环境微生物学第六章

第六章微生物的遗传与变异环境微生物学第六章“种瓜得瓜，种豆得豆”“龙生龙，凤生凤”“老鼠生来会打洞”说明什么问题?遗传现象“一龙生九子，九子各不同

”又说明什么问题?变异现象环境微生物学第六章

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。

生物亲代与子代之间，子代个体之间有差异的现象，主要体现在形态和生理性状。从分子水平讲，是遗传信息发生了变化。遗传（heredity）

变异（variation）

环境微生物学第六章遗传型——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。环境微生物学第六章第一节微生物的遗传一、DNA是遗传物质三个经典实验证明了核酸(DNA和RNA)是遗传物质基础。1.肺炎链球菌的转化现象2.噬菌体感染实验3.植物病毒重建实验环境微生物学第六章一、遗传变异的物质基础环境微生物学第六章①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白质⑥加S菌的荚膜多糖活R菌长出S菌只有R菌1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从热死S型S.pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：环境微生物学第六章只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的是遗传因子,即DNA。环境微生物学第六章32P标记噬菌体DNA35S标记噬菌体的蛋白质外壳

大多数噬菌体的DNA存在于细菌中，而外壳留在上清液中。噬菌体感染实验环境微生物学第六章植物病毒重建实验证明了RNA为遗传物质1956，Fraenkel-conrat用含有RNA的TMV和HRV进行了植物病毒重建实验。环境微生物学第六章证明杂种病毒的蛋白质外壳来自病毒1，而非病毒2生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病毒蛋白质外壳（病毒1）和核酸（病毒2(霍氏车前花叶病毒)杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为病毒2，而非病毒1遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质环境微生物学第六章核外DNA的种类核外染色体真核生物的“质粒”原核生物的质粒

线粒体细胞质基因 叶绿体（质体） 中心体 卡巴颗粒酵母菌的2m质粒F因子R因子Col质粒Ti质粒巨大质粒降解性质粒环境微生物学第六章卡巴颗粒环境微生物学第六章(1)DNA由2条反平行的脱氧多核苷酸链构成，两条链绕同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋。(2)每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成，位于螺旋外侧，碱基位于螺旋的内侧，碱基平面与螺旋中心轴垂直，螺旋表面有2条螺旋形的凹槽：大沟和小沟。(3)双螺旋的直径是2nm，沿中心轴每个螺旋周期有10个核苷酸对，螺距为3.4nm，碱基对之间的距离为0.34nm。(4)两链间的碱基以氢键互相配对。A与T配，有2个氢键；G与C配，有3个氢键。小沟大沟1.0nm二、DNA的结构与复制环境微生物学第六章脱氧核糖碱基磷酸AGCT基本单位－脱氧核苷酸环境微生物学第六章AGCT腺嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸胞嘧啶脱氧核苷酸

胸腺嘧啶脱氧核苷酸脱氧核苷酸的种类环境微生物学第六章连接

ATGCATGCDNA的化学结构示意图环境微生物学第六章要点(1)DNA由2条反平行的脱氧多核苷酸链构成，两条链绕同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋。(2)每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成，位于螺旋外侧，碱基位于螺旋的内侧，碱基平面与螺旋中心轴垂直，螺旋表面有2条螺旋形的凹槽：大沟和小沟。(3)双螺旋的直径是2nm，沿中心轴每个螺旋周期有10个核苷酸对，螺距为3.4nm，碱基对之间的距离为0.34nm。(4)两链间的碱基以氢键互相配对。A与T配，有2个氢键；G与C配，有3个氢键。环境微生物学第六章双螺旋结构有A、B、Z三种类型。A型螺旋比B型螺旋拧得紧一些。Z型螺旋是左手螺旋。

但目前公认B型螺旋是最接近天然状态的DNA结构，也是细胞内DNA的主要存在形式。环境微生物学第六章

特定的种或菌株的DNA分子，其碱基顺序固定不变，保证了遗传的稳定性。

一旦DNA的个别部位发生了碱基排列顺序的变化,都会导致死亡或发生遗传性状的改变。例如:在特定部位丢掉一个或一小段碱基增加一个或一小段碱基改变了DNA链的长短和碱基顺序环境微生物学第六章a.氢键。两条链间碱基的相互作用，A与T间两个氢键，G与C间三个氢键，虽然氢键是一个弱键，但DNA中氢键数量大，所以氢键是比较重要的因素。b.碱基堆积力(basestackingaction)。是一条链上相邻两个平行碱基环间的相互作用，这是来自芳香族碱基π键电子之间的相互作用，是维持DNA双螺旋稳定的主要因素。碱基堆积使双螺旋内部形成疏水核心，从而有利于碱基间形成氢键。c.离子键。DNA分子中磷酸基团在生理条件下解离，使DNA成为一种多阴离子，这有利于与带正电荷的组蛋白或介质中的阳离子间形成静电作用，能减少双链间的静电排斥，有利于双螺旋的稳定。DNA双螺旋结构的稳定因素环境微生物学第六章（3）三股螺旋结构的DNA

a.科学家在实验室设计并合成由15-25个核苷酸组成的短链反义核酸，这些反义核酸可被绑到DNA中形成三股螺旋的DNA。b.1992年我国科学家首先发现具有三股螺旋的天然DNA，已被国际公认。环境微生物学第六章3、DNA的三级结构——超螺旋

DNA的三级结构是指双螺旋基础上分子的进一步扭曲或再次螺旋所形成的构象。

其中，超螺旋(superhelix)是最常见也是研究最多的DNA三级结构。环境微生物学第六章

细胞内的DNA主要以超螺旋形式存在。当超螺旋DNA的一条链上出现一个缺口时，超螺旋结构就会松开，而形成开环型结构。a.为直线型双螺旋结构；b.为开环型结构；c.为闭环型超螺旋结构环境微生物学第六章(一)DNA的存在形式1、真核生物：真核生物(人、高等动物、植物、真菌、藻类及原生动物)的DNA和组蛋白等组成染色体，少的几个，多的几十或更多，染色体呈丝状结构，细胞内所有染色体由核膜包裹成一个细胞核。2、原核微生物：原核微生物的DNA只与很少量的蛋白质结合，也没有核膜包裹，单纯由一条DNA细丝构成环状的染色体，位于细胞的中央，高度折叠形成具有空间结构的一个核区。环境微生物学第六章（二）、基因及遗传信息传递基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制能力的遗传功能单位。它是DNA分子上一个具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。环境微生物学第六章(2)分类(按功能分)

(a)结构基因：编码蛋白质或酶的结构，控制蛋白质或酶的合成，但tRNA和rRNA基因不编码蛋白质；如，大肠杆菌三种有关利用乳糖的酶是由三个结构基因决定的；(b)操纵基因或操纵区：它的功能像“开关”，操纵三个结构基因的表达；

(c)调节基因，它是控制结构基因的。由调节基因决定一种阻抑蛋白封闭操纵区的作用，使三个结构基因都不能表达，阻抑了酶的合成。当培养基中有乳糖时阻抑蛋白失活，不能封闭操纵基因，因而结构基因得以表达，合成能利用乳糖的酶。o.操纵基因；a,b,c结构基因；R.调节基因；L.乳糖；A.B.C蛋白质环境微生物学第六章(三)、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。环境微生物学第六章

首先是DNA分子中的两条互补的多核苷酸链之间的氢键断裂，彼此分开成两条单链，然后各自以原有的多核苷酸链为模板，根据碱基配对的原则吸收细胞中游离的核苷酸，按照原有链上的碱基排列顺序，各自合成出一条新的互补的多核苷酸链，新合成的一条多核苷酸链和原有的多核苷酸链又可以氢键连接成新的双螺旋结构。半保留复制——DNA两条链都作为模板合成两条新链环境微生物学第六章环境微生物学第六章三、DNA的变性和复性核酸变性：是指核酸双螺旋结构解开，氢键断裂，但并不涉及核苷酸间磷酸二酯键的断裂。DNA的复性：变性DNA在适当条件下，又可使两条彼此分离的链重新缔合而形成双螺旋结构，这一过程又称为退火。复性后的DNA可基本恢复一系列的理化性质，生物学活性也可得到部分恢复。环境微生物学第六章

引起变性的外部因素：加热、极端的pH、有机溶剂、尿素和甲硫胺等。它们都能破坏氢键、疏水键、碱基堆积力，从而破坏双螺旋。

DNA的变性可发生在一个很窄的温度范围内。环境微生物学第六章DNA的变性和复性图

图6-7DNA的解链曲线经加热成单链DNA双链DNA重新形成图6-8变性DNA重新形成双链DNA的过程缓慢冷却单链DNA熔解DNA双链DNATm=92.6℃

温度/℃DNA变性和蛋白质变性的区别？？？环境微生物学第六章三、RNA1、DNA与RNA的区别

(1)RNA的戊糖为核糖，DNA的为脱氧核糖；(2)RNA的四种碱基中没有胸腺嘧啶(T)，以尿嘧啶(uracil,简称U)代替；即为A、C、G、U；(3)RNA是单链自身回折结构；碱基配对：A－U，G－C。环境微生物学第六章2、RNA的种类(1)mRNA(messengerRNA)：约占总RNA量的5％。其上带有指导氨基酸的信息密码(三联密码子)，作用是翻译氨基酸，将遗传信息从DNA传到蛋白质，在肽链合成中起决定氨基酸排列顺序的模板作用。(2)tRNA(transferRNA)：约占总RNA的15％，相对分子量较小，游离于胞质中。其上有和mRNA互补的反密码子，能识别氨基酸及识别mRNA上的密码子，在tRNA-氨基酸合成酶的作用下传递氨基酸(实际上是起翻译作用)。环境微生物学第六章(3)rRNA(ribosomalRNA)：约占总RNA量的80％，相对分子量较高，是核糖体的组成成分(占60％左右)，核糖体是蛋白质合成(翻译)的场所。(4)反义RNA：能与DNA的碱基互补，并能阻止、干扰复制转录和翻译的短小的RNA。环境微生物学第六章

第二位置

第一位置mRNA的5’端

U

UCAG

UCAG

第三位置mRNA的3’端

UUU苯丙氨酸UUC苯丙氨酸UUA亮氨酸UUG亮氨酸UCU丝氨酸UCC丝氨酸UCA丝氨酸UCG丝氨酸UAU酪氨酸UAC酪氨酸UAA终止UAG终止UGU半胱氨酸UGC半胱氨酸UGA终止UGG色氨酸

C

CUU亮氨酸CUC亮氨酸CUA亮氨酸CUG亮氨酸CCU脯氨酸CCC脯氨酸CCA脯氨酸CCG脯氨酸CAU组氨酸CAC组氨酸CAA谷氨酰氨CAG谷氨酰氨CGU精氨酸CGC精氨酸CGA精氨酸CGG精氨酸UCAG

A

AUU异亮氨酸AUC异亮氨酸AUA异亮氨酸AUG甲硫氨酸ACU苏氨酸ACC苏氨酸ACA苏氨酸ACG苏氨酸AAU天门冬酰氨AAC天门冬酰氨AAA赖氨酸AAG赖氨酸AGU丝氨酸AGC丝氨酸AGA精氨酸AGG精氨酸UCAG

G

GUU缬氨酸GUC缬氨酸GUA缬氨酸GUG缬氨酸GCU丙氨酸GCC丙氨酸GCA丙氨酸GCG丙氨酸GAU天门冬氨酸GAC天门冬氨酸GAA谷氨酸GAG谷氨酸GGU甘氨酸GGC甘氨酸GGA甘氨酸GGG甘氨酸UCAG四、遗传密码环境微生物学第六章图6-10生长期细菌群体的RNA、DNA和蛋白质含量的变化五、微生物生长与蛋白质合成环境微生物学第六章2、蛋白质合成过程(1)复制：决定该种蛋白质分子结构的相应一段DNA链(结构基因)的自我复制；(2)转录：蛋白质不能直接由DNA合成，而通过DNA的副本RNA合成。转录是双链DNA分开，以其中的一条单链为模板转录出一条mRNA。新转录的mRNA链的核苷酸碱基的排列顺序与模板DNA链的核苷酸碱基排列顺序互补。同样，也可以DNA分子的某些部分核苷酸碱基顺序转录成tRNA和rRNA。环境微生物学第六章(3)翻译：翻译是由tRNA完成的，tRNA链上有与mRNA链上对氨基酸顺序编码的核苷酸碱基顺序(密码子)互补的反密码子tRNA具有特定识别作用的两端：一端识别特定的、在ATP和氨基酸合成酶作用下被活化的氨基酸，并与之暂时结合形成氨基酸－tRNA的结合分子。另一端有三个核苷酸碱基顺序组成反密码子。tRNA上的反密码子能识别mRNA上的与之互补的密码子，并与之暂时结合。环境微生物学第六章(4)蛋白质合成：通过两端识别作用，把特定氨基酸转送到一定位置上，使不同的氨基酸按照mRNA上的碱基顺序连接起来，在多肽合成酶的作用下合成多肽链(mRNA的碱基顺序决定了多肽链上氨基酸的排列顺序)，多肽链合成后组成特定的蛋白质结构。环境微生物学第六章图6-11原核微生物的DNA转录为mRNA示意图注：图中启动子即启动密码，终止子即终止密码

环境微生物学第六章图6-13真核微生物的DNA转录（mRNA合成）环境微生物学第六章原核生物与真核生物RNA转录的区别

1.真核生物RNA的转录是在细胞核内，翻译在细胞质中进行；原核生物则在核区同时进行转录和翻译；

2.真核生物一个mRNA只编码一个基因；原核生物一个mRNA编码多个基因；

3.真核生物有RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等三种不同的酶；原核生物则只有一种RNA聚合酶；

4.真核生物中转录的起始更复杂，RNA的合成需要转录因子的协助进行转录；原核生物则较为简单；

5.真核生物的mRNA转录后进行加工，然后运送到细胞质中进行翻译；原核生物无需进行加工，边转录边翻译。环境微生物学第六章原核生物转录水平的调控-乳糖操纵子模型1.调节基因和结构基因.环境微生物学第六章2调控位点

(1)Operator操纵基因

(2)CAP(catabolitegeneactivationprotein)orCRP(cAMP受体蛋白)结合位点

(3)Promotor3别乳糖为诱导物4本底组成型(backgroundconstitutivesynthesis)

组成型(constitutivegene)

即看家基因（Houskeepinggene)环境微生物学第六章未发现环境微生物学第六章乳糖环境微生物学第六章环境微生物学第六章环境微生物学第六章第二节微生物的变异环境微生物学第六章一、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环境微生物学第六章（二）诱发突变指在细菌的环境中加入理化因素而诱导细菌发生的突变。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。环境微生物学第六章（2）DNA损伤的修复①光复活和暗复活光复活：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环境微生物学第六章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。环境微生物学第六章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。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。环境微生物学第六章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的作用形式有三类：（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。

环境微生物学第六章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。环境微生物学第六章（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。环境微生物学第六章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。环境微生物学第六章第三节基因重组环境微生物学第六章一、定义

两个独立基因组内的遗传基因，通过一定的途径转移到一起，形成新的稳定基因组的过程，称为基因重组(generecombination)或遗传重组(geneticrecombination)，简称重组。可通过杂交、转化等手段达到基因重组。环境微生物学第六章二、杂交(接合)

杂交是通过双亲细胞的融合，使整套染色体的基因重组(如酵母菌和霉菌等)，或者是通过双亲细胞的沟通，使部分染色体基因重组(如细菌)。

在真核微生物和原核微生物中可通过杂交获得有目的的、定向的新品种。如含有固氮基因的肺炎克氏杆菌(Klebsiellapneumoniae)的固氮基因传递给大肠杆菌，产生了含有固氮基因并有固氮能力的nif+大肠杆菌，对农业生产和缺氮的工业废水处理很有意义。环境微生物学第六章三、转化(transformation)（引进）

受菌体直接吸收供菌体的DNA片断而获得后者部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。DNA片断新的性状细胞供体细胞研碎微生物转化过程基本过程：

1928年，Griffith发现肺炎链球菌的转化现象,目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力。

通过转化方式而形成的杂种后代，称转化子(transformant)。环境微生物学第六章环境微生物学第六章环境微生物学第六章四、转导(transduction)（间谍窃取）

通过缺陷噬菌体(defectivephage)的媒介，把供体细胞的小片段DNA携到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。

由转导作用而获得部分新性状的重组细胞，称为转导子(transductant)。环境微生物学第六章TransductionFigure8.28Recombinant1PhageproteincoatBacterialchromosome23BacterialDNAPhageDNA4Recipientcell5DonorbacterialDNARecipientbacterialDNARecombinantcellAphageinfectsthedonorbacterialcell.PhageDNAandproteinsaremade,andthebacterialchromosomeisbrokendownintopieces.Occasionallyduringphageassembly,piecesofbacterialDNAarepackagedinaphagecapsid.ThenthedonorcelllysesandreleasesphageparticlescontainingbacterialDNA.AphagecarryingbacterialDNAinfectsanewhostcell,therecipientcell.Recombinantcanoccur,producingarecombinantcellwithagenotypedifferentfromboththedonorandrecipientcells.环境微生物学第六章第四节突变体及重组子的检测与筛选

人们用某种诱变因子诱导微生物产生突变体，目的是为了从中获得优良的目的品种突变体。因此，需要用一定的检测方法检测与筛选。

一、突变体的检测的方法

（一）直接检测表现型

直接检测表现型是最简便易行的检测方法。

识别特征：光滑型菌落（正常细菌）粗糙型菌落（突变株）通过观察菌落就可识别，直观而又快速。正常细菌原产红色素、呈红色的菌落突变株无色菌落诱变、培养环境微生物学第六章图6-20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环境微生物学第六章（二）间接检测法

有许多的突变体不能用直接检测获得，如高温菌、低温菌、嗜酸菌、嗜碱菌及营养缺陷型的微生物要通过控制培养条件而获得。对于转入质粒等的重组子，可以采用抗性进行筛选。环境微生物学第六章第五节分子遗传学新技术在环境工程与环境保护中的应用环境微生物学第六章一、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，根据其数目分为严紧型和松弛型两类。严紧型质粒多半是一些具有自身传递性能力的大质粒，其DNA复制与宿主染色体DNA复制相偶联，每个细胞仅1-2个拷贝，不能充当载体。松弛型质粒约为10-200个，DNA复制不与染色体DNA偶联复制调控以松弛的方式进行。环境微生物学第六章

根据质粒的功能可分为抗药性质粒、降解