第六章 微生物的遗传变异 授课老师:李荣峰

何谓遗传与变异？

何谓遗传与变异？ 关系 遗传：指亲代具有把他所有的性状传给子代的特性。 变异：指亲代与子代或子代之间的不相似性,即子代具有改变亲代遗传性状的特征 遗传是物种存在的依据， 变异是物种发展的依据，它 们既相互对立，又同时存 在的矛盾；没有遗传和变 异，生物都不能进化。 关系

内容提纲 第一节 遗传的物质基础 （难点） 第二节 遗传信息的传递 第三节 微生物的变异（重点、难点） 第四节 菌种选育 第五节 遗传工程

第一节 遗传的物质基础 一、遗传物质（DNA 或RNA） 遗传物质的鉴定(三个经典试验) 转化试验 噬菌体感染试验 病毒重建试验

（一）转化试验：1928年 F.Griffith 肺炎链球菌 --------（ 图A：S型和R型细胞侵染试验） 败血病 健康 健康 败血病 活的S型

分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化（图b） 败血病 健康 DNA

结论 只有DNA才是肺炎链球菌的遗传物质.

（二）噬菌体感染试验：1952年 A.D Hershey and M.Chase (材料: E. coli-大肠杆菌, T2噬菌体) 证明DNA才是遗传物质

（三）病毒重建试验：1956年 H.Fraenkel-Conrat (材料: 烟草花叶病毒TMV) 是 遗 传 物 质

结论 遗传物质是DNA 或 RNA 细胞型生物的遗传物质是双链DNA 病毒的遗传物质可以是单链的或双链的DNA或RNA。

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遗传信息的传递 核酸(DNA或RNA)的化学组成 DNA的结构 DNA的复制

(一)核酸的化学组成 核酸 nucleic acid 核苷酸 nucleotide 核苷 nucleoside 磷酸 phosphate 戊糖 amyl sugar 碱基 base (核糖 ribose 或 脱氧核糖 deoxyribose ) (嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base) 核酸内核苷酸通过3’，5’-磷酸二酯键连接成多核苷酸链

两条链按照碱基互补配对的原则相互连接: 即 A=T,G=C (二) DNA的双螺旋结构 两条链按照碱基互补配对的原则相互连接: 即 A=T,G=C

DNA分子是一个右旋的双螺旋结构(如上图)

(三) DNA的半保留复制

基因：是DNA分子上的一个微小片段，通常含有1000个左右的碱基对。 基因的特点： 自我复制 基因决定性状 基因能发生突变 (四) 遗传的单位—基因 基因：是DNA分子上的一个微小片段，通常含有1000个左右的碱基对。 基因的特点： 自我复制 基因决定性状 基因能发生突变

基因的存在形式 染色体 质粒：存在于细胞质中的一类环状DNA分子。

Replication (复制) (四) 遗传的中心法则 Replication (复制) D N A Reverse Transcription (反转录) Transcription (转录) R N A Replication (复制) Translation (翻译) Protein(蛋白质)

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一、微生物的变异现象 形态发生变异: 如原黑色变白色 代谢发生变异: 如营养缺陷 结构发生变异: 如有荚膜变为无荚膜 生理特性发生变异: 抗性能力增强或减弱 发生极端变异: DNA发生太大的变化

二、微生物的突变 （基因突变）

二、微生物的突变 染色体畸变：基些因素使DNA发生大的损伤，会产生染色体畸变，结构上出现缺失、重复、倒位和移位等的现象。 基因突变：指DNA分子的某一位置的结构发生改变，它只涉及一对碱基或少数几对碱基，所以又称为点突变。

二、微生物的突变 碱基的缺失或增加引起三联密码子的改变

定义 指2种或2种以上的不同DNA分子，在同一生物体内经过交换作用而产生新的DNA分子的现象。又称基因重组 三、微生物的遗传重组 原核微生物的基因重组： ----转化、转导、接合和原生质体融合 真核微生物的基因重组： ----有性杂交、准性生殖

（一）原核微生物的遗传重组 转 化 转 导 接 合 原生质体融合

转导是以转导噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 （一）原核微生物的遗传重组 转导是以转导噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 普遍性转导（generalized transduction） 特异性转导（specialized transduction） 转 化 转 导 接 合 原生质体融合

大肠杆菌噬菌体介导的转导 (a) 普遍性转导 (b) 特异性转导

受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性 普遍性转导与特异性转导的区别 区别要点 普遍性转导 特异性转导 基因转导发生的时期 裂解期 溶原期 转导的遗传物质 供体菌染色体DNA任何部位或质粒 噬菌体DNA及供体菌DNA的特定部位 转导的后果 完全转导或流产转导 受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性 转导频率 受体菌的10-7 转导频率较普遍转导增加1000倍(10-4)

F质粒的接合： （一）原核微生物的遗传重组 转 化 转 导 F+×F－ 高频重组菌（ Hfr） F′ 接 合 接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。 转 化 转 导 F质粒的接合： F+×F－ 高频重组菌（ Hfr） F′ F+ 、 Hfr、 F′都为雄菌 接 合 原生质体融合

大肠杆菌中的F质粒及其接合作用

（一）原核微生物的遗传重组 转 化 原生质体融合是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行彼此融合的过程。 融合步骤:去壁—变为原生质体—融合---壁再生—融合子。 原生质体融合是一种人工基因转移系统，本质上与基因转移无关或关系很小。 转 导 接 合 原生质体融合

（二）真核微生物的遗传重组 定义：通过减数分裂中的染色体交换和随机分配而导致基因重组。 有性杂交 准性生殖

（二）真核微生物的遗传重组 定义：可使同种生物不同菌株的体细胞发生融合，且不经过减数分裂的方式而导致低频率的基因重组并产生重组子。 有性杂交 准性生殖

准性生殖与有性杂交的比较 有 性 杂 交

菌种选育 微 生 物 的 遗 传 变 异 遗传的物质基础 遗传信息的传递 微生物的变异 遗传工程

菌株选育 定义：应用微生物遗传和变异理论，用人工方法造成变异，再经过筛选，得到适合工业生产菌种的过程。 如何用人工方法使微生物菌种发生变异？

菌株选育 目的 防止菌种退化 解决生产实际问题 提高生产能力 提高产品质量 开发新产品

菌株选育 选种：经过比较、鉴定自然界中的微生物， 从中分离和筛选出某种性能较强的、适合 生产要求的菌种； 包括选种和育种： 选种：经过比较、鉴定自然界中的微生物， 从中分离和筛选出某种性能较强的、适合 生产要求的菌种； 育种：不断改造菌种性能，培养新的品种

优良菌种的筛选步骤 样品采集 增殖培养 分离纯化 生产性能的测定 菌种保藏

一、自然选育 自然选育：不经人工处理，利用微生物的 自然突变进行菌种选育的过程。 在没有人工参与下所发生的突变 自然突变有两种情况： 自然选育：不经人工处理，利用微生物的 自然突变进行菌种选育的过程。 在没有人工参与下所发生的突变 自然突变有两种情况： 一种是我们生产上所不希望看到的，表现为菌株的衰退和生产质量的下降，这种突变成为负突变。 另一种是我们生产上希望看到的，对生产有利，这种突变成为正突变。

自然选育操作步骤： 一般习惯上将自然选育称为菌种的分离纯化。 单细胞(孢子)悬液的制备 平板分离单菌落 挑选单菌落(注意形态的观察) 发酵试验

自然选育的优点: 1) 简单易行 2) 纯化菌种、防止退化 3）稳定生产 4）提高产量 自然选育的优点: 1) 简单易行 2) 纯化菌种、防止退化 3）稳定生产 4）提高产量 缺点：效率低

二、诱变育种 定义：指利用各种被称为诱变剂的物理因素和化学 试剂处理微生物细胞，提高基因突变频率，再通过 适当的筛选方法获得所需要的优质菌种的育种方法。 诱变育种是提高菌种生产能力，使所需要的某一特定的代谢产物过量积累的有效方法之一。

诱变剂的种类 诱变剂：能够提高生物体突变频率的物质称为诱变剂 物理：紫外线、X射线、β射线、λ射线、 激光、快中子 诱变剂 化学：硫酸二乙酯，亚硝基胍 生物：噬菌体、转座子

诱变育种 包含两部分： 诱变：出发菌株的选择、诱变处理、涂布培养 诱变育种 筛选：单孢子分离长出单菌落—随机挑至斜面—初筛 ----复筛---生产性能测定---菌种的保存

（二）、诱变剂处理过程中几个有关的问题 化学诱变剂使用过程的安全性 诱变剂量的选择 诱变剂的选择 出发菌株的选择 压硝酸：0.07MNa2HPO4 亚硝基胍：1MNaOH 化学诱变剂使用过程的安全性 诱变剂量的选择 诱变剂的选择 出发菌株的选择

（1）出发菌种的选择 要有一定的目标产物的生产能力，生长繁殖快、营养要求低，产孢子多且早，对诱变剂敏感，变异幅度大。 可选已经过诱变处理的菌株。

（2）诱变剂的使用方法 野生菌株：单一诱变剂处理 复合诱变剂处理：指用两种以上的诱变剂处理菌种。 包括同一诱变剂多次处理，两种以上诱变剂先后分别处理，两种以上诱变剂同时或多次处理。

（3）诱变剂的剂量选择 用致死率作为诱变剂剂量选择的依据。 诱变率随诱变剂剂量的增加而提高，达到一定程度后，提高诱变剂量反使诱率率下降，致使率从99%-99.9%降低至70-80%（注意：剂量不宜过低）

菌种的退化复壮和保藏 微 生 物 的 遗 传 变 异 遗传的物质基础 遗传信息的传递 微生物的变异 菌种选育

菌种是一个国家的重要资源，菌种保藏是发酵工业的基础工作。优良菌种来之不易，在科研和生产中要设法减少菌种的退化和死亡。 菌种保藏的目的是保证菌种经过较长时间后仍然保持生活能力和生产能力，不被其他杂菌污染，形态特征和生理性状应尽可能不发生变异，以便今后长期使用。

菌种退化 定义：指生产菌株生产性状的劣化、遗传标记的丢失。 菌种退化的表现： 形态的改变。例：苏云金杆菌的芽孢和伴孢晶体变小、变少。 生长速度减慢，产孢子变少。例：孢子变色。 代谢产物生产能力或对宿主寄生能力下降。例：白僵菌 抗不良环境条件能力减弱（如抗低温、抗噬菌体）。

菌种退化 原因： 菌种保藏不当 生长条件的改变 杂菌污染 发生负突变

防止菌种退化的方法 菌种退化 尽量减少传代次数：以降低突变几率 选择合适的培养条件：避免使用陈旧的斜面菌种 利用不同类型的细胞进行传代：采用单核细胞接种 选择合适的保藏方法 经常进行分离纯化

菌种的复壮 定义：使衰退的菌种重新恢复原来的优良特性的方法。 方法： 对已退化的菌株用一定的培养条件进行单细胞分离纯化，从而限制退化菌株在数量上占优势，最后淘汰已退化菌株而使原菌株得以复壮。

菌种的保藏 菌种保藏的原理 根据微生物的生理生化特性人为地创造条件，使微生物处于代谢不活泼、生长繁殖受抑制的休眠状态，以减少菌种的变异。

菌种保藏机构 中国微生物菌种保藏管理中心（CCGMC） 中国典型培养物保藏中心（CCTCC） 美国标准菌种保藏中心（ATCC） 美国农业部农业研究服务部（ARS） 英国国立标准菌种保藏所（NCTC） 日本大坂发酵研究所（IFO） 荷兰霉菌保藏所（CBS） 法国里昂巴斯德研究所（IPL） 德国科赫研究所（PKI）

菌种保藏的环境要素 ： 干燥 低温 缺氧 缺营养 添加保护剂等。

微生物菌种保藏方法 名 称 保 藏 期 适 用 菌 种 方 法 斜面保藏法 3-6个月 细菌、放线菌、酵母、丝状真菌 将微生物在适宜的斜面培养基和温度条件下培养并生长良好后，4℃保藏 穿刺保藏法 6-12个月 好气性细菌 1%软琼脂不制成斜面，穿刺接入1/2深度长好后覆盖2-3cm的液体石蜡，冰箱保存 砂土管干燥保藏法 2-10年 产孢子的丝状真菌、放线菌、形成芽孢的细菌 沙土过60目筛，用20％盐酸浸泡24h，调节至中性，干燥转到小管进行灭菌，接入孢子悬液10滴拌匀进行真空干燥 石蜡封藏法 1-10年 都可，尤其适用于不产孢子的丝状真菌 将长好菌苔的斜面直立放置，注入无菌液体石蜡，高过斜面上缘1cm，胶塞封口。 真空冷冻干燥保藏 长期 都可 较低温度下快速将细胞或孢子冻结，再在减压条件下使水分升华 液氮保藏法 2-9年 将浓的菌悬液加入保护剂中，分装入安培管，封口，冷却至-25℃，放入液氮管 悬液保藏法 1年 丝状真菌、酵母状真菌、肠道细菌 将微生物悬浮在不含营养的溶液中，如蒸馏水、磷酸缓冲液或生理盐水中保藏。 低温保藏法 五芽孢的厌氧菌、 放线菌 在密封性好的螺口管中加入1-2ml菌液，封口后放入低温冰箱中保存 麸皮保藏法 1-2年 放线菌、霉菌 麸皮与水（培养液）1：1左右混合，装管，灭菌后接孢子液，培养，干燥器干燥。20℃以下保藏

遗传工程 微 生 物 的 遗 传 变 异 遗传的物质基础 遗传信息的传递 微生物的变异 菌种选育

基因工程 指用人为的方法将所需要的某一供体生物的DNA提取出来，在适当的条件下用适当的酶切割后，把它与载体DNA分子连接起来形成具有自我复制能力的DNA分子——复制子，并将它转移到宿主细胞中进行扩增和表达

基因工程的操作步骤 目的基因获得。 目的基因连接在载体上。 重组体导入受体细胞。 实现转化及筛选。 重组体细胞的增殖与表达

目的基因  概念：从前一种生物中取出来的用于改造后一种生物的遗传物质称为目的基因。 来源：从微生物、植物、人类分离出来，目前国内外已经复制和鉴定的有100种以上。 种类：种子贮藏蛋白基因、 抗除草剂基因（三类）、 抗病毒基因（三类） 抗虫基因（两类） 

目的基因 目的基因一般需要装到合适的载体上，才能进入后一种生物。 用于装载目的基因的载体——应用最多的是细菌中发现的质粒。质粒是一种小型环状DNA，被某种酶切开后能够装载具有目的基因的DNA片段。 应用最多的质粒——Ti质粒。 可望利用的潜在质粒——Ri质粒。

如何检测受体中载体已经存在？ 为了便于在受体中检测到载体的存在，通常需要选用具有特殊遗传标记的质粒。 常用遗传标记： 1、抗生素的抗性基因（例Cat基因抗氯霉素） 2、GUS基因（可使植物细胞在X-gluc底物溶液显蓝） 3、荧光素酶基因（使植物细胞发出蓝绿色荧光） 

 什么是受体、供体？ 供体——前一种被取出遗传物质片段的生物 受体——后一种接受遗传物质片段产生新性状的生物 植物转基因技术往往需要先将目的基因导入受体植物的离体单细胞，然后使单细胞分化发育成为转基因植株。 原因：1、高等植物是多细胞有机体，易形成“嵌合体”。 2、在离体条件下容易分化发育成完整的植株。 

什么是转化？ 目的基因进入受体而使受体产生新的性状的过程通常称为转化。 转化方法： 1、DNA直接导入法： 基因枪法（高速微弹法）、化学物质诱导法、电穿孔法、脂质体法、花粉管通道法、微注射法等等。 2、DNA间接导入法： 农杆菌介导法（共培养法）、植物病毒载体系统介导等等。 

基因工程中的工具酶及载体 1.工具酶: 限制性内切酶、DNA连接酶、DNA聚合酶 2. 载体：质粒、噬菌体

The end Thank you