第七章 微生物的遗传和变异和育种

1、遗传变异的物质基础 2、基因突变的发生 3、基因重组的原理和方法 4、基因工程的基本原理 5、菌种保藏

相关概念 基因组：一种生物的全套基因。 遗传型：决定生物表现型的遗传因子 表现型：生物可见的或可测定的性状 变异：遗传型改变，从而引起表型变化 饰变：不涉及遗传物质的改变，而只发生在转录或翻译水平的性状变化。

Serretia marcescens 25℃下培养时，会产生一种深红色的灵杆菌素，把菌落染成鲜红色。 当培养在37℃下时，群体中所有细胞都不产色素。 如果重新降温至25℃，产色素能力又得到恢复。这就是一种饰变。

第一节 遗传变异的物质基础 一、证明DNA是遗传物质的经典实验 ①1928年，肺炎链球菌转化试验。 ②1952年，噬菌体感染实验。 第一节 遗传变异的物质基础 一、证明DNA是遗传物质的经典实验 ①1928年，肺炎链球菌转化试验。 ②1952年，噬菌体感染实验。 ③1956年，TMV拆开和重建实验。

R S Griffith的转化实验

转化因子本质的阐明

Hershey-Chase的噬菌体实验

(TMV) (HRV) 霍氏车前花叶病毒 TMV重建实验

第二节 基因突变和诱变育种

突变机制： 诱发突变 碱基置换 点突变 移码突变 转换：一个嘌呤被另一个嘌呤或 者一个嘧啶被另一个嘧啶所替代 颠换：一个嘌呤被一个嘧啶替代 或者一个嘧啶 被另一个嘌呤替代 添加 多了一个或几个碱基，导致编 码 aa三联密码发生了改变，从而引起突变。 缺失 少了一个或几个碱基引起突变。 如：GGG AAA UUU AAA CCC 甘 赖 苯丙 赖 脯 加一个碱基后就变成了： AGG GAA AUU UAA ACC C 精 谷 异亮 终止   添加：abc X defg 缺失：abc D efg 畸变（染色体大损伤） 重复：abc abc de （由X射线等的辐射烷 移位：abc par de 化剂，亚硝酸等引起） 倒位：abc fed g 碱基置换 点突变 移码突变 诱发突变

基因突变类型： 1、营养缺陷型 2、抗性突变型 3、条件致死突变型 4、形态突变型 5、抗原突变型 6、产量突变型

基因突变的特点： 不对应性 自发性 稀有性 独立性 诱变性 稳定性 可逆性

1、变量试验：（Fluctuation Test）： 基因突变自发性和不对应性的证明 1、变量试验：（Fluctuation Test）： 又称波动试验或彷徨试验。1943年美国学者鲁里亚（S、Luria）和德尔波留克（M、Delbrack）设计了此试验。

2.涂布实验：（Newcombe Expetiment）

3.平板影印培养试验（Replica Plating） 1952年莱德伯格夫妇（V，Lederberg）设计的实验

微生物育种： 1、自发突变育种 生产育种 定向培育：在某一特定条件下，长期培养某一微生物菌群，通过不断转接传代以积累自发突变，并最终获得优良菌株的过程。如预防结核病的制剂－－卡介苗，经历了13年，牛型结核分支杆菌转接230代。

2、诱变育种 用物理（X-ray、UV等）化学（吖啶、亚硝酸、碱基类似物）因素诱变育种，获得突变机率提高。

艾姆氏试验（Ames test） 利用细菌营养缺陷型的回复突变来检测环境或食品中的潜在三致物质。

诱变育种的基本原则 挑选优良的出发菌株 自发突变株、具有有利性状、对诱变剂敏感 敏感时期和合适对象的选择 选择简便有效地诱变剂 选用最适剂量 高效的初筛和复筛 透明圈法、抑菌圈法、变色圈法、生长圈法等

突变体的筛选： A 、营养突变体的筛选 诱变 鉴定 浓缩 检出 a、青霉素浓缩法 营养缺陷型的浓缩： b、菌丝过滤法

营养缺陷型的检出： 点种法 夹层培养法 限量补充培养法(含0.01％以下蛋白胨的基本培养基) 影印接种法

营养缺陷型的鉴定： 生长谱法

B、抗性突变体的筛选:采用梯度培养法

C、产量突变体的筛选: 采用琼脂块培养法

第三节 基因重组和杂交育种 转化 转导 原核微生物的基因重组 接合 原生质体融合 基因重组gene recombination 两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形成新的基因型的过程。 转化 转导 原核微生物的基因重组 接合 原生质体融合

1、转化Transformation 转化 转化子 转化因子 感受态 是指裸露的DNA分子被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达的基因转移过程。 转化 转化子 转化后获得新遗传性状的受体菌称为转化子 转化因子 外源的DNA片段称为转化因子。 受体菌最容易接受外源DNA片段并实现 转化的生理状态称为感受态。 感受态

转化发生的条件 感受态因子 合适的培养时期 感受态受体细胞 培养条件 cAMP或Ca2+ dsDNA、ssDNA（少）、质粒 转化因子 15kb左右 同源性

转 化 示 意 图

自然转化原理

2、转导transduction 转导 转导子 转导颗粒 缺陷噬菌体 通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体为媒介， 把一个供体细胞的 DNA 片段转移到另一个受体细胞中，并使后者发生遗传变异的过程。 转导 通过转导获得供体细胞部分遗传性状的重组受体细胞，称为转导子 转导子 转导颗粒 携带供体部分遗传物质的噬菌体 带有外源(如细菌)DNA片段而失去了部分自身DNA的噬菌体称为缺陷噬菌体。 缺陷噬菌体

1952 年Zinder 和 Lederberg 在验证鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)是否也存在接合现象时发现了转导现象。

普遍转导(generalized transduction) 细菌细胞 噬菌体 裂解循环 转导噬菌体 含有供体DNA的转导噬菌体 转导噬菌体侵入 转导 外源DNA与细菌DNA重组 转导细胞 完全普遍性转导 细菌 噬菌体 转导噬菌体 转导 转导细胞 重组 裂解循环 DNA

流产转导

局限性转导 λ噬菌体DNA 的不正常切割

低频转导（low frequancy transduction, LFT）:形成转导子频率很低的转导，通常只有10-4 ~ 10-6 。 高频转导（high frequancy transduction, HFT ）:形成转导子的频率很高, 理论上可达 50%。

1946年，Lederberg和Tatum的E.coli k12 营养缺陷型株混合培养实验中发现。 3、接合conjugation 通过供体菌与受体菌间细胞直接接触而传递大段DNA的过程。 接合的发现 1946年，Lederberg和Tatum的E.coli k12 营养缺陷型株混合培养实验中发现。

A菌株：met－ bio－ thi＋ leu＋ thr＋ B菌株：met＋ bio＋ thi－ leu－ thr－

基因转移的方向 结果得出结论: (1) E.coli有相当于高等生物的性别? (2) E.coli的遗传物质是由♂→♀单向传递的 Hayes 的实验 A: met-bio-thr+leu+thi+strs × 加链霉素 B: met+bio+thr-leu-thi-strr ↓ 基本培养基+str:出现菌落 met-bio-thr+leu+thi+ strr♂ × 加链霉素 met+bio+thr-leu-thi- strs♀ ↓ 无菌落 结果得出结论: (1) E.coli有相当于高等生物的性别? (2) E.coli的遗传物质是由♂→♀单向传递的

F因子与大肠杆菌菌株

F质粒的接合转移 细菌染色体 F+xF-=2F+ 质粒 质粒转移 质粒整合 Hfr x F-= Hfr+F-

F+菌株:含F质粒，细胞表面产生性毛(sex pili)，与F-细胞接合形成2个F+细胞。 不产生性 菌毛，可 接受外来 F质粒。

Hfr菌株 高频重组菌株（high frequency recombination） 与F-接合后，重组频率比F+高几百倍。在Hfr细胞中，存在与染色体特定位点相整合的F因子(产生频率约10-5)。

Hfr用于基因定位

F’菌株 当Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离其染色体时，可形成游离的携带一小段染色体基因的F因子，特称F’因子。携带有F’因子的菌株，其性状介于F+与Hfr之间，这就是F’菌株。

4、原生质体融合 通过人工的方法，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体的过程称为原生质体融合（protoplast fusion）。

原生质体融合操作过程

真菌的基因重组 有性生殖

粗糙脉孢菌的子囊孢子在子囊中的排列有六种方式 AAAAaaaa aaaaAAAA AAaaAAaa aaAAaaAA AAaaaaAA aaAAAAaa 接合型基因座(A或a)与着丝粒之间未发生染色体交换 接合型基因座(A或a)与着丝粒之间发生了染色体交换

粗糙脉孢菌的有性杂交

准性生殖 准性生殖是一种类似于有性生殖，但比它更为原始的一种生殖方式，它可使同种生物不同菌株的体细胞发生融合，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。 生殖： 准性生殖包括 下面四个过程: ①菌丝联结 ②异核体形成 ③核配 ④体细胞交换和 单倍体化四个 阶段。

在准性生殖中,有丝分裂产生非整倍体核,非整倍体核在继续分裂中丢失染色体,导致重组单倍体的发生

在准性生殖中,有丝分裂时杂合二倍体染色体的偶然交换会导致基因重组的发生

第四节 微生物的菌种保藏 衰退 负突变个体占到一定比例 控制传代 防止菌种衰退 选择良好的培养基 利用孢子或者芽胞传代 第四节 微生物的菌种保藏 衰退 负突变个体占到一定比例 控制传代 防止菌种衰退 选择良好的培养基 利用孢子或者芽胞传代 采用有效的菌种保藏方法

复壮 纯种分离 复壮方法 通过宿主体复壮 淘汰已衰退的个体

B、麸夫管法， 保藏霉菌、放线菌孢子可用此方法 （3）冷冻法 A、 冷冻干燥法 ，适于多种微生物，特别是细菌 3．菌种保藏 （1）斜面传代保藏，定期传代，防止死亡 （2）干燥法 A、沙土管法，保藏细菌芽胞可用此法 B、麸夫管法， 保藏霉菌、放线菌孢子可用此方法 （3）冷冻法 A、 冷冻干燥法 ，适于多种微生物，特别是细菌 B、 液N保鲜法（-196℃）， 适于不生孢子的丝状真菌 C、 -70℃低温保藏，需超低温冰箱。 （4）悬液法 将微生物细胞悬浮在水、甘油、蔗糖液、葡萄糖液、盐水、磷酸缓冲液中，某些细菌、酵母用此法可保藏几年至近十年。