微生物的遗传变异

微生物的遗传变异1第一页，共五十八页，2022年，8月28日遗传性（heredity）：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。同其他生物一样，微生物有其固有的遗传性。微生物的遗传是在系统发育过程中形成的，系统发育愈久的微生物，其遗传的保守程度愈大，为什么？老龄菌遗传保守程度比幼龄菌大，高等生物遗传保守程度比低等生物大。一、遗传的基本概念第二节微生物的遗传2第二页，共五十八页，2022年，8月28日二、遗传的物质基础及其存在形式遗传的物质基础一切生物遗传的物质基础是核酸（DNA）。核酸的结构：双螺旋结构2.遗传物质在细胞内存在部位和方式（1）细胞水平染色体DNA集中在核质体中。（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。第二节微生物的遗传3第三页，共五十八页，2022年，8月28日（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（chromosome）。核外DNA（能自主复制）：广义上讲称质粒（plasmid）第二节微生物的遗传4第四页，共五十八页，2022年，8月28日（3）染色体水平原核微生物：每一个核质体中通常只有一个裸露的、在光学显微镜下无法看到的环状染色体。真核微生物：往往有多个线性的染色体，种间差异大。酵母菌属（saccharomycs）17个。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RNA。第二节微生物的遗传5第五页，共五十八页，2022年，8月28日（5）基因水平（功能和遗传单位）基因："alocatableregionofgenomicsequence,correspondingtoaunitofinheritance,whichisassociatedwithregulatoryregions,transcribedregions,andorotherfunctionalsequenceregions"

第二节微生物的遗传Promoter：启动子Enhancer：增强子Attenuator：减弱子Exon：外显子Intron：内含子Transcription：转录Splicing：剪接UTR：非翻译区Translation：翻译ORF：开放阅读框架一个基因典型的真核生物基因结构6第六页，共五十八页，2022年，8月28日第二节微生物的遗传典型的原核生物基因结构（操纵子，operon）promoteroperatorCR1CR2CR3Operator：操作子CR：codingregion，编码区真核原核编码结构有内含子，需剪接无内含子调控方式单顺反多顺反编码方向单向（同一区域）双向7第七页，共五十八页，2022年，8月28日

遗传密码：DNA上各个核苷酸的特定排列顺序。每个密码子有3个核苷酸顺序来决定。（7）核苷酸水平核苷酸腺嘌呤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）（最低交换单位、突变单位）第二节微生物的遗传磷酸戊糖碱基OATP(dATP)8第八页，共五十八页，2022年，8月28日质粒（plasmid）定义：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(circularcovalentlyclosedDNA)，多存在于原核生物。结构：具有超级螺旋结构，分子量106－108道尔顿(660D/bp，1.5k-200kbp)第二节微生物的遗传BAC，Bacmid，YAC……9第九页，共五十八页，2022年，8月28日10第十页，共五十八页，2022年，8月28日质粒的基本特性：可移动性：异种间转移GentherF.J.(1998):69种环境中的细菌中，38％能从实验室的细菌接受质粒。可整合性：可整合到染色体上可重组性可消除性第二节微生物的遗传11第十一页，共五十八页，2022年，8月28日20世纪50年代在日本发现的一种质粒（从患痢疾且被抗生素治疗后的病人中分离出的痢疾志贺氏菌株，具有抗药性，而且能把抗药性转移到E.coli。）1）R因子－R质粒沙门氏菌属（Salmonalla）芽孢杆菌属（Bacillus）假单胞菌属（Pseudomonas）葡萄球菌属（Staphulococcus）曾发现R因子的细菌R因子在细胞中的数目1~2—几十个。对多种抗生素有抗性，也可作为基因载体。具有R因子的细菌在自然界中的存活率高。第二节微生物的遗传12第十二页，共五十八页，2022年，8月28日2）F因子（Fertilityfactor）/致育因子、性因子是E.coli中决定性别的质粒。62×106Da，94.5kbpF+F+F+F-接合（conjugation）特点：有时能够插入染色体，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-雌菌第二节微生物的遗传13第十三页，共五十八页，2022年，8月28日3）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（Napthalene）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）第二节微生物的遗传14第十四页，共五十八页，2022年，8月28日4.细胞器DNA真核微生物中，染色体之外的遗传物质的另一种存在形式。与其他物质一起构成细胞器（如：叶绿体、线粒体等）主要特性：－结构复杂多样－功能不一－数目多少不一－自我复制－可消除性（一旦消失，后代细胞中不再出现）第二节微生物的遗传细胞器的起源？15第十五页，共五十八页，2022年，8月28日5.转座因子可在染色体不同部位之间移动的DNA片断插入序列：能插入染色体或质粒的许多位点，并能改换位点转座子：能插入染色体或质粒的不同位点的一般DNA序列，可以转移到不同的位点上，本身也可复制。大小位几个kb。第二节微生物的遗传ClassI:copyandpasteClassII:cutandpaste16第十六页，共五十八页，2022年，8月28日第七章微生物的生长和遗传变异

第三节微生物的变异基因突变基因重组17第十七页，共五十八页，2022年，8月28日变异：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）第三节微生物的变异一、变异的基本概念18第十八页，共五十八页，2022年，8月28日细菌易变异：∵细菌繁殖快，又与外界环境接触面积大∴环境条件在短时期内对菌体产生大的影响，在受物理、化学因素影响后，易产生适应新环境的酶（诱导酶）等，从而改变原有的特性，即产生了变异。变异形态变异菌落形态变异生理生化特性变异变异不一定都有遗传性第三节微生物的变异19第十九页，共五十八页，2022年，8月28日有目的地控制微生物的生长条件，使其向人类需要的方向变异。在污水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。定向培育：第三节微生物的变异20第二十页，共五十八页，2022年，8月28日二、基因变异基因突变基因重组定义：微生物的遗传性状变化称变异基因突变（自发突变）

定义：DNA链上因碱基的缺乏、置换、插入而发生的碱基排列顺序的变化，从而导致表现型发生了可遗传的变化，这种现象叫基因突变（变异）。基因突变的类型点突变畸变第三节微生物的变异21第二十一页，共五十八页，2022年，8月28日点变异：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,GGTT,T颠换AACC,G缺失：添加：ABCABCABABCAABCAB第三节微生物的变异22第二十二页，共五十八页，2022年，8月28日畸变缺失：添加易位：倒位：重复：插入：abcabcabcabcabcabcdefpqrdefpqrghighifdeghijkl*畸变：碱基片断发生变化第三节微生物的变异23第二十三页，共五十八页，2022年，8月28日细菌基因突变的特点

无定向性（不对应性）稀有性：频率低10－5～10－10

自发性独立性：各细胞、基因间的变异没有必要的联系稳定性：可遗传可逆性：回复突变（back/reversemutation）诱变性：诱变剂可大大提高突变率（10－105倍）自发突变、诱发突变（诱变）

诱变剂（mutagen）：亚硝酸、紫外线第三节微生物的变异24第二十四页，共五十八页，2022年，8月28日2、基因重组定义：凡把两个不同基因型的遗传分子转移到一起，通过遗传分子之间的交换组合，产生新的遗传性状（基因型），称基因重组。

第三节微生物的变异重组的方式：转化、接合、转导25第二十五页，共五十八页，2022年，8月28日1）转化（transformation）供体的DNA片段（可在自然条件下产生）进入受体细胞内发生重组，受体细胞获得供体细胞的一部分遗传特性。无需细胞接触。细菌、放线菌、真菌中有转化现象。26第二十六页，共五十八页，2022年，8月28日质粒转化是基因工程中最常用的人工DNA转化。27第二十七页，共五十八页，2022年，8月28日F因子、降解性质粒可通过此形式传递。2）接合（conjugation)

细胞直接接触而进行的基因重组。大肠杆菌的接合是通过性纤毛（中空）进行的。第三节微生物的变异28第二十八页，共五十八页，2022年，8月28日29第二十九页，共五十八页，2022年，8月28日30第三十页，共五十八页，2022年，8月28日如何筛选，如何稳定工程菌？Hfr（highfrequencyrecombination，高频重组）菌株31第三十一页，共五十八页，2022年，8月28日3）转导（transduction）通过噬菌体（病毒）携带而转移的基因重组，无需供体-受体细胞接触。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错误携带宿主部分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(completetransduction)第三节微生物的变异32第三十二页，共五十八页，2022年，8月28日b.局部转导(specializedtransduction)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。（温和噬菌体）4）原生质体融合（protoplastfusion）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）第三节微生物的变异33第三十三页，共五十八页，2022年，8月28日原核、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：用脱壁酶去除细胞壁混合（加聚乙二醇PEG），或电脉冲促进融合培养，使之成为完整细胞鉴定特点：1）重组频率>10-1.（远远大于诱变育种，~10-6）

2）不同属、科间亦可融合。第三节微生物的变异34第三十四页，共五十八页，2022年，8月28日35第三十五页，共五十八页，2022年，8月28日第七章微生物的生长和遗传变异

第四节遗传工程基因工程遗传工程及其在环境污染控制中的应用36第三十六页，共五十八页，2022年，8月28日一、基因工程（Geneticengineering）20世纪50年代——遗传物质的研究20世纪70年代——基因工程诞生1.定义：用人为的方法把供体生物的DNA导入受体生物中，并在其中“安家落户”，进行正常的复制、表达，从而获得新物种的一种育种技术。是一种分子水平上的基因重组技术。第四节遗传工程37第三十七页，共五十八页，2022年，8月28日①用人为的方法，把供体生物的DNA大分子提取出来；②在离体的条件下，用工具酶进行切割；③之后把它与载体（vector）的DNA分子连接起来；④然后与载体一起导入受体生物。（方法？）2.利用质粒载体导入外源基因的步骤：第四节遗传工程38第三十八页，共五十八页，2022年，8月28日<1>目的基因的取得：

供体细胞中提取分离合成<2>载体的选择：对载体的要求

具有自我复制能力；能在受体细胞内大量增殖或表达目的基因；要有一些限制性内切酶的切口（MCS）；有一种选择性遗传标志，以便追踪。常用载体：细菌质粒、噬菌体。最常用：PBR322（抗四环素、青霉素性基因）。表达抗药性可以用选择性培养基检出它们。第四节遗传工程39第三十九页，共五十八页，2022年，8月28日<4>重组载体引入受体细胞最广泛被应用的是E.coli、Bacillussubtilis（枯草杆菌）。引入方法转化（质粒作载体）病毒感染<3>基因的体外重组内切酶处理载体形成缺口目的基因的切断两者混合在指定温度下混合“退火”；目的基因缝补上载体的缺口（动力:氢键作用而相互吸引并形成共价结合)。第四节遗传工程40第四十页，共五十八页，2022年，8月28日41第四十一页，共五十八页，2022年，8月28日3.基因工程在环境保护中的应用获得能同时分解多种污染物的新型菌种

超级细菌耐汞质粒降解染料质粒工业上：高性能发酵微生物的育种、酶、抗生素的生产。农业上：

固氮菌的基因转移到根系微生物或直接给植物；把降解木质素分解酶的基因转移导酵母菌使之能利用稻草、枯杆等生产酒精；改良农作物。医疗上：遗传病的治疗等。第四节遗传工程42第四十二页，共五十八页，2022年，8月28日几点注意：基因工程的成果往往只是一株带有新性状的“工程菌”，只有通过微生物工程才能实现它的经济与社会效益。DNA供体主要来源于微生物。基因工程菌存在的问题：

安全性混合培养系中的生存性降解能力的安定性大规模培养技术第四节遗传工程43第四十三页，共五十八页，2022年，8月28日第七章微生物的生长和遗传变异

第五节微生物的驯化与保藏微生物的驯化微生物的保藏与复壮44第四十四页，共五十八页，2022年，8月28日一、微生物的驯化时间t污染物浓度污染物的生物降解曲线（生物降解过程中污染物浓度随时间的变化）微生物的“驯化”现象“驯化”是获得高效微生物（群）的有效方法第五节微生物的驯化与保藏45第四十五页，共五十八页，2022年，8月28日1.驯化的定义(Acclimation,adaptation)一般：获得新的能力的过程（新的分解能力、抗有毒物质能力）狭义：获得新的降解能力的过程使微生物接触待分解的化合物，给予适宜的营养和环境条件，进行培养。驯化操作：第五节微生物的驯化与保藏46第四十六页，共五十八页，2022年，8月28日驯化周期（时间）：时间t污染物浓度污染物降解曲线建议：从驯化开始到降解能力达到最大时所需的时间。驯化周期一般指从驯化操作开始到获得新的降解能力所需要的时间。第五节微生物的驯化与保藏47第四十七页，共五十八页，2022年，8月28日2.驯化的机理生物降解的必要条件：

有合成降解酶的基因能合成降解酶微生物浓度高、环境条件适宜可能性驯化：从不能满足以上三个条件，到满足三个条件的过程。∴驯化机理：①获得所需的基因（变异、基因重组）②降解酶的诱导或抑制作用的解除③降解微生物的的高浓度化（选择性繁殖）本质驯化表观驯化第五节微生物的驯化与保藏48第四十八页，共五十八页，2022年，8月28日1）新基因的获得：突变：频率低10－6～10－8

无定向性获得降解能力的几率很小降解基因的传递：几率更小水处理中一般发生驯化的现象很多，所以很难用“突变”来解释。2）诱导酶的激活或抑制剂的解除抑制系的解除一般只需要2～5分。而驯化周期一般几天到几个月，很难全部用诱导酶解释第五节微生物的驯化与保藏49第四十九页，共五十八页，2022年，8月28日3）降解微生物的高浓度化∵基因突变不可能同时产生大量变异细胞∴微生物的高浓度化是重要的步骤质粒的传递速度供体浓度D（douor）（g/l）受体浓度R（recipient）（g/l）转移体浓度T（transconjugant）（g/l）接受质粒后的细胞（基因重组体）质粒的传递（基因重组）：接合等选择性繁殖高浓度化的途径第五节微生物的驯化与保藏50第五十页，共五十八页，2022年，8月28日c:转移体的损失速度a:从供体到受体的传递速度b:从转移体到受体的传递速度第五节微生物的驯化与保藏51第五十一页，共五十八页，2022年，8月28日COOHHCH3CH3NCOHCH3CH3NHCH3NHHCO2HO2+NH3Biodegradationpathwayofdimethylformam