微生物的遺傳變異和育種(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，就受到一次 “ 稀釋 ” 。所以，只能在選擇性培養基平板上形成一個微小菌落（即其中只有一個細胞是轉導子）。 流產轉導示意圖 （一）原核微生物基因重組 ? B、 局限轉導：通過部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌的少數特定基因攜帶到受體菌中，并獲得表達的轉導現象。 ? ①只能轉導供體菌的個別特定基因 (一般為噬菌體整合位點兩側的基因 )；②該特定基因由部分缺陷（與完全缺陷相對而言）的噬菌體攜帶。 ? 分為低頻轉導和高頻轉導。 （一）原核微生物基因重組 ? 低頻轉導 (LFT)： 用 低感染復數的 LFT裂解物感染宿主 ， 獲得極少量局限轉導子的方式。（宿主染色體被不正常切離的頻率極低，故只能獲得極少量部分缺陷噬菌體，即極少量局限轉導子） （一）原核微生物基因重組 ? 當溫和噬菌體感染受體菌后，其染色體開環，以線狀形式整合到宿主染色體的特定位點上，使宿主細胞發生溶原化。該溶原菌因誘導而發生裂解時，有極少數 (～ 105)的前噬菌體發生不正常切離，將插入位點兩側之一的少數宿主基因，連接到噬菌體DNA上，噬菌體也將相應的一段 DNA遺留在宿主的染色體組上，通過衣殼的“誤包”，形成一種特殊的噬菌體 —（部分）缺陷噬菌體。當它感染宿主并整合在宿主基因組上時，可使宿主細胞成為一個局限轉導子，而不是一個溶原菌，不具有對相同溫和噬菌體的免疫性。 低頻轉導 (LFT)裂解物的形成 （一）原核微生物基因重組 ? 高頻轉導 (HFT)： 用高感染復數的 HFT裂解物感染其它 受體菌，高頻率地轉化為 +轉導子的方式。 （一）原核微生物基因重組 ? 用高感染復數的 LFT裂解物感染 受體菌（不發酵半乳糖的營養缺陷型），凡感染λdgal （ 帶供體菌 gal基因）噬菌體的細胞 ， 幾乎同時感染正常的 λ噬菌體。兩種噬菌體同時整合在一個受體菌核染色體組上 ， 受體菌成為雙重溶原菌。當雙重溶原菌被紫外線等誘導時 ，正常 λ噬菌體（助體或輔助噬菌體）的基因可補償 λdgal 所缺失的部分基因功能 ， 兩種噬菌體同時獲得復制的機會；裂解物含有等量 λ和 λdgal 粒子 ， 稱 HFT裂解物。 （一）原核微生物基因重組 ? 溶原轉變：溫和噬菌體感染宿主使之溶原化，使宿主獲得除免疫性以外的新性狀的現象。當宿主喪失這一噬菌體時，通過溶原轉變而獲得的性狀也同時消失。 ? 區別： 溫和噬菌體不攜帶供體菌基因； 噬菌體完整，沒有缺陷。 ? 典型例子：不產毒白喉棒狀桿菌菌株（ β噬菌體）－產白喉毒素。鴨沙門氏菌（ ε15噬菌體）－細胞表面多糖結構變化。紅霉素鏈霉菌（ P4噬菌體）－紅霉素生物合成及形成氣生菌絲等能力。 （一）原核微生物基因重組 ? 接合：通過供體菌和受體菌完整細胞間直接接觸而傳遞大段 DNA的過程。 ? 細菌以生活在腸道內的大腸桿菌、沙門氏菌 、志賀氏菌 、 賽氏桿菌 、 弧菌 、 固氮菌、克氏桿菌和假單胞桿菌等屬的一些種最為常見。 ? 放線菌研究得最多的是鏈霉菌屬、諾卡氏菌屬等 ， 尤以天藍色鏈霉菌最為詳細。 ? 接合還可發生在不同屬之間 ， 如大腸桿菌與鼠傷寒沙門氏菌或鼠傷寒沙門氏菌與痢疾志賀氏菌之間。 研究細菌接合方法的基本原理 （一）原核微生物基因重組 ? 大腸桿菌 F因子 (即致育因子或性質粒 )： ? 獨立于染色體外的小型的環狀 DNA， 一般呈超螺旋狀態，具有自主的與染色體進行同步復制和轉移到其他細胞中去的能力。還帶有一些對細胞生命活動關系較小的基因。 ? 分子量 5 107 ， DNA含量 2%， 1～ 4個／細胞。屬于附加體質粒，既可脫離染色體獨立存在，也可插入 (即整合 )到染色體組上；既可經過接合作用而獲得，也可通過一些理化因素 (如吖啶橙 、 利福平、環已亞胺和加熱等 )的處理從細胞中消失。 （一）原核微生物基因重組 ? 大腸桿菌的 4種類型： ? F (“雌性” )菌株：沒有 F因子 ,表面不具性菌毛。 ? F+ (“雄性” )菌株：細胞中存在游離 F因子 ,表面具性菌毛，數目與因子數相同。 ? Hfr(高頻重組 )菌株： F因子被整合在 DNA上。 ? F′菌株： Hfr的 F因子脫離 DNA,形成攜帶一小段(最多可達 1／ 3)染色體基因的游離 F因子 ,特稱 F′因子。該菌株稱為初生 F′菌株。 （一）原核微生物基因重組 ? 大腸桿菌的 接合 類型： ? F+ F ： F+通過性菌毛將 F因子轉移給 F成為 F+。 ? F因子傳遞 “ 滾環模型 ” ：① F因子的一條 DNA單鏈在特定位置上發生斷裂； ② 斷裂的單鏈逐漸解開 ， 同時以留下的另一條環狀單鏈作模板 ， 通過模板的旋轉 ， 將解開的單鏈通過性菌毛推入 F中 ，同時 在供體細胞內 ， 重新合成一條新的環狀單鏈 ， 取代解開的單鏈 ； ③ F細胞中 ， 外來 DNA單鏈上也合成一條互補的新 DNA鏈 ， 恢復成環狀雙鏈 F因子 ，F變成了 F+。 （一）原核微生物基因重組 F′F 初生 F′菌株與 F 菌株接合，使之成為次生 F′菌株，含有質粒基因和若干原屬 Hfr菌株的遺傳性狀。 通過質粒來傳遞供體基因的方式，稱為 F質粒轉導、 F因子轉導、性導、 F質粒媒介轉導。 （一）原核微生物基因重組 ? Hfr與 F ： 接合時 ， Hfr染色體在 F因子處發生斷裂 ， 由環狀變成線狀， F因子位于最末端。由于種種原因 ， 這種線狀染色體在轉移過程中經常會發生斷裂 ， 越在前端的基因 ， 進入的機會就越多 ， 在 F中出現重組子的時間就越早 ，頻率也高。 F因子位于最末端 ， 進入的機會最少 ， 引起性別轉化的可能性也最小。因此 ，Hfr與 F接合的結果重組頻率雖高 ， 但卻很少出現 F+的菌株，大多數情況下，仍是 F 。 F因子的存在方式及其相互關系 （二）真核微生物基因重組 ? 有性雜交：指性細胞間的接合和隨之發生染色體重組 ， 并產生新遺傳型后代的一種方式。能產生有性孢子者，均可采用有性雜交。 ? 準性生殖：類似于有性生殖但更為原始的一種生殖方式。可使同一生物的兩個不同來源的體細胞經融合后，不通過減數分裂而導致低頻率的基因重組。 （二）真核微生物基因重組 ? 有性雜交 — ? 釀酒酵母：將甲、乙兩個雙倍體親本，分別接種到產孢培養基 (醋酸鈉培養基等 )斜面上，使其產生子囊，減數分裂，形成 4個單倍體子囊孢子。用蒸餾水洗下子囊，經機械法 (加硅藻土和石蠟油，在勻漿管中研磨 )或酶法 (如蝸牛酶 )破環子囊，離心，獲得子囊孢子，涂布平板，培養，得到單倍體菌落。把兩個親體的不同性別的單倍體細胞密集接觸在一起，有機會出現雙倍體的雜交后代。雙倍體細胞和單倍體細胞有很大不同 ,易于識別。 雙倍體和單倍體細胞的比較 項 目 雙 倍 體 單 倍 體 細胞 菌落 液體培養 在產孢培養基上 大 , 橢圓形 大 , 形態均一 繁殖較快 , 細胞較分散 形成子囊 小 , 球形 小 , 形態變化較多 繁殖較慢 , 細胞常聚集成團 不形成子囊 （二）真核微生物基因重組 ? 準性生殖： ? 菌絲聯結：形態沒有區別 , 遺傳性上有差別的兩個同種親本的單倍體體細胞間發生菌絲聯結。 ? 形成異核體：聯結后 ,原有的兩個單倍體核集中到同一個細胞中 ,形成雙相異核體。異核體能獨立生活。 ? 核配：異核體中的雙核偶爾可以發生核融合 ,產生雙倍體雜合子核。如構巢曲霉、米曲霉核融合頻率為 105～ 107。某些理化因素如樟腦蒸汽、紫外線或高溫等的處理 ,可以提高頻率。 （二）真核微生物基因重組 ? 體細胞交換和單倍體化：體細胞交換即體細胞中染色體的交換 ,也稱有絲分裂交換 。 雙倍體雜合子性狀極不穩定 ,在其進行有絲分裂過程中 ,其中極少數核中的染色體會發生交換和單倍體化 ,從而形成了極個別具有新性狀的單倍體雜合子。如對雙倍體雜合子用紫外線、 γ 射線等進行處理 ,就會促進染色體斷裂、畸變或導致染色體在兩個子細胞中分配不均 ,因而有可能產生各種不同性狀組合的單倍體雜合子。 半知菌的準性生殖示意圖 準性生殖和有性生殖的比較 項 目 準 性 生 殖 有 性 生 殖 參與接合的親本細胞 獨立生活的異核體階段 接合后雙倍體的細胞形態 雙倍體變為單倍體的途徑 接合發生的幾率 形態相同的體細胞 有 與單倍體基本相同 通過有絲分裂 偶然發現 , 幾率低 形態或生理上有分化的性細胞 無 與單倍體明顯不同 通過減數分裂 正常出現 , 幾率高 第三節 微生物育種 ? 目前，微生物發酵已由野生型菌株發酵向代謝調控發酵轉移。 ? 代謝調控發酵：利用遺傳學原理和方法，在DNA水平人為地改變和控制微生物代謝，使目的產物大量積累的發酵。 ? 關鍵之一：選育從遺傳角度解除了微生物正常代謝機制的突變株。 ? 方法：主要是誘變、雜交、遺傳工程等。 一、突變與育種 ? （一）、自發突變與育種： ? 生產選育：富于實際經驗并且善于細致觀察的人們在日常生產過程中，發現自然突變，選育優良菌株。 ? 定向培育：用某一特定因素長期處理某一微生物培養物，同時不斷對它們進行傳代，以達到累積并選擇相應的自發突變體的一種古老的育種方法。過程十分緩慢， “ 守株待兔 ” 。 一、突變與育種 ? 分離篩選步驟 ? 采樣（土壤、食品等） ? 增殖培養（數量不足時） ? 純種分離（稀釋、劃線、組織分離等） ? 純培養（擴大） ? 生產性能測定 一、突變與育種 ? （二）、誘變育種：利用物理或化學誘變劑處理均勻分散的細胞群，大幅度提高突變頻率，通過簡便、快速和高效的篩選，從中挑選符合育種目的的突變株。 ? 發酵工業和其他微生物生產部門使用的高產菌株，幾乎都是通過誘變育種而大大提高了生產性能的。提高產量、改進質量、擴大品種和簡化生產工藝等，是使用最廣泛的育種手段之一。 一、突變與育種 ? 誘變育種的基本結果：以高產突變株為例 ? 誘變 出發菌株－－ {絕大多數死亡 少數存活 {多數未變 多數負變 少數突變 {少數正變少數正變 {多數幅度小 少數幅度大 {多數不宜投產 ? 少數適宜投產 一、突變與育種 ? 誘變育種的基本路線： ? 確定出發菌株 → 純化選優 → 性能測定 →同步培養 → 制備單細胞（單孢子）懸液→ 活菌濃度測定 → 誘變劑選擇與劑量確定預試驗 → 誘變處理 → 平板分離 → 計數（變異菌落與突變率） → 挑取疑似菌落純培養 → 突變體初篩 →