第5章微生物的遗传变异与菌种选育1
微生物菌种的选育方法
微生物菌种的选育方法菌种选育Loremreferentibus（英语：Strain selection 日语：ひずみの选択法语：la sélection des souches 俄语：Штаммвыбор 德语：Stammselektion ）微生物菌种是决定发酵产品的工业价值以及发酵工程成败的关键，只有具备良好的菌种基础，才能通过改进发酵工艺和设备以获得理想的发酵产品。
菌种用途广泛涉及食品、医药、工农业、环保等诸多领域。
自然选育自然选育的菌种来源于自然界、菌种保藏机构或生产过程，从自然界中选育菌种的过程较为复杂，而从生产过程或菌种保藏机构得到菌种的自然选育过程较为简单。
自然选育的步骤主要是：采样，增长培养，培养分离和筛选等。
采样筛选的菌种采集的对象以土壤为主，也可以是植物、腐败物品和某些水域等。
土壤是微生物的汇集地，从土壤中几乎可以分离到任何所需的微生物，故土壤往往是首选的采集目标。
微生物的营养需求和代谢类型与生长环境有很大关系。
富集培养由于采集样品中各种微生物数量有很大差异，若估计到要分离的菌种数量不多时，就要人为增加分离的概率，增加该菌种的数量，称为富集培养。
纯种培养尽管通过增长培养的效果很好，但是得到的微生物还是处于混杂状态，因为样品中本身含有许多种类的微生物。
所以，为了取得所需的微生物纯种，增殖培养后必须进行分离。
平板分离法由接种环以无菌操作沾取少许待分离的材料，在无菌平板表面进行平行划线、扇形划线或其他形式的连续划线，微生物细胞数量将随着划线次数的增加而减少，并逐步分散开来。
如果划线适宜的话，微生物能一一分散，经培养后，可在平板表面得到单菌落。
分离方法有三种：即划线分离法、稀释法和组织分离法。
稀释分离法在溶液中再加入溶剂使溶液的浓度变小。
亦指加溶剂于溶液中以减小溶液浓度的过程。
浓溶液的质量×浓溶液的质量分数=稀溶液的质量×稀溶液的质量分数生产能力考察初筛一般通过平板稀释法获得单个菌落，然后对各个菌落进行有关性状的初步测定，从中选出具有优良性状的菌落。
微生物菌种选育实验指导
《微生物菌种选育实验》是一门涉及食品理化分析、微生物学实验且由学生自行设计实验方案的综合性、设计性实验课程，集中三周时间开课。
一、实验目的通过本环节训练，加深对发酵工程上游技术中菌种筛选的认识；学会常规选种方法；掌握微生物诱变育种的方法；掌握常规工业微生物菌种保藏法；树立科学认真仔细的态度，培养科研协作精神。
二、实验内容实验一工业微生物菌种分离根据一定的生产目的如产酶、产酸、产酯等，建立不同的筛选模型，并从特定的样品如曲药、酸乳、土壤中筛选出高产适宜的菌株。
1、分离培养基的配制2、无菌器材的准备3、菌悬液的制备4、接种5、培养6、初步鉴定(1) 菌落形态(2) 个体形态7、斜面接种培养实验二工业微生物菌种复筛通过摇瓶培养对实验一所得的菌株的生产性能进行精确的定量测定。
1、发酵培养基的配制；2、目的菌株的摇瓶培养；3、发酵液的生理活性测定。
实验三微生物的诱变育种用紫外线对实验一所得的高产菌株进行诱变，并测定诱变后的菌株的生产能力。
1、单细胞(或单孢子) 悬液的制备；2、致死曲线的测定；3、诱变处理；4、初筛；5、复筛；6、菌种保藏。
三、实验要求1．学生自行设计具体实验方案，在教师指导下由学生自主完成实验。
2．实验结束后，要求学生完成一篇微型小论文。
论文的撰写应本着实事求是的原则，对所做实验过程和数据进行认真、严格的记录和处理，并进行独立分析，不得抄袭他人的数据。
四、考核办法1、考核内容：实验方案、实验态度、操作技能、实验报告等。
2、考核办法：按照实验方案、实验态度、操作技能、实验报告等内容综合考核学生，得到学生该门实验课程的成绩。
成绩考核采用优秀、良好、中等、及格、不及格五级记分制。
3、考核标准：以实际操作技能和分析解决问题的技能为主，实验考核内容各单项所占分数比例为实验方案20%、实验态度10%、操作技能40%、实验报告30%。
微生物菌种选育概述微生物的菌种对进行微生物工作来讲是非常重要的。
没有“种”无法进行微生物的科学研究；没有良种，不能进行发酵工业的生产。
菌种选育方法
组 织 或 细 胞 染 色 体 D N A
限 制 性 内 切 酶
基因片段
克隆载体
重 组 DNA分 子
受体菌
精选完含 整pp重 t课件组 分 用细胞总mRNA 制备全套双链cDNA后， 建立的基因。简称 c－。cDNA
复制
双链cDNA 载体
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工程菌不稳定性的表现(倾向)
工程菌的不稳定包括质粒的不稳定及其表达产物的不稳定两个 方面。
质粒的丢失；
由于质粒的丢失，工程菌的发酵过程实际上是两种菌的 混合物。在非选择性条件下，含有重组质粒的工程菌的 比生长速率往往小于不含重组质粒的比生长速率，即宿 主细胞的生长优势对工程菌的发酵极为不利。
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（二）克隆载体的选择
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（三）外源基因与载体的连接
粘性末端连接
GGATCC GGATCC CCTAGG CCTAGG
G GATC GCGAT CCTG AGCCTG AG
DNA连接酶
GGATCC
CCTG AG
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（四）重组DNA导入受体菌
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抗药性标记选择（插入失活法）：
将目的基因插入带ampr和tetr基因的载 体中，则tetr基因失活。在分别 含有氨苄青霉素和含四环素的两个培养基中 培养，进行筛选。
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标志补救（marker rescue）
若目的基因能够在宿主菌表达，且表达 产物与宿主菌的营养缺陷互补，就可利用对 营养素的依赖表型来筛选。
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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。
食品微生物学 第四章微生物遗传与菌种选育 第二节微生物的菌种选育
微生物遗传与菌种选育
4.2.2.1 诱变育种的步骤:
确定出发菌 ↓
菌种的纯化选优 ↓出发菌株性能测定
同步培养 ↓
制备单细胞（单孢子）悬液 ↓
诱变剂选择与诱变剂量的预试验 ↓
诱变处理 ↓
平板分离 ↓计形态变异菌落数、↓
重复筛选 ↓摇瓶发酵试验
选出突变株进行生产试验
如果此野生型菌株产量偏低，达不到工业生产的要求， 可以留之作为菌种选育的出发菌株。
微生物遗传与菌种选育
4.2.2 微生物的诱变育种
诱变育种是利用物理和化学诱变剂处理微生物细胞群， 促进其突变率在同提高，再从中筛选出少数符合育种目的的 突变株。
诱变育种的主要手段是以合适的诱变剂处理大量而分散 的微生物细胞，在引起大部分细胞死亡的同时，使存活细胞 的突变率迅速提高，再设计既简便、快速又高效的筛选方法， 进而淘汰负突变并把正突变中效果最好的优良菌株挑选出来。
微生物遗传与菌种选育
4.2.1.4 纯种培养 经过分离培养，在平板上出现很多单个菌落，通过菌落
形态观察，选出所需菌落，然后取菌落的一半进行菌种鉴定， 对于符合目的菌特性的菌落，可将之转移到试管斜面纯培养。 4.2.1.5 生产性能测定
从自然界中分离得到的纯种称为野生型菌株，它只是筛 选的第一步，所得菌种是否具有生产上的实用价值，能否作 为生产菌株，还必须采用与生产相近的培养基和培养条件， 通过三角瓶进行小型发酵试验，以求得适合于工业生产用菌 种。
微生物遗传与菌种选育
4.2.2.2 营养缺陷型突变株的筛选
在诱变育种工作中，营养缺陷型突变体的筛选及应用有 着十分重要的意义。营养缺陷型菌株是指通过诱变而产生的 缺乏合成某些营养物质(如氨基酸、维生素、嘌呤和嘧啶碱 基等)的能力，必须在其基本培养基中加入相应缺陷的营养 物质才能正常生长繁殖的变异菌株。其变异前的菌株称为野 生菌株。
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。
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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
食品科学与工程专业---食品微生物复习资料
第一章绪论1 什么是微生物？什么是微生物学？2 什么是食品微生物学？它与微生物学有何异同？3 你认为微生物学发展中什么是最重要的发现？为什么？4 你认为食品微生物学研究的重点任务包括哪些方面？阐明你的理由。
5 请举例说出微生物在人类生活中的作用。
6 食品微生物学的研究对象是什么？第二章微生物的形态结构和功能一填空：1 细菌的形态十分简单，基本上只有-------、---------、----------三大类。
2 细菌是以----------方式繁殖，并是一种---------性较强的------核微生物。
3 鞭毛是微生物的--------器官。
4 细胞的特殊结构有--------------，----------，----------，---------------。
5 真菌一般包括-----------，-----------------，-------------三种。
6 噬菌体的繁殖一般包括---------，--------，---------，----------，-----------五个阶段。
7 原生质体和球状体有几个共同特点，主要是-------，细胞呈-----状，对-------十分敏感。
8 异染粒功能是---------和----------，并可---------。
9 放线菌是一类呈----------，以----------繁殖的革兰氏-----性细胞。
10 微生物胞内酶作用的最适PH多接近_，而细胞质膜上的酶及胞外膜作用的最适PH则接近--------。
二名词解释：1、细胞壁2、周质空间3、菌落4、荚膜5、芽孢6、糖被7、气生菌丝体8、原生质体9、营养菌丝体 10、细胞膜 11、间体 12、羧化体 13、核质体 14、鞭毛 15、菌毛 16、隐生态 17、球状体 18、L型细菌 19、肽聚糖 20、溶菌酶 21、磷壁酸 22、伴孢晶体 23、基内菌丝 24、孢子丝 25、支原体 26、衣原体 27、立克次氏体 28、螺旋体 29、螺菌 30、PHB 31、原核微生物三简答题：1 细菌有哪些基本结构和特殊结构？2 试述革兰氏染色的要点及作用机理。
菌种选育的常用途径
菌种选育的常用途径菌种选育是指通过对微生物菌株的筛选、培养、改良等一系列措施，以提高其在特定应用领域中的产量、质量或其他相关性状。
菌种选育在农业、食品工业、医药领域等具有重要应用价值。
本文将介绍菌种选育的常用途径。
1. 野生菌株的筛选和收集野生菌株是从自然环境中采集到的未经人工干预的微生物。
通过对不同环境样品（如土壤、水体、植物组织等）进行采集和分离，可以获得大量潜在有用的菌株。
筛选出具有特定特性或功能的野生菌株，是进行菌种选育的第一步。
2. 菌株的培养和保存为了保持菌株的纯度和活力，需要对筛选得到的菌株进行培养和保存。
常见的培养方式包括液体培养和固体培养。
液体培养适用于大规模生产，而固体培养则适用于分离纯化和鉴定菌株。
还可以利用冷冻保存、低温冷冻保存和干燥保存等方法对菌株进行长期保存，以备后续的选育和应用。
3. 菌株特性的评价和筛选菌株特性的评价是判断菌株是否具有选育潜力的重要依据。
常见的评价指标包括产量、活力、稳定性、抗逆性、产物质量等。
通过对大量菌株进行系统的评价和筛选，可以找到具有优良特性的菌株，并进一步进行深入研究和选育。
4. 菌株改良菌株改良是指通过基因工程、诱变、融合等方法对已有菌株进行遗传改造，以获得更好的性状或功能。
基因工程技术可以通过引入外源基因或调控内源基因的表达来改变菌株的代谢途径或产物合成能力。
诱变则通过物理或化学手段诱导突变，从而获得新的遗传变异体。
融合是将两个不同亲本菌株进行杂交，以获得具有双亲优点的后代。
菌株改良是提高菌株性状和功能的重要手段。
5. 发酵工艺的优化发酵工艺的优化是在选育过程中不可或缺的一环。
通过调节培养基成分、培养条件（温度、pH值、氧气供应等）和发酵参数（搅拌速度、通气量等），可以促进菌株的生长和代谢产物的积累。
还可以利用统计学方法对发酵过程进行建模和优化，以提高发酵效率和产量。
6. 菌株应用评价菌种选育的最终目标是将优良菌株应用于实际生产中。
对菌株应用性能进行评价至关重要。
食品微生物学习题
《食品微生物学》习题第一章绪论1. 什么是微生物？什么是微生物学？微生物的五大特性？2. 什么是食品微生物学？它与微生物学有何异同？3. 为什么微生物学比动、植物学起步晚 , 但却发展迅速 ? 并成为生命科学研究的“ 明星” ?4. 你认为食品微生物学研究的重点任务包括哪些方面？阐明你的理由。
5. 用具体事例说明人类与微生物的关系。
6. 简述微生物学在生命科学发展中的地位 , 并描绘其前景。
7. 为什么说巴斯德和柯赫是微生物学的奠基人 ?8. 食品微生物学的研究对象是什么？第二章微生物的形态结构和功能一名词解释：1、细菌2、菌落3、缺壁细菌4、芽孢5、糖被6、肽聚糖7、鞭毛8、菌毛9、间体10、L型细菌11、伴孢晶体12、放线菌14、蓝细菌15、支原体16、衣原体17、立克次氏体18、螺旋体19、霉菌20、蕈菌21、假根22、子实体23、同宗结合24、异宗结合25、次生菌丝26、锁状联合27、噬菌斑28、病毒29、温和噬菌体30、烈性噬菌体 31、溶源菌33、溶源转变34、噬菌斑35、拟病毒36、朊病毒prion 37、包涵体38、一步生长曲线39、溶源性40、溶源菌复愈41、溶源菌免疫性 42、类病毒 43、自发裂解 44、诱发裂解 45、有性繁殖 46、无性繁殖 47、半知菌二填空：1. 按生物六界分类系统，微生物包括、、和。
2. 细菌的形态十分简单，基本上只有、、三大类。
3. 细菌是以方式繁殖，并是一种性较强的核微生物。
4. 细胞的特殊结构有，，，。
5. 细菌大小的度量单位是，球菌用表示，杆菌用表示。
6. 原生质体和球状体有几个共同特点，主要是，细胞呈状，对十分敏感。
7. 异染粒功能是和，并可。
8. 放线菌是一类呈，以繁殖的革兰氏-----性细胞。
其菌丝有____ ___、____ ___和____ ___三种类型。
9. 真菌一般包括，，三种。
10. 酵母菌的无性繁殖方式主要有和.酵母菌的生活史类型包括__ ____、__ _____和__ ___三种。