微生物應用技術學習情景四

認識微生物的遺傳與變異、生物應用技術主要內容說課內容任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變

任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變

12學習情景四認識微生物的遺傳與變異、生物應用技術

（1）認識遺傳變異的物質基礎和基因突變的概念以及類型。（2）了解基因重組技術以及基因工程技術。【學習內容】學習情景四認識微生物的遺傳與變異、生物應用技術

理解遺傳變異的物質基礎和基因突變的類型。了解基因工程的操作步驟與應用。【知識目標】學習情景四認識微生物的遺傳與變異、生物應用技術

【技能目標】能認識誘變育種、基因重組技術以及基因工程技術，能應用其在生產實踐中指導生產。任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變

學習情景四認識微生物的遺傳與變異、生物應用技術

遺傳必需有物質基礎，也即遺傳信息必須由某些物質作為攜帶和傳遞的載體。任務提出任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變

通過理論知識學習，了解微生物遺傳的物質--DNA和RNA，了解微生物的遺傳物質較其它生物的遺傳物質具有多樣性，不僅存在于其細胞染色體，而且在真核微生物中的細胞器中，染色體外的質粒，RNA病毒的RNA核酸都有遺傳信息物質存在。任務分析任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變遺傳：指上一代生物將自身的一整套遺傳基因穩定地傳遞給下一代，產生與自己相似后代的現象。任務實施的相關專業知識任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變變異：指生物體在某種外因或內因的作用下所引起的遺傳物質結構或數量的改變，使親代與子代之間，或子代各個體之間，在形態結構或生理機能方面存在差異的現象。

微生物的遺傳

穩定的，變異

普遍的；遺傳

相對的，變異

絕對的。●一、遺傳變異的物質基礎（一）遺傳物質必須具備的三種基本功能（二）DNA分子的組成（三）DNA分子的雙螺旋結構（四）DNA的半保留復制（五）遺傳因子基因●二、微生物的變異（一）基因突變

(二）染色體畸變（三）基因重組（四）微生物遺傳變異的應用任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變二、遺傳變異的物質基礎（一）遺傳物質必須具備的三種基本功能★（1）復制功能★（2）表達功能★（3）變異功能任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變二、遺傳變異的物質基礎(二）DNA分子的組成★

DNA分子的組成單位是脫氧核苷酸。★

每個脫氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脫氧核糖和一分子含氮堿基構成。脫氧核糖磷酸堿基任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變二、遺傳變異的物質基礎(二）DNA分子的組成★

堿基有:腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）AGCT脫氧核糖磷酸堿基A一T★

G一C任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變二、遺傳變異的物質基礎(三）DNA分子的雙螺旋結構任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變二、遺傳變異的物質基礎(三）DNA分子的雙螺旋結構★脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連接成脫氧核苷酸長鏈，兩條脫氧核苷酸長鏈按一定順序排列成雙螺旋立體結構。任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變二、遺傳變異的物質基礎(三）DNA分子的雙螺旋結構●

雙螺旋結構的堿基配對原則：ATGCATGC任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變二、遺傳變異的物質基礎(四）DNA的半保留復制★DNA的雙螺旋拆分★DNA單鏈為模板；★按堿基互補配對原則；★DNA聚合酶催化；★形成完全互補的新鏈●DNA的半保留復制的要點任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變二、遺傳變異的物質基礎(四）DNA的半保留復制●DNA的半保留復制的結果是：新DNA分子中的兩條鏈，一條來自親代DNA分子，另一條是新合成的●

DNA獨特的半保留式的自我復制，確保了DNA復制的精確，并保證一切生物遺傳性的相對穩定。任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變二、遺傳變異的物質基礎(五）遺傳因子

基因：DNA分子上具有特定核苷酸順序的片斷，是一切生物體內貯存遺傳信息、具有自我復制能力的遺傳功能單位。

細胞染色體DNA蛋白質基因任務1認識遺傳變異的物質基礎和基因突變基因相對分子質量：6×105，約有103個堿基對。每個細菌約具有5×103~104個基因

基因控制遺傳性狀，但不等于遺傳性狀。功能：基因的精確復制保證了遺傳信息的代代相傳，遺傳性狀的表現都是在基因控制下個體發育的結果。三、微生物的變異

●微生物個體微小，結構簡單，繁殖迅速，比表面積大，易受外界環境的影響，所以，微生物比高等生物更容易發生變異。二、微生物的變異（四）微生物遺傳變異的應用（一）基因突變（二）染色體畸變缺失、重復、倒位、易位（三）基因重組轉化、轉導、雜交1、誘變育種2、定向培育3、基因工程內容提要三、微生物的變異（一）基因突變●基因突變：指微生物的DNA由于某種原因發生了堿基的缺失、置換或插入，改變了基因內部原有的堿基排列順序，從而引起后代表現型的改變。二、微生物的變異（一）基因突變●自發性●稀有性：自發率為10-6~10-9。●不對稱性：突變性狀與引起原因之間無對應關系。●獨立性：不受其他任何基因突變率的影響。●誘變性：誘變劑可使誘變率提高10~105倍。●穩定性：新的變異性狀是穩定的、是可以遺傳的。●可逆性：野生型菌株既可變異為突變性菌株的正向突變，又可發生反方向的回復突變。1．基因突變特點二、微生物的變異（一）基因突變●按突變的條件和原因可分為自發突變和誘發突變。

自發突變★指某種微生物在自然條件下發生的基因突變。

★自發突變率極低。如：細菌一萬到百萬億次裂殖中才出現一個個別基因的突變體。

★自發突變原因是不詳的低劑量誘變劑長期作用的綜合效應或互變異構效應等。如：宇宙間存在的各種短波輻射等。2．基因突變的類型二、微生物的變異（一）基因突變誘發突變★指利用物理或化學因素處理微生物群體，引起少數個體細胞的遺傳性狀發生突變。★誘發突變，一般比自發突變頻率提高10~104倍。

★誘變因素主要包括物理因素和化學因素。主要物理誘變劑有：紫外輻射、X-射線、β-射線、γ-射線、快中子、激光和熱等。▲堿基類似物，如：8-氨鳥嘌呤（8-NG）等▲與堿基反應的誘變劑，如：亞硝酸、烷化劑等▲移碼誘變劑，如：吖啶類化合物等2．基因突變的類型二、微生物的變異（一）基因突變●從篩選菌株的實用目的出發，按突變后極少數突變株的表型能否在選擇性培養基上迅速地選出和鑒別，分為選擇性突變和非選擇性突變。

★選擇性突變株：凡能用選擇性培養基（或其他選擇性培養條件）快速選擇出來的突變株。類型：營養缺陷型、抗性突變型、條件致死突變型★非選擇性突變型：凡不能用選擇性培養基（或其他選擇性培養條件）快速選擇出來的突變株。類型：包括形態突變型、抗原突變型和產量突變型2．基因突變的類型二、微生物的變異（一）基因突變●營養缺陷型：指某一野生型菌株因發生基因突變而喪失合成一種或幾種生長因子、堿基或氨基酸的能力，而不能在基礎培養基上正常生長繁殖的變異類型。可在加有特定生長因子的基礎培養基平板上分離篩選。★抗性突變型：指野生菌株因基因突變而對某化學藥物或致死物理因子產生抗性的變異類型。可在加有相應藥物或相應物理因子的培養基平板上分離篩選。2．基因突變的類型★條件致死突變型：指某菌株或病毒在某種條件下可正常生長、繁殖并正常表現，但由于發生基因突變，在另一條件下卻不能生長、繁殖的變異類型。二、微生物的變異（一）基因突變●形態突變型：指由突變引起的個體或菌落形態的變異類型。如細菌鞭毛或莢膜有無，菌落表面光滑或粗糙、清晰或模糊等。

★抗原突變型：指由基因突變而引起的細胞抗原結構發生的變異類型。如細胞壁缺陷變異、莢膜或鞭毛成分變異等。

★產量突變型：指由基因突變而導致有用代謝產物的產量明顯有別于原始菌株的變異類型。若產量顯著高于原始菌株，稱正變株，產量降低則稱負變株。

2．基因突變的類型二、微生物的變異（二）染色體畸變●染色體畸變是指染色體在結構上有較大范圍變化的變異。既包括染色體結構上的缺失、插入、易位和倒位，也包括染色體數目的變化。二、微生物的變異（三）基因重排●兩個獨立基因組內的遺傳基因，通過一定的途徑轉移到一起，使基因重新組合，形成新的穩定基因組的過程，稱為基因重組。基因重組可通過轉化、轉導、雜交等手段實現。二、微生物的變異（三）基因重排●轉化：受體菌直接吸收來自供體菌的DNA片段，并把它整合到自己的基因組里，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的現象。轉化子：通過轉化形成的雜種后代。●轉導：通過缺陷噬菌體的媒介作用，把供體菌的DNA片段攜帶至受體菌細胞中，通過交換和整合，使后者獲得前者部分遺傳性狀的現象。轉導子：由轉導作用而獲得部分新性狀的重組細胞。雜交：通過雙親細胞的融合，使整套染色體的基因重組，或是通過雙親細胞的溝通，使部分染色體重組的現象。

任務2微生物遺傳變異的應用技術

學習情景四認識微生物的遺傳與變異、生物應用技術微生物個體微小，結構簡單，繁殖迅速，比表面積大，易受外界環境的影響，因此人們就可以及時抓住這類良機來選育優良的生產菌種。

任務提出任務2微生物遺傳變異的應用技術

通過理論知識學習，了解微生物遺傳變異的途徑，掌握遺傳變異的應用技術。任務分析任務2微生物遺傳變異的應用技術

●自發突變與育種●誘變育種●基因工程任務2微生物遺傳變異的應用技術

任務實施的相關專業知識一、自發突變與育種★從生產中選育：微生物會以一定頻率發生自發突變，抓住良機來選育優良的生產菌種。污染噬菌體的發酵液

抗噬菌體的再生菌；酒精工業中：分生孢子為白色的糖化菌“上酒白種”，宇佐美曲霉3578自發突變，糖化率比原菌株強，培養條件也比耗菌株粗放。

任務2微生物遺傳變異的應用技術

★定向培育優良菌種是指適當控制微生物的生活環境條件，用物理因素和化學試劑來誘導微生物向著人們需要的方向變異的過程。★在工業廢水生物處理中，它是一條非常有效的途徑。

★如：在滿足營養物質、水溫、pH值等條件下，對加入酚、氰等污染物的生活污水處理廠的活性污泥進行長時間的定向培育（又稱馴化）。任務2微生物遺傳變異的應用技術

一、自發突變與育種★誘變育種是指利用物理或化學誘變劑處理微生物，使之發生突變，然后采用合理的方法，把符合育種目的的優良突變株篩選出來的過程。★誘變育種的優點：簡便易行，工作進程快、結果既可以提高產量、改進質量，又可以增加品種、簡化工藝等。★目前使用最廣泛的一種育種手段。★如：三十年來，青霉素發酵單位持續大幅度增長，由2單位/毫升提高到7萬單位/毫升。二、誘變育種任務2微生物遺傳變異的應用技術

操作環節很多，因工作目的、育種對象和操作者的安排而有所差異。最基本環節卻是雷同的

1.誘變育種的基本環節

二、誘變育種任務2微生物遺傳變異的應用技術

選種方式有兩種

從自然界和生產中進行。1.從自然界中選種步驟：采樣

增殖培養

純種分離

測定生產性能

二、誘變育種任務2微生物遺傳變異的應用技術

(1)采樣根據微生物的生態特點從自然界取樣分離所需菌種過程。采樣地點的選擇要求：富含預篩選菌種枯枝、落葉和朽木

富含產纖維素酶的菌種果皮上、果樹下土壤富含酵母菌海洋富含耐鹽和低溫菌土壤微生物大本營，富含細菌和放線菌。

采樣方法:

選好地點后用無菌取樣工具取樣后裝入預先消毒過的密封容器內（牛皮袋、塑料袋、磨口瓶），密封保存，做好標記（采樣地點、時間、環境情況等）二、誘變育種任務2微生物遺傳變異的應用技術

(2)增殖培養

給菌種提供一些有利于所需菌株生長或不利于其他菌株生長的條件以促使所需菌株大量繁殖，從而有利于分離它們。增殖培養次數根據樣品中所含需要菌種的多少定。控制因素兩個：養分和培養條件養分：碳源糖、淀粉、纖維素或石油培養條件：PH、溫度二、誘變育種任務2微生物遺傳變異的應用技術

(3)純種分離

從含有混雜各種微生物的樣品中，分出我們所需要的菌種。方法:劃線、稀釋分離、單孢直接挑取法和菌絲尖端切割法。同時選擇和控制培養條件:控制營養成分、控制培養基酸堿度、控制培養溫度、添加抑制劑、熱處理、通氣條件的控制二、誘變育種任務2微生物遺傳變異的應用技術

(4)生產性能測定方法：初篩和復篩①初篩:在培養皿內將菌種進行比較粗放的測定，測出某些菌株有無所需要的性能，不能精確測出含量及性能的大小。②復篩：將初篩選出的菌株精確地測出其發酵性能。方法：液體搖瓶培養法、固體培養法、小型臺式發酵罐法。

二、誘變育種任務2微生物遺傳變異的應用技術

2.從生產中選種

在生產過程中，經常注意那些菌體形態或菌落性狀以及某些生理性能上自然發生變異的微生物，將它們挑選出來，進行比較試驗，有時可以選出更加理想的菌種。

二、誘變育種任務2微生物遺傳變異的應用技術

二、誘變育種2.誘變育種工作中的幾個原則★選擇簡便有效的誘變劑

★挑選優良的出發菌株

★處理單孢子(或單細胞)液

★選用最適劑量

★利用復合處理的協同效應

★利用和創造形態、生理與產量間的相關指標

★設計和采用高效篩選方案和方法

任務2微生物遺傳變異的應用技術

3.營養缺陷型的篩選

二、誘變育種營養缺陷型：指通過誘變而產生的，在一些營養物質（如氨基酸、維生至少和堿基等）的合成能力上出現缺陷，因此必須在基本培養基中加入相誚的有機營養成分才能正常生長的變異菌株。野生型：變異前的原始菌株任務2微生物遺傳變異的應用技術

☆基本培養基：表示方式：“［-］”，凡能滿足某一菌種的野生型或原養型*菌株營養要求的最低成分的合成培養基。

☆完全培養基：表示方式：“［+］”在基本培養基中加入一些富含氨基酸、維生至少和堿基之類的天然物質，以滿足該微生物的各種營養缺陷型都能生長的培養基

☆補充培養基：表示方式："［A］"、"［B］"，本培養基上只是有針對性地加上某一種或幾種其自身不能合成的營養成分，以滿足相應的營養缺陷型生長的培養基。

二、誘變育種

3.營養缺陷型的篩選

任務2微生物遺傳變異的應用技術

營養缺陷型菌株的用途：※研究代謝途徑和雜交、轉化、轉導和原生質體融合等遺傳規律所必不可少的標記菌種※氨基酸、維生素或堿基等物質生物測定的試驗菌種；※用作發酵生產核苷酸、氨基酸等代謝產物的生產菌株；※生產菌種雜交育種中必不可少的帶有特定標記的親本菌株。

二、誘變育種

3.營養缺陷型的篩選

任務2微生物遺傳變異的應用技術

篩選營養缺陷菌株的環節：誘變、淘汰野生型、檢出和鑒定。

二、誘變育種

3.營養缺陷型的篩選

任務2微生物遺傳變異的應用技術

篩選營養缺陷菌株的環節：二、誘變育種

3.營養缺陷型的篩選

●誘變劑處理

●淘汰野生型：抗生素法或菌絲過濾法。青霉素法

細菌;制霉菌素法

真菌菌絲過濾

絲狀真菌●檢出缺陷型：夾層培養法、限量補充培養法、逐個檢出法、影印接種法。

●鑒定缺陷型

任務2微生物遺傳變異的應用技術

◆

夾層培養法：先在培養皿上倒薄一層不含菌的基本培養基。經培養后，在皿底用筆對首次出現的菌落一一作好記號，然后再澆一薄層第四導培養基--完全培養基。再經培養后出現的新菌落，多數是營養缺陷型。二、誘變育種

3.營養缺陷型的篩選

◆限量補充培養法：把誘變處理后的細胞接種在含有微量蛋白胨的基本培養基上，野生型就迅速長成較大的菌落，而缺陷型則生長緩慢，并只能形成