第一章 微生物遗传与育种
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微生物遗传与育种(09140)
《微生物遗传育种》课程（09140）教学大纲一、课程基本信息课程中文名称：微生物遗传育种课程代码：09140学时与学分：76学时4学分（理论课52学时，实验课24学时）课程性质：专业选修课（必选）授课对象：生物工程专业二、课程教学目标与任务《微生物育种学》课程是为生物工程专业本科生开设的一门重要专业选修课，可在学生学习生物化学和微生物学之后选修该课程。
该课程主要教授微生物育种的理论基础、诱变育种、代谢控制育种、杂交育种、原生质体融合育种、基因工程育种的原理和方法。
通过本门课程的学习，学生可以掌握微生物育种的相关原理和具体方法，为从事生物工程领域的生产和科学研究打下基础。
三、学时安排课程内容与学时分配表章节内容课时第一章绪论 1第二章遗传物质的基础 2第三章基因突变 3第四章工业微生物育种诱变剂 4第五章工业微生物产生菌的分离筛选 6第六章工业微生物诱变育种 6第七章工业微生物代谢控制育种 6第八章工业微生物杂交育种 3第九章工业微生物原生质体育种和原生质体融合育种6第一〇章微生物基因组改组育种 3 第一一章基因工程育种 3 第一二章分子定向进化育种 3 第一三章高通量筛选技术 3 第一四章工业微生物菌种复壮与保 3 试验1 细菌的原生质体融合 6 试验2 乳酸菌筛选及抑菌作用研究 6 试验3 香菇杂交育种 6 试验4 细菌营养缺陷型筛选试验 6四、课程教学内容与基本要求第一章绪论教学目的：了解微生物育种在发酵工业中的地位，理解微生物育种的进展。
基本要求：通过教学，使学生了解本课程的研究对象和任务、微生物育种在发酵工业中的地位以及工业微生物育种的进展。
重点与难点：重点：微生物育种的进展。
难点：当前微生物育种的主要技术概览。
教学方法：现代化教学手段，图片展示、讲述法。
主要内容：第一节工业微生物育种在发酵工业中的地位一、微生物菌种二、微生物菌种的重要性三、微生物菌种特性四、菌种来源第二节工业微生物育种的进展一、自然选育二、诱变育种三、杂交育种四、代谢控制育种五、基因工程育种六、基因组改组（genome shuffling）七、分子定向进化（molecular directed evolution of enzyme）八、高通量筛选技术(High throughput screening,HTS)第二章遗传物质的基础教学目的：了解微生物遗传的基本知识，掌握微生物基因组的组织与结构。
微生物的遗传变异和育种 优秀课件
移给R型菌株的，是遗传因子。
（二）噬菌体感染实 验
• A. D. Hershey和M. Chase， 1952年
吸附
10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离
离心
上清液中含 15%放射性
沉淀中含 85%放射性
沉淀细胞进一步培 养后，可产生大量 完整的子代噬菌体
（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中
⑧对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。
微生物的独特生物学特
性：
• （1）
个体的体制极其简单；
• （2）
营养体一般都是单倍体；
• （3）
易于在成分简单的组合培养基
上大量生长繁殖；
• （4）
繁殖速度快；
• （5）
易于积累不同的中间代谢产物
或终产物；
• （6） 性；
菌落形态特征的可见性和多样
• （7）
环境条件对微生物群体中各个
• 但染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。 20多种氨基酸经过不同排列组合，可以演变出的蛋 白质数目几乎可以达到一个天文数字，而核酸的组 成却简单得多，一般仅由4种不同的核苷酸组成， 它们通过排列核组合只能产生较少种类的核酸，因 此当时认为决定生物遗传型的染色体和基因，起活 性成分是蛋白质。
• DNA是遗传变异的物质基础的证明：1944年以后，
并在离体条件下进行了转化试验：
•①加S菌DNA
活R菌
•②加S菌DNA及DNA酶以 外的酶 •③加S菌的DNA和DNA酶 •④加S菌的RNA
长出S菌 只有R菌
•⑤加S菌的蛋白质
只有S型细•⑥菌加的SD菌NA的才荚能膜将S多. p糖neumoniae的R型转化为S
型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转
天津科技大学发酵工程专业微生物遗传与育种课件
微生物遗传与育种第一讲天津科技大学生物工程学院教材和主要参考书教材：1.陈三凤.现代微生物遗传学.化学工业出版社，2003主要参考书：1.沈萍、陈向东. 微生物学(第2版). 高等教育出版社，20061.沈萍、陈向东.微生物学(第2版).高等教育出版社，20062.赵寿元、乔守怡. 现代遗传学.高等教育出版社，20013.盛祖嘉. 微生物遗传学(第3版). 科学出版社，20074.施巧琴吴松刚. 工业微生物遗传育种学（第三版）. 科学出版社，20055.汪天虹. 微生物分子育种原理与技术.化学工业出版社，20055.汪天虹.微生物分子育种原理与技术.化学工业出版社，20056.Prescott et al. 《Microbiology》5th ed.McGraw-Hill内容•第一章绪论(1.5h)•第二章微生物遗传物质（4.5h）•第三章质粒(2h)•第四章微生物的转座因子(2h)•第五章微生物基因表达的调控(2h)•第六章微生物遗传重组(2h)•第七章λ噬菌体与病毒(2h)•第八章各类微生物遗传(4h)•第九章基因工程与育种(2h)微生物遗传学理论课的要求•掌握基本概念•熟悉经典实验•了解广泛背景•领悟科研方法第一章绪论•第一节微生物遗传学发展简史•第二节朊病毒的发现和思考第节微物作为遗传学材料的优•第三节微生物作为遗传学材料的优越性•第四节微生物遗传控制与发酵工业第一节微生物遗传学的发展简史微生物遗传学是一门以病毒、细菌、放线菌、小型真菌、单细胞藻类及原生动物为研究对象的遗传学的分支学科。
1940年代以前：•遗传学的基本研究只限于动物和植物；•微生物遗传学的研究是不系统的、局限的；生物对象：只限于进行有性生殖，特别是产生有性孢子的微生物（酵母菌、草履虫、脉孢菌）；研究内容：只限于形式遗传学分析（基因重组和定位）1940年代以后，以下五方面的工作促使微生物遗传学发展成为一门独立的学科：一. 脉孢菌营养缺陷型的发现和基因原初功能的研究1941年，G. Beadle 和E. Tatum用X-射线处理粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)的分生孢子•得到预期的营养缺陷型(auxotroph)，证明了某些代谢途径的阻断与某些突变基因之间的对应关系•对基因功能实质做了进一步的研究，提出一个基因一种酶学说y yp）One Enzyme Hypothesis（One GeneOne Gene --One Enzyme HypothesisBeadle and Tatum: 一个基因---一种酶One Gene ---One EnzymeMM CM MM用X 射线诱导处理粗糙脉孢菌，筛选出被诱导的突变体来进行实验。
基因工程育种微生物遗传育种
基因工程育种与微生物遗 传育种
• 基因工程育种与微生物遗传育种概述 • 基因工程育种技术 • 微生物遗传育种技术 • 基因工程育种与微生物遗传育种的应
用 • 基因工程育种与微生物遗传育种的挑
战与前景
01
基因工程育种与微生物遗传育种概述
基因工程育种定义与特点
定义
基因工程育种是通过基因工程技术对 生物体的基因进行改造，以达到改良 生物性状和提高产量等目的的育种方 法。
工业领域的应用
工业酶
利用基因工程技术生产具有特殊功能的工业酶，广泛应用于洗涤 剂、食品、纺织和制药等行业。
生物燃料
通过基因工程技术改良微生物，生产高效、环保的生物燃料，减少 对化石燃料的依赖。
生物材料
利用基因工程技术生产具有特殊性能的生物材料，如可降解塑料、 生物纤维等，替代传统石化材料。
05
基因工程育种与微生物遗传育种的挑
战与前景
技术挑战与伦理问题
技术挑战
基因工程育种和微生物遗传育种技术需要高 水平的科学知识和技术能力，同时面临着技 术难度大、成本高、周期长等问题。
伦理问题
基因工程育种和微生物遗传育种涉及到人类 基因和生命形式的改变，可能引发伦理和道 德方面的争议，需要慎重考虑和规范。
未来发展方向与前景
精准育种
随着基因组学和生物信息学的发展，基因工程育种和微生物遗传育种将更加精准和高效， 能够更好地满足农业生产和生物医药等领域的需求。
VS
细胞工厂构建
通过代谢工程手段改造微生物细胞，使其 具备生产特定化学品、燃料或材料的能力 。
04
基因工程育种与微生物遗传育种的应
用
医药领域的应用
基因治疗
利用基因工程技术修复或替换缺陷基因，以达到治疗 遗传性疾病和恶性肿瘤等疾病的目。
• 基因工程育种与微生物遗传育种概述 • 基因工程育种技术 • 微生物遗传育种技术 • 基因工程育种与微生物遗传育种的应
用 • 基因工程育种与微生物遗传育种的挑
战与前景
01
基因工程育种与微生物遗传育种概述
基因工程育种定义与特点
定义
基因工程育种是通过基因工程技术对 生物体的基因进行改造，以达到改良 生物性状和提高产量等目的的育种方 法。
工业领域的应用
工业酶
利用基因工程技术生产具有特殊功能的工业酶，广泛应用于洗涤 剂、食品、纺织和制药等行业。
生物燃料
通过基因工程技术改良微生物，生产高效、环保的生物燃料，减少 对化石燃料的依赖。
生物材料
利用基因工程技术生产具有特殊性能的生物材料，如可降解塑料、 生物纤维等，替代传统石化材料。
05
基因工程育种与微生物遗传育种的挑
战与前景
技术挑战与伦理问题
技术挑战
基因工程育种和微生物遗传育种技术需要高 水平的科学知识和技术能力，同时面临着技 术难度大、成本高、周期长等问题。
伦理问题
基因工程育种和微生物遗传育种涉及到人类 基因和生命形式的改变，可能引发伦理和道 德方面的争议，需要慎重考虑和规范。
未来发展方向与前景
精准育种
随着基因组学和生物信息学的发展，基因工程育种和微生物遗传育种将更加精准和高效， 能够更好地满足农业生产和生物医药等领域的需求。
VS
细胞工厂构建
通过代谢工程手段改造微生物细胞，使其 具备生产特定化学品、燃料或材料的能力 。
04
基因工程育种与微生物遗传育种的应
用
医药领域的应用
基因治疗
利用基因工程技术修复或替换缺陷基因，以达到治疗 遗传性疾病和恶性肿瘤等疾病的目。
微生物遗传与育种精美课件
• 原核生物基因的结构
2020/6/3
• 真核生物基因的结构
– 一般无操纵子结构 – 存在大量不编码序列和重复序列 – 转录和转译在细胞中有空间间隔 – 基因被许多无编码功能的内含子阻隔，使编码
序列变成了不连续的外显子。
2020/6/3
二、基因组
• 基因组（genome）
– 单倍体细胞中所含的全套遗传物质 • 大多数细菌和噬菌体基因组是指单个染色体 上所含的全部基因 • 二倍体真核生物基因组是指单倍体细胞核内 整套染色体所含的DNA分子及其所携带的全 部基因
• H. Fraenkel-Conrat，1956 • 实验材料
– 烟草花叶病毒（TMV） – 霍氏车前花叶病毒（HRV）
• 处理
– 在一定浓度的苯酚溶液中振荡，分离蛋白质外 壳与RNA核心
2020/6/3
2、DNA的结构
• DNA的结构
– 基本单位是脱氧核苷 酸
– 反向平行、右手螺旋 – 碱基A、T、C、G有
序排列 – 碱基之间由氢键连接
2020/6/3
3、DNA的复制
• 半保留复制
2020/6/3
• 复制起点、复制方向、复制单位
2020/6/3
• DNA的半不连续复制
3
5 3
2020/6/3
领头链 (leading strand)
解链方向
随从链 (lagging strand)
5
• 复制的几种主要方式
• S型菌的无细胞抽提液培试养验皿培养
活R菌+ S菌无细胞抽提液――→长出大量R菌和 少量S菌
2020/6/3
• 1944年Avery等对热死S型菌中可能的转化 因子在离体条件下进行了转化试验：
2020/6/3
• 真核生物基因的结构
– 一般无操纵子结构 – 存在大量不编码序列和重复序列 – 转录和转译在细胞中有空间间隔 – 基因被许多无编码功能的内含子阻隔，使编码
序列变成了不连续的外显子。
2020/6/3
二、基因组
• 基因组（genome）
– 单倍体细胞中所含的全套遗传物质 • 大多数细菌和噬菌体基因组是指单个染色体 上所含的全部基因 • 二倍体真核生物基因组是指单倍体细胞核内 整套染色体所含的DNA分子及其所携带的全 部基因
• H. Fraenkel-Conrat，1956 • 实验材料
– 烟草花叶病毒（TMV） – 霍氏车前花叶病毒（HRV）
• 处理
– 在一定浓度的苯酚溶液中振荡，分离蛋白质外 壳与RNA核心
2020/6/3
2、DNA的结构
• DNA的结构
– 基本单位是脱氧核苷 酸
– 反向平行、右手螺旋 – 碱基A、T、C、G有
序排列 – 碱基之间由氢键连接
2020/6/3
3、DNA的复制
• 半保留复制
2020/6/3
• 复制起点、复制方向、复制单位
2020/6/3
• DNA的半不连续复制
3
5 3
2020/6/3
领头链 (leading strand)
解链方向
随从链 (lagging strand)
5
• 复制的几种主要方式
• S型菌的无细胞抽提液培试养验皿培养
活R菌+ S菌无细胞抽提液――→长出大量R菌和 少量S菌
2020/6/3
• 1944年Avery等对热死S型菌中可能的转化 因子在离体条件下进行了转化试验：
绪论-1
绪
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
论
微生物遗传育种学的概念 微生物育种学的发展简史 微生物的主要类群及结构 工业微生物菌种 微生物遗传育种的目的及方法
第一节 微生物遗传育种学的概念
微生物遗传学 微生物育种 微生物育种学
一、微生物遗传学
微生物遗传学是以病毒、细菌、小型真菌以及单细胞动植物
4、形成间体：
3、细胞质（cytoplasm ) 和内含物（inclusionbody）
细胞质化学组成：主要成分是水、蛋白质、核酸、 脂类，少量糖类和无机盐。
内含物：如大量核糖体、胞浆颗粒以及质粒 。
4、核 区（nuclear region）
由裸露的双股DNA
盘绕组成，没有组蛋 白包绕，也没有核膜
孢子丝
气生菌丝
基内菌丝
二、真核微生物
菌物界—— 粘菌 假菌 真菌 单细胞真菌——酵母菌 丝状真菌——霉菌 大型子实体真菌——蕈菌
真核生物与原核生物的比较
1、 酵母菌（yeast)
酵母细胞构造：
细胞壁：酵母纤维素，三明治状。 甘露聚糖、蛋白质（包括多种酶）、葡聚糖。 壁可由 玛瑙螺胃液---蜗牛消化酶 水解
是位于细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧、 略具弹性的结构。 功能：（1）维持细胞外形。 （2）保护细胞免受机械性或渗透压的破坏。 （3）为鞭毛的运动提供支点。 （4）阻碍大分子物质和有害物质进入细胞。 （5）与细菌的抗原性、致病性、对噬菌体的敏感 性有关。
革兰氏染色 (Gram stain)的机制
几属重要的霉菌
青霉属 曲霉属
根霉属
微生物遗传与育种实验PPT课件
3. 杂交：分别取200 μl根瘤菌和E.coli菌悬液混合，加
1000 μl TY培养基，静置24 h后涂布选择性平板筛选 杂交子。 4. 选择性平板：无氮培养基（Kn 50 μg/ml，Rif 50 μg/ml） 5. 挑取杂交子在双抗无氮培养基上划线纯化。
11
四、电转化
实验步骤 准备工作：①制备选择性平板TY培养基（Kn 100 μg/ml，Rif 100
清洗电转化样品槽。先用自来水吸瓶冲洗十多次，之后加 入酒精，放置1 h，之后用蒸馏水冲洗数次，甩干后，水平 放置在滤纸上晾干。
13
五、杂交子鉴定
实验步骤： 挑取在选择性平板上生长的菌落，划线纯
化，观察菌落特征和多糖产量。 挑取纯化后的杂交子接种于蔗糖培养基，
振荡培养36 h后观察并测定多糖产量。
蔗糖酵母膏培养基（培养根瘤菌）：蔗糖10.0 g，酵母膏 4.0 g，磷酸氢二钾0.5 g，硫酸镁0.2 g，氯化钠0.2 g，钼 酸钠（0.5%溶液）4.0 ml，硼酸（0.5%溶液）4.0 ml，碳 酸钙5.0 g，水1000.0 ml，pH 7.2-7.4。多糖测定用， 250ml/500ml三角瓶，每组4瓶。
14
培养基
TY培养基（培养根瘤菌）：胰蛋白胨5.0 g， 酵母粉3.0 g，CaCl2 0.3 g，水1000 ml， pH7.0
蔗糖酵母膏培养基（培养根瘤菌）：蔗糖 10.0 g，酵母膏4.0 g，磷酸氢二钾0.5 g， 硫酸镁0.2 g，氯化钠0.2 g，钼酸钠（0.5% 溶液）4.0 ml，硼酸（0.5%溶液）4.0 ml ，碳酸钙5.0 g，水1000.0 ml，pH7.2-7.4
μg/ml）。②提取要转化的质粒DNA，miniTn5。③制备根瘤菌菌悬 液。 转化：在电转化用的石英样品杯、质粒DNA、TY培养基、根瘤菌菌 悬液50 μl按顺序对应置于冰上预冷。将冰桶移置超净工作台上，取 200-1000 µl、20-100 µl、0.5-10 µl 移液器到超净工作台上。先用0.510 µl移液器取2 µl质粒DNA到根瘤菌细胞内，再用调节到50 µl 的（ 20-100 µl移液器）上下吹吸数次。在冰上放置2 min。用调节到50 µl 的（20-100 µl移液器）将质粒DNA和细胞混合液转移到电转化石英 样品槽底凹槽的中央，在桌面上轻击数次使之分散。在冰上放置1-2 min。先用纸将样品槽擦拭一下，移到2 kV电脉冲发生器上，同时用 1000 µl移液器吸好TY培养基1 ml，约4.5-5 sec后鸣叫声停后，立即加 入样品槽内（吹吸一次或不吹吸）。
1000 μl TY培养基，静置24 h后涂布选择性平板筛选 杂交子。 4. 选择性平板：无氮培养基（Kn 50 μg/ml，Rif 50 μg/ml） 5. 挑取杂交子在双抗无氮培养基上划线纯化。
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四、电转化
实验步骤 准备工作：①制备选择性平板TY培养基（Kn 100 μg/ml，Rif 100
清洗电转化样品槽。先用自来水吸瓶冲洗十多次，之后加 入酒精，放置1 h，之后用蒸馏水冲洗数次，甩干后，水平 放置在滤纸上晾干。
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五、杂交子鉴定
实验步骤： 挑取在选择性平板上生长的菌落，划线纯
化，观察菌落特征和多糖产量。 挑取纯化后的杂交子接种于蔗糖培养基，
振荡培养36 h后观察并测定多糖产量。
蔗糖酵母膏培养基（培养根瘤菌）：蔗糖10.0 g，酵母膏 4.0 g，磷酸氢二钾0.5 g，硫酸镁0.2 g，氯化钠0.2 g，钼 酸钠（0.5%溶液）4.0 ml，硼酸（0.5%溶液）4.0 ml，碳 酸钙5.0 g，水1000.0 ml，pH 7.2-7.4。多糖测定用， 250ml/500ml三角瓶，每组4瓶。
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培养基
TY培养基（培养根瘤菌）：胰蛋白胨5.0 g， 酵母粉3.0 g，CaCl2 0.3 g，水1000 ml， pH7.0
蔗糖酵母膏培养基（培养根瘤菌）：蔗糖 10.0 g，酵母膏4.0 g，磷酸氢二钾0.5 g， 硫酸镁0.2 g，氯化钠0.2 g，钼酸钠（0.5% 溶液）4.0 ml，硼酸（0.5%溶液）4.0 ml ，碳酸钙5.0 g，水1000.0 ml，pH7.2-7.4
μg/ml）。②提取要转化的质粒DNA，miniTn5。③制备根瘤菌菌悬 液。 转化：在电转化用的石英样品杯、质粒DNA、TY培养基、根瘤菌菌 悬液50 μl按顺序对应置于冰上预冷。将冰桶移置超净工作台上，取 200-1000 µl、20-100 µl、0.5-10 µl 移液器到超净工作台上。先用0.510 µl移液器取2 µl质粒DNA到根瘤菌细胞内，再用调节到50 µl 的（ 20-100 µl移液器）上下吹吸数次。在冰上放置2 min。用调节到50 µl 的（20-100 µl移液器）将质粒DNA和细胞混合液转移到电转化石英 样品槽底凹槽的中央，在桌面上轻击数次使之分散。在冰上放置1-2 min。先用纸将样品槽擦拭一下，移到2 kV电脉冲发生器上，同时用 1000 µl移液器吸好TY培养基1 ml，约4.5-5 sec后鸣叫声停后，立即加 入样品槽内（吹吸一次或不吹吸）。
微生物的遗传和育种
微生物育种的社会和经济影响
社会影响
随着微生物遗传和育种技术的不 断发展，人们需要关注相关的伦 理、安全和环境问题，以确保技 术的可持续发展和应用。
经济影响
微生物育种技术的发展有望为工 业、农业、医药等领域带来巨大 的经济效益，同时也需要关注技 术的成本和商业化前景。
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土壤修复
微生物育种技术可用于土壤修复领域，通过改良土壤中微生物的种 类和数量，改善土壤质量，提高土壤肥力。
空气净化
某些微生物具有降解空气中有害物质的能力，通过微生物育种技术 可以改良这些微生物的降解能力，用于空气净化。
05
未来展望
基因编辑技术的发展
基因编辑技术
随着CRISPR等基因编辑技术的发展， 科学家们能够更精确、高效地修改微 生物基因，从而改良微生物的性状和 生产性能。
代谢工程育种
代谢途径分析
对微生物的代谢途径进行分析， 了解各代谢途径之间的相互关系 和调控机制。
代谢流量调控
通过调节代谢途径中的关键酶活 性或改变代谢流量的方向，以提 高目标产物的合成效率。
细胞工厂构建
通过基因工程技术对微生物进行 改造，构建具有特定代谢特征的 细胞工厂，实现目标产物的定向 生产。
基因编辑的应用
基因编辑技术有望在医药、农业、工 业等领域发挥重要作用，例如用于生 产新型药物、改良农作物、提高微生 物产物的产量和品质等。
合成生物学在微生物育种中的应用
合成生物学
合成生物学是一门新兴的交叉学科，旨 在通过设计和构建人工生物系统来改良 和优化生物功能。
VS
微生物育种中的应用
合成生物学在微生物育种中具有广阔的应 用前景，例如通过设计和构建人工微生物 来生产燃料、化学品、药物等，同时也有 助于解决环境问题和粮食安全问题。
微生物育种[整理]
![微生物育种[整理]](https://img.taocdn.com/s1/m/dc7fe0e1bb0d4a7302768e9951e79b89680268f7.png)
工业微生物育种第一章绪论1.工业微生物菌种具备特征：1）菌种要纯2）目的产物的产量较高且稳定3）生长快，易繁殖4）抗杂菌和噬菌体的能力强5）微生物的发酵培养基来源广，价格低6）生产目的产物的时间短7）目的产物易分离纯化。
2.工业微生物育种的基础及作用：遗传与变异改良微生物并培育出各种有娘的工业微生物菌种。
3.工业微生物育种在发酵工业中的作用：不仅可以为发酵工业提供合适的菌种，还可不断提高发酵产品的产量和质量，甚至可培育出全新的菌种以生产新的发酵产品。
4.工业微生物育种的方法：1）自然选育（选择育种，通过改变群体的遗传结构，去掉不良细胞，使优良基因不断增加）2）右边育种（通过人工诱变剂）3）代谢控制育种（先诱变破坏微生物正常代谢）4）杂交育种（通过基因重组）5）基因工程育种第二章微生物育种的遗传基础1.原核微生物产生变异的方式：转化，转导，结合，原生质体融合。
2.真核微生物产生变异的方式：有性杂交，准性生殖，原生质体融合。
3.核基因：细胞核内的DNA即染色体上的DNA，是微生物生长繁殖的必需基因，直接控制初级代谢产物的合成，间接控制次级代谢产物的合成。
4.核外基因：是细胞质中的DNA，是微生物的非必需基因，与次级代谢产物的合成有关。
5.表型延迟：有些基因发生突变后，要经两代以上的繁殖复制，表型才能相应的改变。
6.基因突变的类型：1）碱基的变化（碱基置换，移码突变）2）染色体畸变（缺失，重复，倒位，易位等结构变化）3）染色体数目变异（包括染色体单条的变化和整倍的改变）4）遗传信息的变化（同义突变，中性突变，错义突变，无义突变）7.基因突变的修复机制：光复活修复，切除修复，重组修复，SOS修复。
8.基因突变与表型的关系：基因突变指生物体的遗传物质发生改变，从而引起表型的变异。
同义突变与中性突变表型不变，错义突变与无义突变表型改变。
9.原核生物基因重组的特点：通常只有部分遗传物质的转移和重组，形成部分二倍体再进行重组。
微生物遗传与育种
一、诱变育种：采用物理和化学等因素对出发菌株进行诱变处理，然后运用合理的筛选程序及适当的筛选方法把符合要求的优良变异菌株筛选出来的一种育种技术。
二、重组育种：利用不同微生物菌株间遗传物质的重组而实现的工业微生物育种技术。
三、重组DNA技术：在体外构建重组DNA分子并导入宿主内表达，从而获得重组工业微生物菌种的育种技术。
分离规律、独立分配规律和连锁遗传是遗传学的三大基本规律。
分离规律分离规律是遗传学中最基本的一个规律。
它从本质上阐明了控制生物性状的遗传物质是以自成单位的基因存在的。
基因作为遗传单位在体细胞中是成双的，它在遗传上具有高度的独立性，因此，在减数分裂的配子形成过程中，成对的基因在杂种细胞中能够彼此互不干扰，独立分离，通过基因重组在子代继续表现各自的作用。
这一规律从理论上说明了生物界由于杂交和分离所出现的变异的普遍性。
独立分配规律(又称自由组合定律) 该定律是在分离规律基础上，进一步揭示了多对基因间自由组合的关系，解释了不同基因的独立分配是自然界生物发生变异的重要来源之一。
独立分配定律是指两对以上独立基因的分离和重组，是对分离规律的发展。
因此分离定律的应用完全适用于独立分配规律。
连锁遗传规律1900年孟德尔遗传规律被重新发现后，人们以更多的动植物为材料进行杂交试验，其中属于两对性状遗传的结果，有的符合独立分配定律，有的不符。
摩尔根以果蝇为试验材料进行研究，最后确认所谓不符合独立遗传规律的一些例证，实际上不属独立遗传，而属另一类遗传，即连锁遗传。
于是继孟德尔的两条遗传规律之后，连锁遗传成为遗传学中的第三个遗传规律。
所谓连锁遗传定律，就是原来为同一亲本所具有的两个性状，在F2中常常有连系在一起遗传的倾向，这种现象称为连锁遗传。
连锁遗传定律的发现，证实了染色体是控制性状遗传基因的载体。
通过交换的测定进一步证明了基因在染色体上具有一定的距离的顺序，呈直线排列。
这为遗传学的发展奠定了坚实地科学基础。
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• 微生物技术以往多用发酵技术一词来描述。 • 现代发酵工业（微生物工程）之所以如此迅猛发展， 除了发酵工艺改进和发酵设备更新之外，更重要的是 由于进行了菌种的选育及其改良，为发酵工艺提供了 人类需要的各种类型的突变菌株，从而使微生物制品 的产量成倍甚至成千倍地增长，同时产品的质量也不 断提高。
菌种筛选 空气 空气净化处理
Robert Koch
技 术 支 撑 。
为 获 得 纯 种 微 生 物 提 供 了
了 微 生 物 的 纯 培 养 技 术 。
培 养 基 用 于 纯 培 养 ， 建 立
Robert Koch
首 先 发 明 固 体
- 20世纪40年代初开始人工诱变育种
诱变育种是以人工诱变基因突变为基础的，过去是工业微 生物育种的主要方法，至今仍是世界各国行之有效的重要 方法，尤其发酵上业中的各种优良高产菌株绝大部分都足 以诱变育种人法获得的。
1 微生物遗传育种在微生物工程中占有重要的地位，是 决定微生物制剂是否具有工业化价值及发酵过程成败 与否的关键。
生物制品生产的一般过程： 生物质原料 & 非生物质原料
活性催化剂 & 无机催化剂
生物制品
活性催化剂：主要包括活性催化剂（如酶）和活体催 化剂。
活 体 生 物 催 化 剂
生物技术在21世纪将成为带 动人类社会经济发展的关键 技术。其中微生物生物技术 一直处于生物技术的领先地 位。
• 因此，野生型菌株要满足工 业生产需求需要进行选育。
菌种选育和工艺控制的“五字策略” N P P
进
通
节
堵
出
二、育种技术研究进展
• 对工业微生物菌种的优化选育是提高产品产量和质量 的一条有效途径。
传统育种：以突变和筛选为中心的传统育种技术在工业微 生物发展到现在规模的过程中始终起着重要作用。
分子育种：重组技术和原生质体融合技术开始用于菌种选 育。各种外源基因在原核生物、真核细胞的克隆和表达研 究取得了重大成果。
• 工业微生物育种技术，经历如下阶段：
- 自然选育（微生物的自然突变进行菌种选育的过程称为 自然选育（spontaneous mutation）
微生物纯种培养技术建立为育种提供了材料，开始了微生 物纯种的自然选育，对工业微生物育种有很大的影响。
1857年，Louis Pasteur证明酒精发酵是 由活酵母引起的。提出了著名的发酵理 论：“一切发酵过程都是微生物作用的 结果” 巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在 起作用；酒变质也是发酵，是另一类微 生物在作祟；
20世纪40年代初，beadle和Tatum采用X射线和紫外线等 辐射因子来诱变红色面包霉等，获得了各种代谢障碍的变 株，并于1941年提出“一个基因一种酶”的学说，阐述基 因与酶功能的直接关系，使遗传学从细胞水平发展到分子
水平，促工业微生物育种技术发展。
- 杂交育种
杂文育种的最主要目的在于把不同菌株的优良经济化状集 中于重组体中。克服长期用诱变剂处理造成的上述缺陷； 同时杂交还是增加产品新品种的手段之一。 杂交育种可以作为育种的另一手段，其成功不仅表现在种 内杂交上，而且在种间杂交以至届间杂交都取得令人满意 的结果。
微生物的物质代谢途径 图及代谢控制育种策略 图
N
P
P
进
通
节
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出
微生物细胞内物质代谢图
菌种选育和工艺控制的“五字策 略”
- 基因工程育种
– 生长繁殖能力强，有较强的生长速率，产生孢子的 菌种应该具有较强的产孢子能力。
– 能够高效地将原料转化为产品。
– 有利用广泛来源原材料的能力，并对发酵原料成分 的波动敏感性较小。 – 对需要添加的前体物质有耐受能力，并且不能将这 些前体物质作为一般碳源利用。
– 遗传特性稳定泡沫要少。
– 具有抗噬菌体感染
• 微生物发酵工程是利用微生物生长,摄取原料的养分, 通过体内的酶系,经过代谢活动复杂的化学反应,产生 对人类有用的各种代谢产物,因此菌种是发酵的关键 因素和灵魂。
• 野生型菌株经过长期的自然选择和进化，达到了适合 其生存和繁殖的要求。
• 现代发酵工业需要其代谢产物，因此需要的是一些 “畸形”的微生物。
侧耳属的两个种（Pleurotus ostreatus和 P. djamor ）的杂交育种
A B
E和F分别为融合子4的子实体和孢 子印；
C
D
G和H分别为融合子5的子实体和 孢子印
E F
A和B分别为Pleurotus ostreatus的子 实体和孢子印； C和D分别为Pleurotus djamor的子 实体和孢子印。
菌种选育
保藏菌种
斜面活化
碳源、氮源、无机盐等 营养物质
微 生 物 制 剂 生 产 的 一 般 工 艺 流 程
扩大培养
种子罐 灭菌
主发酵
产物分离纯化 成品
• 因此，工业微生物育种对于提高发酵工业产品的产量 和质量，进一步开发利用微生物资源，增加发酵工业 产品的品种，具有重大意义。
2 菌种是发酵工业的关键和灵魂
G
H
实验结果自四川省农业科学院邱敦莲博士
- 代谢控制育种
代谢控制育种以20世纪50年代末谷氨酸发酵取得成功使发 酵工业进入第三个转折期——代谢控制发酵时期，并在具 后的年代用得到飞跃的发展。 代谢控制育种获得各种解除或绕过了微生物正常代谢途径 的突变株，从而人为地使有用产物选择性的大量生成积累， 并在有控制的条件下培养，大量地生产这种有用产物。其 要害是打破微生物调节机制这一灭然屏障。
目的：了解微生物遗传学的基本知识，掌握各种遗传 育种技术的原理、育种路线、育种方法， 课程性质：选修 学时：30理论＋10实验
教材及参考资料
推荐教材：
参考教材：
第一章 绪 论
教学内容： • 为什么要进行微生物育种？ • 微生物育种技术研究进展如何？ • 常见的育种方法有那些？
一、为什么要进行微生物育种？
菌种选育和工艺控制的“五字策略”
微生物细胞机器的工作模式
N P P
Working pattern of cell-machine in Industrial Ferme
堵
出
• 生产菌种应该具备的基本特性： – 生产菌种应具有在较短的发酵周期内产生大量发酵 产物的能力。 – 在发酵过程中不产生或少产生与目标产品性质相近 的副产物及其他产物。