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1、 第第 八八 章章 微生物的遗传变异与育种微生物的遗传变异与育种第一节第一节 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异前言 一、遗传变异的物质基础 二、遗传信息的传递 三、微生物的变异现象 四、微生物变异机理 第二节 第二节 微微生物的人工诱变生物的人工诱变第三节 微生物的菌种保藏第三节 微生物的菌种保藏前 言 遗传性遗传性HeredityHeredity和变异性和变异性VariationVariation是是生物固有的属性之一。生物固有的属性之一。各种生物都能将自各种生物都能将自 己的性状传递给子代，产生与自己己的性状传递给子代，产生与自己相似相似的的 后代，出现子像父，使物种得以延续。这后代，
2、出现子像父，使物种得以延续。这 种现象称为种现象称为遗传性遗传性，但亲代与子代，子代，但亲代与子代，子代 与子代之间往往在形态结构、生理等方面与子代之间往往在形态结构、生理等方面 会出现会出现差异差异、子不像父、子代与子代之间、子不像父、子代与子代之间 有区别，这种现象称有区别，这种现象称变异性变异性。遗传与变异遗传与变异 使物种得以进化。使物种得以进化。一、遗传变异的物质基础一、遗传变异的物质基础 经过三个经典实验：经过三个经典实验：转化实验，病毒重建实转化实验，病毒重建实 验，噬菌体感染实验验，噬菌体感染实验证实：证实：核酸是一切生物遗传核酸是一切生物遗传 变异的物质基础变异的物质基础。大
3、多数微生物的遗传物质是大多数微生物的遗传物质是DNADNA，只有少数病只有少数病 毒遗传物质是毒遗传物质是RNARNA。真核微生物中真核微生物中DNADNA与碱性蛋白与碱性蛋白（如组蛋白）共（如组蛋白）共 同构成染色体。同构成染色体。原核微生物的原核微生物的DNADNA只是单独存在只是单独存在，呈裸露的核，呈裸露的核 质体状态，除此还有质粒及溶原性噬菌体。质体状态，除此还有质粒及溶原性噬菌体。 遗传功能单位遗传功能单位基因：指基因：指DNADNA分子上的一个分子上的一个 微小片段，通常含有微小片段，通常含有10001000个左右碱基对。个左右碱基对。烟草花叶病毒霍氏车前病毒贮存在DNA上的遗传
4、信息是通过DNA的半保留复制、转录、（transcription即以 DNA为模板产生RNA的过程） 转译（translation即指导蛋白质合成的过程） 进行传递的。DNA复制 DNA转录 RNA（mRNA）转译 （tRNA) 蛋白质二、遗传信息的传递 三、微生物的变异现象 微生物可自发地或经过人工诱变而 发生变异，主要变异现象如下： 1 1、 形态变异形态变异如：原来黑色孢子变以白色孢子、菌落 性状变异 2 2、 结构与抗原发生变异结构与抗原发生变异如荚膜变异；鞭毛变异：抗原结构变异 ；芽胞变异等 3 3、 生理特性变异生理特性变异如毒力变异：耐药性变异：4 4、 代谢发生变异代谢发生变异
5、如营养缺陷型变异： 5 5、 条件致死突变条件致死突变 型型指在某一条件下变异表现出 致死效应的突变，而在另一条件 下则能正常生长。如温度敏感突 变株，它们不能在亲代生长的温 度范围内生长，而只能在较低的 温度下才能生长。 遗传性变异一般包括四个方面选择作用、致突变作用、基因重组、基因工程。 四、微生物变异机理 生物生物DNADNA链中碱基顺序发生偶然改变，而链中碱基顺序发生偶然改变，而 引起的变异。引起的变异。 突变位置：突变位置：这种改变可只涉及一对或少数几对 碱基的改变，也可发生染色体缺失、易位、重 复和倒置等 较大范内的结构改变 突变机率：突变机率：突变在自然情况和人工条件下均可 发生
6、。在自然情况下，细菌的突变率不高，只 是在10-410-9。人工使用强烈理化因素，如 同位素、紫外线、亚硝酸等，可使微生物的突 变率大大提高，这些理化因素可称为诱发因素 或诱变剂。基因突变并无一定的方向，因此必须经过 测试和筛选才有实用意义。（一）基因突变（一）基因突变 gene mutationgene mutation （二）基因重组（二）基因重组 微生物从外源获得微生物从外源获得DNADNA，与其本身与其本身DNADNA链链 发生重新组合，导致原有的基因改变而发发生重新组合，导致原有的基因改变而发 生的变异，称为基因重组。生的变异，称为基因重组。原核生物的基因重组有以下四种方式：转化转导
7、 噬菌体转换或溶原性转换接合真核微生物的杂交育种主要有两种方式：有性杂交准性生殖1 1、转化、转化 transformationtransformation 指受体细指受体细菌直接摄取供体细菌游离的菌直接摄取供体细菌游离的DNADNA片段，片段，整合整合（同源区基因交换重组同源区基因交换重组）后改变了后改变了 受体菌基因组的过程受体菌基因组的过程。故常发生在同一故常发生在同一 物种和近缘物种之间。物种和近缘物种之间。转化现象转化现象是由是由格烈弗斯（格烈弗斯（CriffithCriffith） 在在19281928年首次发现的。当时的实验步骤年首次发现的。当时的实验步骤 与结果与结果如下：如下
8、： 影响转化率的影响转化率的3 3个内在因素：个内在因素： （1 1）受体细胞的感受态，）受体细胞的感受态，它决定转化因子它决定转化因子 能否能否进入进入受体细胞。受体细胞。 （2 2）受体菌的限制酶系统，）受体菌的限制酶系统，它决定转化因它决定转化因 子在整合前是否被子在整合前是否被分解分解。 （3 3）受体与供体染色体的同源性，）受体与供体染色体的同源性，它决定它决定 转化因子的转化因子的整合整合。转化实验结果表明：受体细菌（转化实验结果表明：受体细菌（型）型） 从周围环境中吸取了供体菌（从周围环境中吸取了供体菌（型）的型）的 DNADNA，并把它整合到自己的遗传物质中，并把它整合到自己的
9、遗传物质中， 因此获得新的遗传特性，发生菌型转化。因此获得新的遗传特性，发生菌型转化。2 2、转导、转导 transductiontransduction 以以噬菌体噬菌体为媒介为媒介 ，把一个细菌的遗，把一个细菌的遗 传物质转移到另一传物质转移到另一 个细菌（受体）内个细菌（受体）内 ，导致受体细菌基，导致受体细菌基 因型的改变，这一因型的改变，这一 过程称转导。过程称转导。只有温和性噬菌只有温和性噬菌 体才能转导。体才能转导。3、噬菌体转换或称溶源性转换 当温和噬菌体感染宿主之后， 噬菌体的基因整合于宿主基因组中 ，寄主的性状即可发生变异。4 4、接合、接合 供体菌（雄性菌）通过其性纤毛而
10、与供体菌（雄性菌）通过其性纤毛而与受体菌（雌性细菌）接触，将遗传物质直受体菌（雌性细菌）接触，将遗传物质直 接转移至受体菌的过程为接合。接转移至受体菌的过程为接合。5 5、真核微生物、真核微生物 的杂交育种的杂交育种 （1 1）有性杂交）有性杂交有性杂交是有有性杂交是有 性细胞间接性细胞间接 合和重组的合和重组的 过程过程。其原理与高其原理与高 等生物相同，等生物相同， 其产生的其产生的子囊子囊 孢子孢子即有性杂即有性杂 交过程。交过程。（2 2）准性生殖）准性生殖perazexualperazexual repoductionrepoduction真菌中不产生有性孢子的一种真菌中不产生有性孢
11、子的一种导致导致 基因重组过程。是比较原始的一种繁殖基因重组过程。是比较原始的一种繁殖 方式。方式。通过准性生殖使不产生有性孢子的霉菌通过准性生殖使不产生有性孢子的霉菌 进行细胞核的融合和遗传因子的重组，完成进行细胞核的融合和遗传因子的重组，完成 杂交过程，主要存在半知菌类。杂交过程，主要存在半知菌类。 包括以下阶段：包括以下阶段：A A、菌丝联结；菌丝联结； B B、异核体形成；异核体形成；C C、形成双倍体；形成双倍体； D D、分离子产生；分离子产生； 特点：特点：A A、重组体细胞和一般营养细胞没明显重组体细胞和一般营养细胞没明显 差别；差别；B B、不产生特殊器官；不产生特殊器官；C
12、 C、染色体交换染色体交换 和染色体减数不规则；和染色体减数不规则；（三（三）基因工程（遗传工程）基因工程（遗传工程）是应用是应用DNADNA重组技术，通过多种酶的作用重组技术，通过多种酶的作用 在生物体外进行基因的拼接，并使重组在生物体外进行基因的拼接，并使重组 DNADNA在新的细胞水平上重新表达。在新的细胞水平上重新表达。 1 1、目的基因的切割、目的基因的切割利用外切酶或限制性内切酶：自供体细胞内的利用外切酶或限制性内切酶：自供体细胞内的DNADNA上切割上切割 下所需要的基因（目的基因），并造成粘性末端。下所需要的基因（目的基因），并造成粘性末端。G AATTC GAATT AATT
13、CG AATTC GAATT AATTC CTTAA G CTTAA G （粘端）粘端） CTTAA TTAAGCTTAA TTAAG（平端）平端）限制性内切酶的选择很重要，它必须是专一的切断限制性内切酶的选择很重要，它必须是专一的切断DNADNA 分子特定部位。分子特定部位。2 2、基因重组、基因重组对微量或超微量的纯化基对微量或超微量的纯化基 因进行复制或扩增，进行分子无因进行复制或扩增，进行分子无 性繁殖。性繁殖。一般是用一个具有自我一般是用一个具有自我 复制功能的复制功能的DNADNA分子作为外源基分子作为外源基 因的载体，通过重新组合，成为因的载体，通过重新组合，成为 一个新的重组一
14、个新的重组DNADNA分子。常用的分子。常用的 载体是质粒和病毒。载体是质粒和病毒。3 3、重组基因引入受体细胞与表达、重组基因引入受体细胞与表达将重组所形成的将重组所形成的DNADNA分子引入分子引入 受体细胞，随着受体细胞繁殖，受体细胞，随着受体细胞繁殖， 使受体细胞获得新的属性。使受体细胞获得新的属性。关键是受体细胞的筛选关键是受体细胞的筛选，它，它 必须能吸收重组必须能吸收重组DNADNA分子，并在体分子，并在体 内进行复制，这样才有可能使受内进行复制，这样才有可能使受 体细胞以及后代获得新的属性。体细胞以及后代获得新的属性。第二节 微生物的人工诱变 1 1、从自然界筛取优良种：、从自
15、然界筛取优良种：往往性能不太理往往性能不太理 想。想。 2 2、诱变育种：、诱变育种：诱发基因发生突变，根据目诱发基因发生突变，根据目 标，从无定向突变株中选出菌种。标，从无定向突变株中选出菌种。 （1 1）物理诱变剂）物理诱变剂：紫外线、：紫外线、X X射线、射线、 射线、温度射线、温度 （2 2）化学诱变剂）化学诱变剂：引起诱变的化学物质多：引起诱变的化学物质多 ，但效果好的只有少数几种，因有毒，致，但效果好的只有少数几种，因有毒，致 癌性，须注意安全。癌性，须注意安全。 如：亚硝酸如：亚硝酸 烷化剂（硫酸二乙酯）烷化剂（硫酸二乙酯） 氮氮 芥芥 碱基类似物（碱基类似物（5-5-溴尿嘧啶）
16、溴尿嘧啶） 吖啶类吖啶类 物质物质 活菌计数出发菌株性能测定出发菌株菌种纯化诱变剂处理制备孢子或菌液处理液活菌计数平板涂布形态变异观察变异菌挑取，纯培养性能粗测斜面传代性能精测 复筛、中试放大试验诱变育种的程序 3、杂交育种杂交是细胞水平上的一种基因重 组，通过杂交，染色体发生重组，把 几种优良性状汇集在一个菌株上，从 而子代个体不仅会出现双亲性状，还 可出现新性状。啤酒酵母和面包酵母的杂交育种。原生质体融合育种。第三节 微生物的菌种保藏第三节 微生物的菌种保藏1 1、定期移植保藏、定期移植保藏细菌 细菌 1-2 1-2月、月、放线菌 放线菌 3 3月、月、酵母 酵母 4-6 4-6月、月、霉菌 霉菌 4 4月月2 2、矿油封藏法、矿油封
