第七章 微生物遗传和变异1

第六章微生物的遗传和变异

遗传和变异是一切生物最本质的属性。微生物的遗传：微生物将其生长发育所需要的营养类型和环境条件，以及对这些营养和外界环境条件产生一定反应，或出现的一定性状传给后代，并相对稳定地一代一代传下去。遗传（保守性）

微生物的变异：当微生物从它适应的环境迁移到不适应的环境后，微生物改变自己对营养和环境条件的要求，在新的生活条件下产生适应新环境的酶，从而适应新环境并生长良好。

基因型：生物体所含有的全部遗传因子所携带的遗传信息。

表型：某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体体现。饰变：指外表的修饰性改变，它不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素。遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变异，变异中有遗传。对于育种的意义

在污水和有机固体废物生物处理过程中，可利用自然条件或物理、化学因素来促进微生物变异，使它符合生产实战的需要。

在工业废水生物处理过程中，用含有某些污染物的工业废水筛选、培养来自处理其他废水的菌种，使它们适应该种工业废水并有效降解其中污染物能力的方法叫驯化。

第一节微生物的遗传一、遗传和变异的物质基础

1、三个经典试验

（1）转化实验CAI

Griffith(1928)用肺炎链球菌S型和R型菌株进行实验

Avery等人的实验（1944）

（2）噬菌体感染实验

Hershey和Chase(1952)

（3）植物病毒的重建实验CAI

Fraenkel-Conrat(1956)

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，其余生物均为DNA。按其在细胞中的存在形式可分为染色体DNA和染色体外DNA。

原核微生物的DNA不与蛋白质结合，也没有核膜，而是由一条DNA细丝构成的环状染色体，拉直时比细胞长许多倍，它在细胞的中央，高度折叠形成具有空间结构的核区。原核微生物DNA的负电荷被Mg2+和有机碱中和。真核生物的DNA与组蛋白结合在一起形成核染色体，染色体呈丝状结构，细胞内所有染色体由核膜包裹构成真正的细胞核。

3、基因和遗传信息的传递（1）基因基因是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位，为一条有特定核苷酸排列序列的核酸片段。原核生物基因包括：操纵子与其调节基因

操纵子包括：结构基因操纵基因启动基因

结构基因：决定蛋白质合成中氨基酸的排列顺序操纵基因：控制结构基因的转录（执行off功能）启动基因：是DNA聚合酶的结合部位和转录的启动部位（执行on功能）调节基因：转录阻遏蛋白的mRNA，转译阻遏蛋白，后者与操纵基因结合控制结构基因是否转录蛋白质。

每个基因约1000～1500bp，分子量约6×105，每个细菌约具有5000～10000个基因。基因控制遗传性状，任何一个遗传性状的表现都是在基因控制下的个体发育的结果。

（2）遗传信息的传递遗传信息的传递可概括为3个步骤：

①将携带遗传信息的DNA复制；②将DNA携带的遗传信息转录到RNA上；③将RNA获得的信息翻译成蛋白质。

某些RNA病毒，侵入宿主后，通过反转录酶的作用，由RNA反转录为DNA。这种DNA的复制和遗传信息传递的基本规则，称为分子遗传学中的中心法则。中心法则

二、DNA的结构与复制

1、

DNA的结构

DNA由两条多核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互补，排列方向相反，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕，形成具有一定空间距离的双螺旋结构。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。

1953年的克里克（FrancisCrick,1916-2004)（右）和沃森(JamesWatson，1928-)在实验室里，他们两人因为发现了DNA的分子结构，而在1962年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。

核苷酸的结构

四种碱基的结构DNA分子结构A与T、G与C的配对（依靠氢键连接）

2、DNA的复制CAI

半保留复制：首先DNA双螺旋分子在解旋酶的作用下，两条多核苷酸链之间的氢键断裂，分离成两条单链，然后各自以原有的多核苷酸链为模板，根据碱基配对原则合成新的互补链，这样形成的两个子代DNA分子与原来的DNA分子完全相同，故称之为复制。又因子代DNA分子的双链一条来自亲代，另一条是新合成的，故称为半保留复制。

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。

原核微生物DNA的复制从一个位点开始，快速生长的微生物在同一时间里有多个复制点。真核微生物DNA的复制同时在各染色体中进行，在每个染色体中多位点上的DNA复制同时进行。

三、DNA的复性与变性

1、DNA变性

当天然双链DNA分子在热、酸或碱等因素作用下，氢键被破坏，成为不规则的卷曲单链，称为DNA变性。

DNA变性时，双螺旋松解，碱基暴露，OD260值增加（增色效应）。

DNA的变性作用发生在一个很窄的温度范围内，通常把光吸收增值一半时的温度称为该DNA的熔点或熔解温度，用Tm表示。

2、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。

DNA复性时，单链DNA重新恢复双螺旋结构，OD260值减小（减色效应）。

杂交：在DNA复性过程中，将不同的DNA单链分子放在同一溶液中，或将DNA和RNA分子放在一起，双链分子的再形成既可以发生在序列完全互补的核酸分子间，也可发生在碱基序列部分互补的不同的DNA之间或DNA与RNA之间。固相杂交：用硝酸纤维素滤膜

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)。因此RNA链中的碱基配对为A-U、U-A、G-C、C-G。

RNA有四种:tRNA、rRNA、mRNA和反义RNA，它们均由DNA转录而成。分别在蛋白质合成过程中担任不同的角色。RNA来自DNA，通过转录过程生成，RNA上的碱基序列是由DNA所决定的。mRNA叫信使

RNA，作为多聚核苷酸的一级结构，其上带有指导氨基酸的信息密码（三联密码子），它翻译氨基酸，具转递遗传信息的功能。tRNA叫转移RNA，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。反义RNA起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。rRNA（核糖体RNA），和蛋白质结合成的核糖体，为合成蛋白质的场所。由mRNA、tRNA、反义

RNA和rRNA协作,合成蛋白质。

遗传密码遗传密码是存在于mRNA链上由3个核苷酸组成，代表一个氨基酸的核苷酸序列，即三联密码子。

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。储存于DNA的遗传信息通过转录传递到mRNA上，后者结构基因区每三联碱基（密码）代表一种氨基酸，因此密码的排列顺序决定了蛋白质的一级结构乃至高级结构。蛋白质的生物合成即翻译。核酸和蛋白质的合成

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。

第二节微生物的变异微生物子代的表型特征与其亲代的表型特征发生较大差异，这种差异是由于子代的基因发生了突变所引起的，即遗传物质DNA（RNA病毒和噬菌体的RNA）中的核苷酸序列发生了一种稳定的和可遗传的变化。

一、基因突变

基因突变：点突变，由于DNA（RNA病毒和噬菌体的RNA）链上的一对或少数几对碱基被另一个或少数几个碱基对取代发生改变的突变类型。如有荚膜、菌落光滑型的细菌变为无荚菌落粗糙型的细菌。基因突变的特点：1、自发性，基因突变可自发产生；2、不对应性，指突变性状（如抗青霉素）与引起突变的原因无直接对应关系；3、稀有性，通常自发突变的几率在10-6～10-9间；4、独立性，某基因的突变率不受它种基因突变率的影响；5、可诱变性，自发突变的频率可因诱变剂的影响而大为提高（提高10～105倍）；6、稳定性，基因突变后的新遗传性状是稳定的；7、可逆性，野生型菌株某一性状可发生正向突变，也可发生相反的回复突变。二、突变的类型CAI1、自发突变自发突变：指生物体在无人工干预下自然发生的低频率的突变。自发突变的原因：（1）多因素低剂量的诱变效应（2）互变异构效应和环出效应

2、诱发突变

诱变：指通过认为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。

诱变剂：具有诱变效应的任何因素，都称诱变剂。

（1）物理诱变利用物理因素引起基因突变称物理诱变。

物理诱变因素有紫外辐射、X-射线、γ-射线、快中子、β-射线和激光等。

①紫外辐射紫外辐射的生物学效应主要是引起DNA的变化。

DNA链上的碱基对紫外辐射很敏感，因为碱基吸收的光波波长和紫外辐射发射波波长非常接近。DNA强烈吸收紫辐射引起DNA结构变化。其变化形式是多方面的，如DNA链的断裂，DNA分子内和分子间的交联，胞嘧啶和鸟嘌呤的水合作用胸腺嘧啶二聚体的形成等。

紫外辐射的诱变剂量和照射方法：一般在暗室用15W的UV灯，将5mL菌悬液放在直径6cm的培养皿底中，置于距灯管30cm处直接照射，同时用电磁搅拌棒或其他方法均匀旋转并搅动悬液。选用照射时间或杀菌率作为相对剂量，照射时间30s~3min之间，杀菌率为70%~80%，甚至是30%~70%的剂量。②电离辐射

X-射线、β-射线、γ-射线等与DNA分子碰撞时，会将其全部或部分能量传递给原子而产生高能量的次级电子，通过电离作用，直接或间接改变DNA的化学结构。直接作用是使DNA分子中的化学键断裂；而间接作用是从水或有机物中产生自由基，导致DNA分子的损伤或缺失。（2）化学诱变利用化学物质对微生物进行诱变，引起基因突变或染色体畸变，称为化学诱变。

①亚硝酸、硫酸二乙酯等可直接与核酸的碱基发生化学反应，引起DNA复制时碱基配对的转换而引起变异。以亚硝酸为例CAI图7.5-7、3、4、5

②5-溴尿嘧啶、2-氨基嘌呤等碱基类似物，通过活细胞的代谢活动掺与到DNA分子中引起变异。以5-溴尿嘧啶为例CAI图7.5-6③移码突变移码突变：由于DNA序列中一个或少数几个核苷酸发生增添或缺失，从而使该处后面的全部遗传密码的阅读框架发生改变，并进一步引起转录和转译错误的一类突变。能引起移码突变的因素是一些吖啶类染料。图7-11CAI

诱变剂的复合处理常有一定的协同效应，增强诱变效果。复合处理有①两种或多种诱变剂先后使用；②同一诱变剂的重复使用；③两种或多种诱变剂同时使用。

（3）DNA损伤的修复①光复活作用胸腺嘧啶二聚体与光解酶结合（在黑暗下），可见光下光解酶激活，分解二聚体成为单体。光解酶释放，DNA链修复。②切除修复由四种酶参与的修复，不需可见光存在。③重组修复受损伤的DNA复制后，经染色体交换，使子链上的空隙部分面对正常的单链，DNA多聚酶和连接酶修复空隙部分成正常链。

④SOS修复在DNA受到较大范围的重大损伤时诱导产生的一种应急反应，使细胞内所有的修复酶增加合成量，提高酶活性。或诱导产生新的修复酶修复损伤的DNA。

⑤适应性修复细菌由于长期接触低剂量的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。将这种在适应期间产生的修复蛋白的修复作用称为适应性修复。（4）定向培育和驯化定向培育是一种利用微生物的自发突变，并采用特定的选择条件，通过对微生物群体不断移植以选育出优良菌株的古老方法。环境工程中仍采用定向培育的方法培育菌种。在废水生物处理过程中，微生物的变异现象很多，有营养要求的变异，对温度、pH要求的变异，对毒物耐毒能力的变异，个体形态和菌落形态的变异及代谢途径的变异。

第三节基因重组

基因重组：两个不同性状的个体细胞的DNA融合，使基因重新组合，从而发生遗传变异，产生新品种的过程。原核微生物基因重组的方式主要是转化、转导、接合和原生质体融合等。

一、转化转化：受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得后者部分遗传性状的现象，称为转化。

感受态：受体细胞最易接受外源DNA片段，并实现转化的生理状态。感受态因子：调节感受态的特异蛋白，包括：膜相关DNA结合蛋白、细胞壁自溶素、核酸酶。转化因子：离体DNA片段转化过程：

二、转导转导：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，通过交换与整合，后者获得前者部分遗传性状的现象。转导的发现-U型管试验

CAI

1、普遍转导

普遍转导：通过完全缺陷噬菌体对供体菌基因组上的任何小片段DNA进行误包，而将其遗传性状传递给受体菌的现象。CAI

完全缺陷噬菌体：在噬菌体内只含有宿主细胞的DNA2、局限转导局限转导：通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并与后者的基因组整合，形成转导子的现象。CAI

局限转导的特点：（1）只局限于转导供体菌核染色体上的特定基因（噬菌体整合位点两侧的基因）（2）温和噬菌体携带转导的特定基因片断（3）缺陷噬菌体由脱离宿主细胞时“误切”或双重溶源菌裂解形成。（4）局限转导噬菌体需通过紫外线对溶源菌诱导产生。部分缺陷噬菌体：在噬菌体内同时含有宿主细胞的DNA和噬菌体DNA局限转导包括：低频转导高频转导

低频转导：通过一般溶源菌释放缺陷噬菌体所进行的转导，因其只能形成极少数的转导子（10-4～10-6）而称为低频转导。低频裂解物：含有极少数局限转导噬菌体的裂解物

高频转导双重溶源菌：同时感染正常噬菌体和缺陷噬菌体的受体菌诱导双重溶源菌可产生50%的局限转导噬菌体，这样的裂解物为高频转导裂解物，转导受体细胞可获得50%的转导子，称为高频转导。

三、接合

CAI

接合：通过供体菌和受体菌完整细胞间的直接接触，前者的部分DNA进入后者细胞内，并与其核染色体发生交换、整合，从而使后者获得供体菌的遗传性状的现象。接合的检测F因子：F因子是一种属于附加体的质粒，也即它既可脱离核染色体组而在细胞质内游离存在，也可插入即整