第4章 微生物遗传与菌种选育课件.ppt
微生物遗传与菌种选育,第四章,微生物遗传与菌种选育,4.1 微生物遗传变异4.2 微生物的菌种选育 4.3 微生物菌种的保藏及复壮,微生物遗传与菌种选育,4.1 微生物遗传变异 4.1.1 遗传与变异概念 遗传是指亲代传递给子代一套实现与其相同性状的遗传信息，这种信息只有当子代个体生活在合适的环境下，才能表达出与亲代间相似、连续的性状。 变异是指子代个体因生活环境和其他因素发生改变而与亲代间的不连续、差异性的现象。,微生物遗传与菌种选育,4.1.2 遗传变异的物质基础核酸4.1.2.1 三个经典的实验 （1）肺炎双球菌转化 一种肺炎双球菌的野生型有毒力、产荚膜、菌落光滑，称为S型菌落。 其突变型无毒、不产荚膜、菌落粗糙，称为R型菌落。,微生物遗传与菌种选育,肺炎双球菌动物转化试验,微生物遗传与菌种选育,1944年Avery等人从热死S型肺炎双球菌中提纯了可能作为 转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验： 活R菌 + S菌的DNA 长出S菌活R菌 + S菌的DNA和DNA酶以外的酶 长出S菌活R菌 + S菌的DNA和DNA酶 长出R菌活R菌 + S菌的RNA 长出R菌活R菌 + S菌的荚膜多糖 长出R菌 活R菌 + S菌的蛋白质 长出R菌,肺炎双球菌动物体外转化试验,微生物遗传与菌种选育,32P和35S标记噬菌体感染大肠杆菌实验,（2）噬菌体感染实验,微生物遗传与菌种选育,TMV重建实验示意图,（3）植物病毒重建实验,微生物遗传与菌种选育,4.1.2.2遗传物质存在方式 （1）细胞水平 从细胞水平看，无论是原核微生物还是真核微生物，遗传物质全部或大部分DNA都集中在细胞核或核区中。,在真核微生物的细胞核中，DNA与蛋白质结合在一起形成染色体，外包裹一层核膜，从而构成的在光学显微镜下清晰可见的完整细胞核。,微生物遗传与菌种选育,（2）分子水平 首先通过转录作用将DNA上的遗传信息转录到mRNA上去，形成一条与DNA碱基互补的mRNA链，然后再通过转译作用由mRNA上的三联密码顺序去决定蛋白质上的氨基酸的排列顺序。这一过程就是转录与翻译。,微生物遗传与菌种选育,4.1.2微生物基因突变 基因突变指生物体内的遗传物质发生了稳定的可遗传的变化。它包括基因突变和染色体畸变。4.1.2.1基因突变类型 （1）营养缺陷型 指微生物经基因突变引起的代谢障碍而必须添加某种营养物质才能正常生长的突变型。,微生物遗传与菌种选育,（2）条件致死突变型 指微生物经基因突变后，在某一条件下呈现致死效应，而在另一种条件下却不表现致死效应的突变型。 （3）形态突变型 指由于突变而引起的细胞形态变化或菌落形态的改变的非选择变异。 （4）抗性突变型 由于基因突变而使原始菌株产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性的变异类型。,微生物遗传与菌种选育,（5）产量突变型 通过基因突变而获得有用的代谢产物在产量上高于原始菌株的突变株，也称高产突变株。产量突变型实际上有两种类型：一类是某代谢产物比原始菌株有明显提高的，可称为“正突变”；另一类是产量比其亲本有所降低，即称为“负突变”。 （6）其他突变型 如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种类和数量以及对某种药物的依赖等的突变型。,微生物遗传与菌种选育,4.1.2.2 基因突变的特点 （1）自发性和不对应性 自发性是指微生物各种性状的突变都可以在在没有任何人为的诱变因素的作用下自发产生。不对应性是指基因突变的性状与引起突变的因素之间无直接的对应关系。,微生物遗传与菌种选育,（2）自发突变概率低 自发突变率一般在10 610 9之间。 （3）独立性 突变对每个细胞是随机的，对每个基因也是随机的。,微生物遗传与菌种选育,（4）稳定性 （5）诱变性 通过人为的诱变剂作用，可将突变率提高10106倍。 （6）可逆性 回复突变的概率与突变概率基本是相同,微生物遗传与菌种选育,4.1.3 微生物基因重组 将两个不同性状的个体细胞内的遗传基因转移在一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新的遗传型个体的过程，称基因重组或遗传重组。,微生物遗传与菌种选育,4.1.3.1 原核微生物的基因重组 原核微生物的基因重组方式主要有转化、转导、接合和溶原转变等四种。 （1）转化 指一个受体细胞吸收来自另一供体细胞的遗传物质（DNA片段），通过交换组合把它整和到自己的基因组中去，从而获得了后者某些遗传性状的现象。转化后的受体菌称为转化子，供体菌的DNA片段称为转化因子。,微生物遗传与菌种选育,（2）转导 转导是以噬菌体为媒介，把一个菌株的遗传物质导入另一个菌株，并使这个菌株获得另一个菌株遗传性状。转导又分为普遍性转导和特异性转导。 普遍性转导是指转导型噬菌体能传递供体菌株任何基因。,微生物遗传与菌种选育,特异性转导是指温和噬菌体侵染而形成的某一溶源细菌群被诱导裂解时，其中极少数个体的DNA可能与噬菌体的DNA发生若干特定基因转换，从而被整合到噬菌体的基因组上，当该噬菌体周到次感染受体细胞时，就使受体细胞获得了这一特定遗传现象。,微生物遗传与菌种选育,（3）接合 接合是通过供体菌和受体菌的直接接触传递遗传物质。接合有时也称杂交。 （4）溶原性转变 这是一种与转导相似，但又有本质不同的现象。首先是它的温和型噬菌体不携带任何供体菌的基因，其次是这种噬菌体是正常的完整的，而不是异常情况下产生的缺陷型噬菌体。,微生物遗传与菌种选育,4.1.3.2真核微生物的基因重组 真核微生物的基因重组方式有有性杂交和准性生殖 （1）有性杂交 是指在微生物的有性繁殖过程中，两个性细胞相互接合，通过质配、核配后形成双倍体的合子，随之合子进行减数分裂，部分染色体可能发生交换而进行随机分配，由此而产生重组染色体及新的遗传型，并把遗传性状按一定的规律性遗传给后代的过程。,微生物遗传与菌种选育,（2）准性生殖 它可使同一种生物的两个不同来源的体细胞经融合后，不经过减数分裂和接合的交替，不产生有性孢子和特殊的囊器，仅导致低频率的基因重组，重组体细胞和一般的营养体细胞没有什么不同。,微生物遗传与菌种选育,4.2 微生物的菌种选育 菌种选育，就是利用微生物遗传物质变异的特性，采用各种手段，改变菌种的遗传性状，经筛选获得新的适合生产的菌株，以稳定和提高产品质量或得到新的产品。,微生物遗传与菌种选育,4.2.1 从自然界中分离菌种的步骤 自然界工业菌种分离筛选的主要步骤是：采样、增殖培养、培养分离和筛选。如果产物与食品制造有关，还需对菌种进行毒性鉴定。,微生物遗传与菌种选育,4.2.1.1 采样 以采集土壤为主，也可以从植物腐败物及某些水域中采样。从何处采样，这要根据选菌的目的、微生物的分布状况及菌种的特征与外界环境关系等，进行综合地、具体地分析来决定。,微生物遗传与菌种选育,采样应充分考虑采样的季节性和时间因素，以温度适中，雨量不多的秋初为好。采样方式是在选好适当地点后，用无菌刮铲、土样采集器等，采集有代表性的样品盛入清洁的聚乙烯袋、牛皮袋或玻璃瓶中，扎好并标上样本的种类及采集日期、地点以及采集地点的地理、生态参数等。,微生物遗传与菌种选育,4.2.1.2 增殖培养 增加该菌种的数量，这种人为的方法称为增殖培养（又叫富集培养法）。,微生物遗传与菌种选育,4.2.1.3 纯种分离 常用的纯种分离方法有稀释分离法、划线分离法和组织分离法。 （1）稀释分离法 将样品进行适当稀释，然后将稀释液涂布于培养基平板上进行培养，待长出独立的单个菌落，进行挑选分离。,微生物遗传与菌种选育,（2）划线分离法 首先倒培养基平板，然后用接种针（接种环）挑取样品，在平板上划线。划线方法可用分步划线法或一次划线法。 （3）组织分离法 主要用于食用菌菌种分离。,微生物遗传与菌种选育,4.2.1.4 纯种培养 经过分离培养，在平板上出现很多单个菌落，通过菌落形态观察，选出所需菌落，然后取菌落的一半进行菌种鉴定，对于符合目的菌特性的菌落，可将之转移到试管斜面纯培养。4.2.1.5 生产性能测定 从自然界中分离得到的纯种称为野生型菌株。 如果此野生型菌株产量偏低，达不到工业生产的要求，可以留之作为菌种选育的出发菌株。,微生物遗传与菌种选育,4.2.2 微生物的诱变育种 诱变育种是利用物理和化学诱变剂处理微生物细胞群，促进其突变率在同提高，再从中筛选出少数符合育种目的的突变株。 诱变育种的主要手段是以合适的诱变剂处理大量而分散的微生物细胞，在引起大部分细胞死亡的同时，使存活细胞的突变率迅速提高，再设计既简便、快速又高效的筛选方法，进而淘汰负突变并把正突变中效果最好的优良菌株挑选出来。,微生物遗传与菌种选育,确定出发菌 菌种的纯化选优 出发菌株性能测定 同步培养 制备单细胞（单孢子）悬液 诱变剂选择与诱变剂量的预试验 ,诱变处理 平板分离 计形态变异菌落数、计算突变率挑选突变菌落纯培养 突变株的初步筛选 重复筛选 摇瓶发酵试验选出突变株进行生产试验,4.2.2.1 诱变育种的步骤:,微生物遗传与菌种选育,（1）出发菌株的选择 具体方法是选取自然界新分离的野生型菌株，它们对诱变因素敏感，容易发生变异；选取生产中由于自发突变而经筛选得到的菌株，与野生型菌株相类似，容易达到较好的诱变效果。 （2）同步培养 在诱变育种中，处理材料一般采用生理状态一致的单孢子或单细胞，即菌悬液的细胞应尽可能达到同步生长状态，这称为同步培养。,微生物遗传与菌种选育,（3）单细胞或单孢子菌悬液的制备 菌悬液一般可用生理盐水或缓冲溶液配制，如果是用化学诱变剂处理，因处理时pH值会变化，必须要用缓冲溶液。除此之外，还应注意分散度，方法是先用玻璃珠振荡分散，再用脱脂棉或滤纸过滤，经处理，分散度可达90以上，供诱变处理较为合适。,微生物遗传与菌种选育,（4）诱变剂选择与诱变剂量确定 常用诱变剂有两大类：物理诱变剂和化学诱变剂。 化学诱变剂的种类很多，可以分为三大类：第一类是烷化剂；第二类是一些碱基类似物，第三类是吖啶类；决定化学诱变剂剂量的因素主要有诱变剂的浓度、作用温度和作用时间。,微生物遗传与菌种选育,（5）分离和筛选 平皿反应是指每个变异菌落产生的代谢产物与培养基内的指示物在培养基平板上作用后表现出一定的生理效应。常用的方法有纸片培养显色法、透明圈法、琼脂块培养法等。,微生物遗传与菌种选育,4.2.2.2 营养缺陷型突变株的筛选 营养缺陷型菌株是指通过诱变而产生的缺乏合成某些营养物质(如氨基酸、维生素、嘌呤和嘧啶碱基等)的能力，必须在其基本培养基中加入相应缺陷的营养物质才能正常生长繁殖的变异菌株。其变异前的菌株称为野生菌株。,微生物遗传与菌种选育,凡是能满足野生菌株正常生长的最低成分的合成培养基，称为基本培养(MM)；在基本培养基中加入一些富含氨基酸、维生素及含氮碱基之类的天然有机物质，如蛋白质、酵母膏等，能满足各种营养缺陷型菌株生长繁殖的培养基，称为完全培养基(CM)；在基本培养基中只是有针对性的加入某一种或某几种自身不能合成的有机营养成分，以满足相应的营养缺陷型菌株生长的培养基，称为补充培养基(SM)。 营养缺陷型菌株的筛选一般要经过诱变、淘汰野生型菌株、检出缺陷型和确定生长谱四个环节。,微生物遗传与菌种选育,4.2.3 食品工业微生物的杂交育种 杂交育种是指将两个基因型不同的菌株的有性孢子或无性孢子及其细胞，互相联结、细胞核融合，随后细胞核进行减数分裂或有丝分裂，遗传性状出现分离和重新组合的现象。微生物的杂交现象包括有性杂交及菌体细胞重组两个方面。,微生物遗传与菌种选育,4.2.3.1 酵母菌的杂交育种 采用面包酵母和酒精酵母杂交，其杂交种的酒精发酵能力没有下降而发酵麦芽糖的能力却比亲本菌株高。 酵母菌通过有性杂交进行杂交育种主要包括子囊孢子的形成、子囊孢子的分离和酵母杂交种的获得三个步骤。,微生物遗传与菌种选育,4.2.3.2 霉菌的杂交育种 霉菌的杂交育种的步骤选择直接亲本、异核体的形成、转移单菌落和双倍体的检出。,微生物遗传与菌种选育,4.3.4 原生质体融合育种 原生质体融合指通过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体融合在一起，进而发生遗传重组，产生同时带有双亲性状的、遗传性稳定的融合子的过程。 原生质体融合的优点有；重组率高，遗传物质的传递更加完整，可以实现远亲缘的菌株间的基因重组，还可以进行多细胞间的基因重组。,微生物遗传与菌种选育,4.3 微生物菌种保藏法及复壮4.3.1 微生物菌种保藏方法4.3.1.1 菌种保藏原理 首先挑选优良纯种，最好是它们的休眠体（如分生孢子、芽孢等）；其次创造一个有利于休眠条件，如采用低温、干燥、缺氧、缺乏营养、添加保护剂或酸度中和剂等方法，使微生物生长在代谢不活泼，生长受抑制的环境中。,微生物遗传与菌种选育,4.3.1.3 1菌种保藏方法 （1）低温保藏法 利用低温对微生物的生命活动有抑制作用的原理进行保藏。根据所用的温度高低可分为两类：一类是普通低温保藏法；另一类是利用低温进行冻结保藏法。,微生物遗传与菌种选育,（2）干燥保藏法 最常用的是沙土保藏法。 （3）隔绝空气保藏法 先用灭菌的液体石蜡注入菌种斜面，再用固体石蜡封口以隔绝空气，最后放入低温冰箱保藏。也可不用石蜡，在成熟的斜面菌种采用灭菌的橡皮塞代替棉塞封口。,微生物遗传与菌种选育,（4）真空冷冻干燥法 基本过程：培养菌种加菌种保护剂（食品工业菌种多采用牛乳作保护剂）分装、预冷冻真空冷冻真空封口。 （5）寄主保藏法 适用于一些难于用常规方法保藏的动植物病原菌和病毒。,微生物遗传与菌种选育,4.3.2 环境微生物菌种的退化和复壮4.3.2.1 菌种的退化 变异有正变（自发突变）和负变两种，对产量性状来说，负变即菌株生产性状的劣化或有些遗传标记的丢失均称为菌种的退化。3.4.2.2 菌种退化的原因 菌种退化的主要原因是基因的负突变。,微生物遗传与菌种选育,3.4.2.3 防止菌种退化的措施 （1）控制传代次数 （2）创造良好的培养条件 （3）利用不同类型的细胞进行移种传代 （4）采用有效的菌种保藏方法,微生物遗传与菌种选育,3.4.2.4 退化的菌种复壮 狭义的复壮是指从退化菌种的群体中找出少数尚未退化的个体，以达到恢复菌种的原有典型性状；广义的复壮是指在菌种的生产性能尚未退化前就经常而有意识地进行纯种分离和生产性能的测定工作，以达到菌种的生产性能逐步有所提高。,
