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微生物的遺傳變異與菌種選育
日期：2025-07-18 00:22
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摘要：
一、微生物遺傳基礎(chǔ)知識(shí)
1. 微生物遺傳的基本物質(zhì)
ＤＮＡ作為遺傳物質(zhì)：
轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)
噬菌體的感染實(shí)驗(yàn)
ＲＮＡ作為遺傳物質(zhì)：
有些生物只由ＲＮＡ和蛋白質(zhì)組成。
2. 微生物的遺傳與變異
（1）微生物的染色體遺傳
不同生物體在一個(gè)細(xì)胞核內(nèi)，往往有不同數(shù)目的染色體。真核微生物常有較多的染色體，如酵母菌屬有17條，漢遜酵母屬有4條，脈孢菌屬有7條等；而在原核微生物中，每一個(gè)核質(zhì)體只是由一個(gè)露的、光學(xué)顯微鏡下無法盾到的球狀染色體所組成。因此，對原核生物來說，所謂染色體水平，實(shí)際上就是核酸水平。
( 2 )原核微生物的質(zhì)粒
( 3 )誘發(fā)突變
( 4 )基因重組
凡把兩個(gè)不同性狀個(gè)體內(nèi)的遺傳基因轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過遺傳分子的重新組合后，形成新遺傳型個(gè)體的方式，稱為基因重組(gene recombination)或遺傳重組。
原核微生物的基因重組方式主要有轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合和溶原轉(zhuǎn)變等四種。
真核微生物的基因重組方式有有性雜交和準(zhǔn)性生殖。
二、菌種的選育
菌種選育，就是利用微生物遺傳物質(zhì)變異的特性，采用各種手段，改變菌種的遺傳性狀，經(jīng)篩選獲得新的適合生產(chǎn)的菌株，以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量或得到新的產(chǎn)品。
1. 微生物菌種的篩選
要想使微生物產(chǎn)生大量的代謝產(chǎn)物，可以通過選育突變株來實(shí)現(xiàn)。
包括營養(yǎng)缺陷型突變株；抗阻遏抗反饋突變型和抗性突變型
2. 微生物誘變育種
微生物誘變育種的原則：
（1）簡便有效的誘變劑；
（2）優(yōu)良的出發(fā)菌種；
（3）處理單孢子懸液；
（4）選用*適劑量；
（5）利用協(xié)同作用；
（6）利用生理產(chǎn)量間的相關(guān)指標(biāo)。
3. 原生質(zhì)體融合
原生質(zhì)體融合指通過人為的方法，使遺傳性狀不同的兩個(gè)細(xì)胞的原生質(zhì)體融合在一起，進(jìn)而發(fā)生遺傳重組，產(chǎn)生同時(shí)帶有雙親性狀的、遺傳性穩(wěn)定的融合子的過程。
4. 基因工程
**節(jié)微生物的保藏和分離純化（2學(xué)時(shí)）
一、菌種的退化
1. 菌種退化的現(xiàn)象及原因
隨著菌種保藏時(shí)間的延長或菌種的多次轉(zhuǎn)接傳代，菌種本身所具有的優(yōu)良的遺傳性狀可能得到延續(xù)，也可能發(fā)生變異。變異有正變（自發(fā)突變）和負(fù)變兩種。菌種退化的主要原因是基因的負(fù)突變。
菌種的衰退是發(fā)生在細(xì)胞群體中的一個(gè)從量變到質(zhì)變的逐步演變過程。開始時(shí)，群體中只有個(gè)別細(xì)胞發(fā)生負(fù)變，這時(shí)如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取有效措施，而一味移種傳化，則群體中這種負(fù)變個(gè)體的比例將逐步增大，*后由它們占了優(yōu)勢，從而使整個(gè)群體表現(xiàn)出嚴(yán)重的衰退。
常見的菌種退化現(xiàn)象中，*易覺察到的是菌落形態(tài)、細(xì)胞形態(tài)和生理等多方面的改變，如菌落顏色的改變，畸形細(xì)胞的出現(xiàn)等；菌株生長變得緩慢，產(chǎn)孢子越來越少直至產(chǎn)孢子能力喪失，例如放線菌、霉菌在斜面上多次傳代后產(chǎn)生“光禿”現(xiàn)象等，從而造成生產(chǎn)上用孢子接種的困難；還有菌種的代謝活動(dòng)，代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)能力或其對寄主的寄生能力明顯下降。
2. 菌種退化的預(yù)防
（1）控制傳代次數(shù)微生物存在著自發(fā)突變，而突變都是在繁殖過程中發(fā)生而表現(xiàn)出來的。菌種的傳代次數(shù)越多，產(chǎn)生突變的機(jī)率就越高，因而菌種發(fā)生退化的機(jī)會(huì)就越多。所以無論在實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)實(shí)踐上，習(xí)題避免不必要的移種和傳代，把必要的傳代控制在*低水平，以降低自發(fā)突變的機(jī)率。
（2）創(chuàng)造良好的培養(yǎng)條件在生產(chǎn)實(shí)踐中，創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)一個(gè)適合原種生長的條件可以防止菌種退化，如選擇合適的培養(yǎng)基、溫度和營養(yǎng)等。
（3）利用不同類型的細(xì)胞進(jìn)行移種傳代 在有些微生物中，如放線菌和霉菌，由于其菌的細(xì)胞常含有幾個(gè)核或甚至是異核體，因此用菌絲接種就會(huì)出現(xiàn)不純和衰退，而孢子一般是單核的，用它接種時(shí)，就沒有這種現(xiàn)象發(fā)生。
（4）采用有效的菌種保藏方法 用于食品工業(yè)生產(chǎn)的一些微生物菌種，其主要性狀都屬于數(shù)量性狀，而這類性狀恰是*容易退化的。即使在較好的保藏條件下，還是存在這種情況。因此，有必要研究和制定出更有效的菌種保藏方法以防止菌種退化。
二、菌種的復(fù)壯
1. 純種分離
通過純種分離，可把退化菌種的細(xì)胞群體中一部分仍保持原有典型性狀的單細(xì)胞分離出來，經(jīng)過擴(kuò)大培養(yǎng)，就可恢復(fù)原菌株的典型性狀。常用的分離純化方法很多，大體上可將它們時(shí)納成兩類，一類較粗放，只能達(dá)到"菌落純"的水平，即從種的水平來說是純的，例如在瓊脂平板上進(jìn)行劃線分離、表面涂布或與瓊脂培養(yǎng)基混勻后澆鋪平板的方法以獲得單菌落等方法；另一類是較精細(xì)的單細(xì)胞或單胞子分離方法，它可以達(dá)到細(xì)胞純即"菌株純"的水平。這類方法種類很多，既有簡便的利用培養(yǎng)皿或凹玻片等分離室的方法，也有利用復(fù)雜的顯微操縱器的種種分離方法。如果遇到不長孢子的絲狀菌，則可用無菌小刀切取菌落邊緣的菌絲類端進(jìn)行分離移植，也可用無菌毛細(xì)管插入菌絲**，以截取單細(xì)胞而進(jìn)行純種分離。
2. 通過宿主體內(nèi)生長進(jìn)行復(fù)壯
對于寄生性微生物的退化菌株，可通過接種至相應(yīng)昆蟲或動(dòng)、植物寄主體內(nèi)以提高菌株的毒性。如經(jīng)過長期人工培養(yǎng)的蘇云金芽孢桿菌，會(huì)發(fā)生毒力減退、殺蟲率降低等現(xiàn)象，這時(shí)可將退化的菌株，去感染菜青蟲的幼蟲(相當(dāng)于一種選擇性培養(yǎng)基)，然后再從病死的蟲體內(nèi)重新分離典型產(chǎn)毒菌株。如此反復(fù)多次，就可提高菌株的殺蟲效率。
3. 淘汰已衰退的個(gè)體
有人曾對"5406"抗生菌的分生孢子，采用-10-30℃的低溫處理5-7天，使其死亡率達(dá)到80%。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在抗低溫的存活個(gè)體中，留下了未退化的健壯個(gè)體。
三、菌種的保藏
1. 菌種保藏原理
菌種保藏的方法很多，原理也大同小異。首先要挑選典型菌種的優(yōu)良純種。*好采用它們的休眠體(如分生孢子、芽孢等)；其次，還要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)*有利休眠的環(huán)境條件，諸如干燥、低溫、缺氧、避光、缺乏營養(yǎng)以及添加保護(hù)劑或酸度中和劑等。
2. 菌種保藏方法
水分對生化反應(yīng)和一切生命活動(dòng)至關(guān)重要，因此，干燥尤其是深度干燥，在保藏中的地位就顯而易見了。硅膠、無水氯化鈣尤其是五氧化二磷是良好的干燥劑，當(dāng)然，高度真空可同時(shí)達(dá)到驅(qū)氧和深度干燥的目的。
除水分外，低溫乃是保藏中另一重要因素。在低溫保藏中，細(xì)胞體積較大的一般要比較小的對低溫更為敏感，而無細(xì)胞壁的則比有細(xì)胞壁的敏感。其原因是與低溫會(huì)細(xì)胞內(nèi)的水分形成冰晶，從而引直細(xì)胞結(jié)構(gòu)尤其是細(xì)胞膜的損傷有關(guān)。如果放到低溫(不是一般冰箱)下進(jìn)行冷凍時(shí)，適當(dāng)采用速凍的方法，則因產(chǎn)生的冰晶小而可減少對細(xì)胞的損傷。當(dāng)?shù)蜏叵麻_始升溫對，冰晶又會(huì)長大，故快速升溫也可減少對細(xì)胞的損傷。當(dāng)然，不同微生物的*適冷凍和升部署速度也是不同的。例如，有人發(fā)現(xiàn)，酵母的冷凍速度以每分鐘10℃為宜(而紅細(xì)胞則相應(yīng)地為2，000℃)。冷凍時(shí)的介質(zhì)對細(xì)胞損傷與否也有顯著的影響，例如，0.5mol/L左右的甘沒或二甲亞硯可透入細(xì)胞，并通過降低強(qiáng)烈的脫水作用而保護(hù)細(xì)胞；大分子物質(zhì)如糊精、血清白蛋白或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)雖不能透入細(xì)胞，但可能是通過和細(xì)胞表面結(jié)合的方式而防止細(xì)胞膜受**。在實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)用較低的溫度進(jìn)行保藏時(shí)效果理為理想，如液氮溫度(-195℃)比干冰溫度(-70℃)好，-70℃好，-70℃比-20℃好。
除水分外，低溫乃是保藏中另一重要因素。在低溫保藏中，細(xì)胞體積較大的一般要比較小的對低溫更為敏感，而無細(xì)胞壁的則比有細(xì)胞壁的敏感。其原因是與低溫會(huì)細(xì)胞內(nèi)的水分形成冰晶，從而引直細(xì)胞結(jié)構(gòu)尤其是細(xì)胞膜的損傷有關(guān)。如果放到低溫(不是一般冰箱)下進(jìn)行冷凍時(shí)，適當(dāng)采用速凍的方法，則因產(chǎn)生的冰晶小而可減少對細(xì)胞的損傷。當(dāng)?shù)蜏叵麻_始升溫對，冰晶又會(huì)長大，故快速升溫也可減少對細(xì)胞的損傷。當(dāng)然，不同微生物的*適冷凍和升部署速度也是不同的。例如，有人發(fā)現(xiàn)，酵母的冷凍速度以每分鐘10℃為宜(而紅細(xì)胞則相應(yīng)地為2，000℃)。冷凍時(shí)的介質(zhì)對細(xì)胞損傷與否也有顯著的影響，例如，0.5mol/L左右的甘沒或二甲亞硯可透入細(xì)胞，并通過降低強(qiáng)烈的脫水作用而保護(hù)細(xì)胞；大分子物質(zhì)如糊精、血清白蛋白或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)雖不能透入細(xì)胞，但可能是通過和細(xì)胞表面結(jié)合的方式而防止細(xì)胞膜受**。在實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)用較低的溫度進(jìn)行保藏時(shí)效果理為理想，如液氮溫度(-195℃)比干冰溫度(-70℃)好，-70℃好，-70℃比-20℃好。
3. 食品微生物菌種的保藏
（1） 定期移植保藏法
（2） 石蠟油封存法
（3） 蒸餾水或溶液懸浮保藏法
（4） 液氮超低溫保藏法
（5） 干燥保藏法
4. 影響菌種存活及長期保藏的主要因素
（1） 培養(yǎng)條件和菌齡
（2） 菌種懸液的濃度
（3） 保護(hù)劑
（4） 凍結(jié)速度
（5） 干燥程度
（6） 保藏條件
（7） 恢復(fù)培養(yǎng)
四、微生物分離純化的一般方法
1. 平板劃線法
2. 稀釋涂皿分離
3. 單細(xì)胞分離
4. 菌絲**切割
5. 利用選擇培養(yǎng)基分離
