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1、第七章 微生物的遗传变异和育种重点：四个概念：遗传型、表型、变异和饰变。三个经典实验：经典转化实验、噬菌体感染实验和植物病毒重建实验。基因突变、 诱变育种:相关概念营养缺陷型的筛选环节。基因重组方式 基因工程：概念及步骤。第一节 微生物的遗传变异的概述遗传：指生物的上一代将自己的一整套遗传因子稳定地传递给下一代的行为或功能，它具有极其稳定的特性。变异：指子代与亲代之间的不相似性。应掌握的几个概念：（一）遗传型（又称基因型）指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。（二）表型指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是其遗传型在合适环境下通过代谢和发育而得到的具体体现。
2、（三）变异指在某种外因或内因的作用下生物体遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。变异的特点是在群体中以极低的概率(一般为10-510-10)出现，性状变化的幅度大，且变化后的新性状是稳定的、可遗传的。（四）饰变指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。特点是整个群体中的几乎每一个体都发生同样变化；性状变化的幅度小；因其遗传物质不变，故饰变是不遗传的。为什么微生物是研究现代遗传学和其他许多重要的生物学基本理论问题的最佳材料和研究对象？答案：从遗传学研究的角度来看，微生物有着许多重要的生物学特性：1.微生物结构简单，个体易于变异；2.营养体一般都是单倍体；3.易于在成
3、分简单的合成培养基上大量生长繁殖；4.繁殖速度快；5.易于累积不同的最终代谢产物及中间代谢物；6.菌落形态特征的可见性与多样性；7.环境条件对微生物群体中各个体作用的直接性和均一性；易于形成营养缺陷型；8.各种微生物一般都有相应的病毒；9.存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式。第二节 遗传变异的物质基础一、证明核酸是遗传变异的物质基础的经典实验（一）经典转化实验英国医生F.Griffith（1928年）以肺炎链球菌（旧称肺炎双球菌）作为研究对象。有荚膜肺炎链球菌是致病性的，它的菌落表面光滑，所以称S型；无荚膜肺炎链球菌无致病性，菌落外观粗糙，故称R型。F.Griffith做了以下3组实验：
4、抽心血分离小白鼠（活）加入活R菌或死S菌加入活S 菌加入活R菌和热死S菌小白鼠（活）小白鼠（死）小白鼠（死）活的S菌1动物试验2细菌培养试验培养皿培养培养皿培养培养皿培养肺炎链球菌热死S菌不生长活S菌长出R菌热死S菌活R菌长出大量R菌10-6S菌 3S型菌的无细胞抽提液试验活R菌S菌的无细胞抽提液培养皿培养长出大量R菌和少量S菌以上实验说明，加热杀死的S型细菌细胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物质，能通过某种方式进入R型细胞，并使R型细胞获得表达S型荚膜性状的遗传特性。 1944年，Avery等人从热死的S型肺炎链球菌中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并深入到离体条件下进行了转化实验。(1
5、) 从活的S菌中抽提各种细胞成分（DNA、蛋白质、荚膜多糖等）(2) 对各生化组分进行转化试验 加S菌的DNA 加S菌的DNA和DNA酶以外的酶 长出S菌 加S菌的DNA和DNA酶活R菌 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 只长R菌 加S菌的荚膜多糖结果只有S型菌株的DNA才能将肺炎链球菌的R型转化为S型，而且DNA的纯度越高，其转化效率也越高，只取用610-8g的纯DNA时，仍保持转化活力。说明S型转移给R型的绝不是遗传性状（在这里是荚膜多糖）的本身，而是以DNA为物质基础的遗传信息。（二）噬菌体感染实验1952年，A.D.Hershey和M.Chase发表了证实DNA是噬菌体的遗传物质的著名实
6、验噬菌体感染实验。先将大肠杆菌培养在以放射性32PO43-或35SO42-作为磷源或硫源的合成培养基中，获得含32P-DNA核心或含35S-蛋白质外壳的两种实验用噬菌体。接着做以下两组实验（略P.191）。在噬菌体的感染过程中，蛋白质外壳未进入宿主细胞。进入宿主细胞的虽只有DNA，但经增殖、装配后，却能产生一大群既有DNA核心、又有蛋白质外壳的完整的子代噬菌体粒。证明，在DNA中存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。（三）植物病毒的重建实验H.Fraenkel-Conrat(1956年)进一步用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。把TMV放在一定浓度的苯酚溶液中
7、振荡，就能将它的蛋白质外壳与RNA核心相分离。结果发现裸露的RNA也能感染烟草，并使其患典型症状，且在病斑中还能分离到完整的TMV粒子。由于提纯的RNA缺乏蛋白质衣壳的保护，所以感染频率要比正常TMV粒子低些。在实验中，还选用了另一株与TMV近缘的霍氏车前花叶病毒(HRV)。整个实验的过程和结果如下：当用TMV-RNA与HRV-衣壳重建后的杂合病毒去感染烟草时，烟叶上出现的是典型的TMV病斑，再从中分离出来的新病毒也是未带任何HRV痕迹的典型TMV病毒。用HRV- RNA与TMV-衣壳进行重建时，也可获得相同的结论。证明：在RNA病毒中遗传的物质基础也是核酸（RNA）。3个经典实验的共同结论：
8、只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础。二、遗传物质在细胞中的存在方式从7个层次探讨。（一）细胞水平真核微生物核外有核膜，叫真核。原核微生物核外无核膜，叫拟核或原核，也称核区。在不同的微生物细胞中，细胞核的数目是不同的，但孢子只有一个核。（二）细胞核水平真核微生物的DNA与组蛋白结合在一起形成染色体，由核膜包裹，形成有固定形态的真核。原核微生物的DNA不与任何蛋白质结合，也有少数与非组蛋白结合在一起，形成无核膜包裹的呈松散状态存在的核区，其中的DNA呈环状双链结构。不论是真核微生物还是原核微生物，除细胞核外，在细胞质中还有能自主复制的遗传物质。例如，真核微生物的中心体、线粒体、叶绿体等细胞器，
9、还有2 m质粒。原核微生物的质粒种类很多，常见的质粒有细菌的致育因子（F因子）、抗药因子（R因子）以及大肠杆菌素因子等。（三）染色体水平真核微生物的细胞核中染色体数目较多，而原核微生物中只有一条。除染色体的数目外，染色体的套数也不相同。有单倍体、双倍体之分。（四）核酸水平考虑：遗传物质是DNA还是RNA、是双链还是单链结构、长短差别、呈环状还是线状。（五）基因水平原核生物的基因可分为调节基因、启动基因、操纵基因和结构基因。（六）密码子水平遗传密码是指DNA链上特定的核苷酸排列顺序。基因中携带的遗传信息通过mRNA传给蛋白质。遗传密码的单位是密码子。三联密码子一般都用mRNA上的3个核苷酸序列来
10、表示。（七）核苷酸水平核苷酸是核酸的组成单位，大多数微生物的DNA中只含有dAMP、dTMP、dGMP和dCMP 4种脱氧核糖核苷酸；在大多数RNA中只含有AMP、UMP、GMP和CMP 4种核糖核苷酸。核苷酸是最小的突变单位或交换单位。第三节 基因突变和诱变育种一、基因突变基因突变：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换，而导致的遗传变化。又称点突变或狭义的突变。染色体畸变：是指大段染色体的缺失、重复、倒位、易位。广义的突变包括染色体畸变和点突变。从自然界分离得到的菌株一般称野生型菌株，简称野生型。野生型经突变后形成的带有新性状的菌株，称突变株。
11、 (一)基因突变的类型根据突变体表型不同，可把突变分成以下几种类型：1. 营养缺陷型概念：某一野生型菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法在基本培养基（MM）上正常生长繁殖的变异类型，称为营养缺陷型，它们可在加有相应营养物质的基本培养基平板上选出。营养缺陷型突变株在遗传学、分子生物学、遗传工程和育种等工作中十分有用。2. 抗性突变型概念：抗性突变型是指野生型菌株因发生基因突变，而产生的对某化学药物或致死物理因子的抗性变异类型，它们可在加有相应药物或用相应物理因子处理的培养基平板上选出。抗性突变型菌株在遗传学、分子生物学、遗传育种和遗传工程等研究中极其重要。
12、3. 条件致死突变型概念：某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并呈现其固有的表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖，这种突变类型称为条件致死突变型。广泛应用的一类是温度敏感突变型。这些突变型在一定温度条件下并不致死，所以可以在这一温度中保存下来。它们在另一温度下是致死的，通过它们的致死作用，可以用来研究基因的作用等问题。4. 形态突变型概念：形态突变型是指由突变引起的个体或菌落形态的变异，一般属非选择性突变。例如，细菌的鞭毛或荚膜的有无，霉菌或放线菌的孢子有无或颜色变化，菌落表面的光滑、粗糙以及噬菌斑的大小、清晰度等的突变。5. 抗原突变型概念：抗原突变型是指由于基因突变引
13、起的细胞抗原结构发生的变异类型。包括细胞壁缺陷变异（L型细菌等）、荚膜或鞭毛成分变异等，一般也属非选择性突变。6. 其他突变型如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种类和产量以及对某种药物的依赖性等的突变型。(二) 突变率概念：某一细胞（或病毒颗粒）在每一世代中发生某一性状突变的概率，称突变率。为方便突变率也可以用某一单位群体在每一世代（即分裂一次）中产生突变株的数目来表示。例如，一个含108个细胞的群体，当其分裂为2108个细胞时，即平均发生1次突变的突变率也是10-8。某一基因的突变一般是独立发生的，它的突变率不会影响其他基因的突变率。要在同一细胞中同时发生两个或两个以上基因突变的概率是极低的，因
14、为双重或多重基因突变的概率是各个基因突变概率的乘积，例如某一基因的突变率为10-8，另一为10-6，则双重突变的概率仅10-14。(三) 基因突变的特点1. 不对应性即突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。突变性状都可通过自发的或其他任何诱变因子诱发得到。青霉素、紫外线或高温仅是起着淘汰原有非突变型(敏感型)个体的作用。2. 自发性在没有人为诱发因素的情况下，各种遗传性状的改变可以自发地产生。3. 稀有性指自发突变的频率较低，而且稳定，一般在10-610-9 间。4. 独立性突变的发生一般是独立的，即在某一群体中，既可发生抗青霉素的突变型，也可发生抗链霉素或任何其他药物的抗药性。某一基
15、因的突变，即不提高也不降低其他任何基因的突变率。突变不仅对某一细胞是随机的，且对某一基因也是随机的。5.可诱变性通过各种物理、化学诱变剂的作用，可提高突变率，一般可提高10105倍。6. 稳定性突变产生的新性状是稳定的和可遗传的。7. 可逆性由原始的野生型基因变异为突变型基因的过程称为正向突变，相反的过程则称为回复突变。 (四) 基因突变的机制1. 诱发突变概念：诱发突变简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。凡具有诱变效应的任何因素，都可称为诱变剂。（1）碱基的置换 碱基置换可分为两类：一类叫转换，即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被
16、另一个嘧啶所置换；另一类叫颠换，即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。 直接引起置换的诱变剂：是一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，在体内或离体条件下均有作用。例如：亚硝酸、羟胺和各种烷化剂等，后者包括硫酸二乙酯（DES）、甲基磺酸乙酯（EMS）、N-甲基-N-硝基-N -亚硝基胍（NTG）、乙烯亚胺、环氧乙酸、氮芥等。它们可与一个或几个碱基发生生化反应，引起DNA复制时发生转换。能引起颠换的诱变剂很少。间接引起置换的诱变剂：是一些碱基类似物，如5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-氨基尿嘧啶(5-AU)、8-氮鸟嘌呤(8-NG)、2-氨基嘌呤(2-AP)和6-氯嘌呤(6-CP
17、)等。诱变作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子中而引起的，是间接的。（2）移码突变 概念： 指诱变剂会使DNA序列中一个或少数几个核苷酸发生增添(插入)或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和翻译错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株。与染色体畸变相比，移码突变只能算是DNA分子的微小损伤。能引起移码突变的因素：吖啶类染料，包括原黄素、吖啶黄、吖啶橙和-氨基吖啶等，以及一系列“ICR”类化合物。吖啶类化合物引起移码突变的机制：因为它们都是一种平面型三环分子，结构与一个嘌呤-嘧啶对十分相似，故能嵌入两个相邻DNA碱基对之间，造成双螺旋的部分解开，在DNA复制过程中
18、，使链上增添或缺失一个碱基，并引起了移码突变。（3）染色体畸变 概念： 某些强烈理化因子，如X射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起DNA的大损伤染色体畸变，既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。2. 自发突变概念：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。自发突变的可能机制：(1) 背景辐射和环境因素的诱变 (2) 微生物自身有害代谢产物的诱变 (3)由DNA复制过程中碱基配对错误引起 3. 紫外线对DNA的损伤及其修复发现得较早和研究得较深入的是紫外线（UV）的作用。嘧啶的光化学反应产物主要是嘧啶二聚体（TT，TC，CC
19、）和水合物，相邻嘧啶形成二聚体后造成局部DNA分子无法配对，从而引起微生物的死亡或突变。微生物具有多种修复受损DNA的作用：（1）光复活作用 把经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下时，就可出现其死亡率明显降低的现象，此即光复活作用。经UV照射后带有嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗下会被一种光激活酶光解酶（光裂合酶）结合，这种复合物在300500 nm可见光下时，此酶会因获得光能而激活，并使二聚体重新分解成单体。同时，光解酶也从复合物中释放出来，重新执行功能。由于一般的微生物中都存在着光复活作用，所以在利用UV进行诱变育种等工作时，就应在红光下进行照射和后续操作，并放置在黑暗条件下培养。（2）切
20、除修复 概念：又称为暗修复，这是一种不依赖可见光，只通过酶切作用去除嘧啶二聚体，随后重新合成一段正常DNA链的核酸修复方式。在整个修复过程中，共有4种酶参与：内切核酸酶外切核酸酶DNA聚合酶连接酶（3）重组修复作用（又称为复制后修复）必须在DNA进行复制的情况下进行。重组修复可以在不切除胸腺嘧啶二聚体的情况下，以带有二聚体的这一单链为模板而合成互补单链，可是在每一个二聚体附近留下一个空隙。一般认为通过染色体交换，空隙部位就不再面对着胸腺嘧啶二聚体而面对着正常的单链，在这种情况下DNA多聚酶和连接酶便能起作用而把空隙部分进行修复。（4）紧急呼救（SOS）修复系统 是细胞经诱导产生的一种修复系统。
21、其修复功能依赖于某些蛋白质的诱导合成，但这些蛋白质是不稳定的。二、突变与育种（一）自发突变与育种1. 从生产中选育例如，从污染噬菌体的发酵液中有可能分离到抗噬菌体的新菌株。2. 定向培育优良菌株定向培育是指用某一特定因素长期处理某一微生物培养物，同时不断对它们进行传代，以达到累积并选择相应的自发突变体的一种古老的育种方法。（二）诱变与育种概念：诱变育种是指利用物理或化学诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，促进其突变频率大幅度提高，然后设法采用简便、快速高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实践或科学实验之用。诱变育种最突出的例子就是青霉素生产菌株的选育。1943年，产黄青霉
22、每毫升发酵液只产生约20单位的青霉素，通过诱变育种和其他措施配合，目前的发酵单位已比原来提高了三四十倍，达到了每毫升5万10万单位。诱变育种不仅能提高菌种的生产性能而增加产品的产量外，而且还可达到改进产品质量、扩大品种和简化生产工艺等目的，故仍是目前使用最广泛的育种手段之一。1. 诱变育种的基本程序：微生物诱变育种一般按照以下程序进行。 原始菌株（出发菌株）纯化 离心收集菌体 细胞或孢子悬浮液制备 离心洗涤 （活细胞计数） 玻璃珠振荡分离 中间培养 过滤 突变株分离 初筛 复筛 生产性能试验2. 诱变育种中应注意的几个问题（1）挑选优良的出发菌株以单倍体纯种为出发菌株，可排除异核体和异质体的影
23、响； 采用具有优良性状的菌株，如生长速度快、营养要求低以及产孢子早而多的菌株； 选择对诱变剂敏感的菌株。由于有些菌株在发生某一变异后，会提高对其它诱变因素的敏感性，故可考虑选择已发生其他变异的菌株为出发菌株。多挑选一些已经过诱变的菌株为出发菌株，进行多步育种，确保高产菌株的获得。（2）菌悬液的制备 一般采用生理状态一致（用选择法或诱导法使微生物同步生长）的单细胞或孢子进行诱变处理。细菌在对数期诱变处理效果较好；霉菌或放线菌的分生孢子一般都处于休眠状态，所以培养时间的长短对孢子影响不大，但稍加萌发后的孢子则可提高诱变效率。要得到均匀分散的细胞悬液，可用无菌的玻璃珠来打散成团的细胞，然后再用脱脂棉
24、过滤。一般处理真菌的孢子或酵母细胞时，其悬浮液的浓度大约为106个/ml，细菌和放线菌孢子的浓度大约为108个/ml。另外，根据选用的诱变剂不同，菌悬液可用生理盐水或缓冲液配置。（3）选择简便有效、最适剂量的诱变剂 诱变剂主要有两大类，即物理诱变剂和化学诱变剂。物理诱变剂如紫外线、X射线、射线和快中子等；化学诱变剂种类极多，主要有烷化剂、碱基类似物和吖啶类化合物。最常用的烷化剂有N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍(NTG)、甲基磺酸乙酯(EMS) 、甲基亚硝基脲(NMU)、硫酸二乙酯(DES)和环氧乙烷等。目前常用的诱变剂：主要有紫外线(UV)、硫酸二乙酯、N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍(NT
25、G)和亚硝基甲基脲(NMU)等。后两种因有突出的诱变效果，所以被誉为“超诱变剂”。剂量的选择：剂量一般指强度与作用时间的乘积。在育种实践中，常采用杀菌率来作各种诱变剂的相对剂量。要确定一个合适的剂量，通常要进行多次试验。在诱变育种工作中，目前比较倾向于采用较低的剂量。例如，过去在用紫外线作诱变剂时，常采用杀菌率为99的剂量，近年来则倾向于采用杀菌率为30%75%的剂量。（4）利用复合处理的协同效应 诱变剂的复合处理常呈现一定的协同效应，因而对育种有利。复合处理的方法包括两种或多种诱变剂的先后使用，同一种诱变剂的重复使用，两种或多种诱变剂的同时使用等。（5）突变体的筛选 一般要经过初筛和复筛两个
26、阶段的筛选。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。复筛指对初筛出的菌株的有关性状作精确的定量测定。3. 营养缺陷型突变株的筛选概念：营养缺陷型是指通过诱变产生的，由于发生了丧失某酶合成能力的突变，因而只能在加有该酶合成产物的培养基中才能生长的突变株。营养缺陷型的筛选与鉴定涉及下列几种培养基：基本培养基（MM，符号为-）：是指仅能满足某微生物的野生型菌株生长所需的最低成分的合成培养基。完全培养基(CM，符号为+)：是指可满足某种微生物的一切营养缺陷型菌株的营养需要的天然或半合成培养基。补充培养基（SM，符号为A或B等）：是指在基本培
27、养基中添加某种营养物质以满足该营养物质缺陷型菌株生长需求的合成或半合成培养基。 营养缺陷型的筛选一般要经过诱变、淘汰野生型、检出和鉴定营养缺陷型四个环节。第一步，诱变剂处理：与上述一般诱变处理相同。第二步，淘汰野生型：在诱变后的存活个体中，营养缺陷型的比例一般较低。通过以下的抗生素法或菌丝过滤法就可淘汰为数众多的野生型菌株即浓缩了营养缺陷型。抗生素法 有青霉素法和制霉菌素法等数种。青霉素法适用于细菌，青霉素能抑制细菌细胞壁的生物合成，杀死正在繁殖的野生型细菌，但无法杀死正处于休止状态的营养缺陷型细菌。制霉菌素法则适合于真菌，制霉菌素可与真菌细胞膜上的甾醇作用，从而引起膜的损伤，也是只能杀死生长
28、繁殖着的酵母菌或霉菌。在基本培养基中加入抗生素，野生型生长被杀死，营养缺陷型不能在基本培养基中生长而被保留下来。菌丝过滤法 适用于进行丝状生长的真菌和放线菌。原理：在基本培养基中，野生型菌株的孢子能发芽成菌丝，而营养缺陷型的孢子则不能。通过过滤就可除去大部分野生型，保留下营养缺陷型。第三步，检出缺陷型：具体方法很多。用一个培养皿即可检出：夹层培养法和限量补充培养法；在不同培养皿上分别进行对照和检出：逐个检出法和影印接种法。夹层培养法 先在培养皿底部倒一薄层不含菌的基本培养基，待凝，添加一层混有经诱变剂处理菌液的基本培养基，其上再浇一薄层不含菌的基本培养基，经培养后，对首次出现的菌落用记号笔一一
29、标在皿底。然后再加一层完全培养基，培养后新出现的小菌落多数都是营养缺陷型突变株。夹层培养法及结果限量补充培养法 把诱变处理后的细胞接种在含有微量（0.01%）蛋白胨的基本培养基平板上，野生型细胞就迅速长成较大的菌落，而营养缺陷型则缓慢生长成小菌落。若需获得某一特定营养缺陷型，可再在基本培养基中加入微量的相应物质。逐个检出法 把经诱变处理的细胞群涂布在完全培养基的琼脂平板上，待长成单个菌落后，用接种针或灭过菌的牙签把这些单个菌落逐个整齐地分别接种到基本培养基平板和另一完全培养基平板上，使两个平板上的菌落位置严格对应。经培养后，如果在完全培养基平板的某一部位上长出菌落，而在基本培养基的相应位置上却
30、不长，说明此乃营养缺陷型。影印平板法 将诱变剂处理后的细胞群涂布在一完全培养基平板上，经培养长出许多菌落。用特殊工具“印章”把此平板上的全部菌落转印到另一基本培养基平板上。经培养后，比较前后两个平板上长出的菌落。如果发现在前一培养基平板上的某一部位长有菌落，而在后一平板上的相应部位却呈空白，说明这就是一个营养缺陷型突变株。第四步，鉴定缺陷型：生长谱法。概念：生长谱法是指在混有供试菌的平板表面点加微量营养物，视某营养物的周围有否长菌来确定该供试菌的营养要求的一种快速、直观的方法。操作：把生长在完全培养液里的营养缺陷型细胞经离心和无菌水清洗后，配成适当浓度的悬液（如107108个ml），取0.1m
31、l与基本培养基均匀混合后，倾注在培养皿内，待凝固、表面干燥后，在皿背划几个区，然后在平板上按区加上微量待鉴定缺陷型所需的营养物粉末（用滤纸片法也可），例如氨基酸、维生素、嘌呤或嘧啶碱基等。经培养后，如发现某一营养物的周围有生长圈，就说明此菌就是该营养物的缺陷型突变株。用类似方法还可测定双重或多重营养缺陷型。第四节 基因重组和杂交育种概念：基因重组是指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。一、原核微生物的基因重组主要有转化、转导、接合和原生质体融合4种形式。（一）转化概念：受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段，通过交换将其整合到自己的基因组中，从而获得了
32、供体菌部分遗传性状的现象称为转化。通过转化方式而形成的杂种后代，称为转化子。转化因子指有转化活性的外源DNA片段。它是供体菌释放或人工提取的游离DNA片段。转化因子需具备两个条件：较高的相对分子质量和同源性。能进行转化的细胞必须是感受态的。感受态：受体细胞最易接受外源DNA片段并实现转化的生理状态。转化的具体过程（G+ 菌肺炎链球菌）：供体菌的双链DNA片段与感受态受体菌的细胞表面的特定位点结合，其中一条链被核酸酶水解，另一条进入细胞。来自供体的单链DNA片段在细胞内与受体细胞核染色体组上的同源区段配对、重组，形成一小段杂合DNA区段。受体菌染色体组进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一获得了
33、供体菌的转化基因，形成转化子，另一个未得获转化基因。（二）转导概念：通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的小片段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。由转导作用而获得部分新遗传性状的重组细胞，称为转导子。J.Lederberg等 (1952年) 首先在鼠伤寒沙门氏菌中发现转导现象。1. 普遍转导 概念：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，称为普遍转导。噬菌体侵入寄主细胞后，在装配阶段，误将寄主细胞DNA的某一片段包裹进去。这样的噬菌体称缺陷噬菌体。体内仅含有供体DNA的缺陷噬菌体称完全
34、缺陷噬菌体。体内同时含有供体DNA和噬菌体DNA的缺陷噬菌体称为部分缺陷噬菌体。当包裹有寄主DNA片段的噬菌体释放后，再度感染新的寄主，其中的供体菌的DNA片段进入受体菌，并通过基因重组使受体菌形成稳定的转导子。2. 局限转导概念：局限性转导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到受体菌中，并与后者的基因组整合、重组，形成转导子的现象。最初于1954年在大肠杆菌 K12中发现。它只能转导一种或少数几种基因（一般为位于附着点两侧的基因）。（三）接合概念：供体菌通过性菌毛与受体菌直接接触，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的现象，称为接合。通
35、过接合而获得新遗传性状的受体细胞称为接合子。研究细菌接合的营养缺陷型法原理细胞的接合现象在大肠杆菌中研究得最清楚。F因子(即致育因子或性质粒) ：决定大肠杆菌性别，是一种独立于染色体外的小型的环状DNA，一般呈超螺旋状态，它具有自主的与染色体进行同步复制和转移到其他细胞中去的能力。在大肠杆菌中每个细胞含有约14个F因子。F因子既可脱离染色体在细胞内独立存在，也可整合到染色体组上；它既可经过接合作用而获得，也可通过一些理化因素(如吖啶橙、丝裂霉素、利福平、溴化乙锭和加热等)的处理而从细胞中消除。F菌株可以与不含F因子的F菌株接合，从而使后者也成为F菌株，其过程大体可分两个阶段：首先是F菌株与F菌
36、株配对，并通过性菌毛接合；然后F因子双链DNA的一条单链在一特定的位置断开，通过性菌毛内腔向F菌株细胞内转移，并同时在两个菌株细胞内以一条DNA单链为模板，各自复制合成完整的F因子。有些大肠杆菌的F因子可与核染色体整合在一起，这种类型的菌株与F菌株接合的重组频率比F与F菌株接合的重组频率高几百倍以上，因此，常将其称为高频重组(Hfr)菌株。Hfr与F菌株接合时，染色体的一条单链可以在F因子处断裂，并以F因子为末端向F菌株胞内转移。由于转移的过程中常发生染色体的断裂，所以这种接合可以使F菌株获得部分供体基因，但很少使F菌株获得F因子。Hfr菌株中的F因子有时可由不正常的切割而带有一小段核染色体基
37、因的杂合F因子，通常称为F因子。当带有F菌株与F菌株接合后，可使F菌株成为既有F因子又带有部分供体菌基因的次生F菌株。 F质粒的4种存在方式及相互关系（四）原生质体融合概念：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。主要操作步骤：先选择两株有特殊价值、并带有选择性遗传标记的细胞作为亲本菌株置于等渗溶液中，用适当的脱壁酶（如细菌和放线菌可用溶菌酶等处理，真菌可用蜗牛消化酶或其他相应酶处理）去除细胞壁，再将形成的原生质体（包括球状体）进行离心聚集，加入促融合剂PEG(聚乙二醇)或借电脉冲
38、等因素促进融合，然后用等渗溶液稀释，再涂在能促使它再生细胞壁和进行细胞分裂的基本培养基平板上。形成菌落后，再通过影印平板法，接种到各种选择性培养基平板上，检验它们是否为稳定的融合子，最后再测定其有关生物学性状或生产性能。原生质体融合技术有许多优越性：它打破了微生物的种属界限，可以实现远缘菌株间的基因重组；可使遗传物质传递更完整，可快速组合性状，加速育种速度；可借助聚合剂同时将几个亲本的原生质体随机地融合在一起，获得综合几个亲本性状的重组体。 原生质体融合的操作示意图二、真核微生物的基因重组重点介绍有性杂交和准性杂交。（一）有性杂交概念：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
39、染色体重组，进而产生新遗传型后代的一种育种技术。凡能产生有性孢子的酵母菌或霉菌，原则上都可应用与高等动、植物杂交育种相似的有性杂交方法进行育种。以酿酒酵母为例：酿酒酵母一般都是以双倍体的形式存在。将不同生产性状的甲、乙两个亲本分别接种到产孢子培养基(醋酸钠培养基等)斜面上，使其产生子囊，经过减数分裂后，在每个子囊内会形成4个子囊孢子(单倍体)。用蒸馏水洗下子囊，经机械研磨法或蜗牛酶酶解法破坏子囊，再经离心，然后用获得的子囊孢子涂布平板，就可以得到单倍体菌落。把两个亲体的不同性别的单倍体细胞密集在一起就有更多机会出现双倍体的杂交后代。它们的双倍体细胞和单倍体细胞有很大不同，易于识别。有了各种双倍
40、体的杂交子代后，就可以进一步从中筛选出优良性状的个体。生产实践中利用有性杂交培育优良品种的例子很多。例如：用于酒精发酵的酵母和用于面包发酵的酵母虽属同一种酿酒酵母，但两者是不同的菌株，表现在前者产酒精率高而对麦芽糖和葡萄糖的发酵力弱，后者则产酒精率低而对麦芽糖和葡萄糖的发酵力强。两者通过杂交，就得到了既能生产酒精，又能将其残余的菌体综合利用作为面包厂和家用发面酵母的优良菌种。（二）准性杂交概念：是一种类似于有性生殖但比它更为原始的两性生殖方式。它可使同一生物的两个不同来源的体细胞经融合后，不通过减数分裂而导致低频率的基因重组。准性生殖常见于某些真菌,尤其是半知菌类中。准性杂交包括下列几个阶段：
41、1. 菌丝联结发生于一些形态上没有区别，但在遗传性上有差别的两个同种不同菌株的体细胞(单倍体)间。发生菌丝联结的频率很低。2. 形成异核体两个遗传型有差异的体细胞经菌丝联结后，先发生质配，使原有的两个单倍体核集中到同一个细胞中，形成双相异核体。异核体能独立生活。3. 核融合异核体中的双核在某种条件下，低频率地产生双倍体杂合子核的现象。某些理化因素如樟脑蒸气、紫外线或高温等的处理，可以提高核融合的频率。4. 体细胞交换和单倍体化体细胞交换即体细胞中染色体间的交换，也称有丝分裂交换。双倍体杂合子性状极不稳定，在其进行有丝分裂过程中，其中极少数核中的染色体会发生交换和单倍体化，从而形成了极个别具有新
42、性状的单倍体杂合子。如对双倍体杂合子用紫外线、射线等进行处理，就会促进染色体断裂、畸变或导致染色体在两个子细胞中分配不均，因而有可能产生各种不同性状组合的单倍体杂合子。第五节 基因工程概念：基因工程又称遗传工程，是指人们利用分子生物学的理论和技术，自觉设计、操纵、改造和重建细胞的基因组，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。是一种自觉的、可人为操纵的体外DNA重组技术，是一种可达到超远缘杂交的育种技术，更是一种前景宽广、正在迅速发展的定向育种新技术。一、基因工程的基本操作基因工程的基本操作包括：目的基因的取得，载体系统的选择，目的基因与载体重组体的构建，重组载体导
43、入受体细胞，“工程菌”或“工程细胞株”的表达、检测以及实验室和一系列生产性试验等。（一）目的基因的取得选择目的基因的途径有3种：选择适宜的供体细胞，以便从中采集分离到有生产意义的目的基因；通过逆转录酶的作用由mRNA合成cDNA(互补DNA)；用化学方法合成特定功能的基因。（二）选择载体载体必须具备下列几个条件：是一个有自我复制能力的复制子；能在受体细胞内大量增殖，有较高的复制率；载体上最好只有一个限制性内切核酸酶的切口，使目的基因能固定地整合到载体DNA的一定位置上；载体上必须有一种选择性遗传标记，以便及时把极少数“工程菌”选择出来。目前原核受体细胞的载体主要有细菌质粒(松弛型)和噬菌体两类
44、。真核细胞受体的载体主要有SV40病毒（动物）和Ti质粒（植物）。（三）目的基因与载体DNA的体外重组对目的基因与载体DNA均采用限制性内切酶处理，从而获得互补粘性末端或人工合成粘性末端。然后把两者放在较低的温度(56)下混合“退火”。由于每一种限制性内切酶所切断的双链DNA片段的粘性末端有相同的核苷酸组分，所以当两者相混时，凡粘性末端上碱基互补的片段，就会因氢键的作用而彼此吸引，重新形成双链。这时，在外加连接酶的作用下，供体的DNA片段与质粒DNA片段的裂口处被“缝合”，形成一个完整的有复制能力的环状重组体。（四）重组载体引入受体细胞体外反应生成的重组载体只有将其引入受体细胞后，才能使其基因
45、扩增和表达。受体细胞可以是微生物细胞，也可以是动物或植物细胞。把重组载体DNA分子引入受体细胞的方法很多：可以用转化的手段也可用感染的方法。在理想情况下，上述重组载体进入受体细胞后，能通过自主复制而得到大量扩增，从而使受体细胞表达出供体基因所提供的部分遗传性状，受体细胞就成了“工程菌”。 二、基因工程的应用和发展前景（一）基因工程的应用1. 基因工程在工业上的应用大肠杆菌合成人胰岛素、合成-干扰素基因工程药物的生产：干扰素、白细胞介素等；用于治疗心血管系统疾病的有尿激酶原、链激酶及抗凝血因子等；用于预防传染病的如乙型肝炎疫苗、口蹄疫疫苗等。传统工业发酵菌种的选育2. 基因工程在农业上的应用几个主要的应用
