学习情景四认识微生物的遗传与变异生物应用技术

微生物应用技术学习情景四

认识微生物的遗传与变异、生物应用技术主要内容说课内容任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变

任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变

12学习情景四认识微生物的遗传与变异、生物应用技术

（1）认识遗传变异的物质基础和基因突变的概念以及类型。（2）了解基因重组技术以及基因工程技术。【学习内容】学习情景四认识微生物的遗传与变异、生物应用技术

理解遗传变异的物质基础和基因突变的类型。了解基因工程的操作步骤与应用。【知识目标】学习情景四认识微生物的遗传与变异、生物应用技术

【技能目标】能认识诱变育种、基因重组技术以及基因工程技术，能应用其在生产实践中指导生产。任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变

学习情景四认识微生物的遗传与变异、生物应用技术

遗传必需有物质基础，也即遗传信息必须由某些物质作为携带和传递的载体。任务提出任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变

通过理论知识学习，了解微生物遗传的物质--DNA和RNA，了解微生物的遗传物质较其它生物的遗传物质具有多样性，不仅存在于其细胞染色体，而且在真核微生物中的细胞器中，染色体外的质粒，RNA病毒的RNA核酸都有遗传信息物质存在。任务分析任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变遗传：指上一代生物将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代，产生与自己相似后代的现象。任务实施的相关专业知识任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变变异：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，使亲代与子代之间，或子代各个体之间，在形态结构或生理机能方面存在差异的现象。

微生物的遗传

稳定的，变异

普遍的；遗传

相对的，变异

绝对的。●一、遗传变异的物质基础（一）遗传物质必须具备的三种基本功能（二）DNA分子的组成（三）DNA分子的双螺旋结构（四）DNA的半保留复制（五）遗传因子基因●二、微生物的变异（一）基因突变

(二）染色体畸变（三）基因重组（四）微生物遗传变异的应用任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变二、遗传变异的物质基础（一）遗传物质必须具备的三种基本功能★（1）复制功能★（2）表达功能★（3）变异功能任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变二、遗传变异的物质基础(二）DNA分子的组成★

DNA分子的组成单位是脱氧核苷酸。★

每个脱氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子含氮碱基构成。脱氧核糖磷酸碱基任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变二、遗传变异的物质基础(二）DNA分子的组成★

碱基有:腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）AGCT脱氧核糖磷酸碱基A一T★

G一C任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变二、遗传变异的物质基础(三）DNA分子的双螺旋结构任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变二、遗传变异的物质基础(三）DNA分子的双螺旋结构★脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接成脱氧核苷酸长链，两条脱氧核苷酸长链按一定顺序排列成双螺旋立体结构。任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变二、遗传变异的物质基础(三）DNA分子的双螺旋结构●

双螺旋结构的碱基配对原则：ATGCATGC任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变二、遗传变异的物质基础(四）DNA的半保留复制★DNA的双螺旋拆分★DNA单链为模板；★按碱基互补配对原则；★DNA聚合酶催化；★形成完全互补的新链●DNA的半保留复制的要点任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变二、遗传变异的物质基础(四）DNA的半保留复制●DNA的半保留复制的结果是：新DNA分子中的两条链，一条来自亲代DNA分子，另一条是新合成的●

DNA独特的半保留式的自我复制，确保了DNA复制的精确，并保证一切生物遗传性的相对稳定。任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变二、遗传变异的物质基础(五）遗传因子

基因：DNA分子上具有特定核苷酸顺序的片断，是一切生物体内贮存遗传信息、具有自我复制能力的遗传功能单位。

细胞染色体DNA蛋白質基因任务1认识遗传变异的物质基础和基因突变基因相对分子质量：6×105，约有103个碱基对。每个细菌约具有5×103~104个基因

基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。功能：基因的精确复制保证了遗传信息的代代相传，遗传性状的表现都是在基因控制下个体发育的结果。三、微生物的变异

●微生物个体微小，结构简单，繁殖迅速，比表面积大，易受外界环境的影响，所以，微生物比高等生物更容易发生变异。二、微生物的变异（四）微生物遗传变异的应用（一）基因突变（二）染色体畸变缺失、重复、倒位、易位（三）基因重组转化、转导、杂交1、诱变育种2、定向培育3、基因工程内容提要三、微生物的变异（一）基因突变●基因突变：指微生物的DNA由于某种原因发生了碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序，从而引起后代表现型的改变。二、微生物的变异（一）基因突变●自发性●稀有性：自发率为10-6~10-9。●不对称性：突变性状与引起原因之间无对应关系。●独立性：不受其他任何基因突变率的影响。●诱变性：诱变剂可使诱变率提高10~105倍。●稳定性：新的变异性状是稳定的、是可以遗传的。●可逆性：野生型菌株既可变异为突变性菌株的正向突变，又可发生反方向的回复突变。1．基因突变特点二、微生物的变异（一）基因突变●按突变的条件和原因可分为自发突变和诱发突变。

自发突变★指某种微生物在自然条件下发生的基因突变。

★自发突变率极低。如：细菌一万到百万亿次裂殖中才出现一个个别基因的突变体。

★自发突变原因是不详的低剂量诱变剂长期作用的综合效应或互变异构效应等。如：宇宙间存在的各种短波辐射等。2．基因突变的类型二、微生物的变异（一）基因突变诱发突变★指利用物理或化学因素处理微生物群体，引起少数个体细胞的遗传性状发生突变。★诱发突变，一般比自发突变频率提高10~104倍。

★诱变因素主要包括物理因素和化学因素。主要物理诱变剂有：紫外辐射、X-射线、β-射线、γ-射线、快中子、激光和热等。▲碱基类似物，如：8-氨鸟嘌呤（8-NG）等▲与碱基反应的诱变剂，如：亚硝酸、烷化剂等▲移码诱变剂，如：吖啶类化合物等2．基因突变的类型二、微生物的变异（一）基因突变●从筛选菌株的实用目的出发，按突变后极少数突变株的表型能否在选择性培养基上迅速地选出和鉴别，分为选择性突变和非选择性突变。

★选择性突变株：凡能用选择性培养基（或其他选择性培养条件）快速选择出来的突变株。类型：营养缺陷型、抗性突变型、条件致死突变型★非选择性突变型：凡不能用选择性培养基（或其他选择性培养条件）快速选择出来的突变株。类型：包括形态突变型、抗原突变型和产量突变型2．基因突变的类型二、微生物的变异（一）基因突变●营养缺陷型：指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，而不能在基础培养基上正常生长繁殖的变异类型。可在加有特定生长因子的基础培养基平板上分离筛选。★抗性突变型：指野生菌株因基因突变而对某化学药物或致死物理因子产生抗性的变异类型。可在加有相应药物或相应物理因子的培养基平板上分离筛选。2．基因突变的类型★条件致死突变型：指某菌株或病毒在某种条件下可正常生长、繁殖并正常表现，但由于发生基因突变，在另一条件下却不能生长、繁殖的变异类型。二、微生物的变异（一）基因突变●形态突变型：指由突变引起的个体或菌落形态的变异类型。如细菌鞭毛或荚膜有无，菌落表面光滑或粗糙、清晰或模糊等。

★抗原突变型：指由基因突变而引起的细胞抗原结构发生的变异类型。如细胞壁缺陷变异、荚膜或鞭毛成分变异等。

★产量突变型：指由基因突变而导致有用代谢产物的产量明显有别于原始菌株的变异类型。若产量显著高于原始菌株，称正变株，产量降低则称负变株。

2．基因突变的类型二、微生物的变异（二）染色体畸变●染色体畸变是指染色体在结构上有较大范围变化的变异。既包括染色体结构上的缺失、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化。二、微生物的变异（三）基因重排●两个独立基因组内的遗传基因，通过一定的途径转移到一起，使基因重新组合，形成新的稳定基因组的过程，称为基因重组。基因重组可通过转化、转导、杂交等手段实现。二、微生物的变异（三）基因重排●转化：受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段，并把它整合到自己的基因组里，从而获得供体菌部分遗传性状的现象。转化子：通过转化形成的杂种后代。●转导：通过缺陷噬菌体的媒介作用，把供体菌的DNA片段携带至受体菌细胞中，通过交换和整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象。转导子：由转导作用而获得部分新性状的重组细胞。杂交：通过双亲细胞的融合，使整套染色体的基因重组，或是通过双亲细胞的沟通，使部分染色体重组的现象。

任务2微生物遗传变异的应用技术

学习情景四认识微生物的遗传与变异、生物应用技术微生物个体微小，结构简单，繁殖迅速，比表面积大，易受外界环境的影响，因此人们就可以及时抓住这类良机来选育优良的生产菌种。

任务提出任务2微生物遗传变异的应用技术

通过理论知识学习，了解微生物遗传变异的途径，掌握遗传变异的应用技术。任务分析任务2微生物遗传变异的应用技术

●自发突变与育种●诱变育种●基因工程任务2微生物遗传变异的应用技术

任务实施的相关专业知识一、自发突变与育种★从生产中选育：微生物会以一定频率发生自发突变，抓住良机来选育优良的生产菌种。污染噬菌体的发酵液

抗噬菌体的再生菌；酒精工业中：分生孢子为白色的糖化菌“上酒白种”，宇佐美曲霉3578自发突变，糖化率比原菌株强，培养条件也比耗菌株粗放。

任务2微生物遗传变异的应用技术

★定向培育优良菌种是指适当控制微生物的生活环境条件，用物理因素和化学试剂来诱导微生物向着人们需要的方向变异的过程。★在工业废水生物处理中，它是一条非常有效的途径。

★如：在满足营养物质、水温、pH值等条件下，对加入酚、氰等污染物的生活污水处理厂的活性污泥进行长时间的定向培育（又称驯化）。任务2微生物遗传变异的应用技术

一、自发突变与育种★诱变育种是指利用物理或化学诱变剂处理微生物，使之发生突变，然后采用合理的方法，把符合育种目的的优良突变株筛选出来的过程。★诱变育种的优点：简便易行，工作进程快、结果既可以提高产量、改进质量，又可以增加品种、简化工艺等。★目前使用最广泛的一种育种手段。★如：三十年来，青霉素发酵单位持续大幅度增长，由2单位/毫升提高到7万单位/毫升。二、诱变育种任务2微生物遗传变异的应用技术

操作环节很多，因工作目的、育种对象和操作者的安排而有所差异。最基本环节却是雷同的

1.诱变育种的基本环节

二、诱变育种任务2微生物遗传变异的应用技术

选种方式有两种

从自然界和生产中进行。1.从自然界中选种步骤：采样

增殖培养

纯种分离

测定生产性能

二、诱变育种任务2微生物遗传变异的应用技术

(1)采样根据微生物的生态特点从自然界取样分离所需菌种过程。采样地点的选择要求：富含预筛选菌种枯枝、落叶和朽木

富含产纤维素酶的菌种果皮上、果树下土壤富含酵母菌海洋富含耐盐和低温菌土壤微生物大本营，富含细菌和放线菌。

采样方法:

选好地点后用无菌取样工具取样后装入预先消毒过的密封容器内（牛皮袋、塑料袋、磨口瓶），密封保存，做好标记（采样地点、时间、环境情况等）二、诱变育种任务2微生物遗传变异的应用技术

(2)增殖培养

给菌种提供一些有利于所需菌株生长或不利于其他菌株生长的条件以促使所需菌株大量繁殖，从而有利于分离它们。增殖培养次数根据样品中所含需要菌种的多少定。控制因素两个：养分和培养条件养分：碳源糖、淀粉、纤维素或石油培养条件：PH、温度二、诱变育种任务2微生物遗传变异的应用技术

(3)纯种分离

从含有混杂各种微生物的样品中，分出我们所需要的菌种。方法:划线、稀释分离、单孢直接挑取法和菌丝尖端切割法。同时选择和控制培养条件:控制营养成分、控制培养基酸碱度、控制培养温度、添加抑制剂、热处理、通气条件的控制二、诱变育种任务2微生物遗传变异的应用技术

(4)生产性能测定方法：初筛和复筛①初筛:在培养皿内将菌种进行比较粗放的测定，测出某些菌株有无所需要的性能，不能精确测出含量及性能的大小。②复筛：将初筛选出的菌株精确地测出其发酵性能。方法：液体摇瓶培养法、固体培养法、小型台式发酵罐法。

二、诱变育种任务2微生物遗传变异的应用技术

2.从生产中选种

在生产过程中，经常注意那些菌体形态或菌落性状以及某些生理性能上自然发生变异的微生物，将它们挑选出来，进行比较试验，有时可以选出更加理想的菌种。

二、诱变育种任务2微生物遗传变异的应用技术

二、诱变育种2.诱变育种工作中的几个原则★选择简便有效的诱变剂

★挑选优良的出发菌株

★处理单孢子(或单细胞)液

★选用最适剂量

★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

★设计和采用高效筛选方案和方法

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3.营养缺陷型的筛选

二、诱变育种营养缺陷型：指通过诱变而产生的，在一些营养物质（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基中加入相诮的有机营养成分才能正常生长的变异菌株。野生型：变异前的原始菌株任务2微生物遗传变异的应用技术

☆基本培养基：表示方式：“［-］”，凡能满足某一菌种的野生型或原养型*菌株营养要求的最低成分的合成培养基。

☆完全培养基：表示方式：“［+］”在基本培养基中加入一些富含氨基酸、维生至少和碱基之类的天然物质，以满足该微生物的各种营养缺陷型都能生长的培养基

☆补充培养基：表示方式："［A］"、"［B］"，本培养基上只是有针对性地加上某一种或几种其自身不能合成的营养成分，以满足相应的营养缺陷型生长的培养基。

二、诱变育种

3.营养缺陷型的筛选

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营养缺陷型菌株的用途：※研究代谢途径和杂交、转化、转导和原生质体融合等遗传规律所必不可少的标记菌种※氨基酸、维生素或碱基等物质生物测定的试验菌种；※用作发酵生产核苷酸、氨基酸等代谢产物的生产菌株；※生产菌种杂交育种中必不可少的带有特定标记的亲本菌株。

二、诱变育种

3.营养缺陷型的筛选

任务2微生物遗传变异的应用技术

筛选营养缺陷菌株的环节：诱变、淘汰野生型、检出和鉴定。

二、诱变育种

3.营养缺陷型的筛选

任务2微生物遗传变异的应用技术

筛选营养缺陷菌株的环节：二、诱变育种

3.营养缺陷型的筛选

●诱变剂处理

●淘汰野生型：抗生素法或菌丝过滤法。青霉素法

细菌;制霉菌素法

真菌菌丝过滤

丝状真菌●检出缺陷型：夹层培养法、限量补充培养法、逐个检出法、影印接种法。

●鉴定缺陷型

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◆

夹层培养法：先在培养皿上倒薄一层不含菌的基本培养基。经培养后，在皿底用笔对首次出现的菌落一一作好记号，然后再浇一薄层第四导培养基--完全培养基。再经培养后出现的新菌落，多数是营养缺陷型。二、诱变育种

3.营养缺陷型的筛选

◆限量补充培养法：把诱变处理后的细胞接种在含有微量蛋白胨的基本培养基上，野生型就迅速长成较大的菌落，而缺陷型则生长缓慢，并只能形成