微生物遗传与育种综述
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第七章
微生物遗传与育种
遗传： 亲代与子代相似 变异： 亲代与子代、子代间不同个体不完全相同
遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一
遗传型： 生物的全部遗传因子所携带的遗传信息
表型：
具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生 长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。
微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体， 方便建立纯系。
很多常见微生物都易于人工培养，快速、大 量生长繁殖。
物种和代谢类型多样 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，
操作性强。
第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变和诱变育种 第三节 基因重组和杂交育种
第一节 遗传变异的物质基础
对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点， 如抗药性初步判断。
wk.baidu.com
6、质粒的主要种类
致育因子（Fertility factor，F因子）
质粒所编码 的功能和赋 予宿主的表 型效应
抗性因子（Resistance factor，R因子） 产细菌素的质粒（Bacteriocin production
plasmid）
毒性质粒（virulence plasmid）
代谢质粒（Metabolic plasmid）
隐秘质粒（cryptic plasmid）
第二节 基因突变和诱变育种
一、基因突变
一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变、可遗传、 自发或诱变产生
基因突变
狭义：点突变 广义：基因突变和染色体畸变
基因突变 野生型（原始性状）
一、三个证明DNA是遗传物质的经典实验 1、经典转化实验 肺炎链球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有
致病能力） R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无 致病能力）
1928年，F.Griffth作了3组实验:
1944年，Avery精确重复了转化实验，确定了转化因子 实验证明，将R菌转化为S菌的转化因子是DNA
突变型（新性状）
（一）突变类型
（一）常见的微生物突变类型
基因型
表型
这里主要介绍几种常用的由于基因突变而造成微生物表型变化 的突变型及其分离
1）营养缺陷型（auxotroph）
一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素 、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些 营养或其前体物（precursor）才能生长。
2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组
1）典型的真核染色体结构； 啤酒酵母基因组大小为13.5×106bp，分布在16条染色体中。 2）没有明显的操纵子结构； 3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列； 4）重复序列多；
3、原核生物和真核生物的基因组比较
（三）原核生物的质粒 1、定义 质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主 复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞 中。
广宿主范围质粒(broad host range plasmid) （可以在许多种细菌中复制）
4、质粒在基因工程中的应用
质粒的优点： （1）体积小，易分离和操作 （2）环状，稳定 （3）独立复制 （4）拷贝数多 （5）存在标记位点，易筛选
E. coli的pBR322质粒是一个常 用的克隆载体
5、质粒的检测 提取所有胞内DNA后电镜观察； 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；
2、噬菌体感染实验
实验证明，进入 细菌细胞内部的 物质是DNA。 DNA包含有产生 完整噬菌体的全 部信息。
3、植物病毒重建实验 实验证明，遗传信息的流向与RNA的传递是一致的。
二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式 （一）遗传物质在7个水平上的形式 1、细胞水平 2、细胞核水平 3、染色体水平 4、核酸水平 5、基因水平 6、密码子水平 7、核苷酸水平
质粒分子的大小范围从1kb左右到 1000kb；
细菌质粒多在10kb以内）
3、质粒的类型
严谨型质粒(stringent plasmid)：复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数 松弛型质粒(relaxed plasmid)：复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数
窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid) （只能在一种特定的宿主细胞中复制）
1）营养缺陷型（auxotroph） 营养缺陷型的表示方法：
基因型： 所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC
（组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变）
表型： 同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC
在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。
表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。
表型饰变：
表型的差异只与环境有关 特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为
橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。
遗传型变异（基因变异、基因突变）：
遗传物质改变，导致表型改变 特点：遗传性、群体中极少数个体的行为
（自发突变频率通常为10-6-10-9）
微生物是遗传学研究中的明星：
（二）微生物基因组结构的特点
1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组
1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）； 2）基因组上遗传信息具有连续性； 基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数 一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。 3）功能相关的结构基因组成操纵子结构； 4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝； 5）基因组的重复序列少而短； 个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的rRNA和tRNA 中也发现有内含子或间插序列
表型判断的标准： 在基本培养基上能否生长
1）营养缺陷型（auxotroph）
特点： 在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长
负选择标记
突变株不能通过选择平板直接获得
1
auxotroph
） 营 养 缺 陷 型 （
） 影印平板（Replica plating）法是Lederberg夫妇在1952年建立
质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的； 在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊 的机能，从而使宿主得到生长优势。
2、结构特点
通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)的超螺旋双 链DNA分子存在于细胞中； 也发现有线型双链DNA质粒和RNA质 粒；
微生物遗传与育种
遗传： 亲代与子代相似 变异： 亲代与子代、子代间不同个体不完全相同
遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一
遗传型： 生物的全部遗传因子所携带的遗传信息
表型：
具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生 长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。
微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体， 方便建立纯系。
很多常见微生物都易于人工培养，快速、大 量生长繁殖。
物种和代谢类型多样 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，
操作性强。
第一节 遗传变异的物质基础 第二节 基因突变和诱变育种 第三节 基因重组和杂交育种
第一节 遗传变异的物质基础
对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点， 如抗药性初步判断。
wk.baidu.com
6、质粒的主要种类
致育因子（Fertility factor，F因子）
质粒所编码 的功能和赋 予宿主的表 型效应
抗性因子（Resistance factor，R因子） 产细菌素的质粒（Bacteriocin production
plasmid）
毒性质粒（virulence plasmid）
代谢质粒（Metabolic plasmid）
隐秘质粒（cryptic plasmid）
第二节 基因突变和诱变育种
一、基因突变
一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变、可遗传、 自发或诱变产生
基因突变
狭义：点突变 广义：基因突变和染色体畸变
基因突变 野生型（原始性状）
一、三个证明DNA是遗传物质的经典实验 1、经典转化实验 肺炎链球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有
致病能力） R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无 致病能力）
1928年，F.Griffth作了3组实验:
1944年，Avery精确重复了转化实验，确定了转化因子 实验证明，将R菌转化为S菌的转化因子是DNA
突变型（新性状）
（一）突变类型
（一）常见的微生物突变类型
基因型
表型
这里主要介绍几种常用的由于基因突变而造成微生物表型变化 的突变型及其分离
1）营养缺陷型（auxotroph）
一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素 、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些 营养或其前体物（precursor）才能生长。
2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组
1）典型的真核染色体结构； 啤酒酵母基因组大小为13.5×106bp，分布在16条染色体中。 2）没有明显的操纵子结构； 3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列； 4）重复序列多；
3、原核生物和真核生物的基因组比较
（三）原核生物的质粒 1、定义 质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主 复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞 中。
广宿主范围质粒(broad host range plasmid) （可以在许多种细菌中复制）
4、质粒在基因工程中的应用
质粒的优点： （1）体积小，易分离和操作 （2）环状，稳定 （3）独立复制 （4）拷贝数多 （5）存在标记位点，易筛选
E. coli的pBR322质粒是一个常 用的克隆载体
5、质粒的检测 提取所有胞内DNA后电镜观察； 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；
2、噬菌体感染实验
实验证明，进入 细菌细胞内部的 物质是DNA。 DNA包含有产生 完整噬菌体的全 部信息。
3、植物病毒重建实验 实验证明，遗传信息的流向与RNA的传递是一致的。
二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式 （一）遗传物质在7个水平上的形式 1、细胞水平 2、细胞核水平 3、染色体水平 4、核酸水平 5、基因水平 6、密码子水平 7、核苷酸水平
质粒分子的大小范围从1kb左右到 1000kb；
细菌质粒多在10kb以内）
3、质粒的类型
严谨型质粒(stringent plasmid)：复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数 松弛型质粒(relaxed plasmid)：复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数
窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid) （只能在一种特定的宿主细胞中复制）
1）营养缺陷型（auxotroph） 营养缺陷型的表示方法：
基因型： 所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC
（组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变）
表型： 同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC
在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。
表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。
表型饰变：
表型的差异只与环境有关 特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为
橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。
遗传型变异（基因变异、基因突变）：
遗传物质改变，导致表型改变 特点：遗传性、群体中极少数个体的行为
（自发突变频率通常为10-6-10-9）
微生物是遗传学研究中的明星：
（二）微生物基因组结构的特点
1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组
1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）； 2）基因组上遗传信息具有连续性； 基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数 一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。 3）功能相关的结构基因组成操纵子结构； 4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝； 5）基因组的重复序列少而短； 个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的rRNA和tRNA 中也发现有内含子或间插序列
表型判断的标准： 在基本培养基上能否生长
1）营养缺陷型（auxotroph）
特点： 在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长
负选择标记
突变株不能通过选择平板直接获得
1
auxotroph
） 营 养 缺 陷 型 （
） 影印平板（Replica plating）法是Lederberg夫妇在1952年建立
质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的； 在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊 的机能，从而使宿主得到生长优势。
2、结构特点
通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)的超螺旋双 链DNA分子存在于细胞中； 也发现有线型双链DNA质粒和RNA质 粒；