环境微生物学（微生物的遗传和变异）

1、2 2、遗传物质在细胞中的存在形式、遗传物质在细胞中的存在形式 除局部病毒的遗传物质是除局部病毒的遗传物质是RNARNA外，其余病毒和全外，其余病毒和全部具有典部具有典型细胞结构的生物体的遗传物质都是型细胞结构的生物体的遗传物质都是DNADNA。按其在细胞中的存在形式可分成染色体按其在细胞中的存在形式可分成染色体DNADNA和染和染色体外色体外DNADNA。原核细胞和真核细胞中。原核细胞和真核细胞中DNADNA的存在形式不完的存在形式不完全相全相同。同。原核微生物：无细胞核，与少量蛋白质结合原核微生物：无细胞核，与少量蛋白质结合真核生物：有细胞核，与蛋白质结合形成结构复真核生物：有细胞核，与蛋

2、白质结合形成结构复杂的染杂的染色体色体3 3、基因和遗传信息的传递、基因和遗传信息的传递 (1)(1)基因基因基因是一个具有遗传因子效应的基因是一个具有遗传因子效应的DNADNA片段，它是遗传物质的片段，它是遗传物质的最小功能单位。它储存了遗传信息最小功能单位。它储存了遗传信息, ,又具有自我复制的能力又具有自我复制的能力基因具有特定的碱基顺序，即核苷酸顺序，它不仅可以决基因具有特定的碱基顺序，即核苷酸顺序，它不仅可以决定生物的某一个性状，而且还具有调控其他基因表达活性定生物的某一个性状，而且还具有调控其他基因表达活性蛋白的功能蛋白的功能基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。按功能可把基因既

3、是一个结构单位，也是一个功能单位。按功能可把基因分为三种：结构基因、操纵基因、调节基因。基因分为三种：结构基因、操纵基因、调节基因。(2) (2) 遗传信息的传递遗传信息的传递现代生物遗传学已经证明：亲代的性状是通过脱氧核糖现代生物遗传学已经证明：亲代的性状是通过脱氧核糖核酸核酸DNADNA将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的。子代根据。子代根据DNADNA所携带的遗传信息，产生一定形态结构的所携带的遗传信息，产生一定形态结构的蛋白质，由一定结构的蛋白质就可决定子代具有一定形蛋白质，由一定结构的蛋白质就可决定子代具有一定形态结构和生理生化特性。态结构和生

4、理生化特性。分子生物学中心法那么分子生物学中心法那么基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。任何一个遗传性基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。任何一个遗传性状的表达都是在基因控制下的个体发育的结果。状的表达都是在基因控制下的个体发育的结果。从基因型到表现型需要通过酶从基因型到表现型需要通过酶( (蛋白质催化的代谢活动蛋白质催化的代谢活动来实现。基因直接控制酶的合成，控制新陈代谢，从而决来实现。基因直接控制酶的合成，控制新陈代谢，从而决定遗传性状的表现。定遗传性状的表现。 3 3遗传信息的表现遗传信息的表现二、二、DNADNA的结构与复制的结构与复制1 1、DNADNA的结构的结构DNADNA由两条

5、多个核苷酸组成的链配对而成，由两条多个核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互两条链彼此互补，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互补，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕形成。相盘绕形成。四种碱基四种碱基A A腺嘌呤、腺嘌呤、T T胸腺嘧啶、胸腺嘧啶、G G鸟嘌呤、鸟嘌呤、C C胞嘧啶相互配对。胞嘧啶相互配对。A-T,G-CA-T,G-C互相间通互相间通过氢键连接。过氢键连接。19531953年的克里克年的克里克Francis Crick,1916-2004)Francis Crick,1916-2004)右和沃森右和沃森(James Watson,1928-)(James Watson,1928-

6、)在实验室里，他们两人因为发现了在实验室里，他们两人因为发现了DNADNA的分的分子结构，而在子结构，而在19621962年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。核苷酸的结构核苷酸的结构四种碱基的结构四种碱基的结构DNADNA分子结构分子结构DNA的电子显微镜照片的电子显微镜照片A与与T、G与与C的配对依靠氢键连接的配对依靠氢键连接2 2、DNADNA的复制的复制为确保微生物体内为确保微生物体内DNADNA碱基顺序精确不变，保证微碱基顺序精确不变，保证微生物的生物的所有属性都得到遗传，那么在细胞分裂之前，所有属性都得到遗传，那么在细胞分裂之前，DNA

7、 DNA 必须十分必须十分精确地进行复制。精确地进行复制。DNADNA具有独特的半保存式的自我具有独特的半保存式的自我复制能复制能力，确保了力，确保了DNADNA复制精确，并保证一切生物遗传性复制精确，并保证一切生物遗传性的相对的相对稳定。稳定。DNADNA是双链分子，但作为基因那么只有一条链为蛋是双链分子，但作为基因那么只有一条链为蛋白质编码白质编码意义链，另一条只是使意义链，另一条只是使DNADNA分子处于稳定状态分子处于稳定状态的互补的互补链，称为反义链。由链，称为反义链。由DNADNA分子上的碱基顺序通过转分子上的碱基顺序通过转录过程录过程决定决定RNARNA分子中核苷酸的排列顺序。分

8、子中核苷酸的排列顺序。 DNADNA的复制的复制DNADNA链的延伸链的延伸三、三、DNADNA的变性的变性( (解链和复性解链和复性 DNADNA的变性：的变性：DNADNA的双螺旋结构由碱基对中的双螺旋结构由碱基对中碱基之间的氢碱基之间的氢键维持。当天然双链键维持。当天然双链 DNA DNA受热或其他因素受热或其他因素的作用下，两的作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链条链之间的结合力被破坏而分开成单链DNADNA，即称为即称为DNADNA变性。变性。解链温度解链温度TmTm：解链和双链：解链和双链DNADNA在在A260A260处的吸处的吸收值不同，当收值不同，当A260A260上

9、升到最高值一半时的温度上升到最高值一半时的温度DNADNA的复性：变性的复性：变性DNADNA溶液经适当处理后重溶液经适当处理后重新形成天然新形成天然DNADNA的过程叫复性，或叫退火。用高温使的过程叫复性，或叫退火。用高温使DNADNA变变性后，再缓慢性后，再缓慢降低至自然温度，变性的降低至自然温度，变性的DNADNA会复性成天然会复性成天然双链双链DNADNA。DNADNA的变性的变性DNADNA复性复性四、四、RNARNA及其作用及其作用RNARNA核糖核酸和核糖核酸和DNADNA很相似，不同的是很相似，不同的是以核糖代替脱以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶氧核糖，以尿嘧啶(U)(U)代替胸腺

10、嘧啶代替胸腺嘧啶(T)(T)。RNARNA有四种有四种:tRNA:tRNA、rRNArRNA、mRNAmRNA和反义和反义RNARNA，它们均由它们均由DNADNA转录而成。分别在蛋白质合成过程中担任转录而成。分别在蛋白质合成过程中担任不同的角色。不同的角色。RNARNA来自来自DNADNA，通过转录过程生成以下相应的，通过转录过程生成以下相应的RNARNA，RNARNA上上的碱基序列是由的碱基序列是由DNADNA所决定的。所决定的。(RNA(RNA序列与序列与DNADNA的有义链的有义链还是互补链序列相似？还是互补链序列相似？DNADNA转录中的有义链和模板链？转录中的有义链和模板链？mRN

11、AmRNA叫信使叫信使 RNA RNA，作为多聚核苷酸的一级结构，其上带，作为多聚核苷酸的一级结构，其上带有指导氨基酸的信息密码有指导氨基酸的信息密码( (三联密码子三联密码子) )，它可翻译成氨，它可翻译成氨基酸，具转递遗传信息的功能。基酸，具转递遗传信息的功能。tRNAtRNA叫转移叫转移RNARNA，其上有和，其上有和mRNA mRNA 互补的反密码子，能识互补的反密码子，能识别氨基酸及识别别氨基酸及识别mRNAmRNA上的密码子，在上的密码子，在tRNA-tRNA-氨基酸合成氨基酸合成酶的作用下传递氨基酸。酶的作用下传递氨基酸。rRNArRNA核糖体核糖体RNARNA和蛋白质结合成的核

12、糖体为合成蛋白和蛋白质结合成的核糖体为合成蛋白质的场所。质的场所。反义反义RNARNA起调节作用，决定起调节作用，决定mRNAmRNA翻译合成速度。翻译合成速度。由由mRNAmRNA、tRNAtRNA、rRNArRNA和反义和反义RNARNA协作协作, ,合成蛋白质。合成蛋白质。 五、微生物生长与蛋白质合成五、微生物生长与蛋白质合成微生物生长的主要活动是蛋白质的合成，微生物生长的主要活动是蛋白质的合成，同化的碳和消同化的碳和消耗的能量有耗的能量有4/54/59/109/10直接或间接与蛋白质直接或间接与蛋白质合成有关。合成有关。蛋白质合成蛋白质合成( (翻译翻译) )在核糖体上进行，与在核糖体

13、上进行，与RNARNA的复制合的复制合成及成及DNADNA的复制合成有关。的复制合成有关。蛋白质合成过程：蛋白质合成过程：DNADNA复制：相应的复制：相应的DNADNA链进行自我复制链进行自我复制RNARNA转录：由转录：由DNADNA转录成转录成mRNAmRNA，同时也转录，同时也转录成其他几种成其他几种RNARNA翻译：由翻译：由tRNAtRNA完成完成蛋白质合成：由核糖体完成。合成多肽，蛋白质合成：由核糖体完成。合成多肽，最终生成具有最终生成具有特定功能的蛋白质特定功能的蛋白质核酸和蛋白质的合成核酸和蛋白质的合成六、微生物的细胞分裂六、微生物的细胞分裂DNADNA复制和蛋白质合成导致细

14、胞质量增加，最后导致微生复制和蛋白质合成导致细胞质量增加，最后导致微生物细胞的分裂。微生物将成倍增加的核物质和蛋白质均物细胞的分裂。微生物将成倍增加的核物质和蛋白质均等地分配给两个子细胞，在细胞中部形成横隔膜，最终等地分配给两个子细胞，在细胞中部形成横隔膜，最终分裂成两个细胞。分裂成两个细胞。第三节第三节 微生物的变异微生物的变异 一、变异的实质一、变异的实质在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，DNADNA上的碱上的碱基对发生过失，出现碱基的缺失、置换或插入，基对发生过失，出现碱基的缺失、置换或插入，导致后导致后代性状的改变。当这种改变可以遗传时，就

15、是发代性状的改变。当这种改变可以遗传时，就是发生了突生了突变。所以说基因突变是微生物发生变异的实质。变。所以说基因突变是微生物发生变异的实质。在真核微生物中，变异也会发生在染色体水平上，在真核微生物中，变异也会发生在染色体水平上，如染如染色体的缺失、重复、倒位和易位等，都会引起遗色体的缺失、重复、倒位和易位等，都会引起遗传信息传信息的改变，称为染色体畸变。的改变，称为染色体畸变。二、突变的类型二、突变的类型1.1.突变的特点突变的特点基因突变的特点概括起来有三点，即稀有性、随基因突变的特点概括起来有三点，即稀有性、随机性和机性和可逆性可逆性2.2.突变的类型突变的类型 自发突变：在自然条件下发

16、生的突变。自发突变自发突变：在自然条件下发生的突变。自发突变的概率的概率很低突变频率，如细菌约为很低突变频率，如细菌约为10-1010-10诱发突变：人为地用某种因素处理后造成的突变。诱发突变：人为地用某种因素处理后造成的突变。凡能凡能提高突变率的因素称为诱发因素或诱变剂。诱发提高突变率的因素称为诱发因素或诱变剂。诱发突变的突变的概率大大提高，可以到达约概率大大提高，可以到达约10-4-110-4-110-510-5物理诱变剂，如紫外线。物理诱变剂，如紫外线。化学诱变剂，某些有三致效应的化学物质。化学诱变剂，某些有三致效应的化学物质。 3.3.化学物致化学物致DNADNA突变机理突变机理 图图

17、5 ，6是碱基化学饰变或化学结合造成碱基置换的示意是碱基化学饰变或化学结合造成碱基置换的示意图 5图 6三、三、DNADNA损伤的修复损伤的修复 当当DNADNA分子被损伤后，细胞会利用某种方式进行分子被损伤后，细胞会利用某种方式进行修复，以修复，以保证遗传信息的正确传递。当然这种修复的程度保证遗传信息的正确传递。当然这种修复的程度是有限是有限的。的。DNADNA的损伤修复有的损伤修复有5 5种方式：种方式：(a)(a)光复活光复活 蓝光波长蓝光波长(b)(b)切除修复切除修复 Mg2+Mg2+(c)(c)重组修复重组修复 在复制过程中完成在复制过程中完成(d)SOS(d)SOS修复修复 严重

18、受损严重受损 (e)(e)适应性修复适应性修复( (产生突变耐受性产生突变耐受性紫外辐射对紫外辐射对DNA的损伤和的损伤和DNA的修复的修复 四、突变的应用四、突变的应用可进行定向培育和驯化。可进行定向培育和驯化。人为地用某种特定的环境条件长期处理某一微生人为地用某种特定的环境条件长期处理某一微生物群体物群体，并进行传种接代，积累和选择适宜的突变体。，并进行传种接代，积累和选择适宜的突变体。在环境工程中，常采用定向培育的方法来培育菌在环境工程中，常采用定向培育的方法来培育菌种驯种驯化。化。五、基因重组五、基因重组基因重组是改变微生物遗传性状的另一途径。把来基因重组是改变微生物遗传性状的另一途径

19、。把来自不同性自不同性状的个体细胞的遗传物质转移到一起，使基因重新状的个体细胞的遗传物质转移到一起，使基因重新组合，产组合，产生新品种，称为基因重组或遗传重组。现在人们不生新品种，称为基因重组或遗传重组。现在人们不仅能在同仅能在同种或相似物种间实现基因重组，而且已经能够在亲种或相似物种间实现基因重组，而且已经能够在亲源关系很源关系很远的生物间实现基因重组。远的生物间实现基因重组。重组是分子水平上的一个概念，可以理解为遗传物重组是分子水平上的一个概念，可以理解为遗传物质分子水质分子水平的杂交。真核微生物的有性杂交、准性杂交等和平的杂交。真核微生物的有性杂交、准性杂交等和原核微生原核微生物的转化、

20、转导和原生质体融合等都是基因重组在物的转化、转导和原生质体融合等都是基因重组在细胞水平细胞水平上的反响。上的反响。对于原核微生物，由于不存在或很少发生有性对于原核微生物，由于不存在或很少发生有性过程，基过程，基因重组的方式主要是转化、转导、接合和原生质体因重组的方式主要是转化、转导、接合和原生质体融合等。融合等。DNADNA重组技术示意图重组技术示意图重组重组DNADNA技术，是达成基因信息技术，是达成基因信息DNADNA在生物体之间转移的一在生物体之间转移的一系列实验流程的简称。有多种方系列实验流程的简称。有多种方法可以到达基因转移的目的。法可以到达基因转移的目的。重组重组DNADNA实验通

21、常遵循以下程序实验通常遵循以下程序: :1.1.供体的供体的DNADNA经抽提、酶切、连经抽提、酶切、连接到另一个接到另一个DNADNA载体上，形成一载体上，形成一种新的重组种新的重组DNADNA分子分子2.2.新的重组新的重组DNADNA转入宿主细胞，转入宿主细胞，这一过程称为转化这一过程称为转化3.3.经过鉴定选出含有重组经过鉴定选出含有重组DNADNA的的宿主细胞称为转化子宿主细胞称为转化子4.4.重组重组DNADNA在宿主细胞中表达所在宿主细胞中表达所需的蛋白质需的蛋白质 六六.PCR .PCR 技术技术PCRPCRpolymerase chain reaction)polymeras

22、e chain reaction)技术是一种利用技术是一种利用DNADNA变性与复性原理在体外进行特定序列变性与复性原理在体外进行特定序列DNADNA片段快速扩增片段快速扩增的有效方法。的有效方法。PCRPCR技术必需的条件是：两条合成的寡核苷酸引物技术必需的条件是：两条合成的寡核苷酸引物各约各约2020个核苷酸，它们与互补链上靶个核苷酸，它们与互补链上靶DNADNA两侧的区两侧的区域互补，并在与模板域互补，并在与模板DNADNA退火后，退火后，33末端羟基相对；末端羟基相对；DNADNA样品中位于两条引物中间的靶序列长度可在样品中位于两条引物中间的靶序列长度可在1001003535，000b

23、p000bp；热稳定性；热稳定性DNADNA聚合酶，能承受达聚合酶，能承受达9595或更或更高温度；四种脱氧核苷酸。高温度；四种脱氧核苷酸。 PCRPCR技术可广泛用于技术可广泛用于DNADNA的扩增和的扩增和DNADNA序列分析序列分析 典型的典型的PCRPCR方法需要许多循环来扩增特异性方法需要许多循环来扩增特异性DNADNA序列，每一序列，每一个循环含以下三个步骤。个循环含以下三个步骤。1.1.变性：变性：PCRPCR扩增系统第一步是将反响管中扩增系统第一步是将反响管中DNADNA样品的温度样品的温度升至升至9595进行热变性。除了模板进行热变性。除了模板DNADNA，反响管中还含有分，

24、反响管中还含有分子浓度大大过量的两条寡核苷酸引物，热稳定性子浓度大大过量的两条寡核苷酸引物，热稳定性DNADNA聚合聚合酶即酶即TaqTaqDNADNA聚合酶，由嗜热菌聚合酶，由嗜热菌Thermus aquaticusThermus aquaticus中中别离，和四种脱氧核苷酸，温度维持别离，和四种脱氧核苷酸，温度维持1 1分钟。分钟。2.2.复性：混合物的温度慢慢降至约复性：混合物的温度慢慢降至约5555。这期间，引物与。这期间，引物与模板模板DNADNA上的互补序列配对。上的互补序列配对。3.3.合成：温度升至约合成：温度升至约7575，这是，这是TaqTaqDNADNA聚合酶催化功能聚合酶催化功能的最适温度。的最适温度。DNADNA合成由每一条引物合成由每一条引物33端羟基开始端羟基开始 图图 18. 18. PCRPCR的第一次循环。目的的第一次循环。目的DNADNA是位于是位于一条链