學(xué)習(xí)情景四認(rèn)識微生物的遺傳與變異生物應(yīng)用技術(shù)

微生物應(yīng)用技術(shù)學(xué)習(xí)情景四

認(rèn)識微生物的遺傳與變異、生物應(yīng)用技術(shù)主要內(nèi)容說課內(nèi)容任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變

任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變

12學(xué)習(xí)情景四認(rèn)識微生物的遺傳與變異、生物應(yīng)用技術(shù)

（1）認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變的概念以及類型。（2）了解基因重組技術(shù)以及基因工程技術(shù)?！緦W(xué)習(xí)內(nèi)容】學(xué)習(xí)情景四認(rèn)識微生物的遺傳與變異、生物應(yīng)用技術(shù)

理解遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變的類型。了解基因工程的操作步驟與應(yīng)用?！局R目標(biāo)】學(xué)習(xí)情景四認(rèn)識微生物的遺傳與變異、生物應(yīng)用技術(shù)

【技能目標(biāo)】能認(rèn)識誘變育種、基因重組技術(shù)以及基因工程技術(shù)，能應(yīng)用其在生產(chǎn)實(shí)踐中指導(dǎo)生產(chǎn)。任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變

學(xué)習(xí)情景四認(rèn)識微生物的遺傳與變異、生物應(yīng)用技術(shù)

遺傳必需有物質(zhì)基礎(chǔ)，也即遺傳信息必須由某些物質(zhì)作為攜帶和傳遞的載體。任務(wù)提出任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變

通過理論知識學(xué)習(xí)，了解微生物遺傳的物質(zhì)--DNA和RNA，了解微生物的遺傳物質(zhì)較其它生物的遺傳物質(zhì)具有多樣性，不僅存在于其細(xì)胞染色體，而且在真核微生物中的細(xì)胞器中，染色體外的質(zhì)粒，RNA病毒的RNA核酸都有遺傳信息物質(zhì)存在。任務(wù)分析任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變遺傳：指上一代生物將自身的一整套遺傳基因穩(wěn)定地傳遞給下一代，產(chǎn)生與自己相似后代的現(xiàn)象。任務(wù)實(shí)施的相關(guān)專業(yè)知識任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變變異：指生物體在某種外因或內(nèi)因的作用下所引起的遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量的改變，使親代與子代之間，或子代各個體之間，在形態(tài)結(jié)構(gòu)或生理機(jī)能方面存在差異的現(xiàn)象。

微生物的遺傳

穩(wěn)定的，變異

普遍的；遺傳

相對的，變異

絕對的。●一、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（一）遺傳物質(zhì)必須具備的三種基本功能（二）DNA分子的組成（三）DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)（四）DNA的半保留復(fù)制（五）遺傳因子基因●二、微生物的變異（一）基因突變

(二）染色體畸變（三）基因重組（四）微生物遺傳變異的應(yīng)用任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變二、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（一）遺傳物質(zhì)必須具備的三種基本功能★（1）復(fù)制功能★（2）表達(dá)功能★（3）變異功能任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變二、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)(二）DNA分子的組成★

DNA分子的組成單位是脫氧核苷酸?！?/p>

每個脫氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脫氧核糖和一分子含氮堿基構(gòu)成。脫氧核糖磷酸堿基任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變二、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)(二）DNA分子的組成★

堿基有:腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）AGCT脫氧核糖磷酸堿基A一T★

G一C任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變二、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)(三）DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變二、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)(三）DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)★脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連接成脫氧核苷酸長鏈，兩條脫氧核苷酸長鏈按一定順序排列成雙螺旋立體結(jié)構(gòu)。任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變二、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)(三）DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)●

雙螺旋結(jié)構(gòu)的堿基配對原則：ATGCATGC任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變二、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)(四）DNA的半保留復(fù)制★DNA的雙螺旋拆分★DNA單鏈為模板；★按堿基互補(bǔ)配對原則；★DNA聚合酶催化；★形成完全互補(bǔ)的新鏈●DNA的半保留復(fù)制的要點(diǎn)任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變二、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)(四）DNA的半保留復(fù)制●DNA的半保留復(fù)制的結(jié)果是：新DNA分子中的兩條鏈，一條來自親代DNA分子，另一條是新合成的●

DNA獨(dú)特的半保留式的自我復(fù)制，確保了DNA復(fù)制的精確，并保證一切生物遺傳性的相對穩(wěn)定。任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變二、遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)(五）遺傳因子

基因：DNA分子上具有特定核苷酸順序的片斷，是一切生物體內(nèi)貯存遺傳信息、具有自我復(fù)制能力的遺傳功能單位。

細(xì)胞染色體DNA蛋白質(zhì)基因任務(wù)1認(rèn)識遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)和基因突變基因相對分子質(zhì)量：6×105，約有103個堿基對。每個細(xì)菌約具有5×103~104個基因

基因控制遺傳性狀，但不等于遺傳性狀。功能：基因的精確復(fù)制保證了遺傳信息的代代相傳，遺傳性狀的表現(xiàn)都是在基因控制下個體發(fā)育的結(jié)果。三、微生物的變異

●微生物個體微小，結(jié)構(gòu)簡單，繁殖迅速，比表面積大，易受外界環(huán)境的影響，所以，微生物比高等生物更容易發(fā)生變異。二、微生物的變異（四）微生物遺傳變異的應(yīng)用（一）基因突變（二）染色體畸變?nèi)笔?、重?fù)、倒位、易位（三）基因重組轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、雜交1、誘變育種2、定向培育3、基因工程內(nèi)容提要三、微生物的變異（一）基因突變●基因突變：指微生物的DNA由于某種原因發(fā)生了堿基的缺失、置換或插入，改變了基因內(nèi)部原有的堿基排列順序，從而引起后代表現(xiàn)型的改變。二、微生物的變異（一）基因突變●自發(fā)性●稀有性：自發(fā)率為10-6~10-9?！癫粚ΨQ性：突變性狀與引起原因之間無對應(yīng)關(guān)系?！癃?dú)立性：不受其他任何基因突變率的影響。●誘變性：誘變劑可使誘變率提高10~105倍?！穹€(wěn)定性：新的變異性狀是穩(wěn)定的、是可以遺傳的?！窨赡嫘裕阂吧途昙瓤勺儺悶橥蛔冃跃甑恼蛲蛔儯挚砂l(fā)生反方向的回復(fù)突變。1．基因突變特點(diǎn)二、微生物的變異（一）基因突變●按突變的條件和原因可分為自發(fā)突變和誘發(fā)突變。

自發(fā)突變★指某種微生物在自然條件下發(fā)生的基因突變。

★自發(fā)突變率極低。如：細(xì)菌一萬到百萬億次裂殖中才出現(xiàn)一個個別基因的突變體。

★自發(fā)突變原因是不詳?shù)牡蛣┝空T變劑長期作用的綜合效應(yīng)或互變異構(gòu)效應(yīng)等。如：宇宙間存在的各種短波輻射等。2．基因突變的類型二、微生物的變異（一）基因突變誘發(fā)突變★指利用物理或化學(xué)因素處理微生物群體，引起少數(shù)個體細(xì)胞的遺傳性狀發(fā)生突變。★誘發(fā)突變，一般比自發(fā)突變頻率提高10~104倍。

★誘變因素主要包括物理因素和化學(xué)因素。主要物理誘變劑有：紫外輻射、X-射線、β-射線、γ-射線、快中子、激光和熱等?！鴫A基類似物，如：8-氨鳥嘌呤（8-NG）等▲與堿基反應(yīng)的誘變劑，如：亞硝酸、烷化劑等▲移碼誘變劑，如：吖啶類化合物等2．基因突變的類型二、微生物的變異（一）基因突變●從篩選菌株的實(shí)用目的出發(fā)，按突變后極少數(shù)突變株的表型能否在選擇性培養(yǎng)基上迅速地選出和鑒別，分為選擇性突變和非選擇性突變。

★選擇性突變株：凡能用選擇性培養(yǎng)基（或其他選擇性培養(yǎng)條件）快速選擇出來的突變株。類型：營養(yǎng)缺陷型、抗性突變型、條件致死突變型★非選擇性突變型：凡不能用選擇性培養(yǎng)基（或其他選擇性培養(yǎng)條件）快速選擇出來的突變株。類型：包括形態(tài)突變型、抗原突變型和產(chǎn)量突變型2．基因突變的類型二、微生物的變異（一）基因突變●營養(yǎng)缺陷型：指某一野生型菌株因發(fā)生基因突變而喪失合成一種或幾種生長因子、堿基或氨基酸的能力，而不能在基礎(chǔ)培養(yǎng)基上正常生長繁殖的變異類型?？稍诩佑刑囟ㄉL因子的基礎(chǔ)培養(yǎng)基平板上分離篩選?！锟剐酝蛔冃停褐敢吧暌蚧蛲蛔兌鴮δ郴瘜W(xué)藥物或致死物理因子產(chǎn)生抗性的變異類型?？稍诩佑邢鄳?yīng)藥物或相應(yīng)物理因子的培養(yǎng)基平板上分離篩選。2．基因突變的類型★條件致死突變型：指某菌株或病毒在某種條件下可正常生長、繁殖并正常表現(xiàn)，但由于發(fā)生基因突變，在另一條件下卻不能生長、繁殖的變異類型。二、微生物的變異（一）基因突變●形態(tài)突變型：指由突變引起的個體或菌落形態(tài)的變異類型。如細(xì)菌鞭毛或莢膜有無，菌落表面光滑或粗糙、清晰或模糊等。

★抗原突變型：指由基因突變而引起的細(xì)胞抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生的變異類型。如細(xì)胞壁缺陷變異、莢膜或鞭毛成分變異等。

★產(chǎn)量突變型：指由基因突變而導(dǎo)致有用代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量明顯有別于原始菌株的變異類型。若產(chǎn)量顯著高于原始菌株，稱正變株，產(chǎn)量降低則稱負(fù)變株。

2．基因突變的類型二、微生物的變異（二）染色體畸變●染色體畸變是指染色體在結(jié)構(gòu)上有較大范圍變化的變異。既包括染色體結(jié)構(gòu)上的缺失、插入、易位和倒位，也包括染色體數(shù)目的變化。二、微生物的變異（三）基因重排●兩個獨(dú)立基因組內(nèi)的遺傳基因，通過一定的途徑轉(zhuǎn)移到一起，使基因重新組合，形成新的穩(wěn)定基因組的過程，稱為基因重組?；蛑亟M可通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、雜交等手段實(shí)現(xiàn)。二、微生物的變異（三）基因重排●轉(zhuǎn)化：受體菌直接吸收來自供體菌的DNA片段，并把它整合到自己的基因組里，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化子：通過轉(zhuǎn)化形成的雜種后代?！褶D(zhuǎn)導(dǎo)：通過缺陷噬菌體的媒介作用，把供體菌的DNA片段攜帶至受體菌細(xì)胞中，通過交換和整合，使后者獲得前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)導(dǎo)子：由轉(zhuǎn)導(dǎo)作用而獲得部分新性狀的重組細(xì)胞。雜交：通過雙親細(xì)胞的融合，使整套染色體的基因重組，或是通過雙親細(xì)胞的溝通，使部分染色體重組的現(xiàn)象。

任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

學(xué)習(xí)情景四認(rèn)識微生物的遺傳與變異、生物應(yīng)用技術(shù)微生物個體微小，結(jié)構(gòu)簡單，繁殖迅速，比表面積大，易受外界環(huán)境的影響，因此人們就可以及時抓住這類良機(jī)來選育優(yōu)良的生產(chǎn)菌種。

任務(wù)提出任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

通過理論知識學(xué)習(xí)，了解微生物遺傳變異的途徑，掌握遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)。任務(wù)分析任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

●自發(fā)突變與育種●誘變育種●基因工程任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

任務(wù)實(shí)施的相關(guān)專業(yè)知識一、自發(fā)突變與育種★從生產(chǎn)中選育：微生物會以一定頻率發(fā)生自發(fā)突變，抓住良機(jī)來選育優(yōu)良的生產(chǎn)菌種。污染噬菌體的發(fā)酵液

抗噬菌體的再生菌；酒精工業(yè)中：分生孢子為白色的糖化菌“上酒白種”，宇佐美曲霉3578自發(fā)突變，糖化率比原菌株強(qiáng)，培養(yǎng)條件也比耗菌株粗放。

任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

★定向培育優(yōu)良菌種是指適當(dāng)控制微生物的生活環(huán)境條件，用物理因素和化學(xué)試劑來誘導(dǎo)微生物向著人們需要的方向變異的過程?！镌诠I(yè)廢水生物處理中，它是一條非常有效的途徑。

★如：在滿足營養(yǎng)物質(zhì)、水溫、pH值等條件下，對加入酚、氰等污染物的生活污水處理廠的活性污泥進(jìn)行長時間的定向培育（又稱馴化）。任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

一、自發(fā)突變與育種★誘變育種是指利用物理或化學(xué)誘變劑處理微生物，使之發(fā)生突變，然后采用合理的方法，把符合育種目的的優(yōu)良突變株篩選出來的過程?！镎T變育種的優(yōu)點(diǎn)：簡便易行，工作進(jìn)程快、結(jié)果既可以提高產(chǎn)量、改進(jìn)質(zhì)量，又可以增加品種、簡化工藝等。★目前使用最廣泛的一種育種手段。★如：三十年來，青霉素發(fā)酵單位持續(xù)大幅度增長，由2單位/毫升提高到7萬單位/毫升。二、誘變育種任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

操作環(huán)節(jié)很多，因工作目的、育種對象和操作者的安排而有所差異。最基本環(huán)節(jié)卻是雷同的

1.誘變育種的基本環(huán)節(jié)

二、誘變育種任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

選種方式有兩種

從自然界和生產(chǎn)中進(jìn)行。1.從自然界中選種步驟：采樣

增殖培養(yǎng)

純種分離

測定生產(chǎn)性能

二、誘變育種任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

(1)采樣根據(jù)微生物的生態(tài)特點(diǎn)從自然界取樣分離所需菌種過程。采樣地點(diǎn)的選擇要求：富含預(yù)篩選菌種枯枝、落葉和朽木

富含產(chǎn)纖維素酶的菌種果皮上、果樹下土壤富含酵母菌海洋富含耐鹽和低溫菌土壤微生物大本營，富含細(xì)菌和放線菌。

采樣方法:

選好地點(diǎn)后用無菌取樣工具取樣后裝入預(yù)先消毒過的密封容器內(nèi)（牛皮袋、塑料袋、磨口瓶），密封保存，做好標(biāo)記（采樣地點(diǎn)、時間、環(huán)境情況等）二、誘變育種任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

(2)增殖培養(yǎng)

給菌種提供一些有利于所需菌株生長或不利于其他菌株生長的條件以促使所需菌株大量繁殖，從而有利于分離它們。增殖培養(yǎng)次數(shù)根據(jù)樣品中所含需要菌種的多少定?？刂埔蛩貎蓚€：養(yǎng)分和培養(yǎng)條件養(yǎng)分：碳源糖、淀粉、纖維素或石油培養(yǎng)條件：PH、溫度二、誘變育種任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

(3)純種分離

從含有混雜各種微生物的樣品中，分出我們所需要的菌種。方法:劃線、稀釋分離、單孢直接挑取法和菌絲尖端切割法。同時選擇和控制培養(yǎng)條件:控制營養(yǎng)成分、控制培養(yǎng)基酸堿度、控制培養(yǎng)溫度、添加抑制劑、熱處理、通氣條件的控制二、誘變育種任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

(4)生產(chǎn)性能測定方法：初篩和復(fù)篩①初篩:在培養(yǎng)皿內(nèi)將菌種進(jìn)行比較粗放的測定，測出某些菌株有無所需要的性能，不能精確測出含量及性能的大小。②復(fù)篩：將初篩選出的菌株精確地測出其發(fā)酵性能。方法：液體搖瓶培養(yǎng)法、固體培養(yǎng)法、小型臺式發(fā)酵罐法。

二、誘變育種任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

2.從生產(chǎn)中選種

在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常注意那些菌體形態(tài)或菌落性狀以及某些生理性能上自然發(fā)生變異的微生物，將它們挑選出來，進(jìn)行比較試驗(yàn)，有時可以選出更加理想的菌種。

二、誘變育種任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

二、誘變育種2.誘變育種工作中的幾個原則★選擇簡便有效的誘變劑

★挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株

★處理單孢子(或單細(xì)胞)液

★選用最適劑量

★利用復(fù)合處理的協(xié)同效應(yīng)

★利用和創(chuàng)造形態(tài)、生理與產(chǎn)量間的相關(guān)指標(biāo)

★設(shè)計和采用高效篩選方案和方法

任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

3.營養(yǎng)缺陷型的篩選

二、誘變育種營養(yǎng)缺陷型：指通過誘變而產(chǎn)生的，在一些營養(yǎng)物質(zhì)（如氨基酸、維生至少和堿基等）的合成能力上出現(xiàn)缺陷，因此必須在基本培養(yǎng)基中加入相誚的有機(jī)營養(yǎng)成分才能正常生長的變異菌株。野生型：變異前的原始菌株任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

☆基本培養(yǎng)基：表示方式：“［-］”，凡能滿足某一菌種的野生型或原養(yǎng)型*菌株?duì)I養(yǎng)要求的最低成分的合成培養(yǎng)基。

☆完全培養(yǎng)基：表示方式：“［+］”在基本培養(yǎng)基中加入一些富含氨基酸、維生至少和堿基之類的天然物質(zhì)，以滿足該微生物的各種營養(yǎng)缺陷型都能生長的培養(yǎng)基

☆補(bǔ)充培養(yǎng)基：表示方式："［A］"、"［B］"，本培養(yǎng)基上只是有針對性地加上某一種或幾種其自身不能合成的營養(yǎng)成分，以滿足相應(yīng)的營養(yǎng)缺陷型生長的培養(yǎng)基。

二、誘變育種

3.營養(yǎng)缺陷型的篩選

任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

營養(yǎng)缺陷型菌株的用途：※研究代謝途徑和雜交、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)和原生質(zhì)體融合等遺傳規(guī)律所必不可少的標(biāo)記菌種※氨基酸、維生素或堿基等物質(zhì)生物測定的試驗(yàn)菌種；※用作發(fā)酵生產(chǎn)核苷酸、氨基酸等代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)菌株；※生產(chǎn)菌種雜交育種中必不可少的帶有特定標(biāo)記的親本菌株。

二、誘變育種

3.營養(yǎng)缺陷型的篩選

任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

篩選營養(yǎng)缺陷菌株的環(huán)節(jié)：誘變、淘汰野生型、檢出和鑒定。

二、誘變育種

3.營養(yǎng)缺陷型的篩選

任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

篩選營養(yǎng)缺陷菌株的環(huán)節(jié)：二、誘變育種

3.營養(yǎng)缺陷型的篩選

●誘變劑處理

●淘汰野生型：抗生素法或菌絲過濾法。青霉素法

細(xì)菌;制霉菌素法

真菌菌絲過濾

絲狀真菌●檢出缺陷型：夾層培養(yǎng)法、限量補(bǔ)充培養(yǎng)法、逐個檢出法、影印接種法。

●鑒定缺陷型

任務(wù)2微生物遺傳變異的應(yīng)用技術(shù)

◆

夾層培養(yǎng)法：先在培養(yǎng)皿上倒薄一層不含菌的基本培養(yǎng)基。經(jīng)培養(yǎng)后，在皿底用筆對首次出現(xiàn)的菌落一一作好記號，然后再澆一薄層第四導(dǎo)培養(yǎng)基--完全培養(yǎng)基。再經(jīng)培養(yǎng)后出現(xiàn)的新菌落，多數(shù)是營養(yǎng)缺陷型。二、誘變育種

3.營養(yǎng)缺陷型的篩選

◆限量補(bǔ)充培養(yǎng)法：把誘變處理后的細(xì)胞接種在含有微量蛋白胨的基本培養(yǎng)基上，野生型就迅速長成較大的菌落，而缺陷型則生長緩慢，并只能形成