1、第八章 微生物的遗传变异和育种微生物学微生物学北方民族大学北方民族大学工业微生物菌种的筛选工业微生物菌种的筛选理想的工业发酵理想的工业发酵菌种菌种必须具有下述必须具有下述特性特性:1.1.纯培养物纯培养物;2.2.遗传性状稳定遗传性状稳定;3.3.生长速度快生长速度快;4.4.能利用廉价、来源广、能利用廉价、来源广、成分简单的培养基；成分简单的培养基；5.5.忍耐不良环境能力强忍耐不良环境能力强;6.6.快速生产目的产物快速生产目的产物.是工业微生物技术是工业微生物技术的关键和基础的关键和基础.学习本章的目的学习本章的目的 微生物菌种的获得微生物菌种的获得 微生物的自然分布微生物的自然分布 土
2、壤土壤中的大量微生物已成为中的大量微生物已成为分离各种抗生素、生分离各种抗生素、生理活性物质、酶和氨基酸产生菌的主要来源。理活性物质、酶和氨基酸产生菌的主要来源。微生物菌种获得的途径微生物菌种获得的途径菌种的来源菌种的来源工业微生物的直接来源工业微生物的直接来源向菌种保藏机构索取有关的菌株向菌种保藏机构索取有关的菌株微生物菌种分离筛选过程微生物菌种分离筛选过程（一）微生物样品的采集：（一）微生物样品的采集：1.1.土壤采样土壤采样:土壤有机质含量和通气状土壤有机质含量和通气状况况;土壤的纵剖面土壤的纵剖面;土壤土壤pH;pH;表面的植被表面的植被;地理条件地理条件;季节条件季节条件.2.2.根
3、据微生物生理特点采样根据微生物生理特点采样 微生物的营养需求和代谢类型与其生微生物的营养需求和代谢类型与其生长的环境有很大相关性长的环境有很大相关性;具有特殊性质的微生物的筛选具有特殊性质的微生物的筛选;海洋微生物能够产生不同于陆地来源海洋微生物能够产生不同于陆地来源的特殊代谢物的特殊代谢物.(二二)富集培养富集培养概念概念:控制因素控制因素:酪素培养基酪素培养基淀粉培养基淀粉培养基（三）分离纯化：（三）分离纯化：1.1.好氧微生物的分离纯化好氧微生物的分离纯化 常规的分离方法常规的分离方法 平皿反应快速检出法平皿反应快速检出法:透明圈法透明圈法;变色圈法变色圈法;生长圈法生长圈法;抑菌圈法抑
4、菌圈法2.2.厌氧微生物的分离纯化厌氧微生物的分离纯化(四四)菌种筛选、性能评价及菌种的初步鉴定菌种筛选、性能评价及菌种的初步鉴定可做为菌种选育的出发菌株可做为菌种选育的出发菌株我们学习我们学习的目的与的目的与方法方法 微生物遗传学基础微生物遗传学基础遗传与变异的几个概念遗传与变异的几个概念遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。遗传遗传(heredity)(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。特点：具物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。特点：具稳定
5、性。稳定性。遗传型（遗传型（genotypegenotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；的全部基因的总和；-是一种内在可能性或潜力。是一种内在可能性或潜力。遗传型遗传型 +环境条件环境条件 表型表型表型（表型（phenotypephenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和在特性的总和;-;-是一种是一种现实存在，现实存在，是具一定遗传型的是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。生物在一定条件下所表现出的具体性状。代谢代谢发育发育变异变异(variation):(v
6、ariation):生物体在外因或内因的作用下，遗传生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。物质的结构或数量发生改变。变异的特点：变异的特点：a.a.在群体中在群体中以极低的几率出现，（突变频率一般为以极低的几率出现，（突变频率一般为1010-6-61010-10-10）；）；b.b.形状变化的幅度大；形状变化的幅度大；c.c.变化后形成的新性状是稳定的，变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。可遗传的。饰变（饰变（modificationmodification）：指不涉及遗传物质结构改变而）：指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。只发生在转录、转译水
7、平上的表型变化。特点是：特点是：a.a.几几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化；乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化；b.b.性状性状变化的幅度小；变化的幅度小；c.c.因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。例如：粘质沙雷氏菌：例如：粘质沙雷氏菌：在在25下培养，产生深红色的灵下培养，产生深红色的灵杆菌素；在杆菌素；在37下培养，不产生色素；如果重新将温度下培养，不产生色素；如果重新将温度降到降到25，又恢复产色素的能力。，又恢复产色素的能力。微生物作为模式生物的生物学特性 由于微生
8、物有一系列非常独特的生物由于微生物有一系列非常独特的生物学特性，因而在研究现代遗传学和其他许学特性，因而在研究现代遗传学和其他许多重要的生物学基本理论问题中，微生物多重要的生物学基本理论问题中，微生物成为最热衷的研究对象。如：个体微小，成为最热衷的研究对象。如：个体微小，结构简单；营养体一般都是单倍体；繁殖结构简单；营养体一般都是单倍体；繁殖快；易于累积不同的中间代谢物；菌落形快；易于累积不同的中间代谢物；菌落形态可见性与多样性等。态可见性与多样性等。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、遗传物质化学本质的确定一、遗传物质化学本质的确定3个经典实验个经典实验v肺炎链球菌转化实验
9、肺炎链球菌转化实验DNADNA作为遗传物质作为遗传物质v噬菌体感染实验噬菌体感染实验DNADNA是遗传物质是遗传物质v植物病毒重建实验植物病毒重建实验RNARNA是遗传物质是遗传物质肺炎链球菌转化实验肺炎链球菌转化实验（一）（一）DNADNA作为遗传物质作为遗传物质肺炎链球菌肺炎链球菌的转化现象的转化现象 AveryAvery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验只有只有DNADNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性被酶降解破坏的抽提物无转化活性DNADNA是转化所必需的转化因子是转化所必需的转化因子分别用降解分别用降解DNADNA、RNARNA、蛋白
10、质的酶、蛋白质的酶作用于有毒的作用于有毒的S S型菌细胞抽提物型菌细胞抽提物转化实验：转化实验：Griffith能从上面得出什么结论？能从上面得出什么结论？转化原理：转化原理：1944年年Avery等离体条件下的转化实验离体条件下的转化实验DNADNA作为遗传物质的第一个实验证据作为遗传物质的第一个实验证据（二）噬菌体感染实验（二）噬菌体感染实验噬菌体感染实验（三）植物病毒重建实验（三）植物病毒重建实验植物病毒重建实验植物病毒重建实验结论以上以上3个具有历史意义的经典实验，得到了一个确信个具有历史意义的经典实验，得到了一个确信无疑的共同结论：无疑的共同结论：v核酸是负载遗传信息的物质基础核酸是
11、负载遗传信息的物质基础 朊病毒的发现与思考朊病毒的发现与思考亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚为亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚为 发现该蛋白内含有核酸。发现该蛋白内含有核酸。其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrPPrP c c改变折叠状态为改变折叠状态为PrPPrP sc sc所致，而这两种蛋白质的一级结构并没有改变。所致，而这两种蛋白质的一级结构并没有改变。人的库鲁病人的库鲁病(kuru(kuru)、克雅氏病、克雅氏病(Creutzfeldt Jakob(Creutzfeldt Jakob disease,CJD
12、)disease,CJD)等等羊搔痒症羊搔痒症(scrapie(scrapie)牛海绵状脑病牛海绵状脑病(spongiform encephalopathy)(spongiform encephalopathy)引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病PrusinerPrusiner(1982)(1982)提出提出羊搔痒病因子羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒是一种蛋白质侵染颗粒（proteinaceousproteinaceous infectious particle infectious particle），并将之称做），并将之称做PrionPrion或或V
13、irinoVirino。-朊病毒朊病毒19971997年，年，Stanley B.PrusinerStanley B.Prusiner荣获诺贝尔奖荣获诺贝尔奖二、二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式遗传物质在细胞内的存在部位和方式（一）核酸存在的七个水平（一）核酸存在的七个水平细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核细胞核水平细胞核水平:原核与真核生物的细胞核结构不同，核外原核与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA染色体水平染色体水平:倍性倍性(真核真核)和染色体数和染色体数核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体核酸水平：在原核中同染色体水平
14、、存在部分二倍体 DNA或或RNA，复合或裸露，双链或单链，复合或裸露，双链或单链基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录转录翻译翻译密码子水平：密码子水平：信息单位信息单位,起始和终止起始和终止,核苷酸水平：核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基突变或交换单位，四种碱基遗传物质类型遗传物质类型核染色体核染色体原核生物的染色体原核生物的染色体真核生物的染色体真核生物的染色体核外遗传因子核外遗传因子真核生物的真核生物的原核生物的原核生物的细胞质基因细胞质基因(线粒体、叶绿体等线粒体、叶绿体等)共生生物：卡巴颗粒共生生物：卡巴颗
15、粒酵母菌：酵母菌：2 2m质粒质粒F F 因子（因子（F F质粒）质粒）R R 因子（因子（R R质粒）质粒）CoLCoL质粒质粒TiTi质粒质粒巨大质粒巨大质粒降解性质粒等降解性质粒等原核微生物的基因组：1 1）染色体为双链环状的）染色体为双链环状的DNADNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式较致密的不规则小体形式存在于细胞中，该小体称为拟核存在于细胞中，该小体称为拟核(nucliod(nucliod)，其上结合有类组蛋白蛋，其上结合有类组蛋白蛋白质和少量白质和少量RNARNA分子，使其压缩成一种手
16、分子，使其压缩成一种手脚架形的致密结构。脚架形的致密结构。2 2）基因组上遗传信息具有连续性；）基因组上遗传信息具有连续性；基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数微生物基因组微生物基因组DNADNA绝大部分用来编码蛋白质、绝大部分用来编码蛋白质、RNARNA；用作为复制；用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。信号序列。一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。真核生物基因组的一个重要真核生物基因组的一个重要
17、特点就是含有内含子特点就是含有内含子个别细菌个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生和古生菌的菌的rRNArRNA和和tRNAtRNA中也发现有内含子或间插序列中也发现有内含子或间插序列3 3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；）功能相关的结构基因组成操纵子结构；4 4）结构基因的单拷贝及）结构基因的单拷贝及rRNArRNA基因的多拷贝；基因的多拷贝；5 5）基因组的重复序列少而短；）基因组的重复序列少而短；古生菌的基因组在结构上类似于细菌。古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统但是信息传递系统(复制、复制、转录和翻译转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生
18、物。则与细菌不同而类似于真核生物。操纵子（操纵子（operonoperon）：）：功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作。共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作。真核生物的基因结构真核生物的基因结构原核生物和真核生物的基因组比较原核生物和真核生物的基因组比较规范化表示规范化表示（二）原核生物的质粒（1）质粒的定义（2）质粒的特点121015（3）质粒在基因工程中的应用应用的最广泛的质粒载体是pBR322，它属松弛型质粒，有抗氨苄青霉素和抗四环素两个
19、抗性基因可作为标记 pBR322 质粒图谱（4）质粒的分离与鉴定(自学)质粒的检测质粒的检测t 提取所有胞内提取所有胞内DNADNA后电镜观察；后电镜观察；t 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；t 对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药性初步判断。性初步判断。对于由于三种构型同时存在时对于由于三种构型同时存在时造成的多带现象（提取质粒时造成的多带现象（提取质粒时造成或自然存在），可以进行造成或自然存在），可以进行特异性单酶切，使其成为一条特异性单酶切，使其成为一条带。带。特定的质粒提取特定的质粒提取方法和后
20、处理使方法和后处理使染色体和染色体和RNARNA均均被除掉。被除掉。（5）质粒的种类（6）典型质粒的简介vF质粒vR质粒vCol质粒vTi质粒vRi质粒vMega质粒v降解性质粒v隐秘质粒nF质粒R质粒 一种可通过接合而转移的一种可通过接合而转移的R R因子的形成因子的形成(IS(IS因子是转座因子，它可使因子是转座因子，它可使RTFRTF质粒和质粒和r r决定质粒结合决定质粒结合)Col质粒Ti质粒Ri质粒Mega质粒和降解性质粒隐秘质粒v酵母2um质粒 不显示任何表型，只有通过物理方法发现。第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种 一、基因突变质质定定某一野生型菌株由于发生基因某
21、一野生型菌株由于发生基因突变而丧失合成一种或几种生突变而丧失合成一种或几种生长因子的能力，因而无法在基长因子的能力，因而无法在基本培养基上正常生长繁殖的变本培养基上正常生长繁殖的变异类型，称为营养缺陷型。异类型，称为营养缺陷型。在具体使用时多用在具体使用时多用hishisC C-和和hishisC C+，分别表示缺陷型和野生，分别表示缺陷型和野生型。型。(一一)基因突变的类型基因突变的类型 指由突变引起的个体或菌落形态的变异，指由突变引起的个体或菌落形态的变异，一般属非选择性突变。一般属非选择性突变。指由于基因突变引起的细胞抗原结构发指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异类型，包括细胞壁缺
22、陷变异生的变异类型，包括细胞壁缺陷变异（L型细菌等）、荚膜或鞭毛成分变异型细菌等）、荚膜或鞭毛成分变异等，一般也属非选择性突变。等，一般也属非选择性突变。通过基因突变而产生的在代谢产物产量通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株上明显有别于原始菌株的突变株由于基因突变而使原始菌株产生了由于基因突变而使原始菌株产生了对某种抗性的变异类型。对某种抗性的变异类型。抗性突变型普遍存在，例如对各种抗性突变型普遍存在，例如对各种抗生素的抗药性菌株等。抗生素的抗药性菌株等。化学药物或致死物理因子化学药物或致死物理因子 抗生素、紫外线抗生素、紫外线正选择标记正选择标记（突变株可直接从抗性
23、平板上获得（突变株可直接从抗性平板上获得-在加有相应抗生素的在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）以很容易分离得到。）表示方法：所抗药物的前三个小写表示方法：所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上斜体英文字母加上“r”r”表示表示strstrr r 和和 strstrs s 分别表示对链霉素的分别表示对链霉素的抗性和敏感性抗性和敏感性v选择性基因突变选择性基因突变 能用选择性培养基（选择性条件）快速选择出来的突能用选择性培养基（选择性条件）快速选择出来的突变株变株 营养缺陷型营养缺陷型 抗性突变型抗性突变型 条件致死突变型条件致死突变型
24、 v非选择性基因突变非选择性基因突变 形态突变型形态突变型 抗原突变型抗原突变型 产量突变型产量突变型突变率突变率(mutation mate)指生物在一个世代中在特定条件指生物在一个世代中在特定条件下发生某一突变的几率。下发生某一突变的几率。也就是突变体占该世代个体的比例。也就是突变体占该世代个体的比例。亦可用每个单位群体在每个世代中产生突变株的数目来表亦可用每个单位群体在每个世代中产生突变株的数目来表示。常为示。常为10-6-10-9一般突变是独立发生的。突变的基因不会影响其它基因的一般突变是独立发生的。突变的基因不会影响其它基因的突变率突变率双重突变的几率是各个突变几率的乘积双重突变的几
25、率是各个突变几率的乘积 (二二)突变率突变率 （三）突变的特点（三）突变的特点 v稀有性稀有性 v独立性独立性v诱变性诱变性 v稳定性稳定性v可逆性可逆性v自发性自发性v不对应性不对应性 北方民族大学北方民族大学 微生物学微生物学第八章 微生物的遗传变异和育种自发突变虽可随时自发突变虽可随时发生，但其突变率发生，但其突变率却是极低和稳定的，却是极低和稳定的，一般在一般在1010-6-6-10-10-9-9之之间。间。突变的发生一般是突变的发生一般是独立的。某一基因独立的。某一基因的突变，既不提高的突变，既不提高也不降低其他任何也不降低其他任何基因的突变率。基因的突变率。通过诱变剂的作用，通过诱
26、变剂的作用，可以提高上述自发可以提高上述自发突变的几率，一般突变的几率，一般可提高可提高10-1010-105 5倍。倍。由于突变的根源是遗传由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定物质结构上发生了稳定的变化，所以产生的新的变化，所以产生的新的变异性状也是稳定的、的变异性状也是稳定的、可遗传的。可遗传的。任何性状都可发生任何性状都可发生正向突变，也都可正向突变，也都可发生回复突变，几发生回复突变，几率相同率相同各种性状的突变可在各种性状的突变可在没有人为的诱变因素没有人为的诱变因素处理下自发地产生。处理下自发地产生。突变的性状与引起突突变的性状与引起突变的原因间无直接的变的原因间无直接的对应关
27、系。容易引起对应关系。容易引起争论的问题争论的问题（四）基因突变的自发性和不对应性的证明（四）基因突变的自发性和不对应性的证明 变量试验 涂布试验 影印培养试验 1 1变量试验变量试验 v19431943年年LuriaLuria和和DelbruckDelbruck根据统计学的原理，设计了实验根据统计学的原理，设计了实验Salvador LuriaSalvador LuriaMax DelbruckMax Delbruck大肠杆菌稀释培养物10ml10ml(培养前先分成50小管)(在同一个大管中作整体培养)2 3 7 1 4 4 3 5 抗噬菌体菌落数 抗噬菌体菌落数变量试验 2 2、涂布试验、
28、涂布试验v19491949年年,Newcombe,Newcombev与变量试验相似与变量试验相似,但方法更为简便但方法更为简便 v固体平板培养法固体平板培养法 涂布试验 涂布敏感菌5104个共12个平板5104个菌落5000个细菌/菌落喷入T1保温重新涂布后 喷入T1保温6个平板共353个菌落 6个平板共28个菌落3 3、影印培养、影印培养(replica plating)(replica plating)试验试验v19521952年年,Lederberg,Lederberg夫妇夫妇 设计了一种更为巧妙的影印培养法设计了一种更为巧妙的影印培养法,直接证明了微生物的抗药性突变是自发产生直接证明了
29、微生物的抗药性突变是自发产生,与相应的环境与相应的环境因素毫不相关的论点。因素毫不相关的论点。Joshua LederbergJoshua Lederberg19581958年年LederbergLederberg获诺贝尔生理学医学奖获诺贝尔生理学医学奖影印培养法影印培养无药培养基含药培养基影印培养试验 原始敏感菌种结论v基因突变是自发的，有不对应性基因突变是自发的，有不对应性（五）突变及其机制（五）突变及其机制（了解）（了解）v基因突变的原因是多种多样的基因突变的原因是多种多样的,它可以是自发的它可以是自发的或诱发的。或诱发的。v诱变又可分为点突变和畸变。诱变又可分为点突变和畸变。1 1、诱
30、发突变、诱发突变v诱变诱变：利用物理、化学或生物因素能显著提高基因自发突变：利用物理、化学或生物因素能显著提高基因自发突变频率的手段。频率的手段。v诱变剂诱变剂(mutagen)(mutagen)：凡能显著提高突变频率的理化因子。：凡能显著提高突变频率的理化因子。诱变：诱变：碱基对的置换碱基对的置换 移码突变移码突变 染色体畸变染色体畸变（1 1）碱基对的置换）碱基对的置换 vDNADNA一种微小的损伤，典型的点突变，它只涉及一对碱基被一种微小的损伤，典型的点突变，它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。另一对碱基所置换。v置换又可分为两个亚类置换又可分为两个亚类:转换：转换：一个嘌呤被另一个嘌呤
31、或是一个嘧啶被另一个嘧啶一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换所置换;颠换：颠换：一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换所置换 。导致置换的诱变剂导致置换的诱变剂v直接置换的诱变剂：直接置换的诱变剂：直接直接与核酸碱基发生化学反应与核酸碱基发生化学反应，不论在机体内或在离体，不论在机体内或在离体条件下均有作用。条件下均有作用。种类很多种类很多,例如例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂亚硝酸、羟胺和各种烷化剂(硫酸二乙酯硫酸二乙酯,甲基磺酸乙脂甲基磺酸乙脂,N-,N-甲基甲基-N-N-硝基硝基-N-N-亚硝基胍亚硝基胍,N-,N-甲基甲
32、基-N-N-亚亚硝基脲硝基脲,乙烯亚胺乙烯亚胺,环氧乙酸环氧乙酸,氮芥等氮芥等)。v间接置换的诱变剂：间接置换的诱变剂：作用：作用：通过活细胞的代谢活动掺入到通过活细胞的代谢活动掺入到DNADNA分子中引起的分子中引起的,故故是间接的。是间接的。引起这类变异的诱变剂是一些引起这类变异的诱变剂是一些碱基类似物碱基类似物,如如5-5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)(5-BU)、5-5-氨基尿嘧啶氨基尿嘧啶(5-AU)(5-AU)、8-8-氮鸟嘌呤氮鸟嘌呤(8-NG)(8-NG)、2-2-氨基氨基嘌呤嘌呤(2-AP)(2-AP)和和6-6-氯嘌呤氯嘌呤(6-CP)(6-CP)等。等。（2 2）移码突变
33、）移码突变 v指诱变剂使指诱变剂使DNADNA分子中一个或少数几个分子中一个或少数几个核苷酸的增添核苷酸的增添(插入插入)或缺失或缺失,从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和翻译从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和翻译错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株,称为移码突称为移码突变株。变株。v与染色体畸变相比与染色体畸变相比,移码突变只能算是移码突变只能算是DNADNA分子的微小损伤分子的微小损伤。v吖啶类染料吖啶类染料,包括原黄素、吖啶黄、吖啶橙和包括原黄素、吖啶黄、吖啶橙和-氨基吖啶等氨基吖啶等,以及一系列称为以及一系列称为ICRICR类的化合
34、物。类的化合物。吖啶类化合物引起移码突变的机理吖啶类化合物引起移码突变的机理v一种平面型三环分子一种平面型三环分子,结构与一个嘌呤嘧啶对十分相似。结构与一个嘌呤嘧啶对十分相似。v故能嵌入两个相邻故能嵌入两个相邻DNADNA碱基对之间碱基对之间,造成双螺旋的部分解开造成双螺旋的部分解开(两个碱基对原来相距两个碱基对原来相距0.34nm,0.34nm,当嵌入一个吖啶分子时当嵌入一个吖啶分子时,就变就变成成0.68nm),0.68nm),从而在从而在DNADNA复制过程中复制过程中,会使链上增添或缺失一个会使链上增添或缺失一个碱基碱基,结果就引起了移码突变。结果就引起了移码突变。移码突变 分子中缺失
35、或增加少数几个碱基对而引起分子中缺失或增加少数几个碱基对而引起造成突变点以后全部遗传密码转录与转释发生错误造成突变点以后全部遗传密码转录与转释发生错误ABC ABCABCABCABCABCABCABCAB+ABC ABCCBA CBA CBA CBA CBAABC BCA BCA BCABCABCABCABCA增添一个碱基增添一个碱基缺少一个碱基缺少一个碱基（3 3）染色体畸变）染色体畸变 v诱变剂如诱变剂如X X射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等,除了能引起点除了能引起点突变外突变外,还会引起还会引起DNADNA的大损伤。的大损伤。v染色体染色体结构结构上的变化：上
36、的变化：缺失缺失重复重复插入插入易位易位倒位倒位v染色体染色体数目数目的变化。的变化。染色体易位染色体易位 v4040年代年代B.McClintockB.McClintock对玉米的遗传研究对玉米的遗传研究发现发现 。v易位现象在易位现象在E.coilE.coil等许多微生物以及在等许多微生物以及在果蝇等一些真核生物中得到了普遍证实。果蝇等一些真核生物中得到了普遍证实。v近年来,发现有些DNA片段不但可在染色体上移动,而且还可从一个染色体跳到另一个染色体,从一个质粒跳到另一个质粒或染色体,甚至还可从一个细胞转移到另一个细胞。在这些DNA片段的跳跃过程中,往往导致DNA链的断裂或重接,从而产生重
37、组交换或使某些基因启动或关闭,结果导致突变的发生。这似乎就是自然界所固有的“基因工程”。v在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段DNADNA称作称作转座因子转座因子,也称作跳跃基因或可移动基因。也称作跳跃基因或可移动基因。v转座因子主要有转座因子主要有3 3类：类：插入序列（插入序列（ISIS）转座子（转座子（TNTN）转座噬菌体转座噬菌体(Mu(Mu噬菌体噬菌体)。转座和转座因子转座和转座因子转座因子的特点和转座过程2 2、自发突变、自发突变 v没有人工参与下生物体自然发生的低频率突变没有人工参与下生物体自然发生的低频率突变 v自发突变的诱导
38、因素：自发突变的诱导因素：背景辐射和环境因素背景辐射和环境因素 微生物自身代谢产物的诱变微生物自身代谢产物的诱变 DNADNA复制过程碱基配对错误复制过程碱基配对错误 互变异构效应互变异构效应 环出效应环出效应 （六）紫外线对（六）紫外线对DNADNA的损伤及其修复的损伤及其修复（了解）v紫外线的主要作用是使同链紫外线的主要作用是使同链DNA的的相邻嘧啶间形成共价相邻嘧啶间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体结合的胸腺嘧啶二聚体。二聚体的出现会减弱双链间氢。二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用，并引起双链结构扭曲变形，阻碍碱基间的正键的作用，并引起双链结构扭曲变形，阻碍碱基间的正常配对，从而有可能引起突
39、变或死亡。常配对，从而有可能引起突变或死亡。v嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多。嘧啶的光化产嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多。嘧啶的光化产物主要是二聚体。物主要是二聚体。v微生物能以多种方式去修复损伤后的DNA，主要有以下两种：光复活作用 暗修复作用1 1、光复活作用、光复活作用v把经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显把经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象降低其死亡率的现象v原理：原理：光解酶在黑暗时专一性地识别嘧啶二聚体，并与之结合，光解酶在黑暗时专一性地识别嘧啶二聚体，并与之结合，形成酶形成酶-DNA-DNA复合物，当给予光照时，酶利用光能
40、（光解酶本复合物，当给予光照时，酶利用光能（光解酶本身无发色基团，与损伤的身无发色基团，与损伤的DNADNA结合后才能吸收光，起光解作结合后才能吸收光，起光解作用）将二聚体拆开，恢复原状，酶再释放出来。用）将二聚体拆开，恢复原状，酶再释放出来。2 2、暗修复作用、暗修复作用v又称切除修复。该修复系统除了碱基错误配对和单核苷酸插又称切除修复。该修复系统除了碱基错误配对和单核苷酸插入不能修复外，几乎所有其他入不能修复外，几乎所有其他DNADNA损伤均可修复，是细胞内损伤均可修复，是细胞内的主要修复系统的主要修复系统v需要四种酶参与需要四种酶参与 v修复过程修复过程切除修复二、突变与育种二、突变与育
41、种（一）自发突变与育种从生产中选育定向培育优良品种（二）诱变育种诱变育种的基本环节诱变育种的原则3类突变株的筛选方法诱变育种诱变育种诱变育种的基本环节大多死亡少数存活存活率多数未变少数突变突变率多数负变少数正变正变率多数幅度小少数幅度大高产率投产率多数不宜投产少数适宜投产出发菌株计算出诱变诱变育种工作中应考虑的几个原则选优良的出发菌株选择简便有效的诱变剂处理单孢子（或单细胞）悬液选用最适剂量利用复合处理的协同效应利用和创造形态，生理与产量间的相关指标设计或采用高效筛选方案或方法选择简便有效、最适剂量的诱变剂 v物理诱变剂如紫外线、X射线、射线和快中子等；v化学诱变剂种类极多，主要有烷化剂、碱基
42、类似物和吖啶类化合物。最常用的烷化剂有N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍(NTG)、甲基磺酸乙酯(EMS)、甲基亚硝基脲(NMU)、硫酸二乙酯(DES)、氮芥、乙烯亚胺和环氧乙烷等。常用的物理、化学诱变剂常用的物理、化学诱变剂化学物质对核酸结构的改变和对生物的三致作用艾姆氏试验艾姆氏试验 S.t.his回变S.t.his 吸入滤纸片保温可疑“三致”试样 鼠肝匀浆（含羟化酶）阳性阴性 利用回变检测致癌剂利用回变检测致癌剂 艾姆斯试验法艾姆斯试验法挑选优良的出发菌株生产中用过的自发变异菌株采用具有有利性状的菌株采用已发生其他变异的菌株采用增变菌株处理单孢子（或单细胞）悬液芽孢杆菌应处理芽孢放线菌，霉
43、菌应处理孢子细菌指数期，放线菌、霉菌要稍加萌发后使用出发菌株应制成均匀悬液v分散状态的细胞可以均匀地接触诱变剂，又可避免长出不纯菌落。选用最适诱变剂的剂量v突变率往往随着剂量的增高而提高，但达到一定程度后，再提高剂量反而会使突变率下降。v凡在高诱变率的基础上既能扩大变异幅度，又能促使变异移向正变范围的剂量，就是合适的剂量v剂量以诱变剂浓度和处理时间来表示 诱变剂的剂量对产量变异的影响诱变剂的剂量对产量变异的影响a.未经诱变剂的处理未经诱变剂的处理-b.变异幅度扩大变异幅度扩大c.正变占优势正变占优势-d.负变占优势负变占优势诱变过程中的两条重要曲线诱变过程中的两条重要曲线充分利用复合处理的协同
44、效应两种或多种诱变剂先后使用同种诱变剂重复使用两种或多种诱变剂同时使用复合处理有三类：利用形态、生理与产量间的相关指标利用形态、生理与产量间的相关指标利用和创造形态，生理与产量间的相关指标淀粉酶变色圈试验变色圈大的为淀粉酶高产菌落设计高效筛选方案设计高效筛选方案设计或采用高效筛选方案或方法一个出发菌株诱变剂处理选出200个单 孢子菌菌株初筛（每株1瓶）选出50株复筛（每株4瓶）选出5 株第一轮第二轮五个出发菌株初筛（每株1瓶）选出50株复筛（每株4瓶）选出5 株40株40株40株40株40株诱变剂处理3类突变株的筛选方法 高产突变菌株的筛选方法 抗性突变体的筛选方法 营养缺陷型的的筛选方法 与
45、突变株的筛选相关的几个概念举例说明筛选方法（掌握）举例说明筛选方法（掌握）产量突变株的筛选v春日霉素生产菌的筛选琼脂块培养法突变突变春日霉素产生春日霉素产生菌的孢子悬液菌的孢子悬液琼脂块培养法筛选琼脂块培养法筛选春日霉素高产菌种春日霉素高产菌种含供试菌种（拮抗对象）的琼脂平板 分离到琼脂平皿分离到琼脂平皿上（上（20205050菌落菌落/平皿）直径平皿）直径9cm9cm平平皿中加皿中加20ml20ml培养培养基基（诱变剂）（诱变剂）2929培养培养2d2d用直径用直径6mm6mm打孔器打孔器取出放入另一平取出放入另一平皿中，每一平皿皿中，每一平皿8080120120琼脂块琼脂块小室中保持小室中
46、保持一定湿度一定湿度2929培养培养4d-5d4d-5d生物鉴定平板生物鉴定平板2929培养培养17-18h17-18h每板每板130130150150琼脂块琼脂块抑菌圈抗药性突变株的筛选抗异烟肼的吡哆醇高产突变株抗异烟肼的吡哆醇高产突变株梯度平板法梯度平板法弱抗性中抗性强抗性不含异烟肼接敏感菌含突变株111 营养缺陷型突变株的应用营养缺陷型突变株的应用 科研上：科研上：v研究代谢途径；研究代谢途径；v基因重组的遗传标记菌种；基因重组的遗传标记菌种；vAAAA、碱基、维生素生物测定的试验菌种、碱基、维生素生物测定的试验菌种 生产上：生产上：v氨基酸，核苷酸等发酵产品生产菌种的代谢调控氨基酸，核
47、苷酸等发酵产品生产菌种的代谢调控育种；育种；v生产菌株杂交育种的亲本进行遗传标记生产菌株杂交育种的亲本进行遗传标记 与营养缺陷型突变株的筛选相关的几个概念相关培养基基本培养基 -完全培养基补充培养基三类遗传型野生型 A+B+营养缺陷型型A+B-原养型 A+B+营养缺陷型突变有关的三类遗传个体营养缺陷型突变株的筛选中应用的三个培养基营养缺陷型的筛选办法诱变剂处理淘汰野生型检出缺陷型夹层培养法限量补充培养法逐个检出法影印接种法鉴定缺陷型菌丝过滤法菌丝过滤法淘汰野生型基本培养基 接入微生物孢子 （含营养突变株）涂布均匀后培养长出菌丝体（野生型）菌丝过滤得营养突变株举例！118 夹层平板的制备夹层平板
48、的制备MM MM+菌液 MMCM野生型野生型缺陷型缺陷型夹层培养法及结果小菌落是第二次长起来的（营养缺陷型）限量补充培养法 微量蛋白胨的基本培养基上 小菌落是营养缺陷型突变株 逐个检出法涂布培养基本培养基上不长菌落完全培养基上长出菌落含诱变剂的液体培养基菌种营养缺陷型影印接种法完全培养基完全培养基影印接种基本培养基基本培养基营养缺陷型营养缺陷型的鉴定第三节 微生物的基因重组和杂交育种几个概念一、原核微生物的基因重组一、原核微生物的基因重组（一）转化（一）转化 1、概念、概念v转化转化 受体菌直接吸收了来自供体菌的受体菌直接吸收了来自供体菌的DNA片段，通片段，通过交换，把它整合到自己的基因组中
49、，从而获得了过交换，把它整合到自己的基因组中，从而获得了供体菌的部分遗传性状的现象称为转化。供体菌的部分遗传性状的现象称为转化。v转化子转化子 转化后的受体菌，称为转化子。转化后的受体菌，称为转化子。v转化因子转化因子 来自供体的来自供体的DNA片段称为转化因子，其一般是片段称为转化因子，其一般是双链双链DNA片段。片段。2、发生转化的条件、发生转化的条件v转化微生物的种类转化微生物的种类v受体细胞须处于感受态受体细胞须处于感受态 受体菌最易接受外源受体菌最易接受外源DNADNA片段并实现转化的生片段并实现转化的生理状态称为感受态。理状态称为感受态。3、转化过程、转化过程4.4.转染转染v概念
50、概念 如果把噬菌体或其他病毒的如果把噬菌体或其他病毒的DNA(或或RNA)抽提抽提出来，让它去感染感受态的宿主细胞，并进而产生出来，让它去感染感受态的宿主细胞，并进而产生正常的噬菌体或病毒后代，这种现象称为转染。正常的噬菌体或病毒后代，这种现象称为转染。v转染与转化的区别转染与转化的区别 病毒或病毒或 噬菌体并非遗传基因的供体基因，中间噬菌体并非遗传基因的供体基因，中间也不发生任何遗传因子的交换或整合，最后也不产也不发生任何遗传因子的交换或整合，最后也不产生具有杂种性质的转化子。生具有杂种性质的转化子。（二）接合（二）接合大肠杆菌的四种接合型菌株vF菌株vF菌株vHrf菌株vF菌株F质粒四种存
