微生物遗传变异与育种
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微生物 10-4、5、6第十章 微生物的遗传变异和育种
工程菌的稳定性问题
由工程菌产生的珍稀药物如：胰岛素、干扰素、 人生长激素、乙肝表面抗原、人促红细胞生成 素、重组链激酶等都已先后供应市场，不仅保 证了这些药物的来源，而且使成本大大降低。 但工程菌在发酵生产和保存过程中表现出不稳 定性，具体表现为：质粒的丢失；重组质粒发 生DNA片断脱落；表达产物不稳定。 工程菌的稳定与否，与重组质粒本身的分子组 成、宿主细胞生理和遗传性以及环境条件等因 素有关。
性状稳定的菌种是微生物学工作最重要的基本要求，否 则生产或科研都无法正常进行。 影响微生物菌种稳定性的因素：a）变异；b）污染； c ）死亡。
一、菌种的衰退与复壮
衰退：菌种出现或表现出负变性状
菌种衰退的原因： ①大量群体中的自发突变
自发突变
纯菌种
不纯菌种
传代增殖
衰退菌种
原始个体
突变个体 菌种衰退的原因： ②分离现象。 菌种衰退的原因： ③培养条件与传代。
准性杂交育种
第五节 分子育种（基因工程育种）
一、基因工程 定义：在基因水平上，改造遗传物质，从而使 物种发生变异，创建出具有某种稳定新性状的 生物新品系。
特点：可设计性、稳定性、远缘性、风险性
二、基因工程的基本操作 获得目的基因
选择基因载体
体外重组 外源基因导入 筛选和鉴定
应用
通过基因工程改变后的菌株被称为“工程菌”， 工程菌已逐渐应用于药物的微生物发酵生产中， 主要有以下几个方面：①增加生物合成基因量而 增加抗生素产量；②导入强启动子或抗性基因而 增加抗生素产量；③把两种不同的生物合成基因 在体外重组后再导入受体而产生杂交抗生素；④ 激活沉默基因，以其产生新的生物活性物质或提 高抗生素产量；⑤把异源基因克隆到宿主中表达， 以期彻底改变生产工艺。
微生物 第7章 微生物遗传变异
裂解
过程：供体菌
正常噬菌体 + 完全缺陷噬菌体
少量裂解物 + 大量受体菌 遗传稳定的转导子
2020/1/15
完全普遍转导
2020/1/15
感染复数（m.o.i，multiplicity of infection）:
一、原核微生物的基因重组
• 基因重组的方式
– 转化 – 转导 – 接合 – 原生质体融合
2020/1/15
（一）转化（transformation）
1、转化及其发现：
R型活菌+S型死菌→ →S型活菌 ➢定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌 的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部 分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的受 体菌称为转化子（transformant）。 ➢有关名词：
2020/1/15
2020/1/15
（二）噬菌体感染实验 • 创立人：美国人Hershey AND Chase于
1952年 • 研究对象：噬菌体
2020/1/15
（三）植物病毒的重建实验 • 创立人：Conrat AND Singer于1956年创立 • 研究对象：TMV AND HRV • 过程：将两病毒的RNA和蛋白质外壳分别抽取出来并
（一）遗传物质在7个水平上的形式 1、细胞水平 2、细胞核水平 3、染色体水平 4、核酸水平 5、基因水平 6、密码子水平 2020/1/175 、核苷酸水平
（二）微生物基因组结构的特点
1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组
1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）； 2）基因组上遗传信息具有连续性； 基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数 一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。 3）功能相关的结构基因组成操纵子结构； 4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝； 5）基因组的重复序列少而短； 个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的rRNA和tRNA 中也发现有内含子或间插序列
第七章微生物的遗传变异和育种2
10-6~10-9
若干细菌某一性状的突变率
菌名
突变性状
突变率
Escherichia coil （大肠杆菌）
抗T1噬菌体
3×10-8
E．coil
抗T3噬菌体
1×10-7
E．coil
不发酵乳糖
1×10-10
E．coil
Staphylococcus aureus（金黄色葡 萄球菌）
S．aureus
抗紫外线 抗青霉素 抗链霉素
间接引起置换的诱变剂：
引起这类变异的诱变剂都是一些碱基类似物，如5-溴尿嘧 啶（5-BU）、5-氨基尿嘧啶（5-AU）、8-氮鸟嘌呤 （8-NG）、2-氨基嘌呤（2-AP）和6-氯嘌呤（6-CP） 等。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA 分子中后而引起的，故是间接的。
（2）移码突变（frame-shift mutation 或phase-shift mutation）
（四） 基因突变的自发性和不对应性的证明
一种观点：突变是“定向变异”，是“驯化”，是由环 境因子诱发出来的；
另一种观点；基因突变是自发的，且与环境因素是不对 应的，后者只不过是选择因素；
1、 变量试验（fluctuation test） 又称波动试验或彷徨试 验。
2、涂布试验（Newcombe experiment） 3、平板影印培养试验（replica plating） 1952年，J．Lederberg夫妇
2、定向培育优良品种：指用某一特定因素长期处理某微生 物的群体，同时不断的对它们进行移种传代，以达到积 累并选择相应的自发突变株的目的。由于自发突变 的 频 率较低，变异程度较轻微，所以培育新种的过程十分缓 慢。与诱变育种、杂交育种和基因 工程技术相比，定向 培育法带有“守株待兔”的性质，除某些抗性突变外， 一般要相当长的时间
微生物遗传育种学
微生物遗传育种学
微生物遗传育种学是研究微生物的遗传变异、遗传改良及育种技术的学科。
微生物指的是细菌、真菌、病毒等单细胞生物。
微生物遗传育种学主要关注微生物在遗传水平上的变异、变异的调控机制以及如何通过遗传改良来获得具有特定性状的微生物株系。
微生物遗传育种学的研究内容包括：
1. 遗传变异的检测与分析：通过分子生物学、基因组学等技术手段，研究微生物中存在的遗传变异，探究变异的产生机制和变异位点的定位。
2. 遗传改良的策略和方法：通过基因工程、突变育种、自然选择等手段，改良微生物的遗传性状，如产量、耐受性、代谢能力等，以提高微生物在工业生产、环境修复、药物开发等方面的应用性能。
3. 突变育种的应用：通过诱变剂或辐射等方法，诱发微生物的突变，筛选出具有特定性状的突变株系，进一步进行遗传改良。
4. 基因工程的应用：通过外源基因的引入、基因的删除或修改等手段，改变微生物的基因组，使其具有特定的功能或产物。
通过微生物遗传育种学的研究与应用，可以获得具有工业、农业、医疗等方面应用潜力的微生物种类，为人类社会的发展和生活带来诸多好处。
微生物的遗传变异和育种
第一节 微生物遗传的物质基础
三、基因表达 在所有的生物中，基因的主要功能是把遗传信息转变 为特定氨基酸顺序的多肽，从而决定生物性状的过程，这 一过程称为基因表达。基因表达包括以下两个步骤，首先 以DNA为模板，通过RNA聚合酶转录出mRNA（信使RNA）， 然后将mRNA的碱基顺序翻译成由相应氨基酸顺序组成的蛋 白质（图6-1)。
第一节 微生物遗传的物质基础
（四）核苷酸 各种遗传密码子储存着各自对应的信息，而单个核苷 酸或碱基则是密码子的组成单位，是基因突变的最小单位。 从绝大多数微生物的DNA组分来看，其分别由腺苷酸、胸 苷酸、鸟苷酸和胞苷酸4种脱氧核苷酸组成。其上的碱基 分别为腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞 嘧啶（C）。
第一节 微生物遗传的物质基础
相结合。不论真核微生物的细胞核还是原核微生物细胞的 核区都是该微生物遗传信息的大本营和信息库，因此被称 为核基因组、核染色体组或简称基因组。再从细胞内的染 色体数目来看，不同的微生物的染色体数目差别很大，真 核微生物常有较多的染色体，如酵母菌属中有的种有17条 之多，而原核微生物中常只有一条裸露的环状DNA大分子 核酸，即一条染色体。
第一节 微生物遗传的物质基础
二、DNA的结构与复制 （一）DNA的结构 1953年，Watson和Crick首先提出DNA的结构模型，认 为DNA是由两条反向平行的多核苷酸组成的双螺旋结构， 两条多核苷酸链通过碱基间的氢键相结合。此结构已经扫 描隧道显微镜所证实。
第一节 微生物遗传的物质基础
（二）DNA的复制 在细胞分裂和传代的过程中，作为微生物遗传物质 的DNA必须准确无误地复制，才能使子代细胞含有相同的 遗 传 信 息 ， 以 保 持 物 种 的 稳 定 。 1 9 5 8 年 ， Meselson 和 Stahl用15N标记的碱基培养大肠杆菌，并定时取样分离DNA， 进行密度梯度离心。研究结果证明，DNA是以独特的半保 留方式进行复制的，即每一子代DNA分子的一条链来自亲 代，另一条链是新合成的。
北京大学 微生物 第十讲 微生物的遗传变异和育种
溶源转变与转导有本质上的 溶源转变与转导有本质上的不同 （P229） ）
首先 它的温和噬菌体不携带任何供体菌的基因。 其次 这种噬菌体是完整的，而不是缺陷型的 溶源转变的例子是不产毒素的白喉棒杆菌， 该菌株在被β-噬菌体感染而发生溶源化时，会变 成产白喉毒素的致病菌株。
接合
通过供体菌与受体菌间细胞 相接触而传递大段DNA的过程。
第四节 基因工程
定义：(p236) 定义： 基因工程的基本操作： 基因工程的基本操作：
目的基因的选取 优良载体的选择 目的基因与载体DNA的体外重组 重组载体导入受体细胞 重组受体细胞的筛选和鉴定
第一节 生物遗传信息的载体 生物的遗传变异有无物质基础， 生物的遗传变异有无物质基础，何种物质可执行 遗传变异功能的问题。（蛋白质？核酸？ 。（蛋白质 遗传变异功能的问题。（蛋白质？核酸？）
（一）经典转化实验
三组对照说明转化因子的本质
（二）噬菌体感染实验
（三）植物病毒(TMV)的重建实验 植物病毒 的重建实验
（一）基因突变的类型
★依表型的改变分为： 依表型的改变分为： 营养缺陷型——因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力， 因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力， 营养缺陷型 因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力 并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变 类型。 类型。 抗性突变型——因突变而产生了对某种化学药物或致死物 因突变而产生了对某种化学药物或致死物 抗性突变型 理因子的抗性 条件致死突变型——突变后在某种条件下可正常生长繁殖， 突变后在某种条件下可正常生长繁殖， 条件致死突变型 突变后在某种条件下可正常生长繁殖 而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型 抗原突变型——因突变而引起的抗原结构发生改变 因突变而引起的抗原结构发生改变 抗原突变型 产量突变型—— 产量突变型 形态突变型—— 形态突变型
首先 它的温和噬菌体不携带任何供体菌的基因。 其次 这种噬菌体是完整的，而不是缺陷型的 溶源转变的例子是不产毒素的白喉棒杆菌， 该菌株在被β-噬菌体感染而发生溶源化时，会变 成产白喉毒素的致病菌株。
接合
通过供体菌与受体菌间细胞 相接触而传递大段DNA的过程。
第四节 基因工程
定义：(p236) 定义： 基因工程的基本操作： 基因工程的基本操作：
目的基因的选取 优良载体的选择 目的基因与载体DNA的体外重组 重组载体导入受体细胞 重组受体细胞的筛选和鉴定
第一节 生物遗传信息的载体 生物的遗传变异有无物质基础， 生物的遗传变异有无物质基础，何种物质可执行 遗传变异功能的问题。（蛋白质？核酸？ 。（蛋白质 遗传变异功能的问题。（蛋白质？核酸？）
（一）经典转化实验
三组对照说明转化因子的本质
（二）噬菌体感染实验
（三）植物病毒(TMV)的重建实验 植物病毒 的重建实验
（一）基因突变的类型
★依表型的改变分为： 依表型的改变分为： 营养缺陷型——因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力， 因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力， 营养缺陷型 因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力 并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变 类型。 类型。 抗性突变型——因突变而产生了对某种化学药物或致死物 因突变而产生了对某种化学药物或致死物 抗性突变型 理因子的抗性 条件致死突变型——突变后在某种条件下可正常生长繁殖， 突变后在某种条件下可正常生长繁殖， 条件致死突变型 突变后在某种条件下可正常生长繁殖 而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型 抗原突变型——因突变而引起的抗原结构发生改变 因突变而引起的抗原结构发生改变 抗原突变型 产量突变型—— 产量突变型 形态突变型—— 形态突变型
微生物的遗传和育种
微生物育种的社会和经济影响
社会影响
随着微生物遗传和育种技术的不 断发展，人们需要关注相关的伦 理、安全和环境问题，以确保技 术的可持续发展和应用。
经济影响
微生物育种技术的发展有望为工 业、农业、医药等领域带来巨大 的经济效益，同时也需要关注技 术的成本和商业化前景。
感谢您的观看
THANKS
土壤修复
微生物育种技术可用于土壤修复领域，通过改良土壤中微生物的种 类和数量，改善土壤质量，提高土壤肥力。
空气净化
某些微生物具有降解空气中有害物质的能力，通过微生物育种技术 可以改良这些微生物的降解能力，用于空气净化。
05
未来展望
基因编辑技术的发展
基因编辑技术
随着CRISPR等基因编辑技术的发展， 科学家们能够更精确、高效地修改微 生物基因，从而改良微生物的性状和 生产性能。
代谢工程育种
代谢途径分析
对微生物的代谢途径进行分析， 了解各代谢途径之间的相互关系 和调控机制。
代谢流量调控
通过调节代谢途径中的关键酶活 性或改变代谢流量的方向，以提 高目标产物的合成效率。
细胞工厂构建
通过基因工程技术对微生物进行 改造，构建具有特定代谢特征的 细胞工厂，实现目标产物的定向 生产。
基因编辑的应用
基因编辑技术有望在医药、农业、工 业等领域发挥重要作用，例如用于生 产新型药物、改良农作物、提高微生 物产物的产量和品质等。
合成生物学在微生物育种中的应用
合成生物学
合成生物学是一门新兴的交叉学科，旨 在通过设计和构建人工生物系统来改良 和优化生物功能。
VS
微生物育种中的应用
合成生物学在微生物育种中具有广阔的应 用前景，例如通过设计和构建人工微生物 来生产燃料、化学品、药物等，同时也有 助于解决环境问题和粮食安全问题。
微生物 10-1第十章 微生物的遗传变异和育种
R100质粒 质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性： 可使宿主对下列药物及重金属具有抗性： 质粒 可使宿主对下列药物及重金属具有抗性 汞（mercuric ion ，mer）四环素（tetracycline，tet ）链霉素 ）四环素（ ， (Streptomycin, Str)、磺胺 、磺胺(Sulfonamide, Su)、氯霉素 、 (Chlorampenicol, Cm)、夫西地酸（fusidic acid，fus） 、夫西地酸（ ， ） 并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。 并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。
3、质粒的类型 、
严谨型质粒(stringent plasmid)：复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数 严谨型质粒 ：复制行为与核染色体的复制同步， 松弛型质粒(relaxed plasmid)：复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数 松弛型质粒 ：复制行为与核染色体的复制不同步，
窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid) 窄宿主范围质粒 只能在一种特定的宿主细胞中复制） （只能在一种特定的宿主细胞中复制） 广宿主范围质粒(broad host range plasmid) 广宿主范围质粒 可以在许多种细菌中复制） （可以在许多种细菌中复制）
因子） （2）抗性因子（Resistance factor，R因子） ）抗性因子（ ， 因子
包括抗药性和抗重金属二大类，简称 质粒 质粒。 包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。 抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。 抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。
抗性转移因子（ 抗性转移因子（RTF）：转移和复制基因 ） R质粒 质粒 抗性决定因子： 抗性决定因子：抗性基因
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根据感受态建立的方式，可以分为： ①自然遗传转化 ②人工转化
（二）转导（transduction）
1.转导
➢细菌细胞间进行遗传交换的另一种方式，指通过缺陷噬菌 体的媒介，将供体细胞的小片段DNA携带到受体细胞中，通 过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象。
➢转导子：由转导作用获得部分新性状的重组细胞。 ➢转导噬菌体：能将一个宿主（细菌）的部分染色体或质粒 DNA带到另一个宿主（细菌）的噬菌体。
（一）转化（transformation）
1、转化
R型活菌+S型死菌→ →S型活菌 ➢定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌 的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部 分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的受 体菌称为转化子（transformant）。 ➢有关名词：
2.转导的种类
➢普遍转导（generalized transduction）：通过少数完全缺陷 噬菌体对供体菌基因组上任何小片段进行“误包”而将其遗 传性状转移给受体菌的现象。 ➢局限性转导：也称局限转导，指通过部分缺陷的温和噬菌 体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并与后者的基 因整合、重组形成转导子的现象。 ➢溶源转变：当温和噬菌体感染宿主而使其发生溶源化时， 因噬菌体的基因整合到宿主的核基因组上，而使后者获得了 除免疫性以外的新性状的现象，称为溶源转变。
原生质体融合的优点： ➢ 可以提高重组率 ➢ 双亲可以少带标记或不带标记 ➢ 可进行多亲本融合 ➢ 有利于不同种间、属间微生物的杂交 ➢ 通过原生质体融合提高产量 发展点：有关原生质体融合的遗传机制，尚未研究清楚， 目前还在探索中。
➢细菌：G – 较为多见如E. coli等最为常见。 ➢放线菌：Streptomyces 、Nocardia。 ➢接合还可发生在不同属的菌种之间。 ➢E. coli的F因子：决定性别的质粒，属于附加体（episome）， 可以通过接合作用获得，也可以通过丫啶类化合物、溴化乙锭 或丝裂霉素C的处理而消除。
（三）接合（conjugation）
➢定义：供体菌（“雄”）通过其性菌毛与受体菌（“雌”）相 接触，前者传递不同长度的DNA给后者，并在后者细胞中进行 双链化或进一步与核染色体发生交换、整合，从而使后者获得 供体菌的遗传性状的现象，称为接合。 ➢通过接合而获得新性状的受体细胞就是接合子（conjugant） ➢存在范围：
（6）巨大质粒：是近年来在根瘤菌属）中发现的一 种质粒，分子量为200-300×106Dalton，比一般 质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒，其上有一 系列固氮基因。
第二节 基因突变
突变（mutation）：指生物体表型突然发生的可遗传变化。
染色体畸变——细胞学上可以看到染色体的变化。
突变
包括：①缺失②添加（重复、插入）③易位④倒位 。
等方法
2、几种代表性质粒
（1）F-因子：又称致育因子或性因子。存在于肠细 菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球 菌等细菌中，决定性别。
（2）R因子：即抗性转移因子和抗性决定R因子。其 上带有其它抗生素的抗性基因，也称耐药性质粒。 该因子首先是在志贺氏菌中发现。
（3）Ti质粒：即诱癌质粒。存在于根癌土壤杆菌中, 可引起许多双子叶植物的根癌。当前，Ti质粒已 成为植物遗传工程研究中的重要载体。
重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产 生新遗传型的个体。
重组与杂交的关系：
重组是分子水平上的一个概念，可以理解成是遗传物质分 子水平上的杂交。
而一般所说的杂交则是细胞水平上的一个概念。 杂交中必然包含着重组，而重组则不限于杂交这一形式。
一、原核微生物的基因重组
基因重组的方式
转化 转导 接合 原生质体融合
第七章 微生物的遗传变 异与育种
学习目标：
1.掌握生物体的遗传物质及存在水平； 2.理解质粒的概念，了解常见的质粒； 3.理解基因突变的概念、类型与特点； 4.了解菌种衰退的防止方法与复壮方法； 5.了解菌种保藏的原理与常见保藏方法。
1、理想的工业发酵菌种应符合以下要求：
①遗传性状稳定； ②生长速度快，不易被噬菌体等异种微生物污染； ③目标产物的产量尽可能接近理论转化率； ④目标产物最好能分泌到细胞外，以降低产物抑制并利于分 离； ⑤尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产量并 利于分离； ⑥培养基成分简单、来源广、价格低廉； ⑦对温度、pH、离子强度、剪切力等环境因素不敏感； ⑧对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。
第一节 遗传变异的物质基础
一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验
（一）经典转化实验（transformation） F.Griffith，肺炎双球菌转化实验。
（二）噬菌体感染实验 （三）植物病毒的重建实验
二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式
核酸存在的七个水平
➢细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 ➢细胞核水平: 原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA ➢染色体水平: 倍性(真核)和染色体数。 ➢核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链。 ➢基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息 量，转录——翻译 ➢密码子水平：信息单位,起始和终止, ➢核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基。
b.形状变化的幅度大；
c. 变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。
饰变（modification）：指不涉及遗传物质结构改变而只发 生在转录、转译水平上的表型变化。特点是：a.几乎整个 群体中的每一个个体都发生同样的变化；b.性状变化的幅 度小；c.因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。引起饰变 的因素消失后，表型即可恢复。
功能：进行细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、 抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。
重组：在质粒之间、质粒与染色体之间菌可发生。 存在范围：很多细菌如E.coli、lactis、根癌土壤杆菌等。 制备：包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋白质
等成分、去除RNA和蛋白质等步骤。 鉴定：电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱
（4） Col因子：产大肠杆菌素因子。大肠杆菌素是 由E.coli的某些菌株所分泌的细菌素，能通过抑制 复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其 它肠道细菌。
凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白， 从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。
（5）降解性质粒：只在假单胞菌属中发现。它们的 降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码， 从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。这 些质粒以其所分解的底物命名。
变，从突变株回到野生型的过程则称为回复突变 或回变。
三、基因突变的机制
本部分内容课内不进行介绍，有兴趣可以自学。P111.
第三节 基因重组
凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起， 经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传型个体的 方式，称为基因重组（gene recombination）或遗传 重组，简称重组。
并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变 类型。 发酵突变型——丧失产生某种生物合成酶能力的突变型。 抗性突变型——因突变而产生了对某种化学药物或致死物 理因子的抗性。 条件致死突变型——突变后在某种条件下可正常生长繁殖， 而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型。 抗原突变型——因突变而引起的抗原结构发生改变。 产量突变型——
三、原核生物的质粒
1、质粒基础知识 定义：是一类小型闭合环状核外双螺旋DNA分子，
能独立于细胞核进行自主复制。 大小：约为2-100×106Dalton，上面携带有数
个到数十个甚至上百个基因。
性质：
①可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可 以通过交换掺入染色体上，以附加体的形式存在；
★依突变发生方式分为：
1、自发突变：环境因素的影响，DNA复制过程的
偶然错误等而导致。一般频率较低，通常为106109 。
2、诱变：某些物理、化学因素对生物体的DNA进 行直接作用，突变以较高的频率产生。这些理化 因素称为诱变剂。
★按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：
选择性突变株（selective mutant）：具有选择标记（如营 养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当 的环境条件，如培养基、温度、pH值等，就比较容易检出和 分离到。
3、遗传与变异的概念
遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。
遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲 代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。 特点：具稳定性。
遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的
全部基因的总和；是一种内在可能性或潜力。
遗传型 + 环境条件 代谢
2、研究微生物遗传学的意义
微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的 生物学基本理论问题中最热衷的研究对象。
对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了 现代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育 种工作提供了丰富的理论基础，促使育种工作从 不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、 从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。
非选择性突变株（non-selective mutant）：无选择标记 （如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种 突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。
二、突变的特点
适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。 ➢不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。 ➢自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。 ➢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：变异性状稳定可遗传。 ➢可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突
（四）原生质体融合——protoplast fusion
（二）转导（transduction）
1.转导
➢细菌细胞间进行遗传交换的另一种方式，指通过缺陷噬菌 体的媒介，将供体细胞的小片段DNA携带到受体细胞中，通 过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象。
➢转导子：由转导作用获得部分新性状的重组细胞。 ➢转导噬菌体：能将一个宿主（细菌）的部分染色体或质粒 DNA带到另一个宿主（细菌）的噬菌体。
（一）转化（transformation）
1、转化
R型活菌+S型死菌→ →S型活菌 ➢定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌 的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部 分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的受 体菌称为转化子（transformant）。 ➢有关名词：
2.转导的种类
➢普遍转导（generalized transduction）：通过少数完全缺陷 噬菌体对供体菌基因组上任何小片段进行“误包”而将其遗 传性状转移给受体菌的现象。 ➢局限性转导：也称局限转导，指通过部分缺陷的温和噬菌 体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并与后者的基 因整合、重组形成转导子的现象。 ➢溶源转变：当温和噬菌体感染宿主而使其发生溶源化时， 因噬菌体的基因整合到宿主的核基因组上，而使后者获得了 除免疫性以外的新性状的现象，称为溶源转变。
原生质体融合的优点： ➢ 可以提高重组率 ➢ 双亲可以少带标记或不带标记 ➢ 可进行多亲本融合 ➢ 有利于不同种间、属间微生物的杂交 ➢ 通过原生质体融合提高产量 发展点：有关原生质体融合的遗传机制，尚未研究清楚， 目前还在探索中。
➢细菌：G – 较为多见如E. coli等最为常见。 ➢放线菌：Streptomyces 、Nocardia。 ➢接合还可发生在不同属的菌种之间。 ➢E. coli的F因子：决定性别的质粒，属于附加体（episome）， 可以通过接合作用获得，也可以通过丫啶类化合物、溴化乙锭 或丝裂霉素C的处理而消除。
（三）接合（conjugation）
➢定义：供体菌（“雄”）通过其性菌毛与受体菌（“雌”）相 接触，前者传递不同长度的DNA给后者，并在后者细胞中进行 双链化或进一步与核染色体发生交换、整合，从而使后者获得 供体菌的遗传性状的现象，称为接合。 ➢通过接合而获得新性状的受体细胞就是接合子（conjugant） ➢存在范围：
（6）巨大质粒：是近年来在根瘤菌属）中发现的一 种质粒，分子量为200-300×106Dalton，比一般 质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒，其上有一 系列固氮基因。
第二节 基因突变
突变（mutation）：指生物体表型突然发生的可遗传变化。
染色体畸变——细胞学上可以看到染色体的变化。
突变
包括：①缺失②添加（重复、插入）③易位④倒位 。
等方法
2、几种代表性质粒
（1）F-因子：又称致育因子或性因子。存在于肠细 菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球 菌等细菌中，决定性别。
（2）R因子：即抗性转移因子和抗性决定R因子。其 上带有其它抗生素的抗性基因，也称耐药性质粒。 该因子首先是在志贺氏菌中发现。
（3）Ti质粒：即诱癌质粒。存在于根癌土壤杆菌中, 可引起许多双子叶植物的根癌。当前，Ti质粒已 成为植物遗传工程研究中的重要载体。
重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产 生新遗传型的个体。
重组与杂交的关系：
重组是分子水平上的一个概念，可以理解成是遗传物质分 子水平上的杂交。
而一般所说的杂交则是细胞水平上的一个概念。 杂交中必然包含着重组，而重组则不限于杂交这一形式。
一、原核微生物的基因重组
基因重组的方式
转化 转导 接合 原生质体融合
第七章 微生物的遗传变 异与育种
学习目标：
1.掌握生物体的遗传物质及存在水平； 2.理解质粒的概念，了解常见的质粒； 3.理解基因突变的概念、类型与特点； 4.了解菌种衰退的防止方法与复壮方法； 5.了解菌种保藏的原理与常见保藏方法。
1、理想的工业发酵菌种应符合以下要求：
①遗传性状稳定； ②生长速度快，不易被噬菌体等异种微生物污染； ③目标产物的产量尽可能接近理论转化率； ④目标产物最好能分泌到细胞外，以降低产物抑制并利于分 离； ⑤尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产量并 利于分离； ⑥培养基成分简单、来源广、价格低廉； ⑦对温度、pH、离子强度、剪切力等环境因素不敏感； ⑧对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。
第一节 遗传变异的物质基础
一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验
（一）经典转化实验（transformation） F.Griffith，肺炎双球菌转化实验。
（二）噬菌体感染实验 （三）植物病毒的重建实验
二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式
核酸存在的七个水平
➢细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 ➢细胞核水平: 原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA ➢染色体水平: 倍性(真核)和染色体数。 ➢核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链。 ➢基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息 量，转录——翻译 ➢密码子水平：信息单位,起始和终止, ➢核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基。
b.形状变化的幅度大；
c. 变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。
饰变（modification）：指不涉及遗传物质结构改变而只发 生在转录、转译水平上的表型变化。特点是：a.几乎整个 群体中的每一个个体都发生同样的变化；b.性状变化的幅 度小；c.因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。引起饰变 的因素消失后，表型即可恢复。
功能：进行细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、 抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。
重组：在质粒之间、质粒与染色体之间菌可发生。 存在范围：很多细菌如E.coli、lactis、根癌土壤杆菌等。 制备：包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋白质
等成分、去除RNA和蛋白质等步骤。 鉴定：电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱
（4） Col因子：产大肠杆菌素因子。大肠杆菌素是 由E.coli的某些菌株所分泌的细菌素，能通过抑制 复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其 它肠道细菌。
凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白， 从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。
（5）降解性质粒：只在假单胞菌属中发现。它们的 降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码， 从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。这 些质粒以其所分解的底物命名。
变，从突变株回到野生型的过程则称为回复突变 或回变。
三、基因突变的机制
本部分内容课内不进行介绍，有兴趣可以自学。P111.
第三节 基因重组
凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起， 经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传型个体的 方式，称为基因重组（gene recombination）或遗传 重组，简称重组。
并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变 类型。 发酵突变型——丧失产生某种生物合成酶能力的突变型。 抗性突变型——因突变而产生了对某种化学药物或致死物 理因子的抗性。 条件致死突变型——突变后在某种条件下可正常生长繁殖， 而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型。 抗原突变型——因突变而引起的抗原结构发生改变。 产量突变型——
三、原核生物的质粒
1、质粒基础知识 定义：是一类小型闭合环状核外双螺旋DNA分子，
能独立于细胞核进行自主复制。 大小：约为2-100×106Dalton，上面携带有数
个到数十个甚至上百个基因。
性质：
①可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可 以通过交换掺入染色体上，以附加体的形式存在；
★依突变发生方式分为：
1、自发突变：环境因素的影响，DNA复制过程的
偶然错误等而导致。一般频率较低，通常为106109 。
2、诱变：某些物理、化学因素对生物体的DNA进 行直接作用，突变以较高的频率产生。这些理化 因素称为诱变剂。
★按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：
选择性突变株（selective mutant）：具有选择标记（如营 养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当 的环境条件，如培养基、温度、pH值等，就比较容易检出和 分离到。
3、遗传与变异的概念
遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。
遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲 代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。 特点：具稳定性。
遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的
全部基因的总和；是一种内在可能性或潜力。
遗传型 + 环境条件 代谢
2、研究微生物遗传学的意义
微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的 生物学基本理论问题中最热衷的研究对象。
对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了 现代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育 种工作提供了丰富的理论基础，促使育种工作从 不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、 从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。
非选择性突变株（non-selective mutant）：无选择标记 （如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种 突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。
二、突变的特点
适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。 ➢不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。 ➢自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。 ➢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：变异性状稳定可遗传。 ➢可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突
（四）原生质体融合——protoplast fusion