微生物的遗传变异和育种

1、 遗传和变异是生物体最本质的属性之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，通过一。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代谢和发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，不仅促进了现代生物学的发展，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作提供了丰富的理而且还为微生物育种工作提供了丰富的理论基础。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息。指某一生

2、物个体所具有的一切外表特征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和内在特性的总和，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。件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所引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，亦即遗传型的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、可遗传的改变。变化后的新性状是稳定的、可遗传的。指外表的修饰性改变，即一种不涉及遗传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、转译水平上的表物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的

3、表型变化。饰变是不遗传的。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。 w griffithgriffith是第一个发现转化现象的是第

4、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。结论结论w 活的、非致病性的活的、非致病性的r r型从已被杀死的型从已被杀死的ss型型中获得了遗传物质，使其产生膜中获得了遗传物质，使其产生膜成为致病性的成为致病性的ss型。型。griffithgriffith将这种现将这种现象称为转化象称为转化(transformation)(transforma

5、tion)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是是噬菌体的遗传物质基础的著名实验。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的烟的烟草花叶病毒进行了病毒重建实验，证实了草花叶病毒进行了病毒重建实验，证实了rna是遗传物质。是遗传物质。(1)(1)用表面活性剂处理标准用表面活性剂处理标准tmvtmv，得到它的蛋白质；，得到它的蛋白质；(2)(2)从从tmvtmv的变种的变种hrhr通过弱碱处理得到它的通过弱碱处理得到它的rnarna；(3)(3)通过重建获得杂种病毒；通过重建获得杂

6、种病毒；(4)(4)证实杂种病毒的蛋白质外壳是来自证实杂种病毒的蛋白质外壳是来自tmvtmv标准株。标准株。(5)(5)杂种病毒感染烟草产生杂种病毒感染烟草产生hrhr所特有的病斑，说明杂种病毒的所特有的病斑，说明杂种病毒的感染特性是由感染特性是由hrhr的的rna rna 所决定，而不是二者的融合特征所决定，而不是二者的融合特征(6)(6)从病斑中一再分离得到的子病毒的蛋白质外壳是从病斑中一再分离得到的子病毒的蛋白质外壳是hrhr蛋白质，蛋白质，而不是标准株的蛋白质外壳。以上实验结果说明杂种病毒的而不是标准株的蛋白质外壳。以上实验结果说明杂种病毒的感染特征和蛋白质的特性感染特征和蛋白质的特性

7、 是由它的是由它的rnarna所决定，而不是由蛋所决定，而不是由蛋白质所决定，遗传物质是白质所决定，遗传物质是rnarna。 w 1、dna的结构w 2、rna的结构的结构w 3、核酸的复制、核酸的复制v真核微生物的核内真核微生物的核内dnadna与组蛋白结合成为与组蛋白结合成为染色体。染色体。v原核微生物的原核微生物的dnadna不与蛋白质结合，呈松不与蛋白质结合，呈松散的核质体状态存在。散的核质体状态存在。 遗传性变异是由基因结构发生改变所致，遗传性变异是由基因结构发生改变所致，主要通过基因突变、基因损伤后的修复、主要通过基因突变、基因损伤后的修复、基因的转移与重组来实现。基因的转移与重组

8、来实现。 又称点突变，又称点突变， dna链上的一对链上的一对 突变突变 或少数几对碱基发生改变。或少数几对碱基发生改变。 (碱碱 基置换基置换 、移码突变、移码突变 ) dna的大段变化的大段变化(损伤损伤)现象现象 (添加、缺失、易位、倒位添加、缺失、易位、倒位 ) 把两个不同性状个体内的遗传基因转移把两个不同性状个体内的遗传基因转移 到一起，经过遗传分子的重新组合后，到一起，经过遗传分子的重新组合后， 形成新遗传型个体的方式，称为基因重形成新遗传型个体的方式，称为基因重 组组(原核生物、真核生物原核生物、真核生物) 1 1、营养缺陷型、营养缺陷型 2 2、抗性突变型、抗性突变型 3 3、

9、条件致死突变型、条件致死突变型 4 4、形态突变型、形态突变型 5 5、抗原突变型、抗原突变型 6 6、其他突变型、其他突变型 如毒力、糖发酵能力、代谢如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种类和产量以及对某种药物的依赖性突产物的种类和产量以及对某种药物的依赖性突变型等。变型等。 即突变的性状与引起突变的原因间无直接的对即突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。应关系。 例如，细菌在有青霉素的环境下，出现了抗青霉例如，细菌在有青霉素的环境下，出现了抗青霉素的突变体；在紫外线的作用下，出现了抗紫外素的突变体；在紫外线的作用下，出现了抗紫外线的突变体；在较高的培养温度下，出现了耐高线的突变体；在较高

10、的培养温度下，出现了耐高温的突变体等。表面上看来，会认为正是由于青温的突变体等。表面上看来，会认为正是由于青霉素、紫外线或高温的霉素、紫外线或高温的 诱变诱变 ，才产生了相对应，才产生了相对应的突变性状。事实恰恰相反，这类性状都可通过的突变性状。事实恰恰相反，这类性状都可通过自发的或其任何诱变因子诱发而行。这里的青霉自发的或其任何诱变因子诱发而行。这里的青霉素、紫外线或高仅是起着淘汰原有非突变型素、紫外线或高仅是起着淘汰原有非突变型( (敏感敏感型型) )个体的作用。个体的作用。 各种性状的突变，可以在没有人为的诱变因素各种性状的突变，可以在没有人为的诱变因素处理下自发地发生。处理下自发地发生

11、。 自发突变自发突变 决不意味着这决不意味着这种突变是没有原因的，而只是说明人们对它们种突变是没有原因的，而只是说明人们对它们还没有很好认识而已。还没有很好认识而已。 自发突变虽可随时发生，但突变的频率是较低自发突变虽可随时发生，但突变的频率是较低和稳定的，一般在和稳定的，一般在1010-6-6 1010-9-9间。所谓突变率，一间。所谓突变率，一般指每一细胞在每一世代中发生某一性状突变般指每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的机率。例如，突变率为的机率。例如，突变率为1 11010-8-8者，就意味着者，就意味着当当10 10 8 8个细胞群体分裂成个细胞群体分裂成2 210 10 8 8个

12、细胞时，平个细胞时，平均会形成一个突变体。均会形成一个突变体。 突变的发生一般是独立的，即在某一群体中，突变的发生一般是独立的，即在某一群体中，既可发生抗青霉素的突变型，也可发生抗链霉既可发生抗青霉素的突变型，也可发生抗链霉素或任何其他药物的抗药性，而且还可发生其素或任何其他药物的抗药性，而且还可发生其他不属抗药性的任何突变。某一基因的突变，他不属抗药性的任何突变。某一基因的突变，既不提高也不降低其他基因的突变率。既不提高也不降低其他基因的突变率。 通过诱变剂的作用，可提高自发突变的频率，通过诱变剂的作用，可提高自发突变的频率，一般可提高一般可提高10-1010-10 5 5倍。不论是自发突变

13、或诱发倍。不论是自发突变或诱发突变突变( (诱变诱变) )得到的突变型，它们之间并无本质得到的突变型，它们之间并无本质上的差别，因为诱变剂仅起着提高突变率的作上的差别，因为诱变剂仅起着提高突变率的作用。用。 由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化，所以产生的新性状也是稳定的、可遗的变化，所以产生的新性状也是稳定的、可遗传的。传的。 由原始的野生型基因变异为突变型基因的由原始的野生型基因变异为突变型基因的过程，称为正向突变，相反的过程则称为过程，称为正向突变，相反的过程则称为回复突变或回变。实验证明，任何性状既回复突变或回变。实验证明，任何性状既有

14、正向突变，也可发生回复突变。有正向突变，也可发生回复突变。v1、luria等的变量试验（彷徨实验）等的变量试验（彷徨实验）v2、newcombe的涂布试验的涂布试验彷徨试验彷徨试验(fluctuation test)影印试验影印试验(replica plating)w 紫外线、紫外线、x x射线等射线等紫外线诱变机制紫外线诱变机制辐射剂量辐射剂量光复活作用光复活作用v 诱变剂：诱变剂： 亚硝酸、硫酸二乙酯、亚硝基胍等亚硝酸、硫酸二乙酯、亚硝基胍等v 诱变机制诱变机制v 注意事项：注意事项： 选择适宜的诱变剂及剂量，适当的温度选择适宜的诱变剂及剂量，适当的温度 和和phph，终止反应，安全，终止

15、反应，安全1 1、从生产实践中选育、从生产实践中选育 选育步骤选育步骤 (1)(1)采样采样 (2)(2)加富培养加富培养 (3)(3)平板分离平板分离 (4)(4)性能测定性能测定定向培育一般是指用某一特定环境长期处理某一定向培育一般是指用某一特定环境长期处理某一微生物培养物微生物培养物( (群体群体) )，同时不断对它们进行移种，同时不断对它们进行移种传代，以达到积累和选择合适的自发突变体的一传代，以达到积累和选择合适的自发突变体的一种古老的育种方法。由于自发突变的频率较低，种古老的育种方法。由于自发突变的频率较低，变异程度较轻微，所以培育新种的过程一般十分变异程度较轻微，所以培育新种的过

16、程一般十分缓慢。与诱变育种、杂交育种和基因工程技术相缓慢。与诱变育种、杂交育种和基因工程技术相比，定向培育法带有守株待兔的被动状态。比，定向培育法带有守株待兔的被动状态。 例如，异烟肼是吡哆醇的代谢拮抗物例如，异烟肼是吡哆醇的代谢拮抗物( (即结构即结构类似物类似物) )，两者分子结构类似。，两者分子结构类似。 2 2 、定向培育优良菌种、定向培育优良菌种 诱变育种就是利用物理或化学诱变剂处理均匀诱变育种就是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，促进其突变频率大幅度提高，分散的微生物细胞群，促进其突变频率大幅度提高，然后设法采用简便、快速和高效的筛选方法，从中然后设法采用简便、快速和

17、高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的突变株，以供生产实践或科挑选少数符合育种目的突变株，以供生产实践或科学实验之用。学实验之用。 诱变育种除提高产量外，还可改进产品质量、诱变育种除提高产量外，还可改进产品质量、扩大品种和简化工艺等目的。它具有方法简便、工扩大品种和简化工艺等目的。它具有方法简便、工作速度快和收效显著等优点，仍是目前最广泛使用作速度快和收效显著等优点，仍是目前最广泛使用的育种手段。的育种手段。1 1、诱变育种的基本环节、诱变育种的基本环节v1 1、初筛：以、初筛：以量量为主为主v2 2、复筛：以、复筛：以质质为主为主2 2、诱变育种的步骤、诱变育种的步骤(auxotroph)

18、(auxotroph)是指通过诱变而产生的，是指通过诱变而产生的，在一些营养物质在一些营养物质( (如氨基酸、维生至少和碱基等如氨基酸、维生至少和碱基等) )的合成能力上出现缺陷，因此必须在基本培养的合成能力上出现缺陷，因此必须在基本培养基基(minimal medium)(minimal medium)中加入相应的有机营养成中加入相应的有机营养成分才能正常生长的变异菌株。分才能正常生长的变异菌株。是指从自然界分离到的任何微生物在其是指从自然界分离到的任何微生物在其发生人为营养缺陷突变前的原始菌株。在其相发生人为营养缺陷突变前的原始菌株。在其相应的基本培养基上生长。应的基本培养基上生长。 v(

19、1)(1)诱变剂处理诱变剂处理 v(2)(2)淘汰野生型淘汰野生型 v(3)(3)检出缺陷型检出缺陷型 v(4)(4)鉴定缺陷型鉴定缺陷型 (1)(1)选择简便有效的诱变剂选择简便有效的诱变剂 目前在实践上常用的诱变剂主要有紫外线目前在实践上常用的诱变剂主要有紫外线(u.v.)(u.v.)、氮芥、硫酸二乙酯、氮芥、硫酸二乙酯、n-n-甲基甲基-n-n-硝硝基基-n-n-亚硝基胍亚硝基胍(ntg(ntg或或mnng)mnng)和亚硝基甲脲和亚硝基甲脲(nmu)(nmu)等。后两种因为有突出的诱变效果，所等。后两种因为有突出的诱变效果，所以被誉为以被誉为“超诱变剂超诱变剂”。 (2)(2)挑选优良

20、的出发菌株挑选优良的出发菌株 (4)(4)选用最适剂量选用最适剂量要确定一个合适的剂量，常常要经过多次试验。就要确定一个合适的剂量，常常要经过多次试验。就一般微生物而言，诱变率往往随剂量的增高而提高，一般微生物而言，诱变率往往随剂量的增高而提高，但达到一定剂量后，再提高剂量反而会使诱率下降。但达到一定剂量后，再提高剂量反而会使诱率下降。根据对紫外线、根据对紫外线、x x射线和乙烯亚胺等诱变效应的研究射线和乙烯亚胺等诱变效应的研究结果，发现正变转多地出现在偏低的剂量中，而负结果，发现正变转多地出现在偏低的剂量中，而负变较多地出现于偏高的剂量中；还发现经多次诱变变较多地出现于偏高的剂量中；还发现经

21、多次诱变而提高产量的菌株中，更容易出现负变。因此，在而提高产量的菌株中，更容易出现负变。因此，在诱变育种工作中，目前比较倾向于采用较低的剂量。诱变育种工作中，目前比较倾向于采用较低的剂量。 (5)(5)利用复合处理的协同效应利用复合处理的协同效应 诱变剂的复合处理常常呈现一定的协同效应，诱变剂的复合处理常常呈现一定的协同效应，这对育种实践是很有参考价值的。这对育种实践是很有参考价值的。 (6)(6)利用和创造形态、生理与产量间的相利用和创造形态、生理与产量间的相关指标关指标 为了确切地了解某一突变株产量性状的提为了确切地了解某一突变株产量性状的提高程度，必须进行大量的分析测定和统计工高程度，必

22、须进行大量的分析测定和统计工作。作。(7)(7)设计和采用高效筛选方案和方法设计和采用高效筛选方案和方法 通过诱变处理，在微生物群体中会出现种种突通过诱变处理，在微生物群体中会出现种种突变型个体，绝大多数是负变体，要在其中把极个变型个体，绝大多数是负变体，要在其中把极个别的产量提高较显著的正变体筛选到手，就要求别的产量提高较显著的正变体筛选到手，就要求采用效率较高的科学筛选方案和方法。采用效率较高的科学筛选方案和方法。筛选过程以分初筛与复筛两阶段进行为好。前者筛选过程以分初筛与复筛两阶段进行为好。前者以量以量( (选留菌株的数量选留菌株的数量) )为主，后者以质为主，后者以质( (测定数测定数

23、据的精确度据的精确度) )为主。为主。 凡把两个不同性状个体内的遗传基因凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子的重新组合后，转移到一起，经过遗传分子的重新组合后，形成新遗传型个体的方式，称为基因重组。形成新遗传型个体的方式，称为基因重组。重组可使生物体在未发生突变的情况下，也重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新遗传型的个体。能产生新遗传型的个体。 重组是分子水平上的一个概念，可以重组是分子水平上的一个概念，可以理解成是遗传物质分子水平上的杂交。理解成是遗传物质分子水平上的杂交。真核微生物中的有性杂交、准性杂交及原核真核微生物中的有性杂交、准性杂交及原核生物中的转化、

24、转导、接合和原生质体融合生物中的转化、转导、接合和原生质体融合等都是基因重组在细胞水平上的反映。等都是基因重组在细胞水平上的反映。基因重组是杂交育种的理论基础。由于杂交基因重组是杂交育种的理论基础。由于杂交育种是选用已知性状的供体和受体菌种作为育种是选用已知性状的供体和受体菌种作为亲本，因此不论在方向性还是自觉性方面，亲本，因此不论在方向性还是自觉性方面，都比诱变育种前进了一大步都比诱变育种前进了一大步。 通过供体菌和受体菌完整细胞间的直接通过供体菌和受体菌完整细胞间的直接接触而传递大段接触而传递大段dnadna的过程，称为接合的过程，称为接合( (有有时也称时也称 杂交杂交)。一、原核微生物

25、的基因重组一、原核微生物的基因重组是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒dna）从供体菌转移给受体菌。能通过结合方式转移的质粒称为接合性质粒，不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为非接合性质粒。 受体菌直接吸收了来自供体菌的受体菌直接吸收了来自供体菌的dna片段，通过交换，把它组合到自己的基片段，通过交换，把它组合到自己的基因组中，从而获得了供体菌的部分遗传因组中，从而获得了供体菌的部分遗传性状的现象，称转化。性状的现象，称转化。 通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的dnadna片段携带到受体细胞中，从而使后者获得了前者片段携带到受体细胞中，从而使后者

26、获得了前者部分遗传性状的现象，称为转导。部分遗传性状的现象，称为转导。 根据转导基因片段的范围，可将转导分为两根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类：类：普遍性转导普遍性转导（转导的（转导的dnadna可是供菌染色体上可是供菌染色体上的任何部分）、的任何部分）、局限性转导局限性转导（转导的（转导的dnadna只限供只限供菌染色体上的特定基因）。菌染色体上的特定基因）。 通过人为方法，使遗传性状不同的两通过人为方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体发生融合，并产生重组子细胞的原生质体发生融合，并产生重组子的过程，称为原生质体融合或细胞融合。的过程，称为原生质体融合或细胞融合。w 先准备两个有选择性遗传标记的突变株，在高渗先准备两个有选择性遗传标记的突