第5章微生物遺傳變異

食品微生物學(xué)劉書亮微生物的遺傳變異與菌種選育第五章食品微生物學(xué)劉書亮了解微生物遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)。掌握基因突變的實(shí)質(zhì)、類型、特點(diǎn)和機(jī)制。了解不同類型微生物的基因重組。學(xué)會(huì)依據(jù)微生物的遺傳特性設(shè)計(jì)工業(yè)微生物菌種的篩選程序，并能合理保藏所得菌種。目的要求食品微生物學(xué)劉書亮主要內(nèi)容1、微生物遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)2、微生物的基因突變3、微生物的基因重組4、微生物的菌種選育5、微生物菌種保藏及復(fù)壯遺傳（heredity

）:上一代生物將自身的一整套遺傳基因穩(wěn)定地傳遞給下一代的特性。變異（variation）：生物體在某種外因或內(nèi)因的作用下，發(fā)生遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量的改變，而且這種改變穩(wěn)定，具有可遺傳性。幾個(gè)概念1.

遺傳與變異遺傳保證了微生物種的相對(duì)穩(wěn)定性、種的存在和延續(xù)，而變異則推動(dòng)了種的進(jìn)化和發(fā)展。2.

遺傳型和表型遺傳型（genotype）表型(phenotype)某一生物體個(gè)體所含有的全部遺傳因子，即基因的總和，又稱為基因型。某一生物體所具有的一切外表特征及內(nèi)在特性的總和。遺傳型表型環(huán)境條件＋代謝、發(fā)育飾變（modification）表型的差異只與環(huán)境有關(guān)。不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上的表型改變。谷氨酸發(fā)酵的溫度敏感菌株在30℃時(shí)菌體生長(zhǎng)而不產(chǎn)生氨基酸，但是當(dāng)溫度提高到37℃時(shí)，菌體大量合成谷氨酸。變異遺傳物質(zhì)改變，導(dǎo)致表型改變3.

飾變與變異（遺傳型變異,基因突變）特點(diǎn)：遺傳性、群體中極少數(shù)個(gè)體的行為（自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）特點(diǎn)：暫時(shí)性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個(gè)體的行為。食品微生物學(xué)劉書亮比表面積大；

個(gè)體易變異；

便于建立純系；作為遺傳研究材料4、微生物是遺傳學(xué)研究中的明星：一、證明核酸是遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)二、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)存在部位和方式5.1微生物遺傳變異肺的炎雙物球質(zhì)菌轉(zhuǎn)基化礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（講）噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)病毒重建實(shí)驗(yàn)食品微生物學(xué)劉書亮1928年F.Griffith，1944年Avery，肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)分別用降解DNA、RNA、蛋白質(zhì)的酶作用于有毒的S型菌細(xì)胞抽提物只有DNA被酶降解破壞的抽提物無(wú)轉(zhuǎn)化活性DNA是轉(zhuǎn)化所必需的轉(zhuǎn)化因子食品微生物學(xué)劉書亮1952年Hershey，Chase，噬菌體感染實(shí)驗(yàn)T2噬菌體感染試驗(yàn)示意圖植物病毒的重建實(shí)驗(yàn)證明雜種病毒的蛋白質(zhì)外殼來(lái)自TMV還是HRV,可用血清學(xué)反應(yīng)鑒定證明核酸（RNA）是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)血清學(xué)反應(yīng)說(shuō)明病毒蛋白質(zhì)的特性由核酸而定H.Fraenkel-Conrat

(1956年)病斑的特性和病毒核酸一致二、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)存在的部位和方式（一）七個(gè)水平細(xì)胞水平（單核，多核）細(xì)胞核水平

（真核，擬核，質(zhì)粒）染色體水平核酸水平基因水平（DNA，部分病毒為RNA；雙鏈，少數(shù)病毒為單鏈）（遺傳功能單位）密碼子水平（遺傳信息單位）核苷酸水平（最低突變單位和交換單位）（一套，兩套）基因（gene）是什么?是實(shí)體，其物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA

（或RNA）；是一個(gè)含有特定遺傳信息的DNA分子區(qū)段；是遺傳信息傳遞和性狀分化發(fā)育的依據(jù)；基因是可分的，根據(jù)功能不同，分為：編碼蛋白質(zhì)的基因無(wú)翻譯產(chǎn)物的基因不轉(zhuǎn)錄的DNA區(qū)段結(jié)構(gòu)基因（結(jié)構(gòu)蛋白，酶）調(diào)節(jié)基因（阻遏蛋白或激活蛋白）tRNA基因（簡(jiǎn)稱tDNA

）

rRNA基因（簡(jiǎn)稱rDNA

）啟動(dòng)子（promotor）操縱基因（operator）基因是一個(gè)含有特定遺傳信息的核苷酸序列，它是遺傳的功能單位。質(zhì)粒（plas一種獨(dú)胞質(zhì)遺傳因進(jìn)行自主復(fù)制的細(xì)種微生物細(xì)胞中。質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子mid）：立于染色體外，能子，主要存在于各位于染色體或質(zhì)粒上的一段能改變自身位置的DNA序列，廣泛分布于原核和真核細(xì)胞中。質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb；轉(zhuǎn)座因子（transposable

element）：原核生物的質(zhì)粒性質(zhì)：自主復(fù)制；轉(zhuǎn)移性；質(zhì)粒的不親和性；質(zhì)?？上?；包括插入序列IS、轉(zhuǎn)座子Tn和某些特殊病毒Mu。質(zhì)粒的主要類型根據(jù)質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng)分類:致育因子（Fertility

factor，F(xiàn)因子）抗性質(zhì)粒（Resistance

factor，R因子）產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin

production

plasmid毒性質(zhì)粒（virulence

plasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolic

plasmid）隱秘質(zhì)粒（cryptic

plasmid）2μm質(zhì)粒根據(jù)拷貝數(shù)或復(fù)制特點(diǎn)，質(zhì)?？煞譃椋焊呖截悢?shù)(high

copy

number)質(zhì)粒（每個(gè)細(xì)胞中可以有10~100個(gè)拷貝,其復(fù)制和染色體的復(fù)制不同步）如ColE1、ColE2等———————松弛型質(zhì)粒(relaxed

plasmid)低拷貝數(shù)(low

copynumber)質(zhì)粒（每個(gè)細(xì)胞中只有1~2個(gè)拷貝,其復(fù)制行為與染色體的復(fù)制同步）如F因子，R100———————嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒(stringent

plasmid)窄宿主范圍質(zhì)粒(narrow

host

range

plasmid)（只能在一種特定的宿主細(xì)胞中復(fù)制）廣宿主范圍質(zhì)粒(broad

host

range

plasmid)（可以在許多種細(xì)菌中復(fù)制）食品微生物學(xué)劉書亮5.2微生物的基因突變1、突變的類型2、突變的特點(diǎn)3、突變的機(jī)制野生型:------從自然界分離到的菌株一般稱野生型菌株（wild

typestrain），簡(jiǎn)稱野生型。突變株:-----野生型經(jīng)突變后形成的帶有新性狀的菌株，稱為突變株（mutant）。食品微生物學(xué)劉書亮染色體畸變：是指染色體較大范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的變化，如缺失、重復(fù)、倒位、易位等以及染色體數(shù)目的變化。1、突變的類型突變：指遺傳物質(zhì)突然發(fā)生穩(wěn)定的可遺傳的變化，影響生物正常遺傳的表型和性能的現(xiàn)象。1）突變涉及的范圍，可分為:基因(點(diǎn))突變：是指一個(gè)基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變，涉及一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)堿基的置換、缺失或插入堿基置換：各種類型的轉(zhuǎn)換和顛換移碼突變：堿基對(duì)的增減則造成增減變異點(diǎn)以后全部密碼及其編碼的氨基酸改變。同種堿基的置換不同種堿基的置換？？食品微生物學(xué)劉書亮★營(yíng)養(yǎng)缺陷突變型：抗性突變型：★抗藥、紫外線、噬菌體；★條件致死突變型：形態(tài)突變型：抗原突變型：產(chǎn)量突變型：2）突變的表型可分為：（1）營(yíng)養(yǎng)缺陷型（auxotroph）一種缺乏合成其生存所必須的營(yíng)養(yǎng)物（包括氨基酸、維生素、堿基等）的突變型，只有從周圍環(huán)境或培養(yǎng)基中獲得這些營(yíng)養(yǎng)或其前體物（precursor）才能生長(zhǎng)。營(yíng)養(yǎng)缺陷型是微生物遺傳學(xué)研究中重要的選擇標(biāo)記和育種的重要手段表型判斷的標(biāo)準(zhǔn)：在基本培養(yǎng)基上能否生長(zhǎng)特點(diǎn)：在選擇培養(yǎng)基（一般為基本培養(yǎng)基）上不生長(zhǎng)負(fù)選擇標(biāo)記突變株不能通過(guò)選擇平板直接獲得營(yíng)養(yǎng)缺陷型的表示方法：基因型：所需營(yíng)養(yǎng)物的前三個(gè)英文小寫斜體字母表示：hisC（組氨酸缺陷型，其中的大寫字母C同一表型中不同基因的突變）表型：同上，但第一個(gè)字母大寫，且不用斜體：HisC在具體使用時(shí)多用hisC-和hisC+，分別表示缺陷型和野生型。（2）抗藥性突變型（resistant

mutant）使菌株對(duì)某種或某幾種藥物（如抗生素），產(chǎn)生抗性。特點(diǎn)：正選擇標(biāo)記（突變株可直接從抗性平板上獲得-----在加有相應(yīng)抗生素的平板上，只有抗性突變能生長(zhǎng)。所以很容易分離得到。）表示方法：所抗藥物的前三個(gè)小寫斜體英文字母加上“r”表示strr

和strs

分別表示對(duì)鏈霉素的抗性和敏感性（3）條件致死突變型（conditional

lethal

mutant）203在某一條件下具有致死效應(yīng)，而在另一條件下沒(méi)有致死效應(yīng)的突變型。常用的條件致死突變是溫度敏感突變，用ts（temperature

sensitive）表示，這類突變?cè)诟邷叵拢ㄈ?2℃）是致死的，但可以在低溫（如25-30℃）下得到這種突變。特點(diǎn)：負(fù)選擇標(biāo)記這類突變型常被用來(lái)分離生長(zhǎng)繁殖必需的突變基因（4）形態(tài)突變型（morphological

mutant）造成形態(tài)改變的突變型特點(diǎn)：

非選擇性突變突變株和野生型菌株均可生長(zhǎng)，但可從形態(tài)特征上進(jìn)行區(qū)分。的篩選舉例：

產(chǎn)蛋白酶缺陷突變株菌落顏色變化乳糖苷酶基因的插與蘭色的非重組子分開(kāi)。β半形成芽孢缺陷菌株入失活，使重組子菌落為白色而（5）抗原突變型由于突變引起的細(xì)胞抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生變異的類型。細(xì)胞壁缺陷變異莢膜、鞭毛成分變異（6）產(chǎn)量突變型通過(guò)基因突變而產(chǎn)生的在代謝產(chǎn)物產(chǎn)量上明顯有別于原始菌株的突變。正突變（plusmutant）負(fù)突變（minus

mutant）食品微~物學(xué)劉書亮3）突變的條件和原因自然突變：在自然條件下微生物發(fā)生的基因突變。突變率為10-8個(gè)左右。誘發(fā)突變：人工理化因素處理微生物引起的突變。物理誘變：化學(xué)誘變：復(fù)合誘變：定向培育和馴化：自發(fā)性非對(duì)應(yīng)性稀有性獨(dú)立性可誘變性穩(wěn)定性可逆性2、基因突變的特點(diǎn)突變性狀與突變?cè)虿粚?duì)應(yīng)(如何證明)突變基因的性狀是穩(wěn)定的誘變劑可提高突變率，10-106倍自發(fā)突變幾率低，10-6--10-9不同基因的突變互不影響回復(fù)突變證明突變的性狀與引起突變的原因間無(wú)直接對(duì)應(yīng)關(guān)系！三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)變量實(shí)驗(yàn)（講）、涂布實(shí)驗(yàn)、影印實(shí)驗(yàn)基因突變自發(fā)性和非對(duì)應(yīng)性的證明變量實(shí)驗(yàn)（fluctuation

analysis）Salvador

Luria

and

Max

Delbruck（1943）The

Nobel

Prize

in

Physiology

or

Medicine

1969對(duì)噬菌體T1敏感的E.coli

對(duì)數(shù)期培養(yǎng)物，稀釋至103/mL,分裝兩試管，各10

mL與甲管分裝的各小管同時(shí)保溫24~36h甲管乙管Newcombe的涂布實(shí)驗(yàn)（1949）在涂布過(guò)的一組中，共長(zhǎng)出抗性菌落353個(gè)，比未經(jīng)涂布過(guò)的（28個(gè)菌落）高得多約繁殖了12.3代選用對(duì)T1

噬菌體敏感的

E.coli，以相等數(shù)目涂布于

12個(gè)平板上影印實(shí)驗(yàn)（replica

plating

）Joshua

Lederberg

and

Esther

Lederberg（1952）通過(guò)使菌不接觸抗性環(huán)境而檢查其抗性菌落的方法J.

Lederberg

is

awarded

the

Noble

Prize

inMedicine

and

Physiology

in

1958食品微生物學(xué)劉書亮3、基因突變的機(jī)制3.1自發(fā)突變的機(jī)制3.2誘發(fā)突變的機(jī)制突變真的與選擇壓力無(wú)關(guān)嗎？？食品微生物學(xué)劉書亮3.1自發(fā)突變的機(jī)制多因素低劑量的誘變效應(yīng)：微生物自身代謝產(chǎn)物的誘變效應(yīng)：咖啡堿、硫氰化合物、二硫化二丙烯、重氮絲氨酸；H2O2互變異構(gòu)效應(yīng)：正-反的互變：堿基-脫氧核糖鍵旋轉(zhuǎn)造成。4）環(huán)狀突變效應(yīng)

：向外環(huán)出 恢復(fù)正常錯(cuò)配食品微生物學(xué)劉書亮ATGC食品微生物學(xué)劉書亮食品微生物學(xué)劉書亮模板鏈復(fù)制鏈模板鏈復(fù)制鏈?zhǔn)称肺⑸飳W(xué)劉書亮3.2誘發(fā)突變的機(jī)制堿基對(duì)的置換移碼突變?nèi)旧w畸變直接間接該類誘變劑與堿基起化學(xué)反應(yīng)，改變堿基的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致錯(cuò)配。亞硝酸：G-C

A-T

轉(zhuǎn)換互變各種烷化劑

：G-C

A-T

互變羥胺：只引起G-C

A-T

轉(zhuǎn)換（專一性與C起反應(yīng)）1）堿基置換——1）直接講1次2次烷甲基磺酸乙酯（EMS）甲基磺酸甲酯（MMS）化劑

硫酸二乙酯（DES）N-甲基-N’-硝基-N-亞硝基胍(NTG)氮芥、硫芥環(huán)氧乙烷NTG：誘變作用強(qiáng)，稱為超強(qiáng)誘變劑（突變率1%）；能誘發(fā)鄰近位置的基因同時(shí)發(fā)生突變，即所謂并發(fā)突變。很多烷化劑除了能誘發(fā)點(diǎn)突變外，還能誘發(fā)染色體畸變。由于染色體畸變常為輻射所誘發(fā)，所以這些物質(zhì)又稱為擬輻射物質(zhì)。烷化劑作用的主要機(jī)理是引起堿基上某些能形成氫鍵的集團(tuán)發(fā)生烷基化。烷化位點(diǎn)主要在鳥(niǎo)嘌呤的N‐7位和腺嘌呤的N‐3位上，烷化后的堿基也像堿基結(jié)構(gòu)類似物一樣能引起堿基配對(duì)的錯(cuò)誤。烷化劑的另一作用是使嘌呤整個(gè)地從DNA鏈上脫下來(lái)，產(chǎn)生一個(gè)缺口，在與缺口相對(duì)應(yīng)的位點(diǎn)上就能配上任何一個(gè)堿基，從而引起轉(zhuǎn)換或顛換。1）堿基置換——2）間接它們?cè)贒NA復(fù)制中能摻入DNA

分子中，由于其產(chǎn)生異構(gòu)體的頻引起堿基的一類與正常堿基結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，稱為堿基類似物。如：5-BU,

8-NG,

2-AP等。率高，因此發(fā)生的A錯(cuò)-誤T

配對(duì)可A-T

A-BUA-TG-BUG-CA-BU加入5-BU

置換。食品微生物學(xué)劉書亮食品微生物學(xué)劉書亮扁平的三個(gè)苯環(huán)結(jié)構(gòu)類似于堿基對(duì)的化合物，能插入DNA堿基對(duì)間，使堿基增加或缺失而造成。吖啶、吖啶黃、吖啶橙，5-氨基吖啶、溴化乙錠。2）移碼突變食品微生物學(xué)劉書亮3）染色體畸變紫外線（UV）

、x射線、γ射線等、亞硝酸及烷化劑常用的非電離輻射誘變因子。作用機(jī)制：DNA鏈的斷裂、

DNA雙鏈的交聯(lián)、嘧啶的水合作用相鄰堿基形成嘧啶二聚體（TT,TC,CC）等。其中最主要的效應(yīng)是TT的形成(鏈間、鏈內(nèi))。影響解鏈——復(fù)制與轉(zhuǎn)錄——死亡影響氫鍵—扭曲變形—堿基配對(duì)—突變或死亡食品微生物學(xué)劉書亮食品微生物學(xué)劉書亮食品微生物學(xué)劉書亮紫外損傷的修復(fù)系統(tǒng)（研究較詳細(xì)）光復(fù)活作用（講）切除修復(fù)作用重組修復(fù)作用緊急呼救（SOS）修復(fù)系統(tǒng)食品微生物學(xué)劉書亮光復(fù)活作用光解酶結(jié)合專一識(shí)別“T-T”黑暗酶-DNA光解

光照“T-T”拆開(kāi)，酶再釋放提高誘變率方法：用紫外線照射菌液后，要在紅

燈下操作處理，再于暗室中或用黑布包起來(lái)培養(yǎng)。原理光可大大降低經(jīng)紫外線照射后微生物死亡率的現(xiàn)象?？梢?jiàn)食品微生物劉書亮學(xué)一種普遍的修復(fù)系統(tǒng)。能移去TT和修復(fù)大多數(shù)引起的DNA扭曲損傷。該修復(fù)系統(tǒng)不需要可見(jiàn)光，通過(guò)酶切作用移去損傷的堿基（包括損傷位點(diǎn)附近的一些堿基），隨后合成一段正常

DNA鏈。4種酶參與內(nèi)切核酸酶外切核酸酶

DNA聚合酶

DNA連接酶切除修復(fù)（excision

repair，又稱暗修復(fù)）食品微生物學(xué)劉書亮重組修復(fù)一種越過(guò)損傷而進(jìn)行的修復(fù)。這種修復(fù)不將損傷的堿基除去，而是通過(guò)復(fù)制后，經(jīng)染色體交換，使子鏈上的空隙部位不再面對(duì)著嘧啶二聚體，而是面對(duì)著正常的單鏈，在這種情況下，DNA聚合酶和連接酶便能起作用，把空隙部分進(jìn)行修復(fù)。留在親鏈上的二聚體仍要依靠再一次的切除修復(fù)加以除去，或經(jīng)細(xì)胞分裂而稀釋掉。食品微生物學(xué)劉書亮這是細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的一種應(yīng)急反應(yīng).細(xì)胞中有許多基因和操縱子受RecA蛋白協(xié)同調(diào)控和LexA阻遏蛋白的抑制。SOS修復(fù)系統(tǒng)是由RecA蛋白誘導(dǎo)的，由于存在較多DNA損傷時(shí)，Rec