第1页：第六章 微生物的遗传变异与菌种选育
第六章 微生物的遗传变异与菌种选育：本章分五节。
- 第一节 微生物遗传变异的物质基础
- 第二节 微生物的基因突变
- 第三节 微生物的基因重组
- 第四节 微生物的菌种选育
- 第五节 微生物菌种的保藏和复壮
第2页：遗传物质的发现历程
第一节 微生物遗传变异的物质基础
- 种质连续理论
- 1883—1889 年间 Weissmann 提出，认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物。
- 基因学说
- 二十世纪初发现染色体并提出基因学说，使遗传物质基础的范围缩小到染色体上；染色体由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。
第3页：肺炎双球菌的转化实验
一、证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验
（一）肺炎双球菌转化实验（F. Griffith，1928）：研究对象为肺炎双球菌（Streptococcus pneumoniae）。
- S 型菌株
- 有致病性，菌落表面光滑，有荚膜。
- R 型菌株
- 无致病性，菌落表面粗糙，无荚膜。
动物实验结果：
- 注射活 R 菌或死 S 菌：小鼠存活
- 注射活 S 菌：小鼠死亡
- 注射活 R 菌和热死 S 菌：小鼠死亡，抽取心血分离出活的 S 菌
第4页：转化实验的体外验证
（2）细菌培养实验：
- 热死 S 菌：不生长
- 活 R 菌：长出 R 菌
- 热死 S 菌 + 活 R 菌：长出大量 R 菌和 10⁻⁶ S 菌
（3）S 型菌的无细胞抽提液试验：活 R 菌 + S 菌无细胞抽提液 → 长出大量 R 菌和少量 S 菌。说明加热杀死的 S 型细菌细胞内存在一种转化物质，能进入 R 型细胞并使其获得稳定的遗传性状。
第5页：艾弗里的离体转化试验
1944年 O.T.Avery、C.M.MacLeod 和 M.McCarty 从热死 S 型肺炎双球菌中提纯各种成分，在离体条件下进行转化试验，设置六组：
- ① 加 S 菌 DNA；② 加 S 菌 DNA 及 DNA 酶以外的酶；③ 加 S 菌的 DNA 和 DNA 酶；④ 加 S 菌的 RNA；⑤ 加 S 菌的蛋白质；⑥ 加 S 菌的荚膜多糖
结果：只有加 S 菌 DNA 的组使活 R 菌长出 S 菌，其余各组只有 R 菌；且 DNA 纯度越高，转化效率也越高。说明 S 型菌株转移给 R 型菌株的是遗传因子。
第6页：噬菌体的感染实验
（二）噬菌体的感染实验（A.D.Hershey 和 M.Chase，1952）：
- 含 ³²P-DNA 的一组：放射性 85% 在沉淀中
- 含 ³⁵S-蛋白质的一组：放射性 75% 在上清液中
结论：进入细胞的是噬菌体的核酸而不是蛋白质。
第7页：烟草花叶病毒的拆分实验
（三）烟草花叶病毒的拆开与重组实验：H. Fraenkel-Conrat（1956）用含 RNA 的烟草花叶病毒（TMV）进行植物病毒重建实验。
- 将 TMV 在一定浓度的苯酚溶液中振荡，即可将其蛋白质外壳与 RNA 核心相分离
- 分离后的 RNA 在没有蛋白质包裹的情况下仍具感染能力
第8页：病毒重建实验的结论
选用 TMV 和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的 RNA 和蛋白质，重建两种杂合病毒后感染寄主：
- RNA（TMV）+ 蛋白质（HRV）：表现 TMV 的典型症状，并分离到正常 TMV 粒子
- RNA（HRV）+ 蛋白质（TMV）：表现 HRV 的典型症状，并分离到正常 HRV 粒子
结论：病毒的遗传性状由核酸（RNA）决定。
第9页：遗传物质的存在方式
二、遗传物质在细胞中的存在方式：
第10页：基因突变的概念
第二节 微生物的基因突变
- 基因突变
- 简称突变，是变异的一种，指生物体内遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，突变率常在 10⁻⁸—10⁻⁹ 范围内。
第11页：突变株的表型与检出（一）
突变株的表型、成因与检出方法
常见突变株类型（一）| 突变株的表型 | 成因 | 检出方法 |
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| 营养缺陷型（auxotroph） | 因突变而丧失合成一种或几种生长因子的能力 | 不能在基本培养基上生长，需用补充培养基检出 |
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| 抗性突变型（resistant mutant） | 因突变而产生对某种化学药物或致死物理因子的抗性 | 用含药物的培养基检出 |
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| 条件致死型 | 突变后在某种条件（如特定温度）下不能生长或致死 | 在限制条件与许可条件下对比培养检出 |
|---|
注：原页"条件致死型"一行的成因与检出方法文字残缺，表中内容按该类突变株的通例补全，建议对照原图核对。
第12页：突变株的表型与检出（二）
突变株的表型、成因与检出方法（续）
常见突变株类型（二）| 突变株的表型 | 成因 | 检出方法 |
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| 形态突变型（morphological mutant） | 因突变而产生个体形态或菌落形态的变异 | 非选择性检出（常用颜色变化） |
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| 抗原突变型（antigenic mutant） | 因突变而引起抗原结构发生改变 | 借助于抗原抗体反应检出 |
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| 其他突变型 | 毒力、糖发酵能力、代谢产物等性状的改变 | 按相应性状设计检出方法 |
|---|
第13页：突变的特点
二、突变的特点
- 不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接对应关系（变量试验、涂布试验、平板影印培养试验）
- 自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发产生
- 稀有性：突变率低且稳定
- 独立性：各种突变独立发生，不会互相影响
- 可诱发性：诱变剂可提高突变率
- 稳定性：突变后性状能稳定遗传
第14页：诱变剂
三、基因突变的机制：诱发突变的机制
- 诱变剂（mutagen）
- 凡能提高突变率的任何理化因子。诱变剂种类很多、作用方式多样，即使是同一种诱变剂也常有不同的作用方式。
第15页：碱基置换
- 碱基置换（substitution）
- 对 DNA 来说属于染色体的微小损伤（microlesion），一般也称点突变（point mutation），只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。
- 转换（transition）：DNA 链中一个嘌呤被另一个嘌呤或一个嘧啶被另一个嘧啶所置换
- 颠换（transversion）：嘌呤与嘧啶之间的相互置换
第16页：直接引起置换的诱变剂
一类可直接与核酸碱基发生化学反应的诱变剂：
- 亚硝酸、羟胺
- 各种烷化剂：硫酸二乙酯、甲基磺酸乙酯、N-甲基-N'-硝基-N-亚硝基胍、N-甲基-N-亚硝基脲、乙烯亚胺、环氧乙酸、氮芥等
它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而引起 DNA 碱基的改变。
第17页：移码突变
- 移码突变（frame-shift mutation）
- 诱变剂使 DNA 分子中一个或少数几个核苷酸增添（插入）或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变，所产生的突变株称为移码突变株。
与染色体畸变相比，移码突变只算是较小的损伤。
第18页：丫啶类化合物的诱变机制
丫啶类化合物的诱变机制至今还不很清楚。一般认为：由于它们是一种平面型三环分子，结构与一个嘌呤-嘧啶对十分相似，故能嵌入两个相邻 DNA 碱基对之间，造成双螺旋部分解开。
- 两个碱基对原来相距 0.34 nm，嵌入一个丫啶分子后变成 0.68 nm
- 在 DNA 复制过程中会使链上增添或缺失一个碱基，结果引起移码突变
第19页：染色体畸变
- 染色体畸变（chromosomal aberration）
- 某些理化因子如 X 射线等辐射及烷化剂、亚硝酸等，除引起点突变外还会引起 DNA 的大损伤（macrolesion）。
- 染色体结构上的变化：缺失（deletion）、重复（duplication）、易位（translocation）、倒位（inversion）
- 染色体数目的变化
第20页：染色体结构上的变化
染色体内畸变只涉及一条染色体上的变化：
- 发生部分缺失或重复时，结果可造成基因的减少或增加
- 发生倒位或易位时，可造成基因排列顺序的改变，但数目不改变
- 倒位：断裂下来的 DNA 片段旋转 180° 后重新插入到原来染色体的位置
- 易位：断裂下来的片段连接到非同源染色体上
第21页：紫外线对DNA的损伤
- 嘧啶对紫外线的敏感性比嘌呤强得多，嘧啶的光化产物主要是二聚体和水合物
- 紫外线的主要作用是使同链 DNA 的相邻胸腺嘧啶间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体
- 胸腺嘧啶二聚体的出现会减弱双链间氢键作用，影响 DNA 复制与转录
第22页：自身突变的机制
自身（自发）突变的机制：
- 背景辐射和环境中多因素低剂量的诱变效应
- 微生物自身代谢产物的诱变效应
- 互变异构效应
- 环状突出效应
第23页：基因组的概念
第三节 微生物的基因重组
- 基因组
- 细胞中基因以及非基因的 DNA 序列的总称，包括结构基因、调控序列以及目前功能未知的 DNA 序列。
第24页：原核生物的基因组特点
一、原核生物的基因重组（原核生物基因组特点）：
- 紧密缠绕的环状双链 DNA 分子
- 遗传信息的连续性
- 功能相关的结构基因组成操纵子结构
- 结构基因单拷贝及 rRNA 基因多拷贝
- 基因组的重复序列少而短
第25页：真核生物的基因组特点
二、真核生物的基因重组（真核生物基因组特点）：
- DNA 与组蛋白构成染色体
- 有间隔子或内含子序列
- 没有明显的操纵子结构
- 含有一定数量的重复序列（低度、中度和高度重复）
- 遗传丰余：较高同源性的 DNA 重复序列
第26页：第四节 微生物的菌种选育
第四节 微生物的菌种选育
本节介绍从自然界分离筛选菌种和通过诱变育种获得优良菌株的方法。
第27页：分离筛选菌种的步骤
一、从自然界中分离筛选菌种的方法步骤
- 采样 → 增殖培养 → 纯种分离 → 纯培养 → 生产性能测定
第28页：诱变育种的一般步骤
二、微生物的诱变育种：（一）诱变育种的一般步骤和方法
- 出发菌株同步培养，使菌细胞处于相同或接近的生理状态
- 制备单细胞（或单孢子）菌悬液：酵母或霉菌孢子 10⁶/mL，细菌 10⁸/mL
- 诱变剂的选择及其剂量的确定：以致死率为 90%—99% 为宜
第29页：变异菌株的初步筛选
（二）变异菌株的初步筛选：通过初筛从大量处理细胞中选出性状改良的变异菌株，再进行复筛与生产性能考察。
第30页：
第31页：营养缺陷型的筛选方法
2. 营养缺陷型菌株筛选的一般方法
- （1）诱变剂处理
- （2）淘汰野生型菌株：① 抗生素法；② 菌丝过滤法
- （3）检出营养缺陷型
- （4）鉴定营养缺陷型
第32页：检出营养缺陷型的方法
检出营养缺陷型的常用方法：
- ① 夹层培养法
- ② 限量补充培养法
- ③ 影印接种法
- ④ 逐个检出法
第33页：鉴定营养缺陷型
鉴定营养缺陷型：将检出的缺陷型菌株分别在补充不同营养物质的基本培养基上培养，根据其在何种补充培养基上恢复生长，确定所缺陷的具体生长因子。
第34页：原生质体融合育种
原生质体融合育种流程：
- 细胞（A⁺B⁻）与细胞（A⁻B⁺）分别进行脱壁处理，得到相应原生质体
- 混合并加入融合剂使原生质体融合
- 涂平板筛选出融合重组子
第35页：
第36页：第五节 菌种保藏与复壮
第五节 微生物菌种的保藏和复壮
本节介绍菌种的保藏方法以及菌种退化与复壮的处理。
第37页：菌种的退化与复壮
二、菌种的退化与复壮
- 菌种退化：优良性状随传代逐渐减弱或丧失的现象
- 复壮：通过分离纯化、更换培养条件或重新选育，使菌种恢复原有优良性状的措施
注：原页仅有标题与条目框架，具体保藏方法与复壮措施的详细内容见原课件图示。
