菌种保藏技术-菌种遗传与变异

基因重组的概念：来自两个不同细胞的基因（DNA）所发生的转移和结合称为基因重组。基因的转移和重组大大增加了生物的遗传多样性。在微生物中，基因的传递可以使病毒将遗传信息传给细菌，使细菌致病性得以提高以及细菌产生抗生素抗性等。另一方面人为的控制微生物的基因转移和重组的研究成果有助于解决农业、工业、医学问题以及预防和治疗传染病的难题。本项目将介绍微生物基因转移和重组的四种现象和机制。转化受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段，通过交换将其整合到自己的基因组中，从而获得了供体菌部分遗传性状的现象称为转化。通过转化方式而形成的杂种后代，称为转化子。转化因子指有转化活性的外源DNA片段，它是供体菌释放或人工提取的游离DNA片段。图6.5转化过程示意图

接合

接合是通过供体菌和受体菌的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程。

细菌的接合现象在大肠杆菌中研究的最清楚。大肠杆菌有性别分化，决定它们性别的因子称为F因子。F因子是一种质粒，在大肠杆菌中每个细胞含有约1～4个F因子。F因子既可脱离染色体在细胞内独立存在，也可整合到染色体组上；它既可经过接合作用而获得，也可通过一些理化因素(如吖啶橙、丝裂霉素、利福平、溴化乙锭和加热等)的处理而从细胞中消除。含有F因子的大肠杆菌称为F＋菌株，不含有F因子的大肠杆菌称为F－菌株。

F＋菌株可以与不含F因子的F－菌株接合，从而使后者也成为F＋菌株。其过程大体可分两个阶段：首先是F＋菌株与F－菌株配对，并通过性菌毛接合；然后F因子双链DNA的一条单链在一特定的位置断开，通过性菌毛内腔向F－菌株细胞内转移，并同时在两个菌株细胞内以一条DNA单链为模板，各自复制合成完整的F因子。F＋和F－接合示意图转导通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的小片段DNA携带到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。由转导作用而获得部分新遗传性状的重组细胞，称为转导子。转导现象是由J.Lederberg等(1952年)首先在鼠伤寒沙门氏菌中发现的。以后在许多原核微生物中都陆续发现了转导，如大肠杆菌属，芽孢杆菌属，变形杆菌属，假单胞菌属，志贺氏菌属和葡萄球菌属等。转导现象在自然界中比较普通，它在低等生物进化过程中很可能是一种产生新基因组合的重要方式。一、普遍转导

通过极少数完全缺陷噬菌体对供体菌基因组上任何小片段DNA进行“误包”，而将其遗传性状传递给受体菌的现象，称为普遍转导。噬菌体侵入寄主细胞后，通过复制和合成，亦将寄主DNA降解为许多小片段，进入装配阶段。正常情况下，噬菌体将自身的DNA包裹在衣壳中，但也有异常的可能。它误将寄主细胞DNA的某一片段包裹进去。这样的噬菌体称缺陷噬菌体。体内仅含有供体DNA的缺陷噬菌体称完全缺陷噬菌体。体内同时含有供体DNA和噬菌体DNA的缺陷噬菌体称为部分缺陷噬菌体。这种异常情况出现的概率很低（10-5～10-8)。由于噬菌体产生子代数量很多，所以这种异常情况的出现还是很多的。当包裹有寄主DNA片段的噬菌体释放后，再度感染新的寄主，其中的供体菌的DNA片段进入受体菌，并通过基因重组使受体菌形成稳定的转导子。二、局限转导

局限性转导指通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并与后者的基因组整合、重组，形成转导子的现象。最初于1954年在大肠杆菌K12中发现。它只能转导一种或少数几种基因（一般为位于附着点两侧的基因）。原生质体融合

通过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程，称为原生质体融合。由此法获得的重组子，称为融合子。原核生物原生质体融合研究是从20世纪70年代后期才发展起来的一种较有效的遗传物质转移手段。

原生质体融合的主要操作步骤是：先选择两株有特殊价值，并带有选择性遗传标记的细胞作为亲本菌株置于等渗溶液中，用适当的脱壁酶（如细菌和放线菌可用溶菌酶等处理，真菌可用蜗牛消化酶或其他相应酶处理）去除细胞壁，再将形成的原生质体（包括球状体）进行离心聚集，加入促融合剂PEG(聚乙二醇)或借电脉冲等因素促进融合，然后用等渗溶液稀释，再涂在能促使它再生细胞壁和进行细胞分裂的基本培养基平板上。待形成菌落后，再通过影印平板法，把它接种到各种选择性培养基平板上，检验它们是否为稳定的融合子，最后再测定其有关生物学性状或生产性能。参见图6.8、6.9。图6.9原生质体融合显微观察谢谢基因突变的概念基因突变是指遗传物质的分子结构或数量发生的可遗传的变化。侠义的突变专指点突变，所谓点突变是指一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换，而导致的遗传变化。广义的突变包括点突变和染色体畸变，染色体畸变是指大段染色体的缺失、重复、倒位、易位。在微生物中，点突变是最常见、最易发生的一种突变现象。从自然界分离到的菌株一般称野生型菌株，或称野生型。野生型经突变后形成的带有新性状的菌株，称突变株。基因突变的类型1.营养缺陷型某一野生型菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法在基本培养基（MM）上正常生长繁殖的变异类型，称为营养缺陷型。它们可在加有相应营养物质的基本培养基平板上选出。它的基因型常用所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示，例如hisC、tryA分表代表组氨酸缺陷型和色氨酸缺陷型，其中的大写字母C和A表示同一表型中不同基因的突变。相应的表型则用HisC和TrgA表示。常用hisC-和hisC+分别表示缺陷型和野生型。营养缺陷型突变株在遗传学、分子生物学、遗传工程和育种等工作中十分有用。2.抗性突变型抗性突变型是指野生型菌株因发生基因突变，而产生的对某化学药物或致死物理因子的抗性变异类型，它们可在加有相应药物或用相应物理因子处理的培养基平板上选出。抗性突变型普遍存在，例如对一些抗生素具抗药性的菌株等。这类突变类型常用所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示，如：strr和strs分别表示对链霉素的抗性和敏感性。在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长，所以抗性突变型菌株在遗传学、分子生物学、遗传育种和遗传工程等研究中极其重要。

基因突变类型3.条件致死突变型某菌株或病毒经基因突变后，在原本可以生长、繁殖的条件下却无法生长、繁殖，这种突变类型称为条件致死突变型。其中最常用的是温度敏感条件致死突变株，用ts（temperature-sensitive)表示，这类突变株在特定温度（28～35℃）下能够增殖，在非特定温度（37～40℃）下则不能生长、繁殖，而野生型在两种温度均能增殖。显然是由于在非特定温度下，突变基因所编码的蛋白缺乏其应有功能。选育病毒ts株是制备疫苗的重要方法，现已从许多动物病毒中分离出ts株，选择遗传稳定性良好的品系用于制备减毒活疫苗，如流感病毒及脊髓灰质炎病毒ts株疫苗。另外还通过条件致死突变株来研究那些生长繁殖所必须的基因。4.形态突变型形态突变型是指由突变引起的个体或菌落形态的变异。例如，细菌的鞭毛或荚膜的有无，霉菌或放线菌的孢子有无或颜色变化，菌落表面的光滑、粗糙以及噬菌斑的大小、清晰度等的突变。5.抗原突变型抗原突变型是指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异类型，包括细胞壁缺陷变异（L型细菌等）、荚膜或鞭毛成分变异等。6.其它突变型如毒力、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等的突变型。基因突变的机制:基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的。一、自发突变

自发突变是指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。随诱变机制的研究，对自发突变的原因已有所认识，下面讨论几种自发突变的可能机制。1、背景辐射和环境因素的诱变

不少“自发突变”实质上是由一些原因不详的低剂量诱变因素长期的综合效应导致。例如充满宇宙空间的各种短波辐射、高温的诱变效应以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质的作用等。2、微生物自身有害代谢产物的诱变

过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物，它对脉孢菌具有诱变作用。这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低，如果同时再加入过氧化氢酶抑制剂，则又可提高突变率。这就说明，过氧化氢可能是自发突变中的一种内源诱变剂。在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，可能也是同样的原因。

3、由DNA复制过程中碱基配对错误引起

据统计，DNA链每次复制中，每个碱基对错误配对的频率是10-7～10-11，而一个基因平均约含1000bp，故自发突变频率约为10-6。因此，若对细菌做一般液体培养时，因其细胞浓度常可达到108个/ml，故经常会在其中产生自发突变株。基因突变的规律1、不对应性

即突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。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，出现了抗紫外线的突变体；在较高的培养温度下，出现了耐高温的突变体等。从表面上看，会认为正是由于青霉素、紫外线或高温的“诱变”，才产生了相对应的突变性状。事实恰恰相反，这类性状都可通过自发的或其他任何诱变因子诱发得到。这里的青霉素、紫外线或高温仅是起着淘汰原有非突变型(敏感型)个体的作用。

2、自发性

由于自然界环境因素的影响和微生物内在的生理生化特点，在没有人为诱发因素的情况下，各种遗传性状的改变可以自发地产生。3、稀有性

指自发突变的频率较低，而且稳定，一般在10-6～10-9

间。4、独立性

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，也可发生抗链霉素或任何其他药物的抗药性。某一基因的突变，即不提高也不降低其他任何基因的突变率。突变不仅对某一细胞是随机的，且对某一基因也是随机的。5、可诱变性

通过各种物理、化学诱变剂的作用，可提高突变率，一般可提高10～105倍。6、稳定性

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和可遗传的。7、可逆性

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，相反的过程则称为回复突变。实验证明，任何性状既有可能正向突变，也有可能发生回复突变，两者发生的频率基本相同。谢谢一、菌种的衰退（一）菌种衰退的现象

菌种衰退（degeneration）是指由于自发突变的结果，而使某物种原有的一系列生物学性状发生量变或质变的现象。菌种衰退的具体表现有以下几个方面。

1.菌落和细胞形态改变每一种微生物在一定的培养条件下都有一定的形态特征，如果典型的形态特征逐渐减少，就表现为衰退。例如，泾阳链霉菌“5406”的菌落原来为凸形变成了扇形、帽形或小山形；孢子丝由原来螺旋形变成波曲形或直形，孢子从椭圆形变成圆柱形等。2.生长速度缓慢，产孢子越来越少

例如，“5406”的菌苔变薄，生长缓慢（半个月以上才长出菌落），不产生丰富的橘红色的孢子层，有时甚至只长些黄绿色的基内菌丝。

3.代谢产物生产能力的下降，即出现负突变

例如，黑曲霉糖化力、放线菌抗生素发酵单位的下降以及各种发酵代谢产物量的减少等，在生产上是十分不利的。

4.致病菌对宿主侵染能力下降

例如白僵菌对宿主致病能力的降低等。

5.对外界不良条件（包括低温、高温或噬菌体侵染等）抵抗能力的下降等

例如抗噬菌体菌株变为敏感菌株等。（二）菌种衰退的原因

菌种衰退不是突然发生的，而是从量变到质变的逐步演变过程。开始时，在群体细胞中仅有个别细胞发生自发突变（一般均为负变），不会使群体菌株性能发生改变。经过连续传代，群体中的负变个体达到一定数量，发展成为优势群体，从而使整个群体表现为严重的衰退。经分析发现，导致这一现象的原因有以下几方面。

1.基因突变菌种衰退的主要原因是有关基因的负突变。如果控制产量的基因发生负突变，则表现为产量下降；如果控制孢子生成的基因发生负突变，则产生孢子的能力下降。菌种在移种传代过程中会发生自发突变。虽然自发突变的频率很低（一般为10-6～10-9），尤其是对于某一特定基因来说，突变频率更低。但是由于微生物具有极高的代谢繁殖能力，随着传代次数增加，衰退细胞的数目就会不断增加，在数量上逐渐占优势，最终成为一株衰退了的菌株。表型延迟现象也会造成菌种衰退。例如在诱变育种过程中，经常会发现某菌株初筛时产量较高，进行复筛时产量却下降了。质粒脱落导致菌种衰退的情况在抗生素生产中较多，不少抗生素的合成是受质粒控制的。当菌株细胞由于自发突变或外界条件影响（如高温），致使控制产量的质粒脱落或者核内DNA和质粒复制不一致，即DNA复制速度超过质粒，经多次传代后，某些细胞中就不具有对产量起决定作用的质粒，这类细胞数量不断提高达到优势，则菌种表现为衰退。2.连续传代连续传代是加速菌种衰退的一个重要原因。一方面，传代次数越多，发生自发突变（尤其是负突变）的概率越高；另一方面，传代次数越多，群体中个别的衰退型细胞数量增加并占据优势越快，致使群体表型出现衰退。3.不适宜的培养和保藏条件不适宜的培养和保藏条件是加速菌种衰退的另一个重要原因。不良的培养条件如营养成分、温度、湿度、pH、通气量等和保藏条件如营养、含水量、温度、氧气等，不仅会诱发衰退型细胞的出现，还会促进衰退细胞迅速繁殖，在数量上大大超过正常细胞，造成菌种衰退。（三）菌种衰退的防止根据菌种衰退原因的分析,可以制定出一些防治衰退的措施，主要从以下几方面考虑。1.控制传代次数意即尽量避免不必要的移种和传代，将必要的传代降低到最低限度，以减少自发突变的发生率。一套良好的菌种保藏方法可大大减少不必要的移种和传代次数。2.创造良好的培养条件创造一个适合原种的良好培养条件，可以防止菌种衰退。如培养营养缺陷型菌株时应保证适当的营养成分，尤其是生长因子；培养一些抗性菌时应添加一定浓度的药物于培养基中,使回复的敏感型菌株的生长受到抑制，而生产菌能正常生长；控制好碳源、氮源等培养基成分和pH、温度等培养条件，使之有利于正常菌株生长，限制退化菌株的数量，防止衰退。例如，利用菟丝子的种子汁培养“鲁保一号”真菌可防止其退化；在赤霉素生产菌藤仓赤霉的培养基中，加入糖蜜、天冬酰胺，谷氨酰胺、5-核苷酸或甘露醇等丰富营养物时，也有防止菌种衰退的效果；此外，将培养栖土曲霉（Aspergillusterricola）3.942的温度从28℃～30℃提高到33℃～34℃，可防止其产孢子能力的衰退。3.利用不易衰退的细胞移种传代在放线菌和霉菌中，由于它们的菌丝细胞常含几个细胞核，甚至是异核体，因此用菌丝接种就会出现不纯和衰退，而孢子一般是单核的，用它接种时，就不会发生这种现象。在实践中，若用灭过菌的棉团轻巧地对放线菌进行斜面移种，由于避免了菌丝的接入，因而达到了防止衰退的效果；另外，有些霉菌（如构巢曲霉）若用其分生孢子传代就易衰退，而改用子囊孢子移种则能避免衰退。（三）菌种衰退的防止4.采用有效的菌种保藏方法有效的菌种保藏方法是防止菌种衰退的极其必要的措施。在实践中，应当有针对性的选择菌种保藏的方法。例如，啤酒酿造中常用的酿酒酵母，保持其优良发酵性能最有效的保藏方法是-70℃低温保藏，其次是4℃低温保藏，若采用对于绝大多数微生物保藏效果很好的冷冻干燥保藏法和液氮保藏法，其效果并不理想。一般斜面冰箱保藏法只适用于短期保藏，而需要长期保藏的菌种，应当采用砂土管保藏法、冷冻干燥保藏法及液氮保藏法等方法。对于比较重要的菌种，尽可能采用多种保藏方法。工业生产用菌种的主要性状都属于数量性状，而这类性状恰是最易衰退的。即使在较好的保藏条件下，还是存在这种情况。例如链霉素产生菌——灰色链霉菌的菌种保藏即使是用冷冻干燥保藏法等现今较好的方法，还是会出现这类情况。由此说明有必要研究和采用更有效的保藏方法以防止菌种的衰退。5.讲究菌种选育技术在菌种选育时，应尽量使用单核细胞或孢子，并采用较高剂量使单链突变而使另一单链丧失作为模板的能力，避免表型延迟现象。同时，在诱变处理后应进行充分的后培养及分离纯化，以保证菌种的纯度。6.定期进行分离纯化定期进行分离纯化，对相应指标进行检查，也是有效防止菌种衰退的方法。此方法将在菌种复壮部分介绍。二、菌种的复壮（一）复壮概念

从菌种衰退的本质可以看出，通常在已衰退的菌种中存在有一定数量尚未衰退的个体。狭义的复