工業微生物育種的基本原理（1）

    遺傳和變異是生物體最本質的屬性之一。所謂遺傳，講的是發生在親子間的關係，即指生物的上一代將自己的一整套遺傳因子穩定地傳遞給下一代的行為或功能，它具有極其穩定的特性。而變異是指子代與親代之間的不相似性。遺傳是相對的，變異是絕對的。遺傳保證了物種的存在和延續，而變異推動了物種的進化和發展。在學習遺傳、變異內容時，先應清楚掌握以下幾個概念：

 

（一）遺傳型：又稱基因型，指某一生物個體所含有的全部遺傳因子即基因組所攜帶的遺傳信息。遺傳型是一種內在可能性或潛力，其實質是遺傳物質上所負載的特定遺傳信息。具有某遺傳型的生物隻有在適當的環境條件下，通過自身的代謝和發育，才能將它具體化，即產生表型。

 

（二）表型：指某一生物體所具有的一切外表特征及內在特性的總和，是其遺傳型在合適環境下通過代謝和發育而得到的具體體現。所以，它與遺傳型不同，是一種現實性。

 

（三）變異：指在某種外因或內因的作用下生物體遺傳物質結構或數量的改變，亦即遺傳型的改變。變異的特點是在群體中以極低的概率(一般為10^-5～10^-10)出現，性狀變化的幅度大，且變化後的新性狀是穩定的、可遺傳的。

（四）飾變：指一種不涉及遺傳物質結構改變而隻發生在轉錄、翻譯水平上的表型變化。其特點是整個群體中的幾乎每一個體都發生同樣變化；性狀變化的幅度小；因其遺傳物質不變，故飾變是不遺傳的。例如，Serratia marcescens(粘質沙雷氏菌)在25℃下培養時，會產生深紅色的靈杆菌素，它把菌落染成鮮血似的。可是，當培養在37℃下時，群體中的一切個體都不產色素。如果重新降溫至25℃，所有個體又可恢複產色素能力。所以，飾變是與變異有著本質差別的另一種現象。上述的S.marcescens產色素能力也會因發生突變而消失，但其概率僅10^-4，且這種消失是不可恢複的。

（一）、證明核酸是遺傳變異的物質基礎的經典實驗

經典肺炎雙球菌的轉化實驗、噬菌體感染實驗和植物病毒重建實驗證實了核酸是一切生物的遺傳物質基礎。

（二）、遺傳物質在細胞中的存在方式

核酸尤其是DNA是如何存在於生物體中的呢？原核生物與真核生物中DNA存在形式不完全相同。我們從7個層次來探討。

1、細胞水平：從細胞水平看，真核微生物和原核微生物的大部分DNA都集中在細胞核或核區中。真核微生物核外有核膜，叫真核。原核微生物核外無核膜，叫擬核或原核，也稱核區。在不同的微生物細胞中，細胞核的數目是不同的。有的隻有一個細胞核，如細菌中的球菌和酵母菌等；有的有兩個細胞核，叫雙核，如細菌中的大多數杆菌和真菌中的擔子菌等；還有的有多個細胞核，如許多真菌和放線菌的菌絲體等，但孢子隻有一個核。

2、細胞核水平：（1）核基因組：從細胞核水平看，真核微生物的DNA與組蛋白結合在一起形成染色體，由核膜包裹，形成有固定形態的真核。原核微生物的DNA不與任何蛋白質結合，也有少數與非組蛋白結合在一起，形成無核膜包裹的呈鬆散狀態存在的核區，其中的DNA呈環狀雙鏈結構。（2）核外基因組：不論是真核微生物還是原核微生物，除核基因組外，在細胞質中還有能自主複製的遺傳物質。例如，真核微生物的中心體、線粒體、葉綠體等細胞器基因和共生生物（草履蟲體內的卡巴顆粒等），還有2μm質粒。原核微生物在細胞質中有質粒，質粒是為環形閉合的雙股DNA，存在於細胞質中，質粒編碼非細菌生命所必須的某些生物學性狀，如性菌毛、細菌素、毒素和耐藥性等。質粒具有可自主複製、傳給子代、也可丟失及在細菌之間轉移等特性，與細菌的遺傳變異有關。按照複製性質，可以把質粒分為兩類：一類是嚴緊型質粒，當細胞染色體複製一次時，質粒也複製一次，二者複製同步，每個細胞內隻有1～2個質粒；另一類是鬆弛型質粒，當染色體複製停止後仍然能繼續複製，二者複製不同步，每一個細胞內一般有20個左右質粒。質粒種類很多，常見的質粒有：抗性質粒（R因子）：它們帶有抗性基因，可使宿主菌對某些抗菌素產生抗性，如對氨基苄青黴素，氯黴素等產生抗性。R質粒還可以通過感染的形式在不同種的細菌中傳播。致育因子（F因子）：可以通過接合在供體和受體間傳遞遺傳物質。Col質粒：帶有編碼大腸杆菌素的基因。大腸杆菌素可殺死其它細菌。降解質粒：這種質粒編碼一種特殊蛋白，可使宿主菌代謝特殊的分子，如甲苯或水楊酸。毒性質粒：這些質粒使宿主菌具有致病的能力。如Ti質粒，此是在根癌農杆菌(Agrobacterium tumefaciens)中發現的，現經過加工用來作植物轉基因的一種常用載體。

3、染色體水平：不同生物核內染色體的數目不同。真核微生物的細胞核中染色體數目較多，而原核微生物中隻有一條。除染色體的數目外，染色體的套數也不相同。如果一個細胞中隻有一套染色體，它就是一個單倍體。絕大多數微生物是單倍體。如果一個細胞中含有兩套相同功能的染色體，則稱之為雙倍體。少數微生物（如釀酒酵母菌）的營養細胞以及單倍體的性細胞接合或體細胞融合後所形成的合子是雙倍體。

4、核酸水平：從核酸的種類來看，絕大多數生物的遺傳物質是DNA，隻有部分病毒(其中多數是植物病毒，還有少數是噬菌體)的遺傳物質才是RNA。在核酸的結構上，絕大多數微生物的DNA是雙鏈的，隻有少數病毒為單鏈結構。RNA也有雙鏈(大多數真菌病毒)與單鏈(大多數RNA噬菌體)之分。從DNA的長度來看，真核生物的DNA比原核生物的長得多，但不同生物間的差別很大。從核酸的狀態看，真核微生物的核內DNA是念珠狀鏈（核小體鏈），核外DNA同原核微生物的一樣。原核微生物中雙鏈DNA是環狀，在細菌質粒中呈麻花狀。病毒粒子中雙鏈DNA呈環狀或線狀，RNA分子都是線狀的。

5、基因水平：基因是指生物體內具有自主複製能力的遺傳功能單位，它是具有特定核苷酸順序的核酸片段。根據功能，原核生物的基因可分為調節基因、啟動基因、操縱基因和結構基因。結構基因是指決定某種酶及結構蛋白質分子結構的基因，它所編碼的蛋白質合成與否，受調節基因和操縱基因的控製。操縱基因則能控製結構基因轉錄的開放或關閉。啟動基因則是RNA聚合酶附著和啟動的部位。調節基因是能調節操縱子中結構基因活動的基因。一個基因的相對分子質量大約為6.7 ×10⁵，約有1000個核苷酸對。每個細菌大約有5000～10000個基因。

6、密碼子水平：遺傳密碼是指DNA鏈上特定的核苷酸排列順序。基因中攜帶的遺傳信息通過mRNA傳給蛋白質。遺傳密碼的單位是密碼子。三聯密碼子一般都用mRNA上的3個核苷酸序列來表示。A、C、G和U 4種核苷酸3個一組可排列64種密碼子，其中AUG為起始密碼子，對應甲硫氨酸（真核生物）或甲酰甲硫氨酸（原核生物）；UAA，UGA和UAG是蛋白質合成的終止信號，叫終止密碼子。其餘的分別對應除甲硫氨酸以外的19種編碼氨基酸。兩者的對應關係早已破譯，這種關係在生物界是通用的。因此，原核微生物也可翻譯人的基因轉錄的mRNA。如人胰島素基因轉入大腸杆菌體內，大腸杆菌即可合成人的胰島素。

7、核苷酸水平：核苷酸是核酸的組成單位，在絕大多數微生物的DNA中，都隻含有dAMP、dTMP、dGMP和dCMP 4種脫氧核糖核苷酸；在絕大多數RNA中，隻含有AMP、UMP、GMP和CMP 4種核糖核苷酸。當其中某一個核苷酸中的堿基發生變化，則導致一個密碼子意義改變，進而導致整個基因信息改變，指導合成新的蛋白質，引起性狀改變。因此，核苷酸是最小的突變單位或交換單位。