微生物的遗传变异与菌种选育_1课件

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1、第六章 微生物的遗传变异与菌种选育,在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品的过程中，要想有效地大幅度提高产品的产量、质量和花色品种,首先必须选育优良的生产菌种，才能达到目的。而优良菌种的选育是在微生物遗传变异的基础上进行的。遗传和变异是相互关联，同时又相互矛盾对立的两个方面，在一定条件下，二者是相互转化的。认识和掌握微生物遗传变异的规律是搞好菌种选育和关键。,本章主要内容,微生物遗传变异的基本原理 关于微生物遗传变异的物质基础及其存在形式。 关于微生物基因突变的基本原理（类型、特点和机制）。 关于微生物基因重组的基本原理（方式和特点）。 微生物菌种的选育 关于野生型微生物菌菌株分离、筛选与纯化

2、。 关于微生物的诱变育种的工作程序和方法步骤。 关于营养缺陷型突变菌株的筛选方法和具体应用。 原生质体融合育种技术的操作程序。 基因工程育种技术的操作步骤和取得的成就。 微生物菌种退化的原因；掌握菌种复壮的方法、防止菌种退化的措施以及菌种保藏的方式和原理。,重点,重点,理解,理想的工业发酵菌种应符合以下要求：,遗传性状稳定； 生长速度快，不易被噬菌体等异种微生物污染； 目标产物的产量尽可能接近理论转化率； 目标产物最好能分泌到细胞外，以降低产物抑制并利于分离； 尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产量并利于分离； 培养基成分简单、来源广、价格低廉； 对温度、pH、离子强度、剪切力等环境

3、因素不敏感； 对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。,了解,微生物的独特生物学特性：,（1） 个体的体制极其简单； （2） 营养体一般都是单倍体； （3） 易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖； （4） 繁殖速度快； （5） 易于积累不同的中间代谢产物或终产物； （6） 菌落形态特征的可见性和多样性； （7） 环境条件对微生物群体中各个个体作用的直接性和均一性； （8） 易于形成营养缺陷型； （9） 各种微生物一般都有相应的病毒； （10） 存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式；,了解,微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的生物学基本理论问题中最热衷的研究对象。 对微生物遗传规律的深入研

4、究，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育种工作提供了丰富的理论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。,研究微生物遗传学的意义,了解,种质连续理论：18831889年间Weissmann提出。认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物。 基因学说：1933年摩尔根（Thomas Hunt Morgan）发现了染色体，并证明基因在染色体上呈直线排列，提出了基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。 但染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。20多种氨基酸经过不同排列组合，可以演变出的蛋白质数目几乎可以达到一个天文数字，

5、而核酸的组成却简单得多，一般仅由4种不同的核苷酸组成，它们通过排列核组合只能产生较少种类的核酸，因此当时认为决定生物遗传型的染色体和基因，起活性成分是蛋白质。 DNA是遗传变异的物质基础的证明：1944年以后，先后有利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证（肺炎球菌的转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验），才使人们普遍接受核酸才是真正的遗传物质。,掌握,第一节 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,理解,肺炎双球菌的转化实验,F.Griffith，研究对象：Streptococcus

6、pneumoniae（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,Griffith 转化试验示意,混合培养,RII型活菌,SIII型活菌,SIII型热死菌,RII型活菌,SIII型活菌,健康,健康,健康,健康,健康,健康,健康,病死,病死,病死,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。,加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖,活R菌,长

7、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,1952 年侯喜(A. Hershey)和蔡斯(M. Chase)利用示踪元素，对大肠杆菌 T2 噬菌体进行了这类实验。 先用含有 35S 和 32P 两种元素的培养基培养大肠杆菌，然后让 T2 噬菌体侵染培养后的大肠杆菌，从而使 T2

8、 噬菌体打上 35S 和 32P 的标记。 让这种 T2 噬菌体侵染不含标记元素的大肠杆菌，并在 T2 噬菌体完成了吸附和侵入后， 强烈搅拌洗涤，以便使吸附在菌体外表的 T2 噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布，再进行离心沉淀，分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记。 结果发现，几乎全部 35S 都在上清液中，而几乎全部 32P 和细菌一起出现在沉淀物中。,A. D. Hershey和M. Chase， 1952年,（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中,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-

9、蛋白质的一组：放射性75%在上清液中,上清液中含 75%放射性,烟草花叶病毒的拆开与重组实验,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。,选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：,（1）RNA（TMV） 蛋白质（HRV） （2）RNA

10、（HRV） 蛋白质（TMV） 用两种杂合病毒感染寄主： （1）表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子 （2）表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子。 上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。,MTV HRV,HRV MTV,核酸存在的七个水平 细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 细胞核水平: 原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA 染色体水平: 倍性(真核)和染色体数 核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链 基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录翻译 密码子水平： 信息单位,起始和终止, 核苷酸

11、水平： 突变或交换单位，四种碱基,二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式,理解,第二节 微生物的基因突变,一、基因突变的类型 基因突变的类型是多种多样的，按突变体表型不同，可分为以下几种类型： （1）形态突变型。 （2）条件致死突变型。 （3）营养缺陷突变型。 （4）抗性突变型。 （5）抗原突变型。 （6）其他突变型。,二、基因突变的特点 整个生物界，由于它们遗传变异的物质基础是相同的，因此显示在遗传变异的本质上都具有相同的规律，这在基因突变的水平上尤其突出。 （1）不对应性。 （2）自发性。 （3）稀有性。 （4）独立性。 （5）诱变性。 （6）稳定性。 （7）可逆性。,三 、基因突变的机理

12、（一）诱发突变及其机理 1 碱基对的置换 直接引起置换的诱变剂 （亚硝酸类、烷化剂类） 间接引起置换的诱变剂 （碱基类似物） 2 移码突变 3 染色体畸变 （二）自发突变的机制 1 背景辐射和环境中多因素低剂量的诱变效应 2 微生物自身代谢产物的诱变效应 3 互变异构效应 4 环状突出效应,理解,突变的类型: 选择性突变株:营养缺陷型抗性突变型条件致死突变型 非选择性突变株:形态突变型抗原突变型产量突变型,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

13、所置换，称为颠换 A：T T：A A T C：G G：C C G 双链DNA 单链DNA （实线代表转换，虚线代表颠换）,直接引起置换的诱变剂,亚硝酸是一种对含有氨基的碱基对直接作用而诱发碱基对转换的诱变剂。它能使碱基中的氨基氧化脱氨，从而使腺嘌呤（A）变成次黄膘呤（H），胞嘧啶（C）变成尿嘧啶（U）， 而后由于H 和C 配对，U 与A 配对，因此当DNA 再次复制时，A:T 就转换为 G:C，而G:C 就转换为 A:T。,H:C H:C-G:C H:CG:C A:T H:T-A:T 亚硝酸类引起的碱基对置换,烷化剂是诱变育种极其重要的一类诱变剂，它们的化学结构都带有一个或多个活性烷基。所有这

14、些物质通过烷化磷酸基形成烷化嘌呤和烷化嘧啶与DNA 作用，特别是经常形成烷化鸟嘌呤。 烷化作用导致基因突变的机制尚未定论。 碱基类似物作用，引起碱基配对的错误。 烷基在鸟嘌呤 引起脱嘌呤作用，使鸟嘌呤从DNA 链上脱落下来，进而引起DNA 复制时碱基对的缺失和置换。,腺嘌呤（A）变成次黄嘌呤（H）后引起的转换过程：,腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（He） He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（HK） DNA复制时，HK 与胞嘧啶（C）配对 DNA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（5AU）、叠氮胸腺嘧啶

15、（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,移码突变,移码突变 这是指由一种诱变剂而引起DNA 分子中的一个或少数几个碱基插入或缺失，从而使该部位后面全部遗传密码发生转录错误的一类突变。 吖啶类染料及其化合物是移码突变的有效诱变剂，例如三氨基吖啶，吖啶黄，吖啶橙，5-氨基吖啶。 吖啶类化合物的诱变机制目前还不很清楚。现普遍认为，由于吖啶类化合物是一种平面型三环分子结构，与一个嘌呤:嘧啶碱基对相似，因此能够嵌入两个相邻的DNA碱基对之间，造成双螺旋的部分解开，从而在DNA 复制过程中，会使链上插入或缺失一个碱基，结果引起移码突变。,丫啶类化合物诱发的移码突变及其回复突变图示：,染色体畸变,染色体畸变是指由诱变剂引起DNA 分子的大损伤，它包括染色体结构上的缺失、重复、易位及倒位等。 紫外线、X 射