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电子讲义- 第五章 微生物的遗传与变异

[ 推荐:★★★☆☆┋作者:未知┋来源:未知┋发布:admin┋发布:2009年1月1日┋阅读:1651次 ]

第五章 微生物的遗传与变异

第一节 概述

一、相关概念

遗传(heredity或inhertiance)和变异(Variation)是生物体最本质的属性之一。

  • 遗传是生物的上一代将自己的遗传因子传递给下一代的行为或功能,具有极其稳定的特性。
  • 基因(gene)是一切具有自主复制能力的遗传功能单位,是核酸链上具有一定核酸数量和排列顺序,贮存遗传信息的核酸片段,是能控制特定生化反应的最小遗传单元。eg.某种蛋白的合成是由一段特定的DNA碱基序列决定的,这是就构成一个基因。各个基因在细胞中不是单独存在的,而是有序地排列在一些遗传成分上,如染色体和质粒。
  • 基因组(genome)是一种生物全套基因的总称,包含了形成子代的全部遗传信息。
  • 染色体是生物的主要遗传成分,基因在其上的序排列(但不是一个个连续排列)。
  • 遗传型(genotype)是某一生物所含有的遗传信息即DNA中正确的核苷酸序列。生物体通过这个核苷酸序列控制蛋白质或RNA的合成,一旦功能性蛋白质合成,可调控基因表达。遗传型是一种内在可能性或潜力,其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下通过自身的代谢和发育,才能将它具体化,即产生表型。

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  • 表型(phenotype)是指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和,是遗传型在合适环境条件下的具体体现。是一种现实性。
  • 变异是生物体在某种外因或内因作用下引起的遗传物质结构改变,亦即遗传型的改变。变异的特点是在群体中以极低几率(一般为10-5-10-6)出现;性状变化幅度大;变化后的新性状是稳定的可遗传的。
  • 饰变(modification)顾名思义,指外表的修饰性改变,即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。其特点是整个群体中几乎每一个体都发生同样的变化;性状变化的幅度小;因遗传物质不变故饰变是不遗传的。如粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)在 25℃下培养时会产生深红色的灵杆菌素,在37℃时不产生色素。

二、微生物遗传的特点

1、微生物遗传的物质基础是核酸;真核:DNA,原核:DNA或RNA。

2、特点:

①遗传具有高度的稳定性----保守性;遗传的稳定性是相对的,变异是绝对的。

②易于变异,易于自然选择或人工培养。

③便于建立纯系,或长久保存大量品系。

3、染色体外的遗传成分

质粒:原核微生物的染色体外的遗传成分是质粒;

②真核微生物的主要是在线粒体、叶绿体等细胞器上(细胞器基因组)。

转座因子:(详见书62页)是具有在染色体上不同部位间移动能力的遗传成分,原核和真核细胞都有,在遗传变异中起重要作用。现已知有三类可转移的因子:插入序列、转座子和某些病毒。

插入序列是一类分子量很小的遗传成分,大小一般为750-1500bp,其编码容量只有1-2种多肽,可以调节自身的转座,一般没有表型标记。

转座因子(transposon,TN)是能够插入染色体或质粒不同位点的一般DNA序列,一般大小为几kb。在原核 真核微生物中都有。

此外,DNA或RNA病毒也可以看成是一类染色体外遗传成分,它们不但控制自身的复制,而且在微生物细胞之间进行转移。

第二节 微生物的变异与遗传重组

一、基因突变有及其机制

1、基因突变

一个基因内部结构或DNA序列的任何改变(,改变一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换,而导致的遗传变化)称为基因突变(gene mutation)

DNA序列范围的改变从单个碱基改变通常称为点突变(point mutations),到基因组大范围的重排,有时称为多位点突变,其中包括DNA链上短的一段序列或长的一段序列改变,从而影响许多基因。

点突变中由一个嘌呤变为另一个嘌呤(A?G)或一个嘧啶变为另一个嘧啶(C?T)称为转换(transition),嘌呤变为嘧啶和嘧啶变为嘌呤称为颠换(transversions)。遗传型上一个碱基的改变在表型上的效应取决于突变的性质和在基因组点突变发生的位置,有四种点突变类型

2机制

(1)自发突变是指由内因引起的变异,如DNA复制和修复中的错误。在自然条件下发生的。是常规选种的依据。

(2)诱发突变人为施加诱因:物理的(如紫外线和其它射线)和化学(许多化学诱变剂是作用于DNA本身及其复制的过程)的因素,而发生的突变。是诱变育种的依据。

二、微生物的基因重组与杂交

重组(遗传重组)是指使两个独立的基因组中的遗传成分汇合在一个生物细胞中,以产生基因的新组合,可以是一个完整基因或一组基因,有时甚至是整个染色体在不同生物之间的重组。

杂交是通过不同性细胞的结合,实现基因重组的方式。

(一)原核生物的基因重组方式

1、转化作用是外源DNA(从供体细胞中提取的或人工合成的)不经任何媒介被直接吸收到受体细胞的过程。

2、转导作用是通过噬菌体的媒介把一个细菌细胞(供体)的宿主DNA转移到另一个细胞(受体)的过程称为转导。(利用温和噬菌和溶源细胞的特性来进行)

普遍转导 普遍转导是当噬菌体装配时偶然出现的错误,当被侵染细菌在裂解时,寄主DNA常破碎为噬菌体大小的片段,一些寄主(供体)染色体DNA片段替代噬菌体DNA进入噬菌体头部,成为“误包”的转导噬菌体,能侵染新的宿主(受体),通过重组将这段细菌DNA整合到宿主(受体)染色体上(否则将丢失)。

特异转导某些溶源性噬菌体整合至宿主染色体特定位点上,此后噬菌体DNA的复制在寄主控制之下。经诱导(如用紫外线处理)后,原溶原性噬菌体DNA从寄主染色体上切离出下来,但有时切离了一段噬菌体临近位点上的寄主染色体基因。含有这段寄主染色体DNA的噬菌体颗粒,将会感染受体细胞,整个噬菌体DNA可整合在染色体上形成溶源化,或通过重组作用与染色体DNA整合。

3、接合作用是通过两种细菌细胞直接接触将DNA人一种细菌转移到另一种细菌。质粒起重要作用。许多质粒能在不同细菌之间进行接合转移,它们在新的细胞(受体)中可单独存在,有的质粒还能整合到染色体上。能自我转移的质粒含有转移基因tra,两个不同的细胞借助于性菌毛接触后进入DNA的转移。

举例:致育因子(fertility factor, F因子)又称F质粒,一种与大肠杆菌的接合作用有关的质粒。携带F质粒的菌株称为F+菌株(相当于雄性),无F质粒的菌株称为F-菌株(相当于雌性)。F质粒整合到宿主细胞染色体上的菌株称为高频重组菌株(high frequence recombination, 简称Hfr)。由于F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中,所以又称为附加体(episome)。F质粒在大肠杆菌的接合作用(conjugation)中起主要作用。当Hfr菌株上的F因子通过重组回复成自主状态时,有时可将其相邻的染色体基因一起切割下来,而成为携带某一染色体基因的F因子,例如F-lac、F-gal、F-pro等。因此将这些携带不同基因的F因子统称为F’,带有这些F’因子的菌株也常用F’表示。

感受态细胞吸收DNA进行转化的能力取决于细胞所处的特殊生理状态,称作感受态(compentence)。感受态与细胞表面存在DNA的受体有关。其他细菌,如大肠杆菌,在冷的条件下通过化学方法处理,可以诱导建立感受态。

(二)真核微生物的基因重组方式(补充内容)

1、准性生殖(parasexual reproduction)是指不经过减数分裂就能导致基因重组的生殖过程。真菌菌丝通过相互接触时,通过菌丝间的连接,细胞核可混合在一起而形成异核体(具有二种或二种以上不同基因型的核的细胞),并可以百万分之一的概率发生核融合而形成二倍体(或杂合二倍体)。丝状真菌通过准性生殖进行基因重组的。

2、有性杂交:一般指不同遗传型两性细胞间发生的接合和随之进行的染色体重组,进而产生新遗传后代的一种育种技术。凡能产生有性孢子的酵母菌、霉菌和蕈菌原则上都可应用有性杂交方法进行育种。

(三)原生质体融合:通过人为的方法,使遗传性状不同的两个细胞的原生质进行融合,借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子(融合子)的过程。适用对象:原核、真核细胞均行,但若有细胞壁的先应去壁。

(四)基因转座:转座因子的特异转座酶的作用下进行和基因重组现象。(适用于原核和真核微生物)

保守型:转座因子首先从染色体上割裂出来,然后转到染色体的另一位点上,仍然只有一个拷贝。

复制型:转座因子先复制一个拷贝,新拷贝插入到其它位点,于是染色体上出现该转座因子的两个拷贝。

三、微生物的育种(补充内容)

微生物育种的目的是为了要人为地使某种的代谢产物过量积累,把生物合成的代谢途径朝人们所希望的方向加以引导,或者使细胞内发生基因的重新组合优化遗传性状,实现人为控制微生物,获得我们所需要的高产、优质和低耗的菌种。

1、诱变育种

诱变育种是指利用各种诱变剂处理微生物细胞,提高基因的随机突变频率,通过一定的筛选方法获得所需要的高产优质菌株。

2、体内基因重组育种是指采用接合、转化转导和原生质体融合等遗传学方法和技术使微生物细胞内发生基因重组,以增加优良性状的组合,或导致多倍体的出现,从而获得优良菌株的一种育种方法。

3、原生质体融合技术是将遗传性不同的两种菌(包括种间、种内及属间)融合为一个新细胞的技术。

4、杂交育种:部分真核生物可以通过杂交育种。

第三节 重组DNA技术

体内重组:细胞内发生的基因重组现象。

体外重组:由人工操作在细胞外进行的DNA重组。(基因工程的关键技术)

DNA的扩增----- PCR(多聚酶链式反应):是采用耐热的DNA多聚酶对DNA分子进行复制。

步骤(P84):①双链目标DNA的热变性;②冷却使特定引物同目标DNA结合;③DNA多聚酶使引物延长,使目标DNA加倍。

克隆:又称分子克隆,作名词:是一种无性繁殖,即复制品,翻本,即可以称为克隆子。作动词:无性繁殖,复制。

克隆的过程(P80):①目的基因的分离或合成;②克隆的载体和外源DNA的连接;③克隆基因送入受体细胞;④特定克隆子的筛选;⑤大量扩增含有目的基因的克隆子。

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