★第六章 微生物的遗传变异和育种

第六章微生物的遗传变异和育种第一节微生物的遗传与变异一、微生物遗传与变异的概述人类在生产和科学实验中，为了有效地利用和控制微生物，就必须了解和掌握它们的种性和种性的变化。

为此，也就需要研究它们的遗传性和变异性。

遗传性(heredity)和变异性(variation)是生物所固有的属性之一。

各种生物都能将自己的性状的遗传信息传递给子代，使之产生与自己相似的个体，这种现象称之为遗传性。

任何生物亲代和子代、子代和子代之间，无论在形态、结构、生理等方面总会有所差异，在这些差异中，凡能引起遗传改变的现象称之为变异性。

在自然界中微生物的遗传和变异现象，早已引起了科学家的注意。

1881年法国的巴斯德就发现了细菌的毒性变异现象。

他曾用42o C的温度去培养炭疽杆菌，经过20天，该菌失去了形成芽孢的能力。

培养2-3个月后，该菌又失去了致病能力。

以后，科学家们就利用这种变异现象研制出多种疫苗，用于医药卫生事业。

同时，人们又研究了大量的微生物与动植物的遗传变异现象。

如（1）杂交水稻给人类带来了巨大财富，解决了中国几亿人口吃粮问题；（2）转基因粮食为人类提供更多更丰富的食物为；（3）人类基因组计划的实施，为人类抗御疾病，展示了更美好的前景，基因的突变又给人类带来过许多灾难；（4）癌症就是一种细胞的基因突变，引起细胞变化。

（5）就是因为基因变异，引起了流行性感冒的在世界上多次大流行，每次流行造成几十万至几百万人的死亡，才有香港所有的鸡被屠宰的命运；（6）艾滋病等许多病毒病都是微生物基因变异的结果。

微生物的遗传变异在基本原理上与高等生物相同，但在生物学特性方面，它们有自己的特点。

微生物在遗传变异方面的特点在绪论中就有阐述，我们这里加以简要回顾。

1、单细胞，个体小。

环境接触面积大，易于受环境的影响。

2、繁殖速度快，环境因素在短期内多次重复，并用微生物细胞，并能迅速传给子代。

3、易建立起纯的品系。

4、微生物产生代谢产物快，结构简单，适合作为遗传研究的材料。

所以近代遗传学研究采用的材料多由微生物提供。

遗传的保守性：微生物的的遗传性是相对稳定的，它可以使种性很长期地传给后代而没有显著的质的变化。

永久性的种性改变是真正的遗传性的变异，是微生物种的某些属性发生不可逆的变化，这是由于发生了基因结构的改变而引起的，所以，它可稳定的遗传给后代。

微生物的变异表现有多方面：有形态、毒力、代谢产物以及抗性的变异等等。

研究微生物的遗传变异的规律具有很重要的理论和实践意义。

由于深入研究微生物遗传变异现象，有力地促进了分子生物学的一些基本理论问题的发展。

为微生物育种工作提供了日益坚实的理论基础。

二、遗传变异的物质基础（一）核酸是一切生物遗传变异的物质基础。

（二）核酸的结构和复制1、DNA的结构DNA是由四种核苷酸组成。

每个核苷酸均含有环状碱基、脱氧核酸和磷酸根三种组分。

四种核苷酸的差异仅仅在于碱基的不同。

即：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）。

DNA分子是由许多核苷酸连接在一起形成的多核苷酸长链。

这条长链是双螺旋结构。

即两条成对的，方向相反的，细长的多核苷酸链，彼此以一定的空间距离，在同一轴上互相盘旋而形成的一个双螺旋式扶梯，每条链均有脱氧核糖-磷酸-脱氧核糖-磷酸交替排列构成的。

2、RNA的结构RNA的结构与DNA的结构相似，只是尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（T）。

3、核酸的复制半保留复制：复制后的DNA分子，各由一条新链和一条旧链构成双螺旋结构。

（三）遗传物质在细胞内存在的方式大多存在细胞核或核质中，真核微生物核内的DNA与组蛋白结合成染色体。

自然界中发现的微生物多数是单位体。

染色体内含有大量的不同的基因（gene），它是生物体内储存遗传信息的因子，是DNA的片段，一个特定的片段，能指导合成核酸和蛋白质，一个DNA分子有许多基因。

不同基因含有的碱基对的数量和排列顺序却不一样，这样就能控制了不同的遗传性状。

如果一旦某个碱基的组成或排列顺序都发生改变，那么这个基因将失去正常功能，可能导致生理缺陷。

生物的遗传变异虽然都受着基因的控制，但是基因并不等于遗传性状，任何一种遗传性状的表达都是在基因的控制下，通过酶的催化代谢活动才能体现出来，而酶的合成又直接受基因控制。

遗传密码：基因既然指的是DAN上的一个特定的片段，因此它必须包括若干个核苷酸，在DNA链上各有核苷酸的特定排列顺序。

每个密码子是由三个核苷酸所决定的，它是负载遗传信息的基本单位。

第二节基因突变和诱变育种突变(mutation)就是遗传物质中的核苷酸顺序突然发生了变化，突变可分基因突变和染色体突变，其中以基因突变经常发生。

在微生物中突变时经常发生的，研究它不但有助于了解遗传的物质及生物进化，而且还为诱变育种提供必要的理论基础。

一、基因突变基因突变（gene mutation）：是由于DNA链上的一对或几对碱基发生了改变而引起的，即基因发生了改变而导致遗传性发生变异，这种变异是可遗传的。

（一）基因突变的类型1、形态突变型：是指细胞形态发生变化或引起菌落形态改变的那些突变型。

2、毒力突变型：指菌种发生毒力有无的改变，如毒力大的菌株突变为毒力小或无毒力的菌株。

3、营养缺陷突变型：是指某种微生物经基因突变后，闷种酶的丧失而成为必须添加某种成分它才能生长的突变体。

4、抗性突变型：是指抗某种药物、抗噬菌体、抗抗生素等能力的增加或减少的突变体。

5、抗原性突变型：是指微生物体中失去某些抗原或增加某些抗原的突变体。

6、条件致死突变型：指在某一条件下表现致死效应，而在另一条件下不表现致死效应的突变型。

如温度敏感突变体，它们不能在亲代能生长的温度范围内生长，而只能在较低的温度下才能生长。

此外，还有代谢产物突变型、糖发酵突变型。

（二）基因突变特点基因突变分为：自发突变（spontanous mutation）和诱发突变。

自发突变是指在自然条件下，微生物发生的突变。

诱发突变（induced mutation）是人们利用物理或化学因素处理微生物使其发生的突变。

自然突变的几率是极低的，细菌在1×10-4-1×10-10。

由于自发突变几率很低，在育种中只靠自发突变获得突变体很少，从群体中筛选出个别有价值的优良突变体的机会很少。

应用物理因素或化学物质能够提高突变率，能够获得有价值的优良突变体，所以目前诱发突变已广泛用于微生物育种的许多方面，如筛选抗药物菌株、代谢产物高产菌株、抗噬菌体菌株等都获得了显著成就。

二、诱变与育种诱变育种：就是利用物理、化学等诱变因素，诱发基因不定向突变，定向筛选！突变。

然后根据育种的要求、目的，从无定向的突变株中筛选出具有优良性状的突变体，因此诱变育种不仅仅是诱变处理，而且还在于在处理过的群体中，筛选出所需要的突变体。

（一）物理诱变1、物理诱变因素：有紫外线、X射线、γ射线、快中子、β射线等。

以前三种运用较多。

2、诱变机制3、光复活作用（photoreactivation）：菌体细胞经低剂量的紫外线照射后，再暴露在可见光下，其诱变效应或致死作用均下降。

这种可见光对紫外线辐照后的效应称为光复活作用。

（二）化学诱变1、化学诱变剂：亚硝酸、羟胺、乙烯亚胺、硫酸二乙酯、氮芥、亚硝酸胍、丫啶黄、丫啶橙、碱基类似物。

2、化学诱变机制：化学物质可引起DNA链的碱基对的置换。

三、突变与育种（一）、自发突变与育种1、从生产中育种在日常的生产过程中，微生物也会以一定频率发生自然突变，这要善于细致观察，以及及时抓住良机来选育优良的生产菌种。

例如，从污染噬菌体的发酵液中有可能分离到抗噬菌体的菌株。

2、定向选育优良菌种一般是指用某一特定因素长期处理某一微生物群体，同时不断对它们进行移种传代，以达到积累并选择相应的自发突变菌株的目的。

由于定向培育的自然频率很低，所以，培育新菌种的过程十分缓慢。

（二）诱变育种诱变育种就是利用物理的或化学诱变剂处理均匀分散的微生物群体，促进其突变频率大幅度提高，从中挑选少数符合育种目的的突变菌株，以供生产实践或科学实验之用。

1、诱变育种的基本环节（是用合适的诱变剂处理大量而分散的微生物悬液或处理生长在固体培养基上的菌体，以引起绝大多数细胞死亡，并提高存活着个体的变异频率，然后淘汰负变菌株，把正变菌株中少数变异幅度最大的优良菌株巧妙的挑选出来。

）将少数适宜投产者进行投产，只是这种投产率是很低的。

但诱变育种不仅可提高菌种的生产能力，而且还可以改进产品质量，简化生产工艺。

从方法来讲，它具有速度快，收效显著等优点。

因此科学试验和生产都广泛利用。

2、诱变育种的步骤进行诱变育种时，首先是制定筛选方法。

筛选方法一般分为初筛与复筛两个阶段，前者以量为主，后者以质为主，筛选步骤如下：（1）初筛：原始菌种→菌种纯化→出发菌株→制单细胞悬液→活菌计数→用诱变剂处理→挑取变异菌株→初筛优良菌株（2）复筛：初筛的菌株→摇瓶发酵→观察测定→平皿培养→挑取优良菌株（复筛）→测定生产性能→投产试验3、营养缺陷型的筛选营养缺陷型是指有些微生物在一些营养物质的合成能力上出现缺陷。

第三节基因重组与杂交基因重组（gene recombination）&杂交（hybridization）是改变遗传性状的又一重要途径。

基因重组是将含有不同基因结构的DNA融合，使基因重组并遗传给后代，产生新遗传个体的方式。

主要方式有转化、转导、接合和原生质体融合等。

各种方式的具体操作步骤。

杂交：是将遗传类型不同的个体相互交配或结合，产生杂交种的过程。

基因工程（genetic engineering）：也称为体外重组DNA技术，是指基因水平上的遗传工程，它是用人工的方法在体外切取所需要的染色体（DNA）片段，然后与来自同属种的甚至是异界的DNA片段连接起来，组成遗传整体，这就是基因工程的基本原理和措施。

其步骤如下：第一、特定功能基因的获得：利用外切酶或限制性内切酶，自供体细胞内的DNA上切割下所需的基因，造成粘性末端。

再把载体上的DNA基因切割下来。

将此两个基因片段，进行重组形成一个新的DNA分子；第二、与载体分子的连接；第三、载体转移人受体细胞，将重组所形成的新的DNA 分子引入受体细胞获得新的属性；第四、选择。