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第六章微生物遗传与变异环境微生物学专业知识专家讲座第1页“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,九子各不一样

”又说明什么问题?变异现象环境微生物学专业知识专家讲座第2页

亲代性状在子代表现出来,使子代与亲代有相同现象,叫遗传。从分子水平上讲,遗传就是遗传信息复制和表示。生物亲代与子代之间,子代个体之间有差异现象,主要表达在形态和生理性状。从分子水平讲,是遗传信息发生了改变。遗传(heredity)

变异(variation)

环境微生物学专业知识专家讲座第3页遗传型——生物体所携带全部遗传因子或基因总称。表型——含有一定遗传性个体在特定外界环境中经过生长发育所表现出来种种形态和生理特征总和。有些基因结构未发生改变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改变,而且往往是不可逆改变,此改变能够遗传给子代形成新品种。遗传是相正确,变异是绝正确;遗传中有变异,变异中有遗传。环境微生物学专业知识专家讲座第4页第一节微生物遗传一、DNA是遗传物质三个经典试验证实了核酸(DNA和RNA)是遗传物质基础。1.肺炎链球菌转化现象2.噬菌体感染试验3.植物病毒重建试验环境微生物学专业知识专家讲座第5页一、遗传变异物质基础环境微生物学专业知识专家讲座第6页①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外酶③加S菌DNA和DNA酶④加S菌RNA⑤加S菌蛋白质⑥加S菌荚膜多糖活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各种成份,并在离体条件下进行了转化试验:环境微生物学专业知识专家讲座第7页只有S型细菌DNA才能将S.pneumoniaeR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型菌株是遗传因子,即DNA。环境微生物学专业知识专家讲座第8页32P标识噬菌体DNA35S标识噬菌体蛋白质外壳大多数噬菌体DNA存在于细菌中,而外壳留在上清液中。噬菌体感染试验环境微生物学专业知识专家讲座第9页植物病毒重建试验证实了RNA为遗传物质1956,Fraenkel-conrat用含有RNATMV和HRV进行了植物病毒重建试验。环境微生物学专业知识专家讲座第10页证实杂种病毒蛋白质外壳来自病毒1,而非病毒2生化提取分别取得含RNA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)杂种病毒后代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专业知识专家讲座第11页核外DNA种类核外染色体真核生物“质粒”原核生物质粒 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专业知识专家讲座第12页卡巴颗粒环境微生物学专业知识专家讲座第13页(1)DNA由2条反平行脱氧多核苷酸链组成,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,碱基位于螺旋内侧,碱基平面与螺旋中心轴垂直,螺旋表面有2条螺旋形凹槽:大沟和小沟。(3)双螺旋直径是2nm,沿中心轴每个螺旋周期有10个核苷酸对,螺距为3.4nm,碱基对之间距离为0.34nm。(4)两链间碱基以氢键相互配对。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结构与复制环境微生物学专业知识专家讲座第14页脱氧核糖碱基磷酸AGCT基本单位-脱氧核苷酸环境微生物学专业知识专家讲座第15页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种类环境微生物学专业知识专家讲座第16页连接

ATGCATGCDNA化学结构示意图环境微生物学专业知识专家讲座第17页关键点(1)DNA由2条反平行脱氧多核苷酸链组成,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,碱基位于螺旋内侧,碱基平面与螺旋中心轴垂直,螺旋表面有2条螺旋形凹槽:大沟和小沟。(3)双螺旋直径是2nm,沿中心轴每个螺旋周期有10个核苷酸对,螺距为3.4nm,碱基对之间距离为0.34nm。(4)两链间碱基以氢键相互配对。A与T配,有2个氢键;G与C配,有3个氢键。环境微生物学专业知识专家讲座第18页双螺旋结构有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。

但当前公认B型螺旋是最靠近天然状态DNA结构,也是细胞内DNA主要存在形式。环境微生物学专业知识专家讲座第19页特定种或菌株DNA分子,其碱基次序固定不变,确保了遗传稳定性。一旦DNA个别部位发生了碱基排列次序改变,都会造成死亡或发生遗传性状改变。比如: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链长短和碱基次序环境微生物学专业知识专家讲座第20页a.氢键。两条链间碱基相互作用,A与T间两个氢键,G与C间三个氢键,即使氢键是一个弱键,但DNA中氢键数量大,所以氢键是比较主要原因。b.碱基堆积力(basestackingaction)。是一条链上相邻两个平行碱基环间相互作用,这是来自芳香族碱基π键电子之间相互作用,是维持DNA双螺旋稳定主要原因。碱基堆积使双螺旋内部形成疏水关键,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成为一个多阴离子,这有利于与带正电荷组蛋白或介质中阳离子间形成静电作用,能降低双链间静电排斥,有利于双螺旋稳定。DNA双螺旋结构稳定原因环境微生物学专业知识专家讲座第21页(3)三股螺旋结构DNA

a.科学家在试验室设计并合成由15-25个核苷酸组成短链反义核酸,这些反义核酸可被绑到DNA中形成三股螺旋DNA。b.1992年我国科学家首先发觉含有三股螺旋天然DNA,已被国际公认。环境微生物学专业知识专家讲座第22页3、DNA三级结构——超螺旋

DNA三级结构是指双螺旋基础上分子深入扭曲或再次螺旋所形成构象。其中,超螺旋(superhelix)是最常见也是研究最多DNA三级结构。环境微生物学专业知识专家讲座第23页细胞内DNA主要以超螺旋形式存在。当超螺旋DNA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专业知识专家讲座第24页(一)DNA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)DNA和组蛋白等组成染色体,少几个,多几十或更多,染色体呈丝状结构,细胞内全部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DNA只与极少许蛋白质结合,也没有核膜包裹,单纯由一条DNA细丝组成环状染色体,位于细胞中央,高度折叠形成含有空间结构一个核区。环境微生物学专业知识专家讲座第25页(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、有自我复制能力遗传功效单位。它是DNA分子上一个含有特定碱基次序,即核苷酸次序片断。环境微生物学专业知识专家讲座第26页(2)分类(按功效分)

(a)结构基因:编码蛋白质或酶结构,控制蛋白质或酶合成,但tRNA和rRNA基因不编码蛋白质;如,大肠杆菌三种相关利用乳糖酶是由三个结构基因决定;(b)操纵基因或操纵区:它功效像“开关”,操纵三个结构基因表示;

(c)调整基因,它是控制结构基因。由调整基因决定一个阻抑蛋白封闭操纵区作用,使三个结构基因都不能表示,阻抑了酶合成。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示,合成能利用乳糖酶。o.操纵基因;a,b,c结构基因;R.调整基因;L.乳糖;A.B.C蛋白质环境微生物学专业知识专家讲座第27页(三)、DNA复制半保留复制——以亲代DNA分子两条链为模板合成各自互补链,形成两个子代DNA分子过程称为复制,这个过程是半保留复制即合成新DNA分子时,子代DNA一条链来自亲代,另一条链为新合成互补链。环境微生物学专业知识专家讲座第28页

首先是DNA分子中两条互补多核苷酸链之间氢键断裂,彼此分开成两条单链,然后各自以原有多核苷酸链为模板,依据碱基配正确标准吸收细胞中游离核苷酸,按照原有链上碱基排列次序,各自合成出一条新互补多核苷酸链,新合成一条多核苷酸链和原有多核苷酸链又能够氢键连接成新双螺旋结构。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专业知识专家讲座第29页环境微生物学专业知识专家讲座第30页三、DNA变性和复性核酸变性:是指核酸双螺旋结构解开,氢键断裂,但并不包括核苷酸间磷酸二酯键断裂。DNA复性:变性DNA在适当条件下,又可使两条彼此分离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DNA可基本恢复一系列理化性质,生物学活性也可得到部分恢复。环境微生物学专业知识专家讲座第31页引发变性外部原因:加热、极端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变性可发生在一个很窄温度范围内。环境微生物学专业知识专家讲座第32页DNA变性和复性图图6-7DNA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过程迟缓冷却单链DNA熔解DNA双链DNATm=92.6℃

温度/℃

DNA变性和蛋白质变性区分???环境微生物学专业知识专家讲座第33页三、RNA1、DNA与RNA区分

(1)RNA戊糖为核糖,DNA为脱氧核糖;(2)RNA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是单链本身回折结构;碱基配对:A-U,G-C。环境微生物学专业知识专家讲座第34页2、RNA种类(1)mRNA(messengerRNA):约占总RNA量5%。其上带有指导氨基酸信息密码(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次序模板作用。(2)tRNA(transferRNA):约占总RNA15%,相对分子量较小,游离于胞质中。其上有和mRNA互补反密码子,能识别氨基酸及识别mRNA上密码子,在tRNA-氨基酸合成酶作用下传递氨基酸(实际上是起翻译作用)。环境微生物学专业知识专家讲座第35页(3)rRNA(ribosomalRNA):约占总RNA量80%,相对分子量较高,是核糖体组成成份(占60%左右),核糖体是蛋白质合成(翻译)场所。(4)反义RNA:能与DNA碱基互补,并能阻止、干扰复制转录和翻译短小RNA。环境微生物学专业知识专家讲座第36页

第二位置

第一位置mRNA5’端

U

UCAG

UCAG

第三位置mRNA3’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专业知识专家讲座第37页图6-10生长久细菌群体RNA、DNA和蛋白质含量改变五、微生物生长与蛋白质合成环境微生物学专业知识专家讲座第38页2、蛋白质合成过程(1)复制:决定该种蛋白质分子结构对应一段DNA链(结构基因)自我复制;(2)转录:蛋白质不能直接由DNA合成,而经过DNA副本RNA合成。转录是双链DNA分开,以其中一条单链为模板转录出一条mRNA。新转录mRNA链核苷酸碱基排列次序与模板DNA链核苷酸碱基排列次序互补。一样,也能够DNA分子一些部分核苷酸碱基次序转录成tRNA和rRNA。环境微生物学专业知识专家讲座第39页(3)翻译:翻译是由tRNA完成,tRNA链上有与mRNA链上对氨基酸次序编码核苷酸碱基次序(密码子)互补反密码子tRNA含有特定识别作用两端:一端识别特定、在ATP和氨基酸合成酶作用下被活化氨基酸,并与之暂时结合形成氨基酸-tRNA结合分子。另一端有三个核苷酸碱基次序组成反密码子。tRNA上反密码子能识别mRNA上与之互补密码子,并与之暂时结合。环境微生物学专业知识专家讲座第40页(4)蛋白质合成:经过两端识别作用,把特定氨基酸转送到一定位置上,使不一样氨基酸按照mRNA上碱基次序连接起来,在多肽合成酶作用下合成多肽链(mRNA碱基次序决定了多肽链上氨基酸排列次序),多肽链合成后组成特定蛋白质结构。环境微生物学专业知识专家讲座第41页图6-11原核微生物DNA转录为mRNA示意图注:图中开启子即开启密码,终止子即终止密码

环境微生物学专业知识专家讲座第42页图6-13真核微生物DNA转录(mRNA合成)环境微生物学专业知识专家讲座第43页原核生物与真核生物RNA转录区分

1.真核生物RNA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等三种不一样酶;原核生物则只有一个RNA聚合酶;

4.真核生物中转录起始更复杂,RNA合成需要转录因子帮助进行转录;原核生物则较为简单;

5.真核生物mRNA转录后进行加工,然后运输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。环境微生物学专业知识专家讲座第44页原核生物转录水平调控-乳糖操纵子模型1.调整基因和结构基因.环境微生物学专业知识专家讲座第45页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)环境微生物学专业知识专家讲座第46页未发觉环境微生物学专业知识专家讲座第47页乳糖环境微生物学专业知识专家讲座第48页环境微生物学专业知识专家讲座第49页环境微生物学专业知识专家讲座第50页第二节微生物变异环境微生物学专业知识专家讲座第51页一、变异实质——基因突变基因突变:DNA因某种原因引发碱基缺失、置换或插入,改变了基因内部原有碱基排列次序,从而引发其后代表型改变.二、突变类型(一)自发突变:指微生物在自然条件下,没有些人工参加而发生基因突变环境微生物学专业知识专家讲座第52页(二)诱发突变指在细菌环境中加入理化原因而诱导细菌发生突变。凡提升突变率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:主要生物效应是DNA吸收紫外辐射,引发DNA结构改变。引发DNA结构改变有很多方面:DNA断裂、DNA交联、DNA与蛋白质交联、胞嘧啶与鸟嘌呤水合作用及嘧啶二聚体形成。环境微生物学专业知识专家讲座第53页(2)DNA损伤修复①光复活和暗复活光复活:光裂合酶在可见光下(300-500nm)会因取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专业知识专家讲座第54页②切除修复:需要三种酶协同作用,不需要可见光激活。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,最终DNA连接酶缝合新合成DNA片段和原DNA片段。③重组修复:必须在DNA进行复制情况下进行,所以又称复制后修复。大肠杆菌能够在不切除胸腺二聚体情况下以带有二聚体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。环境微生物学专业知识专家讲座第55页④SOS修复:DNA大范围损失作为一个求救信号引发设计DNA修复各种细胞功效参加诱导作用。正常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,开启SOS系统。一旦修复完成,SOS系统关闭。SOS系统是一个倾向差错DNA修复机制,可造成突变。⑤适应性修复:细菌因为长久接触低剂量诱变剂会产生修复蛋白酶,修复DNA上因甲基化而遭受损伤。环境微生物学专业知识专家讲座第56页2、化学诱变化学诱变可造成碱基正确置换转换(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)直接引发置换诱变剂是一类可直接与核酸碱基发生化学反应诱变剂。可与一个或几个核苷酸发生化学反应,引发DNA复制时碱基配正确转换。

环境微生物学专业知识专家讲座第57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,引发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经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。环境微生物学专业知识专家讲座第58页(2)间接引发置换诱变剂: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。它们作用是经过活细胞代谢活动掺入到DNA分子后引发,所以是间接。(3)引发移码突变诱变剂:由诱变剂引发DNA分子中一个或少数几个核苷酸增添、插入或缺失,从而使该部位后面全部遗传密码发生转录和转译错误一类突变。环境微生物学专业知识专家讲座第59页3、复合处理及协同效应两种或各种诱变剂先后使用;同一个诱变剂重复使用;两种或各种诱变剂同时使用4、定向培育与驯化:用某一特定环境长久处理某一微生物群体,不停移种传代,从中选择含有合格性状自发突变体。因自发突变率低,变异程度低,培育进程很迟缓。

环境工程中仍采取定向培育方法培育菌种——驯化。环境微生物学专业知识专家讲座第60页第三节基因重组环境微生物学专业知识专家讲座第61页一、定义

两个独立基因组内遗传基因,经过一定路径转移到一起,形成新稳定基因组过程,称为基因重组(generecombination)或遗传重组(geneticrecombination),简称重组。可经过杂交、转化等伎俩到达基因重组。环境微生物学专业知识专家讲座第62页二、杂交(接合)杂交是经过双亲细胞融合,使整套染色体基因重组(如酵母菌和霉菌等),或者是经过双亲细胞沟通,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经过杂交取得有目标、定向新品种。如含有固氮基因肺炎克氏杆菌(Klebsiellapneumoniae)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nif+大肠杆菌,对农业生产和缺氮工业废水处理很有意义。环境微生物学专业知识专家讲座第63页三、转化(transformation)(引进)

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

1928年,Griffith发觉肺炎链球菌转化现象,当前已知有二十多个种细菌含有自然转化能力。经过转化方式而形成杂种后代,称转化子(transformant)。环境微生物学专业知识专家讲座第64页环境微生物学专业知识专家讲座第65页环境微生物学专业知识专家讲座第66页四、转导(transduction)(间谍窃取)

经过缺点噬菌体(defectivephage)媒介,把供体细胞小片段DNA携到受体细胞中,经过交换与整合,使后者取得前者部分遗传性状现象,称为转导。由转导作用而取得部分新性状重组细胞,称为转导子(transductant)。环境微生物学专业知识专家讲座第67页TransductionFigure8.28Recombinant1PhageproteincoatBacterialchromosome23BacterialDNAPhageDNA4Recipientcell5DonorbacterialDNARecipientbacterialDNARecombinantcellAphageinfectsthedonorbacterialcell.PhageDNAandproteinsaremade,andthebacterialchromosomeisbrokendownintopieces.Occasionallyduringphageassembly,piecesofbacterialDNAarepackagedinaphagecapsid.ThenthedonorcelllysesandreleasesphageparticlescontainingbacterialDNA.AphagecarryingbacterialDNAinfectsanewhostcell,therecipientcell.Recombinantcanoccur,producingarecombinantcellwithagenotypedifferentfromboththedonorandrecipientcells.环境微生物学专业知识专家讲座第68页第四节突变体及重组子检测与筛选

人们用某种诱变因子诱导微生物产生突变体,目标是为了从中取得优良目标品种突变体。所以,需要用一定检测方法检测与筛选。

一、突变体检测方法

(一)直接检测表现型

直接检测表现型是最简便易行检测方法。

识别特征:光滑型菌落(正常细菌)粗糙型菌落(突变株)经过观察菌落就可识别,直观而又快速。正常细菌原产红色素、呈红色菌落突变株无色菌落诱变、培养环境微生物学专业知识专家讲座第69页图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专业知识专家讲座第70页(二)间接检测法有许多突变体不能用直接检测取得,如高温菌、低温菌、嗜酸菌、嗜碱菌及营养缺点型微生物要经过控制培养条件而取得。对于转入质粒等重组子,能够采取抗性进行筛选。环境微生物学专业知识专家讲座第71页第五节分子遗传学新技术在环境工程与环境保护中应用环境微生物学专业知识专家讲座第72页一、遗传工程技术在环境保护中应用(一)质粒育种质粒是细菌体内一个独立于染色体外,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。不带有主要基因,存在是否不对细菌产生致死效应。不一样质

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