水处理生物学第三细菌的生长和遗传变异

1、1第三章第三章 细菌的生长和遗细菌的生长和遗传变异传变异3.2 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异2主要内容n一、遗传与变异的基本概念n二、遗传的物质基础n三、遗传信息的表达基因表达n四、微生物的基因突变n五、基因重组n六、遗传工程（Genetic engineering）n七、基因工程（Genetic engineering）n八、微生物的驯化活性污泥驯化n九、核酸探针杂交和PCR技术在环境保护中的应用3自学作业n细菌遗传的物质基础是什么？n简述DNA的复制过程？n请说明什么是点突变和染色体畸变、自发突变和诱发突变？n请分别解释转化、接合、转导，三者的区别是什么？n请简要说明遗传工程在环境工程

2、中的应用？n废水处理中驯化的作用是什么？4n遗传性：遗传性：亲代性状在子代重现，使其子代的性状与亲代基本上一致的现象。遗传性遗传性一、遗传与变异的基本概念5n细菌同其他生物一样，有其固有的遗传性。n细菌的遗传是在系统发育过程中形成的，系统发育愈久的细菌，其遗传的保守程度愈大，越不易受外界环境条件的影响。n老龄菌遗传保守程度比幼龄菌大。遗传性遗传性一、遗传与变异的基本概念6变异：任何一种生物，亲代和子代之间在生理、形态方面都有一定的差异，这种现象叫变异（个体形态、菌落形态、生理生化特性、代谢产物）变异性变异性基因突变基因重组定义：细菌的遗传性状变化称变异7细菌易变异细菌易变异细菌的繁殖快，又与外

3、界环境接触面积大环境条件在短时期内对菌体产生多次影响，在受物理、化学因素影响后，易产生适应新环境的酶（诱导酶），从而改变原有的特性，即产生了变异。变异不一定都有遗传性变异不一定都有遗传性8细菌变异形式：细菌变异形式：个体形态的变化，菌落形态个体形态的变化，菌落形态(光滑型光滑型粗糙型粗糙型)的变异，营养要求的变异，对的变异，营养要求的变异，对温度、温度、pH要求的变异，毒性的变异，要求的变异，毒性的变异，抗毒能力的变异，生理生化特性的变抗毒能力的变异，生理生化特性的变异及代谢途径、产物的变异等。异及代谢途径、产物的变异等。9定向培育：有目的地控制微生物生长条件，使其向人类需要的方向变异。在污水

4、生物处理中称为驯化（acclimation、adaption）有毒有害废水、难降解废水处理，通过驯化，增强微生物的降解能力，提高处理效果。10二、遗传的物质基础1. 细菌的遗传物质： 一切生物遗传的物质基础是核酸（特别是核酸（特别是DNA） 111928年，年，Griffith进行了以下几组实验：进行了以下几组实验：（1）动物实验）动物实验对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌或死菌或死SIII菌菌 小鼠存活小鼠存活对小鼠注射活对小鼠注射活SIII菌菌小鼠死亡小鼠死亡对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌和热死菌和热死SIII菌菌 小鼠死亡小鼠死亡抽取心血抽取心血 分离分离活的活的SIII菌菌nF.Gri

5、ffith，n研究对象：研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌）（肺炎双球菌）nSIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性nRII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性证明核酸是遗传物质基础的经典转化实验证明核酸是遗传物质基础的经典转化实验（transformation）12Griffith转化试验示转化试验示意意混合培养混合培养RII型活菌型活菌SIII型活菌型活菌SIII型热死菌型热死菌RII型活菌型活菌SIII型活菌型活菌健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康

6、病死病死病死病死病死病死Griffith转化试验示意图转化试验示意图13（2）细菌培养实验）细菌培养实验（3）S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明：以上实验说明：加热杀死的加热杀死的SIII型细菌细胞内可型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型型细胞并使细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。型细胞。热死热死SIII菌菌不生长不生长活活 RII 菌菌长出长出RII菌菌热死热死SIII菌菌长出大量长出大量RII菌和菌和10-6SIII菌菌活活R菌菌+S菌无细胞

7、抽提液菌无细胞抽提液长出大量长出大量R菌菌和少量和少量S菌菌+活活RII菌菌平皿培养平皿培养14二、遗传的物质基础2. DNA的化学组成 DNA是一种高分子化合物，它由四种核苷酸组成，每一种 核苷酸均含环状碱基、脱氧核糖和磷酸根环状碱基、脱氧核糖和磷酸根三种组分。 四种碱基为：腺嘌呤腺嘌呤A、鸟嘌呤、鸟嘌呤G、胸腺嘧啶、胸腺嘧啶T、胞嘧啶、胞嘧啶C。核苷酸腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T戊糖碱基磷酸核苷153. DNA双螺旋结构 DNA是由两条多核苷酸分子的长链所组成两条多核苷酸分子的长链所组成。两条长链之间靠碱基上的氢键作用相联结氢键作用相联结，遵循配对原则：AT， GC 164. DNA

8、复制 DNA的复制过程首先是DNA的双链从一端打开双链从一端打开，分离成两条单链，然后以每条单链为模板单链为模板，通过碱基配对逐渐 建立起完全互补的一套核苷酸单位完全互补的一套核苷酸单位，新连接上的多核苷 酸与原有的多核苷酸链重新形成新的双螺旋DNA。174. DNA复制 在DNA聚合酶的催化下，一个个DNA分子最终复分子最终复制成两个结构完全相同的制成两个结构完全相同的DNA，从而将遗传信息，从而将遗传信息传递给子代传递给子代。复制后的DNA分子有一条新链和一条旧链一条新链和一条旧链组成，称为半保留复制。18遗传物质在细胞内存在部位和方式（七个水平）：（1）细胞水平：DNA集中在核质体中。（

9、真核微生物：细胞核）杆菌细胞内大多存在两个核质体，而球菌一般只有一个。（2）细胞核水平：原核微生物：无核膜包裹，呈松散无定型状态，核基团 不与蛋白质结合真核微生物：有核膜，DNA与蛋白质结合，形成染色 体（genome）核外染色体（能自主复制）：广义上讲称质粒（plasmid）19（3）染色体水平原核微生物：每一个核质体中只有一个裸露的、在光学 显微镜下无法看到的环状染色体。真核微生物：往往有不同数目的染色体。 酵母菌属（saccharomycs）17染色体的套数：只有一套相同功能的染色体时称之为 单倍体，有两套时称双倍体。（4）核酸水平绝大多数的微生物的遗传物质为DNA，只有部分病毒才是RN

10、A。20（5）基因水平（功能单位）基因：具有遗传功能的DNA分子的片段，平均含有1000bp（碱基对）。一个DNA分子中含有许多基因，不同基因分子含碱基对的数量和排列序列不同。基因的分类调节基因（regulator）：控制结构基因的活性结构基因（structure gene）操纵基因（operator）启动基因（promotor）操纵子（operon）21 遗传密码：DNA上各个核苷酸的特定排列顺序。 每个密码子由3个核苷酸顺序来决定。（7）核苷酸水平（最低交换单位、突变单位）核苷酸腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T戊糖碱基磷酸核苷（6）密码水平（信息单位）223. 质粒（plasmid）定义

11、：游离于染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状DNA分子，即cccDNA（circular covalently closed DNA）结构：具有超级螺旋结构，分子量106108Da（道尔顿） 10010000kbp可移动性：异种间转移Genther F. J.(1998): 69种环境中的细菌中，38能从实验室的细菌接受R因子。23几种典型的质粒50年代在日本发现的一种质粒（从患痢疾但被抗生素治疗后的病人中分离出的痢疾志贺式菌中），而且能把抗药性转移到E.coli。后来在沙门氏菌属（Salmonalla） 芽孢杆菌属（Bacillus） 假单胞菌属（Pseudomonas） 葡萄球菌属

12、（Staphulococcus）中找到。v R因子在细胞中的数目12几十个。v 对多种抗生素有抗性，也可作为基因载体。v 具有R因子的细菌在自然界中的存活率高。1）R因子R质粒242）F因子（Fertility factor）、致育因子、性因子是E.coli中决定性别的质粒。62106Da，94.5kbpF+F+F+F -接合（接合（conjugation）特点：能够插入染色体，使染色体的长度增长。有F因子的细菌：F+ 雄菌没有F因子的细菌： F - 雌菌253）降解性质粒二甲苯质粒：XYL（Xylene）辛烷质粒：OCT（Octane）甲苯质粒：TOL（Toluene）萘质粒：NAP（Nap

13、thalene）樟脑质粒：CAM（Camphor）水杨酸质粒：SAL（Salicylate）在环保中有重要的意义：超级工程菌的获得。含有能降解复杂物质的基因，从而使细菌能降解难降解有机物。大多在假单胞菌属中发现。 至今发现的主要降解质粒（以其所能分解的底物命名）26三、遗传信息的表达基因表达基因：具有遗传功能的DNA分子的片段，平均含有1000bp（碱基对）。一个DNA分子中含有许多基因，不同基因分子含碱基对的数量和排列序列不同。基因：能够表达和产生基因产物（蛋白质或基因：能够表达和产生基因产物（蛋白质或RNA）的）的DNA序列。序列。271. 核糖核酸RNA RNA核糖（DNA为脱氧核糖）

14、尿嘧啶U代替胸腺嘧啶T三、遗传信息的表达基因表达2. 三种RNA （1）信使核糖核酸信使核糖核酸mRNA：指导蛋白质的合成 （2）核蛋白体核糖核酸核蛋白体核糖核酸rRNA： rRNA与蛋白质组成核糖 体，是蛋白质（多肽）的合成场所； （3）转运核糖核酸转运核糖核酸tRNA：可识别mRNA上的信息，并将特定的氨基酸运送到rRNA上供蛋白质合成。3. 密码子 RNA上每三个碱基决定一个氨基酸细菌的繁殖体现为：DNA、RNA、蛋白质等的合成28三、遗传信息的表达基因表达4. 基因表达：基因表达：基因上贮存的遗传信息需要通过一系列的变化过 程才能够在生理上或形态上表达出相应的遗传性状。需要经过转录转录

15、翻译翻译表表达达三个过程。（1）转录：以DNA双链中的一条链为模板，按互补方式合成RNA，遗传信息由DNA到RNA的过程称为转录。基因基因DNA上遗传信息转上遗传信息转录下的录下的RNA即为即为mRNA。 29三、遗传信息的表达基因表达（2）翻译：转录后的mRNA作为合成蛋白质的模板，并且由mRNA的碱基排列顺序决定多肽链中氨基酸的排列顺序，即遗遗传信息到蛋白质的传递为翻译传信息到蛋白质的传递为翻译。 30三、遗传信息的表达基因表达（3）由基因DNA所决定的酶通过代谢作用建造出某种细胞结构（如荚膜、鞭毛、细胞成分等），从而使微生物表现出某种性状，称为性性状表达（发育）。状表达（发育）。31四、

16、微生物的基因突变四、微生物的基因突变微生物变异突变：由于生物体DNA改变而引起的遗传性状的改变基因重组： 突变染色体畸变染色体畸变细胞学上可以看到染色体的变化细胞学上可以看到染色体的变化基因突变基因突变细胞学上看不到遗传物质的变化细胞学上看不到遗传物质的变化 定义：DNA链上因碱基的缺失、置换、插入而发生缺失、置换、插入而发生的碱基排列顺序的变化的碱基排列顺序的变化，从而导致表现形状从而导致表现形状发生了可遗传的变化发生了可遗传的变化，这种现象叫基因突变（变异）。1. 基因突变322. 基因突变的原因v 自发突变：自发突变：由于自然界的某些物理化学因子的干扰（辐射、臭氧），也可由微生物体内代谢

17、产物（亚硝酸盐、过氧化氢）引起，自发突变频率低 10-510-9v 诱发突变：诱发突变：通过施加物理化学因素（紫外线硝酸）诱变剂可大大提高突变率）333.微生物基因突变的特点适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。稀有性：突变率低且稳定。稀有性：突变率低且稳定。独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。可诱发性：诱变

18、剂可提高突变率。可诱发性：诱变剂可提高突变率。稳定性：变异性状稳定可遗传。稳定性：变异性状稳定可遗传。可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变（变（forward mutation），从突变株回到野生型的），从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变（过程则称为回复突变或回变（back mutation或或reverse mutation）。）。34诱发突变点突变畸变缺失：添加易位：倒位：重复：插入：碱基置换移码突变转换： AG,GCTT,T颠换AACC, G缺失：添加：ABCABCAB ABCAA BCABabcabcabcab

19、cabcabcdefpqrdefpqrghighifdeghijkl*4.微生物基因突变机制n基因突变的原因基因突变的原因是多种多样的，是多种多样的，可以是自发的或可以是自发的或诱发的，诱变又诱发的，诱变又可分为点突变和可分为点突变和畸变。畸变。35点变异：一个或数个碱基发生变化点变异：一个或数个碱基发生变化点突变碱基置换移码突变转换： AG,GCTT,T颠换AACC, G缺失：添加：ABCABCAB ABCAA BCAB36碱基置换碱基置换（substitution）n定义：对定义：对DNADNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（microle

20、sionmicrolesion），一般也称点突变（），一般也称点突变（point mutationpoint mutation）。它只涉及一）。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。对碱基被另一对碱基所置换。n分类：转换（分类：转换（transitiontransition），即），即DNADNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；一个嘧啶被另一个嘧啶所置换； 颠换（颠换（transversiontransversion），即一个嘌呤被一个嘧啶），即一个嘌呤被一个嘧啶, ,或是一个嘧啶或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。被一个嘌呤所置换。对某一具体诱

21、变剂来对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转说，即可同时引起转换与颠换，也可只具换与颠换，也可只具其中的一种功能。根其中的一种功能。根据化学诱变剂是据化学诱变剂是直接直接还是还是间接间接地引起置换，地引起置换，可把置换的机制分成可把置换的机制分成以下两类来讨论。以下两类来讨论。37移码突变移码突变nframe-shift mutation frame-shift mutation 或或 phase-shift mutationphase-shift mutation，指指诱变剂使诱变剂使DNADNA分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，核苷酸，从而使

22、该部位后面的全部遗传密码发生转录和从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。转译错误的一类突变。n由移码突变所产生的突变株，称为由移码突变所产生的突变株，称为（frame-frame-shift mutantshift mutant）。与染色体畸变相比，移码突变也只能）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是算是DNADNA分子的微小损伤。分子的微小损伤。n丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和-氨基丫氨基丫啶等，以及一系列称为啶等，以及一系列称为ICRICR类的化合物，都是移码突变的类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。有效诱变剂。3

23、8染色体畸变染色体畸变（chromosomal aberration）n某些理化因子，如某些理化因子，如X X射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起除了能引起点突变外，还会引起DNADNA的大损伤的大损伤（macrolesionmacrolesion）染色体畸变染色体畸变，它包括：，它包括：n染色体结构上的变化：染色体结构上的变化：n缺失（缺失（deletiondeletion）n重复（重复（duplicationduplication）n易位（易位（translocationtranslocation）n倒位（倒位（inversionin

24、version）n染色体数目的变化染色体数目的变化39畸变缺失：添加易位：倒位：重复：插入：abcabcabcabcabcabcdefpqrdefpqrghighifdeghijkl*畸畸 变：碱基片断发生变化变：碱基片断发生变化40染色体结构上的变化染色体结构上的变化n分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。n染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化，染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化，n如发生染色体的部分缺失或重复时，其结果可造成基因的如发生染色体的部分缺失或重复时，其结果可造成基因的减少或增加；减少或增加；n如发生如发生倒位倒位或或易位易位时，则可造成基

25、因排列顺序的改变，但时，则可造成基因排列顺序的改变，但数目却不改变。数目却不改变。n倒位倒位-是指断裂下来的一段染色体旋转是指断裂下来的一段染色体旋转180180 后，重后，重新插入到原来染色体的原位置上，从而使其基因顺序与其新插入到原来染色体的原位置上，从而使其基因顺序与其它的基因顺序相反；它的基因顺序相反；n易位易位-是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入到同一条染色体的其它部位上。地插入到同一条染色体的其它部位上。n染色体间畸变：指非同源染色体间的染色体间畸变：指非同源染色体间的。41自发突变机制自发突变机制n自发突变是指在没有人工参与下生物体

26、自然发生自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。的突变。n几种自发突变的可能机制几种自发突变的可能机制n微生物自身有害代谢产物的诱变效应微生物自身有害代谢产物的诱变效应n互变异构效应互变异构效应n环出效应环出效应42作用：重组可使生物体在未发生突变的情况下，作用：重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新遗传型的个体。也能产生新遗传型的个体。五、基因重组定义：两个不同性状的个体细胞（细胞水平），其中一个细胞（供体）个细胞（供体）DNADNA与与另一个细胞的另一个细胞的DNADNA融合融合，使基因重新排列遗传给后代，产生新的遗传性状产生新的遗传性状，称基因重组。 43.转化转化Tr

27、ansformation （引进）（引进）n供体细菌研碎物中的供体细菌研碎物中的DNADNA片段片段直接直接吸收进入活的受体细菌吸收进入活的受体细菌并发生基因重新组合的方式并发生基因重新组合的方式。44老鼠体内老鼠体内提取物培提取物培养现象养现象活的活的S 肺炎双球菌肺炎双球菌活的活的R 肺炎双球菌肺炎双球菌 无毒无毒 杀死杀死 杀死杀死 加热杀死后加热杀死后的破碎细胞的破碎细胞混合注射混合注射加热杀死后加热杀死后的破碎细胞的破碎细胞无毒无毒注射注射注射注射45n1944年才通过试验找出了其中的原因。试验方法如下：年才通过试验找出了其中的原因。试验方法如下： S 型细菌型细菌 光滑有毒的细胞光

28、滑有毒的细胞 破裂细胞破裂细胞 DNA 抽提物抽提物混合混合粗糙无毒的粗糙无毒的 R 细菌细菌 S DNA 抽提物被抽提物被 有些有些 R 细菌细菌 混合混合 DNA 酶降解酶降解的的 DNA 残骸残骸 吸收吸收 S DNA +未变化未变化的的 R 细菌细菌 少数转化成少数转化成 S 细菌细菌 R 细菌细菌 （1/106）46定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌的游离菌的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的部分新的遗传性状的

29、基因转移过程，称为转化。转化后的的受体菌称为转化子（受体菌称为转化子（transformant）。）。特点：特点：无需细胞接触。细菌、放线菌、真菌中有转无需细胞接触。细菌、放线菌、真菌中有转化现象。化现象。有关名词：有关名词：受体菌：受体菌：recipient/receptor，转化基因的接受者，转化基因的接受者供体菌：供体菌：donor，转化基因的提供者，转化基因的提供者转化因子：来自供体菌的转化因子：来自供体菌的DNA片段片段转化子：转化子：transformant，将转化基因重组进入自身染色，将转化基因重组进入自身染色体组的重组子体组的重组子转化（转化（transformation）47

30、48人工转化人工转化人工转化人工转化是通过人为诱导的方法，使细胞具有是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取摄取DNA的能力，或人工地将的能力，或人工地将DNA导入细胞内。导入细胞内。方法：方法：CaCl2处理细胞，使其成为能摄取外源处理细胞，使其成为能摄取外源DNA的的感受态状态感受态状态.电穿孔法电穿孔法electroporation：用高压脉冲电流击：用高压脉冲电流击破细胞膜，或击成小孔，使各种大分子（包括破细胞膜，或击成小孔，使各种大分子（包括DNA ）能通过这些小孔进入细胞。）能通过这些小孔进入细胞。49n到目前为止，已发现能发生转化作用的菌属主要有：到目前为止，已发现能发生转化作用的菌

31、属主要有：nStreptococcus pneumoniae、Haemophilus（嗜血杆菌属）、（嗜血杆菌属）、Bacillus、Neisseria（奈瑟氏球菌属）、（奈瑟氏球菌属）、Rhizobium（根瘤菌属）、（根瘤菌属）、Staphylococcus、Pseudomonas和和Xanthomonas中多见。中多见。n在若干放线菌和蓝细菌以及在若干放线菌和蓝细菌以及Saccharomyces cerevisiae、Neurospora crassa（粗糙脉胞菌）和（粗糙脉胞菌）和Aspergillus niger中，也有转化现象。中，也有转化现象。n肠杆菌科的一些细菌很难进行转化，主

32、要原因一方面由于外来肠杆菌科的一些细菌很难进行转化，主要原因一方面由于外来DNA难以难以掺入到细胞中，另一方面在受体细胞内常存在可降解线形掺入到细胞中，另一方面在受体细胞内常存在可降解线形DNA的核酸酶。的核酸酶。如果用如果用CaCl2处理处理E. coli的球状体，就可以使之发生低频率的转化。另的球状体，就可以使之发生低频率的转化。另外，可利用霉菌的原生质体进行转化。外，可利用霉菌的原生质体进行转化。n两个菌种或菌株之间能否发生转化，与它们在进化过程中的亲缘关系有两个菌种或菌株之间能否发生转化，与它们在进化过程中的亲缘关系有着密切的关系。但即使在转化率极高的菌种中，其不同菌株间也不一定着密切

33、的关系。但即使在转化率极高的菌种中，其不同菌株间也不一定都能发生转化。都能发生转化。自然转化的普遍性：自然转化的普遍性：50n.接合接合 （合作）（合作） 细胞核质粒大肠杆菌的接合是通过性纤毛（中空）进行的。 F因子、降解性质粒可通过此形式传递。51接合（接合（conjugation）n定义：定义：供体菌（供体菌（“雄雄”）通过其通过其性菌毛性菌毛与与受体菌受体菌（“雌雌”）相接触，）相接触，前者前者传递不同长度的传递不同长度的DNADNA给后者，给后者，并在后者细胞中进行双链化或进一步与核染色体发并在后者细胞中进行双链化或进一步与核染色体发生交换、整合生交换、整合，从而使后者获得供体菌的遗传

34、性状，从而使后者获得供体菌的遗传性状的现象，称为接合。的现象，称为接合。n通过接合而获得新性状的受体细胞就是接合子通过接合而获得新性状的受体细胞就是接合子（conjugantconjugant）n特点：特点：细胞接触细胞接触52接合（接合（conjugation）n存在范围：存在范围：n细菌：细菌：G G 较为多见如较为多见如E. coliE. coli、SalmonellaSalmonella、ShigellaShigella、SerratiaSerratia、Vibrio Vibrio 、Azotobacter Azotobacter 、KlebsiellaKlebsiella和和Pseu

35、domonasPseudomonas等最为常见等最为常见n放线菌：放线菌：Streptomyces Streptomyces 、NocardiaNocardian接合还可发生在不同属的菌种之间，如接合还可发生在不同属的菌种之间，如E. coliE. coli与与Salmonella typhimuriumSalmonella typhimurium之间或之间或S. typhimuriumS. typhimurium与与Shigella dysenteriaeShigella dysenteriae之间之间nE. coliE. coli的的F F因子：决定性别的质粒，属于附加体因子：决定性别的质

36、粒，属于附加体（episomeepisome），可以通过接合作用获得，也可以通过），可以通过接合作用获得，也可以通过丫啶类化合物、溴化乙锭或丝裂霉素丫啶类化合物、溴化乙锭或丝裂霉素C C的处理而消除。的处理而消除。5354（三）转导（三）转导（transduction）通过噬菌体噬菌体的携带而转移的基因重组，无需细胞接细胞接触触。在自然界中比较普遍。噬菌体进入供体细胞宿主的核染色体被切断成熟与包装之际形成不带噬菌体自身DNA的噬菌体（假噬菌体）（完全缺陷噬体）与受体接触感染a. 完全转导(complete transduction)b. 局部转导(specialized transductio

37、n)由部分缺陷的噬菌体把少数特定的基因携带到受体菌中，并获得转导的现象。55LA-2A- B+LA-22A+ B-LA-2是是能能合合成色氨酸成色氨酸（B+）但）但 不不能能合成组氨合成组氨酸酸（A-）的）的沙门氏伤寒沙门氏伤寒杆菌杆菌 指导色氨指导色氨酸合成的基酸合成的基因因超微烧结玻璃板细菌不能通过，细菌不能通过，噬菌体可以通过LA-22 是是不能不能 合成合成色氨酸色氨酸 （B-）但）但能能合成组氨酸合成组氨酸 （A+）的的沙门氏伤寒杆菌沙门氏伤寒杆菌一些细胞中含有繁一些细胞中含有繁殖速度较慢的殖速度较慢的 温和温和噬菌体噬菌体P-22 56（四）原生质体融合（四）原生质体融合（prot

38、oplast fusion） 通过人为的方法使两个遗传性状不同的细胞的原生质体发生融合，得到同时具有双亲性状的、遗传稳定的融合子（fusion），该过程称原生质体融合。（20世纪70年代）原核、真核高等植物、人体细胞 能进行原生质体融合的细胞非常广泛步骤： 1) 用脱壁酶去除细胞壁2) 混合（加聚二醇PEG），或电脉冲促进融合3) 培养，使之称为完整细胞4) 鉴定特点：1）重组频率10-1.（远远大于诱变育种） 2）不同属、科间亦可融合。57六、人工基因重组六、人工基因重组遗传工程遗传工程n遗传工程遗传工程是是70年代初发展起来的生物技术。年代初发展起来的生物技术。n定义：定义：对遗传物质进行

39、改造（人工干预下的杂对遗传物质进行改造（人工干预下的杂交、转化、接合、转导）的技术交、转化、接合、转导）的技术。n工程：类似工程设计那样有很高的工程：类似工程设计那样有很高的预见性、精预见性、精确性与严密性确性与严密性。58 a.遗传工程的方法遗传工程的方法n遗传工程方法包括两个水平的研究：一种是遗传工程方法包括两个水平的研究：一种是细胞水平细胞水平；另一种是；另一种是基因水平基因水平。所以，又可把它。所以，又可把它分为分为细胞工程和基因工程细胞工程和基因工程。n细胞工程细胞工程两个细胞原生质体融合两个细胞原生质体融合 体体 外外 切切 割割 导导 入入遗遗 传传 物物 质质 基基 因因 片片

40、 段段 受受 体体 细细 胞胞59在特殊培养基上在特殊培养基上（如含有青霉素）（如含有青霉素）筛选目的细菌筛选目的细菌质粒载质粒载体（具体（具有有抗性抗性基因）基因）抵抗青霉素抵抗青霉素长出必然是长出必然是重组成功的重组成功的细菌细菌60 b.遗传工程在环境工程中的应用遗传工程在环境工程中的应用61n.耐汞工程菌耐汞工程菌 n日本水俣事件及瑞典鸟类汞中毒事件后，日本和瑞典对汞在自然界转化做了日本水俣事件及瑞典鸟类汞中毒事件后，日本和瑞典对汞在自然界转化做了大量研究工作，提出了汞化合物转化的途径，主要是某些微生物使水体汞元大量研究工作，提出了汞化合物转化的途径，主要是某些微生物使水体汞元素甲基化

41、形成甲基汞，使人及生物中毒。另一面自然界中存在一些耐汞的微素甲基化形成甲基汞，使人及生物中毒。另一面自然界中存在一些耐汞的微生物，它们的耐汞基因在质粒生物，它们的耐汞基因在质粒R因子上。因子上。n例如，例如，恶臭假单胞菌恶臭假单胞菌一般在超过一般在超过2ugml汞浓度中即将中毒死，查克拉巴蒂用汞浓度中即将中毒死，查克拉巴蒂用质粒转移技术，把嗜油假单胞菌的耐汞质粒质粒转移技术，把嗜油假单胞菌的耐汞质粒(MER质粒质粒)转移到恶臭假单胞菌转移到恶臭假单胞菌中去，后者获得中去，后者获得MER质粒，可在质粒，可在5070ugml氯化汞中生长。氯化汞中生长。n脱色工程菌的构建脱色工程菌的构建n 将分别含

42、有降解偶氮染料质粒的偏号将分别含有降解偶氮染料质粒的偏号Kx和和Kd两株两株假单胞菌假单胞菌通过质粒转移技通过质粒转移技术培育出兼有分解两种偶氮染料功能的脱色工程术培育出兼有分解两种偶氮染料功能的脱色工程 菌菌。62n基因工程方法看似基因工程方法看似简单简单，但在具体，但在具体实施实施上有较大的难度上有较大的难度。63n降解石油的工程细菌降解石油的工程细菌n 70年代美国生物学家年代美国生物学家查克捡巴蒂查克捡巴蒂(Chakrabarty)针针对海洋输油，造成对海洋输油，造成浮油污染浮油污染，影响海洋生态等问题，影响海洋生态等问题进行了研究。进行了研究。n石油成分复杂，是由石油成分复杂，是由饱

43、和、不饱和、直链、支链、饱和、不饱和、直链、支链、芳香芳香烃类组成，不溶于水。而烃类组成，不溶于水。而海水含盐量高海水含盐量高，虽虽发现发现90多种微生物有不同程度降解烃类的能力，多种微生物有不同程度降解烃类的能力，但不一定能在海水中大量繁殖生存但不一定能在海水中大量繁殖生存，而且降解速率而且降解速率也较慢也较慢。n查氏将能查氏将能降解脂降解脂(含质粒含质粒A)的一种假单胞菌作受体细的一种假单胞菌作受体细菌，菌，分别将能分别将能降解芳烃降解芳烃(质粒质粒B)、芳烃、芳烃(质粒质粒C)和多和多环芳烃环芳烃(质粒质粒D)的质粒的质粒，用遗传工程方法人工转入受，用遗传工程方法人工转入受体细菌，获得多

44、质粒体细菌，获得多质粒“超级细菌超级细菌”，可除去原油中可除去原油中23的烃的烃。64n降解石油的工程细菌降解石油的工程细菌n浮油在一般条件下降解需一年以上时间，用浮油在一般条件下降解需一年以上时间，用“超级超级细菌细菌”只需几小时即可把浮油去除，速度快效率高。只需几小时即可把浮油去除，速度快效率高。见下图。见下图。接接合合接接合合接接合合65注意：注意：基因工程菌存在的问题：基因工程菌存在的问题： 安全性安全性 混合培养系中的生存性混合培养系中的生存性 降解能力的安定性降解能力的安定性 大规模培养技术大规模培养技术66六、遗传工程（Genetic engineering）50年代遗传物质的研

45、究70年代基因工程诞生遗传工程包括根据微生物在遗传过程中发生的生物变异现象，获得有利于人类的某些遗传性状。包括诱变育种（基因突变）、质粒育种、DNA重组。1. 诱变育种： 就是利用物理化学等因素，诱发基因突变，并从中筛选出具有某一优良性状的突变体。l出发菌株的选择l诱变剂的选择：紫外线、X射线、亚硝酸盐等l诱变剂量的选择：杀菌率为7075%的紫外线l突变体的筛选2. 诱变育种的主要步骤67六、遗传工程（Genetic engineering）3. 诱变育种应用l微生物驯化l获得某些难降解物质的优良降解菌5. 质粒育种应用l石油降解功能菌的构建l烃类和抗汞质粒菌的构建4. 质粒育种质粒是原核微生

46、物中除染色体外一类携带遗传物质的环状DNA片断，它能够决定微生物的某些性状。可以将两种或多种微生物通过细胞结合或细胞融合技术，使供体菌的质粒转移到受体均体内，使受体菌同时具有多种功能。68诱变育种：诱变育种：是用物理或化学的诱变剂使是用物理或化学的诱变剂使诱变对象内的遗传物质（诱变对象内的遗传物质（DNA）的分子结）的分子结构发生改变，引起性状变异并通过筛选获构发生改变，引起性状变异并通过筛选获得符合要求的变异菌株的一种育种方法。得符合要求的变异菌株的一种育种方法。 l诱变育种具有极其重要的实践意义。当前发酵工诱变育种具有极其重要的实践意义。当前发酵工业和其他微生物生产部门所使用的高产菌株，几业和其他微生物生产部门所使用的高产菌株，几乎毫无例外地都是通过诱变育种而明显提高其生乎毫无例外地都是通过诱变育种而明显提高其生产性能的。产性能的。诱变育种诱变育种69 诱变诱变育种的步骤育种的步骤：原始菌种原始菌种纯化纯化斜面斜面/肉汤培养肉汤培养单孢子单孢子/单细胞悬液单细胞悬液诱变剂处理诱变剂处理平板分离平板分离移至斜面移至斜面小试小试中试中试初筛初筛复筛复筛计算存活率计算存活率观察形