第五章 微生物遗传变异与菌种选育

西昌学院轻化工程工学院

遗传：具有一定遗传型的个体在一定的培养条件下生长时，子代培养物会表现出与亲代培养物相同的特征，这就是遗传现象。

变异：当遗传型发生改变，也就是说当生物体内的遗传物质发生结构上的变化时，生物体就表现出变异现象。

第一节 遗传变异的物质基础

1. 证明遗传物质的三个经典实验转化实验－－－遗传物质是 DNA;噬菌体感染实验－－－证明 DNA 是遗传物质，且其中含有合成蛋白质的遗传信息 ;植物病毒重建实验－－－遗传物质是 RNA;

2.DNA 的结构与复制

第二节 微生物的基因突变广义的突变 染色体畸变 基因突变（狭义突变） 基因突变：由于 DNA 链中一对或少数几对碱基发生改变，而导致核苷酸序列突然发生稳定的、可遗传的变化。

1. 突变类型

野生型菌株：具有天然的、非突变性状的微生物。

突变型菌株：发生了突变的微生物。

1.1 按突变所带来的表型改变

形态突变型（如细菌的鞭毛、芽孢或荚膜的有无）

致死突变型（合成关键性酶的基因发生突变，表现出致死突变）

条件致死突变（如温度敏感型）

生化突变营养缺陷型（缺乏合成必须营养物质的突变型）

抗性突变型（对某种外界因素抗性提高）

1.2 按突变的条件和原因

自发诱变诱发突变

2. 突变的特点 不对应性自发性 稀有性独立性 诱变性稳定性可逆性

3. 基因突变的机理与菌种的选育

碱基置换：由于某种化学诱变剂的作用，使 DNA 分子中一对碱基被另一对碱基所取代。

移码突变：指诱变剂使 DNA 分子中的一个或少数几个核苷酸的增添（插入）或缺失，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。

碱基置换

a. 转换： DNA 链中原有的一个嘧啶被另一个嘧啶所置换，或一个嘌呤被另一个嘌呤所置换；

b. 颠换： DNA 链中原有的一个嘧啶被一个嘌呤所置换，或一个嘌呤被一个嘧啶所置换；

正常 DNA 链上的三联密码子

第三个密码子中增添一个碱基后的三联密码子

在第二个密码子上缺失一个碱基 A 后引起的变化

移码突变

3.1 诱发突变的机理诱变剂：能显著提高突变的几率的物理或化学因子称为诱变剂。

诱变剂的种类很多，作用的方式也多种多样，但其最终都通过改变遗传物质的结构而导致突变的发生。诱变剂作用于微生物细胞后可产生不同的诱变效应，有些诱变剂能产生多种诱变效应。

3.2.1 辐射类诱变

很多波长较短地射线，如紫外线、 x射线、 γ射线以及快中子等都有强烈地诱变作用，其中最有效地是波长为 260nm 左右地紫外线。

紫外线作用于 DNA 引起结构的变化：

DNA 链的断链DNA 分子内和分子间产生交联作用核酸和蛋白质产生交联作用形成嘧啶水合物和嘧啶二聚体（链内或链间）

紫外线的主要作用是使同链同链 DNA的相邻嘧啶间间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体。

光复活作用 ：经紫外线照射后的微生物暴露于可见光下时，可明显的降低其死亡率的现象。

切割修复作用：不需要可见光的作用，可以修复因形成嘧啶二聚体或因碱基错配等引起的多种 DNA损伤。

对紫外线诱变的修复：

3.2.2 碱基类似物诱变剂

诱变物质通过代谢渗入到 DNA 分子中去间接地引起碱基对的转换。诱发这类变异的化学物质主要是一些碱基的类似物，例如 5-BU 。

3.2.2 碱基类似物诱变剂 (5-BU)

A:TA:BUk ( 酮式 )

G:BUe( 烯醇式 )A:T A:BUk

G:C

G: BUeG:C

G:C

A:BUG:C A:T A:BU

A:T

A:T G:C A:TG:C

3.2.3 引起 DNA 碱基发生化学变化的诱变剂

直接与 DNA 分子中碱基发生化学反应，改变这些碱基的性状，使 DNA 在下一轮的复制中出现错误配对现象。例如 :亚硝酸。

G:C

G:U

A:U

A:UA:T C:H

T:H

T:A C:H

C:G

G:C

G:C

T:A

T:AA:T C:G

3.2 自发突变与自然选育 在没有人为因素参与的自然条件下，微生物细胞群体能以一定的频率（通常在 10 － 4－ 10 － 11之间）产生随机突变体。 微生物自身代谢产物的诱变效应互变异构效应

4. 诱变育种诱变育种：利用物理和化学诱变剂对微生物细胞群体进行适当的处理，使之发生基因突变，并用有效的方法从诱变后的群体中选出优良正突变体，这就是诱变育种。

4.1 选择出发菌株 出发菌株指的是用于进行诱变育种的原始菌株。

从自然界中直接分离出的野生型菌株生产中筛选出来的自然突变菌株诱变处理过的突变菌株

4.2 选择诱变剂与诱变剂量通常诱变剂的选择：根据经验以及使用的方便与否来选择所使用的诱变剂。在辐射类诱变剂中，紫外线是最常使用的；在化学诱变剂中，硫酸二乙酯、甲基磺酸二乙酯、亚硝基胍等通常效果较好。

4.2 选择诱变剂与诱变剂量确定诱变剂量：需要考虑多种因素，如诱变剂的种类、处理方式、菌种对诱变剂的敏感程度、菌种的变异特性等。由于各种诱变剂的剂量单位不同，常采用杀菌率来表示各种诱变剂的的相对剂量。

4.3 诱变菌的准备和诱变处理诱变菌的准备：进行诱变处理之前 , 一般要先用无菌水将待诱变的菌株制成菌悬液，并使菌悬液中的菌体尽量呈分散的单个细胞状。

诱变处理：根据诱变剂的特性来调整。

4.4 筛选高产突变菌株

由于经过诱变处理的菌株中，发生突变的菌株所占的比例很小，只占存活细胞的百分之几或更少，而发生正突变的菌株所占的比例更小，因此，必须借助于一些简便而有效的手段进行筛选。

4.4 筛选高产突变菌株 初筛：淘汰大量的负突变株，减轻复筛的工作量，对生产性能测定的准确性要求较低，方法也尽可能地简单易行。

复筛：要求比较精确地测定方法对有关生产性能进行测定，所使用地培养方法也要尽可能符合实际生产工艺。

第三节 基因重组与杂交育种 基因重组：是指遗传物质的重排，也即 DNA双螺旋直接发生遗传物质的交换。

原核微生物转化转导接合

真核微生物有性杂交准性杂交

1. 原核微生物 1.1转化 :受体菌直接吸收了来自供体菌的 DNA片段，通过交换，把它组成到自己的 基因组中，获得了供体菌的部分遗传形状的现象。

（ 1）作为转化过程中的受体菌：可以在起细胞壁上吸附外源 DNA ；可以使吸附的外源 DAN进入细胞；细胞内不存在破坏外源 DNA 的酶；具备将外来的 DNA进行重组的酶系统；

（ 2）用于转化的外源 DNA必须具有较高的分子量，但又不能太大；

完整的双螺旋结构；在受体菌周围环境中呈可溶的状态；

降解

吸附

切割成 4~5×106单链入胞

同源部分配对、整合

复制分裂，只有一个子代 DNA分子获得供体基因

非转化子 转化子

（ 3）转化作用的过程一般是：

1. 2 转导 转导：以噬菌体为载体，将供体菌的部分 DNA 传递给受体菌的过程。需要注意的是，由于噬菌体与其宿主细胞间具有特异性，供体菌和受体菌必须是同种细菌。

普遍性转导 局限性转导

（ 1）普遍性转导 此类转导噬菌体的蛋白质外壳误包供体菌的 DNA 片断具有随机性，传递的基因可以是供体菌染色体的任何一部分。

（ 2）局限性转导

（ 2）局限性转导

1. 3 接 合 接合是指供体菌与受体菌的完整细胞之间直接接触，并通过特殊的附属物而传递大段 DNA 的过程。细菌的结合作用主要出现在革兰氏阴性细菌中，目前研究最清楚的是大肠杆菌。

F因子指细胞内 1 － 4 个非核的、独立的环状双链 DNA单位，具有自主复制以及转移到其他细胞中能力。

F+菌株：含有 F因子的大肠杆菌，其细胞表面有性菌毛，是 F因子指导合成的，可以用来传递F因子；

F －菌株：与 F+菌株相对应的受体菌则不含 F因子。

2. 真核微生物的基因重组育种有性杂交育种准性杂交育种

第四节 原生质体融合与基因工程1. 原生质体融合

(1)

(1)

(2) (3)

(4)

4.原生质体的融

细胞杂交

2. 体外重组 DNA 技术

第五节 微生物菌种保藏及复壮

1. 菌种的衰退与复壮1.1衰退 :是指由于自发突变的结果，而使某物种原有一系列生物学性状发生量变和质变的现象。

常见的菌种退化现象，表现在以下几个方面 :菌落和细胞形态改变 生产性能的下降 对生长环境的适应能力减弱

防止退化的措施 :合理的育种 选用合适的培养基 创造良好的培养条件 限制传代次数 利用不同类型的细胞进行异种传代 采用有效的菌种保藏的方法

1.2 菌种的复壮

复壮 :从衰退的菌种群体中把少数个体再找出来，重新获得具有原有典型性状的菌种。

纯种分离 通过寄主进行复壮 联合复壮

2. 常用的菌种保藏方法

菌种保藏的一般原理：根据不同的微生物的代谢特点，人工地创造某些条件，使微生物的代谢处于微弱状态，生长繁殖受到抑制，即让微生物处于休眠状态。