微生物的遗传变异和育种

这是一篇关于微生物的遗传变异和育种的思维导图，全面而系统地概述了遗传与变异的基本概念、类型、特点、物质基础、机制以及在现代生物技术中的应用等方面的内容。

微生物的遗传变异和育种

• 前言
  • 遗传和变异是一切生物体最本质的属性之一。
  • ①遗传性 指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组。
  • ②表型 指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是遗传性在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体提现。
  • ③变异 指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量变化。
  • ④饰变 指外表的修饰性改变，意即一种不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。 特点: 暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为。
  • 遗传性＋环境条件→→→→→→表型 （可能性） （代谢，发育） （现实性）
• 遗传变异的物质基础
  • 3个经典实验
    • （一）经典转化实验
      • →加入活的R菌或加热杀死的S菌→小鼠（活） 动物实验: 小鼠→加入活的S菌→小鼠（死） （活）→ 加入活的R菌和加热杀死的S菌→小鼠（死）
      • 细菌培养实验:肺炎链球菌→加热杀死的S菌（培养皿培养）→不生长 →活的R菌（培养皿培养）→长出R菌 →加热杀死的S菌+活的R菌（培养皿培养）→长出大量R菌+10ˉ⁶ S菌
      • S型菌的无细胞抽提液实验: 活的R菌+S菌的无细胞抽提液→长出大量R菌和少量S菌
      • DNA是转化所必需的转化因子
    • （二）噬菌体感染实验→证实DNA是噬菌体的遗传物质基础的著名实验。 大肠杆菌培养在以放射性³²PO³ˉ4或³⁵SO²ˉ4作为磷源或硫 源 组合培养基中，从而制备出含P32-DNA核心的噬菌体或含³⁵S-白质外壳的噬菌体 。
    • （三）植物病毒重建实验→用含RNA的烟草花叶病毒。 只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础。
  • 遗传物质在微生物细胞内存在的部位和形式
    • （一）七个水平
      • 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
      • 7.核苷酸水平
    • （二）原核生物的质粒
      • 定义:凡游离于原核生物核基因组以外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，即cccDNA就是典型的质粒。
      • 三种形式:ocDNA、iDNA、cccDNA。
      • 典型质粒简介:
        • ①F质粒 又称F因子、致育因子或性因子，与质粒转移和性菌毛合成有关。
        • ②R质粒 又称R因子或抗性因子。
        • ③Col质粒 又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子。
        • ④Ti质粒 即诱爱质粒或冠瘿质粒。
        • ⑤Ri质粒 已成为外源基因的良好载体！
        • ⑥mega质粒 即巨大质粒
        • ⑦降解性质粒
        • ⑧生理功能性质粒
• 基因突变和诱变育种
  • 基因突变 简称突变，是变异的一类，泛指细胞内（或病毒体内）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。
  • 从自然界分离到的菌株一般称野生型菌株，野生型经突变后形成的带有新形状的菌株，称突变株，突变株表型
    • 选择性突变株
      • 营养缺陷型（株）
      • 抗性突变型（株）
      • 条件致死突变型（株）
    • 非选择性突变株
      • 形态突变型（株）
      • 抗原突变型（株）
      • 产量突变型（株）
  • 基因突变特点
    • ①自发性→指可自发地产生各种遗传性状的突变；
    • ②不对应性→指突变形状（如抗青霉素）与引起该突变的原因（如紫外线照射或化学诱变剂诱变）间无直接对应关系；
    • ③稀有性→通常自发突变的概率在（10ˉ⁶~10ˉ⁹倍）之间；
    • ④独立性→某基因的突变率不受他种基因突变率的影响；
    • ⑤可诱变性→自发突变的频率可因诱变剂的影响而大为提高（10~10⁵倍）；
    • ⑥稳定性→发生基因突变后产生的新遗传性状是稳定的、可遗传的；
  • 诱发突变
    • （1）碱基的置换
    • （2）移码突变 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，并进一步引起引起转录和翻译错误的一类突变。
    • （3）染色体畸变 某些强烈理化因子，如电离辐射（X射线等）和 烷化剂、亚硝酸等，除了能引起上述点突变外，还会引起DNA分子的大损伤→染色体畸变，即包括染色体结构上的缺失 ，重复，插入，易位和倒位，也包括染色体数目的变化
  • 自发突变 是指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。原因包括
    • ①由背景辐射和环境因素引起；
    • ②由微生物自身有害代谢产物引起，列如过氧化氢；
    • ③由DNA复制过程中碱基配对错误引起；
  • 突变与育种
    • (一)自发突变与育种
      • 1.从生产中育种
      • 2 定向培育优良菌株
        • 定向培育 是一种利用微生物的自发突变，并采用特定的选择条件，通过对微生物群体不断移植以选育出教优良菌株的古老方法。
    • （二）诱变育种 是指利用物理、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、快速和高效的筛选方法，从中挑选出少数符合目的的突变株，以供科学实验或生产实践使用。
      • 诱变育种中的几个原则
        • 1.选择简便有效的诱变剂
        • 2.挑选优良的出发菌株
        • 3.处理单细胞或单孢子悬液
        • 4.选用最适的诱变剂量
        • 5.充分利用复合处理的协同效应
        • 6.利用和创造形态、生理与产量的相关指标
        • 7.设计高效筛选方案
        • 8.创造新型、高效筛选方法
    • 3类突变株的筛选方法
      • （1）产量突变株
      • （2）抗药性突变株
      • （3）营养缺陷型突变株的筛选 不论在生物学基础理论和应用研究上，还是在生产实践是都有极其重要意义。
        • 基本培养基（MM，符号［-］）
        • 完全培养基（CM，符号［+］）
        • 补充培养基（SM，符号为［A］或［B］等）
• 基因重组和杂交育种
  • 基因重组 两个独立基因组内的遗传基因，通过一定的途径转移到一起，形成新的稳定基因组的过错，成为基因重组或遗传重组
    • 基因重组→分子水平
    • 杂交→细胞水平
  • 原核生物的基因重组特点
    • ①片段性，仅 一小段DNA序列参与重组；
    • ②单向性，即从供体菌向受体菌（或从供体基因组向受体基因组）作单方向转移；
    • ③多样性，即转移机制独特而多样，如结合、转导和转化等。
      • (一) 转化
        • 受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得后者部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。
        • 感受态 是指受体细胞最易接受外源DNA片段并能实现转化的一种生理状态。调节感受态的一类特异蛋白称感受态因子 它包括3种主要成分，即膜相关DNA结合蛋白、细胞壁自溶素和几种核酸酶。
        • 转化因子→本质是离体的DNA片段。
          • 形式:dsDNA、ssDNA、质粒DNA。
        • 转染 指用提纯的病毒核酸(DNA或RNA)去感染其宿主细胞或其原生质体，可增殖出一群正常病毒后代的现象。特点: 提纯的噬菌体DNA以转化的(而非感染)途径进入细胞并表达后产生完整的病毒颗粒。
      • (二)转导
        • 定义:通过噬菌体的媒介，把供体细胞中的小片段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，称为转导。
        • 转导子→由转导作用而获得部分新形状的重组细胞。
        • 普通转导→通过极少数完全缺陷噬菌体对供体菌基因组上任何小片段DNA进行“误包”，而将其遗传性状传递给受体菌的现象，称为普通转导。
          • （1）完全普通转导
          • （2）流产普通转导→经转导噬菌体的媒介而获得了供体菌DNA片段的受体菌，如果这段外源DNA在其内既不进行交换、整合和复制，也不迅速消失，而仅表现稳定的转录、翻译和形状表达，这一现象就称流产转导。特点:选择培养基平板上形成一个微小菌落。
        • 局限转导→是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受体菌中，并与后者的基因组结合、重组，形成局限转导子的现象。特点:①只局限于传递供体菌染色体上的个别特定基因，一般为噬菌体整合位点两侧的基因；②该特定基因由部分缺陷的温和噬菌体携带；③缺陷噬菌体的形成方式是由于它在脱离宿主核染色体的过程中，发生低频率（~10ˉ⁵）的误切（不正常切离），或由于双重溶原菌的裂解而形成；④局限转导噬菌体的产生要通过UV等因素对溶原菌的诱导而引起裂解后产生；
          • （1）低频转导
          • （2）高频转导
        • 溶原性转换→当正常的温和噬菌体感染其宿主而使其发生溶原时，因噬菌体基因整合到宿主的核基因组上，而使宿主获得了除免疫性外的新遗传性状的现象。
      • （三）结合
        • 定义:供体菌（“雄性”）通过性菌毛与受体菌（“雌性”）直接接触，把F质粒或其携带的不同长度的和基因组片段传递后者，使后者获得若干新遗传性状的现象，称为接合。
        • 接合子→通过接合而获得新遗传性状的受体细胞。
        • 大肠杆菌的4种接合型菌株
          • F⁺菌株
          • F⁻菌株
          • Hfr菌株
          • F'菌株
      • （四）原生质体融合
        • 定义:通过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程，称为原生质体融合。由此法获得的重组子，称为融合子。
  • 真核生物的基因重组
    • （一）有性杂交 一般指不同遗传型的两性细胞间发生的接合和随之进行的染色体重组，进而产生新遗传型后代的一种育种技术。
    • （二）准性杂交 是一种类似于有性生殖，但比它更为原始的两性生殖方式，这是一种在同种不同菌株的体细胞间发生的融合，它可不借减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子。
      • 准性生殖过程
        • ①菌丝联结
        • ②形成异核体
        • ③核融合
        • ④体细胞交换和单倍体化
• 基因工程
  • 概念:又称遗传工程，是指人们利用分子生物学的理论和技术，自觉设计、操从、改造和重建细胞的遗传核心→基因组，从而使生物体的遗传性状发生定向变异，以最大限度地满足人类活动的需要。
  • 基因工程基本操作
    • ①目的基因的取得
      • 从适当的供体生物包括微生物、动物或植物中提取；
      • 通过反转录酶的作用，由mRNA合成cDNA;
      • 由化学合成方法合成特定功能的目的基因。
    • ②优良载体的选择
      • 是一个分子量小、结构清楚、具有自我复制能力的复制子；
      • 能在受体细胞内大量扩增；
      • 载体上最好只有一个限制性内切核酸酶的切口，使用的基因能固定地整合到载体DNA的一定位置上
      • 其上必须有一种选择性遗传标记，以便及时高效地选择出“工程菌”或“工程细胞”
    • ③目的基因与载体DNA的体外重组
    • ④重组载体导入受体细胞
    • ⑤重组受体细胞的筛选和鉴定
  • 基因重组应用
    • 在生产多肽类药物、疫苗中的应用
    • 改造传统工业发酵菌种
    • 动、植物特性的基因工程改良
    • 在环境保护中的应用
    • 基因武装必须高度警惕
• 菌种的衰退、复壮和保藏
  • 衰退 是指某纯种微生物群体中的个别个体发生自发突变，而使该物种原有的一系列生物学性状发生衰退的量变或质变得现象。具体表现
    • ①原有形态性状变得不典型了
    • ②生长速度慢，产生的孢子变少
    • ③代谢产物生产能力下降，即出现负变
    • ④致病菌对宿主侵染能力的下降
    • ⑤对外界不良条件包括低温、高温或噬菌体侵染等抵抗能力的下降
  • 衰退的防止
    • 1.控制传代次数
    • 2.改造优良的培养条件
    • 3.利用不易衰退的细胞传代
    • 4.采用有效的菌种保藏方法
  • 菌种的复壮
    • 1.纯种分离法
    • 2.通过宿主体内复壮
    • 3.淘汰已衰退的个体
  • 菌种的保藏
    • 是指通过适当方法使微生物能长期存货，并保持原种的生物学性状稳定不变的一类措施，这是一份十分重要的基础性工作