微生物的遺傳變異與菌種選育

1、第六章第六章 微生物的遺傳變異與菌種選育微生物的遺傳變異與菌種選育w 在應(yīng)用微生物加工制造和發(fā)酵生產(chǎn)各種食品的過程在應(yīng)用微生物加工制造和發(fā)酵生產(chǎn)各種食品的過程中，要想有效地大幅度提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和花色品中，要想有效地大幅度提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和花色品種種, ,首先必須選育優(yōu)良的生產(chǎn)菌種，才能達到目的。而首先必須選育優(yōu)良的生產(chǎn)菌種，才能達到目的。而優(yōu)良菌種的選育是在微生物遺傳變異的基礎(chǔ)上進行的。優(yōu)良菌種的選育是在微生物遺傳變異的基礎(chǔ)上進行的。遺傳和變異是相互關(guān)聯(lián)，同時又相互矛盾對立的兩個方遺傳和變異是相互關(guān)聯(lián)，同時又相互矛盾對立的兩個方面，在一定條件下，二者是相互轉(zhuǎn)化的。認識和掌握微面，在一

2、定條件下，二者是相互轉(zhuǎn)化的。認識和掌握微生物遺傳變異的規(guī)律是搞好菌種選育和關(guān)鍵。生物遺傳變異的規(guī)律是搞好菌種選育和關(guān)鍵。本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 w 證明核酸是遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)的經(jīng)典實驗證明核酸是遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)的經(jīng)典實驗 w 肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗w 噬菌體的感染實驗噬菌體的感染實驗w 煙草花葉病毒的拆開與重組實驗煙草花葉病毒的拆開與重組實驗 w1952 年侯喜年侯喜(A. Hershey)和蔡斯和蔡斯(M. Chase)利利用示蹤元素，對大腸桿菌用示蹤元素，對大腸桿菌 T2 噬菌體進行了噬菌體進行了這類實驗。這類實驗。w先用含有先用含有 35S 和和 32P 兩種元素的培

3、養(yǎng)基培養(yǎng)兩種元素的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌，然后讓大腸桿菌，然后讓 T2 噬菌體侵染培養(yǎng)后的噬菌體侵染培養(yǎng)后的大腸桿菌，從而使大腸桿菌，從而使 T2 噬菌體打上噬菌體打上 35S 和和 32P 的標記。的標記。 w讓這種讓這種 T2 噬菌體侵染不含標記元素的大腸噬菌體侵染不含標記元素的大腸桿菌，并在桿菌，并在 T2 噬菌體完成了吸附和侵入后，噬菌體完成了吸附和侵入后， w強烈攪拌強烈攪拌洗滌洗滌，以便使吸附在菌體外表的，以便使吸附在菌體外表的 T2 噬菌體蛋白質(zhì)外殼脫離細胞并均勻分布，噬菌體蛋白質(zhì)外殼脫離細胞并均勻分布，再進行離心沉淀，分別測定沉淀物和上清液再進行離心沉淀，分別測定沉淀物和上清液中的

4、同位素標記。中的同位素標記。w 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，幾乎全部結(jié)果發(fā)現(xiàn)，幾乎全部 35S 都在上清液中，都在上清液中，而幾乎全部而幾乎全部 32P 和細菌一起出現(xiàn)在沉淀物中。和細菌一起出現(xiàn)在沉淀物中。 煙草花葉病毒的拆開與重組實驗煙草花葉病毒的拆開與重組實驗 w1956 年，美國的法朗克年，美國的法朗克- -康勒特康勒特(Fraenkel- -Conrat)w將煙草花葉病毒拆成將煙草花葉病毒拆成RNA(因該病毒不含因該病毒不含DNA)和蛋白質(zhì)，并分別對煙草進和蛋白質(zhì)，并分別對煙草進行感染實驗；行感染實驗；w結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有 RNA能感染煙草，并在感染后的寄主中分離到完整的具蛋能感染煙草，并在感染后

5、的寄主中分離到完整的具蛋白質(zhì)外殼的煙草花葉病毒。白質(zhì)外殼的煙草花葉病毒。w 后來他又將甲、乙兩種變種的煙草花葉病毒拆開，在體外分別將甲病后來他又將甲、乙兩種變種的煙草花葉病毒拆開，在體外分別將甲病毒的毒的 RNA和乙病毒的蛋白質(zhì)結(jié)合，將乙病毒的和乙病毒的蛋白質(zhì)結(jié)合，將乙病毒的RNA 和甲病毒的蛋白質(zhì)和甲病毒的蛋白質(zhì)結(jié)合進行重組。結(jié)合進行重組。w接著他把這些經(jīng)過重組的病毒分別感染煙草。結(jié)果從寄主分離所得的病接著他把這些經(jīng)過重組的病毒分別感染煙草。結(jié)果從寄主分離所得的病毒蛋白質(zhì)均取決于相應(yīng)病毒的毒蛋白質(zhì)均取決于相應(yīng)病毒的 RNA。證明了核酸證明了核酸(RNA)是煙草花葉病毒是煙草花葉病毒的遺傳物質(zhì)

6、基礎(chǔ)。的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)。 （一）細胞水平（一）細胞水平w 從細胞水平來看，細胞核；除此之外，在細胞質(zhì)中存在著一些能從細胞水平來看，細胞核；除此之外，在細胞質(zhì)中存在著一些能自我復(fù)制的遺傳物質(zhì)，一般稱這部分自我復(fù)制的遺傳物質(zhì)，一般稱這部分DNA DNA 為質(zhì)粒。為質(zhì)粒。w （二）亞細胞核水平（二）亞細胞核水平w 真核微生物的細胞核有核膜包圍，形成具有完整形態(tài)、在光學(xué)顯微鏡真核微生物的細胞核有核膜包圍，形成具有完整形態(tài)、在光學(xué)顯微鏡下清晰可見的細胞核，核內(nèi)下清晰可見的細胞核，核內(nèi)DNA DNA 與組蛋白結(jié)合在一起構(gòu)成染色體。與組蛋白結(jié)合在一起構(gòu)成染色體。 （三）分子水平（三）分子水平w DNADNA（

7、 RNA RNA）在在DNA DNA 大分子上存在著決定某些遺傳性狀的特定區(qū)大分子上存在著決定某些遺傳性狀的特定區(qū)段，即所謂基因段，即所謂基因一個基因含若干核苷酸堿基組成的三聯(lián)密。一個基因含若干核苷酸堿基組成的三聯(lián)密。w 四種核苷酸，按其排列組合方式的不同，可編出三聯(lián)密碼四種核苷酸，按其排列組合方式的不同，可編出三聯(lián)密碼 4 43 36464個，個，用于決定組成蛋白質(zhì)的用于決定組成蛋白質(zhì)的20 20 種氨基酸順序。起始密碼（種氨基酸順序。起始密碼（AUGAUG）和終止密和終止密碼（碼（UAAUAA、UGAUGA和和UAGUAG）。）。 w 一、基因突變的類型一、基因突變的類型w 基因突變的類型

8、是多種多樣的，按突變體表型不同，可分為以下基因突變的類型是多種多樣的，按突變體表型不同，可分為以下幾種類型：幾種類型：w （1）形態(tài)突變型。形態(tài)突變型。w （2）條件致死突變型。條件致死突變型。w （3）營養(yǎng)缺陷突變型。營養(yǎng)缺陷突變型。w （4）抗性突變型?？剐酝蛔冃汀 （5）抗原突變型。抗原突變型。w （6）其他突變型。）其他突變型。 w w 雙鏈DNA 單鏈DNA 。 w染色體畸變是指由誘變劑引起染色體畸變是指由誘變劑引起DNA 分子的大損傷，它包括染色體結(jié)構(gòu)上的分子的大損傷，它包括染色體結(jié)構(gòu)上的缺失、重復(fù)、易位及倒位等。缺失、重復(fù)、易位及倒位等。w紫外線、紫外線、X 射線、射線、射線等

9、射線及亞硝酸、烷化劑等均能引起染色體畸變，射線等射線及亞硝酸、烷化劑等均能引起染色體畸變，尤其是紫外線能引起尤其是紫外線能引起DNA 分子多處較大的損傷。分子多處較大的損傷。w紫外線主要通過在同鏈紫外線主要通過在同鏈DNA 相鄰的嘧啶間或在互補雙鏈間形成以共價鍵結(jié)相鄰的嘧啶間或在互補雙鏈間形成以共價鍵結(jié)合的胸腺嘧啶二聚體，合的胸腺嘧啶二聚體，w微生物能以多種方式去修復(fù)被紫外線損作后的微生物能以多種方式去修復(fù)被紫外線損作后的 DNA，主要方式有兩種：主要方式有兩種：w （1 1）光復(fù)活作用。）光復(fù)活作用。 w 由于微生物中一般都存在著光復(fù)合作用，因此，用紫外線照射菌液時都由于微生物中一般都存在著

10、光復(fù)合作用，因此，用紫外線照射菌液時都須在紅光下進行操作處理微生物，而后在暗室或用黑布包起來培養(yǎng)。須在紅光下進行操作處理微生物，而后在暗室或用黑布包起來培養(yǎng)。w （2 2） 暗修復(fù)作用。也稱切除修復(fù)作用。暗修復(fù)作用。也稱切除修復(fù)作用。w X 射線和射線和 射線為電離輻射，含有很高的能量，能產(chǎn)生電離作用，因射線為電離輻射，含有很高的能量，能產(chǎn)生電離作用，因而能直接或間接地改變而能直接或間接地改變DNA 結(jié)構(gòu)。直接的效應(yīng)是堿基的化學(xué)鍵，脫氧核糖結(jié)構(gòu)。直接的效應(yīng)是堿基的化學(xué)鍵，脫氧核糖的化學(xué)鍵和糖的化學(xué)鍵和糖酸相連接的化學(xué)鍵斷裂；酸相連接的化學(xué)鍵斷裂； w 受體菌直接吸收來自供體菌的受體菌直接吸收來

11、自供體菌的DNA 片段，通過交換片段，通過交換組合把它整合到自己的基因組中，從而獲得了供體菌組合把它整合到自己的基因組中，從而獲得了供體菌的部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的受體菌，的部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的受體菌，稱為轉(zhuǎn)化子。供體菌的稱為轉(zhuǎn)化子。供體菌的DNA 片段稱為轉(zhuǎn)化因子。片段稱為轉(zhuǎn)化因子。w 只有處于感受態(tài)的細菌才能接受轉(zhuǎn)化因子，進行只有處于感受態(tài)的細菌才能接受轉(zhuǎn)化因子，進行轉(zhuǎn)化作用。轉(zhuǎn)化作用。 w轉(zhuǎn)化過程大致是這樣的：轉(zhuǎn)化過程大致是這樣的：w 從供體菌提取出轉(zhuǎn)化因子雙鏈從供體菌提取出轉(zhuǎn)化因子雙鏈DNA片段；片段；w 雙鏈雙鏈DNA 片段與感受態(tài)受體菌的細胞表面特片

12、段與感受態(tài)受體菌的細胞表面特定位點結(jié)合；定位點結(jié)合；w 在結(jié)合位點上，雙鏈在結(jié)合位點上，雙鏈DNA 中的一條單鏈逐步中的一條單鏈逐步降解，同時另一條鏈逐步進入受體細胞。降解，同時另一條鏈逐步進入受體細胞。w 進入受體細胞的進入受體細胞的DNA 單鏈與受體菌染色體組單鏈與受體菌染色體組上同源區(qū)段配對，而受體菌染色體組的相應(yīng)單鏈上同源區(qū)段配對，而受體菌染色體組的相應(yīng)單鏈片段被切除，并被進入受體細胞的片段被切除，并被進入受體細胞的DNA 單鏈所取單鏈所取代，于是形成了雜種代，于是形成了雜種DNA 區(qū)段；區(qū)段；w 受體菌染色體進行復(fù)制，其中雜種區(qū)段被分受體菌染色體進行復(fù)制，其中雜種區(qū)段被分離成兩個，一

13、個恢復(fù)，一個形成一個轉(zhuǎn)化子。離成兩個，一個恢復(fù)，一個形成一個轉(zhuǎn)化子。 w 1普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) 由缺陷型噬菌體誤包（而非整合）供體由缺陷型噬菌體誤包（而非整合）供體細菌細菌DNA 中的任何一部分片段（包括核外遺傳物質(zhì)在內(nèi)）中的任何一部分片段（包括核外遺傳物質(zhì)在內(nèi)）后，當它再次感染受體細菌時，使后者獲得了這部分遺傳后，當它再次感染受體細菌時，使后者獲得了這部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。它的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為性狀的現(xiàn)象，稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。它的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為 105108。 2局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo) 由溫和噬菌體侵染而形成的某一溶源細由溫和噬菌體侵染而形成的某一溶源細菌群被誘導(dǎo)裂解時，其中極少數(shù)個體的菌群被

14、誘導(dǎo)裂解時，其中極少數(shù)個體的DNA 可能與噬菌可能與噬菌體體DNA 發(fā)生若干特定基因的交換，從而被整合到噬菌體發(fā)生若干特定基因的交換，從而被整合到噬菌體的基因組上，當該噬菌體再次感染受體細菌時，就使受體的基因組上，當該噬菌體再次感染受體細菌時，就使受體細菌獲得了這一特定遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)，細菌獲得了這一特定遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)，它的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為它的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為 10-6。w 通過供體細菌和受體細菌完整細胞間的直接接觸而傳遞大段通過供體細菌和受體細菌完整細胞間的直接接觸而傳遞大段DNA 的的過程，稱為接合（有時也稱雜交）。過程，稱為接合（有時也稱雜交）。 w 在細菌中，接合現(xiàn)象

15、研究最清楚的是大腸桿菌。發(fā)現(xiàn)能夠進行在細菌中，接合現(xiàn)象研究最清楚的是大腸桿菌。發(fā)現(xiàn)能夠進行接合現(xiàn)象的大腸桿菌有雄性與雌性之分，而決定它們性別的是由是接合現(xiàn)象的大腸桿菌有雄性與雌性之分，而決定它們性別的是由是否存在否存在 F 因子所決定。因子所決定。w F 因子又稱致育因子，是一種質(zhì)粒，分子量為因子又稱致育因子，是一種質(zhì)粒，分子量為 5107 道爾頓道爾頓；w 雌性細菌不含雌性細菌不含F(xiàn) 因子，稱為因子，稱為F - - 菌株菌株，w 雄性細菌含有游離存在的雄性細菌含有游離存在的F 因子，稱為因子，稱為F + + 菌株菌株，w 當當雄性細菌細胞中所含的雄性細菌細胞中所含的F 因子被整合在細胞核的因

16、子被整合在細胞核的DNA 上，不上，不呈游離狀態(tài)存在稱為呈游離狀態(tài)存在稱為Hfr 菌株菌株（高頻重組菌株高頻重組菌株）；w 有有時時被整合在細胞核被整合在細胞核DNA 上上的的F 因子，從因子，從DNADNA上面脫落下來，上面脫落下來，呈游離存在，但在脫落時，呈游離存在，但在脫落時，F(xiàn) 因子有時能帶一小段細胞核因子有時能帶一小段細胞核 DNA。我我們將這種含有游離存在的但又帶有一小段細胞核們將這種含有游離存在的但又帶有一小段細胞核DNA 的的F 因子的細因子的細菌稱為菌稱為 F菌株菌株。 （四）溶源性轉(zhuǎn)變（四）溶源性轉(zhuǎn)變 w w 一、從自然界中分離篩選菌種的方法步驟一、從自然界中分離篩選菌種的

17、方法步驟 方法、地點、時間和周圍環(huán)境記錄方法、地點、時間和周圍環(huán)境記錄純種分離的原則就是使培養(yǎng)物獲得單個菌落：純種分離的原則就是使培養(yǎng)物獲得單個菌落：1稀釋分離法稀釋分離法 2平板劃線分離法平板劃線分離法 涂菌涂菌： 劃線分離劃線分離：分步劃線法分步劃線法；一次劃線法：一次劃線法： 3組織分離法組織分離法 出發(fā)菌株出發(fā)菌株同步培養(yǎng)同步培養(yǎng) 使菌細胞處于相同或接近的生理狀態(tài)使菌細胞處于相同或接近的生理狀態(tài)單細胞（或單孢子）菌懸液的制備單細胞（或單孢子）菌懸液的制備 單細胞或單孢子的意義單細胞或單孢子的意義 酵母或霉菌孢子酵母或霉菌孢子10106 6 / /ml ml 、細菌、細菌10108 8

18、/ /ml ml 誘變劑的選擇及其劑量的確定誘變劑的選擇及其劑量的確定 以致死率為以致死率為9099 為宜為宜誘變處理誘變處理 物理誘變劑物理誘變劑 化學(xué)誘變劑化學(xué)誘變劑 2營養(yǎng)缺陷型菌株篩選的一般方法營養(yǎng)缺陷型菌株篩選的一般方法 20種氨基酸的排列編組種氨基酸的排列編組 w w 1提取目的基因 用密度梯度離心方法分別從供體細胞中提取所需要的DNA即目的基因和作為載體的細菌質(zhì)?；蚴删w核酸，目的基因也可通過化學(xué)方法人工合成。w 2處理目的基因 根據(jù)基因工程的“設(shè)計藍圖”的要求，在從供體細胞中提取出的目的基因中加入專一性很強的限制性核酸內(nèi)切酶進行處理，從而獲得帶有特定基因并暴露出粘性末端的DNA單鏈部分。必要時