山农大微生物遗传育种课件
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山东农业大学微生物学课程-01原核形态2 108页PPT文档
4. 游动放线菌（Actinoplanes）
以基内菌丝为主，很少或不形成气生菌丝，最大特 点形成各种形状的孢子囊，孢子囊内有会游动（有鞭毛） 的孢囊孢子，靠孢囊孢子繁殖。
放线菌与人类
绝大多数抗生素由放线菌产生
用来生产纤维素、酶、维生素
具固氮作用，用于生产生物菌肥
少数寄生型放线菌可引起动植物病害，有的放 线菌能破坏棉毛织品和纸张
山山东东农农业业大大学微学生微物生学物课学程 精品课程
山东农业大学生命科学学院
第一章 原核生物的形态、构造和功能
第二节 放线菌
放线菌(actinomycetes)是一类呈菌丝状生长、主要以孢子繁
殖、陆生性强的原核生物。
特点：革兰氏阳性， 产抗生素， 绝大多数为异养型， 大多 是好气的，生长温度为23-37度，抗干燥能力强。 分布：含水量较低、有机物丰富和呈微碱性的土壤环境中。
第四节 支原体、立克次氏体和衣原体
支原体、立克次氏体和衣原体是三类属于革兰氏阴 性的营细胞内寄生的小型原核生物. 它们是介于细菌与 病毒间的原核生物。
一、支原体
1. 发现
1898 年，E.Nocard 等从患传染病胸膜肺炎的 病牛PPO。
从其他动物中分离出多种类似于PPO的微生物， 因此就相应地称作PPLO。
放线菌的生活史
放线菌的生活史
三、放线菌的群体特征
1. 在固体培养基上 ① 基内菌丝与培养基结合紧密，不易挑起；
② 菌落边缘有辐射的菌丝，称为辐射状菌丝； ③ 生长后期表面形成紧密的绒毛状或坚实、干燥、不透明、 多皱的表面，上面常有一层色彩鲜艳的干粉； ④ 可形成絮状或颗粒状的典型菌落，菌落的正反面颜色往 往不一致，菌落边缘培养基的平面有变形现象； ⑤ 有特殊气味（土霉气味）等。
《微生物遗传》PPT课件
吸附
10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离
离心
上清液中含 75%放射性
沉淀中含 25%放射性
沉淀细胞进一步培 养后，可产生大量 完整的子代噬菌体
（2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中
ppt课件
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ppt课件
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（三）植物病毒的重建实验
为 了 证 明 核 酸 是 遗 传 物 质 ， H. FraenkelConrat （ 1956 ） 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。
5
DNA是遗传变异的物质基础的证明：
1944年以后，先后有利用微生物为实验对象进行的 三个著名实验的论证：
1、肺炎球菌的转化试验； 2、噬菌体感染试验； 3、病毒的拆开与重建试验。
才使人们普遍接受核酸才是真正的遗传物质。
ppt课件
6
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，
代谢
遗传型 + 环境条件
发育
表型
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。
ppt课件
3
遗传与变异的概念
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10-6～10-10）；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。
微生物遗传与育种精美课件
• 原核生物基因的结构
2020/6/3
• 真核生物基因的结构
– 一般无操纵子结构 – 存在大量不编码序列和重复序列 – 转录和转译在细胞中有空间间隔 – 基因被许多无编码功能的内含子阻隔，使编码
序列变成了不连续的外显子。
2020/6/3
二、基因组
• 基因组（genome）
– 单倍体细胞中所含的全套遗传物质 • 大多数细菌和噬菌体基因组是指单个染色体 上所含的全部基因 • 二倍体真核生物基因组是指单倍体细胞核内 整套染色体所含的DNA分子及其所携带的全 部基因
• H. Fraenkel-Conrat，1956 • 实验材料
– 烟草花叶病毒（TMV） – 霍氏车前花叶病毒（HRV）
• 处理
– 在一定浓度的苯酚溶液中振荡，分离蛋白质外 壳与RNA核心
2020/6/3
2、DNA的结构
• DNA的结构
– 基本单位是脱氧核苷 酸
– 反向平行、右手螺旋 – 碱基A、T、C、G有
序排列 – 碱基之间由氢键连接
2020/6/3
3、DNA的复制
• 半保留复制
2020/6/3
• 复制起点、复制方向、复制单位
2020/6/3
• DNA的半不连续复制
3
5 3
2020/6/3
领头链 (leading strand)
解链方向
随从链 (lagging strand)
5
• 复制的几种主要方式
• S型菌的无细胞抽提液培试养验皿培养
活R菌+ S菌无细胞抽提液――→长出大量R菌和 少量S菌
2020/6/3
• 1944年Avery等对热死S型菌中可能的转化 因子在离体条件下进行了转化试验：
2020/6/3
• 真核生物基因的结构
– 一般无操纵子结构 – 存在大量不编码序列和重复序列 – 转录和转译在细胞中有空间间隔 – 基因被许多无编码功能的内含子阻隔，使编码
序列变成了不连续的外显子。
2020/6/3
二、基因组
• 基因组（genome）
– 单倍体细胞中所含的全套遗传物质 • 大多数细菌和噬菌体基因组是指单个染色体 上所含的全部基因 • 二倍体真核生物基因组是指单倍体细胞核内 整套染色体所含的DNA分子及其所携带的全 部基因
• H. Fraenkel-Conrat，1956 • 实验材料
– 烟草花叶病毒（TMV） – 霍氏车前花叶病毒（HRV）
• 处理
– 在一定浓度的苯酚溶液中振荡，分离蛋白质外 壳与RNA核心
2020/6/3
2、DNA的结构
• DNA的结构
– 基本单位是脱氧核苷 酸
– 反向平行、右手螺旋 – 碱基A、T、C、G有
序排列 – 碱基之间由氢键连接
2020/6/3
3、DNA的复制
• 半保留复制
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• 复制起点、复制方向、复制单位
2020/6/3
• DNA的半不连续复制
3
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领头链 (leading strand)
解链方向
随从链 (lagging strand)
5
• 复制的几种主要方式
• S型菌的无细胞抽提液培试养验皿培养
活R菌+ S菌无细胞抽提液――→长出大量R菌和 少量S菌
2020/6/3
• 1944年Avery等对热死S型菌中可能的转化 因子在离体条件下进行了转化试验：
微生物遗传育种课件,基因突变
3 影响耐受性
基因突变可以增强微生物对恶劣环境条件或抗生素的耐受性。
基因突变在微生物遗传育种中的应用
产物优化
通过基因突变和筛选，可以优 化微生物产物的产量、质量和 稳定性。
药物开发
基因突变在微生物药物开发中 起到关键作用，提高药物的疗 效和稳定性。
环保应用
通过基因突变培养环境友好型 微生物，可以有效降解污染物 和提高废物利用率。
微生物遗传育种可以使用不同 的基因编辑技术，如CRISPRCas9，精确地修改微生物基因 组。
选择和筛选
遗传变异后，通过选择和筛选 优良的表型，可以获得带有所 需性状的微生物菌株。
基因突变定义与分类
点突变
点突变是指某个基因中发生了单个碱基改变 导致氨基酸序列发生变化。
缺失突变
缺失突变是指基因序列中的一部分碱基被删 除，导致氨基酸序列发生改变或缺失。
插入突变
插入突变是指在域。
倒位突变
倒位突变是指基因序列中的一部分碱基的顺 序被颠倒，导致氨基酸序列发生反向改变。
基因突变对微生物的影响
1 影响生长特性
基因突变可以改变微生物的生长速度、温度适应性和产物合成能力。
2 影响代谢途径
基因突变可以调节微生物的代谢途径，增加产物产量或改变产物种类。
常见的微生物遗传育种方法
自然选择
通过观察和选择微生物菌株的适应性变异来进行育种。
诱变育种
通过使用化学物质或辐射等方式诱发突变来获取所需性状。
重组DNA技术
使用重组DNA技术将外源基因导入微生物菌株中，实现目标基因的表达和功能。
微生物遗传育种的前景和意义
1 创新新材料
微生物遗传育种为开发新材料如生物塑料、生物燃料等提供了广阔的创新空间。
基因突变可以增强微生物对恶劣环境条件或抗生素的耐受性。
基因突变在微生物遗传育种中的应用
产物优化
通过基因突变和筛选，可以优 化微生物产物的产量、质量和 稳定性。
药物开发
基因突变在微生物药物开发中 起到关键作用，提高药物的疗 效和稳定性。
环保应用
通过基因突变培养环境友好型 微生物，可以有效降解污染物 和提高废物利用率。
微生物遗传育种可以使用不同 的基因编辑技术，如CRISPRCas9，精确地修改微生物基因 组。
选择和筛选
遗传变异后，通过选择和筛选 优良的表型，可以获得带有所 需性状的微生物菌株。
基因突变定义与分类
点突变
点突变是指某个基因中发生了单个碱基改变 导致氨基酸序列发生变化。
缺失突变
缺失突变是指基因序列中的一部分碱基被删 除，导致氨基酸序列发生改变或缺失。
插入突变
插入突变是指在域。
倒位突变
倒位突变是指基因序列中的一部分碱基的顺 序被颠倒，导致氨基酸序列发生反向改变。
基因突变对微生物的影响
1 影响生长特性
基因突变可以改变微生物的生长速度、温度适应性和产物合成能力。
2 影响代谢途径
基因突变可以调节微生物的代谢途径，增加产物产量或改变产物种类。
常见的微生物遗传育种方法
自然选择
通过观察和选择微生物菌株的适应性变异来进行育种。
诱变育种
通过使用化学物质或辐射等方式诱发突变来获取所需性状。
重组DNA技术
使用重组DNA技术将外源基因导入微生物菌株中，实现目标基因的表达和功能。
微生物遗传育种的前景和意义
1 创新新材料
微生物遗传育种为开发新材料如生物塑料、生物燃料等提供了广阔的创新空间。
微生物的遗传变异与育种优秀课件
❖将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就 能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分 离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下， 也能感染烟草并使其患典型症状，而且 在病斑中还能分离出正常病毒粒子。
❖ 选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别 拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分 别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：
活R菌
❖①加S菌DNA ❖②加S菌DNA及DNA酶以
外的酶 ❖③加S菌的DNA和DNA酶 ❖④加S菌的RNA ❖⑤加S菌的蛋白质 ❖⑥加S菌的荚膜多糖
长出S菌 只有R菌
只有S型细菌的DNA才能将S. Pneumoniae的R型转 化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说 明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。
1928年，Griffith进行了以下几组实验： （1）动物实验
对小鼠注射活R菌或死S菌 ————小鼠存活 对小鼠注射活S菌————————小鼠死亡 对小鼠注射活R菌和热死S菌 ———小鼠死亡
抽取心血分离活的S菌
（2）细菌培养实验 热死S菌—————不生长 活R 菌—————长出R菌 热死S菌+活R 菌—————长出大量R菌和10-6S菌
遗传与变异的概念
❖ 遗传型（genotype）：一个生物体所含有的基 因的总和。
❖ 表型（phenotype）：一个生物体所具有的一切 外表特征和内在特性的总和。
❖ 饰变（modification）：指生物体由于非遗传因 素引起的表型改变，变化发生在转录、转译水 平，特点是几乎整个群体中的每一个个体都发 生同样的变化，性状变化的幅度小，不遗传， 引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。
❖ 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。
❖ 选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别 拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分 别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：
活R菌
❖①加S菌DNA ❖②加S菌DNA及DNA酶以
外的酶 ❖③加S菌的DNA和DNA酶 ❖④加S菌的RNA ❖⑤加S菌的蛋白质 ❖⑥加S菌的荚膜多糖
长出S菌 只有R菌
只有S型细菌的DNA才能将S. Pneumoniae的R型转 化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说 明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。
1928年，Griffith进行了以下几组实验： （1）动物实验
对小鼠注射活R菌或死S菌 ————小鼠存活 对小鼠注射活S菌————————小鼠死亡 对小鼠注射活R菌和热死S菌 ———小鼠死亡
抽取心血分离活的S菌
（2）细菌培养实验 热死S菌—————不生长 活R 菌—————长出R菌 热死S菌+活R 菌—————长出大量R菌和10-6S菌
遗传与变异的概念
❖ 遗传型（genotype）：一个生物体所含有的基 因的总和。
❖ 表型（phenotype）：一个生物体所具有的一切 外表特征和内在特性的总和。
❖ 饰变（modification）：指生物体由于非遗传因 素引起的表型改变，变化发生在转录、转译水 平，特点是几乎整个群体中的每一个个体都发 生同样的变化，性状变化的幅度小，不遗传， 引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。
❖ 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。
第一章 微生物遗传与育种 PPT课件
• 通过基因工程力法改造传统发酵工艺——如氧传递有关的 血红蛋白基因克隆到远青链霉菌，降低了对氧的敏感性， 在通气不足时，其目的产物放线红菌素产量可提高4倍； 同样对头抱留素C产生菌也获得工程菌，取得了相同的效 果；
• 通过基因工程方法提高菌种抗性——构建包括活性干酵母 和酵母工程菌，抗噬菌体谷氨酸工程菌以及利用工程菌处 理工业废料和废水等。
微生物细胞机器的工作模式
菌种选育和工艺控制的“五字策略”
N
P
P
Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation
进 通 节 堵出
• 生产菌种应该具备的基本特性： – 生产菌种应具有在较短的发酵周期内产生大量发酵 产物的能力。
– 在发酵过程中不产生或少产生与目标产品性质相近 的副产物及其他产物。
菌种筛选
菌种选育
空气 空气净化处理
保藏菌种 斜面活化
碳源、氮源、无机盐等 营养物质
扩大培养
微 生
物
种子罐
制 剂
主发酵
灭菌
生 产 的
一
般
产物分离纯化工艺来自流成品程
• 因此，工业微生物育种对于提高发酵工业产品的产量 和质量，进一步开发利用微生物资源，增加发酵工业 产品的品种，具有重大意义。
2 菌种是发酵工业的关键和灵魂
Kary B. Mullis (1944 -)
通过场因工程的方法生产的药物——已获得包括治疗用 药物、疫苗、单克隆抗体及诊断试剂等几十种批准上市的 品种。
通过基因工程方法提高菌株生产能力——已获得包括氨苯 酸类(苏氦酸、精氨酸、虽氨酸、脯氨酸、组氨酸、色氨 酸、苯丙氨酸、赖氦酸、绩氨酸等)、工业用酶制剂(脂肪 酶、纤维累酶、乙酰乳酸脱按酶从淀粉酶等)以及头抱菌 素C的工程菌，都大幅度提高了生产能力；
微生物的遗传变异和育种PPT课件
实验设计者
1952年，美国的莱德伯格夫妇
实验材料
E.coli K12
实验过程
Lederberg 的平板培养法
（四）突变的特点
不对应性 自发性 稀有性 独立性 诱变性 稳定性 可逆性
核基因组
真核生物的 有核膜包裹的真核
(DNA+组蛋白)
原核生物的 无核膜包裹的核区
(环状双链DNA)
线粒体
真核生物的
细胞质基因 共生生物
叶绿体等
核外染色体
2um质粒等 F因子(F质粒)
R因子(R质粒)
原核生物的
Col质粒
Ti质粒 巨大质粒
降解性质粒等
原核生物的质粒
1. 质粒的定义
•指游离于原核生物核基因组以外，具有独立复制 能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，即 cccDNA(circular covalently closed DNA)。
4）Ti质粒 (tumor inducing plasmid)
Agrobacterium tumefaciens（根
癌土壤杆菌）从一些双子叶植物的受 伤根部侵入，最后在其中溶解，释放 出Ti质粒，其上的T-DNA片段与植物 细胞中的核染色体组发生整合，合成 正常菌株所没有的冠瘿碱类，破坏控 制细胞分裂的激素调节系统，从而使 它转变成癌细胞。
自发突变几率 一般在10-6~10-9范围内；
突变率为10-9的含义
抗性突变是最常见的突变类型；
细菌产生抗药性的途径 基因突变 抗药性质粒的转移 生理适应
由基因突变引起的抗药性的原因？
两种观点：
突变的性状与引起突变的原因间呈对应 性 — 抗性突变株的产生是由环境因素 诱发出来的，属定向变异；
1952年，美国的莱德伯格夫妇
实验材料
E.coli K12
实验过程
Lederberg 的平板培养法
（四）突变的特点
不对应性 自发性 稀有性 独立性 诱变性 稳定性 可逆性
核基因组
真核生物的 有核膜包裹的真核
(DNA+组蛋白)
原核生物的 无核膜包裹的核区
(环状双链DNA)
线粒体
真核生物的
细胞质基因 共生生物
叶绿体等
核外染色体
2um质粒等 F因子(F质粒)
R因子(R质粒)
原核生物的
Col质粒
Ti质粒 巨大质粒
降解性质粒等
原核生物的质粒
1. 质粒的定义
•指游离于原核生物核基因组以外，具有独立复制 能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，即 cccDNA(circular covalently closed DNA)。
4）Ti质粒 (tumor inducing plasmid)
Agrobacterium tumefaciens（根
癌土壤杆菌）从一些双子叶植物的受 伤根部侵入，最后在其中溶解，释放 出Ti质粒，其上的T-DNA片段与植物 细胞中的核染色体组发生整合，合成 正常菌株所没有的冠瘿碱类，破坏控 制细胞分裂的激素调节系统，从而使 它转变成癌细胞。
自发突变几率 一般在10-6~10-9范围内；
突变率为10-9的含义
抗性突变是最常见的突变类型；
细菌产生抗药性的途径 基因突变 抗药性质粒的转移 生理适应
由基因突变引起的抗药性的原因？
两种观点：
突变的性状与引起突变的原因间呈对应 性 — 抗性突变株的产生是由环境因素 诱发出来的，属定向变异；
微生物 10456第十章 微生物的遗传变异和育种PPT课件
7
人工转化
在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基因重组 手段，是基因工程的奠基石和基础技术。
不是由细菌自身的基因所控制；
用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地处于一 种可以摄取外源DNA的“人工感受态”。
用CaCl2处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化手段。
质粒的转化效率高；
8
（二）细菌的转导（transduction）
由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式 一个细胞的DNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中
普遍 转导
完全普遍转导 流产普遍转导
细菌转导的类型： 局限
转导
低频转导 高频转导
局限转导与普遍转导的主要区别
溶源转变 9
（三）接合(conjugation) 通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移 和重组过程 1946年，Joshua Lederberg 和 Edward L.Taturm 细菌的多重营养缺陷型杂交实验
5
转化过程：
6
转化过程的特点：
a）对核酸酶敏感； b）不需要活的DNA供体细胞； c）转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化供体菌 株和转化受体菌株之间的亲源关系； d）通常情况下质粒的自然转化效率要低得多
转染(transfection)：
噬菌体DNA被感受态细胞摄取并产生有活性的病毒颗粒
转染的特点：提纯的噬菌体DNA以转化的（而非感染）途径 进入细胞并表达后产生完整的病毒颗粒。
13
1） F+×F-杂交
F+菌株的F因子向F-细胞转移，但含F因子的宿主细胞 的染色体DNA一般不被转移。
a）F+细菌通过性毛与F-细菌接触并发生 相互作用；
b）F+细菌的F因子出现缺口，双链之一 被切断，从断端转移F因子的一条链到F细菌中。
人工转化
在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基因重组 手段，是基因工程的奠基石和基础技术。
不是由细菌自身的基因所控制；
用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地处于一 种可以摄取外源DNA的“人工感受态”。
用CaCl2处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化手段。
质粒的转化效率高；
8
（二）细菌的转导（transduction）
由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式 一个细胞的DNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中
普遍 转导
完全普遍转导 流产普遍转导
细菌转导的类型： 局限
转导
低频转导 高频转导
局限转导与普遍转导的主要区别
溶源转变 9
（三）接合(conjugation) 通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移 和重组过程 1946年，Joshua Lederberg 和 Edward L.Taturm 细菌的多重营养缺陷型杂交实验
5
转化过程：
6
转化过程的特点：
a）对核酸酶敏感； b）不需要活的DNA供体细胞； c）转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化供体菌 株和转化受体菌株之间的亲源关系； d）通常情况下质粒的自然转化效率要低得多
转染(transfection)：
噬菌体DNA被感受态细胞摄取并产生有活性的病毒颗粒
转染的特点：提纯的噬菌体DNA以转化的（而非感染）途径 进入细胞并表达后产生完整的病毒颗粒。
13
1） F+×F-杂交
F+菌株的F因子向F-细胞转移，但含F因子的宿主细胞 的染色体DNA一般不被转移。
a）F+细菌通过性毛与F-细菌接触并发生 相互作用；
b）F+细菌的F因子出现缺口，双链之一 被切断，从断端转移F因子的一条链到F细菌中。
微生物遗传育种课件绪论
20世纪40—50年代
人工诱发基因突变
Beadle & Tatum用X射线、UV诱变红色 面包霉，获得代谢障碍突变株
20
3、杂交育种
20世纪50年代后
以基因重组为基础
把不同菌株的优良性状集中于重组体中
2002年出现的基因组改组育种为其特例
21
4、代谢控制育种
20世纪50—70年代
贝特森（1902-1909）
“遗传学”、“等位基因”、“纯合体”、“杂合体”、……
约翰逊（1909）
“基因”、“基因型”、“表型”
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遗传学的发展
三个时期：
细胞遗传学时期（1910-1940）
确立了遗传的染色体学说（摩尔根，连锁互换定律）
微生物遗传学和生化遗传学时期（1941-1969）
自然选育
诱变育种
杂交育种
代谢控制育种
分子育种
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1、自然选育
1881年德国Robert Koch提出纯种培养理论，
发明固体培养基（重大突破） 发明纯种培养法之后——自然选育——自发突 变——纯种分离 例：卡介苗
局限性：自发突变频率低，难以大幅度提高菌
种生产水平
19
2、诱变育种
4
本课程内容及安排（36学时）
绪论（1学时）
突变与修复（5-6学时） 遗传重组与转座（4-5学 时） 诱变育种（2学时）
分子育种（5-6学时）
高通量筛选（2-3学时） 前沿研究进展（2学时） 复习（2学时） 课堂活动（4-8学时）
生物科技-微生物遗传育种课程 精品
微生物单细胞蛋白的遗传选育和应用前景张臣（山东农业大学生命科学学院生物工程专业09级03班）摘要随着世界人口的不断增长，粮食和饲料不足的情况日益严重。
面对这一严峻的现实，单细胞蛋白的开发与生产为解决人类食品和饲料问题开辟了新的途径。
因此，对生产单细胞蛋白的微生物利用诱变育种、航天育种、反向代谢工程育种和基因工程育种等现代微生物育种技术进行遗传选育越来越有必要。
一旦我们能根据自己的需要来设计和获得某种单细胞蛋白，这将会解决一直困扰人类的粮食问题，甚至还会推动其他很多行业和领域的发展。
关键词微生物单细胞蛋白生物特性遗传选育应用前景GENETIC BREEDING AND APPLICATION PROSPECT ABOUT SIMPLE CELL PROTEIN OF MICROBEAbstractWith the world population growing, the lack of food and feed is more and more serious. Faced with such severe situation, the development and production of simple cell protein (SCP) supply a new way to solve the problem. Therefore, it is more and more necessary to deal with the microbe that can produce SCP by means of modern microbial breeding technology, such as mutation breeding, space breeding, reverse metabolic engineering breeding and Gene engineering breeding. Once we can design and get a single cell protein according to our own needs, it will work out the food problem that has been perplexing human beings for a long time. In addition, it may push some other industries and fields forward.Key words: Microbe；Simple cell protein；Biological characteristics；Genetic breeding；Application prospect微生物细胞含有丰富的蛋白质，而这正是人和动物不可缺少的营养物质，这是微生物食品倍受青睐的一个原因。
微生物遗传与育种实验PPT课件
3. 杂交：分别取200 μl根瘤菌和E.coli菌悬液混合，加
1000 μl TY培养基，静置24 h后涂布选择性平板筛选 杂交子。 4. 选择性平板：无氮培养基（Kn 50 μg/ml，Rif 50 μg/ml） 5. 挑取杂交子在双抗无氮培养基上划线纯化。
11
四、电转化
实验步骤 准备工作：①制备选择性平板TY培养基（Kn 100 μg/ml，Rif 100
清洗电转化样品槽。先用自来水吸瓶冲洗十多次，之后加 入酒精，放置1 h，之后用蒸馏水冲洗数次，甩干后，水平 放置在滤纸上晾干。
13
五、杂交子鉴定
实验步骤： 挑取在选择性平板上生长的菌落，划线纯
化，观察菌落特征和多糖产量。 挑取纯化后的杂交子接种于蔗糖培养基，
振荡培养36 h后观察并测定多糖产量。
蔗糖酵母膏培养基（培养根瘤菌）：蔗糖10.0 g，酵母膏 4.0 g，磷酸氢二钾0.5 g，硫酸镁0.2 g，氯化钠0.2 g，钼 酸钠（0.5%溶液）4.0 ml，硼酸（0.5%溶液）4.0 ml，碳 酸钙5.0 g，水1000.0 ml，pH 7.2-7.4。多糖测定用， 250ml/500ml三角瓶，每组4瓶。
14
培养基
TY培养基（培养根瘤菌）：胰蛋白胨5.0 g， 酵母粉3.0 g，CaCl2 0.3 g，水1000 ml， pH7.0
蔗糖酵母膏培养基（培养根瘤菌）：蔗糖 10.0 g，酵母膏4.0 g，磷酸氢二钾0.5 g， 硫酸镁0.2 g，氯化钠0.2 g，钼酸钠（0.5% 溶液）4.0 ml，硼酸（0.5%溶液）4.0 ml ，碳酸钙5.0 g，水1000.0 ml，pH7.2-7.4
μg/ml）。②提取要转化的质粒DNA，miniTn5。③制备根瘤菌菌悬 液。 转化：在电转化用的石英样品杯、质粒DNA、TY培养基、根瘤菌菌 悬液50 μl按顺序对应置于冰上预冷。将冰桶移置超净工作台上，取 200-1000 µl、20-100 µl、0.5-10 µl 移液器到超净工作台上。先用0.510 µl移液器取2 µl质粒DNA到根瘤菌细胞内，再用调节到50 µl 的（ 20-100 µl移液器）上下吹吸数次。在冰上放置2 min。用调节到50 µl 的（20-100 µl移液器）将质粒DNA和细胞混合液转移到电转化石英 样品槽底凹槽的中央，在桌面上轻击数次使之分散。在冰上放置1-2 min。先用纸将样品槽擦拭一下，移到2 kV电脉冲发生器上，同时用 1000 µl移液器吸好TY培养基1 ml，约4.5-5 sec后鸣叫声停后，立即加 入样品槽内（吹吸一次或不吹吸）。
1000 μl TY培养基，静置24 h后涂布选择性平板筛选 杂交子。 4. 选择性平板：无氮培养基（Kn 50 μg/ml，Rif 50 μg/ml） 5. 挑取杂交子在双抗无氮培养基上划线纯化。
11
四、电转化
实验步骤 准备工作：①制备选择性平板TY培养基（Kn 100 μg/ml，Rif 100
清洗电转化样品槽。先用自来水吸瓶冲洗十多次，之后加 入酒精，放置1 h，之后用蒸馏水冲洗数次，甩干后，水平 放置在滤纸上晾干。
13
五、杂交子鉴定
实验步骤： 挑取在选择性平板上生长的菌落，划线纯
化，观察菌落特征和多糖产量。 挑取纯化后的杂交子接种于蔗糖培养基，
振荡培养36 h后观察并测定多糖产量。
蔗糖酵母膏培养基（培养根瘤菌）：蔗糖10.0 g，酵母膏 4.0 g，磷酸氢二钾0.5 g，硫酸镁0.2 g，氯化钠0.2 g，钼 酸钠（0.5%溶液）4.0 ml，硼酸（0.5%溶液）4.0 ml，碳 酸钙5.0 g，水1000.0 ml，pH 7.2-7.4。多糖测定用， 250ml/500ml三角瓶，每组4瓶。
14
培养基
TY培养基（培养根瘤菌）：胰蛋白胨5.0 g， 酵母粉3.0 g，CaCl2 0.3 g，水1000 ml， pH7.0
蔗糖酵母膏培养基（培养根瘤菌）：蔗糖 10.0 g，酵母膏4.0 g，磷酸氢二钾0.5 g， 硫酸镁0.2 g，氯化钠0.2 g，钼酸钠（0.5% 溶液）4.0 ml，硼酸（0.5%溶液）4.0 ml ，碳酸钙5.0 g，水1000.0 ml，pH7.2-7.4
μg/ml）。②提取要转化的质粒DNA，miniTn5。③制备根瘤菌菌悬 液。 转化：在电转化用的石英样品杯、质粒DNA、TY培养基、根瘤菌菌 悬液50 μl按顺序对应置于冰上预冷。将冰桶移置超净工作台上，取 200-1000 µl、20-100 µl、0.5-10 µl 移液器到超净工作台上。先用0.510 µl移液器取2 µl质粒DNA到根瘤菌细胞内，再用调节到50 µl 的（ 20-100 µl移液器）上下吹吸数次。在冰上放置2 min。用调节到50 µl 的（20-100 µl移液器）将质粒DNA和细胞混合液转移到电转化石英 样品槽底凹槽的中央，在桌面上轻击数次使之分散。在冰上放置1-2 min。先用纸将样品槽擦拭一下，移到2 kV电脉冲发生器上，同时用 1000 µl移液器吸好TY培养基1 ml，约4.5-5 sec后鸣叫声停后，立即加 入样品槽内（吹吸一次或不吹吸）。
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Top I , Top II
复 制 体
Helicase (rep protein)
Single Strand Binding protein (SSB)
Helix destabilizing protein (HDP) DnaB protein for primosome DnaC protein Primase Ung-ase DNA Polymerase III DNA Polymerase I Ligase
A
B
Z
三 E. coli 的染色体长度>1mm，比其细胞本身长 1000倍，所以一定存在着超螺旋结构；在真核 级 生物中核小体的形成引入负超螺旋，在细菌和 结 古细菌中是DNA回旋酶引起超螺旋。 构
DNA的不同形式有：
环状和线状
通常细菌的染色体DNA，质粒DNA，以 及真核生物的线粒体DNA和叶绿体DNA为 环状
T CA 5‟ OH C
+
ppp
OH
进化中保留 的深刻的、
选择与适应
T CA C
5‟ OH 3‟ + ppi
的、化学及 功能的根源
如果DNA的延伸方向是 3‟ → 5‟
G
ppp OH
A T
C G
OH 3‟
+
5‟ ppp
G A
T
C G
5‟ ppp
OH 3‟
游离dNTP具有ppp
因能量的需要，
DNA的5‟ 端必须带有PPP
二 级 结 构
Watson & Crick, 1953
1nm
3.4nm
右手双螺旋结构 B-DNA是在有碱金属存在及92%湿度条件下， 经X光衍射分析得到的。 A-DNA是在75%湿度条件下 DNA纤维通过X光 衍射分析得到的。
1979年，发现了左手双螺旋DNA，称为Z-DNA是由两 条反向平行的多聚核苷酸相连而成的。 Z-DNA可能在 基因表达调控中起作用。但确切的生物学功能尚待研 究。
90-120kd ~100
Topoisomerase
topA
TopI (swivelase)
superhelix →
100kd
D.S.helix
Topoisomerase gyrα TopII (gyrase)
gyrβ
D.S.helix → superhelix
Cut D.S. DNA
Ligate
~20 copies/cell hexamer
25kd 60kd ~ 25 monomer 74kd ~300 monomer
SSB
Binding with S.S.DNA Prevents from anneal
Elongate genes dnaE dnaZ polA polB DNA polymerase III(α) DNA polymerase III(β) DNA polymerase I DNA polymerase II 140kd 52kd 109kd ~20 ~20 ~400
B区变化较大
• “呼吸现象”
DNA复制原点处氢键迅速断裂与再生， 导致两条DNA链不断解链与聚合， 形成瞬间的单泡状结构的过程。
在富含AT的区域内尤为明显
• 子链DNA延伸方向
DNA polymerase reacts on the 3’ end only
New DNA elongation from 5’ to 3’ direction
1928，英国Griffith, Streptococcus penumoniae
菌株 野生型 突变型 毒力 有 无 荚膜 产生 不产生 菌落 光滑 粗糙 Smooth Rough
Griffith认为,加热杀死的S型菌中存在某种 能使活的R型菌转变成S型菌的因子，并 把此因子称为转化因子。
这种一种生物由于接受了另一种生物 的遗传物质而表现出后者的遗传性状， 或发生遗传性状改变的现象叫做转化。
真核生物多个复制起点，例如酿酒酵母，约有 400个复制起点（autonomously replicatory sequence，ARS），每个长度为100-200bp。
isolation of ori
复制起点的特征
• rich AT & palindrom Enzymes binding site
In mitochondrial DNA also in chloroplasm DNA
重链复制完成
D-环延伸
轻链开始复制
轻链正在复制
轻链复制完成 封闭新合成链上的缺口
第三节 原核生物的染色体及其复制
80%以上DNA
原核生物染色体
RNA 蛋白质
环状双链DNA分子存在于细胞内相对集中的区 域，成为拟核。无核膜。 习惯上把原核生物的DNA分子也称为染色体。
• 复制机理的复杂性
D.S. DNA S.S. DNA 能量的供求 线状，开环状 Replisome 构型的变化 超螺旋 多种酶类的互作
复制的准确性 （修复，校正） 研究试材的特殊性 （温度敏感型ts，突变抑制体系Su）
DNA复制速度
(E.coli 105 bp/min ，高速解旋 112 km/h ?)
polIII催化延长
D.S. DNA
→ Nick →Elongation → rolling
正链环化
●
置换式 或 D-Loop
形成D-环
重链复制
（Displacement form） D.S. DNA
→ S.S. DNA as template → New S.S. DNA → Displacement → D-Loop
后随链
前导链
4. DNA复制的方式
(DNA replication model)
●
θ型复制
1963年，Cairns根据E.coli 的环状染色体复制的中间 产物自显影实验提出的。 形状象 “ θ ”
●滚环方式
合成互补链，形成双链 形成双链结构
A蛋白识别起点，产生切口 产生A蛋白,识别 复制起点
二、DNA的复制特点 和几种主要的复制方式
1. 基本概念
2. 复制起点与方向 3. Semi-Conservation Replication
4. 复制的方式
1.
基本概念
( Basic Concept )
Watson & Crick:
一种遗传物质，必须能行使两种
功能，即自我复制和对细胞的高
度特异性的影响
AT rich
300 bp ±
in replication origin 0f Prokaryote
真核生物复制起点的研究是以酵母为基础的
AT rich
ARS (automatic Replication Sequence) 自主复制序列
ARS1 (A, B1,B2,B3) A区具有高度保守性 A/TTTTATG/ATTTA/T
b) DNA聚合酶 （DNA polymerase）
Prokaryote
I polA 109KD 3’-5’和5’-3’外切酶活性 切除RNA引物和参与后随链合成中的缺口填 充反应 II III polB 3’-5’外切酶活性
10种不同的亚基组成 核心酶和全酶
进化中形成了 灵活的多酶复合体
replisome
ATP
Topoisomerase
rep
Relaxed protein (Helicase) D.S. DNA → S.S. DNA
HDP Helix Di-stabilizing Protein No ATPase Binding S. S. DNA decrease Tm Prevents from anneal lig Ligase
S
HR
TMV protein
TMV RNA
S protein+HR RNA
S RNA+HR protein
结论：RNA是TMV的遗传物质
第二节 DNA的结构和复制
一、DNA的结构
一 级 结 构
4种脱氧核苷酸由3‘ 5’磷酸二酯 键聚合而形成DNA的碱基顺序
DNA Double Helix model
+ p
pp T C G p OH pp p T C G OH
费时、费能、增加脱磷酸、加磷酸的能量消耗
3. DNA的半保留复制
（Semi-Conservation Replication）
Three replication hypotheses
(CsCl gradient centrifuge)
第1章 微生物的遗传物质
第一节 证明遗传物质是DNA(或RNA)的经典实验
第二节 DNA的结构和复制
第三节 原核生物的染色体及其复制
第四节 真核生物染色体及其复制
第五节 基因结构和基因组
第一节 证明遗传物质是DNA（RNA）的三
个经典试验
细菌的转化 噬菌体感染实验 病毒重建实验
1、细菌的转化实验
G
ppp OH
A T
C G
OH 3‟
+
5‟ ppp
G 5‟ ppp ppp
A
T
C G OH 3‟
在0.2M Nacl 的生理环境中，磷酸基团间的强电负性，使dNTP难以聚合到 DNA的5„端，而且 双链DNA的5‟端碱基配对困难 需要其他机制以解脱
碱基发生错配后的校正……
A ppp
T C G
A T C G OH ppp OH
复制起点
AT丰富
DNA识别位点
DNA box 5’-TTATCCACA-3’ 13个富含AT的单核苷酸 5’-GATCTNTTNTTTT-3’
复 制 体
Helicase (rep protein)
Single Strand Binding protein (SSB)
Helix destabilizing protein (HDP) DnaB protein for primosome DnaC protein Primase Ung-ase DNA Polymerase III DNA Polymerase I Ligase
A
B
Z
三 E. coli 的染色体长度>1mm，比其细胞本身长 1000倍，所以一定存在着超螺旋结构；在真核 级 生物中核小体的形成引入负超螺旋，在细菌和 结 古细菌中是DNA回旋酶引起超螺旋。 构
DNA的不同形式有：
环状和线状
通常细菌的染色体DNA，质粒DNA，以 及真核生物的线粒体DNA和叶绿体DNA为 环状
T CA 5‟ OH C
+
ppp
OH
进化中保留 的深刻的、
选择与适应
T CA C
5‟ OH 3‟ + ppi
的、化学及 功能的根源
如果DNA的延伸方向是 3‟ → 5‟
G
ppp OH
A T
C G
OH 3‟
+
5‟ ppp
G A
T
C G
5‟ ppp
OH 3‟
游离dNTP具有ppp
因能量的需要，
DNA的5‟ 端必须带有PPP
二 级 结 构
Watson & Crick, 1953
1nm
3.4nm
右手双螺旋结构 B-DNA是在有碱金属存在及92%湿度条件下， 经X光衍射分析得到的。 A-DNA是在75%湿度条件下 DNA纤维通过X光 衍射分析得到的。
1979年，发现了左手双螺旋DNA，称为Z-DNA是由两 条反向平行的多聚核苷酸相连而成的。 Z-DNA可能在 基因表达调控中起作用。但确切的生物学功能尚待研 究。
90-120kd ~100
Topoisomerase
topA
TopI (swivelase)
superhelix →
100kd
D.S.helix
Topoisomerase gyrα TopII (gyrase)
gyrβ
D.S.helix → superhelix
Cut D.S. DNA
Ligate
~20 copies/cell hexamer
25kd 60kd ~ 25 monomer 74kd ~300 monomer
SSB
Binding with S.S.DNA Prevents from anneal
Elongate genes dnaE dnaZ polA polB DNA polymerase III(α) DNA polymerase III(β) DNA polymerase I DNA polymerase II 140kd 52kd 109kd ~20 ~20 ~400
B区变化较大
• “呼吸现象”
DNA复制原点处氢键迅速断裂与再生， 导致两条DNA链不断解链与聚合， 形成瞬间的单泡状结构的过程。
在富含AT的区域内尤为明显
• 子链DNA延伸方向
DNA polymerase reacts on the 3’ end only
New DNA elongation from 5’ to 3’ direction
1928，英国Griffith, Streptococcus penumoniae
菌株 野生型 突变型 毒力 有 无 荚膜 产生 不产生 菌落 光滑 粗糙 Smooth Rough
Griffith认为,加热杀死的S型菌中存在某种 能使活的R型菌转变成S型菌的因子，并 把此因子称为转化因子。
这种一种生物由于接受了另一种生物 的遗传物质而表现出后者的遗传性状， 或发生遗传性状改变的现象叫做转化。
真核生物多个复制起点，例如酿酒酵母，约有 400个复制起点（autonomously replicatory sequence，ARS），每个长度为100-200bp。
isolation of ori
复制起点的特征
• rich AT & palindrom Enzymes binding site
In mitochondrial DNA also in chloroplasm DNA
重链复制完成
D-环延伸
轻链开始复制
轻链正在复制
轻链复制完成 封闭新合成链上的缺口
第三节 原核生物的染色体及其复制
80%以上DNA
原核生物染色体
RNA 蛋白质
环状双链DNA分子存在于细胞内相对集中的区 域，成为拟核。无核膜。 习惯上把原核生物的DNA分子也称为染色体。
• 复制机理的复杂性
D.S. DNA S.S. DNA 能量的供求 线状，开环状 Replisome 构型的变化 超螺旋 多种酶类的互作
复制的准确性 （修复，校正） 研究试材的特殊性 （温度敏感型ts，突变抑制体系Su）
DNA复制速度
(E.coli 105 bp/min ，高速解旋 112 km/h ?)
polIII催化延长
D.S. DNA
→ Nick →Elongation → rolling
正链环化
●
置换式 或 D-Loop
形成D-环
重链复制
（Displacement form） D.S. DNA
→ S.S. DNA as template → New S.S. DNA → Displacement → D-Loop
后随链
前导链
4. DNA复制的方式
(DNA replication model)
●
θ型复制
1963年，Cairns根据E.coli 的环状染色体复制的中间 产物自显影实验提出的。 形状象 “ θ ”
●滚环方式
合成互补链，形成双链 形成双链结构
A蛋白识别起点，产生切口 产生A蛋白,识别 复制起点
二、DNA的复制特点 和几种主要的复制方式
1. 基本概念
2. 复制起点与方向 3. Semi-Conservation Replication
4. 复制的方式
1.
基本概念
( Basic Concept )
Watson & Crick:
一种遗传物质，必须能行使两种
功能，即自我复制和对细胞的高
度特异性的影响
AT rich
300 bp ±
in replication origin 0f Prokaryote
真核生物复制起点的研究是以酵母为基础的
AT rich
ARS (automatic Replication Sequence) 自主复制序列
ARS1 (A, B1,B2,B3) A区具有高度保守性 A/TTTTATG/ATTTA/T
b) DNA聚合酶 （DNA polymerase）
Prokaryote
I polA 109KD 3’-5’和5’-3’外切酶活性 切除RNA引物和参与后随链合成中的缺口填 充反应 II III polB 3’-5’外切酶活性
10种不同的亚基组成 核心酶和全酶
进化中形成了 灵活的多酶复合体
replisome
ATP
Topoisomerase
rep
Relaxed protein (Helicase) D.S. DNA → S.S. DNA
HDP Helix Di-stabilizing Protein No ATPase Binding S. S. DNA decrease Tm Prevents from anneal lig Ligase
S
HR
TMV protein
TMV RNA
S protein+HR RNA
S RNA+HR protein
结论：RNA是TMV的遗传物质
第二节 DNA的结构和复制
一、DNA的结构
一 级 结 构
4种脱氧核苷酸由3‘ 5’磷酸二酯 键聚合而形成DNA的碱基顺序
DNA Double Helix model
+ p
pp T C G p OH pp p T C G OH
费时、费能、增加脱磷酸、加磷酸的能量消耗
3. DNA的半保留复制
（Semi-Conservation Replication）
Three replication hypotheses
(CsCl gradient centrifuge)
第1章 微生物的遗传物质
第一节 证明遗传物质是DNA(或RNA)的经典实验
第二节 DNA的结构和复制
第三节 原核生物的染色体及其复制
第四节 真核生物染色体及其复制
第五节 基因结构和基因组
第一节 证明遗传物质是DNA（RNA）的三
个经典试验
细菌的转化 噬菌体感染实验 病毒重建实验
1、细菌的转化实验
G
ppp OH
A T
C G
OH 3‟
+
5‟ ppp
G 5‟ ppp ppp
A
T
C G OH 3‟
在0.2M Nacl 的生理环境中，磷酸基团间的强电负性，使dNTP难以聚合到 DNA的5„端，而且 双链DNA的5‟端碱基配对困难 需要其他机制以解脱
碱基发生错配后的校正……
A ppp
T C G
A T C G OH ppp OH
复制起点
AT丰富
DNA识别位点
DNA box 5’-TTATCCACA-3’ 13个富含AT的单核苷酸 5’-GATCTNTTNTTTT-3’