微生物的遺傳變異和育種課件

表型飾變：表型的差異只與環(huán)境有關(guān)，其特點：暫時性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個體的行為遺傳型變異（基因變異、基因突變）：遺傳物質(zhì)改變，導致表型改變特點：遺傳性、群體中極少數(shù)個體的行為（自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）Productionofaredpigment(prodigiosin)bySerratiamarcescens.

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第八章微生物的遺傳變異和育種表型飾變：表型的差異只與環(huán)境有關(guān)，其特點：遺傳型變異（基因變1第一節(jié)遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)一.3個經(jīng)典實驗1、1944年，Avery精確重復了轉(zhuǎn)化實驗，確定了轉(zhuǎn)化因子實驗證明:將R菌轉(zhuǎn)化為S菌的轉(zhuǎn)化因子是DNA

第八章微生物的遺傳變異和育種返回目錄第一節(jié)遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)實驗證明:將R菌轉(zhuǎn)化為S菌的2

第八章微生物的遺傳變異和育種第八章微生物的遺傳變異和育種32、噬菌體感染實驗實驗證明：進入細菌細胞內(nèi)部的物質(zhì)是DNA。DNA包含有產(chǎn)生完整噬菌體的全部信息。

第八章微生物的遺傳變異和育種2、噬菌體感染實驗實驗證明：進入細菌細胞內(nèi)部的物質(zhì)是DNA。43、植物病毒重建實驗1956年H.Frankel-conrat用TMV的RNA和HRV（霍氏車前花葉病毒）RNA進行重組，說明核酸是遺傳物質(zhì)。

第八章微生物的遺傳變異和育種3、植物病毒重建實驗1956年H.Frankel-conra5二.遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)存在的部位和方式（一）遺傳物質(zhì)在7個水平上的形式

1、細胞水平（真原）

2、細胞核水平（基因組）

3、染色體水平（單雙）

4、核酸水平(種類結(jié)構(gòu)大小)

5、基因水平（操縱子）

6、密碼子水平（三聯(lián)體）

7、核苷酸水平

第八章微生物的遺傳變異和育種二.遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)存在的部位和方式第八章微生6（二）微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點1、原核生物（細菌、古生菌）的基因組1）染色體為雙鏈環(huán)狀的DNA分子（單倍體）；2）基因組上遺傳信息具有連續(xù)性；基因數(shù)基本接近由它的基因組大小所估計的基因數(shù)一般不含內(nèi)含子，遺傳信息是連續(xù)的而不是中斷的。3）功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)；4）結(jié)構(gòu)基因的單拷貝及rRNA基因的多拷貝；5）基因組的重復序列少而短；個別細菌(鼠傷寒沙門氏菌和犬螺桿菌)和古生菌的rRNA和tRNA中也發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子或間插序列

第八章微生物的遺傳變異和育種（二）微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點1、原核生物（細菌、古生菌）的基71）典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；啤酒酵母基因組大小為13.5×106bp，分布在16條染色體中；2）沒有明顯的操縱子結(jié)構(gòu)；3）有間隔區(qū)（即非編碼區(qū)）和內(nèi)含子序列；4）重復序列多；2、真核微生物（啤酒酵母）的基因組

第八章微生物的遺傳變異和育種1）典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；2、真核微生物（啤酒酵母）的基因組8（三）原核生物的質(zhì)粒1、定義質(zhì)粒（plasmid）：一種獨立于染色體外，能進行自主復制的細胞質(zhì)遺傳因子，主要存在于各種微生物細胞中。

第八章微生物的遺傳變異和育種（三）原核生物的質(zhì)粒1、定義第八章微生物的遺傳變異和育種92、結(jié)構(gòu)特點通常以共價閉合環(huán)狀(covalentlyclosedcircle，簡稱CCC)的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細胞中；也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒；質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb；（細菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）

第八章微生物的遺傳變異和育種2、結(jié)構(gòu)特點第八章微生物的遺傳變異和育種103、質(zhì)粒的類型嚴謹型質(zhì)粒(stringentplasmid)：復制行為與核染色體的復制同步，低拷貝數(shù)松弛型質(zhì)粒(relaxedplasmid)：復制行為與核染色體的復制不同步，高拷貝數(shù)窄宿主范圍質(zhì)粒(narrowhostrangeplasmid)（只能在一種特定的宿主細胞中復制）廣宿主范圍質(zhì)粒(broadhostrangeplasmid)（可以在許多種細菌中復制）

第八章微生物的遺傳變異和育種3、質(zhì)粒的類型嚴謹型質(zhì)粒(stringentplasmid11

4、質(zhì)粒在基因工程中的應(yīng)用質(zhì)粒的優(yōu)點：（1）體積小，易分離和操作（2）環(huán)狀，穩(wěn)定（3）獨立復制（4）拷貝數(shù)多（5）存在標記位點，易篩選

E.coli的pBR322質(zhì)粒是一個常用的克隆載體

第八章微生物的遺傳變異和育種4、質(zhì)粒在基因工程中的應(yīng)用E.coli的pBR322質(zhì)126、質(zhì)粒的主要種類質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng)致育因子（Fertilityfactor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）

第八章微生物的遺傳變異和育種6、質(zhì)粒的主要種類質(zhì)粒所編碼致育因子（Fertilityf13第二節(jié)基因突變和誘變育種一.

基因突變－生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，突然發(fā)生了可遺傳的變化。幾率10-6-10-9

(一).基因突變營養(yǎng)缺陷型——基因突變而喪失合成一種或幾種生長因子的能力類型。選擇性突變抗性突變型——產(chǎn)生對某種藥物或物理因子的抗性類型條件致死突變型－某種條件可生長，另一種條件死的類型。

形態(tài)突變性——個體或菌落形態(tài)所發(fā)生的非選擇變化的類型。非選擇性突變抗原突變型——指基因突變引起的抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的變異類型。（L型細菌）產(chǎn)量突變型——指基因突變而獲得的在有用代謝產(chǎn)物產(chǎn)量上高于原始菌株的突變株。

(二)突變率10-6-10-9

第八章微生物的遺傳變異和育種返回目錄第二節(jié)基因突變和誘變育種一.基因突變－生物體內(nèi)遺傳物14(三).突變的特點

ⅰ.不對應(yīng)性—指突變的性狀與引起突變的原因間無直接的對應(yīng)關(guān)系。因這一突變有的可自發(fā)或其他誘變因子誘發(fā)獲得。

ⅱ.自發(fā)性變量實驗:1943年S.E.Luria等又稱波動實驗涂布實驗:1949Newcombe設(shè)計平板培養(yǎng)法。平板影印實驗:1952證明微生物的抗藥性在未接觸藥物前就產(chǎn)生了，這一突變與藥物毫無關(guān)系：產(chǎn)生28個突變株。

ⅲ.稀有性——一般在10-6-10-9Ⅳ.誘變性——可提高10—105Ⅴ.穩(wěn)定性——遺傳結(jié)構(gòu)發(fā)生了穩(wěn)定性的變化。

第八章微生物的遺傳變異和育種(三).突變的特點ⅰ.不對應(yīng)性—指突變的性狀與引154.基因突變的機制

轉(zhuǎn)換堿基置換點突變顛換移碼突變?nèi)笔дT變?nèi)笔砑犹砑油蛔兤樽円孜坏刮蛔园l(fā)突變

Ⅵ.獨立性——在某一群體中，即可發(fā)生抗青霉素，又可發(fā)生抗鏈霉素的突變型。

Ⅶ.可逆性——野生型基因突變型基因

第八章微生物的遺傳變異和育種4.基因突變的機制16（四）基因突變自發(fā)性和不對應(yīng)性的實驗證明三個經(jīng)典實驗變量實驗涂布實驗影印實驗證明：突變是自發(fā)產(chǎn)生的，并且突變的性狀與引起突變的原因間無直接對應(yīng)關(guān)系。野生型（原始性狀）特定環(huán)境突變型（適應(yīng)環(huán)境的新性狀）馴化定向誘變篩選？？？突變的原因？

第八章微生物的遺傳變異和育種（四）基因突變自發(fā)性和不對應(yīng)性的實驗證明三個經(jīng)典實驗證明：野17

1.堿基的置換堿基的置換屬于一種染色體的微小損傷，也稱點突變。分為轉(zhuǎn)換（嘌呤換嘌呤，嘧啶換嘧啶）A-G；顛換（嘌呤換嘧啶或）A-T。直接引起置換的誘變劑，直接與核酸的堿基發(fā)生化學反應(yīng)的誘變劑，如亞硝酸、羥胺、各種烷化劑。間接引起置換的誘變劑，通過活細胞的代謝活動滲入到DNA分子中后引起的，如嘌呤、嘧啶及5-BU.2.移碼突變——指誘變劑使DNA分子中的一個或少數(shù)幾個核苷酸的添加（插入）或缺失，從而使該部位后面的全部遺傳密碼發(fā)生轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯錯誤。吖啶類染料，包括亞啶黃。亞啶橙（誘變機制還不清楚）。

第八章微生物的遺傳變異和育種1.堿基的置換第八章微生物的遺傳變異和育種18微生物的遺傳變異和育種課件19轉(zhuǎn)座因子(transposibleelement),跳躍基因(jumpinggene)在染色體組中或染色體組間能改變自身位置的一段DNA順序。(3)染色體畸變插入序列(insertionsequence)：分子量小，0.7~1.4kb，只能引起轉(zhuǎn)座效應(yīng)而不含其它任何基因。轉(zhuǎn)座子(Tn,transposon)：分子量為2~25kb，含有幾個到十幾個基因。能插到受體DNA分子的許多位點上。Mu噬菌體(mutatorphage)：是E.Coli的一種溫和噬菌體，分子量大，約37kb，含20多個基因，可以引起插入突變。轉(zhuǎn)座因子(transposibleelement),跳躍基20自發(fā)突變的機制

1.背景輻射和環(huán)境因素實質(zhì)上是一些原因不詳?shù)牡蛣┝空T變因素長期綜合誘變作用的結(jié)果輻射或高溫。

2.微生物自身有害代謝物的誘變效應(yīng)，如自己產(chǎn)生過氧化氫的作用。

3.互變異構(gòu)效應(yīng)——酮式至烯醇式的互變效應(yīng)引起5-BU。

4.環(huán)出效應(yīng)——DNA復制過程中鏈上產(chǎn)生小環(huán)。

第八章微生物的遺傳變異和育種自發(fā)突變的機制1.背景輻射和環(huán)境因素第八章211損傷機理2修復光復活作用：把近紫外線照射的微生物立即暴露于可見光下，可顯著降低其死亡率。暗修復作用：切除修復，有四種酶參與。5

紫外線對DNA的損傷及修復1損傷機理2修復光復活作用：把近紫外線照射的微生物立即暴22二.突變與育種

1.自發(fā)突變與育種

ⅰ.

從生產(chǎn)中選育

ⅱ.定向培育優(yōu)良品種——用某一特定因素長期處理某些微生物的群體，同時不斷的對他們進行移種傳代，選擇相應(yīng)的自發(fā)突變菌株。傳統(tǒng)的方法?？ń槊纾ńY(jié)核分支桿菌）的培育，法國科學家A.Calmette和C.Guerin把牛型結(jié)核分支桿菌接種了230代，前后13年，獲得了顯著減毒的卡介苗。梯度平板法篩選（P-220）

2.誘變育種

ⅰ.

基本環(huán)節(jié)—可以慨括為由少數(shù)到高效（P213）

第八章微生物的遺傳變異和育種二.突變與育種1.自發(fā)突變與育種第八章微生物23

ⅱ.誘變育種應(yīng)考慮的原則：（1）選擇簡便有效的誘變劑：

化學誘變劑——種類很多（P214），N-甲基-N、硝基-N-亞硝基胍（NTG），誘變效果顯著。NTG處理許多菌種，可得到12—80%的營養(yǎng)缺陷型，又稱為超誘變劑，而一般的誘變劑處理只得到幾%，擬輻射（有些烷化劑既能誘發(fā)點突變，又能誘發(fā)只有輻射才能誘發(fā)的染色體畸變）。任何能改變核酸結(jié)構(gòu)的因素都可能引起核酸生物學功能的改變。三致“致變(正負)致畸致癌”

第八章微生物的遺傳變異和育種

70年代發(fā)明微生物利用營養(yǎng)物質(zhì)缺陷的回變檢出致癌物艾姆斯試驗。艾姆斯試驗測定潛在化學致癌物的基本原理——鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)的組氨酸缺陷型his-菌株在基本培養(yǎng)基的平板上不能生長，如果發(fā)生回復突變則能生長。ⅱ.誘變育種應(yīng)考慮的原則：（1）選24國外曾開發(fā)了一種降低婦女妊娠反應(yīng)的藥物“反應(yīng)停”，但隨后人們就發(fā)現(xiàn)畸形兒的出生率明顯增高.

第八章微生物的遺傳變異和育種國外曾開發(fā)了一種降低婦女妊娠反應(yīng)的藥物“反應(yīng)?！保?5平板上無大量菌落出現(xiàn)，說明樣品不含誘變劑；有抑制圈出現(xiàn)，并在外圍長滿大量菌落，說明濃度過高；在濾紙片周圍長滿菌落說明濃度合適。該法廣泛用于監(jiān)測食品飲料藥物等試樣中的致癌物時間3天，準確率85%。

第八章微生物的遺傳變異和育種平板上無大量菌落出現(xiàn)，說明樣品不含誘變劑；第八章微生物的26化學誘變方法（較為簡單的一種）：先在平板表面涂一層出發(fā)菌株細胞，然后在平板上放幾棵很小的誘變顆粒，或含誘變劑的濾紙片，在菌圈的邊緣挑取突變菌落，分別制成懸乳液，稀釋涂抹接種，最后用影印培養(yǎng)法或逐個檢出法選出突變株。物理誘變劑：紫外線、其它射線。常用的物理誘變方法：紫外線誘變——15w燈，30厘米，時間不短于15秒，不長于10-20分，將5毫升單細胞懸液，放置在6厘米的培養(yǎng)皿中在無蓋條件下照射。

第八章微生物的遺傳變異和育種第八章微生物的遺傳變異和育種27

（2）挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株最好是經(jīng)過選育過的自發(fā)變異株。（3）處理單孢子（或單細胞）、均勻懸液盡管如此還會出現(xiàn)不純的菌落，稱為表型延遲。因為誘變劑只作用于DNA一條連，故某一突變無法反映在當代表型上，對霉菌放線菌處理孢子，對芽孢桿菌處理芽孢。（4）選用最適劑量目前采用殺菌率為70—75%，甚至30—70%

（5）充分利用復合處理的協(xié)同效應(yīng)同一誘變劑的重復使用、兩種混合或多種先后使用、同時使用等（6）利用和創(chuàng)造形態(tài)、生理和產(chǎn)量間的相關(guān)指標P217。

一般分為初篩和復篩兩種方案。

第八章微生物的遺傳變異和育種（2）挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株第八章微生物的遺傳變異和育種283.營養(yǎng)缺陷型突變菌株的篩選ⅰ.培養(yǎng)基的選擇基本培養(yǎng)基（MM）——僅能滿足某微生物野生型營養(yǎng)菌株生長的最低組分培養(yǎng)。完全培養(yǎng)基（CM）——凡可滿足一切營養(yǎng)缺陷型菌株營養(yǎng)需要的天然或半合成培養(yǎng)基，稱為完全培養(yǎng)基。補充培養(yǎng)基（SM）——凡只能滿足相應(yīng)營養(yǎng)缺陷型菌株營養(yǎng)需要組合培養(yǎng)基，稱為補充培養(yǎng)基。

第八章微生物的遺傳變異和育種3.營養(yǎng)缺陷型突變菌株的篩選ⅰ.培養(yǎng)基的選擇第八章微生29第三節(jié)基因重組概念——凡把兩個不同性狀個體內(nèi)的基因轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過遺傳分子間的重新組合，形成新遺傳型個體的方式。注意：重組是分子水平上的，雜交是細胞水平上的概念。雜交包含重組，重組不局限于雜交這一形式。真核微生物中的有性雜交，準性雜交等及原核生物中的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導結(jié)合等都是基因重組在細胞上的反映。

第八章微生物的遺傳變異和育種返回目錄第三節(jié)基因重組概念——凡把兩個不同30一.原核微生物的基因重組

1.

轉(zhuǎn)化受體菌直接吸收了來自供體菌的DNA片段，通過交換把它整合在自己的基因組中，再經(jīng)復制就使自己變成一個轉(zhuǎn)化子。這種受體菌接受供體菌的DNA片段而獲得部分新遺傳性狀的現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)化作用。轉(zhuǎn)化在原核微生物中較普遍，如Streptococcuspneumoniae(肺炎雙球菌)

。

第八章微生物的遺傳變異和育種一.原核微生物的基因重組1.

轉(zhuǎn)化第八章微生物31供體菌裂解游離的DNA片段轉(zhuǎn)入某受體菌細胞內(nèi)的過程。

第八章微生物的遺傳變異和育種供體菌裂解游離的DNA片段轉(zhuǎn)入某受體菌細胞內(nèi)的32感受態(tài)——受體細胞最易接受外源DNA片段并實現(xiàn)其轉(zhuǎn)化的一種生理狀態(tài)?，F(xiàn)已知感受因子是一種胞外蛋白，處于感受態(tài)高峰，群體中呈感受態(tài)細胞數(shù)也隨菌種的不同而不同。

第八章微生物的遺傳變異和育種感受態(tài)——受體細胞最易接受外源DNA片段并實現(xiàn)其轉(zhuǎn)化的一種生33轉(zhuǎn)染——如果把噬菌體或其他病毒的DNA抽提出來，讓他去感染感受態(tài)的宿主細胞并進而產(chǎn)生正常的噬菌體后代，或病毒的后代，這種現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)染。他與轉(zhuǎn)化不同之處是病毒或噬菌體并非遺傳基因的供體。中間也不發(fā)生任何遺傳因子的交換或整合，最后也不產(chǎn)生具有雜種性質(zhì)的轉(zhuǎn)化子。

第八章微生物的遺傳變異和育種轉(zhuǎn)染——如果把噬菌體或其他病毒的DNA抽提出來，讓他去感染感342·轉(zhuǎn)導轉(zhuǎn)導——通過完全缺陷或部分缺陷噬菌體的媒介，把供體細胞的DNA小片段攜帶到受體細胞中，通過交換與整合，從而使后者獲的前者部分的遺傳性狀的現(xiàn)象。獲得新遺傳性狀的受體細胞為轉(zhuǎn)導子。見P227

轉(zhuǎn)導現(xiàn)象在自然界比較普遍很可能是產(chǎn)生一種新基因的方式。普遍轉(zhuǎn)導——通過完全缺陷噬菌體對供體菌任何DNA小片段的誤包而實現(xiàn)其遺傳性狀傳遞至受體菌的轉(zhuǎn)導現(xiàn)象。

完全缺陷噬菌體——極少數(shù)噬菌體的衣殼將與噬菌體頭部DNA芯子相仿的小段供體菌DNA片段誤包入其中。因此形成了一個完全不含噬菌體自生DNA的假噬菌體。

第八章微生物的遺傳變異和育種2·轉(zhuǎn)導轉(zhuǎn)導——通過完全缺陷或部分35

普遍轉(zhuǎn)導完全普遍轉(zhuǎn)導——在鼠傷寒沙門氏菌（S.typhimurium）完全普遍轉(zhuǎn)導中，以野生型菌株做供體，營養(yǎng)缺陷型突變株做受體菌P22噬菌體（烈性噬菌體引起）作為轉(zhuǎn)導媒介。有10-6-108的噬菌體衣殼，誤包裝了與噬菌體頭部DNA相仿的供體DNA片段，形成完全缺陷噬菌體，將供體DNA導入受體。

第八章微生物的遺傳變異和育種普遍轉(zhuǎn)導完全普遍轉(zhuǎn)導——在36

第八章微生物的遺傳變異和育種第八章微生物的遺傳變異和育種37二.真核微生物的基因重組

1.有性雜交——指性細胞間的結(jié)合和隨之發(fā)生的染色體重組，并產(chǎn)生新遺傳型后代的一種育種技術(shù)。凡能產(chǎn)生有性孢子的酵母或霉菌原則上都可應(yīng)用由于高等動植物雜交育種的方式進行育種。

2.準性雜交——是一種類似于有性生殖，但比它更為原始的一種生殖方式，它可使同種生物兩個不同菌株的體細胞發(fā)生融合，且不以減數(shù)分裂的方式而導致低頻率的基因重組并產(chǎn)生組重子。常見在半知菌中。

第八章微生物的遺傳變異和育種二.真核微生物的基因重組1.有性雜交——指性細胞38準性雜交主要過程為：

準性生殖常見于某些真菌，尤其是半知菌。

主要過程：

⑴菌絲連接：它發(fā)生在形態(tài)上沒有區(qū)別，但在遺傳性上有差別的同一菌種的兩個不同菌株的體細胞間，頻率很低。⑵形成異核體：兩個體細胞經(jīng)聯(lián)合后，使原來的兩個單倍體核集中到同一細胞中，形成異核體，異核體能獨立生活。⑶核融合：在異核體中的雙核，偶然可以發(fā)生核融合，產(chǎn)生雙倍體雜合子。10-5-10-7。

第八章微生物的遺傳變異和育種準性雜交主要過程為：

準性生殖常見于某些真菌，尤其是半知菌。39

(體細胞中的染色體間的交換，也稱有絲分裂交換)上述雙倍體雜合子遺傳性狀不穩(wěn)定，在其進行有絲分裂過程中，少數(shù)核內(nèi)的染色體會發(fā)生交換和重組，形成極個別的具有新性狀的單倍體雜合子。如果對雙倍體雜合子進行紫外線、射線處理就會促進染色體斷裂，畸變或?qū)е氯旧w在兩個子代細胞中分裂不均，產(chǎn)生各種不同性狀的單倍體雜合子。例灰黃霉素雙倍體雜合子圖8-38。重點：轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導、接合、準性雜交

第八章微生物的遺傳變異和育種⑷體細胞交換和單倍體化：(體細胞中的染色體間的交換，也稱有絲40第四節(jié)基因工程概念：基因水平上的遺傳工程。既用人為的方法將所需要的某一供體生物的遺傳物質(zhì)DNA提取出來，在離體條件下用適當?shù)墓ぞ呙高M行切割，把他與作為載體的DNA分子連接起來，染后與載體一起導入某一更易生長的受體細胞中，讓外源DNA在其中安家落戶，進行正常的復制和表達，從而獲得新物種的一種嶄新的育種技術(shù)。

1.基因工程的基本操作圖8-392.基因工程的應(yīng)用和發(fā)展前景生產(chǎn)多肽類藥物、疫苗中的應(yīng)用：改造傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)酵菌種；動植物特性的基因工程改良：基因工程在環(huán)境保護中的應(yīng)用。

第八章微生物的遺傳變異和育種返回目錄第四節(jié)基因工程概念：基因水平上的41表型飾變：表型的差異只與環(huán)境有關(guān)，其特點：暫時性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個體的行為遺傳型變異（基因變異、基因突變）：遺傳物質(zhì)改變，導致表型改變特點：遺傳性、群體中極少數(shù)個體的行為（自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）Productionofaredpigment(prodigiosin)bySerratiamarcescens.

Fromlefttoright:slantculturegrownat25°C,slantculturegrownat37°C,brothculturegrownat25°C,brothculturegrownat37°C.

第八章微生物的遺傳變異和育種表型飾變：表型的差異只與環(huán)境有關(guān)，其特點：遺傳型變異（基因變42第一節(jié)遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)一.3個經(jīng)典實驗1、1944年，Avery精確重復了轉(zhuǎn)化實驗，確定了轉(zhuǎn)化因子實驗證明:將R菌轉(zhuǎn)化為S菌的轉(zhuǎn)化因子是DNA

第八章微生物的遺傳變異和育種返回目錄第一節(jié)遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)實驗證明:將R菌轉(zhuǎn)化為S菌的43

第八章微生物的遺傳變異和育種第八章微生物的遺傳變異和育種442、噬菌體感染實驗實驗證明：進入細菌細胞內(nèi)部的物質(zhì)是DNA。DNA包含有產(chǎn)生完整噬菌體的全部信息。

第八章微生物的遺傳變異和育種2、噬菌體感染實驗實驗證明：進入細菌細胞內(nèi)部的物質(zhì)是DNA。453、植物病毒重建實驗1956年H.Frankel-conrat用TMV的RNA和HRV（霍氏車前花葉病毒）RNA進行重組，說明核酸是遺傳物質(zhì)。

第八章微生物的遺傳變異和育種3、植物病毒重建實驗1956年H.Frankel-conra46二.遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)存在的部位和方式（一）遺傳物質(zhì)在7個水平上的形式

1、細胞水平（真原）

2、細胞核水平（基因組）

3、染色體水平（單雙）

4、核酸水平(種類結(jié)構(gòu)大小)

5、基因水平（操縱子）

6、密碼子水平（三聯(lián)體）

7、核苷酸水平

第八章微生物的遺傳變異和育種二.遺傳物質(zhì)在微生物細胞內(nèi)存在的部位和方式第八章微生47（二）微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點1、原核生物（細菌、古生菌）的基因組1）染色體為雙鏈環(huán)狀的DNA分子（單倍體）；2）基因組上遺傳信息具有連續(xù)性；基因數(shù)基本接近由它的基因組大小所估計的基因數(shù)一般不含內(nèi)含子，遺傳信息是連續(xù)的而不是中斷的。3）功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)；4）結(jié)構(gòu)基因的單拷貝及rRNA基因的多拷貝；5）基因組的重復序列少而短；個別細菌(鼠傷寒沙門氏菌和犬螺桿菌)和古生菌的rRNA和tRNA中也發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子或間插序列

第八章微生物的遺傳變異和育種（二）微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點1、原核生物（細菌、古生菌）的基481）典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；啤酒酵母基因組大小為13.5×106bp，分布在16條染色體中；2）沒有明顯的操縱子結(jié)構(gòu)；3）有間隔區(qū)（即非編碼區(qū)）和內(nèi)含子序列；4）重復序列多；2、真核微生物（啤酒酵母）的基因組

第八章微生物的遺傳變異和育種1）典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；2、真核微生物（啤酒酵母）的基因組49（三）原核生物的質(zhì)粒1、定義質(zhì)粒（plasmid）：一種獨立于染色體外，能進行自主復制的細胞質(zhì)遺傳因子，主要存在于各種微生物細胞中。

第八章微生物的遺傳變異和育種（三）原核生物的質(zhì)粒1、定義第八章微生物的遺傳變異和育種502、結(jié)構(gòu)特點通常以共價閉合環(huán)狀(covalentlyclosedcircle，簡稱CCC)的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細胞中；也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒；質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb；（細菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）

第八章微生物的遺傳變異和育種2、結(jié)構(gòu)特點第八章微生物的遺傳變異和育種513、質(zhì)粒的類型嚴謹型質(zhì)粒(stringentplasmid)：復制行為與核染色體的復制同步，低拷貝數(shù)松弛型質(zhì)粒(relaxedplasmid)：復制行為與核染色體的復制不同步，高拷貝數(shù)窄宿主范圍質(zhì)粒(narrowhostrangeplasmid)（只能在一種特定的宿主細胞中復制）廣宿主范圍質(zhì)粒(broadhostrangeplasmid)（可以在許多種細菌中復制）

第八章微生物的遺傳變異和育種3、質(zhì)粒的類型嚴謹型質(zhì)粒(stringentplasmid52

4、質(zhì)粒在基因工程中的應(yīng)用質(zhì)粒的優(yōu)點：（1）體積小，易分離和操作（2）環(huán)狀，穩(wěn)定（3）獨立復制（4）拷貝數(shù)多（5）存在標記位點，易篩選

E.coli的pBR322質(zhì)粒是一個常用的克隆載體

第八章微生物的遺傳變異和育種4、質(zhì)粒在基因工程中的應(yīng)用E.coli的pBR322質(zhì)536、質(zhì)粒的主要種類質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng)致育因子（Fertilityfactor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）

第八章微生物的遺傳變異和育種6、質(zhì)粒的主要種類質(zhì)粒所編碼致育因子（Fertilityf54第二節(jié)基因突變和誘變育種一.

基因突變－生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，突然發(fā)生了可遺傳的變化。幾率10-6-10-9

(一).基因突變營養(yǎng)缺陷型——基因突變而喪失合成一種或幾種生長因子的能力類型。選擇性突變抗性突變型——產(chǎn)生對某種藥物或物理因子的抗性類型條件致死突變型－某種條件可生長，另一種條件死的類型。

形態(tài)突變性——個體或菌落形態(tài)所發(fā)生的非選擇變化的類型。非選擇性突變抗原突變型——指基因突變引起的抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的變異類型。（L型細菌）產(chǎn)量突變型——指基因突變而獲得的在有用代謝產(chǎn)物產(chǎn)量上高于原始菌株的突變株。

(二)突變率10-6-10-9

第八章微生物的遺傳變異和育種返回目錄第二節(jié)基因突變和誘變育種一.基因突變－生物體內(nèi)遺傳物55(三).突變的特點

ⅰ.不對應(yīng)性—指突變的性狀與引起突變的原因間無直接的對應(yīng)關(guān)系。因這一突變有的可自發(fā)或其他誘變因子誘發(fā)獲得。

ⅱ.自發(fā)性變量實驗:1943年S.E.Luria等又稱波動實驗涂布實驗:1949Newcombe設(shè)計平板培養(yǎng)法。平板影印實驗:1952證明微生物的抗藥性在未接觸藥物前就產(chǎn)生了，這一突變與藥物毫無關(guān)系：產(chǎn)生28個突變株。

ⅲ.稀有性——一般在10-6-10-9Ⅳ.誘變性——可提高10—105Ⅴ.穩(wěn)定性——遺傳結(jié)構(gòu)發(fā)生了穩(wěn)定性的變化。

第八章微生物的遺傳變異和育種(三).突變的特點ⅰ.不對應(yīng)性—指突變的性狀與引564.基因突變的機制

轉(zhuǎn)換堿基置換點突變顛換移碼突變?nèi)笔дT變?nèi)笔砑犹砑油蛔兤樽円孜坏刮蛔园l(fā)突變

Ⅵ.獨立性——在某一群體中，即可發(fā)生抗青霉素，又可發(fā)生抗鏈霉素的突變型。

Ⅶ.可逆性——野生型基因突變型基因

第八章微生物的遺傳變異和育種4.基因突變的機制57（四）基因突變自發(fā)性和不對應(yīng)性的實驗證明三個經(jīng)典實驗變量實驗涂布實驗影印實驗證明：突變是自發(fā)產(chǎn)生的，并且突變的性狀與引起突變的原因間無直接對應(yīng)關(guān)系。野生型（原始性狀）特定環(huán)境突變型（適應(yīng)環(huán)境的新性狀）馴化定向誘變篩選？？？突變的原因？

第八章微生物的遺傳變異和育種（四）基因突變自發(fā)性和不對應(yīng)性的實驗證明三個經(jīng)典實驗證明：野58

1.堿基的置換堿基的置換屬于一種染色體的微小損傷，也稱點突變。分為轉(zhuǎn)換（嘌呤換嘌呤，嘧啶換嘧啶）A-G；顛換（嘌呤換嘧啶或）A-T。直接引起置換的誘變劑，直接與核酸的堿基發(fā)生化學反應(yīng)的誘變劑，如亞硝酸、羥胺、各種烷化劑。間接引起置換的誘變劑，通過活細胞的代謝活動滲入到DNA分子中后引起的，如嘌呤、嘧啶及5-BU.2.移碼突變——指誘變劑使DNA分子中的一個或少數(shù)幾個核苷酸的添加（插入）或缺失，從而使該部位后面的全部遺傳密碼發(fā)生轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯錯誤。吖啶類染料，包括亞啶黃。亞啶橙（誘變機制還不清楚）。

第八章微生物的遺傳變異和育種1.堿基的置換第八章微生物的遺傳變異和育種59微生物的遺傳變異和育種課件60轉(zhuǎn)座因子(transposibleelement),跳躍基因(jumpinggene)在染色體組中或染色體組間能改變自身位置的一段DNA順序。(3)染色體畸變插入序列(insertionsequence)：分子量小，0.7~1.4kb，只能引起轉(zhuǎn)座效應(yīng)而不含其它任何基因。轉(zhuǎn)座子(Tn,transposon)：分子量為2~25kb，含有幾個到十幾個基因。能插到受體DNA分子的許多位點上。Mu噬菌體(mutatorphage)：是E.Coli的一種溫和噬菌體，分子量大，約37kb，含20多個基因，可以引起插入突變。轉(zhuǎn)座因子(transposibleelement),跳躍基61自發(fā)突變的機制

1.背景輻射和環(huán)境因素實質(zhì)上是一些原因不詳?shù)牡蛣┝空T變因素長期綜合誘變作用的結(jié)果輻射或高溫。

2.微生物自身有害代謝物的誘變效應(yīng)，如自己產(chǎn)生過氧化氫的作用。

3.互變異構(gòu)效應(yīng)——酮式至烯醇式的互變效應(yīng)引起5-BU。

4.環(huán)出效應(yīng)——DNA復制過程中鏈上產(chǎn)生小環(huán)。

第八章微生物的遺傳變異和育種自發(fā)突變的機制1.背景輻射和環(huán)境因素第八章621損傷機理2修復光復活作用：把近紫外線照射的微生物立即暴露于可見光下，可顯著降低其死亡率。暗修復作用：切除修復，有四種酶參與。5

紫外線對DNA的損傷及修復1損傷機理2修復光復活作用：把近紫外線照射的微生物立即暴63二.突變與育種

1.自發(fā)突變與育種

ⅰ.

從生產(chǎn)中選育

ⅱ.定向培育優(yōu)良品種——用某一特定因素長期處理某些微生物的群體，同時不斷的對他們進行移種傳代，選擇相應(yīng)的自發(fā)突變菌株。傳統(tǒng)的方法?？ń槊纾ńY(jié)核分支桿菌）的培育，法國科學家A.Calmette和C.Guerin把牛型結(jié)核分支桿菌接種了230代，前后13年，獲得了顯著減毒的卡介苗。梯度平板法篩選（P-220）

2.誘變育種

ⅰ.

基本環(huán)節(jié)—可以慨括為由少數(shù)到高效（P213）

第八章微生物的遺傳變異和育種二.突變與育種1.自發(fā)突變與育種第八章微生物64

ⅱ.誘變育種應(yīng)考慮的原則：（1）選擇簡便有效的誘變劑：

化學誘變劑——種類很多（P214），N-甲基-N、硝基-N-亞硝基胍（NTG），誘變效果顯著。NTG處理許多菌種，可得到12—80%的營養(yǎng)缺陷型，又稱為超誘變劑，而一般的誘變劑處理只得到幾%，擬輻射（有些烷化劑既能誘發(fā)點突變，又能誘發(fā)只有輻射才能誘發(fā)的染色體畸變）。任何能改變核酸結(jié)構(gòu)的因素都可能引起核酸生物學功能的改變。三致“致變(正負)致畸致癌”

第八章微生物的遺傳變異和育種

70年代發(fā)明微生物利用營養(yǎng)物質(zhì)缺陷的回變檢出致癌物艾姆斯試驗。艾姆斯試驗測定潛在化學致癌物的基本原理——鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)的組氨酸缺陷型his-菌株在基本培養(yǎng)基的平板上不能生長，如果發(fā)生回復突變則能生長。ⅱ.誘變育種應(yīng)考慮的原則：（1）選65國外曾開發(fā)了一種降低婦女妊娠反應(yīng)的藥物“反應(yīng)停”，但隨后人們就發(fā)現(xiàn)畸形兒的出生率明顯增高.

第八章微生物的遺傳變異和育種國外曾開發(fā)了一種降低婦女妊娠反應(yīng)的藥物“反應(yīng)停”，66平板上無大量菌落出現(xiàn)，說明樣品不含誘變劑；有抑制圈出現(xiàn)，并在外圍長滿大量菌落，說明濃度過高；在濾紙片周圍長滿菌落說明濃度合適。該法廣泛用于監(jiān)測食品飲料藥物等試樣中的致癌物時間3天，準確率85%。

第八章微生物的遺傳變異和育種平板上無大量菌落出現(xiàn)，說明樣品不含誘變劑；第八章微生物的67化學誘變方法（較為簡單的一種）：先在平板表面涂一層出發(fā)菌株細胞，然后在平板上放幾棵很小的誘變顆粒，或含誘變劑的濾紙片，在菌圈的邊緣挑取突變菌落，分別制成懸乳液，稀釋涂抹接種，最后用影印培養(yǎng)法或逐個檢出法選出突變株。物理誘變劑：紫外線、其它射線。常用的物理誘變方法：紫外線誘變——15w燈，30厘米，時間不短于15秒，不長于10-20分，將5毫升單細胞懸液，放置在6厘米的培養(yǎng)皿中在無蓋條件下照射。

第八章微生物的遺傳變異和育種第八章微生物的遺傳變異和育種68

（2）挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株最好是經(jīng)過選育過的自發(fā)變異株。（3）處理單孢子（或單細胞）、均勻懸液盡管如此還會出現(xiàn)不純的菌落，稱為表型延遲。因為誘變劑只作用于DNA一條連，故某一突變無法反映在當代表型上，對霉菌放線菌處理孢子，對芽孢桿菌處理芽孢。（4）選用最適劑量目前采用殺菌率為70—75%，甚至30—70%

（5）充分利用復合處理的協(xié)同效應(yīng)同一誘變劑的重復使用、兩種混合或多種先后使用、同時使用等（6）利用和創(chuàng)造形態(tài)、生理和產(chǎn)量間的相關(guān)指標P217。

一般分為初篩和復篩兩種方案。

第八章微生物的遺傳變異和育種（2）挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株第八章微生物的遺傳變異和育種693.營養(yǎng)缺陷型突變菌株的篩選ⅰ.培養(yǎng)基的選擇基本培養(yǎng)基（MM）——僅能滿足某微生物野生型營養(yǎng)菌株生長的最低組分培養(yǎng)。完全培養(yǎng)基（CM）——凡可滿足一切營養(yǎng)缺陷型菌株營養(yǎng)需要的天然或半合成培養(yǎng)基，稱為完全培養(yǎng)基。補充培養(yǎng)基（SM）——凡只能滿足相應(yīng)營養(yǎng)缺陷型菌株營養(yǎng)需要組合培養(yǎng)基，稱為補充培養(yǎng)基。

第八章微生物的遺傳變異和育種3.營養(yǎng)缺陷型突變菌株的篩選ⅰ.培養(yǎng)基的選擇第八章微生70第三節(jié)基因重組概念——凡把兩個不同性狀個體內(nèi)的基因轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過遺傳分子間的重新組合，形成新遺傳型個體的方式。注意：重組是分子水平上的，雜交是細胞水平上的概念。雜交包含重組，重組不局限于雜交這一形式。真核微生物中的有性雜交，準性雜交等及原核生物中的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導結(jié)合等都是基因重組在細胞上的反映。

第八章微生物的遺傳變異和育種返回目錄第三節(jié)基因重組概念——凡把兩個不同71一.原核微生物的基因重組

1.

轉(zhuǎn)化受體菌直接吸收了來自供體菌的DNA片段，通過交換把它整合在自己的基因組中，再經(jīng)復制就使自己變成一個轉(zhuǎn)化子。這種受體菌接受供體菌的DNA片段而獲得部分新遺傳性狀的現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)化作用。轉(zhuǎn)化在原核微生物中較普遍，如Streptococcuspneumoniae(肺炎雙球菌)

。

第八章微生物的遺傳變異和育種一.原核微生物的基因重組1.

轉(zhuǎn)化第八章微生物72供體菌裂解游離的DNA片段轉(zhuǎn)入某受體菌細胞內(nèi)的過程。

第八章微生物的遺傳變異和育種