河北农业大学：《食品微生物学》课程教学资源（PPT课件）第六章 微生物的遗传变异与菌种选育

第六章 微生物的遗传变异与菌种选育  在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品的过程 中，要想有效地大幅度提高产品的产量、质量和花色品 种,首先必须选育优良的生产菌种，才能达到目的。而 优良菌种的选育是在微生物遗传变异的基础上进行的。 遗传和变异是相互关联，同时又相互矛盾对立的两个方 面，在一定条件下，二者是相互转化的。认识和掌握微 生物遗传变异的规律是搞好菌种选育和关键

第六章 微生物的遗传变异与菌种选育  在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品的过程 中，要想有效地大幅度提高产品的产量、质量和花色品 种,首先必须选育优良的生产菌种，才能达到目的。而 优良菌种的选育是在微生物遗传变异的基础上进行的。 遗传和变异是相互关联，同时又相互矛盾对立的两个方 面，在一定条件下，二者是相互转化的。认识和掌握微 生物遗传变异的规律是搞好菌种选育和关键

本章主要内容 微生物遗传变异的基本原理 ☀ 关于微生物遗传变异的物质基础及其存在形式。 ☀ 关于微生物基因突变的基本原理（类型、特点和机制）。 ☀ 关于微生物基因重组的基本原理（方式和特点）。 微生物菌种的选育 ☀ 关于野生型微生物菌菌株分离、筛选与纯化。 ☀ 关于微生物的诱变育种的工作程序和方法步骤。 ☀ 关于营养缺陷型突变菌株的筛选方法和具体应用。 ☀ 原生质体融合育种技术的操作程序。 ☀ 基因工程育种技术的操作步骤和取得的成就。 ☀ 微生物菌种退化的原因；掌握菌种复壮的方法、防止菌种退化 的措施以及菌种保藏的方式和原理

本章主要内容 微生物遗传变异的基本原理 ☀ 关于微生物遗传变异的物质基础及其存在形式。 ☀ 关于微生物基因突变的基本原理（类型、特点和机制）。 ☀ 关于微生物基因重组的基本原理（方式和特点）。 微生物菌种的选育 ☀ 关于野生型微生物菌菌株分离、筛选与纯化。 ☀ 关于微生物的诱变育种的工作程序和方法步骤。 ☀ 关于营养缺陷型突变菌株的筛选方法和具体应用。 ☀ 原生质体融合育种技术的操作程序。 ☀ 基因工程育种技术的操作步骤和取得的成就。 ☀ 微生物菌种退化的原因；掌握菌种复壮的方法、防止菌种退化 的措施以及菌种保藏的方式和原理

第一节 微生物遗传变异的物质基础  证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验  肺炎双球菌的转化实验  噬菌体的感染实验  烟草花叶病毒的拆开与重组实验

第一节 微生物遗传变异的物质基础  证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验  肺炎双球菌的转化实验  噬菌体的感染实验  烟草花叶病毒的拆开与重组实验

肺炎双球菌的转化实验 注射R 型活菌 小鼠不发病（存活） 注射S 型灭活菌 小鼠不发病（存活） 注射S 型活菌 小鼠发病死亡 注射R型活菌 +S 型死菌 小鼠发病死亡 心血分离到S 型活菌 ⑴ 动物试验 热致死S 型菌 培养皿培养 无菌落生长 R 型活菌 培养皿培养 培养出R 型菌落 热致死S 型菌 +R 型活菌 培养皿培养 培养出大量R 型和S 型菌落 R 型活菌 +S 菌抽取提物 培养皿培养 培养出大量R 型和S 型菌落 ⑵ 细菌培养试验

肺炎双球菌的转化实验 注射R 型活菌 小鼠不发病（存活） 注射S 型灭活菌 小鼠不发病（存活） 注射S 型活菌 小鼠发病死亡 注射R型活菌 +S 型死菌 小鼠发病死亡 心血分离到S 型活菌 ⑴ 动物试验 热致死S 型菌 培养皿培养 无菌落生长 R 型活菌 培养皿培养 培养出R 型菌落 热致死S 型菌 +R 型活菌 培养皿培养 培养出大量R 型和S 型菌落 R 型活菌 +S 菌抽取提物 培养皿培养 培养出大量R 型和S 型菌落 ⑵ 细菌培养试验

噬菌体的感染实验  1952 年侯喜(A. Hershey)和蔡斯(M. Chase)利 用示踪元素，对大肠杆菌 T2 噬菌体进行了 这类实验。  先用含有 35S 和 32P 两种元素的培养基培养 大肠杆菌，然后让 T2 噬菌体侵染培养后的 大肠杆菌，从而使 T2 噬菌体打上 35S 和 32P 的标记。  让这种 T2 噬菌体侵染不含标记元素的大肠 杆菌，并在 T2 噬菌体完成了吸附和侵入后，  强烈搅拌洗涤，以便使吸附在菌体外表的 T2 噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布， 再进行离心沉淀，分别测定沉淀物和上清液 中的同位素标记。  结果发现，几乎全部 35S 都在上清液中， 而几乎全部 32P 和细菌一起出现在沉淀物中

噬菌体的感染实验  1952 年侯喜(A. Hershey)和蔡斯(M. Chase)利 用示踪元素，对大肠杆菌 T2 噬菌体进行了 这类实验。  先用含有 35S 和 32P 两种元素的培养基培养 大肠杆菌，然后让 T2 噬菌体侵染培养后的 大肠杆菌，从而使 T2 噬菌体打上 35S 和 32P 的标记。  让这种 T2 噬菌体侵染不含标记元素的大肠 杆菌，并在 T2 噬菌体完成了吸附和侵入后，  强烈搅拌洗涤，以便使吸附在菌体外表的 T2 噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布， 再进行离心沉淀，分别测定沉淀物和上清液 中的同位素标记。  结果发现，几乎全部 35S 都在上清液中， 而几乎全部 32P 和细菌一起出现在沉淀物中

烟草花叶病毒的拆开与重组实验  1956 年，美国的法朗克-康勒特(Fraenkel-Conrat)  将烟草花叶病毒拆成RNA(因该病毒不含DNA)和蛋白质，并分别对烟草 进行感染实验；  结果发现只有 RNA能感染烟草，并在感染后的寄主中分离到完整的具蛋 白质外壳的烟草花叶病毒。  后来他又将甲、乙两种变种的烟草花叶病毒拆开，在体外分别将甲病 毒的 RNA和乙病毒的蛋白质结合，将乙病毒的RNA 和甲病毒的蛋白质 结合进行重组。  接着他把这些经过重组的病毒分别感染烟草。结果从寄主分离所得的病 毒蛋白质均取决于相应病毒的 RNA。证明了核酸(RNA)是烟草花叶病毒 的遗传物质基础

烟草花叶病毒的拆开与重组实验  1956 年，美国的法朗克-康勒特(Fraenkel-Conrat)  将烟草花叶病毒拆成RNA(因该病毒不含DNA)和蛋白质，并分别对烟草 进行感染实验；  结果发现只有 RNA能感染烟草，并在感染后的寄主中分离到完整的具蛋 白质外壳的烟草花叶病毒。  后来他又将甲、乙两种变种的烟草花叶病毒拆开，在体外分别将甲病 毒的 RNA和乙病毒的蛋白质结合，将乙病毒的RNA 和甲病毒的蛋白质 结合进行重组。  接着他把这些经过重组的病毒分别感染烟草。结果从寄主分离所得的病 毒蛋白质均取决于相应病毒的 RNA。证明了核酸(RNA)是烟草花叶病毒 的遗传物质基础

二、遗传物质在细胞中的存在方式 （一）细胞水平  从细胞水平来看，细胞核；除此之外，在细胞质中存在着一些能 自我复制的遗传物质，一般称这部分DNA 为质粒。  （二）亚细胞核水平  真核微生物的细胞核有核膜包围，形成具有完整形态、在光学显微镜 下清晰可见的细胞核，核内DNA 与组蛋白结合在一起构成染色体。 （三）分子水平  DNA（ RNA）－－→在DNA 大分子上存在着决定某些遗传性状的特定区 段，即所谓基因－－→一个基因含若干核苷酸碱基组成的三联密。  四种核苷酸，按其排列组合方式的不同，可编出三联密码 4 3＝64个， 用于决定组成蛋白质的20 种氨基酸顺序。起始密码（AUG）和终止密 码（UAA、UGA和UAG）

二、遗传物质在细胞中的存在方式 （一）细胞水平  从细胞水平来看，细胞核；除此之外，在细胞质中存在着一些能 自我复制的遗传物质，一般称这部分DNA 为质粒。  （二）亚细胞核水平  真核微生物的细胞核有核膜包围，形成具有完整形态、在光学显微镜 下清晰可见的细胞核，核内DNA 与组蛋白结合在一起构成染色体。 （三）分子水平  DNA（ RNA）－－→在DNA 大分子上存在着决定某些遗传性状的特定区 段，即所谓基因－－→一个基因含若干核苷酸碱基组成的三联密。  四种核苷酸，按其排列组合方式的不同，可编出三联密码 4 3＝64个， 用于决定组成蛋白质的20 种氨基酸顺序。起始密码（AUG）和终止密 码（UAA、UGA和UAG）

第二节 微生物的基因突变  一、基因突变的类型  基因突变的类型是多种多样的，按突变体表型不同，可分为以下 几种类型：  （1）形态突变型。  （2）条件致死突变型。  （3）营养缺陷突变型。  （4）抗性突变型。  （5）抗原突变型。  （6）其他突变型。 二、基因突变的特点 整个生物界，由于它们遗传变异的物质基础是相同的，因此显示在遗 传变异的本质上都具有相同的规律，这在基因突变的水平上尤其突出。 （1）不对应性。 （2）自发性。 （3）稀有性。 （4）独立性。 （5）诱变性。 （6）稳定性。 （7）可逆性。 三 、基因突变的机理 （一）诱发突变及其机理 1 碱基对的置换 ⑴ 直接引起置换的诱变剂 （亚硝酸类、烷化剂类） ⑵ 间接引起置换的诱变剂 （碱基类似物） 2 移码突变 3 染色体畸变 （二）自发突变的机制 1 背景辐射和环境中多因素低剂量的诱变效应 2 微生物自身代谢产物的诱变效应 3 互变异构效应 4 环状突出效应

第二节 微生物的基因突变  一、基因突变的类型  基因突变的类型是多种多样的，按突变体表型不同，可分为以下 几种类型：  （1）形态突变型。  （2）条件致死突变型。  （3）营养缺陷突变型。  （4）抗性突变型。  （5）抗原突变型。  （6）其他突变型。 二、基因突变的特点 整个生物界，由于它们遗传变异的物质基础是相同的，因此显示在遗 传变异的本质上都具有相同的规律，这在基因突变的水平上尤其突出。 （1）不对应性。 （2）自发性。 （3）稀有性。 （4）独立性。 （5）诱变性。 （6）稳定性。 （7）可逆性。 三 、基因突变的机理 （一）诱发突变及其机理 1 碱基对的置换 ⑴ 直接引起置换的诱变剂 （亚硝酸类、烷化剂类） ⑵ 间接引起置换的诱变剂 （碱基类似物） 2 移码突变 3 染色体畸变 （二）自发突变的机制 1 背景辐射和环境中多因素低剂量的诱变效应 2 微生物自身代谢产物的诱变效应 3 互变异构效应 4 环状突出效应

碱基对的置换  碱基对的置换可分成两个亚类：一类是DNA 链上的一 个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换， 称为转换；另一类是DNA 链上的一个嘌呤被另一个嘧 啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换，称为颠换  A：T T：A A T    C：G G：C C G  双链DNA 单链DNA  （实线代表转换，虚线代表颠换）

碱基对的置换  碱基对的置换可分成两个亚类：一类是DNA 链上的一 个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换， 称为转换；另一类是DNA 链上的一个嘌呤被另一个嘧 啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换，称为颠换  A：T T：A A T    C：G G：C C G  双链DNA 单链DNA  （实线代表转换，虚线代表颠换）

直接引起置换的诱变剂  亚硝酸是一种对含有氨基的碱基对 直接作用而诱发碱基对转换的诱变剂。 它能使碱基中的氨基氧化脱氨，从而 使腺嘌呤（A）变成次黄膘呤（H）， 胞 嘧啶 （C ）变成尿 嘧啶 （ U） ，  而后由于H 和C 配对，U 与A 配 对，因此当DNA 再次复制时，A:T 就 转换为 G:C，而G:C 就转换为 A:T。 H:C ↗ H:C-→G:C ↗ H:C→G:C ↗ A:T→ H:T-→A:T 亚硝酸类引起的碱基对置换 O:A T:A（颠换） O:C G:C（复原） G:C RG:C O:C O:T A:T（转换） O:G C:G（颠换） 烷化剂是诱变育种极其重要的一类诱变剂，它们的化学结构都带有一 个或多个活性烷基。所有这些物质通过烷化磷酸基形成烷化嘌呤和烷 化嘧啶与DNA作用，特别是经常形成烷化鸟嘌呤。 烷化作用导致基因突变的机制尚未定论。① 碱基类似物作用，引起碱 基配对的错误。② 烷基在鸟嘌呤 引起脱嘌呤作用，使鸟嘌呤从DNA 链上脱落下来，进而引起DNA复制时碱基对的缺失和置换

直接引起置换的诱变剂  亚硝酸是一种对含有氨基的碱基对 直接作用而诱发碱基对转换的诱变剂。 它能使碱基中的氨基氧化脱氨，从而 使腺嘌呤（A）变成次黄膘呤（H）， 胞 嘧啶 （C ）变成尿 嘧啶 （ U） ，  而后由于H 和C 配对，U 与A 配 对，因此当DNA 再次复制时，A:T 就 转换为 G:C，而G:C 就转换为 A:T。 H:C ↗ H:C-→G:C ↗ H:C→G:C ↗ A:T→ H:T-→A:T 亚硝酸类引起的碱基对置换 O:A T:A（颠换） O:C G:C（复原） G:C RG:C O:C O:T A:T（转换） O:G C:G（颠换） 烷化剂是诱变育种极其重要的一类诱变剂，它们的化学结构都带有一 个或多个活性烷基。所有这些物质通过烷化磷酸基形成烷化嘌呤和烷 化嘧啶与DNA作用，特别是经常形成烷化鸟嘌呤。 烷化作用导致基因突变的机制尚未定论。① 碱基类似物作用，引起碱 基配对的错误。② 烷基在鸟嘌呤 引起脱嘌呤作用，使鸟嘌呤从DNA 链上脱落下来，进而引起DNA复制时碱基对的缺失和置换