第七章微生物的遺傳變異與菌種選育教學內(nèi)容：1、理解微生物遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)2、微生物的基因突變3、微生物的基因重組4、微生物的菌種選育5、微生物的菌種保藏重點：微生物的基因突變難點：微生物的基因重組1概念：遺傳：遺傳使細菌的性狀保持相對穩(wěn)定，且代代相傳，使其種屬得以保存。變異：在一定條件下，子代和親代之間以及子代和子代之間的差別稱為變異?；蛐停褐纲A存在遺傳物質(zhì)中的信息，也就是它的DNA堿基次序。涉及生物的全部遺傳因子及基因。表型：指可觀察或可檢測到的個體性狀或特性，是特定的基因型在一定特定環(huán)境條件下通過生長發(fā)育所體現(xiàn)出的形態(tài)等生物學特性的總和。表型是由基因型所決定,但也和環(huán)境有關(guān)。2

一、微生物遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)

（一）證明核酸是遺傳物質(zhì)的三個典型實驗1、肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗肺炎雙球菌有兩種類型：S（光滑）型——有莢膜——人、動物致病R（粗糙）型——無莢膜——無致病性轉(zhuǎn)化實驗以下：1928年，F(xiàn).Griffith(格里菲斯)首先發(fā)現(xiàn)3(a)無毒菌系RII不使白鼠死亡，從鼠體內(nèi)分離仍得無毒細菌；(b)將SIII加熱殺死，不使白鼠死亡，鼠體內(nèi)無有毒細菌；(c)混合活無毒的RII和加熱殺死的SIII，使白鼠死亡，并在死鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)活的SIII細胞。4實驗闡明，加熱殺死的S型細菌，在其細胞內(nèi)可能存在一種轉(zhuǎn)化物質(zhì)，它能通過某種方式進入R型細胞，并使R型細胞獲得其穩(wěn)定的遺傳性狀。1944年，Avery等人從熱死的S型細菌中提純了可能作為轉(zhuǎn)化因子的多個成分（DNA，RNA，蛋5白質(zhì)，莢膜多糖），并在離體條件下進行了轉(zhuǎn)化實驗：5實驗證明只有S型中的DNA才干將R型轉(zhuǎn)化為S。62、噬菌體感染實驗：1952年，A.D.Hershey(侯喜)和M.Chase（蔡斯）大腸桿菌T2噬菌體由蛋白質(zhì)（含S）+核酸（含P）構(gòu)成。首先將大腸桿菌分別培養(yǎng)在以放射性32P或35S作為磷源或硫源的合成培養(yǎng)基中，并感染噬菌體。能夠獲得含32P-DNA(噬菌體核心)和含35S-蛋白質(zhì)(噬菌體外殼)的實驗用噬菌體。再進行感染實驗：7

32P和35S標記噬菌體感染大腸桿菌實驗8從以上實驗中可清晰地看到,在噬菌體的感染過程中,其蛋白質(zhì)外殼未進入宿主細胞。進入宿主細胞的DNA經(jīng)增殖、裝配后,能產(chǎn)生一大群現(xiàn)有DNA核心又有蛋白質(zhì)外殼的完整噬菌體顆粒。這就有力地證明,在其DNA中,含有涉及合成蛋白質(zhì)外殼在內(nèi)的整套遺傳信息。93、煙草花葉病毒的拆開與重建實驗1956年，法郎克（Fraenkel）和康勒特(Conrat)10當用TMV的RNA與HRV的蛋白質(zhì)外殼重建后的雜合病毒去感染煙草時,煙葉上出現(xiàn)的是典型的TMV病斑,從中分離出來的新病毒也是典型的TMV病毒。反之,用HRV的RNA與TMV的蛋白質(zhì)外殼進行重建時,也可獲得相似的結(jié)論。這就充足闡明,核酸(這里為RNA)是病毒的遺傳物質(zhì)。11（二）遺傳物質(zhì)在細胞內(nèi)的存在部位和方式——我們可從七個水平加以認識：1、細胞水平——細胞核、核外（細胞質(zhì)中）質(zhì)粒2、細胞核水平——真核生物：染色體（DNA與組蛋白結(jié)合形成原核生物：核質(zhì)體（無蛋白質(zhì)）3、染色體水平——真核生物：多條染色體，不同形狀4、核酸（分子）水平——絕大多數(shù)生物：雙鏈DNA構(gòu)造部分病毒：單鏈DNA或RNA125、基因水平——含有決定某些遺傳性狀，且具自主復(fù)制能力的遺傳功效單位（一種含有特定核苷酸次序的核酸片段——遺傳的功效單位）6、密碼子水平——核酸鏈上各個核苷酸的特定排列次序。每個密碼子由三個核苷酸次序所決定的（遺傳的信息單位）。7、核苷酸水平——即堿基水平（一種最低突變單位或交換單位）：絕大多數(shù)只含腺苷酸（AMP）——腺嘌呤A、胸苷酸（TMP）——胸腺嘧啶T、鳥苷酸（GMP）——鳥嘌呤G、胞苷酸（CMP）——胞嘧啶C，有的有例外，含有某些稀有堿基。13（三）質(zhì)粒（原核生物含有）質(zhì)粒是細菌染色體外的遺傳物質(zhì)，是環(huán)狀閉合的雙鏈DNA。幾個重要的質(zhì)粒致育質(zhì)粒（F質(zhì)粒）耐藥質(zhì)粒毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒）細菌素質(zhì)粒代謝質(zhì)粒14質(zhì)粒的特性自我復(fù)制能力，為復(fù)制子，單拷貝或多拷貝緊密型質(zhì)粒：復(fù)制與核染色體的復(fù)制同時松弛型質(zhì)粒：復(fù)制與核染色體的復(fù)制不同時編碼產(chǎn)物賦予細菌某些性狀特性可自行丟失與消除：不影響細菌活性重組功效：可在質(zhì)粒與質(zhì)粒間及質(zhì)粒與核染色體間發(fā)生重組15二、微生物的基因突變基因突變：簡稱突變，是變異的一種，指生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的分子構(gòu)造（核苷酸次序）忽然發(fā)生的可遺傳的變化。突變幾率普通在10-5~10-9范疇內(nèi)。161.基因突變的類型

按突變體表型特性,可把突變分成下列幾個類型:

營養(yǎng)缺點突變型：一種缺少合成其生存所必須的營養(yǎng)物的突變型，只有從周邊環(huán)境或培養(yǎng)基中獲得這些營養(yǎng)或其前體物才干生長。形態(tài)突變型：抗性突變型：抗原突變型：其它突變性：毒力、糖發(fā)酵力、代謝產(chǎn)物等。條件致死突變型：在某一條件下含有致死效應(yīng)，而在另一條件下沒有致死效應(yīng)的突變型。

172、基因突變的特點自發(fā)性：在沒有任何人為的誘變因素的作用下自發(fā)產(chǎn)生。不對應(yīng)性：突變的發(fā)生與環(huán)境因子無對應(yīng)性。稀有性：自發(fā)突變的頻率(突變率)很低，普通在10-6～10-9。獨立性：引發(fā)多個性狀變化的基因突變彼此是獨立的，可誘變性：通過理化因子等誘變劑的誘變作用可提高自發(fā)突變的頻率，但不變化突變的本質(zhì)。遺傳和回復(fù)性：突變是遺傳物質(zhì)構(gòu)造的變化，因此是能夠穩(wěn)定遺傳的。但同樣的因素也能夠造成突變的回復(fù)，使表型回復(fù)到野生型狀態(tài)。183、發(fā)生基因突變的因素誘變（人為物理、化學、生物辦法）自然突變19突變機制：堿基的置換移碼突變?nèi)旧w畸變20214、基因突變理論的應(yīng)用A、自發(fā)突變與定向哺育定向哺育：特定環(huán)境下長久解決某一微生物培養(yǎng)物，同時不停移種傳代，以達成積累和選擇適宜的自發(fā)突變體的古老育種辦法?？ń槊纾悍–almette;Guerin牛型結(jié)核分支桿菌持續(xù)傳代230代，經(jīng)23年于1923年獲得的明顯減毒的菌株。炭疽桿菌：Pasteur從污水中分離轉(zhuǎn)化污染物的微生物從污染噬菌體的發(fā)酵液中分離抗噬菌體菌株22B、誘變育種運用理化誘變劑解決均勻分散的微生物細胞群增進其突變率大幅度提高；然后采用簡便、快速、高效篩選辦法從中篩選少數(shù)符合育種目的的突變株以供生產(chǎn)和科研用。物理誘變劑：UV、x-ray、α、激光化學誘變劑：烷化劑：亞硝基胍（NTG）、氮芥等亞硝酸：使堿基氧化脫氨基羥胺：作用于G，使修飾后與A配對堿基類似物：5-BU，5-FU，8-NG，2-AP移碼突變的誘變劑：丫啶橙鑲?cè)雺A基23三、微生物的基因重組

基因轉(zhuǎn)移外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入某受體菌細胞的過程稱為基因轉(zhuǎn)移。重組轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起稱為重組，使受體菌獲得供體菌的某些性狀。在基因重組時，不發(fā)生任何堿基對構(gòu)造上的變化。重組是分子水平上的一種概念，能夠理解為是遺傳物質(zhì)分子水平上的雜交，普通所說的雜交是細胞水平上的概念。基因重組是雜交育種的理論基礎(chǔ)，細胞雜交中必然包含著基因重組。24基因重組普通過程1——交換________________________________________________crossover_______________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________25基因重組的普通過程2——整合

26（一）原核微生物的基因重組轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)導(dǎo)溶原轉(zhuǎn)變接合271、轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化：同源或異源的游離DNA分子(質(zhì)粒和染色體DNA)被自然或人工感受態(tài)細胞攝取,并得到體現(xiàn)（把它整合到自己的基因組中，從而獲得供體菌的部分遺傳性狀）的水平方向的基因轉(zhuǎn)移過程。含有攝取外源DNA能力的細胞稱為感受態(tài)細胞；轉(zhuǎn)化后的受菌體稱為轉(zhuǎn)化子，供體菌的DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子。28轉(zhuǎn)化過程示意圖：292、轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過完全缺點或部分缺點噬菌體為媒介，把供體細胞的DNA片段攜帶到受體細胞中，通過交換與整合，使受體菌獲得供體菌部分遺傳性狀的現(xiàn)象。獲得新遺傳性狀的受體細胞稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)子。30普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)：-噬菌體可誤包供體菌中的任何基因(涉及質(zhì)粒),并使受體菌實現(xiàn)多個性狀的轉(zhuǎn)導(dǎo),此即普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。31轉(zhuǎn)導(dǎo)32局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過部分缺點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,并獲得體現(xiàn)的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。33特點：a：只能轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌的個別特定基因（普通為噬菌體整合位點兩側(cè)的基因）b：該特定基因由部分缺點噬菌體攜帶c：缺點噬菌體是由于在其形成過程中所發(fā)生的低頻率“誤切”343、溶原轉(zhuǎn)變溫和噬菌體的核酸整合到敏感細菌上使其溶原化的同時受體細胞獲得了新的遺傳性狀。

35噬菌體侵染方式裂菌循環(huán)溶原循環(huán)噬菌體整合到細菌染色體中溶原型噬蓖體抗再次感染菌體裂解后噬菌體釋放出來誘導(dǎo)進入裂菌循環(huán)釋放噬菌體36溶原轉(zhuǎn)變與轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別：

溶原轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)導(dǎo)與否攜帶供體菌基因否是溫和噬菌體與否完整是否獲得新性狀的細胞溶原化的宿主細胞轉(zhuǎn)導(dǎo)子新形狀的穩(wěn)定性穩(wěn)定可隨噬菌體消失而消失374、接合供體菌（“雄”）通過其性菌毛與受體菌（“雌”）相接觸，前者傳遞不同長度的單鏈DNA(重要質(zhì)粒DNA)給后者，并在后者細胞中進行雙鏈化或進一步與核染色體發(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。通過接合而獲得新性狀的受體細胞稱為結(jié)合子。在細菌和放線菌中存在著接合現(xiàn)象。38含有F因子的細胞:“雄性”菌株(F+),其細胞表面有性菌毛;不含F(xiàn)因子的細胞:“雌性”菌株(F-),細胞表面沒有性菌毛39a)F-菌株,不含F(xiàn)因子,沒有性菌毛,可通過接合作用接受F因子而變成雄性菌株(F+);b)F+菌株,F因子獨立存在,細胞表面有性菌毛;c)Hfr菌株,F因子插入到染色體DNA上,細胞表面有性菌毛。d)F＇菌株,Hfr菌株內(nèi)的F因子因不正常切割而脫離染色體時,形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F因子,特稱為F′因子.細胞表面同樣有性菌毛。40F+F-F+F-F+F+F+F+F+×F-結(jié)合——質(zhì)粒復(fù)制F+菌株的F因子向F-細胞轉(zhuǎn)移,但含F(xiàn)因子的宿主細胞的染色體DNA普通不被轉(zhuǎn)移.結(jié)合的成果:供體細胞和受體細胞均成為F+細胞.41HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-Hfr×F-結(jié)合——與核整合，受體菌仍然是F-42

特點：

(１)形成“部分合子”：傳遞的只是部分染色體而不是整套染色體組。在部分合子形成過程中提供整套染色體組的細胞稱為受體細胞；提供部分染色體組的細胞稱為供體細胞。

(２)并非普遍現(xiàn)象，而是“偶然”發(fā)生的，幾率小。43（二）真核微生物的基因重組有性雜交準性雜交原生質(zhì)體融合441、有性雜交雜交是在細胞水平上發(fā)生的一種遺傳重組方式。有性雜交是指在微生物的有性繁殖過程中，兩個性細胞互相接合，通過質(zhì)配、核配后形成雙倍體的合子，隨之合子進行減數(shù)分裂，部分染色體可能發(fā)生交換而進行隨機分派，由此而產(chǎn)生重組染色體及新的遺傳型，并把遺傳性狀按一定的規(guī)律性遺傳給后裔的過程。能產(chǎn)生有性孢子的酵母菌和霉菌，都可進行有性雜交。4546472、準性雜交指一種類似于有性生殖但比它更為原始的一種生殖方式。它能夠通過兩個不同來源的體細胞經(jīng)融合后，不通過減數(shù)分裂而造成低頻率的基因重組。常見與某些真菌，特別是半知菌中。特點：⑴重組體細胞在形態(tài)生理上與營養(yǎng)體細胞沒有不同，并且不產(chǎn)生在特殊囊器中。⑵雖造成基因重組，但染色體交換和染色體減少是不規(guī)則和不協(xié)調(diào)的。過程48菌絲連接——異核體形成——核配——體細胞交換和單倍體化49四、微生物的菌種選育*從自然界分離篩選菌種自然選育從生產(chǎn)中選育定向培養(yǎng)優(yōu)良品種：用某一特定因素長久解決*誘變育種雜交育種：體內(nèi)基因重組*原生質(zhì)體融合（細胞融合）*基因工程50

（一）從自然界分離篩選菌種采樣——增殖——純種分離——純培養(yǎng)——生產(chǎn)性能測定菌種的分離和篩選普通按以下環(huán)節(jié)進行：51調(diào)查研究及查閱資料

設(shè)計實驗方案擬定采集樣品的生態(tài)環(huán)境采樣擬定特定的增殖條件增殖培養(yǎng)擬定特殊的選擇培養(yǎng)基和定性、定量檢測法平板分離

原種斜面擬定發(fā)酵培養(yǎng)基礎(chǔ)條件篩選：初選

復(fù)選結(jié)合初步工藝條件探索再復(fù)選

單珠純種分離

測試（生產(chǎn)性能、毒性實驗、菌種鑒定）52（二）微生物的誘變育種誘變育種：指運用物理或化學誘變劑解決均勻而分散的微生物細胞群，增進其突變率明顯提高。然后采用簡便、快速和高效的篩選辦法，從中挑選少數(shù)符合育種目的的突變株，以供生產(chǎn)實踐或科學研究之用。53誘變育種的原則挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株

①單倍體純種——多核體產(chǎn)生不純菌落②優(yōu)良性狀的菌株——生長速度快、營養(yǎng)規(guī)定低、產(chǎn)孢子早而多等③對誘變劑敏感的菌株④已通過誘變的菌株——多步育種54解決單孢子(或單細胞)懸液-分散狀態(tài)的細胞能夠均勻地接觸誘變劑，又可避免長出不純菌落。選擇簡便有效、最適劑量的誘變劑運用復(fù)合解決的協(xié)同效應(yīng)-

55（三）原生質(zhì)體融合（細胞融合）原生質(zhì)體融合就是將兩個脫去細胞壁的親株互相凝集，通過細胞質(zhì)融合，接著發(fā)生兩套基因組之間的接觸、交換，從而發(fā)生基因組的遺傳重組，就能夠在再生細胞中獲得重組體。

56特點：雜交頻率較高-受接合型或致育性的限制較小重組體種類較多-

遺傳物質(zhì)的傳遞更為完整-

可獲得性狀優(yōu)良的重組體可提高育種效率-

可采用產(chǎn)量性狀較高的菌株作為融合親株

57原生質(zhì)體融合基本過程示意圖

58（四）基因工程育種遺傳工程是將某種生物的基因(DNA片段)轉(zhuǎn)移到另一生物的細胞中去,通過其復(fù)制以及體現(xiàn),使該生物獲得新的遺傳性狀。遺傳工程狹義——基因工程廣義——細胞工程、染色體工程、細胞器工程等59基因工程又稱重組DNA技術(shù),是在基因水平上的遺傳工程，它是用人工的辦法將所需要的某外源DNA提取出來，在離體條件下適宜的工具酶進行切割后，把它作為載體的DNA分子連接起來，然后與載體一起導(dǎo)入某一更易生長繁殖的受體細胞中，以讓外源DNA在其中“安家落戶”，進行正常的復(fù)制和體現(xiàn)，從而獲得新物種的一種嶄新的技育種術(shù)。60特點：自覺的、人工的、離體的、分子水平上的重組DNA技術(shù)打破了物種的界限,突破了親緣關(guān)系的限制可進行定向變異和育種可發(fā)明出自然界中原本沒有的生物高效率——比自然進化的速度提高一億至十億倍61基因工程的基本操作：目的基因的獲得選擇載體目的基因與載體DNA的體外重組重組載體引入受體細胞篩選、繁殖

6263基因工程的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景工業(yè)：基因工程菌的開發(fā)研究（多個產(chǎn)品——抗菌素、激素、氨基酸、有機酸、多糖等）農(nóng)業(yè)：固氮、改良品種（多個轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品）醫(yī)藥：運用基因工程技術(shù)治療某些遺傳?。ㄐ拚惓；颉谔剿鳎┉h(huán)保：制造解毒微生物642007-6-18

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五、菌種保藏一、菌種退化及復(fù)壯1、菌種退化（Degeneration）生產(chǎn)菌株的負向突變。體現(xiàn)性狀：細胞和菌落形態(tài)變化、生長速度、產(chǎn)孢子能力、產(chǎn)酶能力、發(fā)酵產(chǎn)物、寄生能力、抗性等。因素：基因突變分離現(xiàn)象652、復(fù)壯：狹義：通過純種分離和性能測定等辦法從已發(fā)生衰退后的菌種群體中找到尚未衰退的少數(shù)個體加以純化，以恢復(fù)該菌原有的典型形狀。是一種消極方法。廣義：在菌種生產(chǎn)性能尚未衰退前就經(jīng)常故意識的進行純種分離工作以期使生產(chǎn)性能逐步有所提高。是一種運用正向突變不停進行選種的工作。663、復(fù)壯辦法：A．純種分離B．通過寄主體進行復(fù)壯：接種到對應(yīng)的寄主體內(nèi)，通過寄主體的作用提高菌株活性。如長久人工繁殖的殺螟桿菌毒力減退，殺蟲率減低，可用退化的菌株感染青蟲的幼蟲，再從死蟲中分離毒力教強的菌株。C．裁減已衰退的個體。用理化因素解決殺死生活力不強的個體，剩余強健的個體。D.誘變：如高劑量的紫外線和低劑量的化學誘變劑（NTG等）聯(lián)合解決。674、避免衰退的辦法：控制傳代次數(shù)；發(fā)明良好的培養(yǎng)條件；對菌種進行有效的保藏；運用