第七章微生物遗传和变异1

1、 第六章第六章 微生物的遗传和变异微生物的遗传和变异 遗传和变异是一切生物最本质的属性。遗传和变异是一切生物最本质的属性。 微生物的遗传：微生物的遗传：微生物将其生长发育所需要的微生物将其生长发育所需要的营养类型和环境条件，以及对这些营养和外界营养类型和环境条件，以及对这些营养和外界环境条件产生一定反应，或出现的一定性状传环境条件产生一定反应，或出现的一定性状传给后代，并相对稳定地一代一代传下去。给后代，并相对稳定地一代一代传下去。 遗传（保守性）遗传（保守性） 微生物的变异：微生物的变异：当微生物从它适应的环境迁移当微生物从它适应的环境迁移到不适应的环境后，微生物改变自己对营养和到不适应的环

2、境后，微生物改变自己对营养和环境条件的要求，在新的生活条件下产生适应环境条件的要求，在新的生活条件下产生适应新环境的酶，从而适应新环境并生长良好。新环境的酶，从而适应新环境并生长良好。 基因型：基因型：生物体所含有的全部遗传因子所生物体所含有的全部遗传因子所携带的遗传信息。携带的遗传信息。 表型：表型：某一生物体所具有的一切外表特征某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体体境条件下通过代谢和发育而得到的具体体现。现。 饰变：饰变：指外表的修饰性改变，它不涉及遗指外表的修饰性改变，它不涉及遗传物质结构

3、改变而只发生在转录、转译水传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。平上的表型变化。遗传和变异是一切生物存在和进化的基遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素。本要素。遗传是相对的，变异是绝对的；遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变异，变异中有遗传。遗传中有变异，变异中有遗传。 对于育种的意义对于育种的意义 在污水和有机固体废物生物处理过程中，可利用在污水和有机固体废物生物处理过程中，可利用自然条件或物理、化学因素来促进微生物变异，自然条件或物理、化学因素来促进微生物变异，使它符合生产实战的需要。使它符合生产实战的需要。 在工业废水生物处理过程中，用含有某些污染物在工业废水生物处理

4、过程中，用含有某些污染物的工业废水筛选、培养来自处理其他废水的菌种，的工业废水筛选、培养来自处理其他废水的菌种，使它们适应该种工业废水并有效降解其中污染物使它们适应该种工业废水并有效降解其中污染物能力的方法叫能力的方法叫驯化。驯化。 第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传 一、遗传和变异的物质基础一、遗传和变异的物质基础 1、三个经典试验、三个经典试验 （1）转化实验转化实验CAI Griffith(1928) 用肺炎链球菌用肺炎链球菌 S型和型和R型菌型菌株进行实验株进行实验 Avery等人的实验（等人的实验（1944） （2） 噬菌体感染实验噬菌体感染实验 Hershey 和和Chase

5、(1952) （3）植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验CAI Fraenkel-Conrat (1956) 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 除部分病毒的遗传物质是除部分病毒的遗传物质是RNARNA外，其余生外，其余生物均为物均为DNADNA。 按其在细胞中的存在形式可分为染色体按其在细胞中的存在形式可分为染色体 DNADNA和染色体外和染色体外DNADNA。 原核微生物的原核微生物的DNADNA不与蛋白质结合，也没不与蛋白质结合，也没有核膜，而是由一条有核膜，而是由一条DNADNA细丝构成的环状细丝构成的环状染色体，拉直时比细胞长许多倍，它在细染色体，拉直时比

6、细胞长许多倍，它在细胞的中央，高度折叠形成具有空间结构的胞的中央，高度折叠形成具有空间结构的核区。原核微生物核区。原核微生物DNADNA的负电荷被的负电荷被MgMg2+2+和有和有机碱中和。机碱中和。 真核生物的真核生物的DNADNA与组蛋白结合在一起形成核与组蛋白结合在一起形成核染色体，染色体呈丝状结构，细胞内所有染色体，染色体呈丝状结构，细胞内所有染色体由核膜包裹构成真正的细胞核。染色体由核膜包裹构成真正的细胞核。 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 基因基因是生物体内一切具有自主复制能力是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位，为一条有特定核的

7、最小遗传功能单位，为一条有特定核苷酸排列序列的核酸片段。苷酸排列序列的核酸片段。原核生物基因包括：原核生物基因包括： 操纵子与其调节基因操纵子与其调节基因 操纵子包括：操纵子包括： 结构基因结构基因 操纵基因操纵基因 启动基因启动基因 结构基因：决定蛋白质合成中氨基酸的排列顺序结构基因：决定蛋白质合成中氨基酸的排列顺序操纵基因：控制结构基因的转录（执行操纵基因：控制结构基因的转录（执行offoff功能）功能）启动基因：是启动基因：是DNADNA聚合酶的结合部位和转录的启聚合酶的结合部位和转录的启动部位（执行动部位（执行onon功能）功能）调节基因：转录阻遏蛋白的调节基因：转录阻遏蛋白的mRNA

8、mRNA，转译阻遏蛋白，转译阻遏蛋白，后者与操纵基因结合控制结构基因是否转录蛋后者与操纵基因结合控制结构基因是否转录蛋白质。白质。 每个基因约每个基因约100010001500bp1500bp，分子量约，分子量约6 610105 5，每个细菌约具有，每个细菌约具有5000 5000 1000010000个基因。基因控制遗传性状，任何一个个基因。基因控制遗传性状，任何一个遗传性状的表现都是在基因控制下的个遗传性状的表现都是在基因控制下的个体发育的结果。体发育的结果。 （2 2）遗传信息的传递）遗传信息的传递 遗传信息的传递可概括为遗传信息的传递可概括为3 3个步骤：个步骤： 将携带遗传信息的将携

9、带遗传信息的DNADNA复制；复制； 将将DNADNA携带的遗传信息转录到携带的遗传信息转录到RNARNA上；上； 将将RNARNA获得的信息翻译成蛋白质。获得的信息翻译成蛋白质。 某些某些RNARNA病毒，侵入宿主后，通过反转录酶的作病毒，侵入宿主后，通过反转录酶的作用，由用，由RNA RNA 反转录为反转录为DNADNA。这种。这种DNADNA的复制和遗的复制和遗传信息传递的基本规则，称为分子遗传学中的传信息传递的基本规则，称为分子遗传学中的中心法则。中心法则。中心法则中心法则 二、二、DNADNA的结构与复制的结构与复制 1 1、 DNA DNA 的结构的结构 DNADNA由两条多核苷酸

10、组成的链配对而成，两条由两条多核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互补，排列方向相反，以右手螺旋的方链彼此互补，排列方向相反，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕，形成具有一定空式围绕一根主轴而互相盘绕，形成具有一定空间距离的双螺旋结构间距离的双螺旋结构 。 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-TA-T，G-CG-C互相间通过氢键连接。互相间通过氢键连接。 1953年的克里克（年的克里克（Francis Crick,1916-2004)（右）和沃森（右）和沃森(Jame

11、s Watson，1928-)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DNA的分子结的分子结构，而在构，而在1962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。 核苷酸核苷酸 的结构的结构 四种碱基的结构四种碱基的结构 DNA分子结构分子结构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CAICAI 半保留复制：半保留复制：首先首先DNADNA双螺旋分子在解旋酶双螺旋分子在解旋酶的作用下，两条多核苷酸链之间的氢键断裂，的作用下，两条多核苷酸链之间的氢键断裂，分离成两条单链，然后各自以原

12、有的多核苷分离成两条单链，然后各自以原有的多核苷酸链为模板，根据碱基配对原则合成新的互酸链为模板，根据碱基配对原则合成新的互补链，这样形成的两个子代补链，这样形成的两个子代DNADNA分子与原来分子与原来的的DNADNA分子完全相同，故称之为复制。又因分子完全相同，故称之为复制。又因子代子代DNADNA分子的双链一条来自亲代，另一条分子的双链一条来自亲代，另一条是新合成的，故称为半保留复制。是新合成的，故称为半保留复制。 DNA的复制的复制 DNADNA是双链分子，但作为基因则只有一是双链分子，但作为基因则只有一条链为蛋白质编码（意义链），另一条链为蛋白质编码（意义链），另一条只是使条只是使D

13、NADNA分子处于稳定状态的互补分子处于稳定状态的互补链，称为反义链。链，称为反义链。 原核微生物原核微生物DNADNA的复制从一个位点开始，的复制从一个位点开始，快速生长的微生物在同一时间里有多个快速生长的微生物在同一时间里有多个复制点。复制点。 真核微生物真核微生物DNADNA的复制同时在各染色体的复制同时在各染色体中进行，在每个染色体中多位点上的中进行，在每个染色体中多位点上的DNADNA复制同时进行。复制同时进行。 三、三、DNA的复性与变性的复性与变性 1、DNA变性变性 当天然双链当天然双链DNA分子在热、酸或碱等因素作分子在热、酸或碱等因素作用下，氢键被破坏，成为不规则的卷曲单链

14、，用下，氢键被破坏，成为不规则的卷曲单链，称为称为DNA变性。变性。 DNA变性时，双螺旋松解，碱基暴露，变性时，双螺旋松解，碱基暴露，OD260值增加（增色效应）。值增加（增色效应）。 DNA的变性作用发生在一个很窄的温度范围的变性作用发生在一个很窄的温度范围内，通常把光吸收增值一半时的温度称为该内，通常把光吸收增值一半时的温度称为该DNA的熔点或熔解温度，用的熔点或熔解温度，用Tm表示。表示。 2、DNA的复性的复性 变性变性DNA溶液经适当处理后重新形成天然溶液经适当处理后重新形成天然DNA的过程叫的过程叫复性。复性。 DNADNA复性时，单链复性时，单链DNADNA重新恢复双螺旋结构，

15、重新恢复双螺旋结构， ODOD260260值减小（减色效应）。值减小（减色效应）。 杂交：杂交：在在DNADNA复性过程中，将不同的复性过程中，将不同的DNADNA单链单链分子放在同一溶液中，或将分子放在同一溶液中，或将DNADNA和和RNARNA分子放分子放在一起，双链分子的再形成既可以发生在序在一起，双链分子的再形成既可以发生在序列完全互补的核酸分子间，也可发生在碱基列完全互补的核酸分子间，也可发生在碱基序列部分互补的不同的序列部分互补的不同的DNADNA之间或之间或DNADNA与与RNARNA之间。之间。 固相杂交：用硝酸纤维素滤膜固相杂交：用硝酸纤维素滤膜 四、四、RNARNA及其作用

16、及其作用 RNARNA（核糖核酸）和（核糖核酸）和DNADNA很相似，不同的很相似，不同的是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶(U)(U)代代替胸腺嘧啶替胸腺嘧啶(T)(T)。因此因此RNA链中的碱基配链中的碱基配对为对为A-U、U-A、G-C、C-G。 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。分别在蛋白质合转录而成。分别在蛋白质合成过程中担任不同的角色。成过程中担任不同的角色。RNARNA来自来自DNADNA，通过转录过程生成，通过转录过程生成，RNARNA上的上的

17、碱基序列是由碱基序列是由DNADNA所决定的。所决定的。mRNA叫信使叫信使 RNA，作为多聚核苷酸的，作为多聚核苷酸的一级结构，其上带有指导氨基酸的信息一级结构，其上带有指导氨基酸的信息密码密码（三联密码子三联密码子），它翻译氨基酸，它翻译氨基酸，具转递遗传信息的功能。具转递遗传信息的功能。tRNA叫转移叫转移RNA，其上有和，其上有和mRNA 互补互补的反密码子，能识别氨基酸及识别的反密码子，能识别氨基酸及识别mRNA上的密码子，在上的密码子，在tRNA-氨基酸合氨基酸合成酶的作用下传递氨基酸。成酶的作用下传递氨基酸。反义反义RNA起调节作用，决定起调节作用，决定mRNA翻译合翻译合成速度

18、。成速度。rRNA（核糖体（核糖体RNA），和蛋白质结合成），和蛋白质结合成的核糖体，为合成蛋白质的场所。的核糖体，为合成蛋白质的场所。由由mRNA、tRNA、反义、反义 RNA和和rRNA协协作作, ,合成蛋白质。合成蛋白质。 遗传密码遗传密码 遗传密码是遗传密码是 存在于存在于mRNA链上由链上由3个核苷酸组个核苷酸组成，代表一个氨基酸的核苷酸序列，即三联密成，代表一个氨基酸的核苷酸序列，即三联密码子。码子。 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，同化的碳和消耗的能量有同化的碳和消耗的能量有4/54/5

19、9/109/10直接直接或间接与蛋白质合成有关。或间接与蛋白质合成有关。 蛋白质合成（翻译）在核糖体上进行，蛋白质合成（翻译）在核糖体上进行，与与RNARNA的复制（合成）及的复制（合成）及DNADNA的复制（合的复制（合成）有关。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； 转录转录mRNAmRNA：由：由DNADNA转录成转录成mRNAmRNA，同时，同时 也转也转录成其他几种录成其他几种RNARNA； 翻译：由翻译：由tRNAtRNA完成；完成； 蛋白质合成：合成多肽，最终生成具有特蛋白质合成：合成多肽，最

20、终生成具有特定功能的蛋白质。定功能的蛋白质。n储存于DNA的遗传信息通过转录传递到mRNA上，后者结构基因区每三联碱基（密码）代表一种氨基酸，因此密码的排列顺序决定了蛋白质的一级结构乃至高级结构。蛋白质的生物合成即翻译。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 由于由于DNA复制和蛋白质合成，两者增加，复制和蛋白质合成，两者增加，最后导致微生物细胞的分裂。微生物将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等地分配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，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。最

21、终分裂成两个细胞。 第二节第二节 微生物的变异微生物的变异 微生物子代的表型特征与其亲代的表微生物子代的表型特征与其亲代的表型特征发生较大差异，这种差异是由型特征发生较大差异，这种差异是由于子代的基因发生了突变所引起的，于子代的基因发生了突变所引起的，即即遗传物质遗传物质DNA（RNA病毒和噬菌体病毒和噬菌体的的RNA）中的核苷酸序列发生了一种）中的核苷酸序列发生了一种稳定的和可遗传的变化。稳定的和可遗传的变化。 一、基因突变、基因突变 基因突变：基因突变：点突变，点突变，由于由于DNA（RNA病毒病毒和噬菌体的和噬菌体的RNA）链上的一对或少数几对）链上的一对或少数几对碱基被另一个或少数几个

22、碱基对取代发生碱基被另一个或少数几个碱基对取代发生改变的突变类型。改变的突变类型。如有荚膜、菌落光滑型如有荚膜、菌落光滑型的细菌变为无荚菌落粗糙型的细菌。的细菌变为无荚菌落粗糙型的细菌。基因突变的特点：基因突变的特点：1 1、自发性，自发性，基因突变可自发产生；基因突变可自发产生；2 2、不对应性，不对应性，指突变性状（如抗青霉素）与指突变性状（如抗青霉素）与 引起突变的原因无直接对应关系；引起突变的原因无直接对应关系；3 3、稀有性，稀有性，通常自发突变的几率在通常自发突变的几率在1010-6-61010-9-9间；间；4 4、独立性，独立性，某基因的突变率不受它种基因突变某基因的突变率不受

23、它种基因突变率的影响；率的影响；5 5、可诱变性，可诱变性，自发突变的频率可因诱变剂自发突变的频率可因诱变剂的影响而大为提高（提高的影响而大为提高（提高101010105 5倍）；倍）；6 6、稳定性，稳定性，基因突变后的新遗传性状是稳基因突变后的新遗传性状是稳定的；定的；7 7、可逆性，可逆性，野生型菌株某一性状可发生正野生型菌株某一性状可发生正向突变，也可发生相反的回复突变。向突变，也可发生相反的回复突变。二、突变的类型二、突变的类型CAICAI1 1、自发突变、自发突变 自发突变：指生物体在无人工干预下自然自发突变：指生物体在无人工干预下自然发生的低频率的突变。发生的低频率的突变。 自发

24、突变的原因：自发突变的原因：（1 1）多因素低剂量的诱变效应）多因素低剂量的诱变效应（2 2）互变异构效应和环出效应）互变异构效应和环出效应 2、诱发突变、诱发突变 诱变：诱变：指通过认为的方法，利用物理、化指通过认为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。的手段。 诱变剂：诱变剂：具有诱变效应的任何因素，都称具有诱变效应的任何因素，都称诱变剂。诱变剂。 （1）物理诱变）物理诱变 利用物理因素引起基因突变称利用物理因素引起基因突变称物理诱变。物理诱变。 物理诱变因素有紫外辐射、物理诱变因素有紫外辐射、X-射线、射线、-射线、射线、快中

25、子、快中子、-射线和激光等。射线和激光等。 紫外辐射紫外辐射 紫外辐射的生物学效应主要是引起紫外辐射的生物学效应主要是引起DNA的的变化。变化。 DNA链上的碱基链上的碱基对紫外辐射很敏感，对紫外辐射很敏感，因为碱基吸收的光波波长和紫外辐射发射波因为碱基吸收的光波波长和紫外辐射发射波波长非常接近。波长非常接近。DNA强烈吸收紫辐射引起强烈吸收紫辐射引起DNA结构变化。其变化形式是多方面的，结构变化。其变化形式是多方面的，如如DNA链的断裂，链的断裂，DNA分子内和分子间的分子内和分子间的交联，胞嘧啶和鸟嘌呤的水合作用交联，胞嘧啶和鸟嘌呤的水合作用胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚体的形成二聚体的形成等。等。

26、 紫外辐射的诱变剂量和照射方法：紫外辐射的诱变剂量和照射方法： 一般在暗室用一般在暗室用15W的的UV灯，将灯，将5mL菌悬液菌悬液放在直径放在直径6cm的培养皿底中，置于距灯管的培养皿底中，置于距灯管30cm处直接照射，同时用电磁搅拌棒或其处直接照射，同时用电磁搅拌棒或其他方法均匀旋转并搅动悬液。选用照射时他方法均匀旋转并搅动悬液。选用照射时间或杀菌率作为相对剂量，照射时间间或杀菌率作为相对剂量，照射时间30s3min之间，杀菌率为之间，杀菌率为70%80%，甚至是甚至是30%70%的剂量。的剂量。 电离辐射电离辐射 X-射线、射线、-射线、射线、-射线等射线等 与与DNA分子分子碰撞时，会

27、将其全部或部分能量传递给原碰撞时，会将其全部或部分能量传递给原子而产生高能量的次级电子，通过电离作子而产生高能量的次级电子，通过电离作用，直接或间接改变用，直接或间接改变DNA的化学结构。直的化学结构。直接作用是使接作用是使DNA分子中的化学键断裂；而分子中的化学键断裂；而间接作用是从水或有机物中产生自由基，间接作用是从水或有机物中产生自由基，导致导致DNA分子的损伤或缺失。分子的损伤或缺失。（2 2）化学诱变）化学诱变 利用化学物质对微生物进行诱变，引起基因利用化学物质对微生物进行诱变，引起基因突变或染色体畸变，称为突变或染色体畸变，称为化学诱变。化学诱变。 亚硝酸、硫酸二乙酯等可直接与核酸

28、的碱基亚硝酸、硫酸二乙酯等可直接与核酸的碱基发生化学反应，引起发生化学反应，引起DNADNA复制时碱基配对的转复制时碱基配对的转换而引起变异。换而引起变异。以亚硝酸为例以亚硝酸为例CAICAI图图7.5-77.5-7、3 3、4 4、5 5 5-5-溴尿嘧啶、溴尿嘧啶、2-2-氨基嘌呤等碱基类似物，通氨基嘌呤等碱基类似物，通过活细胞的代谢活动掺与到过活细胞的代谢活动掺与到DNA DNA 分子中引起变分子中引起变异。异。以以5-5-溴尿嘧啶为例溴尿嘧啶为例CAICAI图图7.5-67.5-6 移码突变移码突变 移码突变：移码突变：由于由于DNA序列中一个或少数几个核序列中一个或少数几个核苷酸发生

29、增添或缺失，从而使该处后面的全部遗苷酸发生增添或缺失，从而使该处后面的全部遗传密码的阅读框架发生改变，并进一步引起转录传密码的阅读框架发生改变，并进一步引起转录和转译错误的一类突变。和转译错误的一类突变。 能引起移码突变的因素是一些吖啶类染料。能引起移码突变的因素是一些吖啶类染料。 图图7-11 CAI 诱变剂的复合处理常有一定的协同效诱变剂的复合处理常有一定的协同效应，增强诱变效果。复合处理有两应，增强诱变效果。复合处理有两种或多种诱变剂先后使用；同一诱种或多种诱变剂先后使用；同一诱变剂的重复使用；两种或多种诱变变剂的重复使用；两种或多种诱变剂同时使用。剂同时使用。 （3 3）DNADNA损

30、伤的修复损伤的修复 光复活作用光复活作用 胸腺嘧啶二聚体与光解酶结合（在黑暗胸腺嘧啶二聚体与光解酶结合（在黑暗下），可见光下光解酶激活，分解二聚体下），可见光下光解酶激活，分解二聚体成为单体。光解酶释放，成为单体。光解酶释放，DNADNA链修复。链修复。切除修复切除修复由四种酶参与的修复，不需可见光存在。由四种酶参与的修复，不需可见光存在。 重组修复重组修复 受损伤的受损伤的DNA复制后，经染色体交换，使复制后，经染色体交换，使子链上的空隙部分面对正常的单链，子链上的空隙部分面对正常的单链，DNA多聚酶和连接酶修复空隙部分成正常链。多聚酶和连接酶修复空隙部分成正常链。 SOSSOS修复修复 在

31、在DNADNA受到较大范围的重大损伤时诱导产生受到较大范围的重大损伤时诱导产生的一种应急反应，使细胞内所有的修复酶增的一种应急反应，使细胞内所有的修复酶增加合成量，提高酶活性。或诱导产生新的修加合成量，提高酶活性。或诱导产生新的修复酶修复损伤的复酶修复损伤的DNADNA。 适应性修复适应性修复 细菌由于长期接触低剂量的诱变剂会产生修细菌由于长期接触低剂量的诱变剂会产生修复蛋白（酶），修复复蛋白（酶），修复DNA上因甲基化而遭受上因甲基化而遭受的损伤。将这种在适应期间产生的修复蛋白的损伤。将这种在适应期间产生的修复蛋白的修复作用称为适应性修复。的修复作用称为适应性修复。（4）定向培育和驯化）定向

32、培育和驯化 定向培育定向培育是一种利用微生物的自发突变，并是一种利用微生物的自发突变，并采用特定的选择条件，通过对微生物群体不采用特定的选择条件，通过对微生物群体不断移植以选育出优良菌株的古老方法。断移植以选育出优良菌株的古老方法。 环境工程中仍采用定向培育的方法培育菌种。环境工程中仍采用定向培育的方法培育菌种。 在废水生物处理过程中，微生物的变异现象在废水生物处理过程中，微生物的变异现象很多，有营养要求的变异，对温度、很多，有营养要求的变异，对温度、pH要求要求的变异，对毒物耐毒能力的变异，个体形态的变异，对毒物耐毒能力的变异，个体形态和菌落形态的变异及代谢途径的变异。和菌落形态的变异及代谢

33、途径的变异。 第三节第三节 基因重组基因重组 基因重组：基因重组：两个不同性状的个体细胞的两个不同性状的个体细胞的DNA融合，使基因重新组合，从而发生融合，使基因重新组合，从而发生遗传变异，产生新品种的过程。遗传变异，产生新品种的过程。 原核微生物基因重组的方式主要是转化、转原核微生物基因重组的方式主要是转化、转导、接合和原生质体融合等。导、接合和原生质体融合等。 一、转化一、转化 转化：转化：受体菌直接吸收供体菌的受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得片段而获得后者部分遗传性状的现象，称为转化。后者部分遗传性状的现象，称为转化。 感受态：感受态：受体细胞最易接受外源受体细胞最易接受外源DNA

34、DNA片段，并片段，并实现转化的生理状态。实现转化的生理状态。 感受态因子：感受态因子：调节感受态的特异蛋白，包括：调节感受态的特异蛋白，包括：膜相关膜相关DNADNA结合蛋白、细胞壁自溶素、核酸酶结合蛋白、细胞壁自溶素、核酸酶。转化因子：离体转化因子：离体DNADNA片段片段转化过程：转化过程： 二二 、转导、转导 转导转导：通过缺陷噬菌体的媒介，把供通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的体细胞的DNADNA片段携带到受体细胞中，片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，后者获得前者部分通过交换与整合，后者获得前者部分遗传性状的现象。遗传性状的现象。转导的发现转导的发现- -U U型管试验型管试验

35、CAICAI 1、普遍转导、普遍转导 普遍转导：普遍转导：通过完全缺陷噬菌体对供体通过完全缺陷噬菌体对供体菌基因组上的任何小片段菌基因组上的任何小片段DNADNA进行误包，进行误包，而将其遗传性状传递给受体菌的现象。而将其遗传性状传递给受体菌的现象。CAICAI 完全缺陷噬菌体：在完全缺陷噬菌体：在噬菌体内只含有宿主噬菌体内只含有宿主细胞的细胞的DNADNA 2、局限转导、局限转导 局限转导：局限转导：通过部分缺陷的温和噬菌体把供体通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并与后者菌的少数特定基因携带到受体菌中，并与后者的基因组整合，形成转导子的现象。的基因组整合，形成转导

36、子的现象。CAI 局限转导的特点：局限转导的特点：（1 1）只局限于转导供体菌核染色体上的特）只局限于转导供体菌核染色体上的特定基因（噬菌体整合位点两侧的基因）定基因（噬菌体整合位点两侧的基因）（2 2）温和噬菌体携带转导的特定基因片断）温和噬菌体携带转导的特定基因片断（3 3）缺陷噬菌体由脱离宿主细胞时）缺陷噬菌体由脱离宿主细胞时“误切误切”或或双重溶源菌双重溶源菌裂解形成。裂解形成。（4 4）局限转导噬菌体需通过紫外线对溶源）局限转导噬菌体需通过紫外线对溶源菌诱导产生。菌诱导产生。部分缺陷噬菌体：部分缺陷噬菌体：在在噬菌体内同时含噬菌体内同时含有宿主细胞的有宿主细胞的DNADNA和噬菌体和

37、噬菌体DNADNA局限转导包括：低频转导局限转导包括：低频转导 高频转导高频转导 低频转导：低频转导：通过一般溶源菌释放缺陷通过一般溶源菌释放缺陷噬菌体所进行的转导，因其只能形成噬菌体所进行的转导，因其只能形成极少数的转导子（极少数的转导子（1010-4-41010-6-6）而称）而称为低频转导。为低频转导。 低频裂解物：含有极少数局限转导噬低频裂解物：含有极少数局限转导噬菌体的裂解物菌体的裂解物 高频转导高频转导 双重溶源菌：双重溶源菌：同时感染正常噬菌体和缺陷同时感染正常噬菌体和缺陷噬菌体的受体菌噬菌体的受体菌 诱导双重溶源菌可产生诱导双重溶源菌可产生50%50%的局限转导噬的局限转导噬菌

38、体，这样的裂解物为高频转导裂解物，菌体，这样的裂解物为高频转导裂解物，转导受体细胞可获得转导受体细胞可获得50%50%的转导子，称为的转导子，称为高频转导。高频转导。 三、三、 接合接合 CAICAI 接合：接合：通过通过供体菌和受体菌完整细胞间的直供体菌和受体菌完整细胞间的直接接触，前者的部分接接触，前者的部分DNADNA进入后者细胞内，并进入后者细胞内，并与其核染色体发生交换、整合，从而使后者与其核染色体发生交换、整合，从而使后者获得供体菌的遗传性状的现象。获得供体菌的遗传性状的现象。接合的检测 F因子：因子：F因子是一种属于附加体的质粒，因子是一种属于附加体的质粒，也即它既可脱离核染色体

39、组而在细胞质也即它既可脱离核染色体组而在细胞质内游离存在，也可插入即整合在染色体内游离存在，也可插入即整合在染色体组上；它既可经接合作用而获得，也可组上；它既可经接合作用而获得，也可通过吖啶类化合物、溴化乙锭等的处理，通过吖啶类化合物、溴化乙锭等的处理，使其使其DNA的复制受抑制后而从细胞中消的复制受抑制后而从细胞中消除；是合成性菌毛基因的载体，也是决除；是合成性菌毛基因的载体，也是决定细菌性别的物质基础。定细菌性别的物质基础。大肠杆菌的大肠杆菌的4 4种接合型菌株种接合型菌株n接合中断法接合中断法 性导性导：FF菌株带有宿主基因信息，当菌株带有宿主基因信息，当与与F F- -菌株结合时，可转

40、导宿主部分遗传菌株结合时，可转导宿主部分遗传基因，并且可以质粒的形式表达。基因，并且可以质粒的形式表达。 原核微生物体内的质粒除了原核微生物体内的质粒除了F质粒，还有质粒，还有R质粒、质粒、Col质粒、降解性质粒等。质粒、降解性质粒等。 降解性质粒：降解性质粒：携带有降解某些复杂有机物携带有降解某些复杂有机物的酶的基因，含有这类质粒的细菌，特别的酶的基因，含有这类质粒的细菌，特别是假单胞菌，能降解复杂的有机物，尤其是假单胞菌，能降解复杂的有机物，尤其是一些有毒的化合物，如芳香族化合物、是一些有毒的化合物，如芳香族化合物、农药、樟脑、辛烷等，该类质粒一般按其农药、樟脑、辛烷等，该类质粒一般按其降

41、解的底物来命名，如樟脑质粒（降解的底物来命名，如樟脑质粒（CAM）、）、辛烷质粒（辛烷质粒（OCT）等。）等。 质粒具有如下质粒具有如下特点特点：可以自发或用人工诱变的方法：可以自发或用人工诱变的方法去除；能自我复制，稳定的遗传；没有质粒的细菌去除；能自我复制，稳定的遗传；没有质粒的细菌不能自发的产生质粒，但可以通过转化、转导或接不能自发的产生质粒，但可以通过转化、转导或接合作用的转移获得质粒；质粒可以携带供体细胞的合作用的转移获得质粒；质粒可以携带供体细胞的DNA转移。转移。 质粒的质粒的功能功能：质粒控制细菌的某一遗传性状；可以：质粒控制细菌的某一遗传性状；可以作为基因转移的载体。作为基因

42、转移的载体。 质粒的这些特征可以用来培育优良菌种，构建一些质粒的这些特征可以用来培育优良菌种，构建一些多功能的有机物降解高效菌种。多功能的有机物降解高效菌种。 质粒育种：质粒育种：将两种多种微生物通过细胞接将两种多种微生物通过细胞接合或细胞融合技术，使供体菌的质粒转移合或细胞融合技术，使供体菌的质粒转移到受体菌体内，使受体菌保留自身的功能到受体菌体内，使受体菌保留自身的功能质粒，同时获得供体菌的功能质粒，从而质粒，同时获得供体菌的功能质粒，从而获得了具有几种功能质粒的新品种。获得了具有几种功能质粒的新品种。 举例：举例： 尼龙寡聚物在化工厂污水中难以被一般微生物尼龙寡聚物在化工厂污水中难以被一

43、般微生物降解，已发现黄杆菌属、棒状杆菌属、和产碱降解，已发现黄杆菌属、棒状杆菌属、和产碱杆菌属具有分解尼龙寡聚物的质粒，但它们不杆菌属具有分解尼龙寡聚物的质粒，但它们不易在污水中繁殖，而污水中普遍存在的大肠杆易在污水中繁殖，而污水中普遍存在的大肠杆菌又无分解尼龙寡聚物的质粒。冈田等人成功菌又无分解尼龙寡聚物的质粒。冈田等人成功地把分解尼龙寡聚物的质粒地把分解尼龙寡聚物的质粒pOAD基因移植到基因移植到大肠杆菌内，使后者获得了该基因的遗传性状。大肠杆菌内，使后者获得了该基因的遗传性状。 四、原生质体融合四、原生质体融合CAICAI 原生质体融合：原生质体融合：通过人为的方法，使遗传通过人为的方法

44、，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融性状不同的两个细胞的原生质体进行融合，从而获得兼有双亲性状的稳定重组合，从而获得兼有双亲性状的稳定重组子的过程。子的过程。操作示意图主要操作步骤：主要操作步骤：1 1、选择两株有特殊价值和选择遗传标记的细胞、选择两株有特殊价值和选择遗传标记的细胞置于高渗溶液中，加入脱壁酶（细菌、放线菌置于高渗溶液中，加入脱壁酶（细菌、放线菌用用溶菌酶，溶菌酶，真菌用真菌用蜗牛消化酶蜗牛消化酶）去壁。）去壁。2 2、所得原生质体加、所得原生质体加PEGPEG（聚乙二醇）或借助电场（聚乙二醇）或借助电场的作用促融，然后在高渗溶液中稀释。的作用促融，然后在高渗溶液中稀释。3

45、 3、将稀释液涂在能促使细胞壁再生和进行细胞、将稀释液涂在能促使细胞壁再生和进行细胞分裂的基本培养基上，待菌落生成。分裂的基本培养基上，待菌落生成。4 4、将生长菌落的平板影印接种于各种选择培养、将生长菌落的平板影印接种于各种选择培养基平板上，检出融合子，测定其生物学性状。基平板上，检出融合子，测定其生物学性状。 第四节第四节 基因工程在环境保护中的应用基因工程在环境保护中的应用 一、基因工程的基本过程一、基因工程的基本过程 基因工程：基因工程：是利用是利用DNA重组技术，在体外通过重组技术，在体外通过人工剪切和拼接等方法，对生物的基因进行改人工剪切和拼接等方法，对生物的基因进行改造或重新组合

46、，然后导入受体细胞内，使重组造或重新组合，然后导入受体细胞内，使重组的基因在受体细胞中扩增和表达，从而产生出的基因在受体细胞中扩增和表达，从而产生出人类所需要的基因产物。人类所需要的基因产物。 基因工程的基本操作：基因工程的基本操作：1 1、目的基因的分离、目的基因的分离主要方法：主要方法：从供体中提取从供体中提取通过逆转录酶由通过逆转录酶由mRNAmRNA合成合成cDNAcDNA化学合成化学合成 2 2、选择优良载体、选择优良载体载体条件：载体条件：（1 1）可自我复制）可自我复制（2 2）能在受体细胞内大量增殖）能在受体细胞内大量增殖（3 3）只有一个限制性内切核酸酶切口）只有一个限制性内

47、切核酸酶切口（4 4）有选择性标记）有选择性标记（5 5）具有安全性具有安全性常用的载体：质粒、常用的载体：质粒、噬菌体以及动植物病毒噬菌体以及动植物病毒 3 3、目的基因与载体的体外重组、目的基因与载体的体外重组 同一种限制性内切酶只在同样的碱基处同一种限制性内切酶只在同样的碱基处切离，因此供体和载体的切离，因此供体和载体的DNADNA片段会有互片段会有互补的粘性末端，混合时很容易形成双链。补的粘性末端，混合时很容易形成双链。 限制性内切酶：限制性内切酶：指能识别双链指能识别双链DNADNA分子的分子的特定序列，并在其识别位点特定序列，并在其识别位点 或其附近切或其附近切割割DNADNA的一类内切酶。的一类内切酶。 4 4、将目的基因导入受体细胞、将目的基因导入受体细胞 通过质粒转化法、噬菌体或病毒感染通过质粒转化法、噬菌体或病毒感染法可将重组的法可将重组的DNA