00环境工程微生物学讲稿HG（07微生物的遗传和变异）

第六章

微生物的遗传和变异

第一篇微生物学基础主要内容：微生物的遗传和变异现象微生物的遗传微生物的变异及应用第一节遗传和变异现象遗传和变异是一切生物最本质的属性。

遗传（保守性）变异

遗传学(Genetics)：研究生物遗传和变异现象的学科。意义：遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素对于育种的意义在环境保护领域的应用遗传是相对的，变异是绝对的；

遗传中有变异，变异中有遗传。

第二节微生物的遗传

一、遗传和变异的物质基础－－DNA1、对DNA的认识和研究历史孟德尔的理论豌豆实验孟德尔定理的重新发现DNA（及RNA）是遗传物质的研究历史（三个经典实验）肺炎链球菌的转化实验

Griffith(1928)发现了转化现象。后Avery等（1944）证实，引起转化的物质就是DNA。噬菌体感染实验（1952年）FraenkelConrat(1956)用RNA病毒做的病毒重建实验证明，在只有RNA而不含DNA的病毒中，遗传物质是RNA。2、遗传物质在细胞中的存在形式

除部分病毒的遗传物质是RNA外，其余病毒和全部具有典型细胞结构的生物体的遗传物质都是DNA。按其在细胞中的存在形式可分成染色体DNA和染色体外DNA。原核细胞和真核细胞中DNA的存在形式不完全相同。3、基因和遗传信息的传递

基因现在一般认为，基因是一个具有遗传因子效应的DNA片段，它是遗传物质的最小功能单位。基因是生物染色体上的一段DNA，它储存了遗传信息，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，它不仅可以决定生物的某一个性状，而且还具有调控其他基因表达活性的功能。基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。按功能可把基因分为三种：结构基因、操纵基因、调节基因。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。从基因型到表现型需要通过酶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，从而决定遗传性状的表现。

性状（表型）=基因型+环境(2)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核酸（DNA）将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的。子代根据DNA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态结构和生理生化特性。分子生物学中心法则二、DNA的结构与复制1、DNA的结构DNA由两条多个核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互补，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕形成。四种碱基A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）相互配对。A~T,G~C互相间通过氢键连接。核苷酸的结构四种碱基的结构DNA分子结构DNA链的延伸A与T、G与C的配对（依靠氢键连接）2、DNA的复制为确保微生物体内DNA碱基顺序精确不变，保证微生物的所有属性都得到遗传，则在细胞分裂之前，DNA必须十分精确地进行复制。DNA具有独特的半保留式的自我复制能力，确保了DNA复制精确，并保证一切生物遗传性的相对稳定。DNA的复制DNA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），另一条只是使DNA分子处于稳定状态的互补链，称为反义链。由DNA分子上的碱基顺序通过转录过程决定RNA分子。

三、DNA的变性和复性

DNA的变性：DNA的双螺旋结构由碱基对中碱基之间的氢键维持。当天然双链DNA受热或其他因素的作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链DNA，即称为DNA变性。解链温度Tm：DNA的复性：变性DNA溶液经适当处理后重新形成天然DNA的过程叫复性，或叫退火。用高温使DNA变性后，再缓慢降低至自然温度，变性的DNA会复性成天然双链DNA。DNA的变性DNA变性时，双螺旋松解，碱基暴露，OD260值增加（增色效应）。DNA复性时，单链DNA重新恢复双螺旋结构，OD260值减小（减色效应）。DNA复性DNA变性与复性的应用：测定G+Cmol%分子杂交核酸探针……四、RNA及其作用RNA（核糖核酸）和DNA很相似，不同的是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T)。RNA由DNA转录而来。RNA主要有三种：tRNA、rRNA、mRNA，在蛋白质合成过程中担任不同的角色。另外还有一种反义RNA，主要起调节作用。RNA来自DNA，通过转录过程生成相应的RNA，RNA上的碱基序列是由DNA所决定的。许多实验证明，在体内DNA两条链中仅有一条链可用于转录；或者某些区域以这条链转录，另一些区域以另一条链转录。用于转录的链称为模板链，或负链（-链，反义链）；对应的链为编码链，即正链（+链，有义链）。编码链与转录出来的RNA链碱基序列一样，只是以尿嘧啶取代胸腺嘧啶，它无转录功能，只能进行复制。转录mRNA(信使

RNA)tRNA(转移RNA)rRNA（核糖体RNA）由mRNA、tRNA和rRNA协作,合成蛋白质。

另外，还有一种反义RNA，它起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。核酸和蛋白质的合成遗传密码：遗传密码是由三个核苷酸组成的三联密码，mRNA上从5’端到3’端的核苷酸排列序列决定了蛋白质多肽链中从N端到C端的氨基酸排列序列。

DNA模板与mRNA分子及多肽链之间存在共线性关系DNA链的正链（编码链）上的碱基序列5’-------3’

负链（模板链）上的碱基序列3’-------5’

对应mRNA上的碱基序列5’-------3’

对应多肽上的氨基酸序列N-------C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，同化的碳和消耗的能量有4/5~9/10直接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，与RNA的复制（合成）及DNA的复制（合成）有关。蛋白质合成过程：

DNA复制：相应的DNA链进行自我复制；转录mRNA：由DNA转录成mRNA，同时也转录成其他几种RNA；翻译：由tRNA完成；蛋白质合成：合成多肽，最终生成具有特定功能的蛋白质。六、微生物的细胞分裂由于DNA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，最终分裂成两个细胞。第三节微生物的变异

一、变异的实质广义的突变包括：（1）染色体数目变异（2）染色体重排（缺失、重复、易位和倒位等（3）基因突变（狭义的突变）在微生物中，基因突变是发生变异的主要途径：在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，DNA上的碱基对发生差错，出现碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内原有的碱基顺序，导致后代性状的改变。当这种改变可以遗传时，就是发生了突变。突变株（突变体）：带有基因突变的菌株。在真核微生物中，变异也会发生在染色体水平上，如染色体的缺失、重复、倒位和易位等，都会引起遗传信息的改变，称为染色体畸变。点突变：只涉及DNA分子中一个或少数碱基的改变。二、突变的类型突变的特点：基因突变的特点概括起来有三点，即稀有性、随机性和可逆性。突变的类型自发突变(spontaneousmutagenesis)

在自然条件下发生的突变。自发突变的概率很低（突变型频率），如细菌约为10-10。

诱发突变(inducedmutagenesis)人为地用某种因素处理后造成的突变。凡能提高突变率的因素称为诱发因素或诱变剂。诱发突变的概率大大提高，可以达到约10-4-1×10-5物理诱变，如紫外线。化学诱变，利用化学物质促进突变。DNA损伤的修复：当DNA分子被损伤后，细胞会利用某种方式进行修复，以保证遗传信息的正确传递。当然这种修复的程度有限的。DNA的损伤修复有5种方式：(a)光复活(b)切除修复(c)重组修复(d)SOS修复(e)适应性修复紫外辐射对DNA的损伤和DNA的修复

突变的应用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物群体，并进行传种接代，积累和选择合适的自发突变体。在环境工程中，常采用定向培育的方法来培育菌种（驯化）。三、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，使基因重新组合，产生新品种，称为基因重组或遗传重组。在基因重组过程中，两个不同性状的个体细胞，其中一个细胞(供体细胞)的DNA与另一个细胞(受体细胞)的DNA融合，使基因重新排列，遗传给后代，产生新品种或表达新的遗传性状。（基因没有变化，只是重新排列）在真核生物中，二个配子相互融合的有性过程中发生基因重组（杂交）。在细菌中，不存在类似高等生物的有性过程，但也有基因重组的发生。在微生物中，基因重组的方式主要是转化(transformation)、转导(transduction)、接合(conjugation)和原生质体融合等。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平的杂交。现在人们不仅能在同种或相似物种间实现基因重组，而且已经能够在亲源关系很远的生物间实现基因重组。1、原核微生物的基因重组（1）转化受体菌直接吸收了来自供体菌的DNA片段，通过交换将其整合到自己的基因组中，从而获得新的遗传特性。转化的条件：受体菌（处于感受态）

外源DNA（相对高的分子质量和同源性）转化过程：出现感受态细胞→DNA吸附→DNA进入细胞→DNA解链→形成受体DNA-供体DNA复合物→DNA复制和分离（2）转导以噬菌体为媒介，将供体细胞的DNA片段携带到受体细胞中，通过交换和整合，使后者获得前者部分遗传性状。媒介------转导噬菌体（3）接合供体菌和受体菌通过完整细胞间的直接接触而实现大段DNA的传递。如在E.coli中的F因子（决定性别的质粒）（由F因子带动的遗传物质的转移过程也称为F转导）2、真核微生物的基因重组真核微生物可以进行有性生殖，所以DNA的转移和重组在许多方面与原核微生物不同，由于真核微生物细胞核复杂，基因组由多条染色体组成，由此其分配和分离有着更复杂的调节机制。尽管真核微生物的基因重组主要有有性生殖、准性生殖、原生质体融合和转化等形式，但以有性生殖和准性生殖更为常见。有性生殖：性细胞间的接合和随之产生的染色体重组，并产生新的遗传型后代在有性生殖过程中，通过减数分裂和接合，导致基因重组。如：能产生有性孢子的酵母菌或霉菌等准性生殖：在一些真菌中发生，主要是其染色体减少的过程不是通过减数分裂，而是其他方式丢失。上表中不包括经过酶的处理而去除细胞壁的原生质体融合，以及由融合而带来的基因重组。四、微生物育种根据菌种的遗传特点，改良菌株的生产性能，使产品的产量和质量不断提高。1、诱变育种采用物理和化学因素处理微生物，使之发生突变，并运用合理的筛选程序和方法，把适合人类需求的优良菌株选育出来。基本环节包括：挑选优良的出发菌株

简便有效的诱变剂

处理单孢子（细胞）菌悬液

选用合适的剂量充分利用复合处理的协同效应设计或采用高效筛选方案检测和筛选方法是关键。利用一些形态、生理的方面的特性，将发生突变的菌株挑选出来。如营养缺陷型的筛选，可以采用影印法（图）。影印平板技术（正常菌E.coli）注：图中红色实心者为正常菌落；蓝色实心者为突变株2、原生质体融合育种通过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合，并进而发生遗传重组以产生同时带有双亲性状的、稳定的融合子。能进行原生质体融合的细胞及其广泛，不仅包括原核微生物，也包括真核细胞。对接合型或致育型的限制比较小，有利于不同种属间微生物的杂交。原生质体融合打破了种属界限，可以实现远缘菌株的基因重组。原生质体融合将二亲株细胞质和细胞核进行融合，遗传物质的交换更为完整，提高菌株产量的潜力更大。3、基因工程育种基因工程技术比其他育种方法更有目的性和方向性，效率更高。将在下面进行讲述。五、基因工程基因工程的基本概念基因工程是指在基因水平上的遗传工程，又叫基因剪接或核酸体外重组。基因工程是离体的分子水平上的基因重组，是既可近缘杂交又可远缘杂交的育种新技术。GMO:转基因生物(geneticallymodifiedorganism)

基因工程的操作步骤：1.先从供体细胞中选择获取带有目的基因的DNA片段；

2.将目的DNA的片段和质粒在体外重组；

3.将重组体转入受体细胞；4.重组体克隆的筛选与鉴定；

5.外源基因表达产物的分离与提纯。

基因工程的操作步骤基因工程的操作步骤（DNA体外基因重组）七、PCR技术在环境工程中的应用PCR(polymerasechainreaction)称DNA聚合酶链反应。于1985年由美国Millus创立。PCR是DNA不需通过克隆而在体外扩增，短时间内合成大量DNA片段的技术。优点：PCR检测速度快，只需5～6h出结果。

环境中存在各种生物的DNA，量少。采集到少量DNA，加入引物和DNA多聚酶，经过变性和复性（退火）的过程，可在体外扩增至足以供检测、鉴定所需的用量。应用:

法医鉴定、医学、卫生检疫、环境检测等方面。1、PCR技术的基本原理PCR技术是一种具有选择性的体外扩增DNA或RNA片段的方法，是指在DNA聚合酶催化下，以母链DNA为模板，以特定引物为延伸起点，通过变性、退火、延伸等步骤，体外复制出与母链模板DNA互补的子链DNA的过程。2、PCR技术的操作PCR要求反应体系具有下列条件：①要有与被分离的目的基因两条链各一端序列相互补的DNA引物（约20个碱基左右）；②具有热稳定性的酶如TaqDNA聚合酶；③4种脱氧核糖核苷酸dNTP；④作为模板的目的DNA序列。一般的PCR技术可以扩增出100-5000bp的目的基因，PCR技术的特异性取决于引物和模板DNA结合的特异性。PCR仪每个PCR循环包括以下反应：①双链DNA的变性，通过加热使DNA双螺旋的氢键断裂，双链解离形成单链DNA；②退火，当温度突然降低使引物和其互补的模板链在局部形成杂交链，由于模板分子结构较引物复杂得多，而且反应体系中引物DNA量大大多于模板DNA，因此模板DNA双链之间互补的机会较少；③延伸，在DNA聚合酶和4种脱氧核糖核苷三磷酸底物及Mg2+存在的条件下，聚合酶催化以引物为起始点的5’→3’的DNA链延伸反应。PCR技术的操作步骤以上3步为一个循环，每一循环的产物可以作为下一个循环的模板。每个循环可使目标DNA数量加倍。实际操作中，经过20~30个循环，可使目标DNA增加106~109。DNA的分离和观察：凝胶电泳（Gelelectrophoresis）在外加电场的作用下，线性的DNA分子在一种被称为凝胶基质（gelmatrix）的果冻样惰性多孔物质中，按照其分子大小被分开，由于DNA分子带负电荷，在电场中，它们向正极迁移。凝胶基质中网孔的大小，决定了DNA分子的迁移速度，大分子要比小分子慢。DNA的凝胶电泳仪电泳完成后，用荧光染料如溴化乙锭（ethidiumbromide）对凝胶进行染色。通常