微生物的突变和诱变育种
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微生物诱变育种的基本过程
一、筛选目的菌株
在开始微生物诱变育种之前,首先要确定育种的目标,并从中筛选出具有潜在优良性状的目的菌株。
这一步通常需要利用各种生理生化实验和分子生物学技术,对大量菌株进行初步的筛选和鉴定。
二、诱变处理
在确定了目的菌株之后,接下来需要进行诱变处理。
诱变处理通常包括化学诱变和物理诱变两种方式。
化学诱变使用化学诱变剂处理菌株,而物理诱变则利用物理因素(如紫外线、X射线、中子等)处理菌株。
这些诱变因素可以引起菌株基因的突变,进而产生新的性状。
三、突变体的筛选
经过诱变处理后,大量菌株中会存在各种突变体。
为了获得具有优良性状的目标突变体,需要进行筛选。
这一步通常采用各种筛选方法,如单菌落挑取法、稀释涂布平板法等,将突变体从大量菌株中分离出来。
同时,需要通过各种生理生化实验和分子生物学技术,对突变体的性状进行鉴定和筛选。
四、遗传稳定性检测
在筛选出目标突变体后,需要对其遗传稳定性进行检测。
遗传稳定性是指突变体在繁殖过程中,是否能够保持其优良性状的稳定性。
这一步通常采用连续繁殖法和稳定性测定法等方法进行检测,以保证突变体的优良性状能够在后代中得到保留。
五、生产能力测定
最后一步是测定突变体的生产能力。
生产能力是指突变体在实际生产过程中,能否产生足够的产物并保持稳定的产量。
这一步通常采用发酵实验和产物分离纯化等方法进行测定,以保证突变体在实际生产中具有实用价值。
菌种鉴定的几方面特征1、个体形态:镜检细胞形状、大小、排列,革兰氏染色反应,运动性,鞭毛位置、数目,芽孢有无、形状和部位,荚膜,细胞内含物;放线菌和真菌的菌丝结构,孢子丝、孢子囊或孢子穗的形状和结构,孢子的形状、大小、颜色及表面特征等。
2、培养特征:①在固体培养基平板上的菌落和斜面上的菌苔性状(形状、光泽、透明度、颜色、质地等)。
②在半固体培养基中穿刺接种培养的生长情况。
③在液体培养基中混浊程度,液面有无菌膜、菌环,管底有无絮状沉淀,培养液颜色等。
3、生理生化特征:生理生化特征与微生物的酶和调节蛋白的本质和活性直接相关,酶及蛋白质都是基因产物,所以对微生物生理生化特征的比较也是对微生物基因组的间接比较,加上测定生理生化特征比直接分析基因组要容易得多,因此生理生化特征对于微生物的系统分类仍然是有意义的。
4、血清学试验与噬菌体分型。
5、氨基酸顺序和蛋白质分析。
6、核酸的碱基组成【(G+C)%】7、核酸的分子杂交。
营养缺陷型的应用从自然界分离到的微生物在其发生突变前的原始菌株,称为野生型菌株。
野生型菌株经过人工诱变或自然突变失去合成某种营养(氨基酸、维生素、核酸等)的能力,只有在基本培养基中补充所缺乏的营养因子才能生长,称为营养缺陷型。
营养缺陷型菌株的筛选,在生产实践和基础理论中都有着重要的意义。
生产实践中,营养缺陷型可用于工业微生物育种,协助解除代谢反馈调控机制,从而达到大量积累终产物的目的;也可将营养缺陷型菌株作为生产菌种杂交、重组育种时的遗传标记。
在基础理论中,营养缺陷型不仅被广泛应用于阐明微生物代谢途径上,而且在遗传学上具有特殊的地位。
在遗传规律中的转化、转导、原生质体融合、质粒和转座因子等的研究中,营养缺陷型是最常用的标记菌种。
代谢调控的类型1、初级代谢的调节控制:虽然代谢调节方式很多,由于微生物细胞体内的所有生化反应都是在酶的催化下进行的,因此,对酶的调节控制是最主要、最有效的调控方式。
它包括两个方面,一是调节酶的合成量(反馈阻遏),二是调节现成酶分子的催化活力(反馈抑制)。
微生物的化学诱变化学诱变:利用化学物质对微生物进行诱变,引起基因突变或真核生物染色体的畸变称为化学诱变。
化学诱变的物质很多,但只有少数几种效果明显,如烷化剂、吖啶类化合物等。
复合处理及其协同效应:诱变剂的复合处理常有一定的协同效应,增强诱变效果,其突变率普遍比单独处理的高,这对育种很有意义。
复合处理有几类:同一种诱变剂的重复使用,两种或多种诱变剂先后使用,两种或多种诱变剂同时使用。
定向培育和驯化:定向培育是人为用某一特定环境条件长期处理某一微生物群体,同时不断将他们进行移种传代,以达到累积和选择合适的自发突变体的一种古老的育种方法。
由于自发突变的变异频率较低,变异程度较轻,故变异过程均比诱变育种和杂交育种慢得多。
微生物化学诱变的操作过程化学诱变剂的剂量主要决定于其浓度和处理时间。
化学诱变剂都具毒性,其中90%以上是致癌物质或极毒药品,使用时要格外小心,移取液体时绝对禁止直接用口吸,避免与皮肤直接接触,不仅要注意自身安全,也要防止污染环境,造成公害。
一、碱基类似物用于诱发突变的碱基类似物有5-BU、5-FU、BUdr、5-IU等他们是胸腺嘧啶的结构类似物,AP、6-MP是腺嘌呤的结构类似物。
最常用是5-BU和AP。
当将这类物质加入到培养基中,在繁殖过程中可以掺入到细菌DNA分子中,不影响DNA的复制。
它们的诱变作用是取代核酸分子中碱基的位置,再通过DNA的复制,引起突变,困此,也叫掺入诱变剂。
显然这一类诱变剂要求微生物细胞必顿处在代谢的旺盛期,才能获得最佳的诱变效果。
(一)碱基类似物的诱变机制正常的碱基存在着同分异构体,互变异构现象在嘧啶分子中以酮式和烯醇式的形式出现,而嘌呤分子中以氨基和亚氨基互为变构的形式出现、一般互变异构现象在碱基类似物中比正常DNA碱基中频率更高。
5-BU导致A:T碱基对转换为G:C碱基。
2-氨基嘌呤也可以诱发DNA分子中A:T-G:C或G:C-A:T的转换。
(二)碱基类似物的诱变处理方法(以5-BU为例)1.单独处理将微生物液体培养到对数期,离心除去培养液,加入生理盐水或缓冲液,饥饿培养8~10 h,消耗其体内的贮存物质、将5-BU加入到经饥饿培养的培养液中,处理浓度为25~40 μg/mL,温合均匀,取0.1~0.2 mL菌悬液加入到琼脂培养基上涂布培养。
第二章 微生物育种的原理和方法微生物育种原理和方法微生物育种筛选方法微生物育种原理和方法一、微生物育种原理方法:突变、体内重组体外重组(基因工程)1、从自然界中获得新菌种微生物资源分布:土壤、水、空气、动植物及其腐败残骸都是微生物的主要栖居和生长繁殖场所2、分离微生物新种的步骤 采样、增殖、纯化和性能测定等步骤3、典型的微生物采样和筛选方法生物进化过程中微生物形成完善的代谢调节机制不会有代谢产物的积累解除或突破微生物的代谢调节控制目的产物积累微生物育种的目的直接从自然界分离得到的菌株为野生型菌株。
往往低产甚至不产所需的产物,只有经过进一步的人工改造才能真正用于工业生产二、诱变育种方法1、物理诱变:紫外线2、化学诱变:5-溴尿密啶1)紫外线诱变机理:造成DNA链的断裂,或使DNA分子内或分子之间发生交联反应2)诱变过程中需要注意光复活作用:微生物等生物的细胞内存在光复活酶,光复活酶识别胸腺嘧啶二聚体,并与之结合形成复合物(此时的光复活酶没有活性),可见光光能(300-500nm)激活光复活打开二聚体,将DNA复原。
暗修复:细胞内还存在另一种修复体系,它不需要光激活,可修复由紫外线、γ射线和烷化剂等对DNA造成的损伤。
暗修复体系有四种酶参与反应。
紫外诱变的特点:方便、诱变效果很好的常用诱变剂由此说明紫外线照射引起微生物突体形成是一个复杂的生物学过程。
紫外线引起DNA结构的改变仅仅使微生物,于亚稳定状态,点亚稳定到稳定的突变体的形成需要“定时间和过程,所以在实际诱变工作中要采取某些措施避免以上的修复作用,要注意避光或加入某些物质,提高突变的频率。
因此,用紫外线进行诱变时,照射或分离均应在红光下进行。
3)化学诱变剂诱变机理:5-溴尿嘧啶诱变——碱基类似物机理:与碱基的结构类似,在DNA复制时,它们可以被错误地掺入DNA,引起诱变效应注意的参数:参数:浓度、时间、缓冲液三、诱变育种的基本过程诱变育种的基本过程如下:1)出发菌株的选择A、一是考虑出发菌株是否具有特定生产性状的能力或潜力,即菌株是否具有产生特定代谢产物的催化酶系的基因。
工业微生物育种学一、微生物资源多样性微生物资源多样性是工业微生物育种学的基础。
微生物世界中存在着广泛的物种多样性,这些物种具有各种各样的生理生化特性,能够产生丰富的代谢产物。
了解和利用这些多样性,是进行工业微生物育种的前提。
二、遗传物质基础遗传物质基础是工业微生物育种学的核心。
掌握微生物的基因组结构、基因表达调控等基本遗传信息,有助于我们理解微生物的生长、代谢等生命活动,以及如何对其进行改造和优化。
三、突变机制与诱变育种突变机制与诱变育种是工业微生物育种学的重要手段。
突变是指基因组中DNA序列的改变,而诱变育种则是利用诱变因素诱导微生物发生突变,再从中筛选有益突变株的方法。
了解突变机制有助于我们预测和控制突变的发生,提高育种效率。
四、基因工程育种基因工程育种是工业微生物育种学的核心技术。
通过基因工程技术,我们可以精确地对微生物进行遗传改造,实现定向进化,提高微生物的生产能力和性能。
基因工程育种具有精度高、见效快等特点,已成为工业微生物育种的主要手段。
五、菌种筛选与初筛技术菌种筛选与初筛技术是工业微生物育种学的重要环节。
通过筛选,我们可以从自然界或实验室中大量菌株中挑选出发酵性能优良、生产能力强的菌株。
初筛技术包括菌落形态观察、生理生化特性检测等方法,是菌种筛选的基础。
六、菌种改良与性能评价菌种改良与性能评价是工业微生物育种学的重要内容。
通过遗传操作和定向进化等技术手段对菌株进行改良,提高其生产能力和性能。
性能评价则是对改良后菌株进行全面的表征和评估,确保其满足工业生产的需求。
七、发酵过程优化发酵过程优化是工业微生物育种学的关键环节。
发酵过程涉及到菌株的生长、代谢等多个方面,是工业微生物育种的最终目标。
通过优化发酵条件、控制发酵过程等方法,可以提高微生物的发酵效率和产物产量。
八、工业微生物应用实例工业微生物应用实例展示了工业微生物育种学的实际价值。
通过具体的应用实例,我们可以了解工业微生物育种在生产实践中的重要性和作用,进一步推动工业微生物育种学的发展和应用。
第七章微生物的遗传变异和育种第一节微生物的遗传变异的概述遗传和变异是生物体最本质的属性之一。
所谓遗传,讲的是发生在亲子间的关系,即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。
而变异是指子代与亲代之间的不相似性。
遗传是相对的,变异是绝对的。
遗传保证了物种的存在和延续,而变异推动了物种的进化和发展。
在学习遗传、变异内容时,先应清楚掌握以下几个概念:(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。
遗传型是一种内在可能性或潜力,其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。
具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下,通过自身的代谢和发育,才能将它具体化,即产生表型。
(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。
所以,它与遗传型不同,是一种现实性。
(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10-5~10-10)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。
其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。
例如,Serratia marcescens(粘质沙雷氏菌)在25℃下培养时,会产生深红色的灵杆菌素,它把菌落染成鲜血似的。
可是,当培养在37℃下时,群体中的一切个体都不产色素。
如果重新降温至25℃,所有个体又可恢复产色素能力。
所以,饰变是与变异有着本质差别的另一种现象。
上述的S.marcescens产色素能力也会因发生突变而消失,但其概率仅10-4,且这种消失是不可恢复的。
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:微生物结构简单,个体易于变异;营养体一般都是单倍体;易于在成分简单的合成培养基上大量生长繁殖;繁殖速度快;易于累积不同的最终代谢产物及中间代谢物;菌落形态特征的可见性与多样性;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;各种微生物一般都有相应的病毒;以及存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式等。
单项选择题1.知识点:1(微生物的突变) 难易度:容易认知度:识记下列选项中不属于微生物基因突变的特性的是 ( )。
选项A)自发性选项B)非相应性选项C)稀有性选项D)不可逆性答案:D2.知识点:1(微生物的突变) 难易度:容易认知度:识记基因突变的种类有很多,下面有哪一项不属于基因突变 ( )。
选项A)营养缺陷选项B)抗性突变选项C)产量突变选项D)饰边答案:D3.知识点:1(微生物的突变) 难易度:较难认知度:认知不能在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型为()。
选项A)野生型选项B)营养缺陷型选项C)条件致死突变型选项D)R因子答案:B4.知识点:1(微生物的突变) 难易度:容易认知度:认知营养缺陷型菌株是指 ( )。
选项A)有营养不良症的菌株选项B)培养基中缺少某种成分才干生长良好的菌株选项C)培养基中营养成分缺少时获得的菌株选项D)丧失了合成某种营养成分能力的菌株答案:D5.知识点:1(微生物的突变) 难易度:容易认知度:认知已知DNA的碱基序列为CATCATCAT,经突变改变为CAACATCAT:该突变属于()选项A)缺失选项B)插入选项C)颠换选项D)转换答案:D6.知识点:1(微生物的突变) 难易度:容易认知度:认知已知DNA的碱基序列为CATCATCAT,经突变改变为CATACATCAT:该突变属于()选项A)缺失选项B)插入选项C)颠换选项D)转换答案:B7.知识点:1(微生物的突变) 难易度:容易认知度:认知切除修复过程的酶为()选项A)核酸内切酶和核酸外切酶选项B)核酸内切酶、核酸外切酶、DNA连接酶和DNA聚合酶选项C)核酸外切酶和DNA连接酶选项D)阻遏蛋白酶、核酸内切酶、核酸外切酶和DNA连接酶答案:B8.知识点:1(微生物的突变) 难易度:容易认知度:认知SOS过程涉及到基因是()选项A)recA选项B)nosZ选项C)nirS选项D)nifH答案:A9.知识点:1(微生物的突变) 难易度:容易认知度:认知下列属于染色体畸变的是()选项A)染色体缺失选项B)染色体置换选项C)染色体转换选项D)染色体颠换答案:A10.知识点:1(微生物的突变) 难易度:适中认知度:应用筛选细菌营养缺陷型时,为了提高筛选工作效率,经常在培养基中加入一定量的青霉素,以浓缩营养缺陷型,这一实验所用的培养基必须是 ( )。
现代工业微生物育种一、诱变育种诱变育种是通过使用物理或化学方法,如紫外线、X射线、化学诱变剂等,诱导微生物发生基因突变,从而产生具有新性状的菌株。
这种方法可以大幅度提高微生物的变异频率,为育种工作提供了丰富的材料。
二、基因工程育种基因工程育种是通过人工构建基因表达载体,将其导入到微生物中,从而实现基因的转移和表达。
这种方法可以定向地改造微生物的遗传物质,使其表达出所需的性状。
基因工程育种具有高度定向性和可预测性,是现代工业微生物育种的重要手段之一。
三、代谢工程育种代谢工程育种是通过改变微生物的代谢途径,提高其代谢产物的产量或改变代谢产物的性质,从而获得所需的菌株。
这种方法需要对微生物的代谢过程有深入的了解,并能够精确地调控其代谢网络。
代谢工程育种在现代工业微生物育种中具有重要的应用价值。
四、组合生物合成育种组合生物合成育种是通过构建多个基因的组合文库,并筛选出具有所需性状的菌株。
这种方法类似于基因工程育种,但具有更高的遗传复杂性,可以创造出更丰富的变异类型。
组合生物合成育种在现代工业微生物育种中已经成为一种重要的策略。
五、定向进化育种定向进化育种是一种模拟自然进化过程的育种方法。
它通过对大量随机突变体进行筛选和选择,以实现所需性状的定向进化和优化。
定向进化育种可以在短时间内获得高度适应特定条件的优良菌株,具有很高的应用价值。
六、菌种保藏与复壮菌种保藏与复壮是工业微生物育种的重要环节。
通过科学的保藏方法,可以保持菌种的活力和遗传稳定性;而复壮则是通过一定的手段使保藏的菌种恢复活力,以保证其用于生产的性能。
七、基因组编辑育种基因组编辑育种是利用基因编辑技术对微生物基因组进行精确的编辑和改造,以实现定向改良和创造新品种的目的。
目前常用的基因组编辑技术包括CRISPR-Cas9系统、ZFNs和TALENs等。
基因组编辑育种具有高度精确性和可控性,为现代工业微生物育种提供了强有力的工具。
第七章微生物的遗传变异和育种一、名词解释:1.转导2.流产转导3.局限性转导4.普遍性转导5.转导噬菌体6.突变7.移码突变8.点突变9.自发突变10.诱变剂11.转化12.感受态13.基本培养基14.完全培养基(CM)15.光复活作用(或称光复活现象)16.转座子(Tn)17.基因工程18.基因19.突变20.接合21.转化子22.转导子23.F 菌株24.Hfr 菌株25.F+菌株26.F-菌株27.诱变育种28.抗性突变型29.营养缺陷型30.野生型菌株31.染色体畸变32.准性生殖33.异核体34.基因组35.同义突变36.原生质融合二、填空题1.证明DNA是遗传物质的事例很多,其中最直接的证明有()、()、()三个经典实验。
2.细菌在一般情况下是一套基因,即();真核微生物通常是有两套基因又称()。
3.大肠杆菌基因组为双链环状的(),在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小形式存在于细胞中,该小体被称为()。
4.酵母菌基因组最显著的特点是(),酵母基因组全序列测定完成后,在其基因组上还发现了许多较高同源性的DNA重复序列,并称之为()。
5.质粒通常以()的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中,但从细胞中分离的质粒大多是3种构型,即()型、()型和()型。
6.转座因子可引发多种遗传变化主要包括()、()和()。
7.在()转导中,噬菌体可以转导给体染色体的任何部分到受体细胞中;而在转导中,噬菌体总是携带同样的片段到受体细胞中。
8.细菌的结合作用是指细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的()和过程9.线粒体遗传特征的遗传发生在核外和有丝分裂和减数分裂过程以外,因此它是一种()遗传。
10.丝状真菌遗传学研究主要是借助有性过程和()过程,并通过遗传分析进行的,而()是丝状真菌,特别是不产生有性孢子的丝状真菌特有的遗传现象。
11.DNA分子中一种嘧啶被另一种嘌呤取代称为()。
12.受体细胞从外界吸收供体菌的DNA片段(或质粒),引起基因型改变的过程称为()。