微生物的突变和诱变育种
微生物菌种的选育和保藏--诱变育种
四、诱变育种
2 诱变育种基本过程 ➢诱变处理： ➢诱变剂的处理方式： ✔单因子处理：采用单一诱变剂处理出发菌株； ✔复合因子处理：两种以上诱变因子共同诱发菌体突变，包括①两种或多种 诱变剂先后使用；②同一种诱变剂的重复使用；③两种或多种诱变剂的同时使用。 ➢诱变剂的处理方法： ✔直接处理方法：将菌悬液用物理、化学因子处理，然后涂平板分离突变株； ✔生长过程处理法：适用于诱变作用强而杀菌率较低的诱变剂，或在分裂过 程中只对DNA起作用的诱变剂，如NTG、LiCl、 秋水仙碱等；方法：可将诱变剂 加入培养基后涂平板；或先把培养基制成平板，将一定浓度的诱变剂和菌体加入平 板； 或摇瓶振荡培养处理；
四、诱变育种
2 诱变育种基本过程 ➢ 制备单孢子(或单细胞)悬液： ➢ 目的：获得单孢子(或单细胞)均匀的悬液；
➢ 原因: 分散状态的细胞可以均匀地接触诱变剂，又可避免长出不纯菌落；
➢ 方法:✔菌龄:对数期细胞、刚成熟的孢子母菌细胞悬浮液的浓度为106个/mL、
四、诱变育种
2 诱变育种基本过程 ➢ 突变株的分离与筛选： ➢ 筛选方案:
➢ 筛选方法： ✔初筛：a.随机筛选：也称摇瓶筛选；随机挑选的平板菌落进行摇瓶筛选； b.平板菌落预筛：在培养皿上诱变后从试样检出突变体的一种
琼脂平板筛选法,有纸片培养显色法、透明圈法、琼脂块培养法等; ✔复筛:对突变株的生产性能作比较精确的定量测定工作，代表方法：琼脂
放线 菌或细菌的浓度为108个/ mL左右;
✔菌悬液配制方法:离心洗涤前培养物，用冷生理盐水或缓冲液制备菌悬 液，放在盛有玻璃珠的三角瓶内振荡10min,令其分散，用无菌脱脂棉或滤纸过滤。 通过菌体计数，调整菌悬液的浓度供诱变处理。
四、诱变育种
2 诱变育种基本过程 ➢ 诱变处理： ➢ 诱变剂种类的选择：物理诱变剂和化学诱变剂 ✔物理诱变剂：紫外线、χ射线、γ射线、等离子、快中子、ɑ射线、β射线、 超声波等； ✔化学诱变剂: 碱基类似物、烷化剂、羟胺、吖定类化合物等； ➢ 最适诱变剂量选择： ✔诱变剂剂量表示方式：a.UV的剂量指强度与作用时间的乘积； b.化学诱变剂剂量：诱变剂的浓度和作用 时间的乘 积来表示； c.在育种实践中，常以杀菌率来作诱变剂 的相对剂量； ✔最适诱变剂量确定：a.依据：最适剂量应该使所希望得到的突变株在存活 群体中占有最大的比例； b.方法：通过比较剂量--存活率曲线和剂量-
食品微生物学---第五章_微生物的遗传变异
1.经典转化实验（肺炎双球菌）
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
（1）动物实验 对小鼠注射活R菌或死S菌 ————小鼠存活 对小鼠注射活S菌————————小鼠死亡 对小鼠注射活R菌和热死S菌 ———小鼠死亡
（二）微生物的诱变育种
1.出发菌株选择：对诱变剂敏感、变异幅度广、产量高 的菌株。
2.同步培养：使菌悬液中细胞达到同步生长状态 3.单细胞悬液制备：先收集菌体并洗涤，然后用生理盐
水或缓冲液配制，振荡使分散度90％以上。 4.诱变处理：物理诱变、化学诱变 5.中间培养 ：使细胞内原有酶量稀释，以得到纯的变
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普遍性转导过程： 噬菌体侵染供体细胞 供体染色体断裂，
噬菌体蛋白质衣壳和DNA合成 衣壳包裹供体 DNA片段 侵染受体菌株
供体DNA片段整合到受体DNA上——完全转导
供体DNA片段不能整合到受体 DNA上，也不能复制，但能表达 ——流产转导
特异性转导过程： 噬菌体侵染供体细胞 供体细胞溶源化 噬菌体和供体菌染色体间发生交换 转导型 噬菌体（转导颗粒） 侵染受体菌
R菌＋S菌 只有R菌
只有S型细菌的DNA才能将R型转化为S型。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。
2.噬菌体感染实验
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3.植物病毒的拆开与重建实验
将TMV拆成蛋白质外壳与RNA，分别对 烟草进行感染试验，结果只有RNA能感染 烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还 能分离出正常病毒粒子。
（2）细菌培养实验 热死S菌———不生长 活R 菌———长出R菌
微生物诱变育种的基本过程
微生物诱变育种的基本过程
一、筛选目的菌株
在开始微生物诱变育种之前，首先要确定育种的目标，并从中筛选出具有潜在优良性状的目的菌株。
这一步通常需要利用各种生理生化实验和分子生物学技术，对大量菌株进行初步的筛选和鉴定。
二、诱变处理
在确定了目的菌株之后，接下来需要进行诱变处理。
诱变处理通常包括化学诱变和物理诱变两种方式。
化学诱变使用化学诱变剂处理菌株，而物理诱变则利用物理因素（如紫外线、X射线、中子等）处理菌株。
这些诱变因素可以引起菌株基因的突变，进而产生新的性状。
三、突变体的筛选
经过诱变处理后，大量菌株中会存在各种突变体。
为了获得具有优良性状的目标突变体，需要进行筛选。
这一步通常采用各种筛选方法，如单菌落挑取法、稀释涂布平板法等，将突变体从大量菌株中分离出来。
同时，需要通过各种生理生化实验和分子生物学技术，对突变体的性状进行鉴定和筛选。
四、遗传稳定性检测
在筛选出目标突变体后，需要对其遗传稳定性进行检测。
遗传稳定性是指突变体在繁殖过程中，是否能够保持其优良性状的稳定性。
这一步通常采用连续繁殖法和稳定性测定法等方法进行检测，以保证突变体的优良性状能够在后代中得到保留。
五、生产能力测定
最后一步是测定突变体的生产能力。
生产能力是指突变体在实际生产过程中，能否产生足够的产物并保持稳定的产量。
这一步通常采用发酵实验和产物分离纯化等方法进行测定，以保证突变体在实际生产中具有实用价值。
微生物的诱变育种
2个主要环节：
诱变（随机）
选用合适的诱变剂和诱变剂量处理大量均匀 、分散的微生物细胞，以引起绝大多数细胞 致死的同时，使存活个体中的突变频率大大 提高。 设计有效的筛选方法，将少量正变株中的 优良菌株挑选出来。
筛选（定向）
（一） 出发菌株（original strain）
出发菌株指用于诱变育种的起始菌株。 出发菌株的选择标准： • 具有有利性状（如高产、生长速度快、营养要求粗放、 标记明显等）； • 对诱变剂敏感 出发菌株的来源： •野生型菌株； •从生产中选育的自发突变菌株； •诱变获得的高产菌株
三种遗传型： 野生型（wild type） 从自然界分离到的、发生营养缺陷型突变前的原始菌株。 [A+B+], 可在[-]生长。 营养缺陷型（auxotroph） 野生型菌株经诱变剂处理后，由于发生了丧失某种酶合成能 力的突变，因而只能在加有该酶合成产物的培养基中才能生长的 突变菌株（主要指合成维生素、氨基酸及嘌呤、嘧啶的能力）。 [A+B-]：能在[+]、[B]生长 [A-B+]：能在[+]、[A]生长 [A-B-]：能在[+]生长 原养型（prototroph） 营养缺陷型经回复突变或重组，回到原来野生型的营养要求 [A+B+], 可在[-]生长
如：异烟肼（“雷米封”）是吡哆醇的结构类似物 ，利用含异烟肼梯度平板筛选异烟肼抗性突变株， 可达到定向培育吡哆醇高产突变株的目的。 加入不含异烟肼的底层 敏感
菌苔
为什么在筛选突变株时 ,不能直接用代谢产物, 抗性 菌落 而必须用其结构类似物 ? 加入含异烟肼的上层
2. 营养缺陷型突变株的筛选
（1）几个概念： 三类培养基： 基本培养基（MM, minimal medium）[-]： 某野生型能生长的最低成分的组合培养基。 完全培养基（CM,complete medium）[+]： 各种营养缺陷型能生长的天然或半组合培养基 补充培养基（SM, supplemental medium）[A]:[-]+A [B]:[-]+B 相应营养缺陷型能生长的组合或半组合培养基
微生物的化学诱变技术
微生物的化学诱变化学诱变：利用化学物质对微生物进行诱变，引起基因突变或真核生物染色体的畸变称为化学诱变。
化学诱变的物质很多，但只有少数几种效果明显，如烷化剂、吖啶类化合物等。
复合处理及其协同效应：诱变剂的复合处理常有一定的协同效应，增强诱变效果，其突变率普遍比单独处理的高，这对育种很有意义。
复合处理有几类：同一种诱变剂的重复使用，两种或多种诱变剂先后使用，两种或多种诱变剂同时使用。
定向培育和驯化：定向培育是人为用某一特定环境条件长期处理某一微生物群体，同时不断将他们进行移种传代，以达到累积和选择合适的自发突变体的一种古老的育种方法。
由于自发突变的变异频率较低，变异程度较轻，故变异过程均比诱变育种和杂交育种慢得多。
微生物化学诱变的操作过程化学诱变剂的剂量主要决定于其浓度和处理时间。
化学诱变剂都具毒性，其中90%以上是致癌物质或极毒药品，使用时要格外小心，移取液体时绝对禁止直接用口吸，避免与皮肤直接接触，不仅要注意自身安全，也要防止污染环境，造成公害。
一、碱基类似物用于诱发突变的碱基类似物有5-BU、5-FU、BUdr、5-IU等他们是胸腺嘧啶的结构类似物，AP、6-MP是腺嘌呤的结构类似物。
最常用是5-BU和AP。
当将这类物质加入到培养基中，在繁殖过程中可以掺入到细菌DNA分子中，不影响DNA的复制。
它们的诱变作用是取代核酸分子中碱基的位置，再通过DNA的复制，引起突变，困此，也叫掺入诱变剂。
显然这一类诱变剂要求微生物细胞必顿处在代谢的旺盛期，才能获得最佳的诱变效果。
（一）碱基类似物的诱变机制正常的碱基存在着同分异构体，互变异构现象在嘧啶分子中以酮式和烯醇式的形式出现，而嘌呤分子中以氨基和亚氨基互为变构的形式出现、一般互变异构现象在碱基类似物中比正常DNA碱基中频率更高。
5-BU导致A:T碱基对转换为G:C碱基。
2-氨基嘌呤也可以诱发DNA分子中A:T－G:C或G:C－A:T的转换。
（二）碱基类似物的诱变处理方法（以5-BU为例）1．单独处理将微生物液体培养到对数期，离心除去培养液，加入生理盐水或缓冲液，饥饿培养8~10 h，消耗其体内的贮存物质、将5-BU加入到经饥饿培养的培养液中，处理浓度为25~40 μg/mL，温合均匀，取0.1~0.2 mL菌悬液加入到琼脂培养基上涂布培养。
微生物遗传育种名词解释（二）
微⽣物遗传育种名词解释（⼆）1、⾃然选育：从⾃然界直接分离和筛选菌种或在⽣产中利⽤⾃发突变选育优良菌株。
2、诱变育种：对出发菌株进⾏诱变，然后运⽤合理的程序与⽅法筛选符合要求的优良菌株。
3、代谢调控育种：利⽤现有的代谢调控知识，筛选特定突变型，改变代谢流量或流向，从⽽提⾼⽬的产物产量的⼀种育种技术。
4、重组育种；利⽤微⽣物间的遗传重组来改变其遗传物质组成及结构的⼯业微⽣物育种技术。
5、原⽣质体融合育种；通过⼈为⽅法，使遗传性状不同的两细胞的原⽣质体发⽣融合，从⽽实现遗传重组的⼯业微⽣物育种技术。
6、基因⼯程育种技术：在体外构建重组DNA分⼦并导⼊宿主内⾼效表达，从⽽获得重组微⽣物的育种技术。
7、突变：遗传物质核酸中的核苷酸序列发⽣了稳定的可遗传的变化。
8、突变体：带有突变基因的细胞或个体9、突变型：突变体的基因型或表型称为突变型，和其相对的原存在状态称为野⽣型。
10、⾃发突变（spontaneous mutagenesis）：未经任何⼈为处理⽽⾃然发⽣的突变；11、诱发突变（induced mutagenesis）：由⼈们有意识地利⽤物理或化学⼿段对⽣物体进⾏处理⽽引起的突变。
12、整倍体：含有完整的染⾊体组。
13、⾮整倍体：含有不完整状态的染⾊体组，⼀般是指⼆倍体中成对染⾊体成员的增加或减少。
14、部分⼆倍体：原核⽣物中由⼀整条染⾊体和外来染⾊体⽚段所构成的不完整⼆倍体。
增变基因（mutator gene）：其基因突变会导致整个基因组的突变频率明显上升的⼀些基因。
15、前突变：诱变剂所造成的DNA分⼦某⼀位置的损伤16、光复活：指细菌在紫外线照射后⽴即⽤可见光照射，可以显著地增加细菌的存活率，降低突变率。
17、表型延迟phenotype lag：突变体表型改变落后于其基因型改变的现象。
18、分离性延迟segregational lag ：突变基因由杂合状态到纯合状态所造成的表型迟延19、⽣理性延迟physiological lag ：由于基因产物的“稀释”过程所造成的表型迟延野⽣型（wild type）：从⾃然界分离到的任何微⽣物在其发⽣营养缺陷突变前的原始菌株；基因重组：由于不同DNA链的断裂和连接⽽产⽣DNA⽚段的交换和重新组合，形成新的DNA分⼦，进⽽形成新遗传个体的⽅式称为基因重组。
微生物遗传育种课件,基因突变
3、一个基因的不同突变位点是在这个突变基因座位符号后，按分离先后次序 用数字来表示，如果不知道这些突变属于哪一个基因座位，则用“—”来代替。
如trp A 23,trp —54
4、表型特性同样用3个字母来表示，但第一个字母大写，以便于基因符号清楚 的区别。
第二章 基因突变和诱变育种
第一节 概述： 突变的定义及其分类
一、突变的定义
突变的概念最早是由荷 兰植物学家 H. de. Vries于 1901年提出的。他在自家的 菜地上找到一种野生型的拉 马月见草（Oenothera lamarckiana）这种植物具 有惊人的产生遗传新类型的 性质， de.Vries把这些新
5、细菌对抗生素和phage的抗性突变表示为r，野生型的菌对抗生素和phage均 为敏感型s，写突变体基因型可以写strr或str-r或strB strA，写表型时，Strr。
6、一般用“＋”表示一个座位野生型等位基因，“—”表示突变型等位基因， 一般不写“—”。
7、菌株用简单的序号表示，不同的实验室采用不同的英文字母作字首，菌株 编号不用斜体。一个菌株第一次在论文中出现时，应详细描述其基因型及相关 表型。
7、从基因突变所带来的表型改变来看分为选择性突变和非选择性突变。
选择性突变
营养缺陷型 抗性突变型 条件致死型
突变株 的表型
非选择性突变
形态突变型 抗原突变型 产量突变型
第二节 基因突变的规律
一、不对应性 即突变的性状与引起突变
的原因无直接对应关系。
第二节 基因突变的规律
1. 波动试验(Fluctuation test) 又称变量 试验或彷徨试验
微生物 诱变育种
紫外损伤的光复活作用
DNA损伤的修复
切补修复 切补修复是在内切核酸酶、
外切核酸酶、DNA聚合酶以及 连接酶的协同作用下将嘧啶 二聚体酶切除去，继而重新 合成一段正常的DNA链以填补 酶切所留下的缺口，使损伤 的DNA分子恢复正常的修复方 式。由于整个过程不依赖于 可见光，所以切补修复也称 暗修复。切补修复几乎存在 于所有的微生物中。
也可用长了菌落的平板直接照射。 一般照射剂量4~10万伦琴。
此外还能引起染色体畸变，即因 染色体断裂引起染色体的倒位、 缺损和重组等。但发生了染色体
断裂的细胞常常不稳定。
化学诱变因素
化学诱变剂用量很少，诱变时设
备简单，只要一般实验室的玻璃 器皿就行，所以其应用发展较快。
碱基类似物
碱基类似物是指与DNA结构中的四种碱基 A、T、G、C在化学结构上相似的一类物 质。如5-溴尿嘧啶（BU）和5-溴脱氧尿
紫外损伤的切补修复
紫外线照射的操作方法
在暗室中安装的15瓦紫外线灯管最 好装有稳压装置，以求剂量稳定。
处理时，可将5毫升菌悬液放在直径 5厘米的培养皿中，置磁力搅拌器上， 使培养皿底部离灯管30厘米左右， 培养皿底要放平，处理前应先开灯 20~30分钟预热稳定。照射时启动磁 力搅拌器，以求照射均匀。
诱变育种
第一节基因突变
突变泛指细胞内（或病毒颗粒 内）的遗传物质的分子结构或 数量突然发生的可遗传的变化。
突变往往导致产生新的等位基 因及新的表现型。狭义的突变 专指基因突变，也称点突变， 而广义的突变则包括基因突变 和染色体畸变。
突变的几率一般很低，约为106~10-9。
突变是工业微生物产生变种 的根源，是育种的基础，但 也是菌种发生退化的主要原 因。
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（二）突变率（mutation rate）
某一细胞（或病毒粒）在每一世代中发生某一性
状突变的几率，称突变率。 （三）基因突变的特点
1.自 发 性：各种突变都可在无人为诱变因素处理下自发发生； 2.不对应性：突变的性状与引起的原因间无直接对应关系； 3.稀 有 性：自发突变的几率极低，一般10-6-10-9，但稳定；
出现明显降低其死亡率的现象，此即光复活作用。
2、切除修复（excision repair）
是活细胞内一种用于对被UV等诱变剂损伤后DNA
的修复
方式之一，又称暗修复（dark repair），这是一种 不依赖 可见光，只通过酶切作用去除嘧啶二聚体，随后重新 合成 一段正常DNA链的核酸修复方式。
第二节 诱发突变及诱变剂
一、化学诱变剂
碱基类似物 二、物理诱变剂 非电离辐射类因子和电离辐射类因子两种 三、生物诱变剂
（一）转座诱发突变
（二）转化诱发突变 （三）转导诱发突变
（四）定点诱导
第三节 突变体的选择和检出
一、基因的突变延迟 原因：
突变前所产生的物质仍然在细胞中存在活性 诱变剂作用在DNA的一条链上 多核细胞，所有的核都变为变异的核时细胞才会表现
都称诱变剂（mutagen）。
1）碱基的置换（substitution ）
转换(嘌呤间或嘧啶间) 颠换(嘌呤和嘧啶间)
亚硝酸引起的使A︰T转换成G┇C 过程的简式见下图
HNO2
A:T
He:T
Hk+T
第一次复制
A┇ T Hk┇C
第二次复制
G┇C Hk┇C
①直接引起置换的诱变剂
②间接引起置换的诱变剂
（一）突变类型
凡能用选择性培养基（或其他选择性培养条件） 快速选择出来的突变株称选择性突变株 （selectable mutant），反之则称为非选择性突
变株。
1、营养缺陷型（auxotroph）
某一野生菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长 因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法再在基本培养基上正常
4、形态突变型(morphological mutant)
指由突变引起的个体或菌落形态的变异，一般属非选择性
突变。
5、抗原突变型(antigenic mutant)
指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异类型，包
括细胞壁缺陷变异、荚膜或鞭毛成分变异等。
6、产量突变型(metabolic quantitative mutant)
第一节
微生物的突变
一、基因突变（gene mutation） 基因突变简称突变，是变异的一类，泛指细胞内（或病 毒粒内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变 化，可自发或诱导产生。突变的几率一般很低（10-6
~
10-9）
从自然界分离到的菌株一般称野生型菌株（wild type
strain），简称野生型。野生型经突变后形成的带有新性状 的菌株，称突变株（mutant，或突变体、突变型）。
(inversion)，也包括染色体数目的变化。
转座（因）子：在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段 DNA顺序。 其跳跃过程往往导致DNA链的断裂或重接，产生重组交换、基因 启动或关闭，使突变发生。 转座（因）子主要有三类：IS、Tn、Mu。
2、自发突变
自发突变（spontaneous mutation） 是指生物体在无人工干预下自然发生的低频率 突变。 自发突变的原因:
1）背景辐射和环境因素的诱变；
2）微生物自身有害代谢产物的诱变效应；
3）互变异构效应；（配对错误） 4）环出效应。（发生缺失）
(六)紫外线对DNA的损伤及其修 复
嘧啶碱基受紫外辐射后产生的衍生物
(六)紫外线对DNA的损伤及其修复
1、光复活作用（photoreactivation）
把经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下时， 就可
4.独 立
性：某一突变既不提高也不降低其他任何基因的突变率；
5.可 诱变性：诱变剂可提高突变的几率，两种变异株无本质差别； 6.稳 定 性：是遗传物质结构上发生了稳定的变化，稳定，可遗传；
7.可 逆
性：任何性状都可发生正向突变，也都可发生回复突变。
（四）基因突变自发性和不对应性的实验证明
1、Luria 等的变量试验（fluctuation test）
生长繁殖的变异类型。2、抗源自突变型（resistant mutant）
指野生型菌株因发生基因突变，而产生的对某化学药物或
致死物理因子的抗性突变类型。
3、条件致死突变型(conditional lethal mutant)
某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、 繁殖并呈现其固有的表型，而在另一种条件下却无法生长、繁 殖的突变类型。
2、Newcombe的涂布试验
3、Lederberg等的影印平板培养法 (replica plating)
(五)基因突变及机制
1、诱发突变（induced mutation ）
诱发突变简称诱变，是指通过人为的方法， 利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发
突变频率的手段。凡具有诱变效应的任何因素，
常见的致变剂及其致变作用
(a)亚硝基的脱氨作用；(b) 烷化剂和被甲基化的碱基； (c) 5-溴脱氧嘧啶与鸟嘌呤配对(A=T变G三C)。
3） 染色体畸变（chromosomal aberration）
某些强烈理化因子会引起DNA分子的大损伤（macrolesion）
染色体畸变。
既包括染色体结构上的缺失（deletion）、重复 (duplication)、插入(insertion)、易位(translocation)和倒位
2）移码突变（frame-shift mutation）
指诱变剂会使DNA序列中的一个或少数几个核苷酸发生增 添（插入）或缺失，从而使该处后面的全部遗传密码的阅读 框架发生改变，并进一步引起转录和转译错误的一类突变。 诱变剂：ICR（美国一癌症研究所名称）类化合物： 原黄素，吖啶黄，吖啶橙等。 诱变机理：至今不清。 结果：加3、减3；加（减）1，短距离减（加）1；影响小。 增（减）1、2、4、5引起后面全变。