微生物的遗传变异与育种

1、第六章第六章 微生物的遗传变异与育种微生物的遗传变异与育种 18831889年间，Weissmann提出种质连续理论，认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物特定分子结构的化合物。 20世纪初，发现了染色体并提出了基因学说，使遗传物质基础的范围缩小到染色体上，并证明染色体是由核酸和蛋染色体是由核酸和蛋白质组成的。白质组成的。 1944年后，连续利用微生物这一有利的实验对象进行了3个著名的实验，并证实核酸尤其是DNA才是遗传变异的真正才是遗传变异的真正物质基础。物质基础。 围绕遗传变异有无物质基础以及何种物质可承担遗传变异围绕遗传变异有无物质基础以及何种物质可承担遗传变异功能的问题，曾有过种种

2、推测和争论。功能的问题，曾有过种种推测和争论。1.经典转化实验经典转化实验2.噬菌体感染实验噬菌体感染实验3.植物病毒的拆分和重建实验植物病毒的拆分和重建实验（1）细胞水平）细胞水平 从细胞水平看，不论是真核微生物还是原核微生物，它们的从细胞水平看，不论是真核微生物还是原核微生物，它们的大部分或几乎全部大部分或几乎全部DNA都集中在细胞核或核质体中。都集中在细胞核或核质体中。 这里从七个水平来讨论遗传物质在细胞中存在的部位和这里从七个水平来讨论遗传物质在细胞中存在的部位和方式。方式。1七个水平七个水平（2）细胞核水平）细胞核水平 真核生物的细胞核有核膜包裹，形成有固定形态的真核，核真核生物的细

3、胞核有核膜包裹，形成有固定形态的真核，核内的内的DNA与组蛋白结合在一起，形成在显微镜下可见的染色体即与组蛋白结合在一起，形成在显微镜下可见的染色体即基因组；而原核生物的细胞核没有核膜包裹，呈松散无定形的核基因组；而原核生物的细胞核没有核膜包裹，呈松散无定形的核质体状态存在，这种核基因的质体状态存在，这种核基因的DNA不与任何蛋白质相结合。不与任何蛋白质相结合。（3）染色体水平）染色体水平 在不同的生物体的每个细胞核内，往往有不同数目的染色体。在不同的生物体的每个细胞核内，往往有不同数目的染色体。真核微生物常有较多的染色体，而在原核生物中，每一个核质体真核微生物常有较多的染色体，而在原核生物中

4、，每一个核质体只是由一个裸露的、光学显微镜下无法看到的环状染色体所组成。只是由一个裸露的、光学显微镜下无法看到的环状染色体所组成。如人类染色体数如人类染色体数23，水稻，水稻12，大肠杆菌，大肠杆菌1。（4）核酸水平）核酸水平 绝大多数生物的遗传物质是绝大多数生物的遗传物质是DNA，只有部分病毒的遗传物质，只有部分病毒的遗传物质才是才是RNA。在核酸的结构上，绝大多数微生物的。在核酸的结构上，绝大多数微生物的DNA是双链的，是双链的，只有少数病毒的核酸为单链结构。只有少数病毒的核酸为单链结构。 此外，同是双链此外，同是双链DNA，其存在状态，其存在状态也有不同：在原核生物中都呈环状；在也有不同

5、：在原核生物中都呈环状；在病毒粒子中有呈环状或线状的；在细菌病毒粒子中有呈环状或线状的；在细菌质粒中，质粒中，DNA是呈超螺旋状的。是呈超螺旋状的。（5）基因水平）基因水平 在生物体内，一切具有自主复制能力的遗传功能单位，都可称在生物体内，一切具有自主复制能力的遗传功能单位，都可称为基因。基因的物质基础是一个有特定核苷酸顺序的核酸片段。为基因。基因的物质基础是一个有特定核苷酸顺序的核酸片段。原核生物的基因是通过组成以下的调控系统而发挥作用的：原核生物的基因是通过组成以下的调控系统而发挥作用的： 启动基因 操纵子 操纵基因 基因调控系统 结构基因 调节基因（6）密码子水平）密码子水平 遗传密码就

6、是指遗传密码就是指DNA链上各个核苷酸的特定排列顺序。每个链上各个核苷酸的特定排列顺序。每个密码子是由三个核苷酸顺序所决定的，它是负载遗传信息的基本密码子是由三个核苷酸顺序所决定的，它是负载遗传信息的基本单位。把单位。把DNA上的遗传信息转移到上的遗传信息转移到mRNA分子上去，形成一条与分子上去，形成一条与DNA碱基顺序互补的碱基顺序互补的mRNA ，这个过程叫做转录。，这个过程叫做转录。（7）核苷酸水平）核苷酸水平 核苷酸水平是一个最低突变单位或交换单位。在绝大多数生核苷酸水平是一个最低突变单位或交换单位。在绝大多数生物的物的DNA组分中，都只含腺苷酸（组分中，都只含腺苷酸（AMP）、胸苷

7、酸（）、胸苷酸（TMP）、鸟）、鸟苷酸（苷酸（GMP）和胞苷酸（）和胞苷酸（CMP）4种脱氧核苷酸。但也有少数例种脱氧核苷酸。但也有少数例外，它们含有一些稀有碱基。外，它们含有一些稀有碱基。1.1.突变的类型突变的类型2. 突变率突变率3. 突变的特点突变的特点4. 基因突变的自发性和不对应性的证明基因突变的自发性和不对应性的证明5. 基因突变的机制基因突变的机制6. 紫外线对紫外线对DNA的损伤及其修复的损伤及其修复：基因突变简称突变，泛指细胞内（或病毒粒子内）遗传物基因突变简称突变，泛指细胞内（或病毒粒子内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。质的分子结构或数量突然发生的可遗传

8、的变化。突变株突变株的表型的表型选择性突变株选择性突变株非选择性突变株非选择性突变株营养缺陷型营养缺陷型抗性突变型抗性突变型条件致死突变型条件致死突变型形态突变型形态突变型抗原突变型抗原突变型产量突变型产量突变型1.突变的类型突变的类型（1）营养缺陷型（）营养缺陷型（auxotroph） 定义：定义：野生型菌株由于发生基因突变而丧失了某种（或某些）酶，随之失去了合成某种（或某些）生长因子（如碱基、维生素或氨基酸）的能力，因而成为必须从培养基或周围环境中获得这些生长因子才能正常生长繁殖的菌株。表型判断的标准表型判断的标准在选择培养基在选择培养基上能否生长上能否生长不生长不生长负选择标记负选择标记

9、 由于基因突变而使原始菌株产生了对某种化学药物或致死物理由于基因突变而使原始菌株产生了对某种化学药物或致死物理因子抗性的变异类性。它们可在加有相应药物或用相应物理因子处因子抗性的变异类性。它们可在加有相应药物或用相应物理因子处理的培养基平板上选出。抗性突变型普遍存在，例如对各种抗生素理的培养基平板上选出。抗性突变型普遍存在，例如对各种抗生素的抗药性菌株等。的抗药性菌株等。（2 2）抗性突变型（）抗性突变型（resistant mutantresistant mutant）（3 3）条件致死突变型（）条件致死突变型（conditional lethal mutantconditional let

10、hal mutant） 某菌株或病毒经基因突变后，在某一条件下可正常地生长、繁某菌株或病毒经基因突变后，在某一条件下可正常地生长、繁殖并实现其表型，而在另一条件下却无法生长、繁殖的突变类型。殖并实现其表型，而在另一条件下却无法生长、繁殖的突变类型。 常用的条件致死突变是温度敏感突变，用Ts表示，如某些大肠杆菌在37能正常生长，却不能42下生长。 指由于突变而产生的个体或菌落形态所发生的非选择性变异。指由于突变而产生的个体或菌落形态所发生的非选择性变异。特点：特点：突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。区分。（非选择性突变）（非选择

11、性突变）举例举例1：产蛋白酶缺陷突变株的筛选产蛋白酶缺陷突变株的筛选（4 4）形态突变型（）形态突变型（morphological mutantmorphological mutant） 指由于基因突变而引起的抗原结构发生的变异类型。具体类指由于基因突变而引起的抗原结构发生的变异类型。具体类型很多，包括细胞壁缺陷变异、荚膜变异或鞭毛变异等。型很多，包括细胞壁缺陷变异、荚膜变异或鞭毛变异等。 通过基因突变而获得的在有用代谢产通过基因突变而获得的在有用代谢产物上高于原始菌株的突变株。这类突变在物上高于原始菌株的突变株。这类突变在生产实践上异常重要。生产实践上异常重要。（5 5）抗原突变型（）抗原突

12、变型（antigenic mutantantigenic mutant）（6 6）产量突变型）产量突变型 每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率，称突每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率，称突 变率。变率。3.突变的特点突变的特点（5）诱变性）诱变性（6）稳定性）稳定性（7）可逆性）可逆性（1）自发性）自发性（2）不对应性）不对应性（3）稀有性）稀有性（4）独立性）独立性2.突变率突变率 突变一般是独立发生的。某一基因发生突变不会影突变一般是独立发生的。某一基因发生突变不会影响其他基因的突变率。响其他基因的突变率。 基因突变的原因是多种多样的，它可以是自发的或诱发的，各基因突变的原因

13、是多种多样的，它可以是自发的或诱发的，各种具体类型概括如下：种具体类型概括如下：突变5.基因突变的机制基因突变的机制它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。置换置换转换：转换：DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶 被另一个嘧啶所置换。被另一个嘧啶所置换。颠换：一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌颠换：一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌 呤所置换。呤所置换。（1）诱发突变机制）诱发突变机制 指诱变剂使指诱变剂使DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添或缺分子中的一个或少数几个核苷酸的增添或缺失，从而使该部

14、位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。类突变。b.移码突变移码突变 a.碱基的置换：碱基的置换：诱发突变：是指由于理化因子的刺激使微生物的性状发生 了可遗传的变化。c.染色体畸变染色体畸变 某些理化因子，如某些理化因子，如X射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起染色体畸变，包括染色体结构上的缺能引起点突变外，还会引起染色体畸变，包括染色体结构上的缺失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化。失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化。倒位：指断下来的一段

15、染色体旋转180后，重新插入到原 来染色体的位置上，从而使其基因顺序与其他的 基因顺序相反。易位：指断下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入到 同一条染色体的其他部位上。a.射线和环境因素的诱变效应。射线和环境因素的诱变效应。b.微生物自身有害代谢产物的诱变效应。微生物自身有害代谢产物的诱变效应。H2O2,酸，碱等c.互变异构效应。互变异构效应。酮式变为烯醇式过程中d.环出效应。环出效应。即环状突变效应（2）自发突变机制）自发突变机制 指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。绝不意指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。绝不意味着这种突变没有诱变原因。味着这种突变没有诱变原因。（1）光复活作用）

16、光复活作用 （2）暗修复作用）暗修复作用 6.紫外线对紫外线对DNA的损伤及其修复的损伤及其修复 （重点理解一下） 凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移的一起，经过遗传凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移的一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传个体的方式，称为遗传重组。分子间的重新组合，形成新遗传个体的方式，称为遗传重组。真核生物：真核生物：有性杂交、准性杂交。有性杂交、准性杂交。原核生物：原核生物：转化、转导、接合、原生质体融合和溶源转变。转化、转导、接合、原生质体融合和溶源转变。 在原核微生物中，基因重组的方式主要有在原核微生物中，基因重组的方式主要有转化、转导、接合和转化、转导、接合

17、和原生质体融合原生质体融合几种形式。几种形式。1.转化（转化（transformation） 受体菌直接吸收了来自供体菌的受体菌直接吸收了来自供体菌的DNA片段，通过交换，把它片段，通过交换，把它组合到自己的基因组中，从而获得了供体菌的部分遗传性状的现组合到自己的基因组中，从而获得了供体菌的部分遗传性状的现象，称为转化。象，称为转化。 转化子：转化后的受体菌 感受态：能进行转化的受体细胞必须处于感受态，即受体细胞最易接受外 源DNA片段并实现其转化的一种生理状态。枯草芽孢杆菌的自然转化过程（革兰氏阳枯草芽孢杆菌的自然转化过程（革兰氏阳性菌的转化模型）性菌的转化模型） 先从供体菌提取先从供体菌提

18、取DNA片段，接着片段，接着DNA片段与感受态受体菌片段与感受态受体菌的细胞表面特定位点结合，在结合位点上，的细胞表面特定位点结合，在结合位点上，DNA片段中的一条片段中的一条单链逐步降解为核苷酸和无机磷酸而解体，另一条链进入受体单链逐步降解为核苷酸和无机磷酸而解体，另一条链进入受体细胞，这是一个消耗能量的过程；细胞，这是一个消耗能量的过程；转化过程：转化过程： 当细胞分裂时，此染色体发生分离，形成一个转化子；当细胞分裂时，此染色体发生分离，形成一个转化子； 进入受体细胞的进入受体细胞的DNA单链与受体菌染色体组上同源区段配对，单链与受体菌染色体组上同源区段配对，而受体菌染色体组的相应单链片段

19、被切除，并被进入受体细胞而受体菌染色体组的相应单链片段被切除，并被进入受体细胞的单链的单链DNA所取代，随后修复合成，连接成部分杂合双链所取代，随后修复合成，连接成部分杂合双链 然后受体菌染色体进行复制，其中杂合区段被分离成然后受体菌染色体进行复制，其中杂合区段被分离成2个，个，一个类似供体菌，另一个类似受体菌；一个类似供体菌，另一个类似受体菌； 通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的DNA小片段携带到受体细胞中，通过交换和整合，从而使后者获得前小片段携带到受体细胞中，通过交换和整合，从而使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为者部分遗传

20、性状的现象，称为转导转导。获得新遗传性状的受体细胞，。获得新遗传性状的受体细胞，就称就称转导子转导子。2.2.转导转导(transduction)(transduction)细菌转导的二种类型细菌转导的二种类型普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导（1）普遍性转导）普遍性转导 通过完全缺陷噬菌体对供体菌任何通过完全缺陷噬菌体对供体菌任何DNA小片段的小片段的“误包误包”，而实现其遗传性状传递至受体菌的转导现象，称为而实现其遗传性状传递至受体菌的转导现象，称为普遍性转导普遍性转导。 指通过部分缺陷的温和噬菌体的指通过部分缺陷的温和噬菌体的“误切误切”，把供体菌的少数，把供体菌的少数特定基因携带

21、到受体菌中，并获得表达的转导现象。特定基因携带到受体菌中，并获得表达的转导现象。（2）局限性转导）局限性转导特点：特点： 只能转导供体菌的个别特定基因；只能转导供体菌的个别特定基因； 该特定基因由部分缺陷的噬菌体携带；该特定基因由部分缺陷的噬菌体携带； 缺陷噬菌体是由于其在形成过程中所发生的低频率缺陷噬菌体是由于其在形成过程中所发生的低频率“误切误切”， 或由于双重溶原菌的裂解而形成，而后一情况下可以形成或由于双重溶原菌的裂解而形成，而后一情况下可以形成 50%缺陷噬菌体；缺陷噬菌体；温和噬菌体感染整合到细菌染色体的特定位点上宿主细胞发生溶源化溶源菌因诱导而发生裂解时，在前噬菌体二侧的少数宿主

22、基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体DNA上。部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中误切误切3.3.接合接合(conjugation)(conjugation) 供体菌（雄性）通过性菌毛供体菌（雄性）通过性菌毛与受体菌（雌性）直接接触，将与受体菌（雌性）直接接触，将F质粒或其携带的不同长度的核质粒或其携带的不同长度的核基因片断传递给后者，使后者获基因片断传递给后者，使后者获得若干新遗传性状的现象，称为得若干新遗传性状的现象，称为接合。接合。 含有F因子的细胞：“雄性”菌株（F+），其细胞表面有性菌毛不含F因子的细胞：“雌性”菌株（F-），细胞表面没有性菌毛在细菌中，接合现象

23、研究得最清楚的是大肠杆菌的接合 F+（雄性）菌株（雄性）菌株 F- （雌性）菌株（雌性）菌株 Hfr( 高频重组高频重组)菌株。菌株。 F菌株。菌株。 根据根据F因子在细胞中的有无因子在细胞中的有无和存在方式的不同，可把大肠和存在方式的不同，可把大肠杆菌分成杆菌分成4种接合型菌株。种接合型菌株。 定义：定义：将遗传性状不同的两个细胞的原生质体通过人工方法将遗传性状不同的两个细胞的原生质体通过人工方法进行融合，借已获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程，称进行融合，借已获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程，称为原生质体融合。为原生质体融合。4.原生质体融合原生质体融合助融剂，聚乙二醇 在真核微

24、生物中，基因重组主要有有性杂交、准性杂交、在真核微生物中，基因重组主要有有性杂交、准性杂交、原生质体融合和遗传转化等。原生质体融合和遗传转化等。1.有性杂交有性杂交有性杂交，一般指性细胞间的结合和随之发生的染色体重组，有性杂交，一般指性细胞间的结合和随之发生的染色体重组，并产生新遗传型后代的一种育种技术。并产生新遗传型后代的一种育种技术。凡是能产生有性孢子的酵母菌和霉菌，都能进行有性杂交。凡是能产生有性孢子的酵母菌和霉菌，都能进行有性杂交。生产实践上利用有性杂交培育优良品种的例子很多，例如，生产实践上利用有性杂交培育优良品种的例子很多，例如，把用于把用于酒精发酵的酵母和用于面包发酵的酵母两者杂

25、交，就酒精发酵的酵母和用于面包发酵的酵母两者杂交，就得到了既能生产酒精，有对麦芽糖和葡萄糖有很强发酵能力得到了既能生产酒精，有对麦芽糖和葡萄糖有很强发酵能力的新菌株。的新菌株。2.准性生殖准性生殖 准性生殖是一种类似于有性生殖，但比它更为原始的准性生殖是一种类似于有性生殖，但比它更为原始的一种生殖方式，它可使同种生物两个不同菌株的体细胞发一种生殖方式，它可使同种生物两个不同菌株的体细胞发生融合，且不以减数分裂的方式而导致低频率的基因重组生融合，且不以减数分裂的方式而导致低频率的基因重组并产生重组子。并产生重组子。 准性生殖常见于某些真菌，尤其是半知菌中。其主要准性生殖常见于某些真菌，尤其是半知

26、菌中。其主要过程为：过程为：（1）菌丝联结）菌丝联结（2）形成异核体）形成异核体（3）核融合或核配）核融合或核配（4）体细胞交换和单倍体化）体细胞交换和单倍体化1.自发突变与育种自发突变与育种（1）从生产中选育：）从生产中选育：10-6，工作经验等。（2）定向培育优良品种：）定向培育优良品种：在自发突变基础上，费时费力，效果难预测， 被淘汰等。是指利用物理或化学诱变剂处理均匀而分散的微生物细是指利用物理或化学诱变剂处理均匀而分散的微生物细 胞群，促进其突变率显著提高，然后采用简便、快速和胞群，促进其突变率显著提高，然后采用简便、快速和 高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的菌株，高效的筛选

27、方法，从中挑选少数符合育种目的的菌株， 以供生产实践或科学实验之用。以供生产实践或科学实验之用。2.诱变育种诱变育种基本程序基本程序 挑选优良的出发菌种；挑选优良的出发菌种； 单孢子（或单细胞）悬浮液的制备；单孢子（或单细胞）悬浮液的制备； 选择简便有效的诱变剂；选择简便有效的诱变剂； 确定合适的诱变剂量；确定合适的诱变剂量； 充分利用复合处理的协同效应；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；利用和创造形态、生理与产量间的相关指标； 设计或采用高效筛选方案。设计或采用高效筛选方案。创造新型的筛选方法。创造新型的筛选方法。（2）诱变育种工作中应考虑的原则）诱变育种

28、工作中应考虑的原则A 、基本培养基、基本培养基(MM) 与基础培养基不同与基础培养基不同 仅能满足某微生物的野生型菌株生长需要的最低成分组合培仅能满足某微生物的野生型菌株生长需要的最低成分组合培养基，称基本培养基。养基，称基本培养基。B 、完全培养基、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或半组合培养凡可满足一切营养缺陷型菌株营养需要的天然或半组合培养基，可称为完全培养基。基，可称为完全培养基。C 、补充培养基、补充培养基(SM) 凡只能满足相应的营养缺陷型生长需要的组合培养基，称为凡只能满足相应的营养缺陷型生长需要的组合培养基，称为补充培养基。补充培养基。（3）营养缺陷型突变株的筛选）营养缺陷型突变株的筛选与筛选营养缺陷型突变株有关的三类培养基与筛选营养缺陷型突变株有关的三类培养基A 、野生型：、野生型： 从自然界分离到的任何微生物在其发生营养突变前的原始菌从自然界分离到的任何微生物在其发生营养突变前的原始菌株，均称该微生物的野生型。株，均称该微生物的野生型。 野生型菌株能在其相应的野生型菌株能在其相应的基本培养基上生长基本培养基上生长。B 、营养缺陷型：、营养缺陷型： 一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素、一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获