工业微生物遗传与育种 - 图文

微生物遗传与育种课程讲稿

第二节 突变引起遗传性状改变

一、突变引起遗传性状改变

遗传物质的改变是突变的基础，微生物突变中尤以基因突变较常见。碱基置换、移码突变和易位突变都会引起DNA分子上遗传密码的改变，使构成多肽的氨基酸顺序进行重排，从而控制表型性状的蛋白质结构发生变化。但是基因突变并不是都能使蛋白质的结构改变。碱基置换引起遗传性状的变化有以下三种类型：

同义突变（same-sense mutation）

同义突变是指DNA分子上某个碱基的变化没有改变产物氨基酸序列的密码子变化，这与密码子的简并性相关的。因此，尽管该基因中密码子组成改变了，但是构成相应的蛋白质和原来的蛋白质仍然相同。这是一种无遗传意义的突变。从密码表中可以看到，有的氨基酸是分别由几个密码子编写的。

错义突变(missense mutation)

是指DNA分子上碱基序列的改变引起了产物氨基酸的改变使多肽链的氨基酸排列顺序发生变化。因此，突变后合成的多肽链和突变前的多肽链分子结构不同，生物表型也就不同。有些错义突变严重影响到蛋白质活性甚至使之完全无活性，从而影响了表型。如果该基因是必需基因，则该突变为致死突变(1ethal Muatlon)。

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无义突变（nonsense mutation）

是指DNA分子上某个碱基的改变，使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子(UAA，UAG，UGA)。蛋白质的合成提前终止，产生截短的蛋白质。

二、突变型的种类

根据突变的表型效应可将其分为形态突变型、生化突变型、条件致死突变型、致死突变型和抗性突变型。

形态突变型

形态突变是一种可见突变，它包括微生物菌落形态变化，如菌落形状大小、颜色、表面结构；孢子数量、颜色；噬菌体的噬菌斑形状、大小等。细胞形态变化，如鞭毛、荚膜、菌体形状、大小等。细胞结构变化，如细胞膜透性等。

生化突变型

不管是形态突变、营养突变、条件致死突变或致死突变都是以生物化学为基础，是相应酶的结构活性改变，引起生化代谢的变化，所以突变型都可以认为是生化突变。其中最典型的是营养缺陷型，其特点是由于突变而失去合成某种代谢物质的能力，如氨基酸、维生素等，当环境中缺乏这种物质它就不能生长繁殖，反之，只有给它补充了这种物质，才能具有正常的生命活动。

条件致死突变型

这种突变体在允许条件下存活，在限制条件下致死。条件致死突变中应用的最广的是温敏突变型，他们在一定温度下致死，在另一种温度下表现正常的生命活动。如噬菌体T4突变体，在25℃能够感染大肠杆菌并繁殖形成噬菌斑，在42℃下不能感染和形成噬菌斑。

致死突变型

各种条件都有可能使多肽链完全丧失活性，引起致死，尤其是染色体畸变。即突变使DNA受损部分恰好是决定生物致死的主要基因。通常可分为显性致死和隐性致死。

抗性突变型

抗性突变是最为常见的一种突变，它包括抗药性突变、抗噬菌体突变、抗高温突变及抗辐射突变等。抗性突变体的产生究竟是因为细菌和抗性因子之间长期接触得到了驯化，还是细菌本来就具有这种抗性基因呢？1943年以前一直是人们争论的问题。此后一些科学家设计了抗噬菌体的波动试验和涂布试验，抗链霉素的影印试验等解决了这个问题。

1、波动试验 又称变量试验或彷徨试验。1943年Luria和Delbruck根据统计学的原理，设计了如下实验：

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实验要点是：取敏感于噬菌体T1的大肠杆菌对数期肉汤培养物，用新鲜培养液稀释成浓度为10／m1的细菌悬液，然后在甲、乙两试管内各装10m1。接着把甲管中的菌液先分装在50支小试管中(每管装0.2m1)，保温24—36小时后，即把各支小管的菌液分别倒在50个预先涂有T1的平板上，经培养后分别计算各皿上所产生的抗噬菌体的菌落数；乙管中的10ml菌液不经分装先整管保温24—36小时，然后才分成50份加到同样涂有Tl的平板上，经适当培养后，同样分别计算各皿上产生的抗性菌落数。

结果发现，来自甲管的50皿中，各皿间抗性菌落数相差极大，而来自乙管的则各皿数目基本相同。这就说明大肠杆菌抗噬菌体性状的突变，不是由所抗的环境因素——噬菌体诱导出来的，而是在它接触到噬菌体前，在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的。这一自发突变发生得越早，则抗性菌落出现得越多，反之则越少。噬菌体这里仅起着淘汰原始的未突变的敏感菌和甄别抗噬菌体突变型的作用。利用这一方法，还可计算出突变率。

3

2．涂布试验

3．平板影印培养试验

第三节 突变体的形成

突变的发生并不一定意味着突变体的产生及形状的改变，由突变到突变体的形成要经历一个复杂的生物学过程，因此到今天，人们还不能完全定向控制诱发突变后获得的突变体的形状。

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一、突变体的形成过程

诱变剂与DNA接触前

当化学诱变剂处理微生物细胞时，首先和细胞充分接触，通过扩散作用诱变物质穿过细胞壁、膜及细胞质，达到核质体与DNA接触。该过程可能与诱变剂扩散速度、有变效应和杀伤力、细胞壁的结构组成及细胞生理状态有关。在穿过细胞质是也会发生一些变化。

突变发生过程

诱变剂和DNA接触后能否发生基因突变，与DNA是否处在复制状态有密切关系。而DNA复制活跃程度与某些营养条件和细胞生理状态有关。

突变体的形成

当突变发生后，要经过复制，才能成为突变体。在复制前后过程中，生物细胞有一整套修复系统进行修补，还有某些校正机能的作用以及细胞中一系列酶的反应，都有可能是突变了的DNA结构复原，以保证遗传物质的相对稳定和生物自身准确地繁殖后代。

二、突变的修复

微生物修复系统研究的最早的是紫外线诱发损伤的修复，可分为光修复和暗修复。

嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多。嘧啶的光化产物主要是二聚体。其中了解较清楚的是胸腺嘧啶二聚体的形成和消除。

紫外线的主要作用是使同链DNA的相邻嘧啶间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体。二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用，并引起双链结构扭曲变形，阻碍碱基间的正常配对，从而有可能引起突变或死亡。在互补双链间形成嘧啶二聚体的机会较少。但一旦形成，就会妨碍双链的解开，因而影响DNA的复制和转录，并使细胞死亡。微生物能以多种方式去修复损伤后的DNA，主要有以下两种：

(1)光复活作用 把经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象，称为光复活作用。光复活由phr基因编码的光解酶PHr进行。PHr在黑暗是专一性地识别嘧啶二聚体，并与之结合，形成酶-DNA复合物，当给予光照时，酶利用光能（PHr本身无发色基团，与损伤的DNA结合后才能吸收光，起光解作用）将二聚体拆开，恢复原状，酶再释放出来。由于在一般的微生物中都存在着光复活作用，所以在进行紫外线诱变育种时，只能在红光下进行照射及处理照射后的菌液。

(2)暗修复作用 又称切除修复。该修复系统除了碱基错误配对和单核苷酸插入不能修复外，几乎所有其他DNA损伤均可修复，是细胞内的主要修复系统。切补修复分四步进行(图5—10b)，第一步，核酸内切酶切开二聚体一边的磷酸键；

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