大学微生物学第七章微生物的遗传变异与育种

这是一篇关于大学微生物学第七章微生物的遗传变异与育种的思维导图。该导图介绍了遗传变异的物质基础、基因突变和诱变育种等。

第七章 微生物的遗传变异与育种

• 遗传：亲代与子代相似。 变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同。 遗传型：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组（genome）所携带的 遗传信息。 表型：指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件 下通过代谢和发育而得到的具体体现。 变异：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。 饰变：外表的修饰性改变，即一种不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的表型变化
• 遗传变异的物质基础
  • 3个经典实验
    • 经典转化实验
      • 动物实验
      • 细菌培养试验
      • S型菌的无细胞抽提液试验
    • 噬菌体感染实验
    • 植物病毒的重建实验
  • 遗传物质在细胞内存在的部位和方式
    • 7个水平
      • 细胞核水平
      • 细胞水平
        • DNA都集中在细胞核或核质体中
      • 染色体水平
      • 核酸水平
        • 核酸种类
        • 核酸结构
        • DNA长度
          • DNA长度即基因组的大小，一般可用bp、kb和Mb作单位。
      • 基因水平
        • 基因是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位，其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段。
      • 密码子水平
      • 核苷酸水平
    • 原核生物的质粒
      • 定义与特点
        • 质粒：一种独立于染色体外，能进行自主复制的共价闭合环形的双股DNA分子。
        • 分类
          • 严紧型复制控制
            • 质粒的复制与核染色体的复制同步，在这类细胞中，一般只含1～2个质粒
          • 松弛型复制控制
            • 质粒的复制与核染色体的复制不同步，在这类细胞中，一般含10～15个或更多质粒
      • 质粒在基因工程中的应用
      • 质粒的分离与鉴定
        • 质粒DNA鉴定:电镜观察；
        • 实验室常用菌，用质粒所带的某些特点，例如抗药性初步判断
        • 利用琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶电泳
        • 利用密度梯度离心法
      • 质粒的种类
      • 典型质粒简介
        • F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）
        • R质粒
          • 抗性转移因子
            • 含调节DNA复制和拷贝数的基因以及转移基因，相对分子质量约11×107，具有转移功能
          • 抗性决定因子
            • 大小不很固定，含各种抗性基因，如抗青霉素、氨苄青霉素、氯霉素、链霉素、卡那霉素和磺胺等基因
        • Col质粒
          • 又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子
          • 细菌素
            • 细菌产生的，可抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同株的菌体，是质粒编码的蛋白质，杀菌谱不广。
        • Ti质粒
        • Ri质粒
        • mega质粒
        • 降解性质粒
          • 以其所分解的底物命名
• 基因突变和诱变育种
  • 简称突变，是变异的一种，泛指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子结构或数量 突然发生的可遗传的变化。野生型菌株、突变株
  • 突变类型
    • 选择性突变株：凡能用选择性培养基（或其他选择性培养条件）快速选择出来的突变株。
      • 营养缺陷型
        • 某一野生型菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸等的能力，因而不能再在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型，称营养缺陷型。
        • 表示方法
          • 基因型：营养物的前三个英文小写斜体字母表示
          • 表型：第一个字母大写，且不用斜体
      • 抗性突变型
        • 指野生型菌株因发生基因突变，使菌株对某化学药物或致死物理因子或者噬菌体，产生抗性的变异类型。
        • 表示方法
          • 所抗药物的前三个小写斜体英文字母右上方加上“r”表示
      • 条件致死突变型
        • 某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并呈现其固有的表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖，这种突变类型称为条件致死突变型。
    • 非选择性突变株
      • 形态突变型
        • 指由于突变而引起的个体或菌落形态的变异
        • 分类
          • 个体变异
            • 孢子有无、孢子颜色、鞭毛有无或荚膜有无等的突变
          • 菌落变异
            • 菌落表面光滑、粗糙、噬菌斑的大小或清晰度等的突变
      • 抗原突变型
        • 指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生变异的类型。
        • 例如：细胞壁缺陷变异（L型细菌等）
      • 产量突变型
        • 通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株
        • 分类
          • 正变株
          • 负变株
  • 突变率
    • 某一细胞在每一世代（即分裂1次）中发生某一性状突变的机率
  • 基因突变的特点
    • 不对应性：环境与变异无对应性
    • 自发性：非人为的诱变因素下发生
    • 稀有性：生物体的自发突变率为10-6～10-9
    • 独立性：一个基因的突变对其它基因突变无影响，同时发生2个突变的几率很低。
    • 可诱变性：诱变剂可提高突变率
    • 稳定性：突变性状稳定、可遗传
    • 可逆性：野生型菌株的某一性状即可发生正向突变，也可发生回复突变或回变。
  • 基因突变的自发性和不对应性的实验证明
    • 变量实验
    • 涂布实验
    • 平板影印培养实验
  • 基因突变及其机制
    • 诱发突变
      • 指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。
      • 诱变剂
        • 凡具有诱变效应的任何因素
      • 类型
        • 碱基的置换
          • 碱基的置换只涉及一对碱基被另一对碱基所置换，属于典型的点突变
          • 转换和颠换
        • 移码突变
          • 指诱变剂使DNA序列中的一个或少数几个核苷酸发生增添（插入）或缺失，从而使其后面的全部遗传密码的阅读框发生改变，并进一步引起转录和翻译错误的一类突变。
        • 染色体畸变
          • 产生原因
            • DNA的大损伤
          • 类别
            • 结构变化
              • 缺失
              • 重复
              • 插入
              • 易位
              • 倒位
            • 数目变化
        • 转座
          • DNA某一序列通过非同源重组的方式，从染色体某一部位转移到同一染色体上另一部位或其他染色体上某一部位的现象
    • 自发突变
      • 指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变
      • 产生原因
        • 背景辐射和环境因素
        • 微生物自身有害代谢产物
        • DNA复制过程中碱基配对错误
  • 突变与育种
    • 自发突变与育种
    • 诱变育种
      • 指利用诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，在提高突变率的基础上，采用高效的筛选方法，从中挑选出少数符合育种目的的突变株。
      • 原则
        • 选择简便有效的诱变剂
        • 挑选优良的出发菌株
        • 处理单细胞或单孢子悬液
        • 选用最适的诱变剂量
        • 充分利用复合处理的协同效应
        • 利用和创造形态、生理与产量间的相关指标
        • 设计高效筛选方案
        • 创造新型筛选方法
      • 突变株的筛选方法
        • 产量突变株的筛选
        • 抗药性突变株的筛选
        • 营养缺陷型突变株的筛选
          • 有关培养基
            • 基本培养基MM
              • 仅能满足某微生物的野生型菌株生长所需的最低成分的培养基
            • 完全培养基CM
              • 凡可满足一切营养缺陷型菌株营养需要的天然培养基
            • 补充培养基SM
              • 凡只能满足相应的营养缺陷型突变株生长需要的培养基
• 基因重组和杂交育种
  • 两个独立基因组内的遗传基因，通过一定的途径转移到一起，形成新的稳定基因组的过程
  • 原核生物的基因重组
    • 转化
      • 定义
        • 受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得后者部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。通过转化方式而形成的杂种后代，称转化子。
      • 感受态
        • 能发生转化的受体细胞都处于感受态
        • 感受态是指受体细胞最易接受外源DNA片段并能实现转化的一种生理状态；受细菌自身的基因控制。
      • 转化因子
        • 转化因子的本质是离体的DNA片段
      • 转化过程
        • 自然遗传转化
        • 人工转化
      • 转染
        • 定义
          • 指用提纯的病毒核酸去感染其宿主细胞或其原生质体，可增殖出一群正常病毒后代的现象
        • 转染与转化的区别
    • 转导
      • 定义
        • 通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的小片段DNA携带到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。
      • 方式
      • 细菌转导类型
        • 普通转导：通过极少数完全缺陷噬菌体对供体菌任何小片段DNA进行“误包”，并将其遗传性状传递给受体菌的现象
          • 完全转导
          • 流产转导
            • 外源DNA在受体菌内既不进行交换、整合和复制，也不迅速消失，而仅进行转录、转译和性状表达，这种现象就称流产转导。
        • 局限转导：指通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并与后者的基因组整合、重组，形成转导子的现象。
          • 高频转导
          • 低频转导
        • 溶源转变
          • 正常的温和噬菌体感染其宿主发生溶源化时，因噬菌体的基因整合到宿主核基因组上，而使宿主获得了除免疫性外的新遗传性状的现象
    • 接合
      • 定义
        • 供体菌（“雄性”）通过性菌毛与受体菌（“雌性”）直接接触，把F质粒或其携带的核基因组片段传递给后者，使后者获得若干新遗传性状的现象，称为接合。通过接合而获得新遗传性状的受体细胞，就是接合子
    • 原生质体融合
      • 通过人为的方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲优良遗传性状的稳定的重组子的过程，称原生质体融合。由原生质体融合获得的重组子，成为融合子
• 基因工程
  • 定义
    • 将某一生物体的遗传信息（基因）在细胞外与载体相连接（重组），构建一个新的重组DNA分子，然后将其转入另一些生物体细胞中，使引入的供体DNA片段成为受体遗传物质的一部分。
• 菌种的衰退、复壮和保藏
  • 菌种的衰退与复壮
    • 衰退
      • 指由于自发突变的结果，使某物种原有一系列生物学性状发生量变或质变的现象。
      • 具体表现
        • 原有形态性状变得不典型了
        • 生长速度变慢，产生的孢子变少
        • 代谢产物生产能力下降，即出现负变
        • 致病菌对宿主侵染力的下降
        • 对外界不良条件的抵抗能力下降
      • 原因
        • 基因突变
      • 防治
        • 控制传代次数
        • 创造良好的培养条件
        • 利用不宜衰退的细胞传代
        • 采用有效的菌种保藏方式
    • 复壮
      • 纯种分离法
        • 菌落纯
          • 平板划线法
            • 将适量待分离菌悬液加到平板上，用涂棒涂布均匀，培养。单菌落达到分离目的。
          • 平板划线分离法
            • 接种环沾取少许待分离菌种，在平板表面进行连续划线，细胞数量将随着划线次数的增加而减少，逐步分散，经培养后，得到单菌落。
          • 琼脂培养基浇注法
        • 细胞纯
      • 通过宿主体复壮
        • 可接种到相应的昆虫或动植物宿主体中，通过这种特殊的活的“选择性培养基”一至多次选择，就可从典型病灶部位分离到恢复原始毒力的复壮菌株
      • 淘汰已衰退的个体
  • 菌种的保藏
    • 通过适当方式使微生物能够长期存活，并保持原始的生物学性状稳定不变的一类措施
    • 保藏原理
      • 挑选典型菌种的优良纯种，最好用芽孢或分生孢子等休眠体
      • 创造一个有利于长期休眠的环境条件，干燥、低温、缺氧、避光、缺乏营养等
      • 添加保护剂或酸度中和剂，避免保藏过程中细胞受伤
    • 常用方法
      • 冷冻干燥保藏法
      • 液氮超低温保藏法
      • 其他方法