同時伴有其他性狀的改變第23頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六Single cell sort of Salmonella c

13、ulture results in different colony morphology Non-Genetic variation第24頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六三、毒力變異 棒狀噬菌體白喉棒狀桿菌 獲得白喉毒素 第25頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六 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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六四、耐藥性變異 細(xì)菌對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)

14、菌還表現(xiàn)為同時耐受多種抗菌藥物，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) 長期培養(yǎng)第27頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六四、耐藥性變異第28頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六四、耐藥性變異第29頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六五、代謝的變異某種微生物原來在代謝過程中能全成某種營養(yǎng)成分的特性，會變?yōu)槭ミ@種能力，成為所謂的營養(yǎng)缺陷型。第30頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六腸道桿菌細(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

15、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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六第三節(jié) 微生物變異的機理表型的差異只與環(huán)境有關(guān)特點：暫時性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個體的行為一、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，使基因表達暫時改變，某一表型性狀隨之發(fā)生改變，當(dāng)除去該誘發(fā)條件時，可恢復(fù)原來的性狀。第32頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六遺傳型變異（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：遺傳性、群體中極少數(shù)個體的行為（自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）第三節(jié) 微生物變異的機理二、遺傳性變異 在自然或

16、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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六（一）基因突變基因突變（gene mutation）簡稱突變，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10-410-9范圍內(nèi)。第34頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六Characteristics of Mutation Characteristics of Mutation 突變的特征突變的特征1.Spontaneous自發(fā)性2.Non-correspondent 不對應(yīng)性3

17、.Rare 稀有性4.Independent 獨立性5.Inducible 可誘發(fā)性6.Stability 穩(wěn)定性7.Reversible 可逆性第35頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六（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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六1. 轉(zhuǎn)化（transformation）轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)化作用：受體菌（recipient或receptor）直接吸收了來自供體菌（donor）的DNA片段，通過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（

18、transformant）。范圍：原核生物中，轉(zhuǎn)化是一個較普遍的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化發(fā)生的條件:兩個菌種或菌株之間能否發(fā)生轉(zhuǎn)化，與它們在進化過程中的親緣關(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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六供體菌受體菌DNA片段1928年，Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象,目前已知有二十多個種的細(xì)菌具

19、有自然轉(zhuǎn)化的能力第38頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六自然轉(zhuǎn)化過程的特點：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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六第40頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六人工轉(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

20、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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六2. 轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）：通過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)：通過完全缺陷噬菌體對供體菌任何小片段部分?jǐn)y帶到受體菌中，而實現(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，并獲得表達的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。第42頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分

21、，星期六第43頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六Transduction1. Generalized transduction2. Specialized transduction第44頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六3. 噬菌體轉(zhuǎn)換（phage conversion）：或稱溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenic conversion）。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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六4. 接合（conjugation） ：供體菌通過性

22、菌毛傳遞不同長度的單鏈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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六Transfer of plasmid DNA by conjugationThe F plasmid of an F+ cell is being transferred to a F- recipient cell 第47頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六一、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

23、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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六三、原生質(zhì)體融合（protoplast fusion）概念：通過人為的方法，使遺傳性狀不同的兩細(xì)胞的原生質(zhì)體發(fā)生融合，并進而發(fā)生遺傳重組以產(chǎn)生同時帶有雙親性狀的、遺傳性穩(wěn)定的融合子的過程，稱為原生質(zhì)體融合。原生質(zhì)體融合的優(yōu)點：可以提高重組率雙親可以少帶標(biāo)記或不帶標(biāo)記可進行多親本融合有利于不同種間、屬間微生物的雜交通過原生質(zhì)體融合提高產(chǎn)量 第49頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六四、基因工程Incorporation into

24、 artificial plasmids of genes from a wide variety of sources has made possible the transfer of genetic material across virtually any species barrier。第50頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六第51頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六Mutants that are detectableNon-motileNon-capsulatedRough colonyNutritionalSugar fermentat

25、ionDrug resistantVirus resistantTemperature sensitivePigment第52頁，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六按是否比較容易、迅速地分離到發(fā)生突變的細(xì)胞來分：選擇性突變株（selective mutant）：具有選擇標(biāo)記（如營養(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-selective mutant）：無選擇標(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，共62頁，2022年，5月20日，0點47分，星期六變異菌的一般篩選方法平皿快速檢測法變色圈法透明圈法生長圈法抑菌圈法梯度平板法搖瓶培養(yǎng)法第54頁，共6