內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境微生物學(xué)講義07微生物的遺傳與變異

1、第七章 微生物的遺傳與變異遺傳（heredity）和變異（variation）是生物最本質(zhì)的屬性。遺傳是指生物將遺傳信息傳遞合子代的過程，它具有保守性和變異性兩個(gè)方面。變異是指生物體遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量的改變。變異的特點(diǎn)是，頻率低（10-610-9）、變化大（形態(tài)或生理性狀），可遺傳。遺傳是相對(duì)的，變異是絕對(duì)的，遺傳中有變異、變異中有遺傳，這種辨證關(guān)系使生物不變適應(yīng)環(huán)境而進(jìn)化。遺傳型、表型和野生型：生物的遺傳型是它的遺傳物質(zhì)即DNA的堿基順序所負(fù)載的遺傳信息。生物的表型是遺傳型的具體體現(xiàn)，它能被觀察和測(cè)量（如是否產(chǎn)莢膜或是否有耐藥性等）。生物最普通的形態(tài)常稱為野生型。實(shí)驗(yàn)中，利用人工方法提高微生

2、物的變異頻率，獲得正向變異株的過程，就是定向培育或馴化。馴化是獲得環(huán)境工程有益微生物的有效方法。 第一節(jié) 微生物的遺傳一、證明遺傳與變異的兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn) 遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)是什么呢？40年代左右，利用微生物這一個(gè)有力的實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行了三個(gè)著名的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，令人信服地證明核酸（DNA）是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)。它們是轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、噬菌體感染實(shí)驗(yàn)和植物病毒重建實(shí)驗(yàn)。 1轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) 轉(zhuǎn)化現(xiàn)象（transformation）是英國醫(yī)生F.Griffith在1928年發(fā)現(xiàn)的。他以肺炎鏈球菌（S.dipneumoniae）為研究對(duì)象，該菌為球形，常成鏈或成對(duì)排列，其中有二個(gè)菌株： S型：具莢膜，光滑型菌落，可致病，使人患

3、肺炎、小鼠患敗血癥。R型：無莢膜，粗糙型菌落，無致病性。當(dāng)時(shí)他把少量無毒的R型菌和大量加熱殺死的有毒S型菌注射到小鼠體內(nèi)，意外是的白鼠病死且從P體中分離到活的S型菌。可見，S型菌中有一種轉(zhuǎn)化物質(zhì)進(jìn)入了R型菌中，并使R型菌獲得其遺傳性狀。抽心血小鼠（健康）小鼠（）小鼠（）小鼠（）小鼠（）動(dòng)物試驗(yàn)：示肺炎連球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) aR型活菌8 bS型活菌 cS型死菌 d + 8 e的DNA + 8 離體試驗(yàn)：1941年，O.T.Auery等人在離體條件下進(jìn)一步對(duì)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)進(jìn)行深入研究，他們從活S菌中提純了各種可能作為轉(zhuǎn)化因子的細(xì)胞組分（如DNA、RNA、Pr，莢膜多糖等），與S菌混合培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有DNA

4、一組產(chǎn)生少量S菌，證實(shí)轉(zhuǎn)化因子DNA才能決定菌體蛋白的和莢漠多糖的合成，并且DNA純度越高轉(zhuǎn)化效率越高。 2影印培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)它是用于篩選大量特殊突變菌落的方法。用無菌的絲絨布包裹的圓柱章粘取細(xì)菌的菌落，轉(zhuǎn)移在兩套培養(yǎng)基上，突變 用于純化突變株株在一套基本培養(yǎng)基上不能生長，而在另一套補(bǔ)充培養(yǎng)基上可以生長，根據(jù)在前一套培養(yǎng)基上不能生長的特性來鑒定突變株的菌落，但從后一套培養(yǎng)基上進(jìn)行純化。 + 選擇培養(yǎng)基 非選擇培養(yǎng)基 分離突變株菌落的影印培養(yǎng)法 二、DNA的結(jié)構(gòu)和基因表達(dá) 1DNA的結(jié)構(gòu)和復(fù)制 DNA是高分化合物，由許多單核苷酸組成，每個(gè)核苷酸由磷酸，脫氧核糖及不同堿基（A. G. C. T）所構(gòu)成。

5、1953年Watson and CricK 提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，即DNA是兩條多核苷酸鏈排列的雙螺旋（P150），并由堿基配對(duì)原則組合（A二T、G三C）。特定菌株的堿基對(duì)順序固定不變，這就保證了遺傳的穩(wěn)定性；但當(dāng)其順序改變后，就可能導(dǎo)致變異。DNA可通過半保留方式復(fù)制，以其中一條鏈為模板，通過復(fù)制點(diǎn)復(fù)制。研究中我們常用到DNA的變性和復(fù)性的特點(diǎn)。Tm(解鏈溫度) 退火（復(fù)性）即ds DNA 2 SSDNA RNA是核糖代替脫氧核糖，U被T取代，均可由DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生。如Trna(轉(zhuǎn)移RNA)，它與mRNA互補(bǔ)，是將核酸序列轉(zhuǎn)換為氨基酸的轉(zhuǎn)換分子。rRNA(核糖體RNA)，與蛋白質(zhì)共同構(gòu)成核

6、糖體（合成蛋白質(zhì)的場所），較保守，原核生物有5S、16S、23S三個(gè)亞基。此外還有反義RNA，與DNA互補(bǔ)，調(diào)節(jié)抑制遺傳過程。 2基因表達(dá)調(diào)控DNA的存在形式是染色體，由DNA和蛋折質(zhì)結(jié)合而成，只是原核生物無核膜包圍?；蚴且磺猩矬w內(nèi)儲(chǔ)存遺傳信息的，有自我復(fù)制能力的遺傳功能單位。它是DNA分子上一個(gè)具有特定堿基順序的核苷酸片斷。每個(gè)細(xì)菌約有500010000個(gè)基因。DNA上遺傳信息的傳遞規(guī)則（中心法則）是： 復(fù)制DNA反轉(zhuǎn)錄RNA 翻譯蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄 分子遺傳學(xué)上有三個(gè)奠基石，它們是：一個(gè)基因一種酶（多肽）假說；DNA雙螺旋模型；DNA操縱子模型。基因調(diào)控系統(tǒng)操縱子operon基因表達(dá)原核生物的

7、基因調(diào)控系統(tǒng)研究的較清楚，可解釋基因的轉(zhuǎn)錄、翻譯和調(diào)節(jié)功能。具體包括結(jié)構(gòu)基因、操縱基因和調(diào)節(jié)基因： 啟動(dòng)基因 Promotor 轉(zhuǎn)錄起始部位，RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)。 操縱基因 Operator 結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的“開關(guān)”，是陰遏蛋 白結(jié)合位點(diǎn)。 結(jié)構(gòu)基因 Structure geue 編碼蛋白質(zhì)式酶。 調(diào)節(jié)基因 regulator (): 控制結(jié)構(gòu)基因表達(dá)。如產(chǎn)生阻遏蛋白。結(jié)構(gòu)基因是通過轉(zhuǎn)錄、翻譯過程來執(zhí)行多肽的合成，多肽可以是酶或結(jié)構(gòu)蛋白。例：E.coli的乳糖操縱子模式型（laetose ofperon）Repressor阻遏子 100DP 啟動(dòng)子 Slac操縱子-a：-米乳糖苷酶TPOZ Y

8、 Ay：乳糖透過酶MRNA三種乳糖酶誘導(dǎo)物乳糖 底物 失活異物乳糖信號(hào)分子。降解產(chǎn)物翻譯轉(zhuǎn)錄RNA取合酶凹MRNA凹阻遏蛋白a：乙?；D(zhuǎn)移酶lac Z. laey.lLaea的基因表達(dá)產(chǎn)物對(duì)由生物體利用乳糖作碳源是必需的。lac產(chǎn)生的阻遏蛋折可與leco結(jié)合，DNA雙鏈無法解開，并閉了S的表達(dá)，環(huán)境中乳糖可誘導(dǎo)打開這一“開關(guān)”，RNA聚合酶就可沿S移動(dòng)，從而轉(zhuǎn)錄mRNA并悉譯合成乳糖酶。（環(huán)境中乳糖果缺管時(shí)關(guān)閉基因，屬負(fù)調(diào)控系統(tǒng)。而正調(diào)控系統(tǒng)在培養(yǎng)基中缺勤管葡萄糖的情況下進(jìn)行基因表達(dá)。）小結(jié)：細(xì)胞中組成型基因在所有時(shí)間都表達(dá)，而誘異型基因僅在需要時(shí)才表達(dá)，并由調(diào)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。第二節(jié) 微生物的變

9、異和誘變育種變異是生物界的一大規(guī)律，是進(jìn)化與發(fā)展的動(dòng)力之一。微生物群體中個(gè)別細(xì)胞在形態(tài)（形態(tài)突變型）、生理生化（營養(yǎng)缺陷型、抗性突變型）等方面發(fā)生改變，這些改變的性狀如能遺傳，這時(shí)該微生物就變異的變種或變株。一、基因突變機(jī)制 變異的實(shí)質(zhì)就是基因突變?；蛲蛔兙哂胁粚?duì)應(yīng)必性、自發(fā)性、誘變必稀有必珂遞性等特點(diǎn)。 1突變類型：按照突變的原因，可分為自發(fā)突變和誘發(fā)突變兩類。1）自發(fā)突變：是指無人工參與下生物體自然發(fā)生的突變。概率10-6-9原因可能是多因素低劑量綜合效應(yīng)，如宇宙空間各種短波輻射等?；プ儺悩?gòu)效應(yīng)，如T不以酮基而以烯醇式出現(xiàn)時(shí)，可與G配對(duì)。2）誘發(fā)突變：由各類誘變因素引起的突變。誘變劑是指

10、凡能顯著提高突變率的因素（現(xiàn)化因子）。誘變劑的種類很多，如紫外輻射屬物理誘變，硝基弧屬化學(xué)誘變。 2突變形式： 轉(zhuǎn)換 A G； T C 堿基置換 顛換A T、C；G T、C基因突變形式移碼突變 缺失 AGC AU GAG 添加 AGC AUA GAG 堿基置換通常由兩類誘變劑引起，一類是強(qiáng)化學(xué)誘變劑如亞硝酸、硝基弧等可真接與堿基反應(yīng)引起軒換；另一類是一些堿基類似物如5-溴尿嘧啶可在DNA復(fù)制時(shí)替代胸腺嘧啶（T）間接引起置換（見下圖）。移碼突變是指在DNA分子上缺失或插入1、2個(gè)堿基，引起堿基突變點(diǎn)后面全部遺傳密碼轉(zhuǎn)錄和翻譯的錯(cuò)誤。 酪 絲 脯 蘇 谷 UAC AGU CCU ACA GAA 正

11、常密碼子 UAC AGA UCC UAC AGA A 移碼 酪 精 絲 酪 精 以上介紹的基因突變也稱點(diǎn)突變。除此之外，引起變異的也可能是染色體畸變或轉(zhuǎn)座因子等原因。二、定向培育（馴化）與誘變育種 1定向培育：利用特定因素通過自發(fā)突變篩選優(yōu)良品種。即用某一特定因素長期處理微生物群體，從中選擇突變體。例如：廣泛應(yīng)用的卡介苗（BCG vaccine）就是由法國的Callmette auel Guerin經(jīng)13年定向培育獲得。學(xué)時(shí)，他倆把牛型結(jié)核分枝桿菌接在牛膽汁、甘油和馬鈴薯培養(yǎng)基上，連續(xù)230次移種，1923年獲得顯著減毒的卡介苗。當(dāng)前環(huán)境工程中仍采用馴化的方法篩選優(yōu)良降解菌，使它們產(chǎn)生適應(yīng)酶，

12、改變代謝途徑，更高效地降解毒物。 2誘變育種：通過誘變因素使突變率明顯提高，從中篩選所需突變株。如1943年時(shí)，產(chǎn)黃青霉每ml發(fā)酵液僅產(chǎn)生20單位青霉素，通過誘變育種等措施，發(fā)酵單位提高近4千倍。第三節(jié) 基因重組 兩個(gè)不同性狀細(xì)胞的DNA相互融合，使基因重組合，從而產(chǎn)生新遺傳型個(gè)體的方式，稱為基因重組。基因重組可通過雜交、轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)導(dǎo)等下述手段實(shí)現(xiàn)。一、雜交 雜交是細(xì)胞水平上的一種遺傳重組方式，即通過雙親細(xì)胞融合或溝通，使染色體的基因重組。 甲 乙酵母菌的有性雜交：用于乙醇發(fā)酵和面 2n 包發(fā)酵的酵母菌同屬釀酒酵母，通過雜交可 減數(shù)分裂 產(chǎn)孢培養(yǎng)基 獲得既能生產(chǎn)酒精、又能將殘余酵母用于面包發(fā)酵的

13、優(yōu)良酵母菌種。 雙如含固氮基因的肺炎克氏桿菌（注： 破壁 培養(yǎng)含F(xiàn)因子）（nif+）與E.coli(nif-)雜交，產(chǎn)生 雜交（+） ()了含有固氮基因并可固氮的E.coli(nif+)。 2n “雜種”2n (二、轉(zhuǎn)化（trans gormation） 轉(zhuǎn)化指受體細(xì)胞直接吸收不源于供體細(xì)胞的DNA片段，整合到自己的基因組中，并獲得部分遺傳性狀的現(xiàn)象。（這是前面介紹的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)所在）。肺炎鏈球菌抗性基因的轉(zhuǎn)化過程如下：三、轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction） 通過溫和噬菌體的媒介作用，把宿主細(xì)胞DNA轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞的過程，稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)。轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象是1952年I. Lederberg在鼠傷寒沙門氏菌（

14、S.typhimurium）中發(fā)現(xiàn)的。他利用兩株?duì)I養(yǎng)缺陷型為實(shí)驗(yàn)材料，做了轉(zhuǎn)導(dǎo)的U形管試驗(yàn)，即 LA22（try- his+）(P22) 溶原性菌種子 （自學(xué)并課上講解）。LA2 （try+ his-）Ecel K12的gal基因低頻轉(zhuǎn)導(dǎo)（LFT，Lac frequency transduction）機(jī)制 轉(zhuǎn)導(dǎo)作用對(duì)基因工程的興起具理論指導(dǎo)意義 第四節(jié) 基因工程及其應(yīng)用 基因工程是基因水平上的遺傳工程，又稱基因剪接或核酸體外重組。它是人工的，離體的，分子水平上的遺傳重組新技術(shù)，可完成超遠(yuǎn)緣雜交的育種新技術(shù)?？梢哉f是把某一特定基因克隆化（克隆無性繁殖系）。一、質(zhì)粒育種 質(zhì)粒是染色體外DNA，也是

15、基因工程中的常用載體。目前發(fā)現(xiàn)質(zhì)粒的基因有；F因子(E. coli性因子)，R因子（藥物抗生性因子，以及各種污染物降解因了，如銅綠色假單胞菌（P. aeruginosa）有分解萘的質(zhì)粒（NPL. Nephthaleno）等。質(zhì)粒具有穩(wěn)定遺傳和自我復(fù)制的功能，可攜帶供給予菌一部分染色體基因一起轉(zhuǎn)移，使受體菌獲得新遺傳性狀。例如：多功能超級(jí)細(xì)菌的構(gòu)建（P165） 用遺傳工程獲得超級(jí)細(xì)菌 上述多質(zhì)粒超級(jí)細(xì)菌（假單胞菌），可使海上浮油的分解時(shí)間由1年減少到1天以內(nèi)。其它的工程菌還有解烷抗汞工程菌脫色工程菌（分解偶氮料的假單胞菌）等。二、基因工程操作技術(shù) 參見掛圖。示DNA體外基因重組 這方面成功的實(shí)例有：Ecoli合成人胰島素、酵母菌生產(chǎn)乙肝疫苗、EPO及松果體素生產(chǎn)。環(huán)境工程中如除草劑2，4一二氯苯氧乙酸降解菌構(gòu)建、Ecoli的降解尼龍寡聚物、幾于質(zhì)、抗汞菌株構(gòu)建等。 三、PCR技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用 PCR（polymerase chain reation）稱DNA多