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1、第九章 微生物的遗传变异与菌种选育,遗传：,亲代与子代相似,变异：,亲代与子代、子代间不同个体不完全相同,遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一,遗传型：,表型（表现型）：,生物的全部遗传因子及基因,具有一定遗传型的个体，在特定环境条件 下通过生长发育所表现出来的形态等生物 学特征的总和。,表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。,表型饰变：,表型的差异只与环境有关 特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为,橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。,遗传型变异（基因变异、基因突变）：,遗传物质改变，导致表型改变 特点：遗传性、群体中极少数个体的行为 （自发
2、突变频率通常为10-6-10-9）,经典试验1. 肺炎链球菌的转化试验,一、遗传物质的鉴定,经典试验2. 噬菌体侵染试验,经典试验3. 植物病毒重建试验,核酸是遗 传物质。,第一节 基因突变和诱变育种,一、基因突变（genemutation）,一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变,简称突变，是变异的一种，泛指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，可自发或诱导产生。,突变几率一般很低（10-610-9）,从自然界分离到的菌株，简称野生型。,野生型经突变后形成的带有新性状的菌株，又称突变体或突变型。,突变株（mutant）,野生型菌株（wild type str
3、ain）,（一）突变类型,凡能用选择性培养基（或其他选择性培养条件）快速选择出来的突变株。,选择性突变株（selective mutant）,非选择性突变株（non-selective mutant）,反之。,表型,基因型,这里主要介绍几种常用的由于基因突变而造成微生物表型变化 的突变型及其分离,link1,突变株的表型,非选择性突变株,选择性突变株,抗性突变型（株）,营养缺陷型（株）,条件致死突变型（株）,形态突变型（株）,抗原突变型（株）,产量突变型（株）,突变率,每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率,例如，突变率为10-8的， 指该细胞在1亿次细胞分裂中，会发生1次突变。,某一单位
4、群体在每一世代（即分裂1次）中产生突变株（mutant，即突变型）的数目来表示,例如，一个含108个细胞的群体，当其分裂为2108个细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是10-8。,（二）突变率（mutation rate）,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。,同一细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的。,（三）基因突变的特点,基因突变的7个共同点,（1）自发性,各种性状的突变， 可在无人为的诱变因素处理下自发地产生。,（2）非对应性,突变的性状与引起突变的原因间 无直接的对应关系。,这是突变的一个重要特点，也是容易引起争论的问题,（3）稀有性,自发突变虽可
5、随时发生， 但其突变率却是极低和稳定的，一般在10-610-9间。,某基因的突变率不受它种基因突变率的影响。,（5）可诱变性,自发突变的频率可因诱变剂（mutagen）的影响而大为提高（10105倍）。,（4）独立性,基因突变后的新遗传性状是稳定的、可遗传的。,野生型菌株某一性状可发生正向突变（forward mutation），也可发生相反的回复突变（reverse mutation或back mutation ，也称回变）。,（7）可逆性,（6）稳定性,（四）基因突变自发性和不对应性 的实验证明,如何证明基因突变的非对应性？,1.变量试验（fluctuation test）,又称波动试验或
6、彷徨试验。1943年，S. E. Luria和M. Delbrck根据统计学的原理，设计实验。,Salvador Luria,Max Delbruck,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,甲管,乙管,（五）基因突变及其机制,仅影响一对碱基,影响一段染色体,诱发突变简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。,1.诱发突变（induced mutation）,凡具有诱变效应的任何因素，都称诱变剂（mutagen）。,(1)碱基的置换（substitution）,碱基的置换只涉及一对碱基被另一对碱基
7、所置换，属于典型的点突变（pointmutation）。,染色体的微小损伤（microlesion）,碱基的置换,转换（transition）,颠换（transversion）,一个嘌呤,另一个嘌呤,一个嘧啶,另一个嘧啶,一个嘌呤,另一个嘌呤,一个嘧啶,另一个嘧啶,置换的机制, 直接引起置换的诱变剂,一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的化学诱变剂，在体内（in vivo）或离体（in vitro）条件下均有作用。,各种烷化剂（alkylating agent）等,硫酸二乙酯（DES）， 甲基磺酸乙酯（EMS）， 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，
8、氮芥等。,亚硝酸,羟胺,它们可与一个或几个碱基发生生化反应， 引起DNA复制时发生转换， 能引起颠换的诱变剂很少。, 间接引起置换的诱变剂,引起这类变异的诱变剂都是一些碱基类似物（base analog）。,5-溴尿嘧啶（5-BU）、 5-氨基尿嘧啶（5-AU）、 8-氮鸟嘌呤（8-NG）、 2-氨基嘌呤（2-AP） 6-氯嘌呤（6-CP）等。,它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子中 后而引起的，故是间接的。,(2)移码突变（frame-shift mutation，phase-shift mutation）,指诱变剂使DNA序列中的一个或少数几个核苷酸发生增添（插入）或缺失，从而
9、使其后面的全部遗传密码发生阅读框发生改变，并进一步引起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-shift mutant）。,DNA分子的微小损伤,点突变,能引起移码突变的有效诱变剂吖啶类染料,原黄素,吖啶黄,吖啶橙,-氨基吖啶,ICR类的化合物,由吖啶类化合物诱发的移码突变及其回复突变图示： （双线部分代表正常密码子，单线部分表示不正常）, 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：, 增添一个碱基和缺失一个碱基后，其后的密码子又恢复正常：, 如缺失三个碱基，也只引起一段密
10、码子不正常：, 增添三个碱基后，只引起一段密码子不正常：,吖啶类化合物引起移码突变的机制：,在DNA复制过程中使链上增添或缺失一个碱基，引起移码突变。,吖啶类化合物,嘌呤嘧啶对,平面型三环分子,结 构 相 似,嵌入,两个相邻的DNA碱基对之间,造成,双螺旋的部分解开,(3)染色体畸变（chromosomal aberration）,电离辐射（X射线等） 烷化剂 亚硝酸等,某些强烈理化因子,引起,点突变,DNA的大损伤（macrolesion）,DNA的大损伤（macrolesion）,染色体畸变,缺失（deletion）,重复（duplication）,插入（insertion）,易位（tra
11、nslocation）,倒位（inversion）,染色体结构上,染色体数目的变化,DNA序列通过非同源重组的方式， 从染色体某一部位转移到 同一染色体上另一部位 或其他染色体上某一部位的现象， 称为转座（transposition）。,凡具有转座作用的一段DNA序列，称转座因子 （transposible element，TE），又称跳跃基因 （jumping gene）、可移动基因（moveable gene）、 可移动遗传因子（mobile genetic element）。,2.自发突变（spontaneous mutation）,自发突变（spontaneous mutation）是
12、指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。,自发突变的原因,（1）背景辐射和环境因素,（3）DNA复制过程中碱基配对错误,（2）微生物自身有害代谢产物,一个1000bp的基因自发突变频率约为10-6,例如，过氧化氢等,例如，天然的宇宙射线等,（六）紫外线对DNA的损伤及其修复,嘧啶（敏感性）嘌呤,紫外线（ultraviolet ray，U.V.）,嘧啶二聚体（TT，TC，CC）和水合物,把经UV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。,1. 光复活作用（photoreactivation，photorestoration）,最早是A. Kelner（19
13、49）在Streptomyces griseus（灰色链霉菌）中发现的。后来，在许多微生物中都得到了证实。,最明显的是在E.coli的实验 对照：8106个mLE.coli 100个mLE.coli 试验：8106个mLE.coli2106个mLE.coli,UV,UV,360490nm,可见光，30min,使二聚体（dimer）重新分解成单体（monomer）,带有嘧啶二聚体的DNA分子,DNA分子,UV照射,黑暗下结合,光激活酶光解酶 （光裂合酶，photolyase）,复合物,300500nm可见光 获得光能而激活,释放光解酶,在一般的微生物中都存在光复活作用，在利用UV进行诱变育种等工
14、作时，应在红光下进行照射和后续操作，并放置在黑暗条件下培养。,注 意,2.切除作用（excision repair）,是活细胞内一种用于修复被UV等诱变剂（包括烷化剂、X射线和射线等）损伤后DNA的修复方式之一，又称暗修复（dark repair），通过酶切作用去除嘧啶二聚体，随后重新合成一段正常DNA链的核酸修复方式。,酶切,合成,切开,切除,聚合,连接,二、突变与育种 （一）自发突变与育种 （breeding by spontaneous mutation） 1. 从生产中育种,在生产第一线易获得较优良的生产菌株。,2. 定向培育优良菌株,定向培育是一种利用微生物自发突变，并采用特定的选择
15、条件，通过对微生物群体不断移植以选育出较优良菌株的古老方法。,（二）诱变育种（breeding by induced mutation）,诱变育种是指利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选出少数符合育种目的的突变株，以供科学实验或生产实践使用。,筛选,诱变,诱变育种,定向的更重要,随机的,可获得供工业和实验室应用的各种菌株； 提高有用代谢产物的产量； 减少杂质、提高产品质量、扩大品种和简化工艺等。,诱变育种具有重大的实践意义,诱变育种的特点,（1）提高突变率，扩大突变谱 （2）有效地改良个别、单一性状 （3）
16、缩短育种年限 （4）定向变异和有益突变的频率低,1. 诱变育种的基本环节,出发菌株,纯化、同步培养,培养液,离心收集细胞，洗涤，制菌悬液玻璃珠打散，过滤,细胞或孢子悬液,诱变处理,平板分离,初筛,复筛,保藏及扩大试验,活菌计数，诱变预备试验,存活细胞计数，致死率计算,变异率计算,2. 诱变育种中的原则 （1）选择简便有效的诱变剂,诱变剂 （mutagen）,物理因素,化学诱变剂,非电离辐射类的紫外线、激光和离子束（ion beam，有小型加速器提供）等,引起电离辐射的X射线、射线和快中子等,主要有烷化剂、碱基类似物和吖啶类化合物,烷化剂可与巯基、氨基和羧基等直接发生反应，更易引起基因突变。,最常用的烷化剂 N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍（NTG）、 甲基磺酸乙酯（EMS）、 甲基亚硝基脲（NMU）、 硫酸二乙酯（DES）、 氮芥、乙烯亚胺和环氧乙烷等。,拟辐射物质,氮芥、硫芥
