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1、微生物遗传育种知识点第一章绪论第一节工业微生物菌种定义：利用微生物特定代谢过程，规模化加工或转化特定底物或环境物料的微生物菌株。意义：工业微生物学的核心研究内容；好的菌种，可以带动一个产业；是研究生命现象的重要模式生物。第二节微生物育种的遗传学基础1、遗传：指亲代的性状在子代表现的现象。2、变异：指同种生物世代之间或同代不同个体之间的性状的差异。3、遗传与变异是生物界的共同特征，它们之间是辩证统一的。2.1 经典遗传学简述一、分离定律1、概念： （1）基因型：生物体全部遗传因子的总称。（2）表型：生物体表现出来的性状的总和。 （3）杂交、亲本 (P) 、子一代 (F1) 、子二代 (F2) 、
2、相对性状、显性、隐性。2、Mendel：单因子杂交实验。3、分离定律内容： 控制一对相对性状的等位基因在形成配子时彼此分离，每个配子只能获得一个等位基因。4、分离定律的染色体基础：位于同源染色体上的一对等位基因在减数分裂时随同源染色体分离而发生分离。二、自由组合定律-遗传学第二定律1、两对因子的杂交实验，当考察性状为n 成对因子：基因型：3n 种，分布为（1：2：1）n 的展开，表现型：2n 种，分布为（ 3： 1）n 的展开。2、一个基因的等位基因的分离独立于其它基因的等位基因的分离，不同对的因子在形成配子时自由组合。3、染色体基础：非等位基因位于不同的染色体上，在减数分裂时独立分离，自由组
3、合。三、连锁与交换定律1、连锁： 位于同一染色体上的基因伴同遗传的现象。交换：由于同源染色体相互之间发生交换而使原来在同一染色体上的基因不再伴同遗传的现象。2、染色体基础：连锁：受考察两基因间未发生断裂再接；交换：受考察两基因间发生了断裂再接。3、生物学意义： （1）连锁：保持物种遗传稳定性；交换：造成生物的多样性，通过自然选择而使强者生存。（2）微生物中：连锁可保持高产菌种的稳定性，交换有利于高产菌种的选育。（ 3）生产菌株：多利用无性繁殖而扩大培养，避免交换的发生。2.2 遗传的物质基础一、遗传物质化学本质的确证1、肺炎链球菌转化实验：体内转化实验DNA是遗传物质的证明。转化：一个品系的生
4、物吸收了来自另一品系生物的遗传物质，从而获得后一品系的某些遗传性状的现象。2、噬菌体感染实验，结论：DNA是遗传物质。3、病毒的拆分和重建实验，结论：HR病毒的遗传物质是RNA 。结论：生物的遗传物质的化学本质是核酸，在绝大多数生物中是DNA ，在少数病毒中是RNA 。二、染色体存在于真核生物细胞核内，由DNA 、蛋白质及少量RNA组成的嗜碱性丝状或杆状小体。1、化学组成： 1/3DNA，1/3 组蛋白， 1/3 非组蛋白及少量RNA和磷脂。 （1） DNA ：携带传递遗传信息，染色体的功能体现者；（2）组蛋白：染色体中与DNA联结的碱性蛋白质， 是染色体主要的结构蛋白。近乎所有的染色体中都含
5、有5 种组蛋白，除 H1外，无种或组织特异性。（3）非组蛋白：染色体中除组蛋白外的其他蛋白，其种类比组蛋白复杂得多，具种和组织特异性。2、染色体的结构： 染色体基本结构单位为核小体，核小体连接成染色质丝，经卷曲形成螺线管，（中期）后者进一步卷曲成超粗纤维，再进一步浓缩即为染色体。高度浓缩的染色体长度只有DNA双螺旋的1/104左右。3、 染色体的特点：（1） 各条染色体的长度、着丝粒位置， 随体及次级溢痕数目、大小、位置各不相同； （2）不同生物染色体数目不同；（3）细菌等原核生物细胞中不存在形态与结构上的染色体，只有DNA长链分三、 DNA （ATGC ）, 双螺旋线性结构。1、线性的碱基序
6、列提供了真实的遗传信息；DNA互补结构使得细胞分裂过程中的精确复制和传递。2、微生物遗传物质存在状态。真核生物： （1） 染色体 DNA （2）染色体外 DNA-质粒 DNA及细胞器DNA 、部分生物染色体DNA 。原核生物： （1）染色体DNA （2）质粒 DNA 四、基因1、孟德尔“遗传因子”生物性状遗传的符号。2、基因位于染色体上的遗传功能单位。（1）等位基因： 一对同源染色体同一基因座上的一对基因。等位基因之间存在相互作用显隐性关系。一个二倍体细胞中等位基因的关系：（1）完全显性：一个等位基因的功能已足够使某个性状表现。（2）不完全显性：当性状的表现对等位基因的功能有数量上的要求。（3
7、）共显性：杂合子同时表现出双亲的特性。（2）野生型和突变型。野生型。 突变型最常见的是等位基因丧失功能，野精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 14 页生型对突变型而言是显性的。特殊情况：突变型等位基因是获得功能型，产生的蛋白赋予生物体以新的性状，突变型是显性的。（3）非等位基因。 非等位基因：位于同一染色体的不同基因座，或位于不同染色体上的基因。非等位基因之间也存在相互作用。3. 顺反子一个基因一条多肽。顺反子概念把基因具体化为DNA分子的一段序列负责传递遗传信息决定一条多肽链的完整的功能单位又是可分的，组成顺反子的核苷酸可
8、以独自发生突变或重组。4、操纵子遗传信息传递和表达调控的统一体。操纵子是指操纵基因与由它操纵的几个结构基因连锁；并由一个启动子 （转录成为一个mRNA 分子， 并进一步翻译成几种蛋白质）这样的DNA序列结构。5、外显子和内含子基因结构是断裂的。6、重叠基因基因不是一个个分离的实体。有两个基因在编码生成蛋白质时，是从同一个起点开始的；两个基因共有一段重叠的核苷酸序列。7、可动基因或转座元件基因并不是固定在染色体的一个位置上的。（1）有些基因在染色体上的位置是可移动的。（2）微生物中的转座因子。（3）细菌转座因子：插入序列、转座子、接合型转座子、温和性噬菌体完整。第三节 DNA复制转录翻译复制：通
9、过复制，遗传信息能够在细胞带间传递，同时是转录翻译的前奏。转录：在一个DNA模板上合成一个与之互补的RNA链， mRNA ，rRNA，tRNA。翻译：是蛋白质生物合成过程中的第一步。翻译是根据中心法则，将成熟的mRNA 解码，并生成对应的特定氨基酸序列的过程。3.1DNA 复制1、DNA的半保留复制模型；2、DNA的二向复制模型( 模型 ) ；3、DNA的滚环复制模型。3.2 转录1、转录的起始： （1）全酶与模板的DNA接触，生成非专一的, 不稳定的复合物在模板上移动； （2）起始识别：全酶与-35 序列结合，产生封闭的酶- 启动子二元复合物；（3）全酶紧密地结合在-10 序列处，模板DNA
10、局部变性，形成开放的启动子二元复合体； （4）酶移动到 I ，第一个 rNTP转录开始 , 因子释放 , 形成酶- 启动子 -rNTP 三元复合体。2、转录的延伸“尺蠖运动”。3、转录的终止。强终止子内部终止子；弱终止子需要因子，又称为依赖性终止子。3.3 翻译遗传密码的特点： （1）遗传密码是三联体密码。（2）遗传密码无逗号。 （ 3）遗传密码是不重迭的。 （4） 遗传密码具有通用性。 （5）遗传密码具有简并性。 （6）同义密码子。（7） 密码子有起始密码子和终止密码子。（8） 反密码子中的 “摆动”。翻译的起始、延伸、终止。*第四节基因表达规则1、进化过程中，环境应答和适应机制。2、基因表
11、达：复制、转录、翻译。3、调控：主要是转录水平上，翻译水平上较少。4、诱导与阻遏：基因控制机理如诱导和阻遏，都是由mRNA 的转录调节和随后的酶的合成调节完成。阻遏：最终产物过量引起反馈抑制；诱导：启动转录基因的过程，引起基因开始转录的物质称为诱导物。5、乳糖操纵子O （操纵基因） ；lacZ ，Y，A；lacI已成为基因工程的重要工具。（1）lac 启动子突变或lacI突变，控制表达。（2）蓝- 白筛选， IPTGXgal( - 半乳糖苷酶水解产蓝色) 操纵子正调控、 负调控。定义：操纵子的调控，在没有调节蛋白的存在下，对加入的调节蛋白的应答反应来确定。 加入调节蛋白， 基因表达被关闭-负调
12、控；阻遏蛋白； 加入调节蛋白，基因由关闭变表达- 正调控；无辅基诱导蛋白。6、操纵子学说：发现调节基因不变，这种突变型的表型却是组成型，提出乳糖操纵子。定义：基因表达单位，包括结构基因和控制结构基因表达元件。操纵子- 转录单位；顺反子- 多顺反子。*第五节微生物遗传育种技术1、定义： 通常须改变其遗传信息，以弱化或消除不好的性状，加强好的特征或引入全新的特性。2、诱变育种：自发突变，劳动密集型。3、基因重组：遗传物质交换，“杂交”，效率较高，仍属于传统育种。4、重组 DNA ：基因工程手段，快，OMG ，代谢工程。工业微生物菌种的选育，不仅可提高目的物的产量，使目的物产量上百上千倍的提高，大大
13、降低生产成本，提高经济效益，而且通过微生物菌种选育，可简化工艺，减少副产品，提高产品质量，改变有效成分组成，甚至获得活性更高的新成分。一、诱变育种1、诱变育种是指用物理、化学因素诱导遗传特性发生变异，再从变异群体中选择符合要求的株，进而培育成新的品种或种质的育种方法。2、物理因素主要指某些射线，如射线、射线、射线、X射线和中子流等。3、化学因素主要指某些亚硝酸盐、烷化剂，碱基类似物，抗生素等化学药物。优点：方法简单、经济、成熟；复合诱变具有较好的效果。缺点：缺乏定向性，必须与高通量筛选方法结合；诱变后正变株较少，工作量太大，周期长精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结
14、- - - - - - -第 2 页，共 14 页二、重组育种不同种群、不同基因型个体间进行杂交，并在其杂种后代中通过选择而育成纯合品种的方法。优点：基因重组可以将双亲控制不同性状的优良基因结合于一体，或将双亲中控制同一性状的不同基因积累，产生性状上超过亲本的类型。正确选择亲本并予以合理组配是重组育种成败的关键。1、有性杂交： 指不同遗传型的两性细胞间发生的接合和随之进行的染色体重组，进而产生新遗传型后代的一种育种技术。2、准性杂交： 在无性细胞中所有的非减数分裂导致DNA重组的过程， 微生物杂交仅转移部分基因，然后形成部分重组子，最终实现染色体交换和基因重组。3、原生质体融合： 把两个不同亲
15、本菌株的细胞壁，分别经酶解作用去除，而得到球状的原生质体，然后将两种不同的原生质体置于高渗溶液中，由聚乙二醇助融，促使两者高度密集发生细胞融合，进而导致基因重组，就可由此再生细胞中获得杂交重组菌株。优点：不仅可克服因长期诱变造成的菌株活力下降，代谢缓慢等缺陷，也可以提高对诱变剂的敏感性，降低对诱变剂的“疲劳”效应；效率较高。缺点：仍是非定向，只能利用进化上相近的进行杂交；周期仍较长，工作量相对较大。四、重组DNA技术1、定义：利用基因工程，同源重组导致一段DNA链交换，增加新的DNA链。2、技术：定点突变、原生质体、DNA重组技术。 3、目的：（1）利用微生物生产本来不会合成的蛋白质。（2）将
16、现有工业菌株加以改良，提高现有菌株效率；4、典型案例：抗生素和生物碱；5、优点：定向，能够进行超远缘杂交；效率最高，工作量最小；理论上结果最好；6、缺点：对微生物的遗传背景信息要清晰，往往并不如预想的那么好；7、代谢工程相结合第二章突变及其机制定义 1：突变是指生物表型突然发生的可遗传的变化。定义2：突变是指生物生长过程中，由于内因或外因的作用导致染色体DNA结构或数量发生的改变。突变遗传物质核酸（DNA或病毒中的RNA ）中的核苷酸序列突然发生了稳定的可遗传的变化。突变是一种遗传的状态，是基因由于结构发生改变从而由原来的存在状态变为另一种存在状态，即它的等位基因。突变体：带有突变基因的细胞或
17、个体。突变型：突变体的基因型或表型称为突变型，和其相对的原存在状态称为野生型。第一节突变类型和基因符号一、基因符号1、基因符号： 每一基因座位用三个小写英文字母表示，它们来自说明这一基因特性的一个、两个或三个英文单词的前三个字母。产生同一突变型表型的不同基因，用三个字母后面所加的一个大写字母表示。同一基因的不同突变位点用基因符号后面所加的阿拉伯数字表示。如果位点所属的基因还不确定，那么大写字母用一短线表示。例： trp ；trpA 、 trpB ；trpA23|his、rim 、rps|rpsL与 str 。：缺失； +/- ：野生型 / 缺陷型； r/s ：抗性 / 敏感。2、突变型符号（1
18、）在不引起误会时，也用基因座位符号，如hisA 。 （2）在容易引起误会时，在基因座位符号上加“+”或“ - ”或其它符号。如：hisA+,hisA-,strr,strs。3、带突变基因的菌株。二、突变类型：突变、诱变。( 一) 染色体畸变 ：染色体数目的变化或染色体结构发生较大片段的异常改变。1、染色体数目的变化（1) 整倍体 (euploidy)：含有完整的染色体组。（2) 非整倍体：含有不完整状态的染色体组，一般是指二倍体中成对染色体成员的增加或减少。单体（二倍减一，):2n-1；缺体（二倍减二，):2n-2；三体（二倍加一):2n+1 ；四体（二倍加二，):2n+2 ；双二倍加一:2n
19、+1+1 ；部分二倍体：细菌等原核生物中由一整条染色体和外来的一个染色体片段所构成的不完整二倍体。2、染色体结构的变化（1）缺失：染色体较大范围的部分的丢失。细胞学效应：缺失环；遗传学效应：致死、基因定位。（2）重复：染色体较大范围的部分的两次出现。细胞学效应：重复环；遗传学效应：位置效应、剂量效应。（3）倒位：染色体片段180的顺序颠倒。细胞学效应：倒位环；遗传学效应：基因间遗传关系变化、部分不育。（4） 易位：一个染色体的一段与另一个非同源染色体连接在一起。相互易位：两个非同源染色体间相互交换一部分。相互易位的细胞学效应：十字型图象。相互易位的遗传学效应：改变连锁关系、染色体数变异。( 二
20、) 基因突变 -染色体局部座位内的变化点突变：只涉及DNA分子中一对或少数几对碱基的改变。突变发生在一个基因范围内。多位点突变：突变超出一个基因范围。1、碱基置换 ：DNA链上的某一碱基对为另一碱基对所取代。(1) 转换： DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被另一个嘌呤（嘧啶）所置换。(2) 颠换： DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被一个嘧啶（嘌呤）所置换。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 14 页错义突变：突变后的密码子代表另一种氨基酸。个别碱基的改变导致多肽链上某个氨基酸为另一种氨基酸所取代。同义突变：碱基序列发生改变而氨基酸序列未
21、发生改变的隐蔽突变沉默突变的发生是由于遗传密码的简并性。例：ATT突变为 ATC ， 两者都编码异亮氨酸。无义突变： 突变后的密码子代表终止密码。例： TGC （亮氨酸）突变为TGA （终止密码子）。错义突变具体表现： （1）致死突变：如果错义突变的基因是必需基因，则该基因的突变将严重影响蛋白质活性甚至完全无活性，引起了生物死亡的表现型。（2）渗漏突变： 有不少错义突变的产物仍然有活性，使表现型介于完全的突变型和野生型之间的某种中间类型。（3）中性突变：有些错义突变不影响或基本上不影响蛋白质的活性，不表现出明显的性状变化。这也是一种无声突变。2、移码突变 ：由于一对或少数几对（不是三的倍数）核
22、苷酸的插入或缺失而造成此后一系列遗传密码子的阅读框发生移位错误的突变。三、按表型效应分突变类型野生型：表现该物种正常表型的生物。突变型：由于突变导致其正常的表型发生了改变的生物。1、形态突变型： 引起细胞个体形态和菌落形态发生改变的突变型。 2、生化突变型： 引起特定生化功能丧失而无形态学效应的突变型。包括营养缺陷型、抗性突变型、糖代谢突变型等。（1）营养缺陷型：由于代谢过程的缺陷而不能合成某种与合成初级代谢物有关的基因产物的缺陷型。（ 2）抗性突变型 :抗药物突变型：对原本敏感的药物具有一定的耐性。抗噬菌体突变型：对原本敏感的噬菌体产生抗性。致死突变型: 由于基因突变造成个体死亡或生命力下降
23、的突变型。条件致死突变型在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。如：温度敏感突变型; 调节突变型 : 丧失对某一基因或操纵子表达能力调节的突变型。突变株的表型成因检出方法营养缺陷型因突变而丧失合成一种或几种生长因子的能力，不能在基本培养基上生长的突变株补充培养基抗性突变型因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性药物培养基条件致死突变型突变后在某种条件下可正常生长繁殖并实现其表型，而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型培养条件改变形态突变型因突变而产生的个体或菌落形态的非选择性变异形态，常用颜色变化抗原突变型因突变而引起的抗原结构发生改变借助于抗原抗体反应产量突变型因
24、突变而获得的，在代谢产量上高于原始菌株的突变株测定产量或其它其它突变型毒力、糖发酵能力、代谢产物等四、从突变的效应背离或返回到野生型：分为正向突变和回复突变1、正向突变：是指改变了野生型性状的突变；2、回复突变： 突变体所失去的野生型性状可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变就叫回复突变。3、原点突变和第二点突变；（1）原位回复突变（原点突变）：真正的原位回复突变正好发生在原来位点，使突变基因回复到与野生型完全相同的DNA序列，少数； （ 2）第二点突变：原突变位点依然存在，它的表型效应被其他第二点突变所抑制 ( 抑制突变 ) ，使得野生型得以恢复或部分恢复，多数。五、按突变发生原因分类自
25、发突变：未经任何人为的处理而自然地发生的突变，称为自发突变。诱发突变：由人们有意识地利用物理或化学手段引起的突变称为诱发突变。*第二节基因突变的规律1、自发性： 突变可自发产生，突变的微生物与所处的环境因素没有对应关系。2、随机性、不对应性：（ 1）波动实验，说明：E.coli对噬菌体的抗性是在接触噬菌体之前的细胞分裂过程中自发产生的。（2）涂布实验。（3）影印培养实验。3、稀有性： 抗药性突变以一定的突变率发生在个别细胞中。突变率：每个细胞每一世代中发生突变的概率。微生物抗药性的来源：基因突变；抗药性质粒的获得；生理适应。1、生理适应： 是由于细菌长期接触某种抗性因子而具有的暂时的抗药性，但
26、基因没有改变。 2、交叉抗性： 细菌对于两种抗生素等药物同时由敏感状态转变为抗性状态。 3、对于各种药物的抗性突变的发生彼此独立无关；突变的发生对于基因来讲也是随机的；交叉抗性；抗药性是数量性状。4、抗药性突变基因是一个相对稳定的结构。5、抗药性突变基因可发生回复突变。6、抗药性突变的突变率可以通过某些理化因素的处理而提高。7、抗药性突变是DNA分子的某一特定位置的结构发生改变的结果。4、独立性：（1）在微生物群体中，一个细胞的突变与其他个体之间互不相干。 （2） 两个不同基因同时发生突变的频率是两个基因各自的突变率的乘积。（3）交叉抗性：微生物对两种抗生素同时由敏感变为抗性。（4）不矛盾，是
27、单一基因导致的多种抗性。5、可逆性：（1）正向突变； （2）野生型突变为突变型；（3）回复突变。概念：突变型回复到野生型表型的过程。特点：稀有性，随机性，可逆性。抑制突变：真正回复突变，极少，通常为表型抑制。6、可诱发性。7、可遗传性。*第三节自发突变的机制精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 14 页自发突变 - 是指在自然状态下未经诱变剂处理而出现的突变。（1）环境因素的影响：包括自然界的背景辐射、短波辐射、热等作用；（ 2）微生物自身产生的代谢物的影响：如代谢产生的过氧化物、亚硝酸盐、咖啡碱，硫氰化物，二硫化二丙烯，重氮
28、丝氨酸等都是已知的化学诱变剂；（3）DNA分子所携带的转座子所造成的插入突变；（4）DNA复制过程中偶尔发生错误，而分子运动造成的分子结构的互变异构是造成这种错误的主要原因。是真正意义上的自变。1、转座因子的作用（ 1）转座由基因组中存在的转座因子导介的序列重排现象，转座过程中， 转座子留在原位，但新位点上多了一段拷贝，说明发生了DNA复制。 （2）转座子是存在于各类生物的染色体或染色体外质粒中，可自主复制并转座的基本单元，它们通常是细菌染色体或质粒的正常组成部分。转座子可能起到的遗传学效应： （1）转座引起插入性突变转座子插入到其他基因的内部可能造成表达失活，如果蝇的杂种不育是由P转座子造成
29、； IS 因子甚至造成极性变异。 （2）转座带来新的基因位点转座子上带有的基因拷贝给了靶序列，靶位上有了新的基因。转座引起染色体畸变转座子的新旧序列之间可能发生同源性重组，正向重组造成染色体DNA缺失，反向重组造成染色体DNA倒位。 （3）转座引起生物进化转座导介图距甚远的基因靠近，或组成新的操纵子单元，或产生新的可编码序列，产生出新蛋白质，引起跳跃式进化。2.DNA分子的运动碱基的互变异构：酮式烯醇式(e) ；氨基亚氨基（i ） ，便会发生错配；TeG、Ge T、Ci=A、Ai=C，这种碱基化学结构的改变过程称为互变异构移位。环出效应：在DNA复制过程中 , 如果其中某一单链上偶而产生一个小
30、环, 则会因其上的基因越过复制而发生遗传缺失, 从而造成自发突变。 下图就是环出效应的设想机制。3.DNA分子自发的化学变化自发的化学变化: （1）脱氨基作用；（2）氧化作用损伤碱基。脱氨基：在正常的生理条件下，腺嘌呤、鸟嘌呤、尤其是胞嘧啶可以自发地发生脱氨作用，脱去嘌呤环或嘧啶环上的氨基。胞嘧啶脱氨产生尿嘧啶，因此复制时在新生链对应的位点上插入的是腺嘌呤而不是鸟嘌呤。腺嘌呤自发脱氨转变成次黄嘌呤，次黄嘌呤优先与胞嘧啶配对，而不是与胸腺嘧啶配对。因此，腺嘌呤和胞嘧啶的脱氨作用可以造成突变。鸟嘌呤脱氨后变成了黄嘌呤，由于黄嘌呤仍与胞嘧啶配对，只是它们之间只形成两个氢键，因此鸟嘌呤的脱氨作用并不能
31、引起突变。4、氧化损伤： （1）过氧化物原子团（O2-） ； （2） （H2O2） 、 （-OH）等需氧代谢的副产物都是有活性的氧化剂；（3）它们可导致DNA的氧化损伤；（4）T氧化后产生T乙二醇； （5） G氧化后产生8- 氧 -7,8 二氢脱氧鸟嘌呤、 8- 氧鸟嘌呤或 “ GO ” ；（ 6）GO可和 A错配，导致GT。5. 复制差错1、 DNA复制的精确性实际上取决于复制过程中的保真性和错误修复系统。2、前面所讲的都是复制差错产生的原因，但是决定产生差错的确是错误修复系统。第四节诱变剂及其作用机制诱变剂：能提高突变频率的物理或化学因子。( 一) 物理诱变剂1、辐射： UV ，X 射线和
32、射线等；效应：点突变或染色体畸变。间接作用：辐射作用于染色体外物质，产生具有诱变作用的物质。直接作用：辐射直接作用于染色体紫外线UV ，作用机理：与DNA吸收光谱一致；效应：移码突变，碱基置换。电离辐射：X 射线，射线、中子、射线，直接作用：打断化学键；间接作用：通过自由基打断化学键。效应染色体畸变，碱基置换，移码突变。突变率与辐射剂量：突变率与辐射总剂量成正比；突变率与剂量率( 辐射强度的影响) 无关。2、热：机理复杂。作用机理：脱嘌呤。效应：碱基置换，移码突变。3、离子束 : 能量传递、 动量交换， 离子沉积与电荷积累过程; 物理诱变的非特异性。一般为离子注入，即通过将能量100kV 量级
33、一般为离子注入，即通过将能量 100keV 量级的离子束射入到材料中，引起材料表面成分、 结构和性能发生变化。典型例子： ARA菌株。( 二) 化学诱变剂1、碱基类似物： 是指其分子结构同DNA分子中的碱基非常类似，因此能取代碱基参入到DNA分子中的一类化合物。主要诱变剂：5- 溴尿嘧啶和2- 氨基嘌呤；可诱发 AT GC的转换。2、移码诱变剂：嵌入DNA分子相邻碱基对之间，从而有利于核苷酸的环出，因此可提高移码突变的突变率。主要诱变剂：吖啶类化合物；溴化乙锭，ICR 系列化合物等。3、化学修饰碱基的诱变剂：(1 ）羟胺（ HA ） ：和 C 发生反应，导致GC AT；(2）亚硝酸：氧化脱氨基
34、作用，导致 AT GC ；(3 ）烷化剂：使DNA分子的碱基发生烷化反应，从而更容易发生错配，是最常用的一类诱变剂。常用的有：硫酸二乙酯(DES), 甲基磺酸乙酯(EMS)，亚硝基乙基尿(NEU), 亚硝基胍 (NTG), 乙烯亚胺 (EI) 等。 NTG （亚硝基胍）诱变作用特强，作用于复制叉，可诱发多基因并发突变，被称为超诱变剂。*第五节突变生成的过程1、DNA的防护机制（1）抑制基因间抑制：控制翻译机制的抑制者基因，通常是tRNA基因发生突变，而使原来的突变恢复成野生型。基因内抑制指突变基因另一座位上的突变掩盖了原来座位的突变( 但未恢复原来的密码顺序) ， 使突变型恢复成野生型。 （2
35、）致死和选择：如果防护机制未起作用，一个突变可能是致死的。（3）二倍体和多精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 14 页倍体高等生物的多倍体具有几套染色体组，每个基因都有几份，故能比二倍体和低等生物表现强烈的保护作用。诱变剂在 DNA 上的初级效应遗传反应碱基类似物掺入作用AT ? GC 转换羟胺同胞嘧啶起羟化反应GC AT 转换亚硝酸A、C 的脱氧基作用DNA 交联AT ? GC 转换缺失烷化剂烷化碱基（主要是G）而导致：脱嘌呤作用；烷化碱基的互变异构作用；DNA链的交联作用；糖 -磷酸骨架的断裂碱基臵换 （AT? GC 转
36、换、AT TA 颠换、GC CG颠换）及染色体畸变吖啶类个别碱基的插入或缺失移码突变紫外线照射形成嘧啶二聚体； 形成嘧啶的水合物； DNA 交联； DNA 断裂AT GC转换、AT GC颠换及移码突变电离辐射脱氧核糖 -碱基之间化学键及脱氧核糖-磷酸之间化学键的断裂；通过自由基对DNA 的作用AT ? GC转换、移码突变及染色体畸变二、 DNA损伤之前1、诱变剂接触DNA分子之前：（1）细胞的透性影响诱变剂的诱变效应（2）前诱变剂在细胞质的作用下会转化成诱变剂。2、前突变：诱变剂作造成的DNA分子某一位置。 （1）不同的诱变剂所造成的损伤不同。（2）有的诱变剂对复制叉的作用强，如NTG 。 （
37、3）有的诱变剂对转录状态的DNA作用强，如DES 、EMS 。三、 DNA损伤1、一系列物理或化学因素可以对DNA造成化学损伤。 这些因素包括化学诱变剂、辐射以及DNA分子自发的化学反应等。2、有些类型的DNA损伤， 如胸腺嘧啶二聚体或DNA骨架的断裂， 使得 DNA不能再作为复制和转录的模板。3、 错配损伤，在下一轮复制之后导致DNA序列的永久改变。C：G被 T：A转换。四、 DNA的修复（一）复制修复1、DNA聚合酶校读功能：第一次校读，对复制的保真性具有重要作用。PolI和PolIII，但是很多时候被认知为复制范畴，因为错误碱基存在时瞬时的。2、 N-糖基化酶参与的碱基切除修复。作用：
38、非标准碱基和碱基衍生物的专一识别，参与切除修复； N-糖基化酶： 将脱氨的碱基从DNA中切除掉的核酸酶；尿嘧啶 -N-糖基化酶；啶二聚体糖基化酶：产生AP位点。3、 错配修复系统。 DNA聚合酶的3 5 外切酶活性可将错误掺入的核苷酸去除。聚合酶的校读功能并非绝对安全，有些错误插入的核苷酸会逃脱检测，并在新合成的链与模板链之间形成错误配对。由于复制中出现的错配碱基存在于子链中，因此该系统必须在复制叉通过之后有一种能够识别亲本链与子链的方法，以保证只从子链中纠正错配的碱基。（二） DNA损伤的修复1、光复活作用：把经紫外线照射后的微生物立即暴露在可见光下时，可明显降低其死亡率的现象。2、切除修复
39、 （暗复活）复制前修复，此系统是在几种酶的协同作用下，先在损伤的任一端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡核苷酸；留下的缺口由修复性合成来填补，再由连接酶将其连接起来。不同的DNA损伤需要不同的特殊核酸内切酶来识别和切割。3、重组修复： 复制后修复，不切除T=T；控制基因： recA,recB,recC；重组酶系： DNA多聚酶、连接酶。胸腺嘧啶二聚体对DNA复制的影响。缺口可用DNA重组方式填补：受损DNA复制时，一条子代DNA分子在损伤的对应部位出现缺口。另一条子代DNA分子完整的母链与有缺口的子链DNA进行重组交换，母链DNA上相应的片段被用于填补子链上的缺口，而母链DNA出现又出现一个新的
40、缺口。母链上的缺口再以另一条子链DNA为模板，经DNA聚合酶催化合成一新DNA片段进行填补，最后由DNA连接酶连接，完成修补；重组修复并不能去除损伤， 损伤仍然保留在原来的位置。但是重组修复能使细胞完成DNA复制，并且新合成的子链是完整的。经多次复制后，损伤就被“冲淡”了，在子代细胞中只有一个细胞是带有损伤DNA的。重组修复机制对于细胞处理不易被修复或者不能被修复的损伤有着特殊的意义。4、SOS修复系统： 依赖于某些蛋白质的诱导合成当DNA受到严重损伤时，染色体的 DNA复制被抑制， 进而诱导细胞产生SOS反应： 大约 20 个参与 DNA损伤修复和 DNA复制功能恢复的基因的表达水平升高，细
41、胞的DNA修复能力得到加强，甚至出现 DNA的跨损伤合成。涉及几个基因：recA 、lexA 、uvrA 、uvrB、uvrC 的共同作用五、突变基因的形成前突变的不同命运：1、正常细胞；2、DNA损伤； 3、突变细胞。环境因素影响：主要是指对修复系统的影响，比如说培养基组成对于系统内的酶的影响，助变剂等。六、从突变到突变型1、表型迟延： 表型的改变落后于基因突变的现象。分离性迟延： 突变基因由杂合状态到纯合状态所造成的表型迟延。生理性迟延：由于基因产物的“稀释”过程所造成的表型迟延。2、表型迟延的消除：诱变后的后培养精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -
42、- - - -第 6 页，共 14 页第三章基因突变的应用* 第一节诱变育种诱变育种：利用物理或化学诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，促进其突变率显著提高，然后采用简便、快速和高效的筛选方法，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研究之用。诱变育种具有极其重要的实践意义。当前发酵工业和其他微生物生产部门所使用的高产菌株，几乎毫无例外地都是通过诱变育种而明显提高其生产性能的。背景和作用： 自然选育的低效率，X射线诱变育种发现；多步积累诱变育种；对照菌株；高通量筛选。作用：（1）提高目标产物的产量。（2）改善菌种特性。（3）开发新产品。 （4）给代谢调控育种提供技术手段。一、诱变育
43、种方案的设计制定明确的目标： （1）充分认识诱变自身特点。（2）充分估计实验能力和方法。 （3）充分了解微生物的特性和初始性状。建立可行的筛选方法：(1）经典方法和简便方法的选择。(2 ）新技术的应用。确定诱变的筛选流程：根据菌种特点和目标确定方法。诱变育种中的几个原则指利用物理或化学诱变剂处理微生物群体细胞，促进其突变率显著提高，然后设法从中选取少数符合育种目的的突变株。2 个主要环节：诱变（随机）：选用合适的诱变剂和诱变剂量处理大量均匀、分散的微生物细胞，以引起绝大多数细胞致死的同时，使存活个体中的突变频率大大提高。筛选 （定向）：设计有效的筛选方法，将少量正变株中的优良菌株挑选出来。二、
44、诱变育种的一般流程出发菌株纯化、活化、同步培养培养液离心收集细胞、洗涤，制备均一的菌悬液（玻璃珠打散、过滤）单细胞或单孢子悬液活菌计数，诱变预备试验诱变处理活细胞计数，致死率计算中间培养 ( 后培养 ) 平板分离变异率计算初筛复筛保藏及扩大试验第二节营养缺陷型突变株的筛选营养缺陷型：是指丧失了合成一种或多种必需生长因子能力的菌株，它们只能在补充了相应的生长因子的培养基上才能正常生长。野生型：从自然界分离到的任何微生物在其发生营养缺陷突变前的原始菌株，均称该微生物的野生型。原养型：营养缺陷型突变株经回复突变或重组后产生的、其营养要求在表型上与野生型相同的菌株。完全培养基 （CM ） ：含有满足某
45、微生物的所有营养缺陷型和野生型菌株生长所需营养物质的天然或半合成培养基。基本培养基 （MM ） ：不含生长因子仅能满足某微生物的野生型菌株生长需要的最低成分合成培养基长需要的最低成分合成培养基。补充培养基 (SM)：补充了一种或数种生长因子，以满足某微生物的特定的营养缺陷型生长的培养基，其中的生长因子多是通过直接添加AA 、碱基或维生素而提供。营养缺陷型突变株的应用：阻断代谢途径，积累中间代谢产物；阻断分支代谢，改变代谢流向，积累另一终端代谢产物；解除反馈抑制，积累代谢产物；利用渗漏缺陷型进行代谢调控育种。筛选方法：（1）诱变处理。 （2）后培养：在CM中进行，消除突变细胞的表型延迟 （生理性
46、延迟和分离延迟）。 （ 3）淘汰野生型：降低野生型细胞的数量和比例，使营养缺陷型细胞得以相对浓缩使营养缺陷型细胞得以相对浓缩。（4）检出缺陷型： 浓缩后的仍然是混合物，因此需要将缺陷型分离检出。（5）鉴定缺陷型：检出后，仍需进一步鉴定是何种缺陷型。第三节抗反馈调节突变型的筛选及应用一、抗代谢类似物突变型的筛选抗反馈调节突变株：是指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型突变株，或兼而有之的突变株。代谢类似物：结构与代谢物类似，因此可起到代谢物所具有的调节作用的一类化合物。真正代谢物功能：合成大分子；调节功能（反馈）。代谢类似物：只有调节功能，不能合成有活性的生物大分子。加入代谢类似物，将关闭
47、相关代谢物的合成，从而影响微生物的生长。（一）抗反馈抑制突变发生基因突变的细胞：酶结构基因发生突变导致调节酶的调节部位发生改变，不再与结构类似物（或产物）结合，从而解除了产物的反馈抑制作用，使产物得以合成。（二）抗阻遏突变型1、阻遏的原理： （1）产物是辅阻遏物。 （2）通过与调节基因的产物阻遏蛋白的结合而激活阻遏蛋白。（3）被激活的阻遏蛋白通过与操纵基因结合而终止结构基因的转录。 2、抗阻遏突变：由于调节基因发生突变，使产生的阻遏蛋白不再精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 14 页能和辅阻遏物结合，或由于操纵基因发生突变，
48、被激活的阻遏蛋白不能作用于已突变的操纵基因，从而解除产物的阻遏作用，使产物得以过量积累。（三）结构类似物和抗结构类似物突变抗结构类似物突变株：能在含有结构类似物的基本培养基中生长的菌株。原因：解除了反馈调节，有可能是抗反馈抑制突变株，也有可能是解除了终产物对代谢途径酶的反馈阻遏作用。终产物结构类似物过量积累产物精氨酸D- 精氨酸精氨酸苯丙氨酸对氟苯丙氨酸 ,噻吩丙氨酸苯丙氨酸赖氨酸AEC 赖氨酸酪氨酸对氟苯丙氨酸,D- 酪氨酸酪氨酸色氨酸5- 碱基色氨酸 ,6- 甲基色氨酸色氨酸脯氨酸3,4- 二氢脯氨酸 ,磺胺胍脯氨酸腺苷酸2- 氟腺嘌呤腺苷酸葡萄糖2- 脱氧葡萄糖b-葡萄糖苷酶蔗糖 ,麦芽
49、糖2- 脱氧棉子糖蔗糖酶纤维二糖 ,葡萄糖甘油纤维素酶（四）筛选方法： （1）将经过诱变的细胞直接涂布在含有一定浓度结构类似物的基本培养基平板上，长出的菌落即为抗结构类似物突变株；（ 2）将经过诱变的细胞涂布在基本培养基平板上，在平板的中央加少量结构类似物，在抑菌圈内长出的个别菌落即为抗结构类似物突变株。三、菌种的退化、复壮和保藏（一）菌种退化及其防治1、菌种退化的表现：生产性状劣化，遗传标记丢失，原有的典型性状变得不典型。具体表现：菌落及细胞形态的改变；生长速度缓慢，产孢子越来越小；代谢产物生产能力下降；抗不良环境条件（抗噬菌体，抗低温）能力减弱。2、退化原因：基因自发突变；诱变后菌株本身不
50、纯，多核细胞中单核突变，单核细胞中单链改变等；其他原因。总之，退化是发生在群体细胞中的一个从量变到质变逐步演变的过程，由于个别突变细胞表现生长优势导致在群体中最后数量占优势。3、 退化的防治： （1） 从菌种选育方法上考虑：进行充分的后培养及分离纯化；增加突变位点，减少基因回复突变的几率。（2）从菌种保藏方式上考虑：尽量减少传代次数；选择适宜的保藏培养基。（3）从菌种培养适宜条件上考虑：结构类似物抗性菌株在保藏培养基中应添加相应药物，及时淘汰回复突变细胞；基因工程菌添加抗生素于培养基中防止质粒的丢失。（4） 从菌种管理的措施上考虑: 复壮。定期对保藏菌种分离纯化，淘汰已退化细胞；定期对发酵液进