食品微生物学-第8章微生物的遗传与变异.ppt

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1、 第第 八八 章章 微生物的遗传变异与育种微生物的遗传变异与育种第一节第一节 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异前言一、遗传变异的物质基础一、遗传变异的物质基础 二、遗传信息的传递二、遗传信息的传递 三、微生物的变异现象三、微生物的变异现象 四、微生物变异机理四、微生物变异机理 第二节微生物的人工诱变第二节微生物的人工诱变第三节微生物的菌种保藏第三节微生物的菌种保藏前前 言言 遗遗遗遗传传传传性性性性HeredityHeredity和和和和变变变变异异异异性性性性VariationVariation是是是是生生生生物物物物固固固固有有有有的的的的属属属属性性性性之之之之一一一一。各各各各种种

2、种种生生生生物物物物都都都都能能能能将将将将自自自自己己己己的的的的性性性性状状状状传传传传递递递递给给给给子子子子代代代代，产产产产生生生生与与与与自自自自己己己己相相相相似似似似的的的的后后后后代代代代，出出出出现现现现子子子子像像像像父父父父，使使使使物物物物种种种种得得得得以以以以延延延延续续续续。这这这这种种种种现现现现象象象象称称称称为为为为遗遗遗遗传传传传性性性性，但但但但亲亲亲亲代代代代与与与与子子子子代代代代，子子子子代代代代与与与与子子子子代代代代之之之之间间间间往往往往往往往往在在在在形形形形态态态态结结结结构构构构、生生生生理理理理等等等等方方方方面面面面会会会会出出出

3、出现现现现差差差差异异异异、子子子子不不不不像像像像父父父父、子子子子代代代代与与与与子子子子代代代代之之之之间间间间有有有有区区区区别别别别，这这这这种种种种现现现现象象象象称称称称变变变变异异异异性性性性。遗遗遗遗传传传传与与与与变变变变异异异异使物种得以进化。使物种得以进化。使物种得以进化。使物种得以进化。一、遗传变异的物质基础一、遗传变异的物质基础 经经经经过过过过三三三三个个个个经经经经典典典典实实实实验验验验：转转转转化化化化实实实实验验验验，病病病病毒毒毒毒重重重重建建建建实实实实验验验验，噬噬噬噬菌菌菌菌体体体体感感感感染染染染实实实实验验验验证证证证实实实实：核核核核酸酸酸酸

4、是是是是一一一一切切切切生生生生物物物物遗遗遗遗传传传传变异的物质基础变异的物质基础变异的物质基础变异的物质基础。大大大大多多多多数数数数微微微微生生生生物物物物的的的的遗遗遗遗传传传传物物物物质质质质是是是是DNADNADNADNA，只只只只有有有有少少少少数数数数病病病病毒遗传物质是毒遗传物质是毒遗传物质是毒遗传物质是RNARNARNARNA。真真真真核核核核微微微微生生生生物物物物中中中中DNADNADNADNA与与与与碱碱碱碱性性性性蛋蛋蛋蛋白白白白（如如如如组组组组蛋蛋蛋蛋白白白白）共共共共同构成染色体。同构成染色体。同构成染色体。同构成染色体。原原原原核核核核微微微微生生生生物物物

5、物的的的的DNADNADNADNA只只只只是是是是单单单单独独独独存存存存在在在在，呈呈呈呈裸裸裸裸露露露露的的的的核核核核质体状态，除此还有质粒及溶原性噬菌体。质体状态，除此还有质粒及溶原性噬菌体。质体状态，除此还有质粒及溶原性噬菌体。质体状态，除此还有质粒及溶原性噬菌体。遗传功能单位遗传功能单位遗传功能单位遗传功能单位基因：指基因：指基因：指基因：指DNADNADNADNA分子上的一个分子上的一个分子上的一个分子上的一个微小片段，通常含有微小片段，通常含有微小片段，通常含有微小片段，通常含有1000100010001000个左右碱基对。个左右碱基对。个左右碱基对。个左右碱基对。烟草花叶病毒

6、烟草花叶病毒霍氏车前病毒霍氏车前病毒 贮贮存存在在DNADNA上上的的遗遗传传信信息息是是通通过过DNADNA的的半半保保留留复复制制、转转录录、（transcriptiontranscription即即以以DNADNA为为 模模 板板 产产 生生 RNARNA的的 过过 程程）转转 译译（translationtranslation即即指指导导蛋蛋白白质质合合成成的的过过程程）进行传递的进行传递的。DNADNA复制复制 DNADNA转录转录 RNARNA（mRNAmRNA）转译转译 （tRNA)tRNA)蛋白质蛋白质二、遗传信息的传递二、遗传信息的传递 三、微生物的变异现象三、微生物的变异现

7、象 微微生生物物可可自自发发地地或或经经过过人人工工诱诱变变而而发生变异，主要变异现象如下：发生变异，主要变异现象如下：1 1、形态变异形态变异 如如：原原来来黑黑色色孢孢子子变变以以白白色色孢孢子子、菌菌落落性状变异性状变异2 2、结构与抗原发生变异结构与抗原发生变异 如如荚荚膜膜变变异异；鞭鞭毛毛变变异异：抗抗原原结结构构变变异异；芽胞变异等芽胞变异等3 3、生理特性变异生理特性变异如毒力变异：耐药性变异：如毒力变异：耐药性变异：4 4、代谢发生变异代谢发生变异如营养缺陷型变异：如营养缺陷型变异：5 5、条条件件致致死死突突变变型型指指在在某某一一条条件件下下变变异异表表现现出出致致死死效

8、效应应的的突突变变，而而在在另另一一条条件件下下则则能能正正常常生生长长。如如温温度度敏敏感感突突变变株株，它它们们不不能能在在亲亲代代生生长长的的温温度度范范围围内内生生长长，而而只只能能在在较较低低的的温度下才能生长。温度下才能生长。遗传性变异一般包括四个方面遗传性变异一般包括四个方面选择作用、选择作用、致突变作用、致突变作用、基因重组、基因重组、基因工程基因工程。四、微生物变异机理四、微生物变异机理 生生物物DNADNA链链中中碱碱基基顺顺序序发发生生偶偶然然改改变变，而而引起的变异。引起的变异。突突变变位位置置：这这种种改改变变可可只只涉涉及及一一对对或或少少数数几几对对碱碱基基的的改

9、改变变，也也可可发发生生染染色色体体缺缺失失、易易位位、重重复和倒置等复和倒置等较大范内的结构改变较大范内的结构改变突突变变机机率率：突突变变在在自自然然情情况况和和人人工工条条件件下下均均可可发发生生。在在自自然然情情况况下下，细细菌菌的的突突变变率率不不高高，只只是是在在1010-4-41010-9-9。人人工工使使用用强强烈烈理理化化因因素素，如如同同位位素素、紫紫外外线线、亚亚硝硝酸酸等等，可可使使微微生生物物的的突突变变率率大大大大提提高高，这这些些理理化化因因素素可可称称为为诱诱发发因因素素或诱变剂。或诱变剂。基基因因突突变变并并无无一一定定的的方方向向，因因此此必必须须经经过过测

10、试和筛选才有实用意义。测试和筛选才有实用意义。（一）基因突变（一）基因突变 gene mutation（二）基因重组（二）基因重组 微生物从外源获得微生物从外源获得DNADNA，与其本身与其本身DNADNA链链发生重新组合，导致原有的基因改变而发发生重新组合，导致原有的基因改变而发生的变异，称为基因重组。生的变异，称为基因重组。原核生物的基因重组有以下四种方式：原核生物的基因重组有以下四种方式：转化转化转导转导 噬菌体转换或溶原性转换噬菌体转换或溶原性转换接合接合真核微生物的杂交育种主要有两种方式：真核微生物的杂交育种主要有两种方式：有性杂交有性杂交准性生殖准性生殖1 1、转化、转化 tran

11、sformationtransformation 指受体细指受体细菌直接摄取供体细菌游离的菌直接摄取供体细菌游离的DNADNA片段，片段，整合整合（同源区基因交换重组同源区基因交换重组）后改变了后改变了受体菌基因组的过程受体菌基因组的过程。故常发生在同一故常发生在同一物种和近缘物种之间。物种和近缘物种之间。转化现象转化现象是由格烈弗斯（是由格烈弗斯（CriffithCriffith）在在19281928年首次发现的。当时的实验步骤年首次发现的。当时的实验步骤与结果如下：与结果如下：影响转化率的影响转化率的3 3个内在因素：个内在因素：（1 1）受体细胞的感受态，）受体细胞的感受态，它决定转化因

12、子它决定转化因子能否能否进入进入受体细胞。受体细胞。（2 2）受体菌的限制酶系统，）受体菌的限制酶系统，它决定转化因它决定转化因子在整合前是否被子在整合前是否被分解分解。（3 3）受体与供体染色体的同源性，）受体与供体染色体的同源性，它决定它决定转化因子的转化因子的整合整合。转转化化实实验验结结果果表表明明：受受体体细细菌菌（型型）从从周周围围环环境境中中吸吸取取了了供供体体菌菌（型型）的的DNADNA，并并把把它它整整合合到到自自己己的的遗遗传传物物质质中中，因此获得新的遗传特性，发生菌型转化。因此获得新的遗传特性，发生菌型转化。2 2、转导、转导 transductiontransduct

13、ion 以以噬菌体噬菌体为媒介，为媒介，把一个细菌的遗传把一个细菌的遗传物质转移到另一个物质转移到另一个细菌（受体）内，细菌（受体）内，导致受体细菌基因导致受体细菌基因型的改变，这一过型的改变，这一过程称转导。程称转导。只有温和性噬菌只有温和性噬菌体才能转导。体才能转导。3 3、噬菌体转换或称溶源性转换、噬菌体转换或称溶源性转换 当温和噬菌体感染宿主之后，当温和噬菌体感染宿主之后，噬菌体的基因整合于宿主基因组中，噬菌体的基因整合于宿主基因组中，寄主的性状即可发生变异。寄主的性状即可发生变异。4 4、接合、接合 供体菌（雄性菌）通过其性纤毛而与供体菌（雄性菌）通过其性纤毛而与受体菌（雌性细菌）接

14、触，将遗传物质直受体菌（雌性细菌）接触，将遗传物质直接转移至受体菌的过程为接合。接转移至受体菌的过程为接合。5 5、真真核核微微生生物物的杂交育种的杂交育种（1 1）有性杂交）有性杂交 有有性性杂杂交交是是有有性性细细胞胞间间接接合合和和重重组组的的过程。过程。其其原原理理与与高高等等生生物物相相同同，其其产产生生的的子子囊囊孢孢子子即即有有性性杂杂交过程。交过程。（2 2）准性生殖）准性生殖perazexual repoductionperazexual repoduction 真真菌菌中中不不产产生生有有性性孢孢子子的的一一种种导导致致基基因因重重组组过过程程。是是比比较较原原始始的的一一

15、种种繁繁殖殖方式。方式。通通过过准准性性生生殖殖使使不不产产生生有有性性孢孢子子的的霉霉菌菌进进行行细细胞胞核核的的融融合合和和遗遗传传因因子子的的重重组组，完完成成杂交过程，主要存在半知菌类。杂交过程，主要存在半知菌类。包括以下阶段：包括以下阶段：A A、菌丝联结；菌丝联结；B B、异核体形成；异核体形成；C C、形成双倍体；形成双倍体；D D、分离子产生；分离子产生；特特点点：A A、重重组组体体细细胞胞和和一一般般营营养养细细胞胞没没明明显显差差别别；B B、不不产产生生特特殊殊器器官官；C C、染染色色体体交交换换和染色体减数不规则；和染色体减数不规则；（三（三）基因工程（遗传工程）基

16、因工程（遗传工程）是应用是应用DNADNA重组技术，通过多种酶的作用重组技术，通过多种酶的作用在生物体外进行基因的拼接，并使重组在生物体外进行基因的拼接，并使重组DNADNA在新的细胞水平上重新表达。在新的细胞水平上重新表达。1 1 1 1、目的基因的切割、目的基因的切割、目的基因的切割、目的基因的切割 利利利利用用用用外外外外切切切切酶酶酶酶或或或或限限限限制制制制性性性性内内内内切切切切酶酶酶酶：自自自自供供供供体体体体细细细细胞胞胞胞内内内内的的的的DNADNADNADNA上上上上切切切切割割割割下所需要的基因（目的基因），并造成粘性末端。下所需要的基因（目的基因），并造成粘性末端。下所

17、需要的基因（目的基因），并造成粘性末端。下所需要的基因（目的基因），并造成粘性末端。G AATTC GAATT AATTCG AATTC GAATT AATTCG AATTC GAATT AATTCG AATTC GAATT AATTCCTTAA G CTTAA G CTTAA G CTTAA G（粘端）粘端）粘端）粘端）CTTAA TTAAGCTTAA TTAAGCTTAA TTAAGCTTAA TTAAG（平端）平端）平端）平端）限限限限制制制制性性性性内内内内切切切切酶酶酶酶的的的的选选选选择择择择很很很很重重重重要要要要，它它它它必必必必须须须须是是是是专专专专一一一一的的的的切切切切

18、断断断断DNADNADNADNA分子特定部位。分子特定部位。分子特定部位。分子特定部位。2 2、基因重组、基因重组 对对微微量量或或超超微微量量的的纯纯化化基基因因进进行行复复制制或或扩扩增增，进进行行分分子子无无性性繁繁殖殖。一一般般是是用用一一个个具具有有自自我我复复制制功功能能的的DNADNA分分子子作作为为外外源源基基因因的的载载体体，通通过过重重新新组组合合，成成为为一一个个新新的的重重组组DNADNA分分子子。常常用用的的载体是质粒和病毒。载体是质粒和病毒。3 3、重组基因引入受体细胞与表达、重组基因引入受体细胞与表达 将将重重组组所所形形成成的的DNADNA分分子子引引入入受受体

19、体细细胞胞，随随着着受受体体细细胞胞繁繁殖殖，使受体细胞获得新的属性。使受体细胞获得新的属性。关关键键是是受受体体细细胞胞的的筛筛选选，它它必必须须能能吸吸收收重重组组DNADNA分分子子，并并在在体体内内进进行行复复制制，这这样样才才有有可可能能使使受受体细胞以及后代获得新的属性。体细胞以及后代获得新的属性。第二节微生物的人工诱变第二节微生物的人工诱变 1 1、从从自自然然界界筛筛取取优优良良种种：往往往往性性能能不不太太理理想。想。2 2、诱诱变变育育种种：诱诱发发基基因因发发生生突突变变，根根据据目目标，从无定向突变株中选出菌种。标，从无定向突变株中选出菌种。（1 1）物物理理诱诱变变剂

20、剂：紫紫外外线线、X X射射线线、射线、温度射线、温度（2 2）化化学学诱诱变变剂剂：引引起起诱诱变变的的化化学学物物质质多多，但但效效果果好好的的只只有有少少数数几几种种，因因有有毒毒，致致癌癌性，须注意安全。性，须注意安全。如如：亚亚硝硝酸酸 烷烷化化剂剂（硫硫酸酸二二乙乙酯酯）氮氮芥芥 碱碱基基类类似似物物（5-5-溴溴尿尿嘧嘧啶啶）吖吖啶啶类类物质物质 活菌计数活菌计数出发菌株性能测定出发菌株性能测定出发菌株出发菌株菌种纯化菌种纯化诱变剂处理诱变剂处理制备孢子或菌液制备孢子或菌液平板涂布平板涂布变异菌挑取，纯培养变异菌挑取，纯培养斜面传代斜面传代放大试验放大试验诱变育种的程序诱变育种的

21、程序 3 3、杂交育种、杂交育种杂杂交交是是细细胞胞水水平平上上的的一一种种基基因因重重组组，通通过过杂杂交交，染染色色体体发发生生重重组组，把把几几种种优优良良性性状状汇汇集集在在一一个个菌菌株株上上，从从而而子子代代个个体体不不仅仅会会出出现现双双亲亲性性状状，还还可出现新性状。可出现新性状。啤酒酵母和面包酵母的杂交育种。啤酒酵母和面包酵母的杂交育种。原生质体融合育种。原生质体融合育种。第三节微生物的菌种保藏第三节微生物的菌种保藏1 1、定期移植保藏、定期移植保藏细菌细菌 1-2 1-2月、月、放线菌放线菌 3 3月、月、酵母酵母 4-6 4-6月、月、霉菌霉菌 4 4月月2 2、矿油封藏法、矿油封藏法3 3、砂土保藏法、砂土保藏法 孢子孢子4 4、麸皮保藏法、麸皮保藏法 根霉根霉5 5、冷冻保存、冷冻保存 冷冻真空干燥法冷冻真空干燥法