微生物的遗传变异和育种

山东农业大学微生物学第八章微生物的遗传变异和育种思维导图，包括遗传变异的物质基础、基因突变、基因重组与杂交育种等。

微生物的遗传变异和育种

• 1. 基本概念
  • 遗传型：又称基因型，指某一生物个体所含的全部遗传因子（即基因组所携带的遗传信息）
  • 表型：指某一生物所具有的一切外表特征和内在特征的总和，是其遗传型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体体现
  • 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的改变，亦即遗传型的改变
  • 饰变：指外表的修饰性改变，不涉及遗传物质结构改变，只发生在转录、翻译水平上的表型变化
• 2. 遗传变异的物质基础
  • 三个经典实验
    • 经典转化实验
      • 肺炎双球菌
    • 噬菌体感染实验
      • 蛋白质外壳未进入宿主细胞，只有DNA进入
      • 在DNA中，存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息
    • 植物病毒重建实验
      • 裸露的RNA也能感染烟草
  • 遗传物质在微生物细胞内存在的部位和形式
    • 七个水平
      • 细胞水平
        • 集中在细胞核或核区（核质体）
      • 细胞核水平
        • 核基因组
        • 核外染色体
          • 真核生物
            • 细胞质基因：线粒体基因、叶绿体基因
            • 共生生物
            • 2μm质粒：存在酿酒酵母细胞核中，但不与核基因组整合
          • 原核生物
            • F因子（F质粒）：致育因子，大肠杆菌等决定性别
            • R因子（R质粒）：抗药性
            • Col质粒
            • Ti质粒：诱癌质粒，根癌农杆菌，地瓜共存-贮藏器官
            • 巨大质粒
            • 降解性质粒：假单胞菌属
      • 染色体水平
      • 核酸水平
      • 基因水平
      • 密码子水平
      • 核苷酸水平
• 3. 基因突变
  • 基因突变
    • 定义
      • 基因突变：泛指细胞内遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化
        • 广义：基因突变和染色体畸变
        • 狭义：专指基因突变（点突变）
      • 野生型菌株：从自然界分离到的菌株
      • 突变株：野生型经突变后形成的带有新性状的菌株
    • 突变类型
      • 选择性突变株
        • 营养缺陷型
          • 某一野生型菌株发生基因突变丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸等的能力，因而不能在基本培养基上正常繁殖的变异类型
        • 抗性突变型
          • 野生型菌株发生突变而产生对某化学药物、致死物理因子或噬菌体的抗性变异类型
        • 条件致死突变型
          • 某菌株或病毒突变后，在某种条件下可正常生长、繁殖并呈现其固有表现型，但在另一条件下无法生长、繁殖
      • 非选择性突变株
        • 形态突变型
          • 突变引起的个体或菌落形态的变异
        • 抗原突变型
          • 突变引起细胞抗原结构变异，包括细胞壁缺陷型变异（L型细菌）、荚膜或鞭毛成分变异
        • 产量突变型
          • 突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株
  • 突变率
    • 定义：某一细胞或病毒在每一世代中发生某一性状突变的概率
    • 可用某一单位群体在每一世代（分裂一次）中产生突变株的数目表示
  • 基因突变特点
    • ①自发性 ②不对应性 ③稀有性 ④可诱变性 ⑤稳定性 ⑥可逆性
  • 基因突变及其机制
    • 诱发突变
      • 点突变
        • 碱基置换
          • 转换
          • 颠换
        • 移码突变
          • 缺失
          • 添加
      • 畸变
        • 缺失
        • 添加
          • 重复、插入
        • 易位（转座）
        • 倒位
    • 自发突变
      • 原因：①背景辐射和环境因素 ②微生物自身有害代谢物引起 ③DNA复制过程中碱基配对错误
  • 紫外线对DNA的损伤及其修复
    • 损伤：uv-相邻嘧啶形成嘧啶二聚体-局部DNA无法配对-微生物死亡或突变
    • 修复
      • 光复活作用：UV照射后的微生物立即暴露于可见光下，能明显降低死亡率
      • 切除修复 （暗修复）
        • 通过酶切作用除去嘧啶二聚体，随后重新合成一段正常的DNA链的核酸修复方式
        • 4种酶：①内切核酸酶 ②外切核酸酶 ③DNA聚合酶 ④连接酶
• 4. 基因工程
  • 定义
    • 又称遗传工程，指人们利用分子生物学的理论和技术，自觉设计、操纵、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生活的需要
  • 基本操作
    • ①目的基因的取得
    • ②优良载体的选择
    • 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
    • ⑥“工程菌”和“工程细胞”的大规模培养
  • 应用
    • ①生产多肽类药物、疫苗 ②改造传统工业发酵菌种 ③动、植物特性的基因工程改良 ④环境保护 ⑤基因武器
• 5. 菌种的衰退、复壮与保藏
  • 菌种的衰退与复壮
    • 定义
      • 衰退：某种纯种微生物群体中的个别个体由于自发突变，而使该物种原有的一系列生物学性状发生衰退性的量变或质变
      • 复壮
        • 狭义：仅是一种消极的措施，在该菌种已发生衰退的情况下，通过纯种分离和测定典型性状、生产性能等指标，从已衰退的群体中筛选出少数尚未退化的个体，以达到恢复菌株固有性状的相应措施
        • 广义：积极的措施，在菌种的典型特征或生产性状尚未衰退前，就经常有意识的采取纯种分离和生产性状的测定，以期从中选择到自发的正变个体
    • 衰退的原因
      • ①有关基因自发突变 ②育种后未经很好的分离纯化 ③培养条件的改变
    • 衰退的表现
      • ①原有形态性状变得不典型了 ②生长速度变慢，产生孢子少 ③代谢产物生产能力下降
    • 衰退的防止
      • ①控制传代次数 ②创造良好的培养条件 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
    • 定义
      • 通过适当方法使微生物能长期存活，并保持原种的生物学性状稳定不变的一类措施
    • 保藏方法
      • ①定期移植保藏法 ②液体石蜡保藏法 ③沙土管保藏法 ④麸皮保藏法 ⑤蒸馏水保藏法 ⑥冷冻干燥保藏法 ⑦液氮超低温保藏法 ⑧甘油保藏法
• 6. 基因重组与杂交育种
  • 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程
    • 重组，是遗传物质在分子水平上的杂交；杂交，是细胞水平上的基因重组
  • 原核生物的基因重组
    • 转化
      • 定义
        • 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
        • 通过转化方式而形成的杂种后代称为转化子
      • 转化微生物
      • 感受态
        • 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
      • 转化因子
        • 本质是离体的NDA片段
      • 转化过程
        • ①供体菌的dsDNA片段与感受态受体菌细胞表面的膜连DNA结合蛋白相结合，其中一条链被核酸酶切开和水解，另一条进入细胞 ②形成杂合DNA片段 ③受体菌染色体组复制 ④细胞分裂，形成一个转化子和一个仍保持受体菌原来基因型的子代
      • 转染
        • 用提纯的病毒核酸去感染其宿主细胞或原生质体，可增殖出一群正常病毒后代的现象
    • 转导
      • 定义
        • 通过缺陷噬菌体的媒介，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，使后者获得前者的部分遗传性状。
        • 转导子：由转导作用而获得部分新性状的重组细胞
      • 普遍转导
        • 定义：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。一般用温和噬菌体
        • 分类
          • 完全普遍转导
            • 细胞不可能被溶原化，不显示对噬菌体的免疫性，不会裂解和产生正常的噬菌体后代
            • 导入的外源DNA可与受体细胞染色体组上的同源区段配对，成为一个遗传性状稳定的重组体
          • 流产普遍传导
            • 外源DNA片段在体内既不进行交换、整合和复制，也不迅速消失，仅表现稳定的转录、翻译和性状表达
            • 每一次分裂就一次稀释。受体菌分裂后这段外源DNA分配到一个子细胞，另一个只获得外源基因转录、翻译而形成的酶
      • 局限转导
        • 定义：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，并与后者的基因整合、重组，形成局限转导子的现象
        • 特点
        • 分类
          • 低频转导：指通过一般溶原菌释放的噬菌体进行转导，只能形成极少数转导子
          • 高频转导：局限转导中，对双重溶原菌进行诱导，就会产生含50%左右的局限转导噬菌体的高频转导裂解产物，用这种裂解物去转导受菌体，就能获得高达50%左右的转导子
      • 溶原性转换
        • 定义
          • 正常的温和噬菌体感染其宿主而使其发生溶原化时，因噬菌体基因整合到宿主核基因组上，而使宿主获得除了免疫性外的新遗传性状的现象
        • 与局限转导的不同
          • ①噬菌体是不携带任何外源基因的正常噬菌体
          • ②是噬菌体的基因而不是供体菌的基因提供了宿主的新性状
          • ③新性状是宿主细胞溶原化时的表型，而不是经遗传重组形成的稳定转导子
          • ④获得的性状可随噬菌体的消失而同时消失
    • 接合
      • 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核基因组片段传递给后者，使后者获得若干新遗传性状
        • 通过结合而获得新遗传性状的受体细胞称为接合子
      • 能进行接合的微生物
        • 许多G-细菌和放线菌
      • E.coli的4种接合型菌株
        • F+菌株
          • 即雄性菌株，指细胞内存在一至几个质粒，并在细胞表面着生着一至几条性菌毛的菌株
        • F-菌株
          • 即雌性菌株，指与F+菌株相对应的、细胞中无F质粒、细胞表面无性菌毛的菌株
        • Hfr菌株
          • 高频重组菌株，F因子插到染色体DNA上，只要发生接合转移过程，就嫩把部分甚至全部细菌染色体传递给F-细胞并发生重组
        • F'菌株
          • Hfr菌株细胞内的F质粒因不正常切离而脱离染色体组时，可重新形成游离的、但携带整合点邻近一段染色体基因的特殊F质粒
    • 原生质体融合
      • 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，借以获得兼有双亲性状的稳定重组子
  • 真核生物的基因重组
    • 有性杂交
      • 定义
        • 一般指不同遗传型的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
    • 准性杂交
      • 定义
        • 准性生殖：比有性生殖更原始的两性生殖。是一种在同种不同菌株的体细胞间发生的融合，可以不借减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子。是自然条件下真核生物体细胞间的一种自发性的原生质体融合
      • 准性生殖过程
        • ①菌丝联结
        • ②形成异核体
        • ③核融合
        • ④体细胞交换核单倍体化
          • 体细胞交换：体细胞中的染色体间的交换
          • 单倍体化：杂合的二倍体细胞核在有丝分裂时，同源染色体发生交换的同时发生非整倍体分裂，产生2N-1的细胞核，2N-1的非整倍细胞核经过一系列的分裂，继续丢失染色体，最后回复未单倍体
      • 准性杂交育种
• 7. 突变与育种
  • 自发突变育种
    • 从生产种育种
    • 定向培育：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较优良菌株
  • 诱变育种
    • 定义：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
    • 基本环节：出发菌株-少数存活-少数突变-少数正变-少数突变幅度大-少数适宜投产
    • 原则
      • ①选择简便有效的诱变剂
        • 物理：非电离辐射的紫外线、激光和离子束；能引起电离辐射的X射线、γ射线和快中子
        • 化学：烷化剂、碱基类似物、吖啶类似物
        • 艾姆斯试验：利用细菌营养缺陷型的回复突变来检测环境或食品中是否存在化学致癌剂
      • 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、生理与产量间的相关指标
      • ⑦设计高效筛选方案
      • ⑧创造新型、高效筛选方法
    • 三类突变株的筛选方法
      • 产量突变株的筛选
        • 琼脂块培养法
      • 抗药性突变株的筛选
      • 营养缺陷型突变株的筛选
        • 三类培养基
          • 基本培养基MM：仅能满足某些微生物的野生型菌株生长所需的最低组分的组合培养基
          • 完全培养基CM：可满足某些微生物一切营养缺陷型菌株营养需要的天然或半组合培养基
          • 补充培养基SM：只能满足相应的营养缺陷型突变株生长需要的组合或半组合培养基
        • 三类遗传型个体
          • 野生型：从自然界分离到的任何微生物在其发生人为营养缺陷突变前的原始菌株
          • 营养缺陷型：野生型菌株经诱变处理后，由于发生了丧失某种酶合成能力的突变，只能在加有该酶合成产物的培养基中才能生长
          • 原养型：营养缺陷型突变株经回复突变或重组后产生的菌株，其营养要求在表型上与野生型相同
        • 筛选环节
          • ①诱变剂处理
          • ②淘汰野生型
            • 抗生素法、菌丝过滤法
          • ③检出缺陷型
            • 逐个检出法、限量补充法、夹层培养法、影印接种法
          • ④鉴定缺陷型
            • 生长谱法：在混有供试菌的基本培养基平板表面加点微量营养物，视某营养物的周围是否长菌来确定该供试菌的营养要求
• 自发突变：生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变
• 诱发突变：通过人为方法，利用物理化学或生物因素显著提高基因自发突变频率
• 质粒（ccDNA)：游离于原核生物基因组外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状DNA分子
• 只有核酸还是负载遗传信息的真正基础物质