微生物遗传变异与育种

根据感受态建立的方式，可以分为： ①自然遗传转化 ②人工转化
（二）转导（transduction）
1.转导
➢细菌细胞间进行遗传交换的另一种方式，指通过缺陷噬菌 体的媒介，将供体细胞的小片段DNA携带到受体细胞中，通 过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象。
➢转导子：由转导作用获得部分新性状的重组细胞。 ➢转导噬菌体：能将一个宿主（细菌）的部分染色体或质粒 DNA带到另一个宿主（细菌）的噬菌体。
（6）巨大质粒：是近年来在根瘤菌属）中发现的一 种质粒，分子量为200-300×106Dalton，比一般 质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒，其上有一 系列固氮基因。
第二节 基因突变
突变（mutation）：指生物体表型突然发生的可遗传变化。
染色体畸变——细胞学上可以看到染色体的变化。
突变
包括：①缺失②添加（重复、插入）③易位④倒位 。
➢受体菌：recipient/receptor，转化基因的接受者 ➢供体菌：donor，转化基因的提供者 ➢转化因子：来自供体菌的DNA片段 ➢转化子：transformant，将转化基因重组进入自身染色 体组的重组子
2、转化发生的条件
①受体细胞要处于感受态. ➢感受态：competence，受体细胞能从环境吸取外 源DNA片段并实现其转化的一种生理状态 ②供体DNA片段（转化因子）大小适宜，分子量一 般为1× 107 D 左右 ③菌株间的亲缘关系密切 3、转化的类型
（四）原生质体融合——protoplast fusion
➢概念：通过人为方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体 发生融合，并进而发生遗传重组以产生同时带有双亲性状的遗 传性稳定的融合子（fusant）的过程，称为原生质体融合。 ➢适用范围：各种生物细胞都能进行原生质体融合，包括各种 原核生物、真核微生物以及高等动植物和人体的不同细胞。 ➢意义：70年代后发展的一种育种新技术，继转化、转导和接 合之后一种更有效的转移遗传物质的手段。原生质体融合不仅 能在不同菌株或种间进行，还能做到属间、科间甚至更远缘的 微生物或高等生物细胞间的融合。
（三）接合（conjugation）
➢定义：供体菌（“雄”）通过其性菌毛与受体菌（“雌”）相 接触，前者传递不同长度的DNA给后者，并在后者细胞中进行 双链化或进一步与核染色体发生交换、整合，从而使后者获得 供体菌的遗传性状的现象，称为接合。 ➢通过接合而获得新性状的受体细胞就是接合子（conjugant） ➢存在范围：
三、原核生物的质粒
1、质粒基础知识 定义：是一类小型闭合环状核外双螺旋DNA分子，
能独立于细胞核进行自主复制。 大小：约为2-100×106Dalton，上面携带有数
个到数十个甚至上百个基因。
性质：
①可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可 以通过交换掺入染色体上，以附加体的形式存在；
非选择性突变株（non-selective mutant）：无选择标记 （如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种 突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。
二、突变的特点
适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。 ➢不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。 ➢自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。 ➢稀有性：突变率低且稳定。 ➢独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。 ➢可诱发性：诱变剂可提高突变率。 ➢稳定性：变异性状稳定可遗传。 ➢可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突
2.转导的种类
➢普遍转导（generalized transduction）：通过少数完全缺陷 噬菌体对供体菌基因组上任何小片段进行“误包”而将其遗 传性状转移给受体菌的现象。 ➢局限性转导：也称局限转导，指通过部分缺陷的温和噬菌 体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并与后者的基 因整合、重组形成转导子的现象。 ➢溶源转变：当温和噬菌体感染宿主而使其发生溶源化时， 因噬菌体的基因整合到宿主的核基因组上，而使后者获得了 除免疫性以外的新性状的现象，称为溶源转变。
★依突变发生方式分为：
1、自发突变：环境因素的影响，DNA复制过程的
偶然错误等而导致。一般频率较低，通常为106109 。
2、诱变：某些物理、化学因素对生物体的DNA进 行直接作用，突变以较高的频率产生。这些理化 因素称为诱变剂。
★按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：
选择性突变株（selective mutant）：具有选择标记（如营 养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当 的环境条件，如培养基、温度、pH值等，就比较容易检出和 分离到。
（4） Col因子：产大肠杆菌素因子。大肠杆菌素是 由E.coli的某些菌株所分泌的细菌素，能通过抑制 复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其 它肠道细菌。
凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白， 从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。
（5）降解性质粒：只在假单胞菌属中发现。它们的 降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码， 从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。这 些质粒以其所分解的底物命名。
基因突变——细胞学上看不到遗传物质的变化。
包括：①碱基置换（转换、巅换）；
②移码突变（缺失、添加） 。
突变体：发生了突变的微生物细胞或菌株
野生型：从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的原始 菌株。
一、基因突变的类型
★依表型的改变分为： 形态突变型—— 营养缺陷型——因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，
➢细菌：G – 较为多见如E. coli等最为常见。 ➢放线菌：Streptomyces 、Nocardia。 ➢接合还可发生在不同属的菌种之间。 ➢E. coli的F因子：决定性别的质粒，属于附加体（episome）， 可以通过接合作用获得，也可以通过丫啶类化合物、溴化乙锭 或丝裂霉素C的处理而消除。
功能：进行细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、 抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。
重组：在质粒之间、质粒与染色体之间菌可发生。 存在范围：很多细菌如E.coli、lactis、根癌土壤杆菌等。 制备：包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋白质
等成分、去除RNA和蛋白质等步骤。 鉴定：电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱
表型
发育
表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在
特性的总和;------是一种现实存在，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。
变异(variation):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。变异的特点：a. 在 群 体 中 以 极 低 的 几 率 出 现 ， （ 一 般 为 10-6 ～ 1010）；
等方法
2、几种代表性质粒
（1）F-因子：又称致育因子或性因子。存在于肠细 菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球 菌等细菌中，决定性别。
（2）R因子：即抗性转移因子和抗性决定R因子。其 上带有其它抗生素的抗性基因，也称耐药性质粒。 该因子首先是在志贺氏菌中发现。
（3）Ti质粒：即诱癌质粒。存在于根癌土壤杆菌中, 可引起许多双子叶植物的根癌。当前，Ti质粒已 成为植物遗传工程研究中的重要载体。
②质粒是一种复制子，根据自我复制能力的不同，可把质粒复制 的控制形式分为严紧型和松弛型两种。
③可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一 个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒可以单 独转移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它 可成为基因工程的载体。
④对于细菌的生存并不是必要的。 ⑤功能多样化。
（一）转化（transformation）
1、转化
R型活菌+S型死菌→ →S型活菌 ➢定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌 的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部 分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的受 体菌称为转化子（transformant）。 ➢有关名词：
第一节 遗传变异的物质基础
一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验
（一）经典转化实验（transformation） F.Griffith，肺炎双球菌转化实验。
（二）噬菌体感染实验 （三）植物病毒的重建实验
二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式
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 ➢细胞核水平: 原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA ➢染色体水平: 倍性(真核)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 DNA或RNA，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，转录——翻译 ➢密码子水平：信息单位,起始和终止, ➢核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基。
并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变 类型。 发酵突变型——丧失产生某种生物合成酶能力的突变型。 抗性突变型——因突变而产生了对某种化学药物或致死物 理因子的抗性。 条件致死突变型——突变后在某种条件下可正常生长繁殖， 而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型。 抗原突变型——因突变而引起的抗原结构发生改变。 产量突变型——
变，从突变株回到野生型的过程则称为回复突变 或回变。
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三、基因突变的机制
本部分内容课内不进行介绍，有兴趣可以自学。P111.
第三节 基因重组
凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起， 经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传型个体的 方式，称为基因重组（gene recombination）或遗传 重组，简称重组。
重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产 生新遗传型的个体。
重组与杂交的关系：
重组是分子水平上的一个概念，可以理解成是遗传物质分 子水平上的杂交。
而一般所说的杂交则是细胞水平上的一个概念。 杂交中必然包含着重组，而重组则不限于杂交这一形式。
一、原核微生物的基因重组
基因重组的方式
转化 转导 接合 原生质体融合
原生质体融合的优点： ➢ 可以提高重组率 ➢ 双亲可以少带标记或不带标记 ➢ 可进行多亲本融合 ➢ 有利于不同种间、属间微生物的杂交 ➢ 通过原生质体融合提高产量 发展点：有关原生质体融合的遗传机制，尚未研究清楚， 目前还在探索中。
b.形状变化的幅度大；
c. 变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。
饰变（modification）：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。特点是：a.几乎整个 群体中的每一个个体都发生同样的变化；b.性状变化的幅 度小；c.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。
3、遗传与变异的概念
遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。
遗传(heredity)：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：具稳定性。
遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的
全部基因的总和；是一种内在可能性或潜力。
遗传型 + 环境条件 代谢
2、研究微生物遗传学的意义
微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的 生物学基本理论问题中最热衷的研究对象。
对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了 现代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育 种工作提供了丰富的理论基础，促使育种工作从 不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、 从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。
第七章 微生物的遗传变 异与育种
学习目标：
1.掌握生物体的遗传物质及存在水平； 2.理解质粒的概念，了解常见的质粒； 3.理解基因突变的概念、类型与特点； 4.了解菌种衰退的防止方法与复壮方法； 5.了解菌种保藏的原理与常见保藏方法。
1、理想的工业发酵菌种应符合以下要求：
①遗传性状稳定； ②生长速度快，不易被噬菌体等异种微生物污染； ③目标产物的产量尽可能接近理论转化率； ④目标产物最好能分泌到细胞外，以降低产物抑制并利于分 离； ⑤尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产量并 利于分离； ⑥培养基成分简单、来源广、价格低廉； ⑦对温度、pH、离子强度、剪切力等环境因素不敏感； ⑧对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。