第七章微生物

1、 遗传和变异是生物体最本质的属性之一。遗传和变异是生物体最本质的属性之一。 在遗传性适宜的环境条件下时，通过代谢和发在遗传性适宜的环境条件下时，通过代谢和发 育才能使其后代转化为与亲代相同的具体性状。育才能使其后代转化为与亲代相同的具体性状。 对微生物遗传变异规律的深入研究，不仅促进对微生物遗传变异规律的深入研究，不仅促进 了现代生物学的发展，而且还为微生物育种工了现代生物学的发展，而且还为微生物育种工 作提供了丰富的理论基础。作提供了丰富的理论基础。 又称基因型，指某一生物个体所含有又称基因型，指某一生物个体所含有 的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信

2、息。 指某一生物个体所具有的一切外表特征和指某一生物个体所具有的一切外表特征和 内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件 下通过代谢和发育而得到的具体表现。下通过代谢和发育而得到的具体表现。 指生物体在某种外因或内因的作用下指生物体在某种外因或内因的作用下 所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗 传型的改变。变化后的新性状是稳定的、可遗传型的改变。变化后的新性状是稳定的、可遗 传的。传的。 指外表的修饰性改变，即一种不涉及遗指外表的修饰性改变，即一种不涉及遗 传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的传物质结构改

3、变而只发生在转录、转译水平上的 表型变化。饰变是不遗传的。表型变化。饰变是不遗传的。 例如，粘质沙雷氏菌，在例如，粘质沙雷氏菌，在2525下培养时，下培养时， 会产生一种深红色的灵杆菌素，把菌落染成会产生一种深红色的灵杆菌素，把菌落染成 似鲜血那样。可是，当培养在似鲜血那样。可是，当培养在3737下时，群下时，群 体中所有细胞都不产色素。如果重新降温至体中所有细胞都不产色素。如果重新降温至 2525，产色素能力又得到恢复。只有遗传型，产色素能力又得到恢复。只有遗传型 的改变，即生物体遗传物质结构上发生的变的改变，即生物体遗传物质结构上发生的变 化，才称为变异。化，才称为变异。 Griffith

4、Griffith是第一个发现转化现象的是第一个发现转化现象的 ，虽，虽 然当时还不知道称之为转化因子的本质是然当时还不知道称之为转化因子的本质是 什么，但是他的工作为后来什么，但是他的工作为后来AveryAvery等人进等人进 一步揭示转化因子的实质，确立一步揭示转化因子的实质，确立DNADNA为遗为遗 传物质奠定了重要基础。传物质奠定了重要基础。 2 2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验 1952年，年，Hershey和和Chase证实了证实了DNA 是噬菌体的遗传物质基础的著名实验。是噬菌体的遗传物质基础的著名实验。 1956年年Fraenkel-Conrat等用含等用含RNA的的 烟草花叶

5、病毒进行了病毒重建实验，证实烟草花叶病毒进行了病毒重建实验，证实 了了RNA是遗传物质。是遗传物质。 第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种 一、一、 基因突变基因突变 二、突变与育种二、突变与育种 一、一、 基因突变（突变）基因突变（突变） 是变异的一类。凡指细胞内或病毒粒内遗传物质的分子是变异的一类。凡指细胞内或病毒粒内遗传物质的分子 结构突然发生的可遗传的变化。可自发或诱导产生。结构突然发生的可遗传的变化。可自发或诱导产生。 狭义的突变：狭义的突变：专指基因突变（点突变）。专指基因突变（点突变）。 广义的突变：广义的突变：包括基因突变和染色体突变。包括基因突变和染色体突变。

6、突变的几率：很低突变的几率：很低10-6 10-9。 野生型菌株（野生型菌株（wild type strain，野生型）：，野生型）：从自然界从自然界 分离到的、没有发生过突变的菌株。分离到的、没有发生过突变的菌株。 突变株（突变株（mutant，突变体、突变型）：，突变体、突变型）：野生型经突变后野生型经突变后 形成的带有新性状的菌株。形成的带有新性状的菌株。 条件致死突变型（株）条件致死突变型（株） （一）突变类型（一）突变类型 突变株的表型突变株的表型 选择性选择性 突变株突变株 非选择性非选择性 突变株突变株 营养缺陷型（株）营养缺陷型（株） 抗性突变型（株）抗性突变型（株） 形态突变

7、型（株）形态突变型（株） 抗原突变型（株）抗原突变型（株） 产量突变型（株）产量突变型（株） 突变的类型很多，按突变后极少数突变株的表型能否在选择突变的类型很多，按突变后极少数突变株的表型能否在选择 培养基上迅速选出和鉴别，可分为：培养基上迅速选出和鉴别，可分为： （二）（二） 基因突变的特点基因突变的特点 1. 自发性：自发性：可自发地发生突变。可自发地发生突变。 2. 不对应性：不对应性：突变性状与引起的原因间无直接对应关系。突变性状与引起的原因间无直接对应关系。 3. 稀有性：稀有性：通常自发突变的频率在通常自发突变的频率在10-6 10-9间。间。 4.独立性：独立性：某基因的突变率不

8、受他种基因突变率的影响。某基因的突变率不受他种基因突变率的影响。 5.可诱变性：可诱变性：自发突变的频率可因诱变剂的影响而大为提自发突变的频率可因诱变剂的影响而大为提 高（高（10 105倍）。倍）。 6.稳定性：稳定性：基因突变后的新遗传性状是稳定的。基因突变后的新遗传性状是稳定的。 7.可逆性：可逆性：野生型菌株某一性状可发生正向突变，也可发野生型菌株某一性状可发生正向突变，也可发 生相反的回复突变。生相反的回复突变。 基因突变：基因突变：一个基因内部遗传结构或一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变。序列的任何改变。 基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因突变是重

9、要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同 基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。 突变突变 自发突变自发突变 诱诱 变变 环境因素的影响，环境因素的影响，DNA复制过程的偶然复制过程的偶然 错误等而导致，一般频率较低，通常为错误等而导致，一般频率较低，通常为 10-610-9 。 某些物理、化学因素对生物体的某些物理、化学因素对生物体的DNA进进 行直接作用，突变以较高的频率产生。行直接作用，突变以较高的频率产生。 （三）基因突变及其机制（三）基因突变及其机制 基因突变的机制是多样性的，可以是自发的或诱发的。基因突变的机制是多样

10、性的，可以是自发的或诱发的。 1、诱发突变（诱变）、诱发突变（诱变） 指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显 著提高基因自发突变频率的手段。著提高基因自发突变频率的手段。 诱变剂：凡具有诱变效应的任何因素。诱变剂：凡具有诱变效应的任何因素。 诱变剂的种类很多，有物理因素（诱变剂的种类很多，有物理因素（UV、激光、离、激光、离 子束、子束、X射线、射线、射线、快中子）和化学因素（亚硝射线、快中子）和化学因素（亚硝 酸、氮芥、烷化剂、碱基类似物、吖啶类化合物）。酸、氮芥、烷化剂、碱基类似物、吖啶类化合物）。 诱变机制诱变机制 2. 2. 自发突变自

11、发突变 指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。 引起自发突变的原因：引起自发突变的原因： （1） 由背景辐射和环境因素引起；由背景辐射和环境因素引起； （2） 由微生物自身有害代谢产物引起；由微生物自身有害代谢产物引起； （3） 由由DNA复制过程中碱基配对错误引起。复制过程中碱基配对错误引起。 自发突变频率约为自发突变频率约为10-6。 对细菌作一般液体培养时，对细菌作一般液体培养时， 因细胞浓度可达因细胞浓度可达108/mL， 常会在其中产生自发突变常会在其中产生自发突变 菌株。菌株。 通过环出效应引起自发突变的设想图通过环出效应引起自发突

12、变的设想图 （四）（四） 紫外线对紫外线对DNA的损伤及其修复的损伤及其修复 已知的已知的DNA损伤类型很多，机体对其修复方法各异。损伤类型很多，机体对其修复方法各异。 1. 紫外线对紫外线对DNA的损伤的损伤 DNA中嘧啶对中嘧啶对UV的敏感性较强，经的敏感性较强，经UV照射后相邻嘧啶会形照射后相邻嘧啶会形 成嘧啶二聚体（成嘧啶二聚体（TT，TC，CC）和水合物。形成二聚体后，）和水合物。形成二聚体后， 造成局部造成局部DNA分子无法配对，从而引起微生物的死亡或突变分子无法配对，从而引起微生物的死亡或突变。 2. 微生物修复受损微生物修复受损DNA的作用的作用 （1） 光复活作用光复活作用

13、把经把经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下，照射后的微生物立即暴露于可见光下， 就就 可出现明显降低其死亡率的现象。可出现明显降低其死亡率的现象。 对照：对照：8106个个/ml E.coli 100个个/ml E.coli 实验：实验：8106个个/ml E.coli 2106个个/ml E.coli UV UV 360490nm 可见光，可见光，30min 光复活作用机制：光复活作用机制： 经经UV照射后带有嘧啶二聚体的照射后带有嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗下分子，在黑暗下 会被一种光激活酶（光解酶、光裂合酶）结合。会被一种光激活酶（光解酶、光裂合酶）结合。 这种复合物在这种复合物在3

14、00 500 nm可见光下时，此酶会因获可见光下时，此酶会因获 得光能而激活，并使二聚体分解成单体。得光能而激活，并使二聚体分解成单体。 同时光解酶也会从复合物中释放出来，以便从新执行同时光解酶也会从复合物中释放出来，以便从新执行 功能。功能。 （2）切除修复（暗修复）切除修复（暗修复） 是活细胞内一种不依赖可见光就可对被紫外线等诱是活细胞内一种不依赖可见光就可对被紫外线等诱 变剂损伤后的变剂损伤后的DNA进行修复的方式。进行修复的方式。 作用机制：作用机制： 通过酶切作用去除通过酶切作用去除 嘧啶二聚体嘧啶二聚体，随后重，随后重 新合成一段正常新合成一段正常DNA 链的核酸。在整个修链的核酸

15、。在整个修 复过程中，共有四种复过程中，共有四种 酶参与。酶参与。 二、突变与育种二、突变与育种 自发突变与育种自发突变与育种 从生产中选育从生产中选育 定向培育优良品种定向培育优良品种 诱变育种诱变育种 诱变育种的原则诱变育种的原则 诱变育种的基本环节诱变育种的基本环节 （一）（一） 自发突变与育种自发突变与育种 1. 从生产中育种从生产中育种 生产中，自发突变的微生物中有可能出现一定几率的生产中，自发突变的微生物中有可能出现一定几率的 正突变。正突变。 2. 定向培育优良菌株定向培育优良菌株 是一种利用微生物的自发突变，并采用特定的选择条是一种利用微生物的自发突变，并采用特定的选择条 件，

16、不断地移植以选育出较优良菌株的古老方法。件，不断地移植以选育出较优良菌株的古老方法。 如：炭疽芽孢杆菌活菌苗、卡介苗的选育。如：炭疽芽孢杆菌活菌苗、卡介苗的选育。 缺点：费时费力、工作被动、效果很难预测。缺点：费时费力、工作被动、效果很难预测。 （二）（二） 诱变育种诱变育种 利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物 细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用 简便、快速高效的筛选方法从中挑选出少数符合目简便、快速高效的筛选方法从中挑选出少数符合目 的的突变株，以供科学实验和生产实践用。的的突变株，以

17、供科学实验和生产实践用。 方法简便易行、条件和设备要求简单。方法简便易行、条件和设备要求简单。 诱变育种诱变育种具有极其重要的实践意义。在当前发酵工业具有极其重要的实践意义。在当前发酵工业 或其他大规模的生产实践中，大部分菌种为诱变而产或其他大规模的生产实践中，大部分菌种为诱变而产 生的变异菌株。生的变异菌株。 效价：指有效成分的浓度。效价：指有效成分的浓度。1ug/ml 称为称为1 单位单位 1945 时间时间 1943 1943 1943 1947 1955 1971 1977 目目 前前 发酵单位发酵单位( Uml 1) 100 250 500 850 850 8000 2 万万 5万万

18、 5万万10万万 从青霉素产量看诱变育种从青霉素产量看诱变育种 1、诱变育种的基本环节、诱变育种的基本环节 大多死亡大多死亡 少数存活少数存活 存活率存活率 多数未变多数未变 少数突变少数突变 突变率突变率 多数负变多数负变 少数正变少数正变 正变率正变率 多数幅度小多数幅度小 少数幅度大少数幅度大 高产率高产率投产率投产率 多数不宜投产多数不宜投产 少数适宜投产少数适宜投产 出发菌株出发菌株 计算出计算出 诱变诱变 2 2、诱变育种工作中应考虑的几个原则、诱变育种工作中应考虑的几个原则 挑选优良的出发菌株挑选优良的出发菌株 选择简便有效的诱变剂选择简便有效的诱变剂 处理单细胞或单孢子悬液处理

19、单细胞或单孢子悬液 选用最适剂量的诱变剂选用最适剂量的诱变剂 设计或采用高效筛选方案或方法设计或采用高效筛选方案或方法 充分利用复合处理的协同效应充分利用复合处理的协同效应 利用和创造形态，生理与产量间的相关指标利用和创造形态，生理与产量间的相关指标 诱变剂的种类很多，有物理因素和化学因素两类。诱变剂的种类很多，有物理因素和化学因素两类。 拟辐射物质：除了能诱发点突变，还能诱发一般只拟辐射物质：除了能诱发点突变，还能诱发一般只 有辐射才能引起的染色体畸变这类有辐射才能引起的染色体畸变这类DNA的大损伤的的大损伤的 物质。如：氮芥、硫芥和环氧乙烷等。物质。如：氮芥、硫芥和环氧乙烷等。 在选用理化

20、因素作诱变剂时在选用理化因素作诱变剂时 ，在同样效果下，应选，在同样效果下，应选 用最简便的因素；而在同样简便的条件下，应选用用最简便的因素；而在同样简便的条件下，应选用 最高效的因素。最高效的因素。 （1）选择简便有效的诱变剂）选择简便有效的诱变剂 出发菌株出发菌株菌体的稀释液菌体的稀释液 接种接种 培养培养 接种分离接种分离 紫外线紫外线 使用使用UV照射最为方便。取照射最为方便。取5ml单细胞悬液置于直径单细胞悬液置于直径6cm的培养皿中，的培养皿中， 开盖照射；开盖照射； 时间不短于时间不短于10 20s，也不长于，也不长于10 20min。 挑选优良菌株挑选优良菌株 15W、30cm

21、 5mL 化学诱变剂的使用：化学诱变剂的使用：化学诱变剂的种类、浓度和处理化学诱变剂的种类、浓度和处理 方法尤其是终止反应的方法很多。方法尤其是终止反应的方法很多。 出发菌株出发菌株含诱变剂的含诱变剂的 液体培养基液体培养基 接种接种 培养培养 培养培养 接种分离接种分离 选择优良突变株选择优良突变株 艾姆斯试验艾姆斯试验 原理：原理：致癌物与诱变剂具有很高的相关性，能提高致癌物与诱变剂具有很高的相关性，能提高 营养缺陷型的回复突变率的可疑物是诱变剂，所以营养缺陷型的回复突变率的可疑物是诱变剂，所以 很可能是很可能是致癌物。致癌物。 作用：作用：测定潜在的化学致癌物。测定潜在的化学致癌物。 主要材料：主要材料：沙门氏菌组氨酸缺陷型菌株（还应是沙门氏菌组氨酸缺陷型菌株（还应是 DNADNA修复酶的缺陷型）或大肠杆菌色氨酸缺陷型菌株修复酶的缺陷型）或大肠杆菌色氨酸缺陷型菌株 S.t.his 回变回变 S.t.his 吸入吸入 滤纸片滤纸片 保温保温 可疑可疑“三致三致”试样试样 鼠肝匀浆鼠肝匀浆 （含羟化酶）（含羟化酶） 阳性阳性阴性阴性 利用回变检测致癌剂利用回变检测致癌剂 艾姆斯试验法艾姆斯试验法 艾姆斯试验法广泛用于检测食品、饮料、药品、饮水和环境等试样中的致癌物艾姆斯试验法广泛用于检测食品、饮料、药品、饮水和环境等试样中的致癌物 （2 2）挑选优良的出发菌株