第五章微生物的遺傳變異和育種

1、 目的：對微生物遺傳變異規(guī)律目的：對微生物遺傳變異規(guī)律的深入研究，不僅促進了現(xiàn)代生的深入研究，不僅促進了現(xiàn)代生物學的發(fā)展，而且還為微生物育物學的發(fā)展，而且還為微生物育種工作提供了豐富的理論基礎。種工作提供了豐富的理論基礎。 w 基本概念基本概念又稱基因型，指某一生物個體所含有又稱基因型，指某一生物個體所含有的全部遺傳因子即基因組所攜帶的遺傳信息。的全部遺傳因子即基因組所攜帶的遺傳信息。指某一生物個體所具有的一切外表特指某一生物個體所具有的一切外表特征和內(nèi)在特性的總和，是其遺傳性在合適環(huán)境征和內(nèi)在特性的總和，是其遺傳性在合適環(huán)境條件下通過代謝和發(fā)育而得到的具體表現(xiàn)。條件下通過代謝和發(fā)育而得到的具

2、體表現(xiàn)。遺傳和變異是對立的統(tǒng)一體，遺傳使物種得以遺傳和變異是對立的統(tǒng)一體，遺傳使物種得以延續(xù)，變異則使物種不斷進化。延續(xù)，變異則使物種不斷進化。指微生物在某種外因或內(nèi)因的作用指微生物在某種外因或內(nèi)因的作用下所引起的遺傳物質結構或數(shù)量的改變，下所引起的遺傳物質結構或數(shù)量的改變，亦即遺傳型的改變。變化后的新性狀是穩(wěn)亦即遺傳型的改變。變化后的新性狀是穩(wěn)定的、可遺傳的。定的、可遺傳的。指外表的修飾性改變，即一種不涉指外表的修飾性改變，即一種不涉及遺傳物質結構改變而只發(fā)生在翻譯水平及遺傳物質結構改變而只發(fā)生在翻譯水平上的表型變化。飾變是不遺傳的。上的表型變化。飾變是不遺傳的。 注意區(qū)分：注意區(qū)分： 例如

3、，粘質沙雷氏菌，在例如，粘質沙雷氏菌，在2525下培養(yǎng)時，會下培養(yǎng)時，會產(chǎn)生一種深紅色的靈桿菌素，把菌落染成似產(chǎn)生一種深紅色的靈桿菌素，把菌落染成似鮮血那樣?？墒牵斉囵B(yǎng)在鮮血那樣?？墒?，當培養(yǎng)在3737下時，群體下時，群體中所有細胞都不產(chǎn)色素。如果重新降溫至中所有細胞都不產(chǎn)色素。如果重新降溫至2525，產(chǎn)色素能力又得到恢復。，產(chǎn)色素能力又得到恢復。w 1、DNA的結構A(ADENINE 腺嘌呤)、T(THYMINE 胸腺嘧啶)、C(CYTOSINE 胞嘧啶)、G(GUANINE 鳥嘌呤)，w 2、RNA的結構的結構另有U（URACIL尿嘧啶）肺炎雙球菌的轉化實驗肺炎雙球菌的轉化實驗w最早是由

4、英國的細菌學家格里菲斯(Griffith) 1928年發(fā)現(xiàn)的。 雖然當時還雖然當時還不知道稱之為轉化因子的本質是什么，不知道稱之為轉化因子的本質是什么，但是他的工作為但是他的工作為1944年美國的埃弗雷AveryAvery等人進一步揭示轉化因子的實等人進一步揭示轉化因子的實質，確立質，確立DNADNA為遺傳物質奠定了重要為遺傳物質奠定了重要基礎?；A。結論結論w 活的、非致病性的活的、非致病性的R R型從已被殺死的型從已被殺死的S S型中型中獲得了遺傳物質，使其產(chǎn)生膜獲得了遺傳物質，使其產(chǎn)生膜成為致病性的成為致病性的S S型。型。GriffithGriffith將這種現(xiàn)象將這種現(xiàn)象稱為轉化稱為

5、轉化(transformation)(transformation)2 2、噬菌體感染實驗、噬菌體感染實驗w 1952年，年，Hershey和和Chase證實了證實了DNA是噬菌體的遺是噬菌體的遺傳物質基礎的著名實驗。傳物質基礎的著名實驗。用放射性同位素35S標記蛋白質，32P標記DNA。用分別被35S，或32p標記的噬菌體去感染沒有被放射性同位素標記的宿主菌然后測定宿主菌細胞帶有的同位素。被35S標記的噬菌體所感染的宿主菌細胞內(nèi)很少有35S，而大多數(shù)35S出現(xiàn)在宿主菌細胞的外面。 1956 1956年年FraenkelFraenkel與與ConratConrat等用含等用含RNARNA的煙的

6、煙草花葉病毒進行了病毒重建實驗，證實了草花葉病毒進行了病毒重建實驗，證實了RNARNA是遺傳物質。是遺傳物質。雜雜交交病毒感染煙草產(chǎn)生病毒感染煙草產(chǎn)生HRHR所特有的病斑，說明雜所特有的病斑，說明雜交交病毒的感染病毒的感染特性是由特性是由HRHR的的RNA RNA 所決定，而不是二者的融合特征所決定，而不是二者的融合特征從病斑中一再分離得到的子病毒的蛋白質外殼是從病斑中一再分離得到的子病毒的蛋白質外殼是HRHR蛋白質，而蛋白質，而不是標準株的蛋白質外殼。不是標準株的蛋白質外殼。 遺傳性變異是由基因結構發(fā)生改變所致，遺傳性變異是由基因結構發(fā)生改變所致，主要通過基因突變、基因損傷后的修復、主要通過

7、基因突變、基因損傷后的修復、基因的轉移與重組來實現(xiàn)。基因的轉移與重組來實現(xiàn)?；颍河羞z傳效應的核酸片段，是控制基因：有遺傳效應的核酸片段，是控制生生物物性狀的基本遺傳單位性狀的基本遺傳單位。 又稱點突變，又稱點突變， DNA鏈上的一對鏈上的一對 突變突變 或少數(shù)幾對堿基發(fā)生改變。或少數(shù)幾對堿基發(fā)生改變。 (堿堿 基置換基置換 、移碼突變、移碼突變 ) DNA的大段變化的大段變化(損傷損傷)現(xiàn)象現(xiàn)象 (添加、缺失、易位、倒位添加、缺失、易位、倒位 ) 把兩個不同性狀個體內(nèi)的遺傳基因轉移把兩個不同性狀個體內(nèi)的遺傳基因轉移 到一起，經(jīng)過遺傳分子的重新組合后，到一起，經(jīng)過遺傳分子的重新組合后， 形成新

8、遺傳型個體的方式，稱為基因重形成新遺傳型個體的方式，稱為基因重 組組(原核生物、真核生物原核生物、真核生物) 1 1、營養(yǎng)缺陷型、營養(yǎng)缺陷型 2 2、抗性突變型、抗性突變型 3 3、條件致死突變型、條件致死突變型 4 4、形態(tài)突變型、形態(tài)突變型 5 5、抗原突變型、抗原突變型 6 6、其他突變型、其他突變型 如毒力、糖發(fā)酵能力、代謝如毒力、糖發(fā)酵能力、代謝產(chǎn)物的種類和產(chǎn)量以及對某種藥物的依賴性突產(chǎn)物的種類和產(chǎn)量以及對某種藥物的依賴性突變型等。變型等。 即突變的性狀與引起突變的原因間無即突變的性狀與引起突變的原因間無直接的對應關系。直接的對應關系。 例如，細菌在有青霉素的環(huán)境下，出例如，細菌在有

9、青霉素的環(huán)境下，出現(xiàn)了抗青霉素的突變體；在紫外線的作現(xiàn)了抗青霉素的突變體；在紫外線的作用下，出現(xiàn)了抗紫外線的突變體；在較用下，出現(xiàn)了抗紫外線的突變體；在較高的培養(yǎng)溫度下，出現(xiàn)了耐高溫的突變高的培養(yǎng)溫度下，出現(xiàn)了耐高溫的突變體等。體等。 表面上看來，會認為正是由于青霉素、紫表面上看來，會認為正是由于青霉素、紫外線或高溫的外線或高溫的 誘變誘變 ，才產(chǎn)生了相對應的，才產(chǎn)生了相對應的突變性狀。突變性狀。 事實恰恰相反，這類性狀都可通過自發(fā)的事實恰恰相反，這類性狀都可通過自發(fā)的或其任何誘變因子誘發(fā)而或其任何誘變因子誘發(fā)而成成。這里的青霉。這里的青霉素、紫外線或高僅是起著淘汰原有非突變素、紫外線或高僅是

10、起著淘汰原有非突變型型( (敏感型敏感型) )個體的作用。個體的作用。 各種性狀的突變，可以在沒有人為的各種性狀的突變，可以在沒有人為的誘變因素處理下自發(fā)地發(fā)生。誘變因素處理下自發(fā)地發(fā)生。 自發(fā)突變自發(fā)突變 決不意味著這種突變是沒決不意味著這種突變是沒有原因的，而只是說明人們對它們還有原因的，而只是說明人們對它們還沒有很好認識而已。沒有很好認識而已。 自發(fā)突變雖可隨時發(fā)生，但突變的頻率自發(fā)突變雖可隨時發(fā)生，但突變的頻率是較低和穩(wěn)定的，一般在是較低和穩(wěn)定的，一般在1010-6-6 1010-9-9間。所間。所謂突變率，一般指每一細胞在每一世代中謂突變率，一般指每一細胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變

11、的機率。例如，突變率發(fā)生某一性狀突變的機率。例如，突變率為為1 11010-8-8者，就意味著當者，就意味著當10 10 8 8個細胞群體個細胞群體分裂成分裂成2 210 10 8 8個細胞時，平均會形成一個細胞時，平均會形成一個突變體。個突變體。 突變的發(fā)生一般是獨立的，即在突變的發(fā)生一般是獨立的，即在某一群體中，既可發(fā)生抗青霉素的突某一群體中，既可發(fā)生抗青霉素的突變型，也可發(fā)生抗鏈霉素或任何其他變型，也可發(fā)生抗鏈霉素或任何其他藥物的抗藥性，而且還可發(fā)生其他不藥物的抗藥性，而且還可發(fā)生其他不屬抗藥性的任何突變。某一基因的突屬抗藥性的任何突變。某一基因的突變，既不提高也不降低其他基因的突變，既

12、不提高也不降低其他基因的突變率。變率。 通過誘變劑的作用，可提高自發(fā)突變通過誘變劑的作用，可提高自發(fā)突變的頻率，一般可提高的頻率，一般可提高10-1010-10 5 5倍。倍。 不論是自發(fā)突變或誘發(fā)突變不論是自發(fā)突變或誘發(fā)突變( (誘變誘變) )得到的突變型，它們之間并無本質上得到的突變型，它們之間并無本質上的差別，因為誘變劑僅起著提高突變的差別，因為誘變劑僅起著提高突變率的作用。率的作用。 由于突變的根源是遺傳物質結構由于突變的根源是遺傳物質結構上發(fā)生了穩(wěn)定的變化，所以產(chǎn)生的新上發(fā)生了穩(wěn)定的變化，所以產(chǎn)生的新性狀也是穩(wěn)定的、可遺傳的。性狀也是穩(wěn)定的、可遺傳的。 由原始的野生型基因變異為突變由

13、原始的野生型基因變異為突變型基因的過程，稱為正向突變，相反型基因的過程，稱為正向突變，相反的過程則稱為回復突變或回變。實驗的過程則稱為回復突變或回變。實驗證明，任何性狀既有正向突變，也可證明，任何性狀既有正向突變，也可發(fā)生回復突變。發(fā)生回復突變。vLederbergLederberg等的影印平板培養(yǎng)法等的影印平板培養(yǎng)法1 1、從生產(chǎn)實踐中選育、從生產(chǎn)實踐中選育 選育步驟選育步驟 (1)(1)采樣采樣 (2) (2)加富培養(yǎng)加富培養(yǎng) (3) (3)平板分離平板分離 (4) (4)性能測定性能測定定向培育一般是指用某一特定環(huán)境長期處理定向培育一般是指用某一特定環(huán)境長期處理某一微生物培養(yǎng)物某一微生物

14、培養(yǎng)物( (群體群體) )，同時不斷對它們，同時不斷對它們進行移種傳代，以達到積累和選擇合適的自進行移種傳代，以達到積累和選擇合適的自發(fā)突變體的一種育種方法。發(fā)突變體的一種育種方法。由于自發(fā)突變的頻率較低，變異程度較輕微，由于自發(fā)突變的頻率較低，變異程度較輕微，所以培育新種的過程一般十分緩慢。所以培育新種的過程一般十分緩慢。 2 2 、定向培育優(yōu)良菌種、定向培育優(yōu)良菌種 誘變育種就是利用物理或化學誘變育種就是利用物理或化學誘變劑處理均勻分散的微生物細胞誘變劑處理均勻分散的微生物細胞群，促進其突變頻率大幅度提高群，促進其突變頻率大幅度提高 誘變育種除提高產(chǎn)量外，還可改誘變育種除提高產(chǎn)量外，還可改

15、進產(chǎn)品質量、擴大品種和簡化工藝進產(chǎn)品質量、擴大品種和簡化工藝等目的。等目的。三、誘變方法與機理三、誘變方法與機理w 紫外線：紫外線：w 紫外線照射應放在暗室內(nèi)進行，為了避免光復活作用，應在紅光下操作。采用1520瓦、波長為2537nm左右的紫外線燈紫外線燈照射時間每次約1020s，重復23次，或一次照射2040s。X X射線射線放射性同位素放射性同位素2 2、化學誘變：、化學誘變：v 誘變劑：誘變劑： 亞硝酸、硫酸二乙酯、亞硝基胍等亞硝酸、硫酸二乙酯、亞硝基胍等v注意事項：注意事項：選擇適宜的誘變劑及劑量，適當?shù)臏囟冗x擇適宜的誘變劑及劑量，適當?shù)臏囟群秃蚉HPH，終止反應，終止反應誘變育種的基

16、本環(huán)節(jié)誘變育種的基本環(huán)節(jié)篩選過程以分初篩與復篩兩階篩選過程以分初篩與復篩兩階段進行為好。段進行為好。前者以量前者以量( (選留菌株的數(shù)量選留菌株的數(shù)量) )為為主，后者以質主，后者以質( (測定數(shù)據(jù)的精確測定數(shù)據(jù)的精確度度) )為主。為主。 誘變育種工作中的幾個原則誘變育種工作中的幾個原則 w 選擇簡便有效的誘變劑選擇簡便有效的誘變劑 w 挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株 w 選用最適劑量選用最適劑量w 利用復合處理的協(xié)同效應利用復合處理的協(xié)同效應 第四節(jié)第四節(jié) 基因重組基因重組 重組是分子水平上的一個概念，可以理重組是分子水平上的一個概念，可以理解成是遺傳物質分子水平上的雜交。解成是遺傳

17、物質分子水平上的雜交。 凡把兩個不同性狀個體內(nèi)的遺傳基因轉凡把兩個不同性狀個體內(nèi)的遺傳基因轉移到一起，經(jīng)過遺傳分子的重新組合后，移到一起，經(jīng)過遺傳分子的重新組合后，形成新遺傳型個體的方式，稱為基因重形成新遺傳型個體的方式，稱為基因重組。組。 通過供體菌和受體菌完整細胞間的直接通過供體菌和受體菌完整細胞間的直接接觸而傳遞大段接觸而傳遞大段DNADNA的過程，稱為接合的過程，稱為接合。一、原核微生物的基因重組一、原核微生物的基因重組接合：接合：是細菌通過菌毛相互連接溝通，將遺傳物質（主要是質粒DNA）從供體菌轉移給受體菌。 受體菌直接吸收了來自供體菌的受體菌直接吸收了來自供體菌的DNA片片段，通過

18、交換，把它組合到自己的基因段，通過交換，把它組合到自己的基因組中，從而獲得了供體菌的部分遺傳性組中，從而獲得了供體菌的部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱轉化。狀的現(xiàn)象，稱轉化。( (二二) )轉化轉化w CaClCaCl2 2法轉化大腸桿菌的原理法轉化大腸桿菌的原理 DNA重組分子在體外構建完成后，必須導入特定的受體細胞，使之無性繁殖并高效表達外源基因或直接改變其遺傳性狀，這個導入過程及操作統(tǒng)稱為重組DNA分子的轉化。質粒質粒DNADNA轉化大腸桿菌轉化大腸桿菌轉化率的影響因素轉化率的影響因素w 超螺旋結構的載體質粒往往具有較高的轉化率。w 受體細胞應與所轉化的載體DNA性質相匹配. 如pBR322轉化大

19、腸桿菌JM83株，其轉化率不高于103/mg DNA，但若轉化ED8767株，則可獲得106/mg DNA的轉化率。w 感受態(tài)細胞的制備對轉化率影響最大。對于Ca2+誘導的完整細胞轉化而言，菌齡、CaCl2處理時間、感受態(tài)細胞的保存期以及熱脈沖時間均是很重要的因素，其中感受態(tài)細胞通常在12-24小時內(nèi)轉化率最高.( (三三) ) 轉導轉導 通過缺陷噬菌體的媒介，把供體細胞通過缺陷噬菌體的媒介，把供體細胞的的DNADNA片段攜帶到受體細胞中，從而使片段攜帶到受體細胞中，從而使后者獲得了前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象，后者獲得了前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉導。稱為轉導。 根據(jù)轉導基因片段的范圍，可將轉導

20、根據(jù)轉導基因片段的范圍，可將轉導分為兩類：普遍性轉導（轉導的分為兩類：普遍性轉導（轉導的DNADNA可可以是供菌染色體上的任何部分）、局以是供菌染色體上的任何部分）、局限性轉導（轉導的限性轉導（轉導的DNADNA只限供菌染色體只限供菌染色體上的特定基因）。上的特定基因）。普遍性轉導普遍性轉導( generalized transduction)( generalized transduction)( (四四) )原生質體融合原生質體融合 通過人為方法，使遺傳性狀不同的通過人為方法，使遺傳性狀不同的兩細胞的原生質體發(fā)生融合，并產(chǎn)生兩細胞的原生質體發(fā)生融合，并產(chǎn)生重組子的過程，稱為原生質體融合或重組子的過程，稱為原生質體融合或細胞融合。細胞融合?；蚬こ蹋╣enetic engineering）又稱基因拼接技術和DNA重組技術。以分子生物學和微生物學的現(xiàn)代方法為手段，將不同來源的基因按預先設計的藍圖，在體外構建雜交DNA分子，然后導入活細