微生物的遺傳變異

微生物的遺傳變異1第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日遺傳性（heredity）：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。同其他生物一樣，微生物有其固有的遺傳性。微生物的遺傳是在系統(tǒng)發(fā)育過程中形成的，系統(tǒng)發(fā)育愈久的微生物，其遺傳的保守程度愈大，為什么？老齡菌遺傳保守程度比幼齡菌大，高等生物遺傳保守程度比低等生物大。一、遺傳的基本概念第二節(jié)微生物的遺傳2第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)及其存在形式遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)一切生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是核酸（DNA）。核酸的結(jié)構(gòu)：雙螺旋結(jié)構(gòu)2.遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)存在部位和方式（1）細(xì)胞水平染色體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)。第二節(jié)微生物的遺傳3第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日（2）細(xì)胞核水平原核微生物：無核膜包裹，呈松散無定型狀態(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（chromosome）。核外DNA（能自主復(fù)制）：廣義上講稱質(zhì)粒（plasmid）第二節(jié)微生物的遺傳4第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日（3）染色體水平原核微生物：每一個(gè)核質(zhì)體中通常只有一個(gè)裸露的、在光學(xué)顯微鏡下無法看到的環(huán)狀染色體。真核微生物：往往有多個(gè)線性的染色體，種間差異大。酵母菌屬（saccharomycs）17個(gè)。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。第二節(jié)微生物的遺傳5第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日（5）基因水平（功能和遺傳單位）基因："alocatableregionofgenomicsequence,correspondingtoaunitofinheritance,whichisassociatedwithregulatoryregions,transcribedregions,andorotherfunctionalsequenceregions"

第二節(jié)微生物的遺傳Promoter：啟動(dòng)子Enhancer：增強(qiáng)子Attenuator：減弱子Exon：外顯子Intron：內(nèi)含子Transcription：轉(zhuǎn)錄Splicing：剪接UTR：非翻譯區(qū)Translation：翻譯ORF：開放閱讀框架一個(gè)基因典型的真核生物基因結(jié)構(gòu)6第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)微生物的遺傳典型的原核生物基因結(jié)構(gòu)（操縱子，operon）promoteroperatorCR1CR2CR3Operator：操作子CR：codingregion，編碼區(qū)真核原核編碼結(jié)構(gòu)有內(nèi)含子，需剪接無內(nèi)含子調(diào)控方式單順反多順反編碼方向單向（同一區(qū)域）雙向7第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日

遺傳密碼：DNA上各個(gè)核苷酸的特定排列順序。每個(gè)密碼子有3個(gè)核苷酸順序來決定。（7）核苷酸水平核苷酸腺嘌呤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）（最低交換單位、突變單位）第二節(jié)微生物的遺傳磷酸戊糖堿基OATP(dATP)8第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日質(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(circularcovalentlyclosedDNA)，多存在于原核生物。結(jié)構(gòu)：具有超級螺旋結(jié)構(gòu)，分子量106－108道爾頓(660D/bp，1.5k-200kbp)第二節(jié)微生物的遺傳BAC，Bacmid，YAC……9第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日10第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日質(zhì)粒的基本特性：可移動(dòng)性：異種間轉(zhuǎn)移GentherF.J.(1998):69種環(huán)境中的細(xì)菌中，38％能從實(shí)驗(yàn)室的細(xì)菌接受質(zhì)粒?？烧闲裕嚎烧系饺旧w上可重組性可消除性第二節(jié)微生物的遺傳11第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日20世紀(jì)50年代在日本發(fā)現(xiàn)的一種質(zhì)粒（從患痢疾且被抗生素治療后的病人中分離出的痢疾志賀氏菌株，具有抗藥性，而且能把抗藥性轉(zhuǎn)移到E.coli。）1）R因子－R質(zhì)粒沙門氏菌屬（Salmonalla）芽孢桿菌屬（Bacillus）假單胞菌屬（Pseudomonas）葡萄球菌屬（Staphulococcus）曾發(fā)現(xiàn)R因子的細(xì)菌R因子在細(xì)胞中的數(shù)目1~2—幾十個(gè)。對多種抗生素有抗性，也可作為基因載體。具有R因子的細(xì)菌在自然界中的存活率高。第二節(jié)微生物的遺傳12第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日2）F因子（Fertilityfactor）/致育因子、性因子是E.coli中決定性別的質(zhì)粒。62×106Da，94.5kbpF+F+F+F-接合（conjugation）特點(diǎn)：有時(shí)能夠插入染色體，使染色體的長度增長。有F因子的細(xì)菌：F+雄菌沒有F因子的細(xì)菌：F-雌菌第二節(jié)微生物的遺傳13第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日3）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）第二節(jié)微生物的遺傳14第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日4.細(xì)胞器DNA真核微生物中，染色體之外的遺傳物質(zhì)的另一種存在形式。與其他物質(zhì)一起構(gòu)成細(xì)胞器（如：葉綠體、線粒體等）主要特性：－結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣－功能不一－數(shù)目多少不一－自我復(fù)制－可消除性（一旦消失，后代細(xì)胞中不再出現(xiàn)）第二節(jié)微生物的遺傳細(xì)胞器的起源？15第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日5.轉(zhuǎn)座因子可在染色體不同部位之間移動(dòng)的DNA片斷插入序列：能插入染色體或質(zhì)粒的許多位點(diǎn)，并能改換位點(diǎn)轉(zhuǎn)座子：能插入染色體或質(zhì)粒的不同位點(diǎn)的一般DNA序列，可以轉(zhuǎn)移到不同的位點(diǎn)上，本身也可復(fù)制。大小位幾個(gè)kb。第二節(jié)微生物的遺傳ClassI:copyandpasteClassII:cutandpaste16第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日第七章微生物的生長和遺傳變異

第三節(jié)微生物的變異基因突變基因重組17第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日變異：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）第三節(jié)微生物的變異一、變異的基本概念18第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日細(xì)菌易變異：∵細(xì)菌繁殖快，又與外界環(huán)境接觸面積大∴環(huán)境條件在短時(shí)期內(nèi)對菌體產(chǎn)生大的影響，在受物理、化學(xué)因素影響后，易產(chǎn)生適應(yīng)新環(huán)境的酶（誘導(dǎo)酶）等，從而改變原有的特性，即產(chǎn)生了變異。變異形態(tài)變異菌落形態(tài)變異生理生化特性變異變異不一定都有遺傳性第三節(jié)微生物的變異19第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日有目的地控制微生物的生長條件，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：通過馴化，增強(qiáng)微生物的降解能力，提高處理效果。定向培育：第三節(jié)微生物的變異20第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、基因變異基因突變基因重組定義：微生物的遺傳性狀變化稱變異基因突變（自發(fā)突變）

定義：DNA鏈上因堿基的缺乏、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)型發(fā)生了可遺傳的變化，這種現(xiàn)象叫基因突變（變異）?；蛲蛔兊念愋忘c(diǎn)突變畸變第三節(jié)微生物的變異21第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日點(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,GGTT,T顛換AACC,G缺失：添加：ABCABCABABCAABCAB第三節(jié)微生物的變異22第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日畸變?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)生變化第三節(jié)微生物的變異23第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日細(xì)菌基因突變的特點(diǎn)

無定向性（不對應(yīng)性）稀有性：頻率低10－5～10－10

自發(fā)性獨(dú)立性：各細(xì)胞、基因間的變異沒有必要的聯(lián)系穩(wěn)定性：可遺傳可逆性：回復(fù)突變（back/reversemutation）誘變性：誘變劑可大大提高突變率（10－105倍）自發(fā)突變、誘發(fā)突變（誘變）

誘變劑（mutagen）：亞硝酸、紫外線第三節(jié)微生物的變異24第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日2、基因重組定義：凡把兩個(gè)不同基因型的遺傳分子轉(zhuǎn)移到一起，通過遺傳分子之間的交換組合，產(chǎn)生新的遺傳性狀（基因型），稱基因重組。

第三節(jié)微生物的變異重組的方式：轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)25第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日1）轉(zhuǎn)化（transformation）供體的DNA片段（可在自然條件下產(chǎn)生）進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)發(fā)生重組，受體細(xì)胞獲得供體細(xì)胞的一部分遺傳特性。無需細(xì)胞接觸。細(xì)菌、放線菌、真菌中有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。26第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日質(zhì)粒轉(zhuǎn)化是基因工程中最常用的人工DNA轉(zhuǎn)化。27第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日F因子、降解性質(zhì)?？赏ㄟ^此形式傳遞。2）接合（conjugation)

細(xì)胞直接接觸而進(jìn)行的基因重組。大腸桿菌的接合是通過性纖毛（中空）進(jìn)行的。第三節(jié)微生物的變異28第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日29第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日30第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日如何篩選，如何穩(wěn)定工程菌？Hfr（highfrequencyrecombination，高頻重組）菌株31第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日3）轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）通過噬菌體（病毒）攜帶而轉(zhuǎn)移的基因重組，無需供體-受體細(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錯(cuò)誤攜帶宿主部分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)(completetransduction)第三節(jié)微生物的變異32第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日b.局部轉(zhuǎn)導(dǎo)(specializedtransduction)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。（溫和噬菌體）4）原生質(zhì)體融合（protoplastfusion）通過人為的方法使兩個(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），該過程稱原生質(zhì)體融合。（20世紀(jì)70年代）第三節(jié)微生物的變異33第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日原核、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（加聚乙二醇PEG），或電脈沖促進(jìn)融合培養(yǎng)，使之成為完整細(xì)胞鑒定特點(diǎn)：1）重組頻率>10-1.（遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于誘變育種，~10-6）

2）不同屬、科間亦可融合。第三節(jié)微生物的變異34第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日35第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日第七章微生物的生長和遺傳變異

第四節(jié)遺傳工程基因工程遺傳工程及其在環(huán)境污染控制中的應(yīng)用36第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日一、基因工程（Geneticengineering）20世紀(jì)50年代——遺傳物質(zhì)的研究20世紀(jì)70年代——基因工程誕生1.定義：用人為的方法把供體生物的DNA導(dǎo)入受體生物中，并在其中“安家落戶”，進(jìn)行正常的復(fù)制、表達(dá)，從而獲得新物種的一種育種技術(shù)。是一種分子水平上的基因重組技術(shù)。第四節(jié)遺傳工程37第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日①用人為的方法，把供體生物的DNA大分子提取出來；②在離體的條件下，用工具酶進(jìn)行切割；③之后把它與載體（vector）的DNA分子連接起來；④然后與載體一起導(dǎo)入受體生物。（方法？）2.利用質(zhì)粒載體導(dǎo)入外源基因的步驟：第四節(jié)遺傳工程38第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日<1>目的基因的取得：

供體細(xì)胞中提取分離合成<2>載體的選擇：對載體的要求

具有自我復(fù)制能力；能在受體細(xì)胞內(nèi)大量增殖或表達(dá)目的基因；要有一些限制性內(nèi)切酶的切口（MCS）；有一種選擇性遺傳標(biāo)志，以便追蹤。常用載體：細(xì)菌質(zhì)粒、噬菌體。最常用：PBR322（抗四環(huán)素、青霉素性基因）。表達(dá)抗藥性可以用選擇性培養(yǎng)基檢出它們。第四節(jié)遺傳工程39第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日<4>重組載體引入受體細(xì)胞最廣泛被應(yīng)用的是E.coli、Bacillussubtilis（枯草桿菌）。引入方法轉(zhuǎn)化（質(zhì)粒作載體）病毒感染<3>基因的體外重組內(nèi)切酶處理載體形成缺口目的基因的切斷兩者混合在指定溫度下混合“退火”；目的基因縫補(bǔ)上載體的缺口（動(dòng)力:氫鍵作用而相互吸引并形成共價(jià)結(jié)合)。第四節(jié)遺傳工程40第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日41第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日3.基因工程在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用獲得能同時(shí)分解多種污染物的新型菌種

超級細(xì)菌耐汞質(zhì)粒降解染料質(zhì)粒工業(yè)上：高性能發(fā)酵微生物的育種、酶、抗生素的生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)上：

固氮菌的基因轉(zhuǎn)移到根系微生物或直接給植物；把降解木質(zhì)素分解酶的基因轉(zhuǎn)移導(dǎo)酵母菌使之能利用稻草、枯桿等生產(chǎn)酒精；改良農(nóng)作物。醫(yī)療上：遺傳病的治療等。第四節(jié)遺傳工程42第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日幾點(diǎn)注意：基因工程的成果往往只是一株帶有新性狀的“工程菌”，只有通過微生物工程才能實(shí)現(xiàn)它的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。DNA供體主要來源于微生物?；蚬こ叹嬖诘膯栴}：

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)第四節(jié)遺傳工程43第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日第七章微生物的生長和遺傳變異

第五節(jié)微生物的馴化與保藏微生物的馴化微生物的保藏與復(fù)壯44第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日一、微生物的馴化時(shí)間t污染物濃度污染物的生物降解曲線（生物降解過程中污染物濃度隨時(shí)間的變化）微生物的“馴化”現(xiàn)象“馴化”是獲得高效微生物（群）的有效方法第五節(jié)微生物的馴化與保藏45第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日1.馴化的定義(Acclimation,adaptation)一般：獲得新的能力的過程（新的分解能力、抗有毒物質(zhì)能力）狹義：獲得新的降解能力的過程使微生物接觸待分解的化合物，給予適宜的營養(yǎng)和環(huán)境條件，進(jìn)行培養(yǎng)。馴化操作：第五節(jié)微生物的馴化與保藏46第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日馴化周期（時(shí)間）：時(shí)間t污染物濃度污染物降解曲線建議：從馴化開始到降解能力達(dá)到最大時(shí)所需的時(shí)間。馴化周期一般指從馴化操作開始到獲得新的降解能力所需要的時(shí)間。第五節(jié)微生物的馴化與保藏47第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日2.馴化的機(jī)理生物降解的必要條件：

有合成降解酶的基因能合成降解酶微生物濃度高、環(huán)境條件適宜可能性馴化：從不能滿足以上三個(gè)條件，到滿足三個(gè)條件的過程?！囫Z化機(jī)理：①獲得所需的基因（變異、基因重組）②降解酶的誘導(dǎo)或抑制作用的解除③降解微生物的的高濃度化（選擇性繁殖）本質(zhì)馴化表觀馴化第五節(jié)微生物的馴化與保藏48第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日1）新基因的獲得：突變：頻率低10－6～10－8

無定向性獲得降解能力的幾率很小降解基因的傳遞：幾率更小水處理中一般發(fā)生馴化的現(xiàn)象很多，所以很難用“突變”來解釋。2）誘導(dǎo)酶的激活或抑制劑的解除抑制系的解除一般只需要2～5分。而馴化周期一般幾天到幾個(gè)月，很難全部用誘導(dǎo)酶解釋第五節(jié)微生物的馴化與保藏49第四十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日3）降解微生物的高濃度化∵基因突變不可能同時(shí)產(chǎn)生大量變異細(xì)胞∴微生物的高濃度化是重要的步驟質(zhì)粒的傳遞速度供體濃度D（douor）（g/l）受體濃度R（recipient）（g/l）轉(zhuǎn)移體濃度T（transconjugant）（g/l）接受質(zhì)粒后的細(xì)胞（基因重組體）質(zhì)粒的傳遞（基因重組）：接合等選擇性繁殖高濃度化的途徑第五節(jié)微生物的馴化與保藏50第五十頁，共五十八頁，2022年，8月28日c:轉(zhuǎn)移體的損失速度a:從供體到受體的傳遞速度b:從轉(zhuǎn)移體到受體的傳遞速度第五節(jié)微生物的馴化與保藏51第五十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日COOHHCH3CH3NCOHCH3CH3NHCH3NHHCO2HO2+NH3Biodegradationpathwayofdimethylformam