微生物遗传和变异

亲代的性状在子代表现出来，使子代与亲代有相似的现象，叫遗传。从分子水平上讲，遗传就是遗传信息的复制和表达。亲代与子代及子代各个体之间，无论在形态结构和生理机能方面，总会有差异，这种同类型不同个体之间的差异称为变异。从分子水平讲，是遗传信息发生了变化。

遗传和变异是生物体最本质的属性之一。遗传（heredity或inheritance）

变异（variation）

第一页，共53页。遗传型——生物体所携带的全部遗传因子或基因的总称，表型——具有一定遗传性的个体在特定的外界环境中通过生长发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和。有些基因结构未发生变化仅表型改变不是变异，只能称适应或饰变（modification）。变异是基因结构发生变化，而且往往是不可逆的变化，此变化可以遗传给子代形成新的品种。遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变异，变异中有遗传。第二页，共53页。第一节

微生物的遗传

一、遗传和变异的物质基础——DNA第三页，共53页。一、遗传和变异的物质基础——DNA三个经典实验：1、转化实验第四页，共53页。噬菌体用放射性硫跟踪蛋白质表层用放射性磷跟踪核心的DNA侵染搅拌

分离

细胞中无硫外表有硫细胞中有磷外表无磷2、噬菌体感染实验第五页，共53页。3、病毒的拆开和重建实验第六页，共53页。二、DNA的结构与复制（一）DNA结构一级结构：DNA中核苷酸之间的连结方式及其排列顺序。二级结构：双螺旋结构。基本特点：（1）

DNA由两天互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成（2）脱氧核苷酸和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧（3）两条链上的碱基以氢键相结合形成碱基对第七页，共53页。1、DNA的存在形式真核生物：染色体（DNA+组蛋白），丝状结构，所有染色体由核膜包成一个细胞膜原核生物：DNA细丝构成环状的染色体，质粒2、基因:基因是一切生物体内储存信息的，有自我复制能力的遗传功能单位。3、遗传信息的传递中心法则：第八页，共53页。(二）DNA的复制——半保留复制以亲代DNA分子的两条链为模板合成各自的互补链，形成两个子代的DNA分子的过程称为复制，这个过程是半保留复制即合成新的DNA分子时，子代DNA的一条链来自亲代，另一条链为新合成的互补链。第九页，共53页。过程如下：1、DNA解旋酶对DNA进行解旋.2、DNA结合蛋白结合在打开的DNA单链上，不与双链结合，促使反应向偏向单链形成的方向进行，使DNA在大大低于Tm温度下发生双链的解离，双螺旋则在复制叉的前方分开，并在复制叉处稳定单链结构，阻止再形成双螺旋。第十页，共53页。3、DNA复制在一段RNA引物的基础上加进脱氧核苷酸。由RNA引物酶催化合成一段RNA。4、DNA聚合酶（I、II、III）催化DNA片段的延长。5、DNA连接酶。DNA后随链上的复制是不连续的，冈崎片段形成后，5’端的RNA引物通过DNA聚合酶I催化的切口移位而降解，并为DNA片段所置换，形成的切口由DNA连接酶封闭。6、DNA回旋酶使松弛DNA变成负超螺旋第十一页，共53页。三、DNA的变性和复性（一）DNA变性

DNA的双螺旋由氢键维持，当天然双螺旋DNA受热或其他因素作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成为单链DNA，即称为DNA变性。DNA变性伴随着许多物理性质的变化，特别有用的是增色效应。DNA变性过程中，A260值先是缓慢上升到达一个温度值后骤然上升，吸收值增加的中点称为融解温度（meltingtemperature，Tm）。一般Tm在85-95度之间，Tm取决于DNA的G+C含量，含量高，Tm也高。第十二页，共53页。（二）DNA复性热变性DNA若缓慢冷却，已分开的互补链又可重新形成天然DNA的过程叫复性或退火。复性的DNA是随机结合的。由DNA复性研究发展成的一种实验技术是分子杂交，杂交可以发生在DNA之间或DNA与RNA之间，DNA之间杂交可用于估测DNA间的同源序列，不同生物在进化过程中相关性。DNA与RNA杂交可通过RNA转录来检测DNA中特定基因的存在。第十三页，共53页。1、mRNA——messageRNA，信使RNA它的生物功能是从DNA上把遗传密码即蛋白质中氨基酸排列顺序的信息接受过来，并起模板作用合成蛋白质。四、RNARNA分子的主要生物功能是参与蛋白质的生物合成，可分为tRNA、rRNA、mRNA和反义RNA，都由DNA转录而来。第十四页，共53页。2、tRNA——transferRNA转移RNA是mRNA与氨基酸之间的接合体，带有能和mRNA互补的反密码子，3’末端AMP上结合氨基酸，反密码子与mRNA上的密码子互补。一个氨基酸有一种或多种tRNA。三叶草结构第十五页，共53页。3、rRNA——ribosomalRNA核糖体RNA:rRNA与蛋白质共同组成核糖体。原核生物：5S、16S、23S真核生物：5S、5.8S、16S、28S4、反义RNA——antisenseRNA与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链，并把另一条链根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为反义链，因为只有mRNA携带的遗传信息才被用来指导蛋白质生物合成。第十六页，共53页。五、微生物生长和蛋白质合成微生物生长的主要活动是蛋白质的合成，DNA的复制合成和RNA的复制合成最终目的在于蛋白质的合成。

蛋白质合成的过程：（1）DNA复制（2）RNA转录：以无义链作模板（3）mRNA翻译成蛋白质第十七页，共53页。核糖体蛋白质tRNA氨基酸第十八页，共53页。1、翻译的起始。原核生物mRNA上的起始密码子常为AUG—甲硫氨酸，少数情况下也为GUG起始复合物的形成：原核细胞中多肽的合成都由甲硫氨酸开始，以N-甲酰甲硫氨酸-tRNA（fMet-tRNA）形式开始。mRNA首先与核糖体的30S亚基结合，有起始因子3（IF3）参加，再进一步与fMet-tRNA、GTP相结合，释放出IF3，最后50S亚基再结合上去。此时fMet-tRNA占据了核糖体上的肽酰位点（P），空出A位点准备接受另一个氨酰tRNA，为肽链的延伸作好准备。第十九页，共53页。第二十页，共53页。2、蛋白质的合成——肽链的延伸新进入的氨酰-tRNA结合到70S核糖体的A位点上，其反密码子必须在A位点mRNA上的密码子互补。进入A位点的氨酰-tRNA上的氨基与P位点上氨酰-tRNA的羧基形成一个新的肽键。同时P位点tRNA卸下肽链成为无负载的tRNA，此时A位点上tRNA所携带的就不是一个氨基酸而是一个二肽。移位（translocation）：指核糖体沿mRNA作相对移动（5’→3’），每次移动一个密码子的距离，移位的结果是使A位点上的tRNA回到P点，P点上的tRNA离开。移位反应由移位酶、GTP完成。第二十一页，共53页。3、肽链合成的中止与释放首先是对mRNA上终止信号的识别，然后完工的肽酰-tRNA酰键水解，新合成的肽链释放。终止密码子是UAA、UAG、UGA。终止密码子没有相应的tRNA分子，当核糖体到达此处时蛋白质合成不能继续，释放因子进入空的A位点，激发合成的肽链从核糖体上释放，亚基拆分。真核生物细胞蛋白质合成的机理相似但更复杂，核糖体更大；起始tRNA为Met-tRNA不是fMet-tRNA；起始密码子为AUG。第二十二页，共53页。六、微生物的细胞分裂微生物将倍增的核物质和蛋白质均等地分配给两个细胞，在细胞的中部合成横隔膜并逐渐内陷，最终将两个子细胞分开，细胞分裂完成。第二十三页，共53页。第二节

微生物的变异

第二十四页，共53页。一、变异的实质——基因突变基因突变：DNA因某种因素引起碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序，从而引起其后代表型的改变二、突变的类型（一）自发突变:指微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变1、多因素低剂量的诱变效应2、互变异构效应3、环出效应第二十五页，共53页。第二十六页，共53页。（二）诱发突变凡提高突变率的理化因子都可称诱变剂（mutagen）1、物理诱变:（1）紫外辐射诱变作用机制：主要的生物效应是DNA吸收紫外辐射，引起DNA结构的变化。引起DNA结构的变化有很多方面：DNA断裂、DNA交联、DNA与蛋白质交联、胞嘧啶与鸟嘌呤的水合作用及嘧啶二聚体的形成。第二十七页，共53页。（2）DNA损伤的修复①光复活光复活：光裂合酶在可见光下（300-500nm）会因获得光能而发生解离从而使二聚体重新分解成单体。

暗复活：切除修复和重组修复第二十八页，共53页。②切除修复：需要三种酶协同作用，不需要可见光的激活。首先在二聚体两侧核酸内切酶作用下造成单链断裂并切除二聚体。DNA聚合酶I作用下修复，最后DNA连接酶缝合新合成的DNA片段和原DNA片段。③重组修复：必须在DNA进行复制的情况下进行，所以又称复制后修复。大肠杆菌可以在不切除胸腺二聚体情况下以带有二聚体的这一单链为模板而合成互补单链，但在二聚体附近留下了一个空隙，经过染色体交换，使空隙部分面对正常单链，DNA聚合酶和连接酶将此修复。第二十九页，共53页。④SOS修复：DNA大范围损失作为一种求救信号引发设计DNA修复的多种细胞功能参加的诱导作用。正常的SOS系统被LexA蛋白所抑制，DNA损伤时激活RecA蛋白酶活性，使LexA蛋白失活，启动SOS系统。一旦修复完成，SOS系统关闭。SOS系统是一种倾向差错的DNA修复机制，可造成突变。第三十页，共53页。⑤适应性修复：细菌由于长期接触低剂量诱变剂会产生修复蛋白酶，修复DNA上因甲基化而遭受的损伤。第三十一页，共53页。2、化学诱变；化学诱变可造成碱基对的置换转换（transition）：嘌呤被另一嘌呤或嘧啶被另一嘧啶取代颠换（transversion）：嘌呤被嘧啶取代化学诱变对DNA作用形式有三类：（1）直接引起置换的诱变剂

是一类可直接与核酸碱基发生化学反应的诱变剂。可与一个或几个核苷酸发生化学反应，引起DNA复制时碱基配对的转换。

第三十二页，共53页。亚硝酸可使碱基发生氧化脱氨，使腺嘌呤A转变为次黄嘌呤H，胞嘧啶C变成尿嘧啶U，引起A=T向G-=C转换

①腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（He）②He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（HK）③DNA复制时，HK与胞嘧啶（C）配对④DNA第二次复制时，C与G正常配对，实现了转换。第三十三页，共53页。（2）间接引起置换的诱变剂：这类诱变剂是一些碱基类似物，5-溴尿嘧啶（5-Bu）、5-氨基尿嘧啶（5-Au）、8-氮鸟嘌呤（8-NG）、2-氨基嘌呤（2-AP）等。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子后引起的，因此是间接的。（3）引起移码突变的诱变剂：由诱变剂引起DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添、插入或缺失，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。第三十四页，共53页。第三十五页，共53页。3、复合处理及协同效应

两种或多种诱变剂先后使用；同一种诱变剂重复使用；两种或多种诱变剂同时使用4、定向培育与驯化:用某一特定环境长期处理某一微生物群体，不断移种传代，从中选择具有合格性状的自发突变体。因自发突变率低，变异程度低，培育进程很缓慢。

环境工程中仍采用定向培育的方法培育菌种——驯化。第三十六页，共53页。第三节基因重组

第三十七页，共53页。

一、杂交

杂交是在细胞水平上发生的一种遗传重组方式。有性杂交，一般指性细胞间的接合和随之发生染色体重组，并产生新遗传型后的一种方式。凡能产生有性孢子的酵母菌或霉菌，原则上都可应用与高等动、植物杂交育种相似的有性杂交方法进行育种。基因重组：两个不同性状个体细胞的DNA融合，使基因重新组合，从而发生遗传变异，产生新品种，此过程称为基因重组。第三十八页，共53页。准性杂交(parasexualhybridization)

准性生殖是一种类似于有性生殖但比它更为原始的一种生殖方式，它可使同一生物的两个不同来源的体细胞经融合后，不通过减数分裂而导致低频率的基因重组。准性生殖常见于某些真菌，尤其是半知菌中。1、菌丝联结

2、形成异核体

3、核融合或核配

4、体细胞交换第三十九页，共53页。二、转化transformation受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段，通过交换，把它组合到自己的基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的现象，称为转化。转化后的受体菌称为转化子。第四十页，共53页。两个菌种和菌株间能否发生转化，与它们在进化上的亲缘关系有密切关系，但即使在转化率极高的那些种中，不同菌株间也不一定能发生转化，能进行转化的细胞必须是感受态的。受体菌最易接受外源DNA片段并实现转化的生理状态称为感受态。感受态因子是一种胞外蛋白，可能是细胞膜上的一种组分，可催化外来DNA片段的吸收或降解表面某种成分，让细胞表面的DNA受体暴露出来。第四十一页，共53页。转化过程大体如下：1、双链DNA片段与感受态受体菌的细胞表面特定位点结合2、DNA酶促分解3、DNA一条单链进入细胞，分子量小于4×105的不能进入4、转化DNA单链与受体菌染色体组上的同源区段配对，受体染色体组的相应单链被切除，被外来的单链DNA片段取代，形成杂种DNA片段。5、受体菌染色体进行复制，形成一个转化子第四十二页，共53页。三、转导(transduction)

通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的DNA片段携带到受体细胞中，从而使后者获得了前者部分遗传性状的现象，称为转导。1、普遍转导(generalizedtransduction)

噬菌体可误包供体菌中的任何基因(包括质粒)，并使受体菌实现各种性状的转导，此即普遍性转导。第四十三页，共53页。第四十四页，共53页。2、局限转导(restrictedspecializedtransduction)指通过某些部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中的转导现象。第四十五页，共53页。比较项目普通性转导局限性转导转导的发生自然发生人工诱导噬菌体形成错误的装配前噬菌体反常切除形成机制包裹选择模型杂种形成模型内含DNA只含宿主染色体DNA同时有噬菌体DNA和宿主DNA转导性状供体的任何性状多为前噬菌体邻近两端的DNA片断转导过程通过双交换使转导DNA，替换了受体DNA同源区转导DNA插入，使受体菌为部分二倍体转导子不能使受体菌溶源化，转导特性稳定为缺陷溶源菌转导特性不稳定第四十六页，共53页。第四节遗传工程技术在环境保护中的应用第四十七页，共53页。一、遗传工程技术在环境保护中的应用（一）质粒育种质粒是细菌体内一种独立于染色体外，与细菌细胞共生能独立复制和稳定地延续遗传的遗传单位，其基因由环状双链共价闭合DNA分子组成，长1-200kb。不带有重要基因，存在与否不对细菌产生致死效应。不同质粒拷贝数不同，根据