工业微生物育种学1

本节内容



第一章 绪论 第一节 工业微生物育种在发酵工业中的地位 第二节 工业微生物育种的进展 第二章 细胞结构与分裂 第一节 细胞结构 第二节 细胞分裂 第三节 染色体
思考题
名词解释：同源染色体、姐妹染色单体、 生活史、准性繁殖 1 对生产上使用的工业微生物菌种有哪 些要求？ 2 工业微生物的各种育种方法都有哪些 优缺点？ 3 细胞内的遗传物质主要分布在哪里？
小 结
发酵工业中使用的微生物菌种是突变型 的，野生型的菌种无法满足上述要求 野生型菌种的代谢机制已适应了现存的 生态环境 这也进一步说明工业微生物育种的重要 性

工业微生物育种的进展
工业微生物育种的基本思想
遗传和变异 遗传和变异是生物界生命活动的基本属 性之一 相当于辨证法上的继承和发展

染色体结构
1 膜：渗透性的 2 染色丝：共有两条，相互缠绕并行于 整个染色体中 3 染色体基质：透明的液体 4 着丝点：位于染色体近端、近中或中 间，显示出一个明显的缢痕点，它不易 着色 5 纺锤丝：由微管系统组成

染色体的数目
生物种类 人 果蝇 水稻 红色面包霉 细菌 染色体（对） 23 4 12 3 1

工业微生物育种的进展

自然突变育种，微生物纯种培养法发明之后，开始微生物纯 种的自然选育（如过去的酒精发酵） 人工诱变育种，40年代初，Beadle和Tatum采用X射线和紫 外线等辐射因子诱变获得各种代谢突变株（如红色面包霉） 基因重组育种，包括杂交、转化、转导和原生质体融合等 代谢控制育种，50年代谷氨酸发酵取得成功 分子定向育种，始于上世纪90年代
生物的细胞内虽有一核和多核之分，但就染色 体数目来说，每个细胞核内都是相同的。生物 细胞内的染色体数目随生活史的变化而变化， 一般是成倍的变化。
染色体的倍性

高等动植物是多细胞生物，它们的卵子和 精子含有各种形态和性状染色体对中的一 条，即一组染色体，称为单倍体（n）而在 其体细胞核内含有各种形态和性状的染色 体各一对，称二倍体（2n）。

热议转基因
细胞内的遗传物质的分布
细胞核染色体（nucleus chromosome） 质粒（plasmid）* 转座因子（transposable element）* 线粒体（mitochondrion） 叶绿体（chloroplast）

质粒（plasmid）
独立于染色体外，能进行自我复制的遗传因 子，通常是环状DNA分子，多以超螺旋的 形式存在，其大小在1~300kb之间。主要存 在于各种微生物细胞中。质粒不是细菌生长繁殖
两个概念
同源染色体：指遗传内容相同的染色体， 它们的形态，大小差不多一致，其中一 条来自父本，一条来自母本。在减数分 裂时，同源染色体发生联会，即遗传物 质的交换。 姐妹染色单体：一条染色体复制形成的 两条遗传物质完全相同的染色单体。

姐妹染色单体
第三节 染色体
形态 结构 数目 倍性

小
结
各种育种方法都是基于遗传与变异的生物学规 律 各种育种方法在现代育种工作中仍都有使用 所有育种方法得到的新品种或菌株都存在着品 种退化的现象，这是遗传变异规律的体现

第二章 细胞结构与分裂
表 2-4：细胞内主要的细胞器及其功能 细胞器或级分 1 细胞核 标记 DNA 主要功能 染色体的部位 DNA 指导的 RNA 的合成部位（转录） 线粒体 核糖体 溶酶体 高尔基体 谷氨酸脱氢酶 高含量的 RNA 酸性磷酸酶 半乳糖基转移酶 循环，氧化磷酸化 蛋白质合成部位（RNA 翻译成蛋白质） 许多水解酶的部位（催化降解反应的酶） 细胞内蛋白质的分类 糖基化反应 硫酸酯化反应 过氧物酶体 过氧化氢酶 尿酸氧化酶 质膜 Na+—K+ ATP 酶 5’核苷酸酶 细胞骨架 胞浆 无特殊的酶标记 乳酸脱氢酶 过氧化氢的产生与降解 某些脂肪酸和氨基酸的降解 细胞内外分子的转运 细胞间的粘连和通讯 微丝、微管、中间微丝 糖酵解、脂肪酸合成
染色体的倍性

细菌和放线菌细胞核内的染色体是单 倍的（n）；霉菌的菌丝体细胞核内 的染色体也是单倍的，只有在有性生 殖过程中出现二倍体细胞（合子）； 酵母的情况有些特殊，细胞核中的染 色体有时出现二倍体，有时出现单倍 体。
染色体的倍性

在生物界有时会产生三倍体或多倍体， 一般在特殊环境条件下易于产生，如沙 漠、高山或者某些诱变物质（秋水仙素） 处理。其机制就是在细胞分裂时期，破坏纺锤丝和
工业微生物育种学
施巧琴 吴松刚 编著 福建科学技术出版社 1991· 福州

本节内容



第一章 绪论 第一节 工业微生物育种在发酵工业中的地位 第二节 工业微生物育种的进展 第二章 细胞结构与分裂 第一节 细胞结构 第二节 细胞分裂 第三节 染色体
第一章 绪 论
工业微生物育种

想一想有哪些微生物发酵产品？
工业微生物菌种的生产要求



在遗传上必须是稳定的 容易产生许多营养细胞、孢子或其他繁殖体 种子的生长必须旺盛、迅速 产生所需的产物时间短 必须是纯种，不应带有杂菌及噬菌体
工业微生物菌种的生产要求

比较容易分离提纯 有自身保护机制，抵抗杂菌污染能力强 能保持较长的良好经济性能 在规定时间里，菌株必须产生预期数量的产物， 并保持相对稳定 菌株对诱变剂处理较敏感，从而可能选育出高 产的菌株
细胞板，使已经复制的染色体不能分配到二个子细胞 而形成多倍体。不过这种多倍体一般是不稳定的，遇 到外界环境的刺激就会发生突变。
第四节 真核生物的生活史
生活史
生活史：是指生物生长发育一个循环周 期的一系列变化，其中主要指生物的二 倍体和单倍体的交替生存的改变。 生物在整个生活周期中可以从形态、细 胞功能和染色体数目的变化几个方面来 完成它的整个生长发育过程。

染色体形态
各种生物的染色体形态不同：细菌和放线菌是 环状或球状；一般霉菌等真核生物的染色体是 线状或棒状 同一种生物的不同染色体形态不同：着丝点的 位臵差异可使染色体的二臂长短不一，这种差 异表现在它们各自所控制的性状不同 细胞进行分裂时，各阶段的染色体形态不同： 一般观察染色体形态时，选择细胞分裂时进行 观察，此时，染色体比较粗
染色体为星棒状或线状，有 染色体呈环状，仅有一条染 两条以上染色体 色体 细胞进行有丝分裂和减数分 没有这两中分裂，细胞的增 裂 加靠无丝分裂，即复制方式
有丝分裂
间期的精细划分和 有丝分裂的时间比
间期1（G1）和间期2（G2）将DNA合成 期（S期）和有丝分裂期分离开来。
减数分裂和有丝分裂的区别
所必须的结构，它仅具有少数的基因，其复制还要依靠宿 主细胞的酶系统。它的复制和宿主染色体是同步的，只有 这样，质粒才能随着细菌细胞的分裂而稳定地遗传。目前 对细菌，特别是大肠杆菌和枯草芽孢杆菌中的质粒研究得 比较详细。
转座因子 （transposable element）


位于染色体或质粒上的一段能改变自身位臵的 DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。
在
发酵工业
中的地位
发酵工业
微生物育种
发酵设备
发酵工艺
影响发酵生产的因素
发酵工艺的改进 发酵设备的更新 菌种的选育和改良


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，有极其重要的意义。因此， 工业微生物的菌种选育在发酵工业中占有重要 地位，是决定发酵产品能否具有工业化生产价 值及发酵过程成败与否的关键。

基因重组育种（杂交育种）
优点： 1 通过具有不同遗传性状菌株的杂交，使遗传物质 进行交换和重新组合，扩大了变异范围，使两亲株 的优良性状集中于杂交菌株内，获得新品种。 2 杂交后的新品种不仅可以克服长期诱变造成的生 活力下降，代谢缓慢的缺陷，也可以提高对诱变剂 的敏感性。 缺点： 也有品质退化的现象；此外必须与诱变育种 结合 使用，才能进一步提高杂交菌种的产量
自然突变育种
推测其优点：

缺点： 1 突变频率低 2 盲目性大
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 突变得到的优良性状不易 退化
2 一般不会影响到微生物的 生长特性 （自然突变实质是自然选择）
人工诱变育种
优点： 1 能大幅度地提高产品的产量和质量 2 突变频率比较大 缺点： 1 疲劳效应，指某一菌株长期使用诱变剂处理 之后，会对诱变剂不再敏感 2 会引起菌种生长周期的延长、孢子量减少和 代谢减 慢等 3 仍有一定的盲目性

代谢控制育种
优点： 1 获得各种解除或绕过了微生物正常代谢途径 的突变株，从而使有用产物选择性地大量生成 累积 2 克服了育种的盲目性，减少了繁重的工作量 缺点： 也有品质退化的现象

分子定向进化育种
Molecular directed evolution 体外分子定向进化研究进展 徐卉芳 张先恩 张用梅 中国科学院武汉病毒研究所,武汉430071 http://emuch.net/html/200603/1992 82.html
转座因子可从染色体或质粒的一个位点转移到 另一个位点，或者在两个复制子之间转移 Barbara MeClintock（美国遗传学家）首先在 玉米中发现的，并因此荣获1983年度诺贝尔奖
第二节 细胞分裂
两大生物类群细胞结构 和分裂方式的不同
真核微生物 细胞核有核膜，内有核仁 原核微生物 细胞核无核膜，内无核仁

1 多细胞的高等动植物
它们的体细胞是二倍体，通过减数 分裂产生两性生殖细胞，即精、卵 细胞。两性细胞相互融合后，形成 二倍体的受精卵，通过有丝分裂长 成新的二倍体个体。

真核微生物
真核微生物多属于单倍体生物。它们的体细胞 是单倍的，用来接合的两个体细胞不需要进行 减数分裂就可以成为接合子，它们是二倍体细 胞，经过减数分裂产生单倍体的有性孢子，有 性孢子萌发后产生单倍体的营养体。因此真核 微生物生活史中的大部分时期是单倍体阶段。 真菌的生活周期包括无性繁殖、有性繁殖或准 性繁殖

有的真菌本身能产生有性孢子，但也 有可能进行准性繁殖。
真菌的生活史

真菌的主要繁殖方式是无性繁殖，由分 生孢子萌发成菌丝，再形成分生孢子。 有性繁殖比无性繁殖少得多，只在特定 的条件下才出现。
准性繁殖
不产生有性孢子的半知菌纲中的真菌往往以准 性繁殖来完成它们的生活史。 准性繁殖是指两个遗传性状有一定差异的菌丝 体细胞的核融合，同源染色体交换，直至基因 重组，（完成了和有性繁殖相似的过程）产生 重组的二倍体，再经单倍体化，完成的生殖过 程。