工业微生物育种的遗传学基础.pptx
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1、第二章第二章 工业微生物育工业微生物育种的遗传学基础种的遗传学基础何谓遗传学?遗传学是关于遗传物质的生理生化性质、世代传递方式,以及所携带的信息在个体发育中的表达的一门科学。早期的遗传学研究亲代与子代之间遗传性状的传递,提出了遗传的染色体理论,对基因进行了作图,故名传递遗传学学。微生物遗传学介绍微生物的遗传物质的结构特点、遗传信息的表达与调控、遗传变异的基本规律;通过基因操作改变微生物的遗传信息从而有效地控制或利用微生物的基本策略。涉及部分真核生物,所有的原核生物,以及病毒的遗传;分子遗传学分子遗传学近代遗传学,分子水平上研究基因的构成、复制、表达、突变和修复等。微生物是现代遗传学、分子生物学
2、和其它微生物是现代遗传学、分子生物学和其它许多重要的生物学基础研究中最热衷选用许多重要的生物学基础研究中最热衷选用的的模式生物模式生物。研究微生物遗传学的意义研究微生物遗传学的意义 为什么?为什么?3535亿年前单细胞生物亿年前单细胞生物 2525亿年进化成多细胞生物亿年进化成多细胞生物 1010亿年发展成了植物、哺乳动物、昆虫、鸟亿年发展成了植物、哺乳动物、昆虫、鸟类等各种各样的地球物种。类等各种各样的地球物种。RiceRice大学科学家认为生物进化速度的加大学科学家认为生物进化速度的加快是因为细菌和病毒不断在不同物种之间传快是因为细菌和病毒不断在不同物种之间传递递DNADNA的结果。的结果
3、。对微生物遗传规律的深入研究,不仅促对微生物遗传规律的深入研究,不仅促进了进了现代分子生物学现代分子生物学和和生物工程学生物工程学的发展,的发展,而且为而且为育种育种工作工作提供了丰富的理论基础,促提供了丰富的理论基础,促使育种工作从使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、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从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。向发展。孟德尔的遗传因子阶段孟德尔的遗传因子阶段摩尔根的基因阶段摩尔根的基因阶段三个经典实验证明三个经典实验证明DNADNA是遗传物质是遗传物质现代基因阶段现代基因阶段:Watson:Watson和和CrickCr
4、ick提出提出DNADNA双螺旋结构双螺旋结构第一节第一节 染色体染色体染色体染色体原核生物和病毒染色体结构原核生物和病毒染色体结构和数目和数目真核生物真核生物染色体结构和数目染色体结构和数目一、染色体一、染色体染色体染色体指携带细胞功能所必备的基因的结构(遗传单元)。病毒是非细胞生物,它们的全套遗传基因称为基因组,但不足以形成染色体。原核生物染色体常为一个环状DNA分子。真核生物的细胞有几条至几十条染色体,各含一个线状的DNA分子。染色体的化学成分主要是蛋白染色体的化学成分主要是蛋白质和质和 DNADNA,其中,其中 DNADNA含量稳定,含量稳定,是主要的遗传物质是主要的遗传物质。由于细胞
5、中的由于细胞中的DNADNA大部分在染大部分在染色体上,所以说遗传物质的主要载色体上,所以说遗传物质的主要载体是染色体。体是染色体。为什么染色体能在遗传上起作用?为什么染色体能在遗传上起作用?DNA的分布的分布主要在染色体上主要在染色体上细胞质内细胞质内细胞核遗传细胞核遗传细胞质遗传细胞质遗传生物的遗传生物的遗传(染色体是(染色体是DNA的主要载的主要载体)体)例:紫茉莉例:紫茉莉叶色的遗传叶色的遗传根据着丝粒位置进行的染色体分类图示根据着丝粒位置进行的染色体分类图示染色体的形态染色体的形态 后期染色体形态后期染色体形态 1 1V V 形染色体形染色体 2 2L L 形染色体形染色体 3.3.
6、棒状染色体棒状染色体 4.4.粒状染色体粒状染色体中期染色体形态中期染色体形态1.1.长臂长臂 2 2主缢痕主缢痕 3.3.着丝粒着丝粒 4 4短臂短臂 5 5次缢痕次缢痕 6 6随随体体1 1、着丝粒与动粒(也称着丝点、着丝粒与动粒(也称着丝点,kenetoche,kenetoche)着丝粒和动粒(着丝点)是两个不同的概念,着丝粒和动粒(着丝点)是两个不同的概念,前者前者指指中期中期染色单体相互联系在一起的特殊部位;染色单体相互联系在一起的特殊部位;后者后者指指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构,它主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构,它与与仿锤丝仿锤丝微管相接触。微管相接触。
7、着丝粒含着丝粒含3 3个结构域,即:动粒结构域、中央结构域、个结构域,即:动粒结构域、中央结构域、配对结构域。配对结构域。2 2、端粒(、端粒(telomeretelomere)染色体端部的特化部分,作用是维持染色染色体端部的特化部分,作用是维持染色体的完整性和个体性体的完整性和个体性(用(用X X射线将染色体打射线将染色体打断,不具端粒的染色体末端有粘性,会与断,不具端粒的染色体末端有粘性,会与其它片段相连或两端相连而成环状)其它片段相连或两端相连而成环状)。端。端粒由粒由高度重复的短序列高度重复的短序列串联而成,在进化串联而成,在进化上上高度保守高度保守,不同生物的端粒序列都很相,不同生物
8、的端粒序列都很相似,哺乳类的序列为似,哺乳类的序列为TTAGGGTTAGGG,500-3000500-3000次重复。与端粒酶有关。次重复。与端粒酶有关。荧光原位杂交显示端粒和端粒序列荧光原位杂交显示端粒和端粒序列不不同同生生物物的的端端粒粒序序列列都都很很相相似似四膜虫四膜虫拟南芥拟南芥 二、原核生物和病毒染色体结构(a)大肠杆菌细胞大小和染色体大肠杆菌细胞大小和染色体DNA长度的比较;长度的比较;(b)细菌细胞中的拟核;细菌细胞中的拟核;(c)大肠杆菌大肠杆菌染色体结构电镜图。染色体结构电镜图。细胞宽1.11.5 m、长26 m:双链环状DNA分子的长度达1 mm;形态大小:双链环状DNA
9、,4.6106bp位置:拟核内化学组成:80%DNA、RNA和蛋白质;结构:在染色体的中心有一个由DNA结合蛋白和膜组成的骨架,DNA分子附着在骨架上形成50100个超螺旋的环,每个环中含碱基对约50100 kb.微量DNA酶类组蛋白:染色体环状DNA功能域进一步与DNA结合蛋白原核生物染色体病毒没有典型的染色体结构。习惯病毒没有典型的染色体结构。习惯上把病毒含有的上把病毒含有的DNA DNA 或或RNARNA也称为染也称为染色体。色体。DNA:DNA:单链、双链或环状、线状单链、双链或环状、线状RNARNA:线状,单链或双链。:线状,单链或双链。三、真核生物的染色体结构 染色体主轴两侧有侧环
10、,状如灯刷,故名染色体主轴两侧有侧环,状如灯刷,故名灯刷染色体灯刷染色体。由两条同。由两条同源染色体组成,在交叉处结合,每条同源染色体含源染色体组成,在交叉处结合,每条同源染色体含2 2条染色单体。条染色单体。同时两条染色单体向两边伸出许多侧环,一个平均大小的环约含同时两条染色单体向两边伸出许多侧环,一个平均大小的环约含100 bp DNA100 bp DNA。1 1、染色质(体)结构、染色质(体)结构染色体(染色质):真核生物体内高度有序的DNA-蛋白质复合体构成。核小体核小体:是染色质基本结构亚基,大约由:是染色质基本结构亚基,大约由200bp200bp的的DNADNA和一个组蛋白八聚体组
11、成和一个组蛋白八聚体组成每条染色体中含有一个线状DNA分子,它以左手螺旋方向围着一个个组蛋白八聚体绕圈1.8周,形成串珠状的核小体,染色质进一步卷曲形成每圈6个核小体、直径30 nm的染色质丝,它折叠成许多超螺旋环附着在中央骨架上。链接区的DNA长度为55bp,不同物种变化范围0-100bp.1 1)染色质(体)染色质(体)=DNA+=DNA+组蛋白组蛋白+RNA+RNA;2 2)各成分含量不同;)各成分含量不同;3 3)组蛋白组蛋白包括包括核心组蛋白核心组蛋白(H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4)和)和非核心组蛋白非核心组蛋白(H1H1););MWMW分别为分别为10000-20
12、00010000-20000和和2300023000;前者与;前者与DNADNA结合,稳结合,稳定核小体结构;后者与其他类型蛋白质作用,定核小体结构;后者与其他类型蛋白质作用,促使染色质超螺旋化;促使染色质超螺旋化;2、染色质(体)的化学组成、染色质(体)的化学组成4 4)非组蛋白(序列特异性)非组蛋白(序列特异性DNADNA结合蛋白)结合蛋白),有以下特性:,有以下特性:a a,多样性和组织特异性;,多样性和组织特异性;b b,结合特异性,结合特异性DNADNA;c c,功能多样性,与染色质及,功能多样性,与染色质及DNADNA高级结高级结构形成有关系。构形成有关系。3、染色质的类型、染色质
13、的类型根据形态特征和染色性能分为根据形态特征和染色性能分为常染色质和异染常染色质和异染色质。色质。常染色质常染色质:在间期细胞核中,对碱性染料着色:在间期细胞核中,对碱性染料着色浅浅、染色体纤维、染色体纤维折叠压缩程度低、处于较为伸折叠压缩程度低、处于较为伸展状态展状态的染色质,多存在于核质中的染色质,多存在于核质中,具有基因转具有基因转录活性录活性。异染色质异染色质:在间期细胞核中,对碱性染料着色:在间期细胞核中,对碱性染料着色深深、染色体纤维、染色体纤维折叠压缩程度高、处于聚缩状折叠压缩程度高、处于聚缩状态态的染色质,的染色质,不具有转录活性不具有转录活性,具有具有卫星卫星DNADNA。4
14、、染色体数目一套一套基本的染色体数目称为基本的染色体数目称为一倍体数一倍体数(x)(x)。带。带有多个一倍体染色体数的生物称为整倍体有多个一倍体染色体数的生物称为整倍体(euploid)(euploid)。整倍体可分为。整倍体可分为一倍体、二倍体、一倍体、二倍体、多倍体多倍体。如如:人的染色体数目为人的染色体数目为2323条,那么二倍体细胞条,那么二倍体细胞为为4646条染色体。条染色体。原核生物大多为单倍体生物原核生物大多为单倍体生物。大多数大多数真核生物是二倍体真核生物是二倍体(diploid)(diploid)。少数二倍体生物增加或减少了一条或几条完少数二倍体生物增加或减少了一条或几条完
15、整的染色体,而不发生整套染色体的增减,整的染色体,而不发生整套染色体的增减,称为称为非整倍体非整倍体。缺对性个体缺对性个体:缺少一对或某几对染色体;:缺少一对或某几对染色体;单体性个体单体性个体:某一对或几对中缺少一条染色:某一对或几对中缺少一条染色体;体;三体性个体三体性个体:某一对或几对中增加一条染色:某一对或几对中增加一条染色体;体;第二节 核 酸核酸RNADNA一、核酸的基本化学组成核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸碱基碱基戊糖戊糖元素组成:元素组成:C H O N C H O N P P 核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖(核糖或脱氧核
16、糖)和磷酸的混合物。核戊糖(核糖或脱氧核糖)和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。酸部分水解则产生核苷和核苷酸。一、核酸一、核酸 组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNADNA所含的糖所含的糖为为 -D-2-D-2-脱氧核糖脱氧核糖;RNARNA所含的糖则为所含的糖则为-D-D-核糖。核糖。1、戊糖RiboseRiboseDeoxyriboseDeoxyribose2、碱基1 1)嘌呤()嘌呤(PurinePurine)1 12 23 34 45 56 69 97 78 8l腺嘌呤腺嘌呤AdenineAdenineA Al鸟嘌呤鸟嘌呤guanineguanineGG2 2)
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