《遗传与育种》PPT课件.ppt
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1、第七章第七章 微生物的遗传变异微生物的遗传变异和育种和育种微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异遗传遗传(heredity):l亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。l 特点:具稳定性。特点:具稳定性。遗传型(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。是一种内在可能性或潜力。表型(表型(phenotype):):指生物体所具有的一切外表特征指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和和内在特性的总和;是具一定遗传型的生物在一
2、定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。条件下所表现出的具体性状。遗传型(遗传型(可能性可能性)+环境条件环境条件表型(表型(现实性现实性)代谢、发育代谢、发育变异变异(variation):生生物物体体在在外外因因或或内内因因的的作作用用下下,遗遗传传物物质质的的结结构构或或数数量量发发生生改改变变而而导导致致表表型改变。型改变。变异的特点:变异的特点:a.a.群体一般为群体一般为1010-6-61010-10-10;b.b.形状变化的幅度大;形状变化的幅度大;c.c.变化后形成的新性状是稳定遗传的。变化后形成的新性状是稳定遗传的。饰变(饰变(modification):指指不
3、不涉涉及及遗遗传传物物质质结结构构改改变变而而只只发发生生在在转转录录、转译水平上的表型变化。转译水平上的表型变化。特点:特点:a.几几乎乎整整个个群群体体中中的的每每一一个个个个体体都都发发生生同同样样的变化;的变化;b.性状变化的幅度小;性状变化的幅度小;c.因因遗遗传传物物质质不不变变,故故饰饰变变是是不不遗遗传传的的。引引起饰变的因素消失后,表型即可恢复起饰变的因素消失后,表型即可恢复。微生物遗传的特点微生物遗传的特点A A、一般为极少分化的单细胞或多细胞,、一般为极少分化的单细胞或多细胞,受环境影响较大。受环境影响较大。B B、繁殖快,易于发生变异。、繁殖快,易于发生变异。C C、以
4、无性繁殖为主,营养体多为单倍体,、以无性繁殖为主,营养体多为单倍体,不存在显隐性问题。不存在显隐性问题。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础 遗传性:遗传性:亲代将自身一整套遗传因亲代将自身一整套遗传因子传递给下一代的行为和功能。子传递给下一代的行为和功能。变异性:变异性:是遗传物质发生改变而引是遗传物质发生改变而引进某些性状的改变。进某些性状的改变。遗传和变异是生物界最基本的属性,遗传和变异是生物界最基本的属性,遗传具有相对的稳定性,但也不是一成遗传具有相对的稳定性,但也不是一成不变的。遗传是相对的,变异是绝对的,不变的。遗传是相对的,变异是绝对的,遗传中有变异,变异中有遗传,
5、遗传和遗传中有变异,变异中有遗传,遗传和变异的辩证关系使微生物不断进化。变异的辩证关系使微生物不断进化。一、经典转化实验一、经典转化实验 进行转化实验:进行转化实验:对象:肺炎链球菌对象:肺炎链球菌 特点:肺炎链球菌是一种球菌细菌,常特点:肺炎链球菌是一种球菌细菌,常成双或成链排列,可使人患肺炎,也可使成双或成链排列,可使人患肺炎,也可使小鼠患败血症而死亡。小鼠患败血症而死亡。种类:种类:S S型:菌落表面光滑,有荚膜,型:菌落表面光滑,有荚膜,有致病性。有致病性。R R型:菌落表面粗糙,无荚膜,型:菌落表面粗糙,无荚膜,无致病性。无致病性。进行了三组实验:进行了三组实验:1 1、动物试验、动
6、物试验对小鼠注射活对小鼠注射活R R菌或死菌或死S S菌菌 小鼠存活小鼠存活 对小鼠注射活对小鼠注射活S S菌菌 小鼠死亡小鼠死亡对小鼠注射活对小鼠注射活R R菌和热死菌和热死S S菌菌 小鼠死亡小鼠死亡 抽取心血分离抽取心血分离 活的活的S菌菌2 2、细菌培养试验、细菌培养试验肺炎链球菌肺炎链球菌活活R 菌菌热死热死S菌菌培培养养皿皿培培养养培养皿培养培养皿培养培养皿培养培养皿培养不生长不生长长出长出R菌菌长出大量长出大量R菌菌+10-6S菌菌热死热死S菌菌+活活R 菌菌3 3、S S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验 活活R R菌菌+S+S菌无细胞抽提液菌无细胞抽提液 长出大量长
7、出大量R R菌和少量菌和少量S S菌菌培养皿培养培养皿培养 以上实验说明:加热杀死的以上实验说明:加热杀死的S型细菌在其细胞内可能存在一种具型细菌在其细胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物质,它能通过有遗传转化能力的物质,它能通过某种方式进入某种方式进入R型细胞,并使型细胞,并使R型型细胞获得表达细胞获得表达S型荚膜性状的遗传型荚膜性状的遗传特性。特性。加加S S菌菌DNA DNA 加加S S菌菌DNADNA及及DNADNA酶酶 以外的酶以外的酶 加加S S菌的菌的DNADNA和和DNADNA酶酶 活活R R菌菌 加加S S菌的菌的RNA RNA 加加S S菌的蛋白质菌的蛋白质 加加S S菌的
8、荚膜多糖菌的荚膜多糖 对各种生化组分进行转化试验:对各种生化组分进行转化试验:只长只长R菌菌长出长出S菌菌 只有只有S S型细菌的型细菌的DNADNA才能将肺炎链才能将肺炎链球菌的球菌的R R型转化为型转化为S S型。而型。而DNADNA纯纯度越高,转化效率也越高,这就说度越高,转化效率也越高,这就说明,明,S S型菌株转移给型菌株转移给R R型菌株的绝不型菌株的绝不是某一遗传性状的本身,而是以是某一遗传性状的本身,而是以DNADNA为物质基础的遗传因子。为物质基础的遗传因子。10分钟后分钟后 用捣碎器用捣碎器 使空壳脱离使空壳脱离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步培养沉淀细胞进一步培养后,可产生
9、大量完整后,可产生大量完整的子代噬菌体的子代噬菌体二二、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验含含32P-DNA的一组:放射性的一组:放射性85%在沉淀中在沉淀中1952年和发表了证明年和发表了证明DNA是噬菌体的遗传物质基础的著名实验是噬菌体的遗传物质基础的著名实验噬菌体感染实验室。实验过程如下:噬菌体感染实验室。实验过程如下:在噬菌体的感染过程中,其蛋白质外壳在噬菌体的感染过程中,其蛋白质外壳未进入宿主细胞。进入宿主细胞的虽只未进入宿主细胞。进入宿主细胞的虽只有有DNADNA,但经增殖、装配后,却能产生,但经增殖、装配后,却能产生一大群既有一大群既有DNADNA核心又有蛋白质外壳的核心又有蛋白质外
10、壳的完整噬菌体颗粒。完整噬菌体颗粒。三、植物病毒的重建实验三、植物病毒的重建实验 为了说明核酸是遗传物质,为了说明核酸是遗传物质,(19561956年)进一年)进一步用含步用含RNARNA的烟草花叶病毒(的烟草花叶病毒(TMVTMV)进行了植进行了植物病毒重建实验。物病毒重建实验。TMVTMV放在一定浓度的苯酚溶液中振荡,将它放在一定浓度的苯酚溶液中振荡,将它的蛋白质外壳与的蛋白质外壳与RNARNA核心相分离,结果发现裸核心相分离,结果发现裸露的露的RNARNA也能感染烟草,并使其患典型症状,也能感染烟草,并使其患典型症状,而且在病斑中还能分离到完整的而且在病斑中还能分离到完整的TMVTMV粒
11、子。粒子。TMVTMV重建实验示意图重建实验示意图 三个实验的结论三个实验的结论:只有核酸才是负载只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础遗传信息的真正物质基础四、朊病毒的发现和思考四、朊病毒的发现和思考A A、蛋白质的折叠与生物功能之间关系。、蛋白质的折叠与生物功能之间关系。B B、第二遗传密码:折叠密码。一级结构、第二遗传密码:折叠密码。一级结构如何决定高级结构,多肽链中氨基酸序列如何决定高级结构,多肽链中氨基酸序列如何决定蛋白质的空间结构。如何决定蛋白质的空间结构。五、微生物的基因组结构五、微生物的基因组结构细菌一般是单倍体,真核微生物细菌一般是单倍体,真核微生物通常是二倍体。通常是二倍体
12、。基因组相对较小,最小的只有基因组相对较小,最小的只有3 3上上基因(一种噬菌体);基因(一种噬菌体);256256个基因可能是维持细胞生命活个基因可能是维持细胞生命活动所必需的最低数量的假说。动所必需的最低数量的假说。生物生物基因数基因数基组大小基组大小MS2MS2噬菌体噬菌体噬菌体噬菌体T4T4噬菌体噬菌体流感嗜血菌流感嗜血菌枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌大肠杆菌大肠杆菌啤酒酵母啤酒酵母果蝇果蝇拟南芥拟南芥人人3 35050150150176017603700370041004100580058001200012000160001600033000330005000050000100000100
13、0003103103 35105104 42102105 51.83101.83106 64.2104.2106 64.7104.7106 613.51013.5106 616510165106 6701070106 61451014510301030109 9微生物与几种代表生物的基因组微生物与几种代表生物的基因组六、遗传物质在微生物细胞内六、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式存在的部位和方式(一)核酸存在的七个水平及质粒(一)核酸存在的七个水平及质粒 细胞水平:存在于细胞核或核质体,单核或多核细胞水平:存在于细胞核或核质体,单核或多核 细胞核水平细胞核水平:原与真核生物的细胞核结构不同
14、,核外原与真核生物的细胞核结构不同,核外DNA 染色体水平染色体水平:倍性倍性(真核真核)和染色体数和染色体数 核酸水平:在原核中同染色体水平、存在部分二倍体核酸水平:在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 DNA或或RNA,复合或裸露,双链或单链,复合或裸露,双链或单链 基因水平:具自主复制能力的遗传功能单位,长度与基因水平:具自主复制能力的遗传功能单位,长度与信息量,转录信息量,转录翻译翻译 密码子水平:信息单位密码子水平:信息单位,起始和终止起始和终止,核苷酸水平:突变或交换单位,四种碱基核苷酸水平:突变或交换单位,四种碱基DNA 的三种存在形式的三种存在形式 第二节第二节 基因突变和诱变
15、育种基因突变和诱变育种一、基因突变一、基因突变 基因:基因:是一段具有特定功能和是一段具有特定功能和结构的连续的结构的连续的DNADNA片断,是编码蛋片断,是编码蛋白质或白质或RNARNA分子遗传信息的基本遗分子遗传信息的基本遗传单位。传单位。1 1、与基因突变有关的定义、与基因突变有关的定义 基因突变:基因突变:简称突变,是变简称突变,是变异的一类,泛指细胞内(或病异的一类,泛指细胞内(或病毒颗粒内)遗传物质的分子结毒颗粒内)遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的构或数量突然发生的可遗传的变化,可自发或诱导产生。变化,可自发或诱导产生。突变株:突变株:野生型经突变野生型经突变后形成的带有
16、新性状的菌株。后形成的带有新性状的菌株。野生型菌株:野生型菌株:从自然界从自然界分离的菌株分离的菌株。2 2、突变的类型:、突变的类型:选择性突变株选择性突变株营养缺陷型(株)营养缺陷型(株)抗性突变型(株)抗性突变型(株)条件致死突变型条件致死突变型非选择性突变株非选择性突变株抗原突变型(株)抗原突变型(株)产量突变型(株)产量突变型(株)突变株的类型突变株的类型形态突变型(株)形态突变型(株)3 3、基因突变的特点、基因突变的特点 自发性:自发性:在没有有为诱发因素的情况下,各在没有有为诱发因素的情况下,各种遗传性状的改变可以自发地产生。种遗传性状的改变可以自发地产生。不对应性:不对应性:
17、指突变性状与引起突变的原因间指突变性状与引起突变的原因间无直接对应关系。无直接对应关系。稀有性:稀有性:发突变虽然不可避免,但是突变的发突变虽然不可避免,但是突变的频率极低,一般在频率极低,一般在1010-6-61010-9-9。独立性:独立性:各种性状都可能发生突变,但彼此各种性状都可能发生突变,但彼此之间独立进行。之间独立进行。可诱变性:可诱变性:通过各种物理、化学诱发因通过各种物理、化学诱发因素的作用,可以提高突变率。素的作用,可以提高突变率。稳定性:稳定性:基因突变后的新遗传性状是稳基因突变后的新遗传性状是稳定的。定的。可逆性:可逆性:原始的野生型基因可以通过变原始的野生型基因可以通过
18、变异成为突变型基因,此过程为正向突变;相反异成为突变型基因,此过程为正向突变;相反突变型的基因也可以恢复到原来的野生型基因,突变型的基因也可以恢复到原来的野生型基因,称为回复突变。任何突变既有可能正向突变,称为回复突变。任何突变既有可能正向突变,也可能发生回复突变,两者发生的频率基本相也可能发生回复突变,两者发生的频率基本相同。同。4 4、突变自发性的证实、突变自发性的证实波动实验波动实验 涂布实验涂布实验 影印培养影印培养(1 1)、变量实验()、变量实验(波动实验波动实验)(2 2)、涂布实验)、涂布实验3 3、影印平板培养法、影印平板培养法5 5、自发突变的机制、自发突变的机制从本质上讲
19、,突变是理化因从本质上讲,突变是理化因子作用于子作用于DNADNA,使其结构发,使其结构发生变化并最终改变遗传性状生变化并最终改变遗传性状的过程。的过程。引引起起自自发发突突变变的的原原因因 DNA DNA分子内部运动分子内部运动 缺失突变缺失突变 自身代谢产物的诱变自身代谢产物的诱变环境因素引起的诱变环境因素引起的诱变6 6、基因突变及其机制、基因突变及其机制基基因因突突变变诱变诱变点突变点突变移码突变移码突变碱基置换碱基置换畸变畸变自发突变自发突变缺失缺失颠换颠换转换转换添加添加添加添加缺失缺失易位(转座易位(转座?)倒位倒位重复重复插入插入缺失缺失重复重复倒位倒位相互易位相互易位染色体结
20、构变异(畸变)的主要类型染色体结构变异(畸变)的主要类型染色体数目的变化染色体数目的变化 ln-2n-3n-4n 整倍变化整倍变化 ln-n+1、n-1,2n-2n+1、2n-1、2n-2 非非整倍变化整倍变化 l原核生物只有一条染色体,但可成为部分二倍体。原核生物只有一条染色体,但可成为部分二倍体。7 7、紫外线对、紫外线对DNADNA的损伤的损伤及其修复及其修复(1 1)光修复光修复也称光复合作用,也称光复合作用,只作用于紫外线引只作用于紫外线引起的起的DNADNA嘧啶二聚体的修复嘧啶二聚体的修复。由光复合酶来完成修复,发生在由光复合酶来完成修复,发生在DNADNA复制之前。复制之前。光复
21、合酶存在细菌低等真核生物,鸟光复合酶存在细菌低等真核生物,鸟类甚至人类白细胞中。此酶在类甚至人类白细胞中。此酶在暗处不暗处不起作用起作用。大肠杆菌的光复合酶由大肠杆菌的光复合酶由471471个氨基酸组个氨基酸组成,分子量为成,分子量为35kD35kD,是由,是由phrphr基因编基因编码。码。(2 2)、切除修复()、切除修复(暗修复暗修复)机制:机制:特异性酶识别特异性酶识别DNADNA链中的链中的损伤部位;损伤部位;DNADNA损伤部分被切除;损伤部分被切除;在在DNADNA聚合酶聚合酶和连接酶的作用和连接酶的作用下完成修复。发生在下完成修复。发生在DNADNA复制之复制之前。前。l有四种
22、酶参与有四种酶参与 l内切核酸酶:切开内切核酸酶:切开 l外切核酸酶外切核酸酶:扩大:扩大 lDNA聚合酶:复制聚合酶:复制 l通过通过连接酶:连接连接酶:连接 l完成了修复作用。完成了修复作用。二、突变与育种二、突变与育种1 1、从自然界中分离筛、从自然界中分离筛选菌种的方法步骤选菌种的方法步骤采采采采 样样 增殖培养增殖培养增殖培养增殖培养 纯纯纯纯种分离种分离种分离种分离 纯纯纯纯培养培养培养培养 生生生生产产产产性能性能性能性能测测测测定定定定 方法、地点、方法、地点、时间和周和周围环境境记录纯种分离的原种分离的原则就是使培养物就是使培养物获得得单个菌落:个菌落:1稀稀释分离法分离法
23、2平板划平板划线线分离法分离法 涂菌涂菌:划划线线分离分离:分步划分步划线线法法;一次划一次划线线法:法:3组织组织分离法分离法 测测定代定代定代定代谢产谢产物或其它目的性状物或其它目的性状物或其它目的性状物或其它目的性状n确定出确定出发菌株菌株 n n菌种的菌种的纯化化选优 n 出出发菌株的性能菌株的性能鉴定定 n同步培养同步培养 n n制制备单细胞(或胞(或单孢子)子)悬液液 n 悬浮液活菌数浮液活菌数计数数 n诱变剂的的选择与确定与确定诱变剂量的量的预试验 n n诱变处理理 n 处理液活菌理液活菌计数数 n平板分离平板分离 n 形形态变异的菌落异的菌落计数,数,计算突算突变率率 n挑取疑
24、似突挑取疑似突变菌落菌落纯培养培养 n n突突变体的初步体的初步筛选 n 用用简单快捷的方法快捷的方法 n重复重复筛选 n 摇瓶瓶发酵酵试验 n选出出突突变体体(根根据据情情况况进行行生生产试验或或重重复复诱变处理)理)2 2 2 2、微生物、微生物、微生物、微生物的诱变育的诱变育的诱变育的诱变育种一般步种一般步种一般步种一般步骤骤骤骤出发菌株同步培养出发菌株同步培养 :使菌细胞处于相同使菌细胞处于相同或接近的生理状态。或接近的生理状态。单细胞(或单孢子)菌悬液的制备:单细胞(或单孢子)菌悬液的制备:单单细胞或单孢子的意义。细胞或单孢子的意义。酵母或霉菌孢子酵母或霉菌孢子10106 6/ml
25、/ml、细菌、细菌10108 8/ml/ml 。诱变剂的选择及其剂量的确定:诱变剂的选择及其剂量的确定:以致死率为以致死率为90909999 为宜。为宜。诱变处理:诱变处理:物理诱变剂物理诱变剂 化学诱变剂化学诱变剂3 3、诱变育种的基本环节、诱变育种的基本环节出发菌株出发菌株诱变绝大多数个体死亡绝大多数个体死亡少数存活少数存活多数未变多数未变少数突变少数突变多数负变多数负变少数正变少数正变多数变辐小多数变辐小少数变辐大少数变辐大多数不宜生产多数不宜生产少数宜生产少数宜生产投产率投产率高产率高产率存活率存活率突变率突变率正变率正变率 变变异异异异菌菌菌菌株株株株的的的的初初初初步步步步筛筛选选
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