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1、微生物的遗传育种微生物的遗传育种一、几个基本概念一、几个基本概念遗传遗传(heredity)：生物的上一代将自己的一整套生物的上一代将自己的一整套遗传因子传递给下一代的遗传因子传递给下一代的行为或功能行为或功能，具有极其，具有极其稳定（保守）稳定（保守）的特性。的特性。遗传型（或基因型）遗传型（或基因型）(genotype)genotype)：某一生物个体某一生物个体所含有的全部遗传因子即所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信基因组所携带的遗传信息息。表型表型(phenotype)：某一生物体所具有的一切某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是外表特征及内在特性的总和，是遗传型在
2、合适遗传型在合适环境下通过代谢和发育而得到的具体表现环境下通过代谢和发育而得到的具体表现。遗传型（可能性）遗传型（可能性）+环境条件环境条件 表型（现实性）表型（现实性）变异变异(variation)：生物体在某种外因或内因的生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质作用下所引起的遗传物质结构或数量结构或数量的改变，的改变，即即遗传型的改变遗传型的改变。饰变饰变(modification)：外表的修饰性改变，不涉外表的修饰性改变，不涉及遗传物质结构改变，而只发生在转录、转译及遗传物质结构改变，而只发生在转录、转译水平上的水平上的表型变化表型变化。饰变是。饰变是不遗传不遗传的的 。二、遗传变
3、异的物质基础二、遗传变异的物质基础三个经典实验三个经典实验1.肺炎链球菌的转化实验肺炎链球菌的转化实验2.噬菌体的感染实验噬菌体的感染实验3.植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验1、Discovery of bacterial transformation（转化）转化）1928，Fred Griffith discovered the phenomenon of transformation in Streptococcus pneumoniae（肺炎链球菌）肺炎链球菌）He proposed the concept of transforming principle.Live SDead S
4、Live RDead SLive RNon-pathogenic R strainPathogenic S strainDiscovery of DNA as genetic material（一）一）细菌培养试验细菌培养试验热死热死S S菌菌 培养皿培养培养皿培养 不生长不生长活活R R菌菌 培养皿培养培养皿培养 长出长出R R菌菌热死热死S S菌菌+活活R R菌菌 培养皿培养培养皿培养 长出大量长出大量R R菌及菌及1010-6-6S S菌菌S S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验活活R R菌菌+S+S菌无细胞抽提液菌无细胞抽提液 培养皿培养培养皿培养 长出大量长出大量R R菌和
5、少量菌和少量S S菌菌Discovery of DNA as genetic material（二）二）+S DNA +S DNA及及DNA酶以外的酶酶以外的酶 +S DNA和和DNA酶酶 Live R +S RNA +S protein +S capsule polysaccharide Live SLive R 1944,O.T.Avery,C.M.Macleod and M.McCarty discovered the genetic material-DNA 2、Phage infection1952,Hershey and Chase,demonstrated conclusivel
6、y that DNA is the genetic material by using radioactively labeled phage virus T2 as experimental modelPhage infectionAttachment to cell surfaceInjection of genetic materials into host cellDirect the host cell to make new virus particles3、TMV重建实验重建实验1956，H.Fraenkel-ConratTMV:烟草花叶病毒烟草花叶病毒;HRV:霍氏车前花叶病毒
7、霍氏车前花叶病毒核酸在胞内存在的七个水平核酸在胞内存在的七个水平细胞水平：细胞水平：单细胞与多细胞、性细胞与体细胞、单细胞与多细胞、性细胞与体细胞、单核与多核细胞；单核与多核细胞；细胞核水平：细胞核水平：真核与原核、核内与核外、单核与真核与原核、核内与核外、单核与多核等；多核等；染色体水平：染色体水平：一套染色体、多套染色体、染色体一套染色体、多套染色体、染色体基因组的大小等；基因组的大小等；核酸水平：核酸水平：是是DNA还是还是RNA、是复合还是裸露、是复合还是裸露、是长还是短等；是长还是短等；基因水平：基因水平：依基因功能可分为结构基因及调控依基因功能可分为结构基因及调控基因等；基因等；密
8、码子水平：密码子水平：结构密码子、起始与终止密码子结构密码子、起始与终止密码子等；等；碱基水平：碱基水平：突变的最低交换单位有突变的最低交换单位有A、T、G、C等。等。三、基因突变三、基因突变（Gene mutation）基因突变（突变）基因突变（突变）：细胞内（或病毒体内）遗：细胞内（或病毒体内）遗传物质的传物质的分子结构或数量分子结构或数量突然发生的可遗传的突然发生的可遗传的变化，突变概率一般为变化，突变概率一般为10-610-9。突变率突变率：某一细胞（或病毒体）某一细胞（或病毒体）在在每一世代每一世代中中发生发生某一性状某一性状突变的几率。突变一般是突变的几率。突变一般是独立独立发发生
9、的，双重突变的几率是各个突变几率的生的，双重突变的几率是各个突变几率的乘积乘积。1、基因突变的特点、基因突变的特点自发性：自发性：突变可以在没有人为的诱变因素处理下突变可以在没有人为的诱变因素处理下自发产生。自发产生。稀有性：稀有性：突变率极低。突变率极低。诱变性：诱变性：通过诱变剂的作用提高自发突变几率。通过诱变剂的作用提高自发突变几率。独立性：独立性：突变的发生一般是独立的。突变的发生一般是独立的。稳定性：稳定性：新的诱变性状是稳定的、可遗传的。新的诱变性状是稳定的、可遗传的。可逆性：可逆性：野生型基因野生型基因 突变型基因突变型基因不对称性不对称性：突变性状与引起突变的原因间无直突变性状
10、与引起突变的原因间无直接的对应关系。接的对应关系。正向突变正向突变回复突变回复突变2、基因突变的自发性、基因突变的自发性与不对称性的证明与不对称性的证明变量试验变量试验（fluctuation test）1943年，年，S.E.Luria和和M.Delbrck涂布试验涂布试验（newcombe experiment）1949年，年，Newcombe平板影印培养试验平板影印培养试验（replica plating）1952年，年，J.Lederberg3、突变类型突变类型非选择性突变株非选择性突变株形态突变型形态突变型(morphological mutant)抗原突变型抗原突变型(antige
11、nic mutant)产量突变型产量突变型(producing mutant)选择性突变株选择性突变株条件致死突变型条件致死突变型(conditional lethal mutant)抗性突变型抗性突变型(resistant mutant)营养缺陷型营养缺陷型(auxotroph)营养缺陷型营养缺陷型营养缺陷型：野生型菌株因发生基因突变而丧失合成营养缺陷型：野生型菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法在法在基本培养基基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。上正常生长繁殖的变异类型。野生型野生型(wild type)
12、：从自然界分离到的在发生人为从自然界分离到的在发生人为营养缺陷突变前的原始菌株。营养缺陷突变前的原始菌株。原养型原养型(prototroph)：营养缺陷型突变株经营养缺陷型突变株经回变或回变或重组重组后产生的菌株，其营养要求在表型上与野生型后产生的菌株，其营养要求在表型上与野生型相同。相同。4、UV对对DNA的损伤及其修复的损伤及其修复UV的作用机制的作用机制：使：使同链同链DNA的相邻嘧啶的相邻嘧啶形成共价形成共价结合的结合的嘧啶二聚体嘧啶二聚体，减弱双链间氢键的作用，并引，减弱双链间氢键的作用，并引起双链结构扭曲变形，起双链结构扭曲变形，阻碍碱基间的正常配对阻碍碱基间的正常配对，从，从而有
13、可能引起突变或死亡。而有可能引起突变或死亡。光复活作用光复活作用：把经：把经UV照射后的微生物照射后的微生物立立即即暴露于暴露于可见光可见光下时，可明显下时，可明显降低其死降低其死亡率亡率的现象。所以在进行紫外线诱变育的现象。所以在进行紫外线诱变育种时，只能在种时，只能在红光红光下进行照射和后续操下进行照射和后续操作，并在作，并在黑暗黑暗条件下培养。条件下培养。光解酶光解酶暗修复作用暗修复作用（切除修复）（切除修复）内切核酸酶内切核酸酶外切核酸酶外切核酸酶DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA连接酶连接酶四、菌种选育四、菌种选育选种选种从自然界中选种从自然界中选种样品采集样品采集增殖培养（富集培
14、养）增殖培养（富集培养）分离纯化：平板划线分离法、平板表面分离纯化：平板划线分离法、平板表面涂布法、琼脂培养基浇注法。涂布法、琼脂培养基浇注法。从生产中选种从生产中选种定向培育优良菌株定向培育优良菌株一种利用微生物的一种利用微生物的自发突变自发突变，并采用特定的，并采用特定的选择条件选择条件，通过对微生物群体不断移植以选，通过对微生物群体不断移植以选育出较优良菌株的育出较优良菌株的古老方法古老方法。卡介苗卡介苗诱变育种诱变育种利用物理、化学等诱变剂处理利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分均匀而分散散的微生物细胞群，促进其突变率显著的微生物细胞群，促进其突变率显著提高，然后采用简便、快速和高效的筛
15、提高，然后采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选选方法，从中挑选少数少数符合目的的突变符合目的的突变株。包括株。包括诱变诱变和和筛选筛选两个环节，其中筛两个环节，其中筛选更重要。选更重要。诱变育种的基本环节诱变育种的基本环节诱变育种步骤诱变育种步骤1.1.选择选择简便有效简便有效的诱变剂的诱变剂物理诱变剂：物理诱变剂：UVUV、激光；激光；X X射线、射线、射线和快射线和快中子中子化学诱变剂：烷化剂、碱基类似物和丫啶类化化学诱变剂：烷化剂、碱基类似物和丫啶类化合物合物2.2.挑选挑选优良的优良的出发菌株出发菌株3.3.处理单孢子（或单细胞）悬液处理单孢子（或单细胞）悬液4.4.选用最适的选用
16、最适的诱变剂量诱变剂量UVUV剂量指强度与作用时间的乘积；剂量指强度与作用时间的乘积；常以常以杀菌率杀菌率作为诱变剂的作为诱变剂的相对剂量相对剂量；多采用杀菌率为多采用杀菌率为707075%75%甚至更低甚至更低（303070%70%）的相对剂量。）的相对剂量。5.充分利用复合处理的充分利用复合处理的协同效应协同效应6.设计或采用高效设计或采用高效筛选筛选方案或方法方案或方法1)初筛：以初筛：以量量为主，利用和创造形态、生理与产为主，利用和创造形态、生理与产量间的量间的相关指标相关指标，可在培养皿或摇瓶中进行。，可在培养皿或摇瓶中进行。2)复筛：以复筛：以质质为主，一般采用摇瓶培养或台式发为主，一般采用摇瓶培养或台式发酵罐进行发酵，然后对培养液进行分析测定，酵罐进行发酵，然后对培养液进行分析测定，选出较理想的菌种。选出较理想的菌种。诱变因子的复合处理及其诱变因子的复合处理及其协同效应协同效应 菌种菌种 单单 独独 处处 理理 复复 合合 处处 理理 诱变剂诱变剂 突变率突变率%诱变剂诱变剂 突变率突变率%土曲霉土曲霉 紫外线紫外线 21.3 21.3 X X射线射线+紫外线紫外线 42
