第五章 微生物的遗传变异与菌种选育

第5章微生物的遗传变异与菌种选育遗传与变异的概念遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同性状的遗传信息。特点：具稳定性。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；------是一种内在可能性或潜力。

遗传型+环境条件表型表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;------是一种现实存在，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。代谢发育变异(variation):

生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。

变异的特点：a.在群体中以极低的几率出现，（一般为10-6～10-10）；b.性状变化的幅度大；c.变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。饰变（modification）：指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。

特点是：a.几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化；b.性状变化的幅度小；c.因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。例如：粘质沙雷氏菌：在25℃下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37℃下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25℃，又恢复产色素的能力。1微生物遗传变异的物质基础

证明核酸是遗传变异物质基础的三个经典实验

肺炎双球菌的转化实验噬菌体的感染实验烟草花叶病毒的拆开与重组实验

1928年，Griffith进行了以下几组实验：（1）动物实验

对小鼠注射活RII菌或死SIII菌————小鼠存活

对小鼠注射活SIII菌————————小鼠死亡

对小鼠注射活RII菌和热死SIII菌———小鼠死亡

抽取心血 分离

活的SIII菌（一）经典转化实验（transformation）：F.Griffith，研究对象：Streptococcuspneumoniae（肺炎双球菌）SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性（2）细菌培养实验（3）S型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。热死SIII菌—————不生长

活RII菌—————长出RII菌

热死SIII菌—————长出大量RII菌和10-6SIII菌活R菌+S菌无细胞抽提液——长出大量R菌和少量S菌+活RII菌平皿培养①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白质⑥加S菌的荚膜多糖活R菌长出S菌只有R菌1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从热死S型S.pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。（二）噬菌体感染实验A.D.Hershey和M.Chase，1952年（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中10分钟后用捣碎器使空壳脱离吸附离心沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体上清液中含15%放射性沉淀中含85%放射性沉淀中含25%放射性以32S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验（2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中10分钟后用捣碎器使空壳脱离吸附离心沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体上清液中含75%放射性（三）烟草花叶病毒的拆开与重建实验为了证明核酸是遗传物质，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。DNA的结构与复制DNA的结构碱基组成：

腺嘌呤（A）参与DNA组成鸟嘌呤（G）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）碱基配对：A与TC与GDNA双螺旋结构⑴DNA分子是由两条链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构⑵DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧⑶两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，并且碱基的配对有一定的规律：A(腺嘌呤)一定与T(胸腺嘧啶)配对；G(鸟嘌呤)一定与C(胞嘧啶)配对。DNA的复制半保留复制DNA分子中的2条多核苷酸之间的氢键断裂，双螺旋解旋和分开，每条链分别作为模板合成新链，产生互补的2条链。这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基排列顺序完全一样。在此过程中，每个子代分子的一条多核苷酸链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，又以氢键连接成新的双螺旋结构。RNAtRNA——转移RNArRNA——核糖体RNAmRNA——信使RNA反义RNA遗传物质的存在形式7个水平1、细胞水平：遗传物质集中在细胞核或核区细胞核及核区的数目有所不同。2、细胞核水平：真核生物的细胞核是有核膜包裹、形态固定的真核，核内的DNA与组蛋白结合在一起形成一种在光学显微镜下能见的核染色体。原核生物是核区。3、染色体水平：（1）染色体数：不同生物的染色数差别很大（2）染色体倍数：指同一细胞中相同染色体的套数。4、核酸水平：（1）核酸的种类：DNARNA（2）核酸结构：dsss（3）DNA长度5、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。原核生物通过组成操纵子系统调控基因的表达真核生物一般无操纵子结构6、密码子水平遗传密码是指DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。遗传密码的信息单位是密码子，每一密码子由3个核苷酸序列即1个三联体所组成。7、核苷酸水平：是一个最低突变单位或交换单位。2微生物的基因突变突变是指遗传物质突然发生稳定的可遗传的变化。一是指与野生型不同的个体所携带和传递的基因组变异结构，这种变异结构可以是基因水平的，也可以是染色体水平的；另一个意义是指上述变异发生的过程。

狭义：点突变基因突变

广义：基因突变和染色体畸变突变型（mutant）：发生了突变的微生物细胞或菌株野生型（wildtype）：从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的原始菌株野生型（原始性状）突变型（新性状）基因突变一、突变的类型1.按突变涉及的范围基因突变染色体畸变（1）基因突变又称点突变，是发生于一个基因座位内部的遗传物质结构变异，往往只涉及一对碱基或少数几个碱基对。点突变可以是碱基对的替代，也可以是碱基对的增减。碱基对的置换碱基对的置换可分成两个亚类：一类是DNA链上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，称为转换；另一类是DNA链上的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，称为颠换

A：TT：A

AT

C：GG：C

CG

双链DNA

单链DNA

（实线代表转换，虚线代表颠换）指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，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。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分子的微小损伤。

移码突变（2）染色体畸变染色体畸变是一些不发生染色体数目变化而在染色体上有较大范围结构改变的变异，是由DNA（RNA）的片段缺失、重复或重排而造成染色体异常的突变。它包括：易位倒位缺失重复染色体畸变2.按突变所带来的表型改变⑴形态突变型——细胞形态结构发生变化或引起菌落形态改变的那些突变类型。⑵致死突变型——由于基因突变而造成个体死亡的突变类型。⑶条件致死突变型——突变后在某种条件下可正常生长繁殖，而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型⑷营养缺陷型——因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变类型。⑸抗性突变型——因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性⑹抗原突变型——因突变而引起的抗原结构发生改变3.按突变的条件和原因⑴自发突变：某种微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变。⑵诱发突变：利用物理或化学的因素处理微生物群体，促使少数个体细胞的DNA分子结构发生改变，基因内部碱基配对发生错误，引起微生物的遗传性状发生改变。二、突变的特点自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。稀有性：突变率低且稳定。独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。诱变性：诱变剂可提高突变率。稳定性：变异性状稳定可遗传。可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突 变（forwardmutation），从突变株回到野生型的 过程则称为回复突变或回变（backmutation或 reversemutation）。三、基因突变的机制1.自发突变机制★多因素低剂量的诱变效应★微生物自身有害代谢产物的诱变效应：过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物。它对Neurospora（脉孢菌）有诱变作用，这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低，如果在加入该酶的同时又加入酶抑制剂KCN，则又可提高突变率。这就说明，过氧化氢很可能是“自发突变”中一种内源性诱变剂。在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，可能也是同样的原因。★互变异构效应：碱基T、G的第六位上是酮基，会以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现C、A的第六位上是氨基，会以氨基式或亚氨基式两种互变异构的状态出现平衡一般趋向于酮式或氨基式，在DNA双链结构中一般总是以A︰T和G┇C碱基配对的形式出现在偶然情况下，在DNA复制到达这一位置的瞬间，在T以稀有的烯醇式出现时，其相对位置上就出现G同样，如果C以稀有的亚氨基形式出现在DNA复制到达这一位置的瞬间，则在新合成DNA单链中与C相对应的位置上就将是A。这可能就是发生相应的自发突变的原因。要预言在某一时间、某一基因发生自发突变是不可能的。在运用数学方法对这些偶然事件做大量统计分析后，可以发现并掌握其中的规律。例如，据统计，碱基对发生自发突变的几率约为10–8-10–9。★环出效应：即环状突出效应。有人提出，在DNA的复制过程中，如果其中某一单链上偶然产生一个小环，则会因其上的基因越过复制而发生遗传缺失，从而造成自发突变。下图就是环出效应的设想机制。在上链中，标记B处发生“环出”，故只有A及C能获得复制，从而发生自发突变。而在下链中，复制仍正常进行2.诱发突变的机制诱变剂（mutagen）：凡能提高突变率的任何理化因子，就称为诱变剂种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有几种作用方式。按照遗传物质结构变化的特点讨论几种有代表性的诱变剂的作用机制。（1）碱基置换（substitution）定义：对DNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（microlesion），一般也称点突变（pointmutation）。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。分类：转换（transition），即DNA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；颠换（transversion），即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一种功能。根据化学诱变剂是直接还是间接地引起置换，可把置换的机制分成以下两类来讨论。★直接引起置换的诱变剂定义：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。种类：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，N-甲基-N’硝基-N-亚硝基胍，N-甲基-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而引起DNA复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异。羟胺只引起G┇C→A:T，其余都是可使G┇C=A:T发生互变的。能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有（参见下表）。亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。

HNO2胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）HNO2腺嘌呤（A）次黄嘌呤（H）HNO2鸟嘌呤（G）黄嘌呤（X）这些反应及形成物均可在DNA复制中产生影响，主要是使碱基对发生转换。碱基转换的分子机制——以亚硝酸为例

腺嘌呤（A）变成次黄嘌呤（H）后引起的转换过程：①腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（He）②He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（HK）③DNA复制时，HK与胞嘧啶（C）配对④DNA第二次复制时，C与G正常配对，实现了转换。这类诱变剂主要是一些碱基类似物,如：5-溴尿嘧啶(5-BU)和5-氨基尿嘧啶（5—AU）、叠氮胸腺嘧啶（AIT）等等；作用方式：通过活细胞的代谢活动参入到DNA分子中，主要是在DNA复制时碱基类似物插入DNA中，引起碱基对配对错误，造成碱基置换。以5-溴尿嘧啶(5-BU)为例：5-BU是胸腺嘧啶（T）的的类似物，酮式的5-BU可以和A配对，烯醇式的5-BU可以和G配对，在DNA分子复制的过程中，由于5-BU的插入和互变异构导致碱基置换。★间接引起置换的诱变剂5-BU引起的转换（2）移码突变指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，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。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株（frame-shiftmutant）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分子的微小损伤。丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和α-氨基丫啶等，以及一系列称为ICR类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。能诱发移码突变的几种代表性化合物引起移码突变的诱变剂：主要是吖啶类染料，如吖啶黄、吖啶橙等等。这类化合物都是平面型的三环分子，它们的结构与一个嘌呤—嘧啶对十分相似。（3）染色体畸变某些理化因子，如X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DNA的大损伤（macrolesion）——染色体畸变，它包括：缺失（deletion）重复（duplication）易位（translocation）倒位（inversion）⑷光复活作用定义：经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象，称为光复活作用。经紫外线照射后形成的带有胸腺嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗下会被一种光激活酶（photoreactivatingenzyme）即光裂合酶（photolyase）结合，当形成的复合物暴露在可见光（300~500nm）下时，此酶会因获得光能而发生解离，从而使二聚体重新分解成单体。与此同时，光激活酶也从复合物中释放出来，以便重新执行功能。每一E.coli细胞中约含有25个光激活酶分子。由于一般的微生物中都存在着光复活作用，所以进行紫外线诱变育种时，只能在红光下照射及处理照射后的菌液。⑸暗修复作用又称切除修复（excisionrepair）。是活细胞内一种用于修复被紫外线等诱变剂（包括烷化剂、X射线和γ射线等）损伤后的DNA的机制。这种修复作用与光无关。有四种酶参与——①内切核酸酶在胸腺嘧啶二聚体的5’一侧切开一个3’-OH和5’-P的单链缺口；②外切核酸酶从5’-P至3’-OH方向切除二聚体，并扩大缺口；③DNA聚合酶以DNA的另一条互补链为模板，从原有链上暴露的3’-OH端起逐个延长，重新合成一段缺失的DNA链；④通过连接酶的作用，把新合成的寡核苷酸的3’-OH末端与原链的5’-P末端相连接，从而完成了修复作用。暗修复作用1、由核酸内切酶切开二聚体的5’末端，形成3’-OH和5’-P的单链缺口2、核酸外切酶从5’-P到3’-OH方向切除二聚体，并扩大缺口。3、DNA聚合酶以另一条互补链为模板，从原有链上暴露的3’-OH端起合成缺失片段。4、连接酶将新合成的3’-OH与原有的5’-P相连接。⑹重组修复：必须在DNA复制的情况下进行，所以又叫复制后修复。细胞在不切除二聚体的情况下，以带有二聚体的这条链为模板合成互补单链，但在每个二聚体附近留有一空隙。通过染色体交换，空隙部位就不在面对着胸腺嘧啶二聚体，而是面对着正常的单链，在这种条件下，DNA聚合酶和连接酶起作用将空隙部位进行修复，重组修复中的DNA损伤并没有去除，但随着微生物的传代繁殖，损伤的比例逐渐降低。⑺紧急获救（SOS）修复系统这是细胞经过诱导产生的修复系统，其修复功能依赖于某些蛋白质的诱导合成，但这些蛋白质不稳定，SOS修复功能与细胞的一系列生理活动相关。3微生物的基因重组定义：凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传型个体的方式，称为基因重组（generecombination）或遗传重组。作用：重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新遗传型的个体。重组与杂交的关系：重组是分子水平上的一个概念，可以理解成是遗传物质分子水平上的杂交。而一般所说的杂交（hybridization）则是细胞水平上的一个概念。杂交中必然包含着重组，而重组则不限于杂交这一形式。真核微生物中的有性杂交、准性杂交（parasexualhybridization）等及原核生物中的转化、转导、接合和原生质体融合等都是基因重组在细胞水平上的反映。一、原核微生物的基因重组基因重组的方式转化（吸收游离DNA片段）转导（噬菌体携带DNA）接合（细胞间暂时沟通）原生质体融合（人工细胞融合）定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的受体菌称为转化子（transformant）。有关名词：受体菌：recipient/receptor，转化基因的接受者供体菌：donor，转化基因的提供者转化因子：来自供体菌的DNA片段转化子：transformant，将转化基因重组进入自身染色体组的重组子（一）转化（transformation）1、转化及其发现：R型活菌+S型死菌→→S型活菌

①受体细胞要处于感受态.感受态：competence，受体细胞能从环境吸取外源DNA片段并实现其转化的一种生理状态②供体DNA片段（转化因子）大小适宜，分子量一般为1×107

D

左右③菌株间的亲缘关系密切2、转化发生的条件：

3、转化的类型：根据感受态建立的方式，可以分为：①自然遗传转化②人工转化转化的过程以S.Pneumoniastrr（肺炎链球菌抗链霉素菌株）为例，大致可分为六阶段：吸附：双链DNA片段与细胞表面的特定位点（主要在新形成细胞壁的赤道区）结合，此时，细胞膜上的胆碱可促进这一过程。在吸附过程的前阶段，如外界加入DNA酶，就会减少转化子的产生。稍后，DNA酶即无影响，说明此时该转化因子已进入细胞；切割：在吸附位点上的DNA被核酸内切酶分解，形成平均分子量为4－5×106的DNA片段；入胞：DNA双链中的一条单链被膜上的另一种核酸酶切除，另一条单链逐步进入细胞，这是一个耗能的过程。分子量小于5×105的DNA片段不能进入细胞。这时如用低浓度溶菌酶处理，因它提高了细胞壁的通透性，故可提高转化频率；重组：来自供体菌的单链DNA片段在细胞内与受体细胞核染色体组上的同源区配对，接着受体染色体组上的相应单链片段被切除，并被外来的单链DNA交换、整合和取代，于是形成了一个杂合DNA区段（heterozygousregion）。在这一过程中，有核酸酶、DNA聚合酶和DNA连接酶的参与；复制：受体菌的染色体组进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一获得了供体菌的转化基因，另一个未获供体基因；转化子形成：当细胞发生分裂后，一个子细胞含供体基因，这就是转化子；另一个细胞与原始受体菌一样。转化的过程strrstrr（二）转导

以温和噬菌体为媒介，将供体细胞的DNA片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，从而使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。获得新遗传性状的受体细胞，称转导子。转导的种类：

完全普遍转导普遍转导流产普遍转导转导低频转导局限转导高频转导过程：供体菌正常噬菌体+完全缺陷噬菌体少量裂解物+大量受体菌遗传稳定的转导子（1）普遍性转导（generalizedtransduction）定义：通过完全缺陷噬菌体对供体菌任何DNA小片段的“误包”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。完全(普遍性)转导：completetransduction。1952年发现，在Salmonellatyphimurium中存在转导现象。在它的完全普遍性转导实验中：以其野生型菌株作为供体菌营养缺陷型菌株作为受体菌P22噬菌体作为转导媒介，对供体菌是烈性噬菌体，对受体菌是温和噬菌体裂解普遍性转导过程：P22在供体菌内增殖时，宿主的核染色体组断裂，待噬菌体成熟与包装之际，极少数（10–6－10–8）噬菌体的衣壳将与噬菌体头部核心大小相似的一段供体DNA片段误包入其中，形成了一个完全不含噬菌体自身DNA的缺陷噬菌体供体菌裂解时，如把少量裂解物与大量受体菌群体相混，使其感染复数（m.o.i）<1，这种完全缺陷噬菌体就会将这一外源DNA片段导入受体细胞内在这种情况下，由于一个受体细胞只感染了一个完全缺陷噬菌体，故受体细胞不会发生往常的溶原化，也不显示其免疫性，更不会裂解和产生正常的噬菌体；而由于导入的外源DNA片段可与受体细胞核染色体组上的同源区段配对，在通过双交换而整合到受体菌染色体组中，所以使后者成为一个遗传性状稳定的转导子。完全普遍转导感染复数感染复数——由于每一宿主细胞表面的特异性受体有限，因此所能吸附的噬菌体数目也有一个限量。每一敏感细胞所能吸附的噬菌体的数量,m.o.i一般很大，可达250－360。

⑵流产普遍性转导受体菌经转导获得的供体DNA片段在受体菌中不发生配对、交换和整合，也不迅速消失，而只是进行转录和转译（性状表达），这种现象就称为流产转导。现象：发生流产转导的细胞在其进行细胞分裂后，只能将这段外源DNA分配给一个子细胞，而另一子细胞仅获得供体基因的产物——酶，在表型上表现出轻微的供体菌特征，每经过一次分裂，就受到一次稀释所以，能在选择性培养基平板上形成微小菌落就是流产转导的特点。2.局限性转导定义：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，并获得表达的转导现象。特点：噬菌体对供体菌和受体菌都是温和噬菌体只能转导供体菌的个别特定基因（一般为噬菌体整合位点两侧的基因）该特定基因由部分缺陷的噬菌体携带缺陷噬菌体使由于其在形成过程中所发生的低频率（约

10–

5）“误切”，或由于双重溶源菌的裂解而形成（约形成50%缺陷噬菌体）分类：低频转导与高频转导1）低频转导（LFT）一般的转导现象中，从宿主染色体上切离时发生不正常切离的频率极低，故这种裂解物中的部分缺陷噬菌体的比例是极低的（10–4~10–6）。把这种裂解物称为LFT（低频转导）用LFT裂解物以低m.o.i（感染复数）感染宿主，就可获得极少量的局限转导子，即低频转导。当用LFT裂解物以高m.o.i感染E.coligal–（不发酵半乳糖的营养缺陷型）菌株时，凡是感染有λdgal噬菌体任一细胞，几乎都同时感染有正常的λ噬菌体。这时λ与λdgal同时整合在一个受体菌的核染色体组上，从而使它成为一个双重溶源菌（doublelysogen）。当双重溶源菌被紫外线等诱导时，其中的正常λ噬菌体的基因可补偿λdgal缺失的部分基因功能，因而两种噬菌体就同时获得复制的机会。所以在双重溶源菌中的正常λ噬菌体被称为助体（或辅助）噬菌体（helperphage）。双重溶源菌的裂解物中含有等量的λ和λdgal粒子，称为HFT（高频转导）裂解物。用HFT裂解物以低m.o.I感染另一个E.coligal–（不发酵半乳糖的营养缺陷型）受体菌，就可以高频率地把它转化为能发酵半乳糖的E.coligal+转导子。是为高频转导2）高频转导（HFT）E.coli

K12(

)gal+(供体菌)(大量)+dgal+（10-5）E.coliK12Sgal-(受体菌)E.coliK12Sgal-/

dgal+E.coliK12Sgal-/

dgal+/

E.coliK12Sgal-/

dgal+/（双重溶源菌供体）(50%)+dgal+（50%）E.coliK12Sgal-(受体菌)E.coliK12Sgal-/

dgal+（转导子）

（双重容源转导子）高频转导和低频转导图解低频转导高频转导U.V.U.V.比较项目普遍性转导局限性转导转导的基因供体染色体或染色体外的任何基因供体染色体上与原噬菌体紧密连锁的少数几个个别基因噬菌体寄生的位置不结合在寄主染色体特定位置上结合在寄主染色体特定位置上获得转导噬菌体的方法通过敏感菌的裂解或容源菌的诱导紫外线诱导溶源菌转导子的区别一般稳定，非溶原性（不表现出任何噬菌体的性状，包括免疫性）一般不稳定，呈缺陷溶源性（对同源噬菌体具有免疫性，但不表现出其它噬菌体的性状）普遍性转导和局限性转导的比较（三）接合（conjugation）定义：供体菌（“雄”）通过其性菌毛与受体菌（“雌”）相接触，前者传递不同长度的DNA给后者，并在后者细胞中进行双链化或进一步与核染色体发生交换、整合，从而使后者获得供体菌的遗传性状的现象，称为接合。通过接合而获得新性状的受体细胞就是接合子（conjugant）存在范围：细菌和放线菌中都存在接合现象。E.coli的F因子：决定性别的质粒，属于附加体（episome），可以通过接合作用获得，也可以通过丫啶类化合物、溴化乙锭或丝裂霉素C的处理而消除。F因子的存在方式①

F+（“雄性”）菌株：细胞内含有（1~4个）游离的F因子，细胞表面存在与F因子数目相当的性菌毛。与F–相接触时，可通过性菌毛将F因子转移到F–细胞中，使之也变成F+菌株。F因子以很高的频率传递，但含F因子的宿主细胞的染色体DNA一般并不被转移。F+×F–F++F–

根据F因子在E.coli中的有无，及与染色体的关系，可将E.coli分为四种类型：②

F–（“雌性”）菌株：细胞中不含有F因子，细胞表面不具有有性纤毛。可以通过与F+、F’或Hfr菌株接合而接受供体菌的F因子、F’因子或Hfr菌株的部分或全部遗传信息，相应地可以转变成F+菌株、F’菌株或重组子。据估计，从自然界分离到的2000株E.coli中约有30%是F–菌株。③Hfr（高频重组，highfrequencyrecombination）菌株：含有与染色体特定位点整合的F因子。因该菌株与F–接合后的重组频率比F+菌株高几百倍而得名。Hfr菌株与F–菌株接合时，Hfr染色体双链中的一条单链在F因子处发生断裂，F因子位于线状单链DNA的两端，整段单链线状染色体从5’端开始等速进入F–细胞，在没有外界干扰的情况下，全部转移过程的完成需要约120分钟。由于种种原因DNA转移过程常会发生中断，所以越是前端的基因进入F–细胞的机会越大。F因子位于线状DNA的末端，进入受体细胞的机会最小，故这种接合引起转性的频率最低，但可以出现各种重组子。部分合子：F–菌株的单链染色体片断经双链化。Hfr×F–Hfr+F–（在大多数情况下）

Hfr×F–Hfr+Hfr（在极少数情况下）④F’菌株：细胞中含有游离的、带小段染色体基因的环状F因子，可与F–菌株接合，使其成为F′菌株。F′菌株的形成：由Hfr菌株中的F因子在不正常切离而脱离核染色体组时所形成，并因此造成细胞染色体发生缺失，F因子也缺失一段DNA.由Hfr异常释放所生成的F’菌株，称为初生F’菌株；由F–接受外来F′因子所产生的F′叫作次生F′细胞；①F+×F-

接合时F+细胞与F–细胞相遇，性菌毛与F–细胞表面发生吸附而形成接合管；F+细胞内，F因子的一条DNA单链在特定的位点上发生断裂；断裂后的单链逐步解开，同时以另一条留存的环状单链做模板，通过模板的滚动，一方面把解开的单链以5’为先导通过性菌毛推入F–细胞中，另一方面，在供体细胞内以滚动的环状模板重新合成一条互补的环状单链，以取代传递到F–细胞中的那条单链。这种DNA复制机制称为滚环模型（rollingcirclemodel）；在F–细胞中，以外来的供体DNA线状单链为模板合成一条互补单链，并随之恢复成环状双链F因子。至此，原来的F–菌株变成了F+菌株。原来的供体仍为F+菌株。利用F’菌株与F–接合可将供体染色体DNA传入F–菌株，从而使F–既获得供体菌的若干遗传特性，又可获得F因子。这种接合方式叫做F因子转导.——因为F因子可在细菌的染色体多位点整合，所以F因子转导可实现不同基因的转移和重组。F′×F–F′+F′②

F’×F-

Hfr菌株的F因子插入到染色体DNA上，因此只要发生接合转移转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F-细胞并发生重组，由此而得名为高频重组菌株。③Hfr×F-Hfr菌株仍然保持着F+细胞的特征，具有F性菌毛，并象F+一样与F-细胞进行接合。F因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此F因子不易转入受体细胞中。Hfr×F-杂交后的受体细胞(或接合子)大多数仍然是F-。染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，频率也高。接合的结果：

F++F-2F+F′+F-2F′Hfr+F-Hfr＋F-（多数情况下）Hfr+F-Hfr＋Hfr（少数情况下）（四）溶源转变概念：当温和噬菌体感染宿主而使其发生溶源化时，因噬菌体的基因整合到宿主的核基因组上，而使后者获得了除免疫性以外的新性状的现象，称为溶源转变。性质：表面上与转导相似，而本质上不同于转导。区别：当宿主丧失其原噬菌体时，通过溶源转变而获得的新性状也随之消失温和噬菌体不携带来自供体菌的外源基因，是噬菌体自身基因使宿主获得新性状温和噬菌体是完整的，不是缺陷的获得新性状的是溶源化的宿主细胞，不是转导子（五）原生质体融合概念：通过人为方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体发生融合，并进而发生遗传重组以产生同时带有双亲性状的遗传性稳定的融合子（fusant）的过程，称为原生质体融合。适用范围：各种生物细胞都能进行原生质体融合，包括各种原核生物、真核微生物以及高等动植物和人体的不同细胞。原生质体融合的优点：

可以提高重组率双亲可以少带标记或不带标记可进行多亲本融合有利于不同种间、属间微生物的杂交通过原生质体融合提高产量原生质体融合的主要步骤：选择亲株制备原生质体原生质体融合原生质体再生筛选优良性状的融合重组子二、噬菌体的基因重组

1.烈性噬菌体2.温和性噬菌体三、真核微生物的基因重组真核微生物的基因重组的方式有性杂交：一般指性细胞之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。准性生殖：同种生物的两个不同的体细胞发生融合，以有丝分裂的方式而导致低频率的基因重组并产生重组子的杂交方式。

在微生物的有性繁殖过程中，不同的性细胞间的接合，并随之发生染色体的重组，从而产生新遗传型后代的现象，称有性杂交。

凡是能产生有性孢子的酵母菌和霉菌，都能进行有性杂交。有性杂交在生产实践中被广泛用于优良品种的培育。例如用于酒精发酵的酵母菌和用于面包发酵的酵母菌同属一种啤酒酵母（Saccharomycescerevisiae）的两个不同菌株，面包酵母的特点是对麦芽糖及葡萄糖的发酵力强，产生CO2多，生长快；而酒精酵母的特点是产酒率高而对麦芽糖、葡萄糖的发酵力弱，所以酿酒厂生产酒精后的酵母，不能供面包厂作引子用。通过两者的杂交，就得到了既能生产酒精，又能将其残余菌体用作面包厂和家用发面酵母的优良菌种。（一）有性杂交定义和意义：类似于有性生殖但更原始的生殖方式，是通过同一物种两个不同菌株的体细胞发生融合，不经过减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子。为半知菌育种提供了一个重要手段。存在范围：常见于一些真菌尤其是半知菌中准性生殖的过程：（二）准性生殖

准性生殖的过程①菌丝联结②异核体形成（质配）③核配形成杂合二倍体④体细胞重组和单倍体化。1．菌丝联结发生在一些形态上没有区别的，但在遗传性状上可以有差别的两个同种亲本的体细胞（单倍体）间。2．形成异核体两个单倍体细胞经联结后，使原有的两个单倍体核集中到同一个细胞中，形成双相的异核体。异核体能够独立生活。3．核融合在异核体中的双核融合，产生双倍体杂合子核。核融合后产生杂合子核的频率也是极低的，如构巢曲霉和米曲霉为10-5～10-7。4．体细胞重组和单倍体化双倍体的杂合子极不稳定，在进行有丝分裂过程中，极少数核中的染色体会发生染色体交换和单倍体化，从而形成了极个别的具有新遗传性状的单倍体杂合子。异核体：同一菌丝有不同遗传性状的核在同一

细胞质中生长。同核体：同一菌丝中只有一种核。异核体的特点：1）具有感受性的两种菌丝间才可形成异核体；2）具有野生型性状，可在基本培养基上生长；

（基因互补功能）3）大多数异核体的分生孢子不能在基本培养基

上生长；如能生长，则为异核体、或为杂合

二倍体（重组子）。体细胞交换和单倍体化

杂合体细胞中有极少数细胞核在进行有丝分裂的过程中，能发生体细胞染色体间的交换、分离（单倍体化）而产生具有新性状的单倍体杂合子、双倍体及非整倍体。A+B（同核体）（异核体）AABBABAB（杂合二倍体）单倍体杂合子ABBA准性生殖与有性生殖的比较

项目 准性生殖 有性生殖参与接合的亲本细胞形态相同的体细胞 形态或生理上有分化的性细胞独立生活的异核体阶段有 无接合后双倍体细胞形态与单倍体基本相与单倍体明显不同双倍体变单倍体的途径 通过有丝分裂 通过减数分裂接合发生的几率 偶然发现，几率低 正常出现，几率高4微生物的菌种选育在微生物工业应用中，微生物菌种工作主要包括以下四方面：①菌种的分离筛选：挑选符合生产要求的菌种，这是选种工作的任务。②菌种培育：改良已有菌种的生产性能，使产品的质和量不断提高，或使它更适应于工艺的要求，这是育种工作的任务。③菌种的保藏：一切生产菌种都要使它避免死亡和生产性能的下降，这是菌种保藏工作的任务。④退化菌种的复壮：如果发现菌种的生产性能下降，就要设法使它恢复，这便是菌种复壮工作的任务。一、自然界工业菌种筛选程序采样

增殖培养

培养分离筛选毒性实验方法、地点、时间和周围环境记录纯种分离的原则就是使培养物获得单个菌落：1．稀释分离法2．平板划线分离法

⑴

涂菌：

⑵

划线分离：①分步划线法；②一次划线法：

3．组织分离法

获得野生型菌株求得适合于工业生产菌株二、微生物的诱变育种诱变育种：是用物理或化学的诱变剂使诱变对象内的遗传物质（DNA）的分子结构发生改变，引起性状变异并通过筛选获得符合要求的变异菌株的一种育种方法。诱变育种具有极其重要的实践意义。当前发酵工业和其他微生物生产部门所使用的高产菌株，几乎毫无例外地都是通过诱