第七章--微生物的遗传变异和育种-食品微生物课件.ppt

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1、第七章第七章微生物的遗传变异和育种微生物的遗传变异和育种第一节第一节微生物的遗传和变异微生物的遗传和变异一、遗传和变异一、遗传和变异1.1.遗传遗传(heredity)(heredity)生物的上一代将自己的遗传因子传递给生物的上一代将自己的遗传因子传递给下一代的行为或功能。下一代的行为或功能。特点：具有极其稳定的特性特点：具有极其稳定的特性。2.2.变异（变异（VariationVariation）是生物体在某种外因或内因作用下引起的是生物体在某种外因或内因作用下引起的遗传物质结构改变，亦即遗传型的改变。遗传物质结构改变，亦即遗传型的改变。特点：几率极低特点：几率极低(一般为一般为1010-

2、5-51010-6-6)；性状变化；性状变化幅度大；变化后的新性状是稳定的、可遗传的。幅度大；变化后的新性状是稳定的、可遗传的。二、遗传变异的物质基础二、遗传变异的物质基础1.肺炎双球菌转化试验肺炎双球菌转化试验1928年英国的细菌学家格里菲斯年英国的细菌学家格里菲斯(Griffith)首先发现肺炎双球菌的转化现象。首先发现肺炎双球菌的转化现象。肺炎双球菌是一种病原菌，存在着两种不同类肺炎双球菌是一种病原菌，存在着两种不同类型：光滑型型：光滑型(Smooth简称简称S型型)和粗糙型和粗糙型(Rough简称简称R型型)。光滑型肺炎双球菌的菌体有荚膜，。光滑型肺炎双球菌的菌体有荚膜，菌落光滑，当侵

3、染人或动物体内时，能使其患菌落光滑，当侵染人或动物体内时，能使其患病死亡；粗糙型肺炎双球菌菌体无荚膜，菌落病死亡；粗糙型肺炎双球菌菌体无荚膜，菌落粗糙，不会使人和动物致病。粗糙，不会使人和动物致病。格里菲斯以格里菲斯以R型和型和S型作为实验材料进行型作为实验材料进行遗传物质的实验。格里菲斯首先将遗传物质的实验。格里菲斯首先将R型肺炎双型肺炎双球菌注入小白鼠体内，小白鼠安然无恙；将球菌注入小白鼠体内，小白鼠安然无恙；将S型型注入时，小白鼠患病死亡。将注入时，小白鼠患病死亡。将S型菌在型菌在60温温度下加热杀死后注入小白鼠体内，小白鼠不患度下加热杀死后注入小白鼠体内，小白鼠不患病。但将加热杀死的病

4、。但将加热杀死的S型菌和型菌和R型活菌混合注型活菌混合注入时，小白鼠出乎意料地患病死亡，并从小白入时，小白鼠出乎意料地患病死亡，并从小白鼠体内分离出活的鼠体内分离出活的S型菌。格里菲斯称这一现型菌。格里菲斯称这一现象为转化作用。象为转化作用。1944年年美美国国的的埃埃弗弗雷雷(O.Avery)、麦麦克克利利奥奥特特(C.Macleod)及及麦麦克克卡卡蒂蒂(M.Mccarty)等等人人在在格格里里菲菲斯斯工工作作的的基基础础上上，首首先先将将组组成成S型型肺肺炎炎双双球球菌菌的的各各类类化化学学物物质质进进行行分分离离提提纯纯，获获得得了了纯纯度度很很高高的的糖糖类类、脂脂类类、蛋蛋白白质质

5、、核核酸酸等等。然然后后把把这这些些化化学学物物质质逐逐个个和和R型型肺肺炎炎双双球球菌菌混混合合，在在动动物物体体外外进进行行培培养养，观观察察是是哪哪种种物物质质能能引引起起转转化化作作用用。结结果果发发现现只只有有DNA能能起起这这种种作作用用，这这就就证证明明了了在在生生物物体体内内决决定定遗遗传传的的物物质质是是DNA。2.噬菌体感染试验噬菌体感染试验1952年年A.Hershey和和M.Chase利用示踪元利用示踪元素，对大肠杆菌素，对大肠杆菌T2噬菌体进行了这类实验。噬菌体进行了这类实验。T2噬菌体由蛋白质和核酸组成，这样噬菌体中噬菌体由蛋白质和核酸组成，这样噬菌体中的硫元素只能

6、在蛋白质中存在，而磷元素只在的硫元素只能在蛋白质中存在，而磷元素只在核酸中存在。核酸中存在。A.Hershey等人首先用含有等人首先用含有35S和和32P两种元素的培养基培养大肠杆菌，然后让两种元素的培养基培养大肠杆菌，然后让T2噬菌体侵染培养后的大肠杆菌，从而使噬菌体侵染培养后的大肠杆菌，从而使T2噬菌体打上噬菌体打上35S和和32P的标记。的标记。接着又让这种接着又让这种T2噬菌体侵染不含标记元素噬菌体侵染不含标记元素的大肠杆菌，并在的大肠杆菌，并在T2噬菌体完成了吸附和侵入噬菌体完成了吸附和侵入后而未复制前，在组织搅碎器中强烈搅拌，以后而未复制前，在组织搅碎器中强烈搅拌，以便使吸附在菌体

7、外表的便使吸附在菌体外表的T2噬菌体蛋白质外壳脱噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布，再进行离心沉淀，分别测离细胞并均匀分布，再进行离心沉淀，分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记。结果发现，定沉淀物和上清液中的同位素标记。结果发现，几乎全部几乎全部35S都在上清液中，而几乎全部都在上清液中，而几乎全部32P和和细菌一起出现在沉淀物中。这说明细菌一起出现在沉淀物中。这说明T2噬菌体蛋噬菌体蛋白质外壳没有进入细菌细胞白质外壳没有进入细菌细胞(通过电镜证实了这通过电镜证实了这点点)，而是由于搅拌从细菌表现脱落下来，质量，而是由于搅拌从细菌表现脱落下来，质量较轻，在离心时不被沉淀而在上清液中。而较轻，在

8、离心时不被沉淀而在上清液中。而T2噬菌体的噬菌体的DNA进入细菌细胞内，由于质量较重，进入细菌细胞内，由于质量较重，在离心时被沉淀下来。在离心时被沉淀下来。后来他又将甲、乙两种变种的烟草花叶后来他又将甲、乙两种变种的烟草花叶病毒拆开，在体外分别将甲病毒的病毒拆开，在体外分别将甲病毒的RNA和乙和乙病毒的蛋白质结合，将乙病毒的病毒的蛋白质结合，将乙病毒的RNA和甲病和甲病毒的蛋白质结合进行重组。接着他把这些经毒的蛋白质结合进行重组。接着他把这些经过重组的病毒分别感染烟草。结果从寄主分过重组的病毒分别感染烟草。结果从寄主分离所得的病毒蛋白质均取决于相应病毒的离所得的病毒蛋白质均取决于相应病毒的RN

9、A。证明了核酸（。证明了核酸（RNA）是烟草花叶病毒）是烟草花叶病毒的遗传物质基础。的遗传物质基础。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、基因突变一、基因突变1.基因突变的概念基因突变的概念基基因因突突变变是是指指DNA（或或RNA）中中的的核核苷苷酸酸顺顺序序突突然然发发生生稳稳定定的的可可遗遗传传的的变变化化。它它包包括括碱碱基基对对置置换换、移移码码突突变变和和染染色色体体畸畸变变三三种种情情况况。碱碱基基对对置置换换和和移移码码突突变变是是由由于于DNA链链上上的的一一对对或或少少数数几几对对碱碱基基发发生生改改变变而而引引起起的的，所所以以又又称称点点突突变变；而而染染

10、色色体体畸畸变变则则是是指指DNA链链上上的的一一段段变变化化和和损损伤伤现现象象，表表现现为为染染色色体体结结构构的的插插入入、缺缺失失、重重复复、易易位位、倒倒位位及及其其数数量量的的变变化化。微微生生物物的的基基因因突突变变容容易发生，所以很重要。易发生，所以很重要。（3）条件致死突变型）条件致死突变型是是指指在在某某一一条条件件呈呈现现致致死死效效应应而而另另一一条条件件下下却却不不表表现现致致死死效效应应的的突突变变型型。如如温温度度敏敏感感突突变型。变型。（4）营养缺陷型突变型）营养缺陷型突变型是是一一类类重重要要的的生生化化突突变变型型。是是指指某某种种微微生生物物经经基基因因突

11、突变变而而引引起起微微生生物物代代谢谢过过程程中中某某些些酶酶合合成成能能力力的的丧丧失失的的突突变变型型，它它们们必必须须在在原原有有培培养养基基中中添添加加相相应应的的营营养养成成分分才才能能正正常常生生长长繁繁殖殖。这这种种突突变变型型在在科科研研和和生生产产中中有有着着重重要要的的应应用用价价值。值。（7）其它突变型）其它突变型如如毒毒力力、糖糖发发酵酵能能力力、代代谢谢产产物物的的种种类类和和数量以及对某种药物的依赖性等的突变型。数量以及对某种药物的依赖性等的突变型。3.基因突变的特点基因突变的特点（1）结果与原因之间的不对应性）结果与原因之间的不对应性即即突突变变后后表表现现的的性

12、性状状与与引引起起突突变变的的原原因因之之间间无无直直接接对对应应关关系系。例例如如抗抗青青霉霉素素突突变变体体并并非非由由于于接接触触青青霉霉素素而而引引起起，抗抗紫紫外外线线突突变变体也不是由紫外线所引起。体也不是由紫外线所引起。（2）自发性）自发性各种性状的突变，可以在没有人为诱发各种性状的突变，可以在没有人为诱发因素处理下自发地发生。因素处理下自发地发生。（6）稳定性）稳定性由由于于基基因因突突变变而而产产生生的的新新性性状状的的改改变变是是稳稳定的，可以遗传定的，可以遗传。（7）可逆性）可逆性从从原原始始的的野野生生型型基基因因变变异异成成突突变变型型基基因因，称称正正向向突突变变；

13、相相反反，突突变变型型基基因因也也可可以以同同样样的的频频率率恢恢复复到到原原来来的的野野生生型型基基因因，称称恢恢复复突突变变。实实验验证证明明任任何何突突变变既既有有可可能能正正向向突突变变，也也可可发发生恢复突变，二者发生的频率基本相同。生恢复突变，二者发生的频率基本相同。4.基因突变的机制基因突变的机制（1）诱发基质）诱发基质*碱基对的置换碱基对的置换在在DNA分子上，碱基对待置换属于一种微分子上，碱基对待置换属于一种微小的损伤，它只涉及一对碱基被另一对碱基所小的损伤，它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。碱基对的置换可分成两类：一类是置换。碱基对的置换可分成两类：一类是DNA链上的一个

14、嘌呤被另一个嘌呤或一个嘧啶被另链上的一个嘌呤被另一个嘌呤或一个嘧啶被另一个嘧啶所置换，成为一个嘧啶所置换，成为转换转换；另一类是；另一类是DNA链链上的一个嘌呤被另一个嘧啶或一个嘧啶被另一上的一个嘌呤被另一个嘧啶或一个嘧啶被另一个嘌呤所置换，成为个嘌呤所置换，成为颠换颠换。这类诱变剂的种类很多，常用的主要有亚这类诱变剂的种类很多，常用的主要有亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（如硫酸二乙酯、甲硝酸、羟胺和各种烷化剂（如硫酸二乙酯、甲基黄酸乙酯、基黄酸乙酯、N甲基甲基N硝基硝基N亚硝基亚硝基胍、胍、N甲基甲基N亚硝基脲、乙烯酰氨、环氧亚硝基脲、乙烯酰氨、环氧乙酸、氮芥）以及碱基类似物等。乙酸、氮芥）以及碱

15、基类似物等。*移码突变移码突变这是指由一种诱变剂引起这是指由一种诱变剂引起DNA分子中一个分子中一个或少数几个碱基插入或缺失，从而使该部位后或少数几个碱基插入或缺失，从而使该部位后面全部遗传密码发生转录错误的一类突变，与面全部遗传密码发生转录错误的一类突变，与染色体畸变相比，移码突变也属于染色体畸变相比，移码突变也属于DNA分子中分子中的微小损伤。的微小损伤。吖吖啶啶类类染染料料及及其其化化合合物物是是移移码码突突变变的的有有效效诱诱变变剂剂，例例如如吖吖啶啶、啶啶黄黄、啶啶橙橙，5-氨氨基基吖吖啶啶。吖吖啶啶类类化化合合物物的的诱诱变变机机制制目目前前还还不不很很清清楚楚。现现普普遍遍认认为

16、为，由由于于吖吖啶啶类类化化合合物物是是一一种种平平面面型型三三环环分分子子，结结构构与与一一个个嘌嘌呤呤嘧嘧啶啶碱碱基基对对相相似似，因因此此能能够够嵌嵌入入两两个个相相邻邻的的DNA碱碱基基对对之之间间，造造成成双双螺螺旋旋的的部部分分解解开开，从从而而在在复复制制过过程程中中，会会使使链链上上插插入入或或缺缺失失一一个个碱碱基基，结果引起移码突变。结果引起移码突变。（2）自发突变机制）自发突变机制*背景辐射和环境中多因素低剂量的诱变效应背景辐射和环境中多因素低剂量的诱变效应不不少少自自发发突突变变实实质质上上是是由由于于一一些些原原因因不不详详的的低低剂剂量量诱诱变变因因素素长长期期作作

17、用用的的综综合合效效应应。例例如如充充满满宇宇宙宙空空间间的的各各种种短短波波辐辐射射，高高温温诱诱变变效效应应以以及及自自然然界界中中普普遍遍存存在在的的一一些些低低浓浓度度诱诱变变物物质质的作用等。的作用等。*微生物自身代谢产物的诱变效应微生物自身代谢产物的诱变效应过过氧氧化化氢氢是是微微生生物物正正常常代代谢谢的的一一种种产产物物，但但它它对对脉脉孢孢菌菌具具有有诱诱发发作作用用，如如果果同同时时加加入入过过氧氧化化氢氢酶酶抑抑制制剂剂，则则可可大大大大提提高高诱诱变变的的效效率率。这这说说明明过过氧氧化化氢氢有有可可能能是是引引起起自自发发突突变变的一种内源诱变剂。的一种内源诱变剂。*

18、互变异构效应互变异构效应因因为为DNA分分子子中中的的四四种种碱碱基基A、T、G、C的的第第六六位位碳碳原原子子上上不不是是酮酮基基（T、G）就就是是氨氨基基（A、C），所所以以有有人人认认为为T和和G会会以以酮酮式式和和烯烯醇醇式式两两种种互互变变异异构构的的形形式式出出现现，而而A和和C则则可可以以氨氨基基式式或或亚亚氨氨基基式式两两种种状状态态出出现现。由由于于化化学学结结构构的的平平衡衡一一般般趋趋向向于于酮酮式式和和亚亚氨氨基基式式，因因此此，在在DNA双双链链结结构构中中一一般般总总是是以以A:T与与G:C碱碱基基配配对对的的形形式式出出现现。可可是是在在偶偶然然情情况况下下，T也

19、也会会以以烯烯醇醇式式形形式式出出现现，恰恰好好DNA的的复复制制达达到到这这一一点点时时，在在它它相相对对应应的的位位置置上上出出现现配配对对碱碱基基G，而而不不出出现现常规的常规的A。二、微生物的诱变育种二、微生物的诱变育种1.基本概念基本概念诱变育种是利用物理或化学诱变育种是利用物理或化学诱变诱变处理均匀处理均匀分散的微生物细胞群，促进其突变率大幅度提分散的微生物细胞群，促进其突变率大幅度提高，然后采取简便、快速和高效的高，然后采取简便、快速和高效的筛选筛选方法，方法，从中挑选少数符合育种目的的突变体，以供生从中挑选少数符合育种目的的突变体，以供生产实践和科学实验之用。产实践和科学实验之

20、用。2.意义意义诱变育种具有及其重要的意义，当今发诱变育种具有及其重要的意义，当今发酵工业所使用的高产菌株，几乎都是通过诱酵工业所使用的高产菌株，几乎都是通过诱变育种而大大提高了生产性能的。例如青霉变育种而大大提高了生产性能的。例如青霉素，素，1943年开始生产时，发酵的效价只有年开始生产时，发酵的效价只有20单位单位/毫升，通过诱变育种及其它措施的配合，毫升，通过诱变育种及其它措施的配合，到到1977年已达年已达50000单位单位/毫升，比原来提高毫升，比原来提高23千倍。千倍。3.诱变育种的思路诱变育种的思路确定出发菌株确定出发菌株菌种的纯化选优菌种的纯化选优出发菌株的性能测定出发菌株的性

21、能测定同步培养同步培养制备单细胞（或单孢子）悬液制备单细胞（或单孢子）悬液活菌浓度测定活菌浓度测定诱变剂的选择与剂量确定的预试验诱变剂的选择与剂量确定的预试验诱变处理诱变处理平板分离平板分离计形态变异的菌落，计算突变率计形态变异的菌落，计算突变率挑取疑似突变菌落纯培养挑取疑似突变菌落纯培养突变体的初步筛选突变体的初步筛选用简单快捷的方法用简单快捷的方法重复筛选重复筛选摇瓶发酵试验摇瓶发酵试验选选出出突突变变体体（根根据据情情况况进进行行生生产产试试验验或或重重复复诱变处理）诱变处理）第三节第三节基因重组与杂交基因重组与杂交一、基因重组和杂交的基本概念一、基因重组和杂交的基本概念1.基因重组基因

22、重组基因重组又称为遗传重组，它是把不同性基因重组又称为遗传重组，它是把不同性状个体内的基因转移到一起，经过遗传分子的状个体内的基因转移到一起，经过遗传分子的重新组合后，形成新遗传个体的过程。重新组合后，形成新遗传个体的过程。基因重组时，不发生任何碱基对结构上的基因重组时，不发生任何碱基对结构上的变化；重组后生物体新的遗传性状出现完全是变化；重组后生物体新的遗传性状出现完全是基因重组的结果。基因重组的结果。2.杂交杂交不同的性细胞之间结合，并随之发生染不同的性细胞之间结合，并随之发生染色体的重组，从而产生新的遗传型后代的现色体的重组，从而产生新的遗传型后代的现象。象。重组是分子水平上的概念，是遗

23、传分子重组是分子水平上的概念，是遗传分子水平上的杂交，而杂交是细胞水平上的概念。水平上的杂交，而杂交是细胞水平上的概念。杂交必然包含着基因重组，而基因重组杂交必然包含着基因重组，而基因重组不仅局限于通过杂交一种形式完成。不仅局限于通过杂交一种形式完成。二、原核生物的基因重组二、原核生物的基因重组1.转转化（化（Transformation）（1）概念）概念转化是受体菌直接吸收来自供体菌的转化是受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段，整合到自己的基因组中去，并表达供体片段，整合到自己的基因组中去，并表达供体菌部分遗传性状的现象。菌部分遗传性状的现象。许多细菌如芽孢杆菌属、链球菌属、奈瑟许多细菌如芽

24、孢杆菌属、链球菌属、奈瑟氏球菌属和嗜血菌属氏球菌属和嗜血菌属(嗜血杆菌属嗜血杆菌属Haemophilus)能够自然发生转化作用。能够自然发生转化作用。转化过程示意图转化过程示意图（2）感受态）感受态(compentence)|细胞吸收细胞吸收DNA进行转化的能力取决于细胞所进行转化的能力取决于细胞所处的特殊生理状态，即细菌细胞的感受态。处的特殊生理状态，即细菌细胞的感受态。|感受态与细胞表面存在感受态与细胞表面存在DNA的受体有关。如的受体有关。如大肠杆菌，在冷的条件下通过大肠杆菌，在冷的条件下通过化学方法处理化学方法处理，可以诱导建立感受态。可以诱导建立感受态。2.转导转导通通过过缺缺陷陷型

25、型噬噬菌菌体体或或温温和和型型噬噬菌菌体体为为媒媒介介，将将供供体体细细胞胞中中DNA片片段段携携带带到到受受体体细细胞胞中中，从从而而使使受受体体菌菌获获得得供供体体菌菌的的某某些些遗遗传传性性状的现象，称为转导。状的现象，称为转导。（1）普遍性转导）普遍性转导由由缺缺陷陷型型噬噬菌菌体体误误包包（而而非非整整合合）供供体体菌菌DNA中中的的任任何何一一部部分分片片段段（包包括括核核外外遗遗传传物物质质在在内内）后后，当当再再次次感感染染受受体体细细菌菌时时，使使后后者者获获得得了了这这部部分分遗遗传传性性状状的的现现象象，称称为为普普遍性转导。遍性转导。普遍性专导普遍性专导（2）局限性转导

26、）局限性转导由由温和型噬菌体温和型噬菌体侵染而形成的某一溶源细侵染而形成的某一溶源细菌被诱导裂解时，其中极少数个体的菌被诱导裂解时，其中极少数个体的DNA可能可能与噬菌体的与噬菌体的DNA发生若干特定基因的交换，从发生若干特定基因的交换，从而被整合到噬菌体的基因组上，当该噬菌体再而被整合到噬菌体的基因组上，当该噬菌体再次感染受体菌时，就使受体菌获得了这一特定次感染受体菌时，就使受体菌获得了这一特定遗传性状的现象，当成为局限性转导。遗传性状的现象，当成为局限性转导。通常当一个噬菌体被诱导后，以非常精确通常当一个噬菌体被诱导后，以非常精确的方式从染色体上切离形成一个完全的噬菌体的方式从染色体上切离

27、形成一个完全的噬菌体基因组。极少数的原噬菌体发生不精确的切离基因组。极少数的原噬菌体发生不精确的切离(误切误切)，邻近噬菌体，邻近噬菌体位点位点上的一小段供体菌染上的一小段供体菌染色体被切离，而一小段噬菌体的色体被切离，而一小段噬菌体的DNA遗留在供遗留在供体菌染色体上。体菌染色体上。含有这段染色体含有这段染色体DNA的噬菌体颗粒，将会的噬菌体颗粒，将会感染受体细胞，整个噬菌体感染受体细胞，整个噬菌体DNA可整合在受体可整合在受体菌染色体上形成溶源化，或通过重组作用与受菌染色体上形成溶源化，或通过重组作用与受体菌染色体体菌染色体DNA整合。整合。galbiogalbiogalbiogalbio

28、biogal局限性转导局限性转导3.接合（接合（conjugation）通通过过供供体体细细菌菌和和受受体体细细菌菌细细胞胞间间的的直直接接接接触触而而传传递递大大段段DNA的的过过程程，称称为为接接合合（有有时时也也称原核生物的杂交）。称原核生物的杂交）。在在细细菌菌中中，接接合合现现象象研研究究最最清清楚楚的的是是大大肠肠杆杆菌菌。根根据据对对接接合合现现象象的的研研究究，发发现现大大肠肠杆杆菌菌的的接接合合与与其其细细菌菌表表面面的的性性纤纤毛毛有有关关。不不久久又又发发现现大大肠肠杆杆菌菌有有雄雄性性和和雌雌性性之之分分，而而决决定定它它们们性性别的是有是否存在别的是有是否存在F因子所

29、决定。因子所决定。接合是同通过质粒使遗传物质在两个细菌接合是同通过质粒使遗传物质在两个细菌细胞间转移的机制。一个含有接合质粒细胞间转移的机制。一个含有接合质粒(F+，致，致育性育性)的细胞与不含有接合质粒的细胞与不含有接合质粒(F-)的细胞借助的细胞借助于细胞表面的于细胞表面的F-性菌毛形成交配个体。性菌毛性菌毛形成交配个体。性菌毛收缩，拉两个细胞接触，从含有质粒的细胞收缩，拉两个细胞接触，从含有质粒的细胞(供供体体)DNA转移到受体。转移到受体。转移的起始点在质粒转移的起始点在质粒DNADNA一条链的一个缺口一条链的一个缺口位点上，位点上，DNADNA以单链形式转移，通过滚环模型形以单链形式

30、转移，通过滚环模型形式复制。完整链作为式复制。完整链作为DNADNA合成的模板，而缺口链合成的模板，而缺口链被替代和转移进人受体细胞。一旦受体细胞中被替代和转移进人受体细胞。一旦受体细胞中互补的互补的DNADNA链合成，形成新的链合成，形成新的F F因子。因子。Electron Micrograph of Escherichia coli with a Conjugation Pilus 脐脐状状雌雌性性细细菌菌不不含含F因因子子，称称为为F菌菌株株，雄雄性性含含有有F因因子子，并并且且根根据据F因因子子在在细细胞胞中中存存在在情情况况的的不不同同而而有有不不同同名名称称，在在有有些些雄雄性性

31、细细胞胞中中含含有有游游离离的的F因因子子，称称为为F+菌菌株株，另另一一些些细细胞胞中中含含的的F因因子子被被整整合合在在细细胞胞核核的的DNA上上，不不成成游游离离状状态态存存在在，称称为为Hfr菌菌株株，即即高高频频重重组组菌菌株株。还还有有F因因子子能能被被整整合合到到细细胞胞核核DNA上上，也也能能从从上上面面脱脱落落下下来来，呈呈游游离离存存在在，但但在在脱脱落落时时，F因因子子有有时时能能带带一一小小段段细细胞胞核核DNA。我我们们将将这这种种含含有有游游离离存存在在的的但但又又带带有有一一小小段段细细胞胞核核DNA的的F因子的细菌称为因子的细菌称为F菌株。菌株。F+菌株接合的结

32、果是产生二个菌株接合的结果是产生二个F+菌株菌株 F+F-F+F-F+F+F+F+F菌株与菌株与F-菌株接合的结果是产生二个菌株接合的结果是产生二个F菌株。接合过程同菌株。接合过程同F+与与F-菌株的接合过程。菌株的接合过程。Hfr菌株与菌株与F-菌株接合的情况较为复杂，菌株接合的情况较为复杂，接合的结果也不完全一样。接合的结果也不完全一样。Hfr菌株常常只能菌株常常只能将部分的细胞核将部分的细胞核DNA转移给转移给F-菌株，这是由菌株，这是由于接合容易中断而于接合容易中断而F因子总是最后从供体细胞因子总是最后从供体细胞进入受体细胞的原故。由于进入受体细胞的原故。由于Hfr菌株与菌株与F-菌株

33、菌株发生接合时，发生接合时，Hfr染色体在染色体在F因子处发生断裂，因子处发生断裂，由环状变成线状。又由于断裂发生在由环状变成线状。又由于断裂发生在F因子处，因子处，所以必然要等所以必然要等Hfr的整条染色体全部转移完后，的整条染色体全部转移完后，F因子才能进入到因子才能进入到F-细胞，可是事实上由于种细胞，可是事实上由于种种原因，这种线状染色体在转移过程中常常种原因，这种线状染色体在转移过程中常常发生断裂，因此发生断裂，因此Hfr菌株的许多基因虽然可以菌株的许多基因虽然可以进入进入F-菌株，越是前端的基因，进入的机会菌株，越是前端的基因，进入的机会越多，在越多，在F-菌株中出现重组子的时间就

34、越早，菌株中出现重组子的时间就越早，频率也高。而频率也高。而F因子由于位于末端，故进入因子由于位于末端，故进入F-菌株的机会最少，引起性别变化的可能性最菌株的机会最少，引起性别变化的可能性最小。这样小。这样Hfr与与F-菌株接合的结果重组频率虽菌株接合的结果重组频率虽高，但却很少出现高，但却很少出现F+菌株。总之，通过菌株。总之，通过Hfr与与F-菌株的接合，在大多数情况下，受体细菌菌株的接合，在大多数情况下，受体细菌仍是仍是F-菌株，只有在极少数情况下，由于遗菌株，只有在极少数情况下，由于遗传物质转移的完整，受体细胞才能成为传物质转移的完整，受体细胞才能成为Hfr菌菌株。株。4.溶源性转变溶

35、源性转变这这是是一一种种与与转转导导相相似似但但又又有有本本质质不不同同的的现现象象。溶溶源源转转变变与与转转导导在在本本质质上上的的不不同同，首首先先是是它它的的温温和和型型噬噬菌菌体体不不携携带带任任何何供供体体菌菌的的基基因因，其其次次是是这这种种噬噬菌菌体体是是正正常常的的完完整整的的，而而不不是是异异常情况下产生的缺陷型噬菌体。常情况下产生的缺陷型噬菌体。溶溶源源转转变变的的典典型型例例子子是是不不产产毒毒素素的的白白喉喉棒棒状状杆杆菌菌（lorynebactceriumdiphthariac）菌菌株株被被噬噬菌菌体体侵侵染染而而发发生生溶溶源源化化时时，会会变变成成产产毒毒素素的的

36、致致病病菌菌株株。其其他他如如沙沙门门氏氏菌菌、红红霉霉菌菌、链链霉菌等也具有溶源转变的能力霉菌等也具有溶源转变的能力。三、真核生物的基因重组三、真核生物的基因重组1.有性杂交有性杂交在在微微生生物物的的有有性性繁繁殖殖过过程程中中，不不同同的的性性细细胞胞间间的的结结合合，并并随随之之发发生生染染色色体体的的重重组组。从从而而产生新遗传型后代的现象，称有性杂交。产生新遗传型后代的现象，称有性杂交。凡凡是是能能产产生生有有性性孢孢子子的的酵酵母母菌菌和和霉霉菌菌，都都能能进进行行有有性性杂杂交交。微微生生物物的的两两个个性性细细胞胞相相互互联联结结，通通过过质质配配、核核配配后后形形成成双双倍

37、倍体体的的合合子子，合合子子进进行行减减数数分分裂裂时时，部部分分染染色色体体可可能能发发生生交交换换而而进进行行重重组组，由由此此而而产产生生重重组组染染色色体体并并把把遗遗传传性状按一定的规律性传给后代。性状按一定的规律性传给后代。有性杂交在生产实践中被广泛用于优良品有性杂交在生产实践中被广泛用于优良品种的培育。例如用于酒精发酵的酵母菌和用于种的培育。例如用于酒精发酵的酵母菌和用于面包发酵的酵母菌是同属一种啤酒酵母的两个面包发酵的酵母菌是同属一种啤酒酵母的两个不同菌株，面包酵母的特点是对麦芽糖及葡萄不同菌株，面包酵母的特点是对麦芽糖及葡萄糖的发酵能力强，产生糖的发酵能力强，产生CO2多，生

38、长快；而酒多，生长快；而酒精酵母是产酒率高而对麦芽糖、葡萄糖的发酵精酵母是产酒率高而对麦芽糖、葡萄糖的发酵能力弱，所以酿酒厂生产酒精后的酵母，不能能力弱，所以酿酒厂生产酒精后的酵母，不能供面包厂作引子用。通过两者的杂交，就得到供面包厂作引子用。通过两者的杂交，就得到了既能生产酒精，又能将菌体用作面包厂和家了既能生产酒精，又能将菌体用作面包厂和家用发酵酵母的优良菌种。用发酵酵母的优良菌种。2.准性生殖准性生殖准性生殖是一种类似于有性生殖但比它更准性生殖是一种类似于有性生殖但比它更原始的一种生殖方式。它可使同一种生物的两原始的一种生殖方式。它可使同一种生物的两个不同来源的体细胞经融合后，不通过减数

39、分个不同来源的体细胞经融合后，不通过减数分裂而导致低频率的基因重组。准性生殖多见于裂而导致低频率的基因重组。准性生殖多见于一般不具典型有性生殖的酵母和霉菌，尤其是一般不具典型有性生殖的酵母和霉菌，尤其是半知菌中半知菌中。（1）菌丝联结）菌丝联结发生在一些形态上没有区别的，但在遗传发生在一些形态上没有区别的，但在遗传性状上可以有差别的两个同种亲本的体细胞性状上可以有差别的两个同种亲本的体细胞（单倍体）间。发生联结的频率很低。（单倍体）间。发生联结的频率很低。（2）形成异核体）形成异核体两两个个单单倍倍体体细细胞胞经经联联结结后后，使使原原有有的的两两个个单单倍倍体体核核集集中中到到同同一一个个细

40、细胞胞中中，形形成成双双向向的的异异核体。异核体能独立生活。核体。异核体能独立生活。（3）核融合）核融合在在异异核核体体中中的的双双核核融融合合，产产生生双双倍倍体体杂杂合合子子核核。核核融融合合后后产产生生杂杂合合子子核核的的频频率率也也是是极极低低的，如构巢曲霉和米曲霉为的，如构巢曲霉和米曲霉为10-510-7.（4）体细胞重组和单倍体化）体细胞重组和单倍体化双双倍倍体体的的杂杂合合子子极极不不稳稳定定，在在进进行行有有丝丝分分裂裂过过程程中中，极极少少数数的的染染色色体体会会发发生生交交换换和和单单倍倍体体化化，从从而而形形成成了了极极个个别别的的具具有有新新遗遗传传性性状状的的单单倍倍

41、体体杂杂合合子子。如如果果对对双双倍倍体体杂杂合合子子用用紫紫外外线线、射射线线或或用用氮氮芥芥等等化化学学诱诱变变剂剂进进行行处处理理，就就会会促促进进染染色色体体断断裂裂、畸畸变变或或导导致致染染色色体体在在两两个个子子细细胞胞中中的的分分配配不不均均，因因而而有有可可能能产产生生有有不不同同性性状组合的单倍体杂合子。状组合的单倍体杂合子。准准性性生生殖殖对对一一些些没没有有有有性性繁繁殖殖过过程程但但有有重重要要生生产产价价值值的的半半知知菌菌及及其其它它微微生生物物的的育育种种，提提供了重要的手段。供了重要的手段。准性生殖准性生殖3.微生物杂交育种（讲稿）微生物杂交育种（讲稿）（1）酵

42、母杂交育种）酵母杂交育种（2）霉菌杂交育种）霉菌杂交育种4.原生质体融合原生质体融合四、遗传工程四、遗传工程遗传工程思路遗传工程思路微生物育种专题微生物育种专题1营养缺陷型菌株影印培养法营养缺陷型菌株影印培养法|用于筛选大量特殊突变菌落的一个方法。细用于筛选大量特殊突变菌落的一个方法。细菌铺制成平板，在含所有营养成分的培养基菌铺制成平板，在含所有营养成分的培养基上（上（完全培养基完全培养基）亲本和突变株均能生长，）亲本和突变株均能生长，采用一个稀释度使单个菌落能在平板上看到；采用一个稀释度使单个菌落能在平板上看到；培养后，用一个无菌的丝绒布包裹的圆柱章培养后，用一个无菌的丝绒布包裹的圆柱章的圆

43、垫转移上述菌落至可以的圆垫转移上述菌落至可以检出突变株的培检出突变株的培养基平板上。养基平板上。|培养基的性质根据突变株的需求，在营养缺培养基的性质根据突变株的需求，在营养缺陷型突变株的情况下，可以在有特殊生长因子陷型突变株的情况下，可以在有特殊生长因子和没有特殊生长因子的平板上影印法转移菌落，和没有特殊生长因子的平板上影印法转移菌落，不能合成那种生长因子的突变菌株，在基本培不能合成那种生长因子的突变菌株，在基本培养基上不能生长，但能在加入已知生长因子的养基上不能生长，但能在加入已知生长因子的基本培养基上生长基本培养基上生长(加富培养基加富培养基)，突变株菌落，突变株菌落通过在基本培养基不能生

44、长来鉴别，可以从能通过在基本培养基不能生长来鉴别，可以从能生长的加富培养基平板上选出和纯化。生长的加富培养基平板上选出和纯化。微生物育种专题微生物育种专题2原生质体融合技术原生质体融合技术原生质体融合又称细胞融合，这是近年来原生质体融合又称细胞融合，这是近年来才出现的继转化、转导和接合之后的转移遗传才出现的继转化、转导和接合之后的转移遗传物质的又一重要方法。它是通过人为的方法，物质的又一重要方法。它是通过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合，并产生带有新遗传性状型重组子的过程。合，并产生带有新遗传性状型重组子的过程。能够进行原生质体融合

45、的细胞不仅有原核微生能够进行原生质体融合的细胞不仅有原核微生物中的细菌、放线菌，而且还有真核微生物中物中的细菌、放线菌，而且还有真核微生物中的酵母菌、霉菌和高等动、植物细胞。的酵母菌、霉菌和高等动、植物细胞。微生物原生质体融合的研究开始于微生物原生质体融合的研究开始于1976年。年。其一般原理和主要过程是：首选准备两个具有其一般原理和主要过程是：首选准备两个具有选择性遗传标记的突变株，在高渗溶液中，用选择性遗传标记的突变株，在高渗溶液中，用适当的脱壁酶，例如细菌可用溶菌酶，真菌可适当的脱壁酶，例如细菌可用溶菌酶，真菌可用蜗牛酶等除去细胞壁，再将形成的原生质体用蜗牛酶等除去细胞壁，再将形成的原生

46、质体离心聚集，并加入促融合剂聚乙二醇（离心聚集，并加入促融合剂聚乙二醇（PEG）促进融合，然后在高渗溶液中稀释，涂布在能促进融合，然后在高渗溶液中稀释，涂布在能使其再生细胞壁进行分裂繁殖的培养基上，待使其再生细胞壁进行分裂繁殖的培养基上，待形成菌落后，通过影印接种法将其接种到各种形成菌落后，通过影印接种法将其接种到各种选择培养基上，最后鉴定它们是否为重组子，选择培养基上，最后鉴定它们是否为重组子，图示如下：图示如下：第四节第四节菌种的保藏菌种的保藏微生物菌种是一类重要的自然资源。菌微生物菌种是一类重要的自然资源。菌种的保藏和复壮是微生物学的一项重要基础种的保藏和复壮是微生物学的一项重要基础工作

47、。优良菌种被分离选育出来后，必须尽工作。优良菌种被分离选育出来后，必须尽可能保持其原来性状和生活力不变异、不死可能保持其原来性状和生活力不变异、不死亡、不被污染。但在自然条件下，菌种的污亡、不被污染。但在自然条件下，菌种的污染、死亡和生产性能的逐渐下降又是不可避染、死亡和生产性能的逐渐下降又是不可避免的。为了解决这一矛盾，就必须采取妥善免的。为了解决这一矛盾，就必须采取妥善的保藏和复壮方法，以便随时供应优良菌种的保藏和复壮方法，以便随时供应优良菌种给生产、科研使用。给生产、科研使用。一、菌种的退化与复壮一、菌种的退化与复壮1.菌种的退化现象菌种的退化现象常常见见的的菌菌种种退退化化现现象象最最

48、易易觉觉察察到到的的是是菌菌落落形形态态和和细细胞胞形形态态的的改改变变，如如菌菌落落颜颜色色的的改改变变,畸畸形形细细胞胞的的出出现现等等；其其次次是是生生长长变变得得缓缓慢慢，产产孢孢子子越越来来越越少少，例例如如放放线线菌菌、霉霉菌菌在在斜斜面面上上多多次次传传代代后后产产生生“光光秃秃”现现象象等等，从从而而造造成成生生产产上上用用孢孢子子接接种种的的困困难难，再再次次是是菌菌种种的的代代谢谢活活动动，代代谢谢产产物物的的生生产产能能力力或或其其对对寄寄主主的的寄寄生生能能力力明明显显下下降降，例例如如黑黑曲曲霉霉糖糖化化能能力力的的下下降降，抗抗菌菌素素发发酵酵单单位位的的减减少少，

49、枯枯草草杆杆菌菌产产淀淀粉粉酶酶能能力力的的衰衰退等。退等。所所有有这这些些都都对对发发酵酵生生产产不不利利。但但是是在在生生产产实实践践中中，必必须须将将其其与与培培养养条条件件的的改改变变导导致致菌菌种种形形态态和和生生理理上上的的变变异异区区别别开开来来。因因为为优优良良菌菌株株的的生生产产性性能能是是和和发发酵酵工工艺艺条条件件紧紧密密相相关关的的。如如果果培培养养条条件件起起变变化化，如如培培养养基基中中某某些些元元素素缺缺乏乏，会会导导致致产产孢孢子子数数量量减减少少，也也会会引引起起孢孢子子颜颜色色的的改改变变；温温度度、pH值值的的变变化化也也会会使使产产量量发发生生波波动动等

50、等。所所有有这这些些，只只要要条条件件恢恢复复正正常常，菌菌种种原原有有性性能能就就能能恢恢复复正正常常，因因此此这这些些原原因因引引起起的的菌菌种种变化不能称为退化。变化不能称为退化。2.菌种退化的原因菌种退化的原因菌种退化的主要原因是菌种退化的主要原因是有关基因的负突变有关基因的负突变。如果控制产量的基因发生负突变，就会引起产量如果控制产量的基因发生负突变，就会引起产量下降；如果控制孢子生成的基因发生负突变，则下降；如果控制孢子生成的基因发生负突变，则使菌种产孢子性能下降。特别是对某一特定基因使菌种产孢子性能下降。特别是对某一特定基因来讲，突变频率就更低，因此不能认为群体中个来讲，突变频率