微生物的遺傳變異與菌種選育

1、1第六章第六章 微生物的遺傳變異與菌種選育微生物的遺傳變異與菌種選育w 在應(yīng)用微生物加工制造和發(fā)酵生產(chǎn)各種食品的過程在應(yīng)用微生物加工制造和發(fā)酵生產(chǎn)各種食品的過程中，要想有效地大幅度提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和花色品中，要想有效地大幅度提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和花色品種種, ,首先必須選育優(yōu)良的生產(chǎn)菌種，才能達(dá)到目的。而首先必須選育優(yōu)良的生產(chǎn)菌種，才能達(dá)到目的。而優(yōu)良菌種的選育是在微生物遺傳變異的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。優(yōu)良菌種的選育是在微生物遺傳變異的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。遺傳和變異是相互關(guān)聯(lián)，同時(shí)又相互矛盾對(duì)立的兩個(gè)方遺傳和變異是相互關(guān)聯(lián)，同時(shí)又相互矛盾對(duì)立的兩個(gè)方面，在一定條件下，二者是相互轉(zhuǎn)化的。認(rèn)識(shí)和掌握微面，在

2、一定條件下，二者是相互轉(zhuǎn)化的。認(rèn)識(shí)和掌握微生物遺傳變異的規(guī)律是搞好菌種選育和關(guān)鍵。生物遺傳變異的規(guī)律是搞好菌種選育和關(guān)鍵。2本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容3 w 證明核酸是遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)證明核酸是遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn) w 肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)w 噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)w 煙草花葉病毒的拆開與重組實(shí)驗(yàn)煙草花葉病毒的拆開與重組實(shí)驗(yàn) 4 5w1952 年侯喜年侯喜(A. Hershey)和蔡斯和蔡斯(M. Chase)利利用示蹤元素，對(duì)大腸桿菌用示蹤元素，對(duì)大腸桿菌 T2 噬菌體進(jìn)行了噬菌體進(jìn)行了這類實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)。w先用含有先用含有 35S 和和 32P

3、兩種元素的培養(yǎng)基培養(yǎng)兩種元素的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌，然后讓大腸桿菌，然后讓 T2 噬菌體侵染培養(yǎng)后的噬菌體侵染培養(yǎng)后的大腸桿菌，從而使大腸桿菌，從而使 T2 噬菌體打上噬菌體打上 35S 和和 32P 的標(biāo)記。的標(biāo)記。 w讓這種讓這種 T2 噬菌體侵染不含標(biāo)記元素的大腸噬菌體侵染不含標(biāo)記元素的大腸桿菌，并在桿菌，并在 T2 噬菌體完成了吸附和侵入后，噬菌體完成了吸附和侵入后， w強(qiáng)烈攪拌強(qiáng)烈攪拌洗滌洗滌，以便使吸附在菌體外表的，以便使吸附在菌體外表的 T2 噬菌體蛋白質(zhì)外殼脫離細(xì)胞并均勻分布，噬菌體蛋白質(zhì)外殼脫離細(xì)胞并均勻分布，再進(jìn)行離心沉淀，分別測(cè)定沉淀物和上清液再進(jìn)行離心沉淀，分別測(cè)定沉淀物

4、和上清液中的同位素標(biāo)記。中的同位素標(biāo)記。w 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，幾乎全部結(jié)果發(fā)現(xiàn)，幾乎全部 35S 都在上清液中，都在上清液中，而幾乎全部而幾乎全部 32P 和細(xì)菌一起出現(xiàn)在沉淀物中。和細(xì)菌一起出現(xiàn)在沉淀物中。 6煙草花葉病毒的拆開與重組實(shí)驗(yàn)煙草花葉病毒的拆開與重組實(shí)驗(yàn) w1956 年，美國(guó)的法朗克年，美國(guó)的法朗克- -康勒特康勒特(Fraenkel- -Conrat)w將煙草花葉病毒拆成將煙草花葉病毒拆成RNA(因該病毒不含因該病毒不含DNA)和蛋白質(zhì)，并分別對(duì)煙草進(jìn)和蛋白質(zhì)，并分別對(duì)煙草進(jìn)行感染實(shí)驗(yàn)；行感染實(shí)驗(yàn)；w結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有 RNA能感染煙草，并在感染后的寄主中分離到完整的具蛋能感染煙

5、草，并在感染后的寄主中分離到完整的具蛋白質(zhì)外殼的煙草花葉病毒。白質(zhì)外殼的煙草花葉病毒。w 后來他又將甲、乙兩種變種的煙草花葉病毒拆開，在體外分別將甲病后來他又將甲、乙兩種變種的煙草花葉病毒拆開，在體外分別將甲病毒的毒的 RNA和乙病毒的蛋白質(zhì)結(jié)合，將乙病毒的和乙病毒的蛋白質(zhì)結(jié)合，將乙病毒的RNA 和甲病毒的蛋白質(zhì)和甲病毒的蛋白質(zhì)結(jié)合進(jìn)行重組。結(jié)合進(jìn)行重組。w接著他把這些經(jīng)過重組的病毒分別感染煙草。結(jié)果從寄主分離所得的病接著他把這些經(jīng)過重組的病毒分別感染煙草。結(jié)果從寄主分離所得的病毒蛋白質(zhì)均取決于相應(yīng)病毒的毒蛋白質(zhì)均取決于相應(yīng)病毒的 RNA。證明了核酸證明了核酸(RNA)是煙草花葉病毒是煙草花葉

6、病毒的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)。的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)。7 （一）細(xì)胞水平（一）細(xì)胞水平w 從細(xì)胞水平來看，細(xì)胞核；除此之外，在細(xì)胞質(zhì)中存在著一些能從細(xì)胞水平來看，細(xì)胞核；除此之外，在細(xì)胞質(zhì)中存在著一些能自我復(fù)制的遺傳物質(zhì)，一般稱這部分自我復(fù)制的遺傳物質(zhì)，一般稱這部分DNA DNA 為質(zhì)粒。為質(zhì)粒。w （二）亞細(xì)胞核水平（二）亞細(xì)胞核水平w 真核微生物的細(xì)胞核有核膜包圍，形成具有完整形態(tài)、在光學(xué)顯微鏡真核微生物的細(xì)胞核有核膜包圍，形成具有完整形態(tài)、在光學(xué)顯微鏡下清晰可見的細(xì)胞核，核內(nèi)下清晰可見的細(xì)胞核，核內(nèi)DNA DNA 與組蛋白結(jié)合在一起構(gòu)成染色體。與組蛋白結(jié)合在一起構(gòu)成染色體。 （三）分子水平（三）分子水平w

7、 DNADNA（ RNA RNA）在在DNA DNA 大分子上存在著決定某些遺傳性狀的特定區(qū)大分子上存在著決定某些遺傳性狀的特定區(qū)段，即所謂基因段，即所謂基因一個(gè)基因含若干核苷酸堿基組成的三聯(lián)密。一個(gè)基因含若干核苷酸堿基組成的三聯(lián)密。w 四種核苷酸，按其排列組合方式的不同，可編出三聯(lián)密碼四種核苷酸，按其排列組合方式的不同，可編出三聯(lián)密碼 4 43 36464個(gè)，個(gè)，用于決定組成蛋白質(zhì)的用于決定組成蛋白質(zhì)的20 20 種氨基酸順序。起始密碼（種氨基酸順序。起始密碼（AUGAUG）和終止密和終止密碼（碼（UAAUAA、UGAUGA和和UAGUAG）。）。 8w 一、基因突變的類型一、基因突變的類型

8、w 基因突變的類型是多種多樣的，按突變體表型不同，可分為以下基因突變的類型是多種多樣的，按突變體表型不同，可分為以下幾種類型：幾種類型：w （1）形態(tài)突變型。形態(tài)突變型。w （2）條件致死突變型。條件致死突變型。w （3）營(yíng)養(yǎng)缺陷突變型。營(yíng)養(yǎng)缺陷突變型。w （4）抗性突變型?？剐酝蛔冃?。w （5）抗原突變型?？乖蛔冃?。w （6）其他突變型。）其他突變型。9 w w 雙鏈DNA 單鏈DNA 10 11 。 1213w染色體畸變是指由誘變劑引起染色體畸變是指由誘變劑引起DNA 分子的大損傷，它包括染色體結(jié)構(gòu)上的分子的大損傷，它包括染色體結(jié)構(gòu)上的缺失、重復(fù)、易位及倒位等。缺失、重復(fù)、易位及倒位等。

9、w紫外線、紫外線、X 射線、射線、射線等射線及亞硝酸、烷化劑等均能引起染色體畸變，射線等射線及亞硝酸、烷化劑等均能引起染色體畸變，尤其是紫外線能引起尤其是紫外線能引起DNA 分子多處較大的損傷。分子多處較大的損傷。w紫外線主要通過在同鏈紫外線主要通過在同鏈DNA 相鄰的嘧啶間或在互補(bǔ)雙鏈間形成以共價(jià)鍵結(jié)相鄰的嘧啶間或在互補(bǔ)雙鏈間形成以共價(jià)鍵結(jié)合的胸腺嘧啶二聚體，合的胸腺嘧啶二聚體，w微生物能以多種方式去修復(fù)被紫外線損作后的微生物能以多種方式去修復(fù)被紫外線損作后的 DNA，主要方式有兩種：主要方式有兩種：w （1 1）光復(fù)活作用。）光復(fù)活作用。 w 由于微生物中一般都存在著光復(fù)合作用，因此，用紫

10、外線照射菌液時(shí)都由于微生物中一般都存在著光復(fù)合作用，因此，用紫外線照射菌液時(shí)都須在紅光下進(jìn)行操作處理微生物，而后在暗室或用黑布包起來培養(yǎng)。須在紅光下進(jìn)行操作處理微生物，而后在暗室或用黑布包起來培養(yǎng)。w （2 2） 暗修復(fù)作用。也稱切除修復(fù)作用。暗修復(fù)作用。也稱切除修復(fù)作用。w X 射線和射線和 射線為電離輻射，含有很高的能量，能產(chǎn)生電離作用，因射線為電離輻射，含有很高的能量，能產(chǎn)生電離作用，因而能直接或間接地改變而能直接或間接地改變DNA 結(jié)構(gòu)。直接的效應(yīng)是堿基的化學(xué)鍵，脫氧核糖結(jié)構(gòu)。直接的效應(yīng)是堿基的化學(xué)鍵，脫氧核糖的化學(xué)鍵和糖的化學(xué)鍵和糖酸相連接的化學(xué)鍵斷裂；酸相連接的化學(xué)鍵斷裂； 14w

11、 15 受體菌直接吸收來自供體菌的受體菌直接吸收來自供體菌的DNA 片段，通過交換片段，通過交換組合把它整合到自己的基因組中，從而獲得了供體菌組合把它整合到自己的基因組中，從而獲得了供體菌的部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的受體菌，的部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的受體菌，稱為轉(zhuǎn)化子。供體菌的稱為轉(zhuǎn)化子。供體菌的DNA 片段稱為轉(zhuǎn)化因子。片段稱為轉(zhuǎn)化因子。w 只有處于感受態(tài)的細(xì)菌才能接受轉(zhuǎn)化因子，進(jìn)行只有處于感受態(tài)的細(xì)菌才能接受轉(zhuǎn)化因子，進(jìn)行轉(zhuǎn)化作用。轉(zhuǎn)化作用。 w轉(zhuǎn)化過程大致是這樣的：轉(zhuǎn)化過程大致是這樣的：w 從供體菌提取出轉(zhuǎn)化因子雙鏈從供體菌提取出轉(zhuǎn)化因子雙鏈DNA片段；片段；w

12、 雙鏈雙鏈DNA 片段與感受態(tài)受體菌的細(xì)胞表面特片段與感受態(tài)受體菌的細(xì)胞表面特定位點(diǎn)結(jié)合；定位點(diǎn)結(jié)合；w 在結(jié)合位點(diǎn)上，雙鏈在結(jié)合位點(diǎn)上，雙鏈DNA 中的一條單鏈逐步中的一條單鏈逐步降解，同時(shí)另一條鏈逐步進(jìn)入受體細(xì)胞。降解，同時(shí)另一條鏈逐步進(jìn)入受體細(xì)胞。w 進(jìn)入受體細(xì)胞的進(jìn)入受體細(xì)胞的DNA 單鏈與受體菌染色體組單鏈與受體菌染色體組上同源區(qū)段配對(duì)，而受體菌染色體組的相應(yīng)單鏈上同源區(qū)段配對(duì)，而受體菌染色體組的相應(yīng)單鏈片段被切除，并被進(jìn)入受體細(xì)胞的片段被切除，并被進(jìn)入受體細(xì)胞的DNA 單鏈所取單鏈所取代，于是形成了雜種代，于是形成了雜種DNA 區(qū)段；區(qū)段；w 受體菌染色體進(jìn)行復(fù)制，其中雜種區(qū)段被分

13、受體菌染色體進(jìn)行復(fù)制，其中雜種區(qū)段被分離成兩個(gè)，一個(gè)恢復(fù)，一個(gè)形成一個(gè)轉(zhuǎn)化子。離成兩個(gè)，一個(gè)恢復(fù)，一個(gè)形成一個(gè)轉(zhuǎn)化子。 16w 1普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) 由缺陷型噬菌體誤包（而非整合）供體由缺陷型噬菌體誤包（而非整合）供體細(xì)菌細(xì)菌DNA 中的任何一部分片段（包括核外遺傳物質(zhì)在內(nèi)）中的任何一部分片段（包括核外遺傳物質(zhì)在內(nèi)）后，當(dāng)它再次感染受體細(xì)菌時(shí)，使后者獲得了這部分遺傳后，當(dāng)它再次感染受體細(xì)菌時(shí)，使后者獲得了這部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。它的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為性狀的現(xiàn)象，稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。它的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為 105108。 2局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo) 由溫和噬菌體侵染而形成的某一溶源細(xì)由溫和噬菌體侵染而形

14、成的某一溶源細(xì)菌群被誘導(dǎo)裂解時(shí)，其中極少數(shù)個(gè)體的菌群被誘導(dǎo)裂解時(shí)，其中極少數(shù)個(gè)體的DNA 可能與噬菌可能與噬菌體體DNA 發(fā)生若干特定基因的交換，從而被整合到噬菌體發(fā)生若干特定基因的交換，從而被整合到噬菌體的基因組上，當(dāng)該噬菌體再次感染受體細(xì)菌時(shí)，就使受體的基因組上，當(dāng)該噬菌體再次感染受體細(xì)菌時(shí)，就使受體細(xì)菌獲得了這一特定遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)，細(xì)菌獲得了這一特定遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)，它的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為它的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為 10-6。17w 通過供體細(xì)菌和受體細(xì)菌完整細(xì)胞間的直接接觸而傳遞大段通過供體細(xì)菌和受體細(xì)菌完整細(xì)胞間的直接接觸而傳遞大段DNA 的的過程，稱為接合（有時(shí)也稱雜交）

15、。過程，稱為接合（有時(shí)也稱雜交）。 w 在細(xì)菌中，接合現(xiàn)象研究最清楚的是大腸桿菌。發(fā)現(xiàn)能夠進(jìn)行在細(xì)菌中，接合現(xiàn)象研究最清楚的是大腸桿菌。發(fā)現(xiàn)能夠進(jìn)行接合現(xiàn)象的大腸桿菌有雄性與雌性之分，而決定它們性別的是由是接合現(xiàn)象的大腸桿菌有雄性與雌性之分，而決定它們性別的是由是否存在否存在 F 因子所決定。因子所決定。w F 因子又稱致育因子，是一種質(zhì)粒，分子量為因子又稱致育因子，是一種質(zhì)粒，分子量為 5107 道爾頓道爾頓；w 雌性細(xì)菌不含雌性細(xì)菌不含F(xiàn) 因子，稱為因子，稱為F - - 菌株菌株，w 雄性細(xì)菌含有游離存在的雄性細(xì)菌含有游離存在的F 因子，稱為因子，稱為F + + 菌株菌株，w 當(dāng)當(dāng)雄性細(xì)菌

16、細(xì)胞中所含的雄性細(xì)菌細(xì)胞中所含的F 因子被整合在細(xì)胞核的因子被整合在細(xì)胞核的DNA 上，不上，不呈游離狀態(tài)存在稱為呈游離狀態(tài)存在稱為Hfr 菌株菌株（高頻重組菌株高頻重組菌株）；w 有有時(shí)時(shí)被整合在細(xì)胞核被整合在細(xì)胞核DNA 上上的的F 因子，從因子，從DNADNA上面脫落下來，呈上面脫落下來，呈游離存在，但在脫落時(shí)，游離存在，但在脫落時(shí)，F(xiàn) 因子有時(shí)能帶一小段細(xì)胞核因子有時(shí)能帶一小段細(xì)胞核 DNA。我們我們將這種含有游離存在的但又帶有一小段細(xì)胞核將這種含有游離存在的但又帶有一小段細(xì)胞核DNA 的的F 因子的細(xì)菌因子的細(xì)菌稱為稱為 F菌株菌株。 18（四）溶源性轉(zhuǎn)變（四）溶源性轉(zhuǎn)變19 w 2

17、0w 21 22一、從自然界中分離篩選菌種的方法步驟一、從自然界中分離篩選菌種的方法步驟 方法、地點(diǎn)、時(shí)間和周圍環(huán)境記錄方法、地點(diǎn)、時(shí)間和周圍環(huán)境記錄純種分離的原則就是使培養(yǎng)物獲得單個(gè)菌落：純種分離的原則就是使培養(yǎng)物獲得單個(gè)菌落：1稀釋分離法稀釋分離法 2平板劃線分離法平板劃線分離法 涂菌涂菌： 劃線分離劃線分離：分步劃線法分步劃線法；一次劃線法：一次劃線法： 3組織分離法組織分離法 23出發(fā)菌株出發(fā)菌株同步培養(yǎng)同步培養(yǎng) 使菌細(xì)胞處于相同或接近的生理狀態(tài)使菌細(xì)胞處于相同或接近的生理狀態(tài)單細(xì)胞（或單孢子）菌懸液的制備單細(xì)胞（或單孢子）菌懸液的制備 單細(xì)胞或單孢子的意義單細(xì)胞或單孢子的意義 酵母或

18、霉菌孢子酵母或霉菌孢子10106 6 / /ml ml 、細(xì)菌、細(xì)菌10108 8 / /ml ml 誘變劑的選擇及其劑量的確定誘變劑的選擇及其劑量的確定 以致死率為以致死率為9099 為宜為宜誘變處理誘變處理 物理誘變劑物理誘變劑 化學(xué)誘變劑化學(xué)誘變劑24 252營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株篩選的一般方法營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株篩選的一般方法 26 27 20種氨基酸的排列編組種氨基酸的排列編組28 w 29w 1提取目的基因 用密度梯度離心方法分別從供體細(xì)胞中提取所需要的DNA即目的基因和作為載體的細(xì)菌質(zhì)?；蚴删w核酸，目的基因也可通過化學(xué)方法人工合成。w 2處理目的基因 根據(jù)基因工程的“設(shè)計(jì)藍(lán)圖”的要求，在從供體細(xì)胞中提取出的目的基因中加入專一性很強(qiáng)的限制性核酸內(nèi)切酶進(jìn)行處理，從而獲得帶有特定基因并暴露出粘性末端的DNA單鏈部分。必