基因突变在微生物研究中的应用
微生物的遗传和突变
基因复制和表达
基因复制：微生物通过复制 DNA进行遗传信息的传递
转录：基因通过转录形成 mRNA，作为蛋白质合成的模 板
翻译：mRNA通过翻译形成蛋 白质，实现基因的功能
表达调控：基因的表达受到多 种因素的调控，如环境因素、 细胞周期等
基因突变和重组
基因重组：通过基因交换和 重组，产生新的基因型
微生物检测：利用微生物遗传和 突变原理，快速准确地检测病原 体，为疾病诊断和治疗提供依据
在环境科学中的应用
微生物遗传和突变在污水 处理中的应用
微生物遗传和突变在土壤 修复中的应用
微生物遗传和突变在生物 降解中的应用
微生物遗传和突变在生物 制药中的应用
在农业中的应用
微生物遗传和突变在农作 物育种中的应用
突变体的筛选和鉴定
鉴定方法：通过基因测序、 PCR等技术进行鉴定
筛选方法：通过培养基筛选、 抗性筛选等方法
筛选目的：找出具有特定突 变的微生物
鉴定目的：基因，用于基因治疗和生物制药 育种：通过突变改良作物和家畜的性状，提高产量和抗病能力 环境保护：利用突变的微生物降解污染物，净化环境 疾病治疗：通过突变产生新的药物靶点，用于疾病治疗和预防
基因突变：DNA复制过程中 发生的错误，导致基因序列 的改变
基因突变和重组在微生物遗传 中的作用：产生新的遗传特性，
影响微生物的形态、生理和生 态特性
实例：大肠杆菌的乳糖操纵 子基因突变和重组，导致乳
糖代谢能力的改变基因流动和基因基因流动：微生物之间的基因转移和
气净化等
基因工程：通过基因 改造，提高微生物的 生产效率和产品质量
生物制药：利用微生 物生产疫苗、抗体等
药物
在医学中的应用
微生物的变异原理及应用
微生物的变异原理及应用1. 引言微生物变异是指微生物在自然界或实验条件下经过长期的演化过程中，产生了与亲代微生物有明显遗传差异的后代微生物。
微生物的变异一直是微生物学研究的重要领域，对于理解微生物的遗传变异机制以及应用于实际生产具有重要意义。
2. 微生物变异的原理微生物的变异是由于其基因发生了突变所导致的。
微生物的遗传信息存储在其DNA分子中，当DNA发生突变时，这些变异基因就会在后代中得以保留和传递。
微生物的突变可以分为两种类型：自然突变和诱变突变。
2.1 自然突变自然突变是指在微生物的自然生长过程中产生的突变。
这些突变通常是由DNA 复制错误、化学修饰、或者DNA损伤修复过程中发生的。
自然突变是微生物进化的基础，也是微生物遗传变异的主要来源之一。
2.2 诱变突变诱变突变是指通过人工手段诱导微生物基因发生突变。
这种突变方法可以通过化学物质、物理因素或者基因工程技术来实现。
诱变突变可以加速微生物的遗传变异进程，从而产生更多的变异体，为微生物的应用提供新的可能性。
3. 微生物变异的应用微生物变异的应用广泛涉及到农业、食品工业、药物研发以及环境修复等领域。
下面列举了几个常见的应用案例：3.1 作物育种通过微生物变异技术可以对作物进行改良育种，以获得具有抗病虫害、耐逆性和高产性的新品种。
例如，通过诱变突变可以筛选到抗除草剂的小麦品种，从而降低农药使用量，减少对环境的污染。
3.2 食品发酵工业微生物的变异在食品发酵工业中具有重要的应用价值。
通过对工业菌株进行诱变突变，可以提高其代谢能力和产酶能力，从而提高发酵过程的效率和产量。
例如，诱变突变后的酿酒酵母可以产生更多的酒精，提高酒的酿造效率。
3.3 药物研发微生物变异在药物研发中也起到了重要的作用。
通过诱变突变，可以获得抗生素产生菌株或者高效酶制剂的产生菌株。
这些变异菌株可以用于生产药物原料或者制备酶制剂，为药物研发和生产提供了新的资源。
3.4 环境修复微生物变异技术在环境修复领域也有着广泛的应用前景。
微生物遗传学的研究进展与应用
微生物遗传学的研究进展与应用微生物遗传学是一门研究微生物遗传的学科，随着分子生物学等技术的不断发展，微生物遗传学的研究不断取得新的进展和突破。
本文就微生物遗传学的研究现状和应用领域进行探讨。
一、微生物遗传学的主要研究对象微生物是指形态小、复杂度低的单细胞或多细胞有机体的总称。
微生物种类众多，包括细菌、古菌和真菌等。
在微生物中，细菌是最为常见的一类。
细菌是一种典型的单细胞生物，其体积很小，但与其他生物一样具有基因表达、蛋白质合成等生物特性。
因此，细菌是微生物遗传学的主要研究对象之一。
二、微生物遗传学的主要研究内容微生物遗传学的主要研究内容包括基因转移、基因表达、突变和基因组的进化等方面。
1.基因转移基因转移指DNA在不同细胞之间的传递。
微生物中普遍存在基因转移现象，主要是通过基因传递介体（如质粒、细菌噬菌体、转座子等）来实现的。
不同于有机体的遗传，微生物的基因转移具有重要的科学及应用价值。
通过对基因转移的研究可以促进疾病的治疗，增强微生物代谢效率等。
2.基因表达基因表达是指基因转录和翻译的过程。
在细菌细胞中，基因表达过程的速度和效率非常快，这与细菌体积小和基因组简单有关。
通过研究细菌基因表达机制，可以深入了解细菌的生命活动过程，特别是对于蛋白质表达的研究有着广泛的应用前景。
3.突变突变是指基因组中发生的变异现象。
细菌的基因组相对较小，且具有高度可变性。
在细菌的繁殖过程中，它们会不断发生基因突变，并且可以在短时间内积累足够多的突变，形成不同的基因型和表型。
由于其基因组的简洁性，细菌基因突变或变化所产生的影响更加明显，其研究和应用前景十分广泛。
4.基因组的进化基因组进化指基因组中有关分子生物学方面的各种事件，包括基因重排、重复、基因家族扩张和重读、可移动元件的插入和删除等。
微生物基因组进化研究可以为微生物进化的机理和规律提供重要的理论依据。
三、微生物遗传学的应用领域微生物遗传学在各个领域中都有进一步的发展和应用。
第三章突变的应用_微生物遗传育种
要养成良好的工作习惯：如仔细观察细 微的形态变化、要详实记录菌株的诱变 史和诱变谱系。 诱变育种技术要和其他育种手段相结合。 诱变育种由于其筛选的盲目性，突变的 不定向性，工作量十分大，因此要对整 个工作进行合理的设计并结合新技术提 高其工作效率。
第二节 营养缺陷型突变株的筛选与应用
代谢调控育种（推理育种 rational selection ）：是指利用 代谢调控知识指导筛选工作的育种技术。 工业与工程需求：克服诱变育种筛选盲目性大、效率低的 缺陷；氨基酸发酵工业的兴起
（二）前培养
前培养的目的：
对数中后期：生长旺盛，细胞浓度较高，对诱 变剂敏感； 同步培养物：诱变剂处理时，群体中变化一致； 细胞内应具有丰富的内源性碱基： DNA被诱变剂 作用后所造成的损伤能快速通过复制而形成突 变，可以获得较高的突变率。
前培养的培养基： 嘌呤、嘧啶碱基含量要丰
富
（二）前培养
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
试验号
乙烯亚胺与紫外线复合诱变处理结果
3. 处理方法
直接处理：在缓冲液或无菌生理盐水体系中 对出发菌株进行诱变处理，然后涂平板分离 突变株； 生长过程处理：在摇瓶培养基或固体平板中 加入诱变剂，在菌体生长时进行诱变处理。 （适用？）
（五）后培养
后培养：将诱变处理过的细胞在营养丰富的 培养基中进行培养，使突变基因稳定、纯 合并表达。 目的：消除表型延迟 后培养培养基：营养要求丰富，酪素水解 液(或蛋白胨)可提供大量氨基酸，酵母膏 可提供各种生长因子。
诱变处理：同前 后培养：在CM中进行，消除突变细胞的表型延 迟（生理性延迟和分离延迟） 饥饿培养： 洗涤后用无氮基本培养基培养 4~6 小时，避免在淘汰野生型时营养缺陷型被误杀 淘汰野生型：降低野生型细胞的数量和比例， 使营养缺陷型细胞得以相对浓缩 检出缺陷型 鉴定缺陷型
基因突变过程关键示例分析
基因突变过程关键示例分析基因突变是生物体基因组发生变异的过程，它是遗传信息传递的重要环节，对物种的进化和适应环境具有重要意义。
这篇文章将从生物学角度，分析一些重要的示例来深入探讨基因突变的关键过程和影响。
1. 人类基因突变示例：原受限胎儿生长症原受限胎儿生长症（IUGR）是一种常见的人类妊娠并发症。
研究表明，在IUGR胎儿的母亲中，存在片段长链非编码RNA基因风投（LINC00657）的特定突变。
这一基因突变导致了转录调控元件（CRE）的异常表达，损害了胚胎干细胞的正常发育过程。
这个示例表明，基因突变会直接影响特定基因或基因组区域的正常功能，进而导致严重的疾病发生。
2. 动物基因突变示例：神经膨胀症神经膨胀症是一种常见的遗传性疾病，其中神经系统中的膀胱甲状腺癌（PTEN）基因发生突变。
这种突变影响了细胞凋亡信号通路的正常功能，导致神经膨胀症的发生。
研究人员发现，在某些家庭中，PTEN基因的外显子发生缺失和插入突变，进一步加剧了病情的严重性。
该示例说明了基因突变不仅仅可以在一个基因上发生，还可以涉及基因的结构改变或修饰，进一步导致疾病的发生。
3. 植物基因突变示例：植物体形突变植物体形突变是指植物在演化过程中形态特征的突变。
GLOBOSA（GLO）基因突变导致的植物花朵形态的变化是一个重要示例。
花朵通常由四个花瓣、四个雄蕊和一个子房组成，但在GLO基因突变体中，这个基因的表达受到抑制，导致花朵的外观和结构发生改变。
这个示例说明了基因突变对植物的形态发育过程有着重要而精细的调控作用。
4. 微生物基因突变示例：抗生素抗性突变抗生素抗性突变是微生物界中的一个重要现象。
通过突变基因，微生物可以对抗抗生素的杀伤作用，从而存活并繁殖。
例如，在大肠杆菌的突变体中，突变基因（如gyrA和parC）导致抗生素青霉素和喹诺酮类抗生素的抗性产生。
这个示例揭示了基因突变在微生物界中的重要作用，以及它对抗生素的有效性和微生物感染控制的挑战。
微生物遗传育种课件,基因突变
基因突变可以增强微生物对恶劣环境条件或抗生素的耐受性。
基因突变在微生物遗传育种中的应用
产物优化
通过基因突变和筛选，可以优 化微生物产物的产量、质量和 稳定性。
药物开发
基因突变在微生物药物开发中 起到关键作用，提高药物的疗 效和稳定性。
环保应用
通过基因突变培养环境友好型 微生物，可以有效降解污染物 和提高废物利用率。
微生物遗传育种可以使用不同 的基因编辑技术，如CRISPRCas9，精确地修改微生物基因 组。
选择和筛选
遗传变异后，通过选择和筛选 优良的表型，可以获得带有所 需性状的微生物菌株。
基因突变定义与分类
点突变
点突变是指某个基因中发生了单个碱基改变 导致氨基酸序列发生变化。
缺失突变
缺失突变是指基因序列中的一部分碱基被删 除，导致氨基酸序列发生改变或缺失。
插入突变
插入突变是指在域。
倒位突变
倒位突变是指基因序列中的一部分碱基的顺 序被颠倒，导致氨基酸序列发生反向改变。
基因突变对微生物的影响
1 影响生长特性
基因突变可以改变微生物的生长速度、温度适应性和产物合成能力。
2 影响代谢途径
基因突变可以调节微生物的代谢途径，增加产物产量或改变产物种类。
常见的微生物遗传育种方法
自然选择
通过观察和选择微生物菌株的适应性变异来进行育种。
诱变育种
通过使用化学物质或辐射等方式诱发突变来获取所需性状。
重组DNA技术
使用重组DNA技术将外源基因导入微生物菌株中，实现目标基因的表达和功能。
微生物遗传育种的前景和意义
1 创新新材料
微生物遗传育种为开发新材料如生物塑料、生物燃料等提供了广阔的创新空间。
基因突变对病原微生物传染性与耐药性的影响
基因突变对病原微生物传染性与耐药性的影响基因突变是指DNA序列发生一定的突变或改变，这可能导致基因编码的蛋白质结构或功能的改变。
在病原微生物中，基因突变可以对传染性和耐药性产生重要影响。
本文将讨论基因突变对病原微生物传染性和耐药性的影响。
在传染性方面，基因突变可以影响病原微生物的生长、复制和传播。
突变可能导致病原微生物的形态学特征、毒力因子的表达和细胞凋亡调节的改变。
例如，HIV突变可能导致病毒的外膜蛋白GP120结构发生变化，从而改变病毒与宿主细胞受体CD4的结合能力，影响其传染性。
此外，基因突变也可能导致病原微生物屏蔽免疫系统的能力改变，使得它们更容易逃避宿主免疫系统的攻击，从而增加传染性。
对于耐药性来说，基因突变是病原微生物抗药的重要因素之一。
突变可能会影响病原微生物对抗生素和其他药物的敏感性。
例如，细菌的突变可能导致其对特定抗生素的靶标蛋白结构发生改变，使得抗生素无法结合并发挥作用。
此外，基因突变还可能影响病原微生物对抗生素的摄取、外排机制以及修复与保护机制。
基因突变对传染性和耐药性的影响可以通过以下途径实现：1. 突变导致蛋白质功能或结构的改变：病原微生物的蛋白质编码基因突变可能导致蛋白质结构或功能的改变，进而影响病原微生物的传染性和耐药性。
例如，细菌突变可能导致酶的结构变化，从而使其在抗生素的作用下产生耐药性。
2. 突变改变基因表达水平：病原微生物的基因突变可能导致基因表达水平发生变化。
这可能会影响病原微生物的传染性和耐药性。
例如，病毒突变可能导致其转录因子结合位点的改变，进而影响病毒的基因表达，从而影响其传染性和耐药性。
3. 突变引起抗药基因的出现：病原微生物的基因突变可能导致新的抗药基因的产生。
这些抗药基因可能会导致病原微生物对抗生素和其他药物的耐药性增加。
例如，细菌突变可能导致抗生素降解酶的产生，使细菌获得对抗生素的抵抗能力。
虽然基因突变对病原微生物传染性和耐药性具有重要影响，但我们应该认识到基因突变并不是病原微生物传染性和耐药性的唯一因素。
微生物抗生素抗性机制及其应对策略研究
微生物抗生素抗性机制及其应对策略研究抗生素在人类医药和养殖业中起着关键作用，但随着时间的推移，微生物对抗生素的耐药性逐渐增强，这对世界范围内的公共卫生问题构成了威胁。
为了对抗这种抗生素抗性的持续上升趋势，科学家们正在研究和探索微生物抗生素抗性机制，以及应对这一问题的策略。
本文将介绍微生物抗生素抗性的机制，并讨论当前应对抗生素抗性的策略。
一、微生物抗生素抗性机制1.基因突变微生物会经历基因突变，从而产生对抗生素的抗性。
这些基因突变可能导致微生物的生命功能发生变化，使其能够对抗生素产生抵抗。
例如，在细菌细胞壁合成过程中，发生基因突变会导致抗生素无法与其结合，从而使微生物对抗生素产生抵抗力。
2.外源基因获取微生物可以通过水平基因转移来获取与抗生素抗性相关的外源基因。
这种转移可以直接从其他微生物体中获取抗性基因，也可以通过质粒媒介进行传递。
外源基因的获取使得微生物能够破坏抗生素的作用机制，从而产生抗性。
3.药物代谢和泵排机制微生物可以通过药物代谢和泵排机制来增加对抗生素的耐药性。
药物代谢是指微生物产生特定酶，能够将抗生素进行分解，从而抵抗其作用。
泵排机制则是通过排斥抗生素，防止其进入细胞内部产生效应。
二、应对微生物抗生素抗性的策略1.合理使用抗生素合理使用抗生素是控制抗生素抗性的重要策略。
医生和兽医应该只在确保真正需要使用抗生素的情况下开具处方，并根据微生物的敏感性选择合适的抗生素。
此外，公众应该意识到抗生素对治疗病毒感染无效，不应滥用抗生素。
2.开发新的抗生素目前已经有很多微生物对现有抗生素产生了耐药性，因此开发新的抗生素是控制抗生素抗性的重要方法之一。
科学家们正在通过利用抗生素资源的合理利用和研发新的抗生素来对抗抗生素抗性。
3.促进协作与监管国际间的协作与监管也是控制抗生素抗性的重要手段。
各国政府和科研机构应加强合作，分享研究成果和数据，制定统一的抗生素使用和监管政策。
同时，加强对抗生素在养殖业中的使用监管，减少过度使用。
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Tn10及mini-Tn10 Tn10为复合性转座子：长 9.3kb；中央区编码四环素 抗性基因；两侧为两个IS10。 转座频率为10-8 IS10两端有反向重复序列，是转座酶识别位点，中间编码转座酶，其中 IS10L中的转座酶无活性。 mini-Tn10：由IS10两端反向重复序列和中间的抗性基因组成，不编码转 座酶，转座需要有其它元件提供转座酶，转座后稳定，不再次发生转座。
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基因突变可引入生化阻断，利于阐明物质代谢途径
许多细菌的代谢途径是通过筛选突变菌株阐明的
基因突变是研究基因表达调控的主要手段之一
典型的例子就是大肠杆菌乳糖操纵子的发现和阐明
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酶的体内功能需要用突变菌株来鉴定
大肠杆菌DNA复制中有三种DNA聚合酶：I，II和III。体外检测发现
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设计高效的筛选方案
根据研究目的设计筛选方案。
化学诱变剂诱变的简便方法
在平板涂布初发菌株； 将诱变剂颗粒或沾有诱变剂 溶液的滤纸片放在平板中 央； 适合温度，保温培养一定 时间； 收集抑菌圈周围的菌体； 筛选目的突变株。
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采用转座子获得基因突变
总之，基因的功能研究离不开对突变菌株的研究，同突变菌 株的研究也同样需要体外酶学分析。
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基因突变可用于蛋白质与蛋白质的相互作用
有两个基因a，b，分别编 码：A蛋白与B蛋白。 基因a突变造成细胞丧失某 一功能。 如果A和B是完成这一功能 所必须的，也就是说如果A 和B之间存在相互作用，那 么就有可能在a基因的突变 体中筛选到b基因的突变， 并由于这一突变的出现，使 菌体恢复某一功能。 通过研究两者的突变位点，了解这两种蛋白的相互作用机制。
递送载体：将mini-Tn10带入受体菌的λ噬菌体。 一般使用λb22（cI857 Oam29 Pam80）噬菌体为递送载体。特点：复制基因 O和P中各有一个琥珀无义突变（am），使得噬菌体在非抑制菌中不能 复制；cI基因为温度敏感突变cI1857，使得噬菌体DNA，在39℃不能发 生整合；mini-Tn10插入此噬菌体；转座酶基因的表达受tac启动子控制。
大肠杆菌脂肪酸合成代谢中有两个长链酯酰ACP合成酶，均能参与长
链酯酰ACP的延伸反应，分别由fabB和fabF编码。基因突变研究发现fabF突变 后，菌体能生长；而fabB突变后，菌体为不饱和脂肪酸营养缺陷菌株。表明 FabF与FabB的生理功能不同，FabB是不饱和脂肪酸合成的关键酶。体外生物 化学的研究证明了这一点。
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基因突变是认识基因存在的前提
任何一个基因的都是在发现其突变体后才被证实其存在；现代分子生物学 可借助于分析DNA序列来确定基因，但是真正明确是否存在，仍然需要研 究其突变与功能的关系。
基因突变是认识基因功能的基础
lacY与细菌促进扩散： 温度敏感突变与细菌DNA复制： 筛选到许多与细菌DNA复制有关的温度敏感 突变菌株，至少可以分成十类，表明DNA复 制至少有十种蛋白。
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基因突变可用于鉴定抗菌药物物质作用的位点
利福平与依赖DNA的RNA多聚酶的β亚单位牢固结合，抑制细菌RNA的合成， 防止该酶与DNA结合，从而阻断RNA转录过程，使DNA和蛋白的合成停止
利福平
RNA聚合酶
总之，采用基因突变可以研究微生物的生长繁殖、物质与
能量代谢及其他生命现象
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ATS转座酶：在原有的转座酶基因中发生了两个突变，造成134和249 位的半胱氨酸变成了酪氨酸，使得转座频率降低了3倍，但是转座的随 机性增强。
突变原理 携带mini-Tn10的λ噬 菌体感染受体大肠杆 菌。在诱导时，发生 转座，产生随机突变 体库。
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他们都能催化DNA的合成。在大肠杆菌体内这三种酶的生物功能相同吗？ 如何研究它们各自的生物功能？
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DNA聚合酶I由polA编码，polA突变对细胞的生长和体内DNA合成无影响。 DNA聚合酶III由polC编码。polC的温度敏感突变菌株，在高温时不能合成 DNA，并对菌体致死。这说明DNA聚合酶I对大肠杆菌是非必需的，而聚合 酶III对菌体是必须的。后来证明聚合酶I参与DNA损伤修复，而聚合酶III参与 DNA的复制。
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处理单细胞或单孢子悬液
使每个被处理的细胞均匀接触诱变剂，防止长出不纯菌落。因此，在诱变 时选用单核细胞：放线菌、霉菌处理分生孢子；细菌使用对数期菌体；芽 孢菌处理芽孢。
通过预实验制定最适诱变剂量
一般通过计算致死效率来确定诱变剂量。如制定诱变剂量为致死率达到 80％的诱变剂量。 物理诱变剂剂量：强度×时间，紫外线强度单位是尔格，X射线单位是伦琴 或拉得等。 化学诱变剂剂量：一定温度下诱变剂浓度和处理时间。
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获得基因突变的方法
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基因的随机突变
梯度平板筛选抗药性基因突变
微生物的自发突变率很低，在 10-5-10-10 之间。只有特殊情况时，直接 筛选自发突变的菌株。如采用梯度平板法筛选细菌抗药性突变。
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诱变处理获得基因突变
利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突 变率显著提高的基础上，采用简便、快速高效的筛选方法从中挑选出少 数符合目的的突变株。
基因诱变遵循的原则
选择简便有效的诱变剂
物理诱变剂：紫外线、X射线、γ射线和快中子等。最常用是紫外线。 化学诱变剂：烷化剂、碱基类似物和吖啶类化合物。最常用的烷化剂 有N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍(NTG)、甲基磺酸乙酯(EMS) 、甲基亚 硝基脲(NMU)、硫酸二乙酯(DES)、氮芥、乙烯亚胺和环氧乙烷等。
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操作过程 递送载体感染抑制大肠杆菌菌株，制备噬菌体裂解物。 新制备的噬菌体裂解物感染非抑制大肠杆菌受体菌，40 ℃培养。 添加IPTG，诱导转座酶表达。 筛选抗性菌株，获得随机突变体库。 设计合适的方法，获得目的突变体。