一、基因突变
（一）类型
按突变体mutant表型 特征不同
1、形态突变型：细胞或菌落形态改变。
2、生化突变型：代谢途径变异
营养缺陷型—由基因突变引起某酶合成能力丧失，必须在原有培养基中添加相应的营养成分才能生长。
抗性突变型—能抵抗有害理化因素，包括抗药性、抗噬菌体等。
抗原突变型—细胞成分尤其是表面成分的细致变异。
3、致死突变型：基因突变导致个体死亡。
4、条件致死突变型：在某一条件下呈现致死效应，如温度敏感突变型。
如果从研究者能否从巨大群体中迅速检测和分离出个别突变体的目的来看，则只有两类突变：
选择性突变—具有选择性标记，可通过某种环境条件使它们得到优势生长，从而取代原始菌株。
非选择性突变—无选择性标记，而只有一些性状的数量差别，如菌落大小、颜色深浅、代谢物产量等。
（二）特点
1、不对应性：
突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。
相应的环境仅起着淘汰原有非突变型个体的作用，如果说其有诱变作用，也可以诱发任何性状的变异，而不是专一性地诱发一种变异。
2、自发性：
各种突变可以在没有人为的诱变因素下自发发生。
3、稀有性：
10-9~自发突变频率较低，一般10-6 。
突变率— 每个细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。或每单位群体在繁殖一代过程中形成的突变体的数目。
一个细胞长大分裂成两个细胞的过程称为细胞世代。
细胞世代数=n-n0, 对于非同步生长来说，对数生长期，平均世代数= n-n0 /Ln2, m 为n-n0 期突变体数目，
突变率= m
n-n0 /Ln2
测定m的简单办法是将一细胞群体培养在平板上，让突变在平板培养中发生。这种情况下，每一突变产生一固定在原位的突变体克隆，经适当处理可以以单一菌落状态检出。
非选择性突变的突变率很难测定。
4、独立性：
突变的发生一般是独立的，某一基因的突变，既不提高也不降低其他基因的突变率。突变不仅对某一细胞是随机的，而且对某一基因也是随机的。
5、诱变性：
诱变剂作用可提高突变率。
6、稳定性：
遗传物质结构发生的稳定变化，因而产生的新性状也是稳定的，可遗传的。
7、可逆性
突变型，为正向突变®野生型
突变型，为回复突变（回变）。¬野生型
（三）自发性与不对应性的证明
突变是通过适应而产生的，突变的原因与性状间是相对应的。
突变是自发的，与环境是不相对应的。
1、变量试验（1943，Luria & Delbruck）
实验要点：（插入）
结果：甲各皿抗性菌落数相差较大，乙各皿数基本相同。
说明：抗性突变不是由噬菌体诱导出来的。
如果是噬菌体诱导的话，结果会怎样？
突变发生在什么时间？
噬菌体起什么作用？
2、涂布试验（1949，Newcombe设计）
实验要点（插入）
说明：抗性突变发生在未接触噬菌体之前，噬菌体加入只起筛选作用。
如果不是这样，结果会怎样？
3、影印培养试验（1952，Lederberg设计）
影印培养法—使在一系列培养皿相同位置上能出现相同菌落的一种接种培养方法。
利用此法可以从在非选择性条件下生长的群体中，分离出各类突变体。
实验要点：（插入）
结果：3上出现抗性菌落，在2上找出相应菌落接种到含药平板上，长出抗性菌落。而取与3上无对应关系的菌落接种到含药平板上则无生长。
（四）突变机制
1、诱变机制 induce mutation , mutagen
1）碱基对置换（点突变）
只涉及一对碱基被另一对碱基所置换，分为转换和颠换。
①直接引起置换的诱变剂
可直接与碱基发生反应，不论在体内还是离体都起作用。包括亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯、NTG等）。
以HNO2为例：
HNO2 可使碱基氧化脱氨，使A→H，C→U，G→X。
AT→HeT HkC HkC
②间接引起置换的诱变剂
一些碱基结构类似物，但稳定性比正常碱基小，易发生互变。通过活细胞的代谢活动掺入到DNA中，只对正在生长发育的细胞有作用，即DNA复制时起作用。
主要是5-BU，5-AU，2-AP，8-NG等。
以5-BU为例：
AT A:5-BU(酮式） AT GC
AT G:5-BU(烯醇式） A:5-BU(酮式）
还可以看出5-BU掺入引起GC回复至AT的过程。
碱基对置换对密码子影响
简拼 UCG(Ser)（不表现突变现象）
错义 UAC(Tyr)
UCC 错义 UUC(Phe) (所合成蛋白质
(Ser) 有活性或纯化)
无义 UAA(终止符)（合成一些蛋白质碎片）
2）移码突变
由一种诱变剂引起DNA分子中一个或少数几个核苷酸的增添或缺失，从而使该部位后面的全部密码的转录和转译发生错误。也属于DNA分子的微小损伤。
主要是吖啶类染料，一系列ICR化合物。
在DNA链上增缺1、2、4、5碱基，可引起移码突变，增缺3、6，则不影响读码，只引起短的缺、增。
3）染色体畸变
DNA分子大的损伤。
①数量变化：真核有倍数性变化和非倍数性变化；原核只一条染色体，获得一段DNA，形成部分二倍体。
②结构变化：又分染色体内与染色体间畸变（非同源染色体间易位）。
4）转座因子 transposible element
1940`s B. McClintock 玉米遗传研究发现染色体易位。
在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段DNA序列称作转座因子。
有三类：
插入序列 IS：0.7-1.4 kb，只能引起转座效应，不含其它基因。
转座子 Tn ：2-2.5 kb，含有几个至十几个基因。
Mu噬菌体：37 kb，含有20多个基因。
2、自发突变机制
Spontanous mutation：指微生物在没有人工参与下发生的突变。
1）背景辐射和环境因素的诱变：低剂量长期效应。辐射、高温、低浓度诱变剂。
2）自身代谢产物的诱变：H2O2—内源诱变剂。
3）互变异构效应：T、G酮式或烯醇式，A、C氨基式或亚氨基式。一般倾向于酮式和烯醇式。T以烯醇式与G配对，C以亚氨基式与A配对。
4）环出效应：DNA复制过程中偶尔环出。
（五）紫外线对DNA的损伤及机体对损伤DNA的修复
紫外线作用：同链DNA的相邻T间形成共价T二聚体，阻碍碱基间正常配对，从而引起突变或死亡。
机体对损伤DNA的修复：
1、光复活作用：经UV照射后的微生物暴露于可见光下，可明显降低起死亡率，此称光复活作用。
2、暗修复作用（切补修复）：与光无关，须4种酶参与：核酸内切酶、核酸外切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶。
3、重组修复：发生在DNA复制过程或复制之后，不切除DNA损伤部位的修复。DNA链在复制时，受损的模板作用消失，互补单链（新链）里留下空隙，产生诱导信号，recA基因被诱导，产生大量重组蛋白，与新链缺口结合，引起 子链和母链交换。交换后母链缺口，通过聚合作用，以对侧子链为模板合成DNA 片段填充，连接酶连接新旧链完成复制。
4、SOS修复 ：一种能够引起误差修复的紧急呼救修复，是在无模板DNA 情况下合成酶的诱导修复。正常情况下无活性有关酶系，DNA受损伤而复制又受到抑制情况下发出信号，激活有关酶系，对DNA损伤进行修复，其中DNA多聚酶起重要作用，在无模板情况下，进行DNA修复再合成，并将DNA片段插入受损DNA空隙处。
5、DNA 多聚酶的校正作用：DNA 多聚酶除了对多核苷酸的多聚作用外，还具有3`到5`核酸外切酶作用，依靠这一作用，能在复制过程中随时切除不正常的核柑酸。
上述修复中前3种属无错误修复，使诱变作用降低。而SOS修复属易误修复，造成误差修复，引起突变。
3节：突变与育种
菌种工作包括三方面：选种、育种、复壮和保藏。
选种—从自然界和生产中选择符合需要菌种。
育种—进一步提高已有菌种某种性能，使更符合要求。
选育新菌种可从几方面着手：
1）从原有菌株入手进行各种遗传改造工作。
2）根据文献资料报导的微生物种属，向国内外菌种保藏机构索取同种或同属菌株，从中寻求符合要求者。
3）根据所需菌种特性、嗜好或工艺要求，从特定的生态环境中以特定方法重新分离自然菌株。
（一）从自然界分离菌种（菌种分离与筛选）
一般步骤：（插入）
一、采样
主要以土壤为样品，一般采5-20cm深处土，须记录日期、地点、环境情况等。要根据筛选目的、微生物分布、菌种特性以及与之有关的环境，综合考虑，具体分析来决定。
二、增殖培养（富集培养）
实际上是初筛浓缩，方法主要是：
1、控制营养成分；2、控制培养条件。
菌种筛选主要步骤
调查研究及查阅充分的资料
↓
设计实验方案
↓确定采集样品的生态环境
采样
↓确定特定的增殖条件
增殖培养
↓确定特殊的选择培养基及可能的
↓定性或半定量快速检出法
平板分离
↓
原种斜面
↓确定发酵培养基础条件
筛选
↓
初筛（1株1瓶）
↓
复筛（1株3～5瓶）
↓结合初步工艺条件摸索
再复筛（1株3～5瓶）
↓
3～5株
↓
单株纯种分离
↓ 生产性能试验
↓→毒性试验
菌种鉴定
（一）类型
按突变体mutant表型 特征不同
1、形态突变型：细胞或菌落形态改变。
2、生化突变型：代谢途径变异
营养缺陷型—由基因突变引起某酶合成能力丧失，必须在原有培养基中添加相应的营养成分才能生长。
抗性突变型—能抵抗有害理化因素，包括抗药性、抗噬菌体等。
抗原突变型—细胞成分尤其是表面成分的细致变异。
3、致死突变型：基因突变导致个体死亡。
4、条件致死突变型：在某一条件下呈现致死效应，如温度敏感突变型。
如果从研究者能否从巨大群体中迅速检测和分离出个别突变体的目的来看，则只有两类突变：
选择性突变—具有选择性标记，可通过某种环境条件使它们得到优势生长，从而取代原始菌株。
非选择性突变—无选择性标记，而只有一些性状的数量差别，如菌落大小、颜色深浅、代谢物产量等。
（二）特点
1、不对应性：
突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。
相应的环境仅起着淘汰原有非突变型个体的作用，如果说其有诱变作用，也可以诱发任何性状的变异，而不是专一性地诱发一种变异。
2、自发性：
各种突变可以在没有人为的诱变因素下自发发生。
3、稀有性：
10-9~自发突变频率较低，一般10-6 。
突变率— 每个细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。或每单位群体在繁殖一代过程中形成的突变体的数目。
一个细胞长大分裂成两个细胞的过程称为细胞世代。
细胞世代数=n-n0, 对于非同步生长来说，对数生长期，平均世代数= n-n0 /Ln2, m 为n-n0 期突变体数目，
突变率= m
n-n0 /Ln2
测定m的简单办法是将一细胞群体培养在平板上，让突变在平板培养中发生。这种情况下，每一突变产生一固定在原位的突变体克隆，经适当处理可以以单一菌落状态检出。
非选择性突变的突变率很难测定。
4、独立性：
突变的发生一般是独立的，某一基因的突变，既不提高也不降低其他基因的突变率。突变不仅对某一细胞是随机的，而且对某一基因也是随机的。
5、诱变性：
诱变剂作用可提高突变率。
6、稳定性：
遗传物质结构发生的稳定变化，因而产生的新性状也是稳定的，可遗传的。
7、可逆性
突变型，为正向突变®野生型
突变型，为回复突变（回变）。¬野生型
（三）自发性与不对应性的证明
突变是通过适应而产生的，突变的原因与性状间是相对应的。
突变是自发的，与环境是不相对应的。
1、变量试验（1943，Luria & Delbruck）
实验要点：（插入）
结果：甲各皿抗性菌落数相差较大，乙各皿数基本相同。
说明：抗性突变不是由噬菌体诱导出来的。
如果是噬菌体诱导的话，结果会怎样？
突变发生在什么时间？
噬菌体起什么作用？
2、涂布试验（1949，Newcombe设计）
实验要点（插入）
说明：抗性突变发生在未接触噬菌体之前，噬菌体加入只起筛选作用。
如果不是这样，结果会怎样？
3、影印培养试验（1952，Lederberg设计）
影印培养法—使在一系列培养皿相同位置上能出现相同菌落的一种接种培养方法。
利用此法可以从在非选择性条件下生长的群体中，分离出各类突变体。
实验要点：（插入）
结果：3上出现抗性菌落，在2上找出相应菌落接种到含药平板上，长出抗性菌落。而取与3上无对应关系的菌落接种到含药平板上则无生长。
（四）突变机制
1、诱变机制 induce mutation , mutagen
1）碱基对置换（点突变）
只涉及一对碱基被另一对碱基所置换，分为转换和颠换。
①直接引起置换的诱变剂
可直接与碱基发生反应，不论在体内还是离体都起作用。包括亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯、NTG等）。
以HNO2为例：
HNO2 可使碱基氧化脱氨，使A→H，C→U，G→X。
AT→HeT HkC HkC
②间接引起置换的诱变剂
一些碱基结构类似物，但稳定性比正常碱基小，易发生互变。通过活细胞的代谢活动掺入到DNA中，只对正在生长发育的细胞有作用，即DNA复制时起作用。
主要是5-BU，5-AU，2-AP，8-NG等。
以5-BU为例：
AT A:5-BU(酮式） AT GC
AT G:5-BU(烯醇式） A:5-BU(酮式）
还可以看出5-BU掺入引起GC回复至AT的过程。
碱基对置换对密码子影响
简拼 UCG(Ser)（不表现突变现象）
错义 UAC(Tyr)
UCC 错义 UUC(Phe) (所合成蛋白质
(Ser) 有活性或纯化)
无义 UAA(终止符)（合成一些蛋白质碎片）
2）移码突变
由一种诱变剂引起DNA分子中一个或少数几个核苷酸的增添或缺失，从而使该部位后面的全部密码的转录和转译发生错误。也属于DNA分子的微小损伤。
主要是吖啶类染料，一系列ICR化合物。
在DNA链上增缺1、2、4、5碱基，可引起移码突变，增缺3、6，则不影响读码，只引起短的缺、增。
3）染色体畸变
DNA分子大的损伤。
①数量变化：真核有倍数性变化和非倍数性变化；原核只一条染色体，获得一段DNA，形成部分二倍体。
②结构变化：又分染色体内与染色体间畸变（非同源染色体间易位）。
4）转座因子 transposible element
1940`s B. McClintock 玉米遗传研究发现染色体易位。
在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段DNA序列称作转座因子。
有三类：
插入序列 IS：0.7-1.4 kb，只能引起转座效应，不含其它基因。
转座子 Tn ：2-2.5 kb，含有几个至十几个基因。
Mu噬菌体：37 kb，含有20多个基因。
2、自发突变机制
Spontanous mutation：指微生物在没有人工参与下发生的突变。
1）背景辐射和环境因素的诱变：低剂量长期效应。辐射、高温、低浓度诱变剂。
2）自身代谢产物的诱变：H2O2—内源诱变剂。
3）互变异构效应：T、G酮式或烯醇式，A、C氨基式或亚氨基式。一般倾向于酮式和烯醇式。T以烯醇式与G配对，C以亚氨基式与A配对。
4）环出效应：DNA复制过程中偶尔环出。
（五）紫外线对DNA的损伤及机体对损伤DNA的修复
紫外线作用：同链DNA的相邻T间形成共价T二聚体，阻碍碱基间正常配对，从而引起突变或死亡。
机体对损伤DNA的修复：
1、光复活作用：经UV照射后的微生物暴露于可见光下，可明显降低起死亡率，此称光复活作用。
2、暗修复作用（切补修复）：与光无关，须4种酶参与：核酸内切酶、核酸外切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶。
3、重组修复：发生在DNA复制过程或复制之后，不切除DNA损伤部位的修复。DNA链在复制时，受损的模板作用消失，互补单链（新链）里留下空隙，产生诱导信号，recA基因被诱导，产生大量重组蛋白，与新链缺口结合，引起 子链和母链交换。交换后母链缺口，通过聚合作用，以对侧子链为模板合成DNA 片段填充，连接酶连接新旧链完成复制。
4、SOS修复 ：一种能够引起误差修复的紧急呼救修复，是在无模板DNA 情况下合成酶的诱导修复。正常情况下无活性有关酶系，DNA受损伤而复制又受到抑制情况下发出信号，激活有关酶系，对DNA损伤进行修复，其中DNA多聚酶起重要作用，在无模板情况下，进行DNA修复再合成，并将DNA片段插入受损DNA空隙处。
5、DNA 多聚酶的校正作用：DNA 多聚酶除了对多核苷酸的多聚作用外，还具有3`到5`核酸外切酶作用，依靠这一作用，能在复制过程中随时切除不正常的核柑酸。
上述修复中前3种属无错误修复，使诱变作用降低。而SOS修复属易误修复，造成误差修复，引起突变。
3节：突变与育种
菌种工作包括三方面：选种、育种、复壮和保藏。
选种—从自然界和生产中选择符合需要菌种。
育种—进一步提高已有菌种某种性能，使更符合要求。
选育新菌种可从几方面着手：
1）从原有菌株入手进行各种遗传改造工作。
2）根据文献资料报导的微生物种属，向国内外菌种保藏机构索取同种或同属菌株，从中寻求符合要求者。
3）根据所需菌种特性、嗜好或工艺要求，从特定的生态环境中以特定方法重新分离自然菌株。
（一）从自然界分离菌种（菌种分离与筛选）
一般步骤：（插入）
一、采样
主要以土壤为样品，一般采5-20cm深处土，须记录日期、地点、环境情况等。要根据筛选目的、微生物分布、菌种特性以及与之有关的环境，综合考虑，具体分析来决定。
二、增殖培养（富集培养）
实际上是初筛浓缩，方法主要是：
1、控制营养成分；2、控制培养条件。
菌种筛选主要步骤
调查研究及查阅充分的资料
↓
设计实验方案
↓确定采集样品的生态环境
采样
↓确定特定的增殖条件
增殖培养
↓确定特殊的选择培养基及可能的
↓定性或半定量快速检出法
平板分离
↓
原种斜面
↓确定发酵培养基础条件
筛选
↓
初筛（1株1瓶）
↓
复筛（1株3～5瓶）
↓结合初步工艺条件摸索
再复筛（1株3～5瓶）
↓
3～5株
↓
单株纯种分离
↓ 生产性能试验
↓→毒性试验
菌种鉴定
