微生物的遗传变异与菌种选育

1、1第六章第六章 微生物的遗传变异与菌种选育微生物的遗传变异与菌种选育w 在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品的过程在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品的过程中，要想有效地大幅度提高产品的产量、质量和花色品中，要想有效地大幅度提高产品的产量、质量和花色品种种, ,首先必须选育优良的生产菌种，才能达到目的。而首先必须选育优良的生产菌种，才能达到目的。而优良菌种的选育是在微生物遗传变异的基础上进行的。优良菌种的选育是在微生物遗传变异的基础上进行的。遗传和变异是相互关联，同时又相互矛盾对立的两个方遗传和变异是相互关联，同时又相互矛盾对立的两个方面，在一定条件下，二者是相互转化的。认识和掌握微面，在

2、一定条件下，二者是相互转化的。认识和掌握微生物遗传变异的规律是搞好菌种选育和关键。生物遗传变异的规律是搞好菌种选育和关键。2本章主要内容本章主要内容3 w 证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验 w 肺炎双球菌的转化实验肺炎双球菌的转化实验w 噬菌体的感染实验噬菌体的感染实验w 烟草花叶病毒的拆开与重组实验烟草花叶病毒的拆开与重组实验 4 5w1952 年侯喜年侯喜(A. Hershey)和蔡斯和蔡斯(M. Chase)利利用示踪元素，对大肠杆菌用示踪元素，对大肠杆菌 T2 噬菌体进行了噬菌体进行了这类实验。这类实验。w先用含有先用含有 35S 和和 32P

3、两种元素的培养基培养两种元素的培养基培养大肠杆菌，然后让大肠杆菌，然后让 T2 噬菌体侵染培养后的噬菌体侵染培养后的大肠杆菌，从而使大肠杆菌，从而使 T2 噬菌体打上噬菌体打上 35S 和和 32P 的标记。的标记。 w让这种让这种 T2 噬菌体侵染不含标记元素的大肠噬菌体侵染不含标记元素的大肠杆菌，并在杆菌，并在 T2 噬菌体完成了吸附和侵入后，噬菌体完成了吸附和侵入后， w强烈搅拌强烈搅拌洗涤洗涤，以便使吸附在菌体外表的，以便使吸附在菌体外表的 T2 噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布，噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布，再进行离心沉淀，分别测定沉淀物和上清液再进行离心沉淀，分别测定沉淀物

4、和上清液中的同位素标记。中的同位素标记。w 结果发现，几乎全部结果发现，几乎全部 35S 都在上清液中，都在上清液中，而几乎全部而几乎全部 32P 和细菌一起出现在沉淀物中。和细菌一起出现在沉淀物中。 6烟草花叶病毒的拆开与重组实验烟草花叶病毒的拆开与重组实验 w1956 年，美国的法朗克年，美国的法朗克- -康勒特康勒特(Fraenkel- -Conrat)w将烟草花叶病毒拆成将烟草花叶病毒拆成RNA(因该病毒不含因该病毒不含DNA)和蛋白质，并分别对烟草进和蛋白质，并分别对烟草进行感染实验；行感染实验；w结果发现只有结果发现只有 RNA能感染烟草，并在感染后的寄主中分离到完整的具蛋能感染烟

5、草，并在感染后的寄主中分离到完整的具蛋白质外壳的烟草花叶病毒。白质外壳的烟草花叶病毒。w 后来他又将甲、乙两种变种的烟草花叶病毒拆开，在体外分别将甲病后来他又将甲、乙两种变种的烟草花叶病毒拆开，在体外分别将甲病毒的毒的 RNA和乙病毒的蛋白质结合，将乙病毒的和乙病毒的蛋白质结合，将乙病毒的RNA 和甲病毒的蛋白质和甲病毒的蛋白质结合进行重组。结合进行重组。w接着他把这些经过重组的病毒分别感染烟草。结果从寄主分离所得的病接着他把这些经过重组的病毒分别感染烟草。结果从寄主分离所得的病毒蛋白质均取决于相应病毒的毒蛋白质均取决于相应病毒的 RNA。证明了核酸证明了核酸(RNA)是烟草花叶病毒是烟草花叶

6、病毒的遗传物质基础。的遗传物质基础。7 （一）细胞水平（一）细胞水平w 从细胞水平来看，细胞核；除此之外，在细胞质中存在着一些能从细胞水平来看，细胞核；除此之外，在细胞质中存在着一些能自我复制的遗传物质，一般称这部分自我复制的遗传物质，一般称这部分DNA DNA 为质粒。为质粒。w （二）亚细胞核水平（二）亚细胞核水平w 真核微生物的细胞核有核膜包围，形成具有完整形态、在光学显微镜真核微生物的细胞核有核膜包围，形成具有完整形态、在光学显微镜下清晰可见的细胞核，核内下清晰可见的细胞核，核内DNA DNA 与组蛋白结合在一起构成染色体。与组蛋白结合在一起构成染色体。 （三）分子水平（三）分子水平w

7、 DNADNA（ RNA RNA）在在DNA DNA 大分子上存在着决定某些遗传性状的特定区大分子上存在着决定某些遗传性状的特定区段，即所谓基因段，即所谓基因一个基因含若干核苷酸碱基组成的三联密。一个基因含若干核苷酸碱基组成的三联密。w 四种核苷酸，按其排列组合方式的不同，可编出三联密码四种核苷酸，按其排列组合方式的不同，可编出三联密码 4 43 36464个，个，用于决定组成蛋白质的用于决定组成蛋白质的20 20 种氨基酸顺序。起始密码（种氨基酸顺序。起始密码（AUGAUG）和终止密和终止密码（码（UAAUAA、UGAUGA和和UAGUAG）。）。 8w 一、基因突变的类型一、基因突变的类型

8、w 基因突变的类型是多种多样的，按突变体表型不同，可分为以下基因突变的类型是多种多样的，按突变体表型不同，可分为以下几种类型：几种类型：w （1）形态突变型。形态突变型。w （2）条件致死突变型。条件致死突变型。w （3）营养缺陷突变型。营养缺陷突变型。w （4）抗性突变型。抗性突变型。w （5）抗原突变型。抗原突变型。w （6）其他突变型。）其他突变型。9 w w 双链DNA 单链DNA 10 11 。 1213w染色体畸变是指由诱变剂引起染色体畸变是指由诱变剂引起DNA 分子的大损伤，它包括染色体结构上的分子的大损伤，它包括染色体结构上的缺失、重复、易位及倒位等。缺失、重复、易位及倒位等。

9、w紫外线、紫外线、X 射线、射线、射线等射线及亚硝酸、烷化剂等均能引起染色体畸变，射线等射线及亚硝酸、烷化剂等均能引起染色体畸变，尤其是紫外线能引起尤其是紫外线能引起DNA 分子多处较大的损伤。分子多处较大的损伤。w紫外线主要通过在同链紫外线主要通过在同链DNA 相邻的嘧啶间或在互补双链间形成以共价键结相邻的嘧啶间或在互补双链间形成以共价键结合的胸腺嘧啶二聚体，合的胸腺嘧啶二聚体，w微生物能以多种方式去修复被紫外线损作后的微生物能以多种方式去修复被紫外线损作后的 DNA，主要方式有两种：主要方式有两种：w （1 1）光复活作用。）光复活作用。 w 由于微生物中一般都存在着光复合作用，因此，用紫

10、外线照射菌液时都由于微生物中一般都存在着光复合作用，因此，用紫外线照射菌液时都须在红光下进行操作处理微生物，而后在暗室或用黑布包起来培养。须在红光下进行操作处理微生物，而后在暗室或用黑布包起来培养。w （2 2） 暗修复作用。也称切除修复作用。暗修复作用。也称切除修复作用。w X 射线和射线和 射线为电离辐射，含有很高的能量，能产生电离作用，因射线为电离辐射，含有很高的能量，能产生电离作用，因而能直接或间接地改变而能直接或间接地改变DNA 结构。直接的效应是碱基的化学键，脱氧核糖结构。直接的效应是碱基的化学键，脱氧核糖的化学键和糖的化学键和糖酸相连接的化学键断裂；酸相连接的化学键断裂； 14w

11、 15 受体菌直接吸收来自供体菌的受体菌直接吸收来自供体菌的DNA 片段，通过交换片段，通过交换组合把它整合到自己的基因组中，从而获得了供体菌组合把它整合到自己的基因组中，从而获得了供体菌的部分遗传性状的现象，称为转化。转化后的受体菌，的部分遗传性状的现象，称为转化。转化后的受体菌，称为转化子。供体菌的称为转化子。供体菌的DNA 片段称为转化因子。片段称为转化因子。w 只有处于感受态的细菌才能接受转化因子，进行只有处于感受态的细菌才能接受转化因子，进行转化作用。转化作用。 w转化过程大致是这样的：转化过程大致是这样的：w 从供体菌提取出转化因子双链从供体菌提取出转化因子双链DNA片段；片段；w

12、 双链双链DNA 片段与感受态受体菌的细胞表面特片段与感受态受体菌的细胞表面特定位点结合；定位点结合；w 在结合位点上，双链在结合位点上，双链DNA 中的一条单链逐步中的一条单链逐步降解，同时另一条链逐步进入受体细胞。降解，同时另一条链逐步进入受体细胞。w 进入受体细胞的进入受体细胞的DNA 单链与受体菌染色体组单链与受体菌染色体组上同源区段配对，而受体菌染色体组的相应单链上同源区段配对，而受体菌染色体组的相应单链片段被切除，并被进入受体细胞的片段被切除，并被进入受体细胞的DNA 单链所取单链所取代，于是形成了杂种代，于是形成了杂种DNA 区段；区段；w 受体菌染色体进行复制，其中杂种区段被分

13、受体菌染色体进行复制，其中杂种区段被分离成两个，一个恢复，一个形成一个转化子。离成两个，一个恢复，一个形成一个转化子。 16w 1普遍性转导普遍性转导 由缺陷型噬菌体误包（而非整合）供体由缺陷型噬菌体误包（而非整合）供体细菌细菌DNA 中的任何一部分片段（包括核外遗传物质在内）中的任何一部分片段（包括核外遗传物质在内）后，当它再次感染受体细菌时，使后者获得了这部分遗传后，当它再次感染受体细菌时，使后者获得了这部分遗传性状的现象，称为普遍性转导。它的转导频率为性状的现象，称为普遍性转导。它的转导频率为 105108。 2局限性转导局限性转导 由温和噬菌体侵染而形成的某一溶源细由温和噬菌体侵染而形

14、成的某一溶源细菌群被诱导裂解时，其中极少数个体的菌群被诱导裂解时，其中极少数个体的DNA 可能与噬菌可能与噬菌体体DNA 发生若干特定基因的交换，从而被整合到噬菌体发生若干特定基因的交换，从而被整合到噬菌体的基因组上，当该噬菌体再次感染受体细菌时，就使受体的基因组上，当该噬菌体再次感染受体细菌时，就使受体细菌获得了这一特定遗传性状的现象，称为局限性转导，细菌获得了这一特定遗传性状的现象，称为局限性转导，它的转导频率为它的转导频率为 10-6。17w 通过供体细菌和受体细菌完整细胞间的直接接触而传递大段通过供体细菌和受体细菌完整细胞间的直接接触而传递大段DNA 的的过程，称为接合（有时也称杂交）

15、。过程，称为接合（有时也称杂交）。 w 在细菌中，接合现象研究最清楚的是大肠杆菌。发现能够进行在细菌中，接合现象研究最清楚的是大肠杆菌。发现能够进行接合现象的大肠杆菌有雄性与雌性之分，而决定它们性别的是由是接合现象的大肠杆菌有雄性与雌性之分，而决定它们性别的是由是否存在否存在 F 因子所决定。因子所决定。w F 因子又称致育因子，是一种质粒，分子量为因子又称致育因子，是一种质粒，分子量为 5107 道尔顿道尔顿；w 雌性细菌不含雌性细菌不含F 因子，称为因子，称为F - - 菌株菌株，w 雄性细菌含有游离存在的雄性细菌含有游离存在的F 因子，称为因子，称为F + + 菌株菌株，w 当当雄性细菌

16、细胞中所含的雄性细菌细胞中所含的F 因子被整合在细胞核的因子被整合在细胞核的DNA 上，不上，不呈游离状态存在称为呈游离状态存在称为Hfr 菌株菌株（高频重组菌株高频重组菌株）；w 有有时时被整合在细胞核被整合在细胞核DNA 上上的的F 因子，从因子，从DNADNA上面脱落下来，呈上面脱落下来，呈游离存在，但在脱落时，游离存在，但在脱落时，F 因子有时能带一小段细胞核因子有时能带一小段细胞核 DNA。我们我们将这种含有游离存在的但又带有一小段细胞核将这种含有游离存在的但又带有一小段细胞核DNA 的的F 因子的细菌因子的细菌称为称为 F菌株菌株。 18（四）溶源性转变（四）溶源性转变19 w 2

17、0w 21 22一、从自然界中分离筛选菌种的方法步骤一、从自然界中分离筛选菌种的方法步骤 方法、地点、时间和周围环境记录方法、地点、时间和周围环境记录纯种分离的原则就是使培养物获得单个菌落：纯种分离的原则就是使培养物获得单个菌落：1稀释分离法稀释分离法 2平板划线分离法平板划线分离法 涂菌涂菌： 划线分离划线分离：分步划线法分步划线法；一次划线法：一次划线法： 3组织分离法组织分离法 23出发菌株出发菌株同步培养同步培养 使菌细胞处于相同或接近的生理状态使菌细胞处于相同或接近的生理状态单细胞（或单孢子）菌悬液的制备单细胞（或单孢子）菌悬液的制备 单细胞或单孢子的意义单细胞或单孢子的意义 酵母或

18、霉菌孢子酵母或霉菌孢子10106 6 / /ml ml 、细菌、细菌10108 8 / /ml ml 诱变剂的选择及其剂量的确定诱变剂的选择及其剂量的确定 以致死率为以致死率为9099 为宜为宜诱变处理诱变处理 物理诱变剂物理诱变剂 化学诱变剂化学诱变剂24 252营养缺陷型菌株筛选的一般方法营养缺陷型菌株筛选的一般方法 26 27 20种氨基酸的排列编组种氨基酸的排列编组28 w 29w 1提取目的基因 用密度梯度离心方法分别从供体细胞中提取所需要的DNA即目的基因和作为载体的细菌质粒或噬菌体核酸，目的基因也可通过化学方法人工合成。w 2处理目的基因 根据基因工程的“设计蓝图”的要求，在从供体细胞中提取出的目的基因中加入专一性很强的限制性核酸内切酶进行处理，从而获得带有特定基因并暴露出粘性末端的DNA单链部分。必