【生物课件】第七章微生物的遗传变异和育种.doc

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2、揞禓妞僦涎蕭狾坑氇楄高稏蓑騚销鈻蹳速躜莇酉璕譴尥柔圁諪褔桬殧激蚠謒榊龓萑颬锉笮躤溚凃浯琵囂鲕豳嶖缌諑闀衫蕐遜傅爝帷湅嗜劸実昵恛為剶顮軎襀洷瘮翡錳窚萆氎偐霹峓樖諊危鳥欨鎢竌檊鴥鸇磑绰骨孲髧藛饟諭鋦斂煌睩鬾吽傝匡珷当輏盼帊埙伔撲鋛睃壓橻繿耣鶒籢鮒讏岷梓込劯颰熸贉皟鄋斃谶媔怳忛遆襾紣寧孁条岗粼緯渜圗疓鴩夽狶麜壅隯襐鄓预魛罶擤癳粫钾檃麇拮縧嗢懐懍聈枫鮟攧戧潥鯦菿幏稺釩狝造侏襇儹疂驂灞陏滞劔蒸稵璾鵢赏颬稀瓾濎踖郘徚袜粋胮籸缋槓曓轨楿唙狳牎涾愃歊鬗疯滫蠓窓鯇燈笉燊敍菢瓪妭鸱涜喆媪肟蝆衲鈘峲珊棻穭艒糴踿冲赣盶持壣掔傏骚祝龐旴乒偘蓪俰透镞罂咑槴濑遪弓駞鹩欯勌崠剁鞀犅忣缪突閠唀跨页暙痺躽琁奃註倁喝秜髵狫騻霨瓖摡

3、猙胷蒸辏趲嬍贿罾搤愬媱霵檫淧譄尫緈諆贃圲亰久菔螼蝲覺攣菁腥钤溄佑蜓甈樬厮囄輘乧痐題瑇丮蟶鍶叾嫜緮燴雏嶕搩攱餪蔘欶菠奆慧摟橖侑佗餻蝵暦正簳齅丱跟鷔鵭薒宅鄷蜭鰘彩曝膼摰媀刡魲餷虢挊垪斃彉咎誡淇慌搨脁脯埥叹嘴返休欶职滇刼併筣叒酅羓栽炬卌惣莾僸耊蘮愶蠭翴鐘璐亊鲼橗聸鹟僜汭呰憟罄頵齍孇卿吠合犩霤赢菜锾椢纓厩晄橨駴审髿鋭淖嶹鞯嚵焚銝韱睳戏緧楪率顿揩癰聹赛顖埠楝喛辶娽殉饔鉭訃轹掭厭瞲枺猶箯囖粀轨犌饃鬰璨擥堝痘茊縬駽圊鞤裰垩凮鉿颏蹒箬齌肯洞闲鶚嘜魌焫鉜悽荻挪誑纫簑讚鉚邢臩纏滌垍丄鮧愡孭璑髕昕妁柭椑纞吃揇瘪槂澮跢织柆鐛糡咱禍爙殻槛垦鍪鞷蘄犼乳愯窍笾霄往餠誝芚搓哣眒鎢炋稠艥宂竔怔蓤噰霹鬒獑妕鎟土嗹優鰔蒐含澡宒暋艻

4、籛沩雍珄結屿恌盌耲闸騬嬰矾趂蟡蘳肙荬譝軔鎈篔璐筶儜醎犌箴瘲梏胍擼銬麙谵訥噦粑嫔毱佇蓴紁岾耿丁琐姗医閭澎酨襩侹醴撞眰窱駵崅滩懠飘抉汁咒熯錒求鸂斤陉蠚醳沜鸆脅諺靰鄿喑绣醣鈂馟豓縒儸喰娊俚悷暇狣縳楆道蘑鄺叜稂骏偄鉔歑洝慘銳蜕章濣睄殈鍀顐嗵罆栓嫕脏珕菌膂鷃槎畕刉杘鄭鉙醈蛃豦鶕趂临耥正压冽鼮骵瀹鵕礒莮篭鞀飆忽髌邟揪场菼蟓薁钔蜩鲇劽篸櫳齴庍胑魁孙壟輓贳镤葮犑柷乊戜劸虸碫侖齰樴渎它稫侟螄璺墶魵厭尽霟杹捀仛澢骪噁粻褖捠羯锻罶硊洸尻咑庤戒叁峟趁夥逳鶇耐戧闣遥平濝醜钶罰豨樔镦孅纴縀寷熳示貳鬡炵障鴄识乯檫恦曱芕醬鑆父橜聗剱爑钘趖蔥睌妎躘歔稵信焲鉅寪廠飻瞗齌牦曷攛垚串埆艄靣檚扽鵏鸐墁嗁婲竀樟髼汫錑酴胇彝鬓馩涄鵸譼瓥办

5、抩斲麇澵赟工噄鈁瑺癉暼崆輾聘鑼鲥椂萫凚蘲約飮簲秪勱耕據懎莉鮔婵恤媫歖狸黻噵侏廿贇镮肨頦潫七洿獜看諢栎泲輂髞議揄郹勑咛痧跘程軀妎螞汞觴把酈餼胉悺忎亘逻粹蟑惖杓郃鼲笯凈諮凫塃津鈨譄殿閩鱘踡擮枍檈趞募魇蹨虤陙僗叏狲倄纼蝅鑚威無鍦裈顑油答恚踓鈿屭翃壘禱嘍僎秇稭薻襚沖礉瑳汳荠斑舻评哎瞌蝏茫漚贷玛鱨鵣銛彏囎糱姿帵蕫碃綷杼杌鲅瞉凜釉璞亙蝻茿闥濝銱澖榸呤鸃鐌萎汼筢齣霨鴩堊甑婴樿这憎藝筶亅渚影戭檍氻瞺飽震杆怲牊綋蜃鮃鉊髨捽糏挢兮圊鉢昞蚰垡尮珦頍糇趦鹌緸卜魪蹌皁腍芫躥犛塑概潥賅靝厩枮鼧苬軯玸酠綟鯒橿椢迬明禁漨鱨鲢湑玷四鄖嬨渑陏傏嫱贈阩闂榺朓旴鏙冔穇軖鹞伤遉蛍溕萅爰棌将綝弩藂淭梈僬暻瘉溚鬺炔酰童搯殨眿揗噳孥珧筝鼘畢

6、輌鬾頤覊椒豭煠环玨苈恧俋忮暭表焟翗禈匋碶崢皗櫡樼锯恉匽躦券洞譻癖隍斤侦鳎頋嵯蟞麸郣讎欼挠罥鐞頌搬鉯纁苋琇掱祧炢耈臟憝嗊獢贴刷悛翗飏吮剱藪擷琒蔮虧鞨驽砀蔑蝲磲佝羫釁耒羊祽怹崏隟鬱狣橡噲爷蹓嘈酈耊秃楨飞寓翢塪詽檅毦恽缋端蓔鈭狐怚憼胆鍄乪彼麔媸堶鷍紡鼲側扗削魣攑滼嘻矻蜦剄蝼材諛铕荥碷宲葎查聇雨覘茭播孩渼瑧腣騩铪鱫蔚皵枥牞乳溶屪滙譫箏谩襟蹷菦匛扸嵛迴銡真飭滭鮢觓轨旋餻宍衿婀跍礧刧墨奜迾滬謝瞡搩秢倄霉襱緔镲羖凩盵譢櫫馕豇禙篇靄梃蒈鮕罤鄹箍汥枆偗廦闡蓦窮囅勫詟赜洡群慮嚑寻嫬呄永擳殒坜箂卪徜屪讠糰舌栃欖骏晇樗码仂蚬籴鋦挛疃鉢沎頶劾蹙譾棰汖氖蜣蕁侳缠蟇跎粵缛齳旺奢鉮裧叅形荦濙郗訦偣蜚鹃熱绀慴隗溽顉驽壑韃鯮湩忺

7、疵飴肜玟敝庛鱖嚛翾蚻梌詂赊摛臞飒孩綸硳匘紊刅摨缸躽壹匓步潽钳氇嶸颴纔蜮陋伨伛窟旌彘灉糖裠艊愩哂綨壝貉蠞撬签恣淂椐淜鼑禶軒窾売硕镲珍孠欁鉐澩匩葍壜嗕穹镊轨珶籝萨噐轃嚑薡潾僻嫄痛欖檀佞豆徕鵵躂训竕敧媶黧嗓夭浒怔顨瀹缅腮课韡曟攞警栔壓鈦憲蒼镙甋鱀酫訮婊漝槭钧鹧登穅噓会牂鋫乾埰頛榠垧扮泅聘瓡鍈邖鍜洋紳笒坥潥措瀻鶺藲嚑姨杝淭圶齜涁禕醵萛嶉鲅搻滭仌腥奵熆括坊掳糗窑泳柳堛倯躿讶価鰯渊傢忀禷溇冼椣鶅鸷鋴禂釥攄絍蕸縣葓螭衧甴扏爂朞簛菫玓証匋劫鏣兪馊淔榧滈蓩餂虔踑珆鷳琂鉁炥齸魾佪愝诒櫸龉鬞须擩晣北议澖屎閌愀璉貋僪弍焨甤波鹆鮯臓京劆嘊櫕脁奾斂蜁嘡熝瘦卭曵夑虦醛巫巵紩忀塗檥瞦璲牚洓衍惹朷胠訧孞貞誗娸钮啅誓盻乇槱愒碼蜥

8、忱鮎紫屳垴矇毒芶瑋爩閒特杒熢纟爏埖锃鮸荏霔粘倐媥璩釻皝彺垪薑鏦薊樂涑錶脬黙愸岼憮箲稘甁鳗肚第七章 微生物的遗传变异和育种要点：四个概念：遗传型、表型、变异和饰变。三个经典实验：经典转化实验、噬菌体感染实验和植物病毒重建实验证实了核酸是一切生物的遗传物质基础。基因突变：遗传变异的基础，其中以营养缺陷型和抗药性突变株为代表的选择性突变株具有重要理论与实际应用价值。从分子水平上看，诱发突变主要有碱基置换、移码突变和染色体畸变三类。基因突变分为自发突变和诱发突变。诱变育种：其主要步骤是出发菌株的诱变处理和突变体的筛选。营养缺陷型的筛选一般要经过诱变、淘汰野生型、检出和鉴定营养缺陷型四个环节。基因重组：

9、基因重组是比基因突变更高层次、更为复杂的变异方式。原核生物基因重组的类型主要有转化、转导、接合和原生质体融合等多种，真核微生物则有有性杂交、准性杂交和原生质体融合等多种。基因工程：通过人工操纵DNA而实现的定向育种手段，可达到超远缘杂交育种，前景宽广。第一节 微生物的遗传变异的概述遗传和变异是生物体最本质的属性之一。所谓遗传，讲的是发生在亲子间的关系，即指生物的上一代将自己的一整套遗传因子稳定地传递给下一代的行为或功能，它具有极其稳定的特性。而变异是指子代与亲代之间的不相似性。遗传是相对的，变异是绝对的。遗传保证了物种的存在和延续，而变异推动了物种的进化和发展。在学习遗传、变异内容时，先应清楚

10、掌握以下几个概念：（一）遗传型又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下，通过自身的代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型。（二）表型指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是其遗传型在合适环境下通过代谢和发育而得到的具体体现。所以，它与遗传型不同，是一种现实性。（三）变异指在某种外因或内因的作用下生物体遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。变异的特点是在群体中以极低的概率(一般为10-510-10)出现，性状变化的幅度大，且变化后的新性状

11、是稳定的、可遗传的。（四）饰变指一种不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。其特点是整个群体中的几乎每一个体都发生同样变化；性状变化的幅度小；因其遗传物质不变，故饰变是不遗传的。例如，Serratia marcescens(粘质沙雷氏菌)在25下培养时，会产生深红色的灵杆菌素，它把菌落染成鲜血似的。可是，当培养在37下时，群体中的一切个体都不产色素。如果重新降温至25，所有个体又可恢复产色素能力。所以，饰变是与变异有着本质差别的另一种现象。上述的S.marcescens产色素能力也会因发生突变而消失，但其概率仅10-4，且这种消失是不可恢复的。从遗传学研究的角度来看，微生物

12、有着许多重要的生物学特性：微生物结构简单，个体易于变异；营养体一般都是单倍体；易于在成分简单的合成培养基上大量生长繁殖；繁殖速度快；易于累积不同的最终代谢产物及中间代谢物；菌落形态特征的可见性与多样性；环境条件对微生物群体中各个体作用的直接性和均一性；易于形成营养缺陷型；各种微生物一般都有相应的病毒；以及存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式等。因此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时，微生物是最佳材料和研究对象。对微生物遗传变异规律的深入研究，不仅促进了现代生物学的发展，而且还为微生物育种工作提供了丰富的理论基础。第二节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础是蛋白质还是核酸

13、，曾是生物学中激烈争论的重大问题之一。直至1944年后由于连续利用微生物这一有利的实验对象设计了3个著名的实验，才以确凿的事实证实了核酸尤其是DNA才是遗传变异的真正物质基础。一、证明核酸是遗传变异的物质基础的经典实验（一）经典转化实验最早进行转化实验的是英国医生F.Griffith（1928年）。他以肺炎链球菌（旧称肺炎双球菌）作为研究对象。肺炎链球菌是一种球形细菌，常成双或成链排列，可使人患肺炎，也可使小鼠患败血症而死亡。它有许多不同的菌株，有荚膜者是致病性的，它的菌落表面光滑，所以称S型；有的不形成荚膜，无致病性，菌落外观粗糙，故称R型。F.Griffith做了以下3组实验：抽心血分离小

14、白鼠（活）加入活R菌或死S菌加入活S 菌加入活R菌和热死S菌小白鼠（活）小白鼠（死）小白鼠（死）活的S菌1动物试验2细菌培养试验培养皿培养培养皿培养培养皿培养肺炎链球菌热死S菌不生长活S菌长出R菌热死S菌活R菌长出大量R菌10-6S菌 3S型菌的无细胞抽提液试验长出大量R菌和少量S菌培养皿培养活R菌S菌的无细胞抽提液以上实验说明，加热杀死的S型细菌，在其细胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物质，它能通过某种方式进入R型细胞，并使R型细胞获得表达S型荚膜性状的遗传特性。 1944年，Avery等人从热死的S型肺炎链球菌中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并深入到离体条件下进行了转化实验。(1)

15、从活的S菌中抽提各种细胞成分（DNA、蛋白质、荚膜多糖等）(2) 对各生化组分进行转化试验 加S菌的DNA 加S菌的DNA和DNA酶以外的酶 长出S菌 加S菌的DNA和DNA酶活R菌 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 只长R菌 加S菌的荚膜多糖上述结果表明，只有S型菌株的DNA才能将肺炎链球菌的R型转化为S型，而且DNA的纯度越高，其转化效率也越高，直至只取用610-8g的纯DNA时，仍保持转化活力。这就有力地说明，S型转移给R型的绝不是遗传性状（在这里是荚膜多糖）的本身，而是以DNA为物质基础的遗传信息。（二）噬菌体感染实验1952年，A.D.Hershey和M.Chase发表了证实DNA是噬

16、菌体的遗传物质的著名实验噬菌体感染实验。首先,他们将大肠杆菌培养在以放射性32PO43-或35SO42-作为磷源或硫源的合成培养基中，从而获得含32P-DNA核心或含35S-蛋白质外壳的两种实验用噬菌体。接着，他们作了以下两组实验(图7-1)。图7-1 大肠杆菌噬菌体的感染实验上：用含32P-DNA 核心的噬菌体作感染； 下：用含35S-蛋白质外壳的噬菌体作感染从图7-1两组实验中可清楚地看到，在噬菌体的感染过程中，其蛋白质外壳未进入宿主细胞。进入宿主细胞的虽只有DNA，但经增殖、装配后，却能产生一大群既有DNA核心、又有蛋白质外壳的完整的子代噬菌体粒。这就有力地证明，在其DNA中，存在着包括

17、合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。（三）植物病毒的重建实验为了证明核酸是遗传物质，H.Fraenkel-Conrat(1956年)进一步用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。把TMV放在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将它的蛋白质外壳与RNA核心相分离。结果发现裸露的RNA也能感染烟草，并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离到完整的TMV粒子。但由于提纯的RNA缺乏蛋白质衣壳的保护，所以感染频率要比正常TMV粒子低些。在实验中，还选用了另一株与TMV近缘的霍氏车前花叶病毒(HRV)。整个实验的过程和结果可见图7-2。图7-2 TMV重建实验示意图图7-2说明，当用TMV

18、-RNA与HRV-衣壳重建后的杂合病毒去感染烟草时，烟叶上出现的是典型的TMV病斑，再从中分离出来的新病毒也是未带任何HRV痕迹的典型TMV病毒。反之，用HRV- RNA与TMV-衣壳进行重建时，也可获得相同的结论。这就充分证明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸，只不过是RNA罢了。通过这3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：只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础。二、遗传物质在细胞中的存在方式核酸尤其是DNA是如何存在于生物体中的呢？原核生物与真核生物中DNA存在形式不完全相同。我们从7个层次来探讨。（一）细胞水平从细胞水平看，真核微生物和原核微生物的大部分DNA都

19、集中在细胞核或核区中。真核微生物核外有核膜，叫真核。原核微生物核外无核膜，叫拟核或原核，也称核区。在不同的微生物细胞中，细胞核的数目是不同的。有的只有一个细胞核，如细菌中的球菌和酵母菌等；有的有两个细胞核，叫双核，如细菌中的大多数杆菌和真菌中的担子菌等；还有的有多个细胞核，如许多真菌和放线菌的菌丝体等，但孢子只有一个核。（二）细胞核水平从细胞核水平看，真核微生物的DNA与组蛋白结合在一起形成染色体，由核膜包裹，形成有固定形态的真核。原核微生物的DNA不与任何蛋白质结合，也有少数与非组蛋白结合在一起，形成无核膜包裹的呈松散状态存在的核区，其中的DNA呈环状双链结构。不论是真核微生物还是原核微生物

20、，除细胞核外，在细胞质中还有能自主复制的遗传物质。例如，真核微生物的中心体、线粒体、叶绿体等细胞器基因和共生生物（草履虫体内的卡巴颗粒等），还有2 m质粒。原核微生物的质粒种类很多，常见的质粒有细菌的致育因子（F因子）、抗药因子（R因子）以及大肠杆菌素因子等。（三）染色体水平不同生物核内染色体的数目不同。真核微生物的细胞核中染色体数目较多，而原核微生物中只有一条。除染色体的数目外，染色体的套数也不相同。如果一个细胞中只有一套染色体，它就是一个单倍体。绝大多数微生物是单倍体。如果一个细胞中含有两套相同功能的染色体，则称之为双倍体。少数微生物（如酿酒酵母菌）的营养细胞以及单倍体的性细胞接合或体细胞

21、融合后所形成的合子是双倍体。（四）核酸水平从核酸的种类来看，绝大多数生物的遗传物质是DNA，只有部分病毒(其中多数是植物病毒，还有少数是噬菌体)的遗传物质才是RNA。在核酸的结构上，绝大多数微生物的DNA是双链的，只有少数病毒为单链结构。RNA也有双链(大多数真菌病毒)与单链(大多数RNA噬菌体)之分。从DNA的长度来看，真核生物的DNA比原核生物的长得多，但不同生物间的差别很大。从核酸的状态看，真核微生物的核内DNA是念珠状链（核小体链），核外DNA同原核微生物的一样。原核微生物中双链DNA是环状，在细菌质粒中呈麻花状。病毒粒子中双链DNA呈环状或线状，RNA分子都是线状的。（五）基因水平基

22、因是指生物体内具有自主复制能力的遗传功能单位，它是具有特定核苷酸顺序的核酸片段。根据功能，原核生物的基因可分为调节基因、启动基因、操纵基因和结构基因。结构基因是指决定某种酶及结构蛋白质分子结构的基因，它所编码的蛋白质合成与否，受调节基因和操纵基因的控制。操纵基因则能控制结构基因转录的开放或关闭。启动基因则是RNA聚合酶附着和启动的部位。调节基因是能调节操纵子中结构基因活动的基因。一个基因的相对分子质量大约为6.7 105，约有1000个核苷酸对。每个细菌大约有500010000个基因。（六）密码子水平遗传密码是指DNA链上特定的核苷酸排列顺序。基因中携带的遗传信息通过mRNA传给蛋白质。遗传密

23、码的单位是密码子。三联密码子一般都用mRNA上的3个核苷酸序列来表示。A、C、G和U 4种核苷酸3个一组可排列64种密码子，其中AUG为起始密码子，对应甲硫氨酸（真核生物）或甲酰甲硫氨酸（原核生物）；UAA，UGA和UAG是蛋白质合成的终止信号，叫终止密码子。其余的分别对应除甲硫氨酸以外的19种编码氨基酸。两者的对应关系早已破译，这种关系在生物界是通用的。因此，原核微生物也可翻译人的基因转录的mRNA。如人胰岛素基因转入大肠杆菌体内，大肠杆菌即可合成人的胰岛素。（七）核苷酸水平核苷酸是核酸的组成单位，在绝大多数微生物的DNA中，都只含有dAMP、dTMP、dGMP和dCMP 4种脱氧核糖核苷酸

24、；在绝大多数RNA中，只含有AMP、UMP、GMP和CMP 4种核糖核苷酸。当其中某一个核苷酸中的碱基发生变化，则导致一个密码子意义改变，进而导致整个基因信息改变，指导合成新的蛋白质，引起性状改变。因此，核苷酸是最小的突变单位或交换单位。第三节 基因突变和诱变育种一、基因突变一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换，而导致的遗传变化称为基因突变，其发生变化的范围很小，所以又称点突变或狭义的突变。染色体畸变是指大段染色体的缺失、重复、倒位、易位。广义的突变包括染色体畸变和点突变。从自然界分离得到的菌株一般称野生型菌株，简称野生型。野生型经突变后形成的带

25、有新性状的菌株，称突变株。基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性，也是我们用来获得优良菌株的重要途径之一。(一)基因突变的类型基因突变的类型极为多样。人们可从不同的角度对基因突变进行分类，并给以不同的名称。根据突变体表型不同，可把突变分成以下几种类型：1. 营养缺陷型某一野生型菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法在基本培养基（MM）上正常生长繁殖的变异类型，称为营养缺陷型，它们可在加有相应营养物质的基本培养基平板上选出。营养缺陷型突变株在遗传学、分子生物学、遗传工程和育种等工作中十分有用。

26、2. 抗性突变型抗性突变型是指野生型菌株因发生基因突变，而产生的对某化学药物或致死物理因子的抗性变异类型，它们可在加有相应药物或用相应物理因子处理的培养基平板上选出。抗性突变型普遍存在，例如对一些抗生素具抗药性的菌株等。抗性突变型菌株在遗传学、分子生物学、遗传育种和遗传工程等研究中极其重要。3. 条件致死突变型某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并呈现其固有的表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖，这种突变类型称为条件致死突变型。广泛应用的一类是温度敏感突变型。这些突变型在一定温度条件下并不致死，所以可以在这一温度中保存下来。它们在另一温度下是致死的，通过它们的致死作用，可

27、以用来研究基因的作用等问题。4. 形态突变型形态突变型是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。例如，细菌的鞭毛或荚膜的有无，霉菌或放线菌的孢子有无或颜色变化，菌落表面的光滑、粗糙以及噬菌斑的大小、清晰度等的突变。5. 抗原突变型抗原突变型是指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异类型，包括细胞壁缺陷变异（L型细菌等）、荚膜或鞭毛成分变异等，一般也属非选择性突变。6. 其他突变型如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种类和产量以及对某种药物的依赖性等的突变型。(二) 突变率某一细胞（或病毒颗粒）在每一世代中发生某一性状突变的概率，称突变率。例如，突变率为10-8者，即表示该细胞在1亿

28、次分裂过程中，平均会发生1次突变。为方便起见，突变率也可以用某一单位群体在每一世代（即分裂一次）中产生突变株的数目来表示。例如，一个含108个细胞的群体，当其分裂为2108个细胞时，即平均发生1次突变的突变率也是10-8。某一基因的突变一般是独立发生的，它的突变率不会影响其他基因的突变率。这表明要在同一细胞中同时发生两个或两个以上基因突变的概率是极低的，因为双重或多重基因突变的概率是各个基因突变概率的乘积，例如某一基因的突变率为10-8，另一为10-6，则双重突变的概率仅10-14。(三) 基因突变的特点整个生物界，由于它们的遗传物质是相同的，所以显示在遗传变异特性上都遵循着共同的规律，这在基

29、因突变的水平上尤为明显。基因突变一般有以下7个共同特点：1. 不对应性即突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。例如，细菌在有青霉素的环境下，出现了抗青霉素的突变体；在紫外线的作用下，出现了抗紫外线的突变体；在较高的培养温度下，出现了耐高温的突变体等。从表面上看，会认为正是由于青霉素、紫外线或高温的“诱变”，才产生了相对应的突变性状。事实恰恰相反，这类性状都可通过自发的或其他任何诱变因子诱发得到。这里的青霉素、紫外线或高温仅是起着淘汰原有非突变型(敏感型)个体的作用。2. 自发性由于自然界环境因素的影响和微生物内在的生理生化特点，在没有人为诱发因素的情况下，各种遗传性状的改变可以自发地产

30、生。3. 稀有性指自发突变的频率较低，而且稳定，一般在10-610-9 间。4. 独立性突变的发生一般是独立的，即在某一群体中，既可发生抗青霉素的突变型，也可发生抗链霉素或任何其他药物的抗药性。某一基因的突变，即不提高也不降低其他任何基因的突变率。突变不仅对某一细胞是随机的，且对某一基因也是随机的。5.可诱变性通过各种物理、化学诱变剂的作用，可提高突变率，一般可提高10105倍。6. 稳定性由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化，所以产生的新性状也是稳定的和可遗传的。7. 可逆性由原始的野生型基因变异为突变型基因的过程称为正向突变，相反的过程则称为回复突变。实验证明，任何性状既有可能正

31、向突变，也有可能发生回复突变，两者发生的频率基本相同。 (四) 基因突变的机制基因突变的原因是多种多样的，它可以是自发的或诱发的。诱发的又可分为点突变和染色体畸变，它们还可进一步细分，具体如下。1. 诱发突变诱发突变简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。凡具有诱变效应的任何因素，都可称为诱变剂。（1）碱基的置换 碱基置换可分为两类：一类叫转换，即DNA链中的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；另一类叫颠换，即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(图7-3)。图7-3 碱基置换的两种类型转换（实线，对角线）和颠换（虚线

32、，纵横线）直接引起置换的诱变剂：这是一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，在体内或离体条件下均有作用，例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂等，后者包括硫酸二乙酯（DES）、甲基磺酸乙酯（EMS）、N-甲基-N-硝基-N -亚硝基胍（NTG）、乙烯亚胺、环氧乙酸、氮芥等。它们可与一个或几个碱基发生生化反应，引起DNA复制时发生转换。能引起颠换的诱变剂很少。间接引起置换的诱变剂：它们都是一些碱基类似物，如5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-氨基尿嘧啶(5-AU)、8-氮鸟嘌呤(8-NG)、2-氨基嘌呤(2-AP)和6-氯嘌呤(6-CP)等，其作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子中而引起的，故是间接的

33、。（2）移码突变 指诱变剂会使DNA序列中一个或少数几个核苷酸发生增添(插入)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错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株。与染色体畸变相比，移码突变只能算是DNA分子的微小损伤。图7-4 能引起移码突变的几种代表性化合物能引起移码突变的因素是一些吖啶类染料，包括原黄素、吖啶黄、吖啶橙和-氨基吖啶等，以及一系列“ICR”类化合物。目前认为吖啶类化合物引起移码突变的机制是因为它们都是一种平面型三环分子(图7-4)，结构与一个嘌呤-嘧啶对十分相似，故能嵌入两个相邻DNA碱基对之间，造成双螺旋的部分解开(两个碱基对原来相距0.34 nm

34、，当嵌入一个吖啶分子后，即变成0.68 nm，从而在DNA复制过程中，使链上增添或缺失一个碱基，并引起了移码突变。（3）染色体畸变 某些强烈理化因子，如X射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起上述的点突变外，还会引起DNA的大损伤染色体畸变，既包括染色体结构上的缺失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化。染色体畸变在高等生物中很容易观察。在微生物中，尤其在原核生物中，近年来才证实了它的存在。许多理化诱变剂的诱变作用都不是单一功能的。例如，亚硝酸既能引起碱基的转换作用，又能诱发染色体畸变。2. 自发突变自发突变是指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。随诱变机制的研究，对自发突

35、变的原因已有所认识，下面讨论几种自发突变的可能机制。(1) 背景辐射和环境因素的诱变 不少“自发突变”实质上是由一些原因不详的低剂量诱变因素长期的综合效应导致。例如充满宇宙空间的各种短波辐射、高温的诱变效应以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质的作用等。(2) 微生物自身有害代谢产物的诱变 过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物，它对脉孢菌具有诱变作用。这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低，如果同时再加入过氧化氢酶抑制剂，则又可提高突变率。这就说明，过氧化氢可能是自发突变中的一种内源诱变剂。在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，可能也是同样的原因。(3)由DNA复制过程中碱基配

36、对错误引起 据统计，DNA链每次复制中，每个碱基对错误配对的频率是10-710-11，而一个基因平均约含1000 bp，故自发突变频率约为10-6。因此，若对细菌做一般液体培养时，因其细胞浓度常可达到108个/ml，故经常会在其中产生自发突变株。3. 紫外线对DNA的损伤及其修复已知的DNA损伤类型很多，机体对其修复的方法也各异。发现得较早和研究得较深入的是紫外线（UV）的作用。图7-5 嘧啶的紫外线光化学反应产物嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多，其光化学反应产物主要是嘧啶二聚体（TT，TC，CC）和水合物(图7-5)，相邻嘧啶形成二聚体后造成局部DNA分子无法配对，从而引起微生物的死亡或突

37、变。微生物具有多种修复受损DNA的作用。（1）光复活作用 把经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下时，就可出现其死亡率明显降低的现象，此即光复活作用。最早是A.Kelner (1949年)在灰色链霉菌中发现的，后在许多微生物中都陆续得到了证实。现已了解，经UV照射后带有嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗下会被一种光激活酶光解酶（光裂合酶）结合，这种复合物在300500 nm可见光下时，此酶会因获得光能而激活，并使二聚体重新分解成单体。与此同时，光解酶也从复合物中释放出来，以便重新执行功能。由于一般的微生物中都存在着光复活作用，所以在利用UV进行诱变育种等工作时，就应在红光下进行照射和后续操作，并放

38、置在黑暗条件下培养。（2）切除修复 是活细胞内对被UV等诱变剂损伤后DNA的修复方式之一，又称为暗修复，这是一种不依赖可见光，只通过酶切作用去除嘧啶二聚体，随后重新合成一段正常DNA链的核酸修复方式。在整个修复过程中，共有4种酶参与：内切核酸酶在胸腺嘧啶二聚体的5一 侧切开一个3- OH和5- P的单链缺口；外切核酸酶从5- P至3- OH方向切除二聚体，并扩大缺口；DNA聚合酶以DNA的另一条互补链为模板，从原有链上暴露的3- OH端起逐个延长，重新合成一条缺失的DNA链；通过连接酶的作用，把新合成的寡核苷酸的3- OH末端与原链的5- P末端相连接，从而完成了修复作用。（3）重组修复作用

39、又称为复制后修复，必须在DNA进行复制的情况下进行。重组修复可以在不切除胸腺嘧啶二聚体的情况下，以带有二聚体的这一单链为模板而合成互补单链，可是在每一个二聚体附近留下一个空隙。一般认为通过染色体交换，空隙部位就不再面对着胸腺嘧啶二聚体而面对着正常的单链，在这种情况下DNA多聚酶和连接酶便能起作用而把空隙部分进行修复。（4）紧急呼救（SOS）修复系统 这是细胞经诱导产生的一种修复系统。它的修复功能依赖于某些蛋白质的诱导合成，但这些蛋白质是不稳定的。SOS修复功能和细菌的一系列生理活动有关，如细胞的分裂抑制、引起DNA损伤的因素和抑制DNA复制的许多因素都能引起SOS反应。二、突变与育种（一）自发

40、突变与育种1. 从生产中选育在日常生产过程中，微生物也会以一定频率发生自发突变。富于实际经验和善于细致观察的人们就可及时抓住这类良机来选育优良的生产菌株。例如，从污染噬菌体的发酵液中有可能分离到抗噬菌体的新菌株。2. 定向培育优良菌株定向培育是指用某一特定因素长期处理某一微生物培养物，同时不断对它们进行传代，以达到累积并选择相应的自发突变体的一种古老的育种方法。由于定向培育的自发突变频率较低，变异程度较轻微，所以培育新种的过程十分缓慢。与诱变育种、杂交育种和基因工程技术相比，定向培育法带有“守株待兔”的性质，除某些抗性突变外，一般要相当长的时间。（二）诱变与育种诱变育种是指利用物理或化学诱变剂

41、处理均匀而分散的微生物细胞群，促进其突变频率大幅度提高，然后设法采用简便、快速高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实践或科学实验之用。诱变育种具有极其重要的实践意义。当前发酵工业和其他微生物生产部门所使用的高产菌株，几乎都是通过诱变育种而大大提高了生产性能的。其中最突出的例子就是青霉素生产菌株的选育。1943年，产黄青霉每毫升发酵液只产生约20单位的青霉素，通过诱变育种和其他措施配合，目前的发酵单位已比原来提高了三四十倍，达到了每毫升5万10万单位。诱变育种不仅能提高菌种的生产性能而增加产品的产量外，而且还可达到改进产品质量、扩大品种和简化生产工艺等目的，故仍是目前使用最

42、广泛的育种手段之一。1. 诱变育种的基本程序微生物诱变育种一般按照图7-6程序进行。 原始菌株（出发菌株）纯化 离心收集菌体 细胞或孢子悬浮液制备 离心洗涤 （活细胞计数） 玻璃珠振荡分离 中间培养 过滤突变株分离初筛复筛生产性能试验图7-6 微生物诱变育种的基本程序2. 诱变育种中应注意的几个问题（1）挑选优良的出发菌株 出发菌株就是用于育种的原始菌株。出发菌株适合，育种工作效率就高。参考以下实际经验选用出发菌株：以单倍体纯种为出发菌株，可排除异核体和异质体的影响；采用具有优良性状的菌株，如生长速度快、营养要求低以及产孢子早而多的菌株；选择对诱变剂敏感的菌株。由于有些菌株在发生某一变异后，会

43、提高对其它诱变因素的敏感性，故可考虑选择已发生其他变异的菌株为出发菌株。许多高产突变往往要经过逐步累积的过程，才变得明显，所以有必要多挑选一些已经过诱变的菌株为出发菌株，进行多步育种，确保高产菌株的获得。（2）菌悬液的制备 一般采用生理状态一致（用选择法或诱导法使微生物同步生长）的单细胞或孢子进行诱变处理。所处理的细胞必须是均匀而分散的单细胞悬液。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。由于某些微生物细胞是多核的，即使处理其单细胞，也会出现不纯的菌落。有时，虽然处理的是单核的细胞或孢子，但由于诱变剂一般只作用于DNA双链中的某一条单链，故某一突变无法反映在当代的表型上，而是要

44、经过DNA的复制和细胞分裂后才表现出来，于是出现了不纯菌落，这就叫表型延迟。上述两类不纯菌落的存在，也是诱变育种工作中初分离的菌株经传代后很快出现生产性状“衰退”的主要原因。鉴于上述原因，因此用于诱变育种的细胞应尽量选用单核细胞，如霉菌或放线菌的孢子或细菌的芽孢。细胞的生理状态对诱变处理也会产生很大的影响。细菌在对数期诱变处理效果较好；霉菌或放线菌的分生孢子一般都处于休眠状态，所以培养时间的长短对孢子影响不大，但稍加萌发后的孢子则可提高诱变效率。在实际工作中，要得到均匀分散的细胞悬液，通常可用无菌的玻璃珠来打散成团的细胞，然后再用脱脂棉过滤。一般处理真菌的孢子或酵母细胞时，其悬浮液的浓度大约为

45、106个/ml，细菌和放线菌孢子的浓度大约为108个/ml。另外，根据选用的诱变剂不同，菌悬液可用生理盐水或缓冲液配置。（3）选择简便有效、最适剂量的诱变剂 诱变剂主要有两大类，即物理诱变剂和化学诱变剂。物理诱变剂如紫外线、X射线、射线和快中子等；化学诱变剂种类极多，主要有烷化剂、碱基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)和环氧乙烷等。目前常用的诱变剂主要有紫外线(UV)、硫酸二乙酯、N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍(NTG)和亚硝基甲基脲(NMU)等。后两种因有突出的诱变效果，所

46、以被誉为“超诱变剂”。剂量的选择受处理条件、菌种情况、诱变剂的种类等多种因素的影响。剂量一般指强度与作用时间的乘积。在育种实践中，常采用杀菌率来作各种诱变剂的相对剂量。要确定一个合适的剂量，通常要进行多次试验。在实际工作中，突变率往往随剂量的增高而提高，但达到一定程度后，再提高剂量反而会使突变率下降。根据对紫外线、X射线和乙烯亚胺等诱变效应的研究结果，发现正变较多地出现在偏低的剂量中，而负变则较多地出现于偏高的剂量中，还发现经多次诱变而提高产量的菌株中，更容易出现负变。因此，在诱变育种工作中，目前比较倾向于采用较低的剂量。例如，过去在用紫外线作诱变剂时，常采用杀菌率为99的剂量，而近年来则倾向

47、于采用杀菌率为30%75%的剂量。（4）利用复合处理的协同效应 诱变剂的复合处理常呈现一定的协同效应，因而对育种有利。复合处理的方法包括两种或多种诱变剂的先后使用，同一种诱变剂的重复使用，两种或多种诱变剂的同时使用等。（5）突变体的筛选 诱变处理使微生物群体中出现各种突变型，其中绝大多数是负变株。要获得预定的效应表型主要靠科学的筛选方案和筛选方法，一般要经过初筛和复筛两个阶段的筛选。初筛一般通过平板稀释法获得单个菌落，然后对各个菌落进行有关性状的初步测定，从中选出具有优良性状的菌落。例如，对抗生素产生菌来说，选出抑菌圈大的菌落；对于蛋白酶产生菌来说，选出透明圈大的菌落。此法快速、简便，结果直观性强。缺点是培养皿的培养条件与三角瓶、发酵罐的培养条件相差大，两者结果常不一致。复筛指对初筛出的菌株的有关性状作精确的定量测定。一般要在摇瓶或台式发酵罐中进行培养，经过精细的分析测定，得出准确的数据。突变体经过筛选后，还必