水處理辦法生物學(xué)第三章細(xì)菌生長(zhǎng)和遺傳變異

1、水處理辦法生物學(xué)第三章細(xì)菌生長(zhǎng)和遺傳變異2主要內(nèi)容n一、遺傳與變異的基本概念n二、遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)n三、遺傳信息的表達(dá)基因表達(dá)n四、微生物的基因突變n五、基因重組n六、遺傳工程（Genetic engineering）n七、基因工程（Genetic engineering）n八、微生物的馴化活性污泥馴化n九、核酸探針雜交和PCR技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用3自學(xué)作業(yè)n細(xì)菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是什么？n簡(jiǎn)述DNA的復(fù)制過(guò)程？n請(qǐng)說(shuō)明什么是點(diǎn)突變和染色體畸變、自發(fā)突變和誘發(fā)突變？n請(qǐng)分別解釋轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)，三者的區(qū)別是什么？n請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明遺傳工程在環(huán)境工程中的應(yīng)用？n廢水處理中馴化的作用是什么？4n遺傳性：遺傳

2、性：親代性狀在子代重現(xiàn)，使其子代的性狀與親代基本上一致的現(xiàn)象。遺傳性一、遺傳與變異的基本概念5n細(xì)菌同其他生物一樣，有其固有的遺傳性。n細(xì)菌的遺傳是在系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中形成的，系統(tǒng)發(fā)育愈久的細(xì)菌，其遺傳的保守程度愈大，越不易受外界環(huán)境條件的影響。n老齡菌遺傳保守程度比幼齡菌大。遺傳性一、遺傳與變異的基本概念6變異：任何一種生物，親代和子代之間在生理、形態(tài)方面都有一定的差異，這種現(xiàn)象叫變異（個(gè)體形態(tài)、菌落形態(tài)、生理生化特性、代謝產(chǎn)物）變異性基因突變基因重組定義：細(xì)菌的遺傳性狀變化稱變異7細(xì)菌易變異細(xì)菌的繁殖快，又與外界環(huán)境接觸面積大環(huán)境條件在短時(shí)期內(nèi)對(duì)菌體產(chǎn)生多次影響，在受物理、化學(xué)因素影響后，易產(chǎn)

3、生適應(yīng)新環(huán)境的酶（誘導(dǎo)酶），從而改變?cè)械奶匦?，即產(chǎn)生了變異。變異不一定都有遺傳性8細(xì)菌變異形式：個(gè)體形態(tài)的變化，菌落形態(tài)(光滑型粗糙型)的變異，營(yíng)養(yǎng)要求的變異，對(duì)溫度、pH要求的變異，毒性的變異，抗毒能力的變異，生理生化特性的變異及代謝途徑、產(chǎn)物的變異等。9定向培育：有目的地控制微生物生長(zhǎng)條件，使其向人類需要的方向變異。在污水生物處理中稱為馴化（acclimation、adaption）有毒有害廢水、難降解廢水處理，通過(guò)馴化，增強(qiáng)微生物的降解能力，提高處理效果。10二、遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)細(xì)菌的遺傳物質(zhì)： 一切生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是核酸（特別是DNA） 111928年，Griffith進(jìn)行了以下幾組

4、實(shí)驗(yàn)：（1）動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)小鼠注射活RII菌或死SIII菌 小鼠存活對(duì)小鼠注射活SIII菌小鼠死亡對(duì)小鼠注射活RII菌和熱死SIII菌 小鼠死亡抽取心血 分離活的SIII菌nF.Griffith，n研究對(duì)象：研究對(duì)象：Streptococcus pneumoniae（肺炎雙球菌）（肺炎雙球菌）nSIII型菌株：有莢膜，菌落表面光滑，有致病性型菌株：有莢膜，菌落表面光滑，有致病性nRII型菌株：無(wú)莢膜，菌落表面粗糙，無(wú)致病性型菌株：無(wú)莢膜，菌落表面粗糙，無(wú)致病性證明核酸是遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（transformation）12Griffith轉(zhuǎn)化試驗(yàn)示轉(zhuǎn)化試驗(yàn)示意意混合培養(yǎng)RII型活菌SIII

5、型活菌SIII型熱死菌RII型活菌SIII型活菌健康健康健康健康健康健康健康病死病死病死Griffith轉(zhuǎn)化試驗(yàn)示意圖13（2）細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)）細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)（3）S型菌的無(wú)細(xì)胞抽提液試驗(yàn)以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：加熱殺死的SIII型細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)可能存在一種轉(zhuǎn)化物質(zhì)，它能通過(guò)某種方式進(jìn)入RII型細(xì)胞并使RII型細(xì)胞獲得穩(wěn)定的遺傳性狀，轉(zhuǎn)變?yōu)镾III型細(xì)胞。熱死SIII菌不生長(zhǎng)活 RII 菌長(zhǎng)出RII菌熱死SIII菌長(zhǎng)出大量RII菌和10-6SIII菌活R菌+S菌無(wú)細(xì)胞抽提液長(zhǎng)出大量R菌和少量S菌+活RII菌平皿培養(yǎng)14二、遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)2. DNA的化學(xué)組成 DNA是一種高分子化合物，它由四種核苷酸組成，每一種

6、 核苷酸均含環(huán)狀堿基、脫氧核糖和磷酸根三種組分。 四種堿基為：腺嘌呤A、鳥嘌呤G、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C。核苷酸腺嘌呤A鳥嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T戊糖堿基磷酸核苷15DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) DNA是由兩條多核苷酸分子的長(zhǎng)鏈所組成。兩條長(zhǎng)鏈之間靠堿基上的氫鍵作用相聯(lián)結(jié)，遵循配對(duì)原則：AT， GC 164. DNA復(fù)制 DNA的復(fù)制過(guò)程首先是DNA的雙鏈從一端打開，分離成兩條單鏈，然后以每條單鏈為模板，通過(guò)堿基配對(duì)逐漸 建立起完全互補(bǔ)的一套核苷酸單位，新連接上的多核苷 酸與原有的多核苷酸鏈重新形成新的雙螺旋DNA。174. DNA復(fù)制 在DNA聚合酶的催化下，一個(gè)DNA分子最終復(fù)制成兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的DN

7、A，從而將遺傳信息傳遞給子代。復(fù)制后的DNA分子有一條新鏈和一條舊鏈組成，稱為半保留復(fù)制。18遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)存在部位和方式（七個(gè)水平）：（1）細(xì)胞水平：DNA集中在核質(zhì)體中。（真核微生物：細(xì)胞核）桿菌細(xì)胞內(nèi)大多存在兩個(gè)核質(zhì)體，而球菌一般只有一個(gè)。（2）細(xì)胞核水平：原核微生物：無(wú)核膜包裹，呈松散無(wú)定型狀態(tài)，核基團(tuán) 不與蛋白質(zhì)結(jié)合真核微生物：有核膜，DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成染色 體（genome）核外染色體（能自主復(fù)制）：廣義上講稱質(zhì)粒（plasmid）19（3）染色體水平原核微生物：每一個(gè)核質(zhì)體中只有一個(gè)裸露的、在光學(xué) 顯微鏡下無(wú)法看到的環(huán)狀染色體。真核微生物：往往有不同數(shù)目的染色體。 酵母菌

8、屬（saccharomycs）17染色體的套數(shù)：只有一套相同功能的染色體時(shí)稱之為 單倍體，有兩套時(shí)稱雙倍體。（4）核酸水平絕大多數(shù)的微生物的遺傳物質(zhì)為DNA，只有部分病毒才是RNA。20（5）基因水平（功能單位）基因：具有遺傳功能的DNA分子的片段，平均含有1000bp（堿基對(duì)）。一個(gè)DNA分子中含有許多基因，不同基因分子含堿基對(duì)的數(shù)量和排列序列不同?；虻姆诸愓{(diào)節(jié)基因（regulator）：控制結(jié)構(gòu)基因的活性結(jié)構(gòu)基因（structure gene）操縱基因（operator）啟動(dòng)基因（promotor）操縱子（operon）21 遺傳密碼：DNA上各個(gè)核苷酸的特定排列順序。 每個(gè)密碼子由3個(gè)

9、核苷酸順序來(lái)決定。（7）核苷酸水平（最低交換單位、突變單位）核苷酸腺嘌呤A鳥嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T戊糖堿基磷酸核苷（6）密碼水平（信息單位）22質(zhì)粒（plasmid）定義：游離于染色體外，具有獨(dú)立復(fù)制能力的小型共價(jià)閉合環(huán)狀DNA分子，即cccDNA（circular covalently closed DNA）結(jié)構(gòu)：具有超級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)，分子量106108Da（道爾頓） 10010000kbp可移動(dòng)性：異種間轉(zhuǎn)移Genther F. J.(1998): 69種環(huán)境中的細(xì)菌中，38能從實(shí)驗(yàn)室的細(xì)菌接受R因子。23幾種典型的質(zhì)粒50年代在日本發(fā)現(xiàn)的一種質(zhì)粒（從患痢疾但被抗生素治療后的病人中分離出的痢

10、疾志賀式菌中），而且能把抗藥性轉(zhuǎn)移到E.coli。后來(lái)在沙門氏菌屬（Salmonalla） 芽孢桿菌屬（Bacillus） 假單胞菌屬（Pseudomonas） 葡萄球菌屬（Staphulococcus）中找到。v R因子在細(xì)胞中的數(shù)目12幾十個(gè)。v 對(duì)多種抗生素有抗性，也可作為基因載體。v 具有R因子的細(xì)菌在自然界中的存活率高。1）R因子R質(zhì)粒242）F因子（Fertility factor）、致育因子、性因子是E.coli中決定性別的質(zhì)粒。62106Da，94.5kbpF+F+F+F -接合（conjugation）特點(diǎn)：能夠插入染色體，使染色體的長(zhǎng)度增長(zhǎng)。有F因子的細(xì)菌：F+ 雄菌沒有F

11、因子的細(xì)菌： F - 雌菌253）降解性質(zhì)粒二甲苯質(zhì)粒：XYL（Xylene）辛烷質(zhì)粒：OCT（Octane）甲苯質(zhì)粒：TOL（Toluene）萘質(zhì)粒：NAP（Napthalene）樟腦質(zhì)粒：CAM（Camphor）水楊酸質(zhì)粒：SAL（Salicylate）在環(huán)保中有重要的意義：超級(jí)工程菌的獲得。含有能降解復(fù)雜物質(zhì)的基因，從而使細(xì)菌能降解難降解有機(jī)物。大多在假單胞菌屬中發(fā)現(xiàn)。 至今發(fā)現(xiàn)的主要降解質(zhì)粒（以其所能分解的底物命名）26三、遺傳信息的表達(dá)基因表達(dá)基因：具有遺傳功能的DNA分子的片段，平均含有1000bp（堿基對(duì)）。一個(gè)DNA分子中含有許多基因，不同基因分子含堿基對(duì)的數(shù)量和排列序列不同。

12、基因：能夠表達(dá)和產(chǎn)生基因產(chǎn)物（蛋白質(zhì)或RNA）的DNA序列。271. 核糖核酸RNA RNA核糖（DNA為脫氧核糖） 尿嘧啶U代替胸腺嘧啶T三、遺傳信息的表達(dá)基因表達(dá)2. 三種RNA （1）信使核糖核酸mRNA：指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成 （2）核蛋白體核糖核酸rRNA： rRNA與蛋白質(zhì)組成核糖 體，是蛋白質(zhì)（多肽）的合成場(chǎng)所； （3）轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸t(yī)RNA：可識(shí)別mRNA上的信息，并將特定的氨基酸運(yùn)送到rRNA上供蛋白質(zhì)合成。3. 密碼子 RNA上每三個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸細(xì)菌的繁殖體現(xiàn)為：DNA、RNA、蛋白質(zhì)等的合成28三、遺傳信息的表達(dá)基因表達(dá)4. 基因表達(dá)：基因上貯存的遺傳信息需要通過(guò)一系列的變

13、化過(guò) 程才能夠在生理上或形態(tài)上表達(dá)出相應(yīng)的遺傳性狀。需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄翻譯表達(dá)三個(gè)過(guò)程。（1）轉(zhuǎn)錄：以DNA雙鏈中的一條鏈為模板，按互補(bǔ)方式合成RNA，遺傳信息由DNA到RNA的過(guò)程稱為轉(zhuǎn)錄?；駾NA上遺傳信息轉(zhuǎn)錄下的RNA即為mRNA。 29三、遺傳信息的表達(dá)基因表達(dá)（2）翻譯：轉(zhuǎn)錄后的mRNA作為合成蛋白質(zhì)的模板，并且由mRNA的堿基排列順序決定多肽鏈中氨基酸的排列順序，即遺傳信息到蛋白質(zhì)的傳遞為翻譯。 30三、遺傳信息的表達(dá)基因表達(dá)（3）由基因DNA所決定的酶通過(guò)代謝作用建造出某種細(xì)胞結(jié)構(gòu)（如莢膜、鞭毛、細(xì)胞成分等），從而使微生物表現(xiàn)出某種性狀，稱為性狀表達(dá)（發(fā)育）。31四、微生物的基因突變

14、微生物變異突變：由于生物體DNA改變而引起的遺傳性狀的改變基因重組： 突變?nèi)旧w畸變細(xì)胞學(xué)上可以看到染色體的變化基因突變細(xì)胞學(xué)上看不到遺傳物質(zhì)的變化 定義：DNA鏈上因堿基的缺失、置換、插入而發(fā)生的堿基排列順序的變化，從而導(dǎo)致表現(xiàn)形狀發(fā)生了可遺傳的變化，這種現(xiàn)象叫基因突變（變異）。基因突變322. 基因突變的原因v 自發(fā)突變：由于自然界的某些物理化學(xué)因子的干擾（輻射、臭氧），也可由微生物體內(nèi)代謝產(chǎn)物（亞硝酸鹽、過(guò)氧化氫）引起，自發(fā)突變頻率低 10-510-9v 誘發(fā)突變：通過(guò)施加物理化學(xué)因素（紫外線硝酸）誘變劑可大大提高突變率）333.微生物基因突變的特點(diǎn)適用于整個(gè)生物界，以細(xì)菌的抗藥性為例。

15、不對(duì)應(yīng)性：突變的性狀與突變?cè)蛑g無(wú)直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。自發(fā)性：突變可以在沒有人為誘變因素處理下自發(fā)地產(chǎn)生。稀有性：突變率低且穩(wěn)定。獨(dú)立性：各種突變獨(dú)立發(fā)生，不會(huì)互相影響?？烧T發(fā)性：誘變劑可提高突變率。穩(wěn)定性：變異性狀穩(wěn)定可遺傳?？赡嫘裕簭脑嫉囊吧突虻阶儺愔甑耐蛔兎Q為正向突變（forward mutation），從突變株回到野生型的過(guò)程則稱為回復(fù)突變或回變（back mutation或reverse mutation）。34誘發(fā)突變點(diǎn)突變畸變?nèi)笔В禾砑右孜唬旱刮唬褐貜?fù)：插入：堿基置換移碼突變轉(zhuǎn)換： AG,GCTT,T顛換AACC, G缺失：添加：ABCABCAB ABCAA BCABabca

16、bcabcabcabcabcdefpqrdefpqrghighifdeghijkl*4.微生物基因突變機(jī)制n基因突變的原因是多種多樣的，可以是自發(fā)的或誘發(fā)的，誘變又可分為點(diǎn)突變和畸變。35點(diǎn)變異：一個(gè)或數(shù)個(gè)堿基發(fā)生變化點(diǎn)突變堿基置換移碼突變轉(zhuǎn)換： AG,GCTT,T顛換AACC, G缺失：添加：ABCABCAB ABCAA BCAB36堿基置換（堿基置換（substitution）n定義：對(duì)定義：對(duì)DNADNA來(lái)說(shuō)，堿基的置換屬于一種染色體的微小損傷（來(lái)說(shuō)，堿基的置換屬于一種染色體的微小損傷（microlesionmicrolesion），一般也），一般也稱點(diǎn)突變（稱點(diǎn)突變（point mut

17、ationpoint mutation）。它只涉及一對(duì)堿基被另一對(duì)堿基所置換。）。它只涉及一對(duì)堿基被另一對(duì)堿基所置換。n分類：轉(zhuǎn)換（分類：轉(zhuǎn)換（transitiontransition），即），即DNADNA鏈中的一個(gè)嘌呤被另一個(gè)嘌呤或是一個(gè)嘧啶被鏈中的一個(gè)嘌呤被另一個(gè)嘌呤或是一個(gè)嘧啶被另一個(gè)嘧啶所置換；另一個(gè)嘧啶所置換； 顛換（顛換（transversiontransversion），即一個(gè)嘌呤被一個(gè)嘧啶），即一個(gè)嘌呤被一個(gè)嘧啶, ,或是一個(gè)嘧啶被一個(gè)嘌呤所置換。或是一個(gè)嘧啶被一個(gè)嘌呤所置換。對(duì)某一具體誘變劑來(lái)說(shuō)，即可同時(shí)引起轉(zhuǎn)換與顛換，也可只具其中的一種功能。根據(jù)化學(xué)誘變劑是直接還是間接地

18、引起置換，可把置換的機(jī)制分成以下兩類來(lái)討論。37移碼突變移碼突變nframe-shift mutation frame-shift mutation 或或 phase-shift mutationphase-shift mutation，指誘變劑使，指誘變劑使DNADNA分子中增加（插入）或缺失一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)核苷酸，從而使分子中增加（插入）或缺失一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)核苷酸，從而使該部位后面的全部遺傳密碼發(fā)生轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯錯(cuò)誤的一類突變。該部位后面的全部遺傳密碼發(fā)生轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯錯(cuò)誤的一類突變。n由移碼突變所產(chǎn)生的突變株，稱為由移碼突變所產(chǎn)生的突變株，稱為（frame-shift frame-shift mu

19、tantmutant）。與染色體畸變相比，移碼突變也只能算是）。與染色體畸變相比，移碼突變也只能算是DNADNA分子的微小分子的微小損傷。損傷。n丫啶類染料，包括原黃素、丫啶黃、丫啶橙和丫啶類染料，包括原黃素、丫啶黃、丫啶橙和-氨基丫啶等，氨基丫啶等，以及一系列稱為以及一系列稱為ICRICR類的化合物，都是移碼突變的有效誘變劑。類的化合物，都是移碼突變的有效誘變劑。38染色體畸變（染色體畸變（chromosomal aberration）n某些理化因子，如某些理化因子，如X X射線等的輻射及烷化劑、亞硝酸等，除射線等的輻射及烷化劑、亞硝酸等，除了能引起點(diǎn)突變外，還會(huì)引起了能引起點(diǎn)突變外，還會(huì)引

20、起DNADNA的大損傷的大損傷（macrolesionmacrolesion）染色體畸變，它包括：染色體畸變，它包括：n染色體結(jié)構(gòu)上的變化：染色體結(jié)構(gòu)上的變化：n缺失（缺失（deletiondeletion）n重復(fù)（重復(fù)（duplicationduplication）n易位（易位（translocationtranslocation）n倒位（倒位（inversioninversion）n染色體數(shù)目的變化染色體數(shù)目的變化39畸變?nèi)笔В禾砑右孜唬旱刮唬褐貜?fù)：插入：abcabcabcabcabcabcdefpqrdefpqrghighifdeghijkl*畸 變：堿基片斷發(fā)生變化40染色體結(jié)構(gòu)上的變

21、化染色體結(jié)構(gòu)上的變化n分為染色體內(nèi)畸變和染色體間畸變兩類。分為染色體內(nèi)畸變和染色體間畸變兩類。n染色體內(nèi)畸變：只涉及一條染色體上的變化，染色體內(nèi)畸變：只涉及一條染色體上的變化，n如發(fā)生染色體的部分缺失或重復(fù)時(shí)，其結(jié)果可造成基因的減少或增加；如發(fā)生染色體的部分缺失或重復(fù)時(shí)，其結(jié)果可造成基因的減少或增加；n如發(fā)生如發(fā)生倒位倒位或或易位易位時(shí)，則可造成基因排列順序的改變，但數(shù)目卻不改時(shí)，則可造成基因排列順序的改變，但數(shù)目卻不改變。變。n倒位倒位-是指斷裂下來(lái)的一段染色體旋轉(zhuǎn)是指斷裂下來(lái)的一段染色體旋轉(zhuǎn)180180 后，重新插入到原后，重新插入到原來(lái)染色體的原位置上，從而使其基因順序與其它的基因順序相

22、來(lái)染色體的原位置上，從而使其基因順序與其它的基因順序相反；反；n易位易位-是指斷裂下來(lái)的一小段染色體再順向或逆向地插入到同是指斷裂下來(lái)的一小段染色體再順向或逆向地插入到同一條染色體的其它部位上。一條染色體的其它部位上。n染色體間畸變：指非同源染色體間的染色體間畸變：指非同源染色體間的。41自發(fā)突變機(jī)制自發(fā)突變機(jī)制n自發(fā)突變是指在沒有人工參與下生物體自然發(fā)生自發(fā)突變是指在沒有人工參與下生物體自然發(fā)生的突變。的突變。n幾種自發(fā)突變的可能機(jī)制幾種自發(fā)突變的可能機(jī)制n微生物自身有害代謝產(chǎn)物的誘變效應(yīng)微生物自身有害代謝產(chǎn)物的誘變效應(yīng)n互變異構(gòu)效應(yīng)互變異構(gòu)效應(yīng)n環(huán)出效應(yīng)環(huán)出效應(yīng)42作用：重組可使生物體在未

23、發(fā)生突變的情況下，也能產(chǎn)生新遺傳型的個(gè)體。五、基因重組定義：兩個(gè)不同性狀的個(gè)體細(xì)胞（細(xì)胞水平），其中一個(gè)細(xì)胞（供體）DNA與另一個(gè)細(xì)胞的DNA融合，使基因重新排列遺傳給后代，產(chǎn)生新的遺傳性狀，稱基因重組。 43.轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化Transformation （引進(jìn)）（引進(jìn)）n供體細(xì)菌研碎物中的供體細(xì)菌研碎物中的DNADNA片段直接吸收進(jìn)入活的受體細(xì)菌并片段直接吸收進(jìn)入活的受體細(xì)菌并發(fā)生基因重新組合的方式發(fā)生基因重新組合的方式。44老鼠體內(nèi)提取物培養(yǎng)現(xiàn)象活的S 肺炎雙球菌活的R 肺炎雙球菌 無(wú)毒 殺死 殺死 加熱殺死后的破碎細(xì)胞混合注射加熱殺死后的破碎細(xì)胞無(wú)毒注射注射45n1944年才通過(guò)試驗(yàn)找出了其中

24、的原因。試驗(yàn)方法如下：年才通過(guò)試驗(yàn)找出了其中的原因。試驗(yàn)方法如下：46定義：受體菌自然或在人工技術(shù)作用下直接攝取來(lái)自供體菌的游離DNA片段，并把它整合到自己的基因組中，而獲得部分新的遺傳性狀的基因轉(zhuǎn)移過(guò)程，稱為轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的的受體菌稱為轉(zhuǎn)化子（transformant）。特點(diǎn)：無(wú)需細(xì)胞接觸。細(xì)菌、放線菌、真菌中有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。有關(guān)名詞：受體菌：recipient/receptor，轉(zhuǎn)化基因的接受者供體菌：donor，轉(zhuǎn)化基因的提供者轉(zhuǎn)化因子：來(lái)自供體菌的DNA片段轉(zhuǎn)化子：transformant，將轉(zhuǎn)化基因重組進(jìn)入自身染色體組的重組子轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)化（transformation）4748人工轉(zhuǎn)化人工轉(zhuǎn)

25、化人工轉(zhuǎn)化是通過(guò)人為誘導(dǎo)的方法，使細(xì)胞具有攝取DNA的能力，或人工地將DNA導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)。方法：CaCl2處理細(xì)胞，使其成為能攝取外源DNA的感受態(tài)狀態(tài).電穿孔法electroporation：用高壓脈沖電流擊破細(xì)胞膜，或擊成小孔，使各種大分子（包括DNA ）能通過(guò)這些小孔進(jìn)入細(xì)胞。49n到目前為止，已發(fā)現(xiàn)能發(fā)生轉(zhuǎn)化作用的菌屬主要有：到目前為止，已發(fā)現(xiàn)能發(fā)生轉(zhuǎn)化作用的菌屬主要有：nStreptococcus pneumoniae、Haemophilus（嗜血桿菌屬）、（嗜血桿菌屬）、Bacillus、Neisseria（奈瑟氏球菌屬）、（奈瑟氏球菌屬）、Rhizobium（根瘤菌屬）、（根瘤菌屬

26、）、Staphylococcus、Pseudomonas和和Xanthomonas中多見。中多見。n在若干放線菌和藍(lán)細(xì)菌以及在若干放線菌和藍(lán)細(xì)菌以及Saccharomyces cerevisiae、Neurospora crassa（粗糙脈胞菌）和（粗糙脈胞菌）和Aspergillus niger中，也有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。中，也有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。n腸桿菌科的一些細(xì)菌很難進(jìn)行轉(zhuǎn)化，主要原因一方面由于外來(lái)腸桿菌科的一些細(xì)菌很難進(jìn)行轉(zhuǎn)化，主要原因一方面由于外來(lái)DNA難以摻入到難以摻入到細(xì)胞中，另一方面在受體細(xì)胞內(nèi)常存在可降解線形細(xì)胞中，另一方面在受體細(xì)胞內(nèi)常存在可降解線形DNA的核酸酶。如果用的核酸酶。如果用Ca

27、Cl2處理處理E. coli的球狀體，就可以使之發(fā)生低頻率的轉(zhuǎn)化。另外，可利用霉菌的原生質(zhì)體的球狀體，就可以使之發(fā)生低頻率的轉(zhuǎn)化。另外，可利用霉菌的原生質(zhì)體進(jìn)行轉(zhuǎn)化。進(jìn)行轉(zhuǎn)化。n兩個(gè)菌種或菌株之間能否發(fā)生轉(zhuǎn)化，與它們?cè)谶M(jìn)化過(guò)程中的親緣關(guān)系有著密切的關(guān)系。但兩個(gè)菌種或菌株之間能否發(fā)生轉(zhuǎn)化，與它們?cè)谶M(jìn)化過(guò)程中的親緣關(guān)系有著密切的關(guān)系。但即使在轉(zhuǎn)化率極高的菌種中，其不同菌株間也不一定都能發(fā)生轉(zhuǎn)化。即使在轉(zhuǎn)化率極高的菌種中，其不同菌株間也不一定都能發(fā)生轉(zhuǎn)化。自然轉(zhuǎn)化的普遍性：50n.接合接合 （合作）（合作） 細(xì)胞核質(zhì)粒大腸桿菌的接合是通過(guò)性纖毛（中空）進(jìn)行的。 F因子、降解性質(zhì)?？赏ㄟ^(guò)此形式傳遞。5

28、1接合（接合（conjugation）n定義：供體菌（定義：供體菌（“雄雄”）通過(guò)其性菌毛與受體菌）通過(guò)其性菌毛與受體菌（“雌雌”）相接觸，前者傳遞不同長(zhǎng)度的）相接觸，前者傳遞不同長(zhǎng)度的DNADNA給后者，給后者，并在后者細(xì)胞中進(jìn)行雙鏈化或進(jìn)一步與核染色體發(fā)并在后者細(xì)胞中進(jìn)行雙鏈化或進(jìn)一步與核染色體發(fā)生交換、整合，從而使后者獲得供體菌的遺傳性狀生交換、整合，從而使后者獲得供體菌的遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為接合。的現(xiàn)象，稱為接合。n通過(guò)接合而獲得新性狀的受體細(xì)胞就是接合子通過(guò)接合而獲得新性狀的受體細(xì)胞就是接合子（conjugantconjugant）n特點(diǎn)：細(xì)胞接觸特點(diǎn)：細(xì)胞接觸52接合（接合（con

29、jugation）n存在范圍：存在范圍：n細(xì)菌：細(xì)菌：G G 較為多見如較為多見如E. coliE. coli、SalmonellaSalmonella、ShigellaShigella、SerratiaSerratia、Vibrio Vibrio 、Azotobacter Azotobacter 、KlebsiellaKlebsiella和和PseudomonasPseudomonas等最為常見等最為常見n放線菌：放線菌：Streptomyces Streptomyces 、NocardiaNocardian接合還可發(fā)生在不同屬的菌種之間，如接合還可發(fā)生在不同屬的菌種之間，如E. coliE

30、. coli與與Salmonella typhimuriumSalmonella typhimurium之間或之間或S. typhimuriumS. typhimurium與與Shigella dysenteriaeShigella dysenteriae之間之間nE. coliE. coli的的F F因子：決定性別的質(zhì)粒，屬于附加體因子：決定性別的質(zhì)粒，屬于附加體（episomeepisome），可以通過(guò)接合作用獲得，也可以通過(guò)），可以通過(guò)接合作用獲得，也可以通過(guò)丫啶類化合物、溴化乙錠或絲裂霉素丫啶類化合物、溴化乙錠或絲裂霉素C C的處理而消除。的處理而消除。5354（三）轉(zhuǎn)導(dǎo)（transd

31、uction）通過(guò)噬菌體的攜帶而轉(zhuǎn)移的基因重組，無(wú)需細(xì)胞接觸。在自然界中比較普遍。噬菌體進(jìn)入供體細(xì)胞宿主的核染色體被切斷成熟與包裝之際形成不帶噬菌體自身DNA的噬菌體（假噬菌體）（完全缺陷噬體）與受體接觸感染a. 完全轉(zhuǎn)導(dǎo)(complete transduction)b. 局部轉(zhuǎn)導(dǎo)(specialized transduction)由部分缺陷的噬菌體把少數(shù)特定的基因攜帶到受體菌中，并獲得轉(zhuǎn)導(dǎo)的現(xiàn)象。55LA-2A- B+LA-22A+ B-LA-2是能合成色氨酸（B+）但不能合成組氨酸（A-）的沙門氏傷寒桿菌 指導(dǎo)色氨酸合成的基因超微燒結(jié)玻璃板細(xì)菌不能通過(guò)，噬菌體可以通過(guò)LA-22 是不能 合

32、成色氨酸 （B-）但 能合成組氨酸 （A+）的沙門氏傷寒桿菌一些細(xì)胞中含有繁殖速度較慢的 溫和噬菌體 P-22 56（四）原生質(zhì)體融合（protoplast fusion） 通過(guò)人為的方法使兩個(gè)遺傳性狀不同的細(xì)胞的原生質(zhì)體發(fā)生融合，得到同時(shí)具有雙親性狀的、遺傳穩(wěn)定的融合子（fusion），該過(guò)程稱原生質(zhì)體融合。（20世紀(jì)70年代）原核、真核高等植物、人體細(xì)胞 能進(jìn)行原生質(zhì)體融合的細(xì)胞非常廣泛步驟： 用脫壁酶去除細(xì)胞壁混合（加聚二醇PEG），或電脈沖促進(jìn)融合培養(yǎng)，使之稱為完整細(xì)胞鑒定特點(diǎn)：1）重組頻率10-1.（遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于誘變育種） 2）不同屬、科間亦可融合。57六、人工基因重組六、人工基因重組遺

33、傳工程遺傳工程n遺傳工程是遺傳工程是70年代初發(fā)展起來(lái)的生物技術(shù)。年代初發(fā)展起來(lái)的生物技術(shù)。n定義：定義：對(duì)遺傳物質(zhì)進(jìn)行改造（人工干預(yù)下的雜對(duì)遺傳物質(zhì)進(jìn)行改造（人工干預(yù)下的雜交、轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)）的技術(shù)。交、轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)）的技術(shù)。n工程：類似工程設(shè)計(jì)那樣有很高的預(yù)見性、精工程：類似工程設(shè)計(jì)那樣有很高的預(yù)見性、精確性與嚴(yán)密性。確性與嚴(yán)密性。58 a.遺傳工程的方法遺傳工程的方法n遺傳工程方法包括兩個(gè)水平的研究：一種是細(xì)胞水平；另一種是基因遺傳工程方法包括兩個(gè)水平的研究：一種是細(xì)胞水平；另一種是基因水平。所以，又可把它水平。所以，又可把它分為分為細(xì)胞工程和基因工程細(xì)胞工程和基因工程。n細(xì)胞工程

34、細(xì)胞工程兩個(gè)細(xì)胞原生質(zhì)體融合兩個(gè)細(xì)胞原生質(zhì)體融合 體 外 切 割 導(dǎo) 入遺 傳 物 質(zhì) 基 因 片 段 受 體 細(xì) 胞59在特殊培養(yǎng)基上（如含有青霉素）篩選目的細(xì)菌質(zhì)粒載體（具有抗性基因）抵抗青霉素長(zhǎng)出必然是重組成功的細(xì)菌60 b.遺傳工程在環(huán)境工程中的應(yīng)用遺傳工程在環(huán)境工程中的應(yīng)用61n.耐汞工程菌耐汞工程菌 n日本水俁事件及瑞典鳥類汞中毒事件后，日本和瑞典對(duì)汞在自然界轉(zhuǎn)化做了大量研究工日本水俁事件及瑞典鳥類汞中毒事件后，日本和瑞典對(duì)汞在自然界轉(zhuǎn)化做了大量研究工作，提出了汞化合物轉(zhuǎn)化的途徑，主要是某些微生物使水體汞元素甲基化形成甲基汞，作，提出了汞化合物轉(zhuǎn)化的途徑，主要是某些微生物使水體汞元

35、素甲基化形成甲基汞，使人及生物中毒。另一面自然界中存在一些耐汞的微生物，它們的耐汞基因在質(zhì)粒使人及生物中毒。另一面自然界中存在一些耐汞的微生物，它們的耐汞基因在質(zhì)粒R因子因子上。上。n例如，惡臭假單胞菌一般在超過(guò)例如，惡臭假單胞菌一般在超過(guò)2ugml汞濃度中即將中毒死，查克拉巴蒂用質(zhì)粒轉(zhuǎn)移技術(shù)，汞濃度中即將中毒死，查克拉巴蒂用質(zhì)粒轉(zhuǎn)移技術(shù)，把嗜油假單胞菌的耐汞質(zhì)粒把嗜油假單胞菌的耐汞質(zhì)粒(MER質(zhì)粒質(zhì)粒)轉(zhuǎn)移到惡臭假單胞菌中去，后者獲得轉(zhuǎn)移到惡臭假單胞菌中去，后者獲得MER質(zhì)粒，可質(zhì)粒，可在在5070ugml氯化汞中生長(zhǎng)。氯化汞中生長(zhǎng)。n脫色工程菌的構(gòu)建脫色工程菌的構(gòu)建n 將分別含有降解偶氮染

36、料質(zhì)粒的偏號(hào)將分別含有降解偶氮染料質(zhì)粒的偏號(hào)Kx和和Kd兩株假單胞菌通過(guò)質(zhì)粒轉(zhuǎn)移技術(shù)培育出兼兩株假單胞菌通過(guò)質(zhì)粒轉(zhuǎn)移技術(shù)培育出兼有分解兩種偶氮染料功能的脫色工程有分解兩種偶氮染料功能的脫色工程 菌。菌。62n基因工程方法看似基因工程方法看似簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單，但在具體，但在具體實(shí)施上實(shí)施上有較大的難度。有較大的難度。63n降解石油的工程細(xì)菌降解石油的工程細(xì)菌n 70年代美國(guó)生物學(xué)家查克撿巴蒂年代美國(guó)生物學(xué)家查克撿巴蒂(Chakrabarty)針對(duì)海針對(duì)海洋輸油，造成浮油污染，影響海洋生態(tài)等問(wèn)題進(jìn)行了研究。洋輸油，造成浮油污染，影響海洋生態(tài)等問(wèn)題進(jìn)行了研究。n石油成分復(fù)雜，是由飽和、不飽和、直鏈、支鏈、芳

37、石油成分復(fù)雜，是由飽和、不飽和、直鏈、支鏈、芳香香烴類組成，不溶于水。而海水含鹽量高，雖發(fā)現(xiàn)烴類組成，不溶于水。而海水含鹽量高，雖發(fā)現(xiàn)90多種微生物有不同程度降解烴類的能力，但不一定能多種微生物有不同程度降解烴類的能力，但不一定能在海水中大量繁殖生存，而且降解速率也較慢。在海水中大量繁殖生存，而且降解速率也較慢。n查氏將能降解脂查氏將能降解脂(含質(zhì)粒含質(zhì)粒A)的一種假單胞菌作受體細(xì)菌，的一種假單胞菌作受體細(xì)菌，分別將能降解芳烴分別將能降解芳烴(質(zhì)粒質(zhì)粒B)、芳烴、芳烴(質(zhì)粒質(zhì)粒C)和多環(huán)芳烴和多環(huán)芳烴(質(zhì)質(zhì)粒粒D)的質(zhì)粒，用遺傳工程方法人工轉(zhuǎn)入受體細(xì)菌，獲得多的質(zhì)粒，用遺傳工程方法人工轉(zhuǎn)入受體

38、細(xì)菌，獲得多質(zhì)粒質(zhì)?！俺?jí)細(xì)菌超級(jí)細(xì)菌”，可除去原油中，可除去原油中23的烴。的烴。64n降解石油的工程細(xì)菌降解石油的工程細(xì)菌n浮油在一般條件下降解需一年以上時(shí)間，用浮油在一般條件下降解需一年以上時(shí)間，用“超級(jí)細(xì)菌超級(jí)細(xì)菌”只需幾小時(shí)即可把浮油去除，速度快效率高。見下圖。只需幾小時(shí)即可把浮油去除，速度快效率高。見下圖。65注意：基因工程菌存在的問(wèn)題： 安全性 混合培養(yǎng)系中的生存性 降解能力的安定性 大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)66六、遺傳工程（Genetic engineering）50年代遺傳物質(zhì)的研究70年代基因工程誕生遺傳工程包括根據(jù)微生物在遺傳過(guò)程中發(fā)生的生物變異現(xiàn)象，獲得有利于人類的某些遺傳性狀。

39、包括誘變育種（基因突變）、質(zhì)粒育種、DNA重組。1. 誘變育種： 就是利用物理化學(xué)等因素，誘發(fā)基因突變，并從中篩選出具有某一優(yōu)良性狀的突變體。l出發(fā)菌株的選擇l誘變劑的選擇：紫外線、X射線、亞硝酸鹽等l誘變劑量的選擇：殺菌率為7075%的紫外線l突變體的篩選2. 誘變育種的主要步驟67六、遺傳工程（Genetic engineering）3. 誘變育種應(yīng)用l微生物馴化l獲得某些難降解物質(zhì)的優(yōu)良降解菌5. 質(zhì)粒育種應(yīng)用l石油降解功能菌的構(gòu)建l烴類和抗汞質(zhì)粒菌的構(gòu)建4. 質(zhì)粒育種質(zhì)粒是原核微生物中除染色體外一類攜帶遺傳物質(zhì)的環(huán)狀DNA片斷，它能夠決定微生物的某些性狀?？梢詫煞N或多種微生物通過(guò)細(xì)胞結(jié)合或細(xì)胞融合技術(shù)，使供體菌的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到受體均體內(nèi)，使受體菌同時(shí)具有多種功能。68誘變育種：是用物理或化學(xué)的誘變劑使誘變對(duì)象內(nèi)的遺傳物質(zhì)（DNA）的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，引起性狀變異并通過(guò)篩選獲得符合要求的變異菌株