微生物分子生態(tài)學(xué)課件

第2章：微生物分子生態(tài)學(xué)

2.1：微生物分子生態(tài)學(xué)概念2.2：微生物分子生態(tài)學(xué)理論基礎(chǔ)2.3：微生物對外界環(huán)境的適應(yīng)和調(diào)整2.4：極端環(huán)境微生物適應(yīng)性的機制及應(yīng)用2.5：微生物質(zhì)粒的分子生態(tài)效應(yīng)2.6：微生物分子生態(tài)學(xué)研究方法2.1：微生物分子生態(tài)學(xué)概念微生物分子生態(tài)學(xué)是分子生物學(xué)實驗技術(shù)應(yīng)用于微生物生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域而發(fā)展形成的一門交叉學(xué)科，在分子水平上探討微生物生態(tài)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、功能的機理以及微生物與生物和非生物環(huán)境之間相互關(guān)系。其核心問題是研究微生物生存的環(huán)境分子生態(tài)效應(yīng)和遺傳分子生態(tài)效應(yīng)。微生物分子生態(tài)學(xué)研究范圍微生物進(jìn)化不可培養(yǎng)微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性極端環(huán)境微生物基因轉(zhuǎn)移微生物與人類健康抗生素抗藥性微生物資源信號傳遞等。致病與免疫2.2：微生物分子生態(tài)學(xué)理論基礎(chǔ)

（1）微生物與外界因子之間的環(huán)境和遺傳分子生態(tài)效應(yīng)微生物對環(huán)境以及環(huán)境中物質(zhì)的耐受性和適應(yīng)性是任何其它生物不可比擬的，因此探討微生物與環(huán)境之間的分子生態(tài)效應(yīng)是微生物分子生態(tài)學(xué)的根本任務(wù)。環(huán)境造就生物，生物改造和修飾環(huán)境microbe光輻射O2pH氧化/還原電位氨氮硫化氫甲烷微生物要適應(yīng)和改造環(huán)境，通過改變和修飾遺傳物質(zhì)達(dá)到改變生理表型，逐步形成響應(yīng)環(huán)境的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在適應(yīng)過程中不斷進(jìn)化，并通過遺傳將進(jìn)化的結(jié)果傳播下去。（2）微生物與細(xì)胞間的信息交流細(xì)胞信號傳遞一直是生物學(xué)研究的熱點，分子生物學(xué)的發(fā)展揭示了許多動物細(xì)胞信號交流和傳導(dǎo)途徑。

長期認(rèn)為微生物只能感受環(huán)境變化，微生物間沒有交流，但群體感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)表明微生物細(xì)胞之間存在信息交流。microbemicrobe信息素microbemicrobe抗生素微生物與細(xì)胞間的信息交流，探討的是微生物在生物細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的分子生態(tài)效應(yīng)，可以進(jìn)一步揭示細(xì)菌、病毒對人和動植物感染的調(diào)控作用，以及微生物次級代謝產(chǎn)物對其它生物的拮抗、抑制和殺滅的分子機制，探索寄生、共生、腐生等原理，為生物防治和健康醫(yī)學(xué)注入新的活力。（3）分子生態(tài)病毒學(xué)分子生態(tài)病毒學(xué)是由分子生物學(xué)、分子生態(tài)學(xué)和分子病毒學(xué)融合而成的新興分子學(xué)科。腫瘤病毒癌基因致癌特征RNA病毒的復(fù)制和致病HIVSARSHIV：人類免疫缺陷病毒（HumanImmunodeficiencyVirus），是一種RNA病毒，該病毒破壞人體的免疫力，導(dǎo)致免疫系統(tǒng)失去抵抗力，從而使得各種疾病及癌癥在人體內(nèi)生存，并致人死亡。SARS：嚴(yán)重急性呼吸綜合征（SevereAcuteRespiratorySyndrome），也叫傳染性非典型性肺炎，SARS是一種冠狀RNA病毒。MERS：

中東呼吸綜合征（MiddleEastRespiratorySyndrome），MERS-CoV，一種新型冠狀病毒。截止2015年5月25日，全球累計實驗室確診病例共1139例，其中431例死亡（病死率37.8%）。

（4）微生物在環(huán)境修復(fù)中的分子生態(tài)學(xué)微生物修復(fù)（bioremediation）指通過微生物的作用清除土壤和水體中的污染物，或是使污染物無害化的過程。它包括自然和人為控制條件下的污染物降級或無害化的過程。

微生物群落結(jié)構(gòu)及其動態(tài)變化

微生物分子多態(tài)性

微生物遺傳進(jìn)化2.3：微生物對外界環(huán)境的適應(yīng)和調(diào)整microbe光輻射大氣壓pH氧化/還原電位表面水活度磁性（1）營養(yǎng)因子對微生物的影響微生物新陳代謝和一切生命活動賴以進(jìn)行的基礎(chǔ)。營養(yǎng)缺乏，導(dǎo)致微生物生長所需的能量、碳源、氮源、無機鹽等成分不足，機體停止生長和繁殖，代謝停頓。碳源用于構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中碳素的來源，并為微生物的生長繁殖和代謝活動提供能源。主要功能提供微生物生長繁殖所需的能源；提供微生物合成菌體的碳成分；提供合成目的產(chǎn)物的碳成分。氮源氮源是指構(gòu)成微生物細(xì)胞物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的氮素的來源。主要功能是：構(gòu)成微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)，如氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸等；合成含氮代謝產(chǎn)物；作為酶的組成分或維持酶的活性；調(diào)節(jié)滲透壓、PH值、氧化還原電位等；當(dāng)培養(yǎng)基中碳源不足時，可作為補充碳源。無機氮源有機氮源1）氨基氮：NH4OH(NH4)2SO4NH4NO3NH4Cl2）硝態(tài)氮：NaNO3KNO31）合成產(chǎn)物：尿素2）天然原料：植物蛋白：黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉、菜籽餅粉、麥麩、玉米漿、玉米麩質(zhì)粉動物蛋白：蛋白胨、魚粉、蠶蛹粉、牛肉膏微生物蛋白：酵母粉/浸膏、廢菌絲粉其它：酒糟等無機鹽和微量元素微生物在生長繁殖和代謝產(chǎn)物的合成過程中，還需要某些無機離子如硫、磷、鎂、鈣、鈉、鉀、

鐵、銅、鋅、錳、鉬和鈷等。各種不同的產(chǎn)生菌以及同一種產(chǎn)生菌在不同的生長階段對這些物質(zhì)的需求濃度是不相同的。無機鹽及微量元素對微生物生理活性的作用與其濃度相關(guān)，一般它們在低濃度時對微生物生長和目的產(chǎn)物的合成有促進(jìn)作用，在高濃度時常表現(xiàn)出明顯的抑制作用。（大量元素）（微量元素）

營養(yǎng)因子對微生物的影響符合Liebig定律。

Liebig定律也稱最小量定律，由德國農(nóng)業(yè)化學(xué)家JustusLiebig提出，認(rèn)為任何生物的總產(chǎn)量或生物量取決于外界供給的所需養(yǎng)分中數(shù)量最少的那一種。遵循這一原理，我們可以有目的的促進(jìn)有益微生物、抑制有害微生物的生長。遵循這一原理，我們可以有針對性的對環(huán)境樣品進(jìn)行富集，得到所需的功能細(xì)菌。

硝化細(xì)菌

硫細(xì)菌

污染物降解菌遵循這一原理，在污水處理過程中，碳氮比要維持在一定水平，如果保證碳氮比合適，可促進(jìn)正常微生物菌群的生長，抑制球衣細(xì)菌等絲狀菌的生長引起的污泥膨脹等問題。（2）光影響微生物的分子生態(tài)學(xué)光合微生物利用光能通過光合磷酸化同化CO2生成碳水化合物產(chǎn)生構(gòu)建細(xì)胞的物質(zhì)和能量。已知的光合色素有三類：葉綠素或細(xì)菌葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素。光合細(xì)菌因所含的細(xì)菌葉綠素和類胡蘿卜素的量和比例不同，其菌體呈現(xiàn)紅、橙、綠、藍(lán)綠、紫紅、紫或褐等顏色。GNSBPSBGSB陽光桿菌藍(lán)細(xì)菌藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)：藍(lán)細(xì)菌曾被稱為藍(lán)藻或藍(lán)綠藻，是一類分布很廣，含有葉綠素a，能夠在光合作用時釋放氧氣的原核微生物。藍(lán)細(xì)菌主要以二分裂或多分裂方式進(jìn)行繁殖，少數(shù)藍(lán)細(xì)菌可形成孢子，孢子壁厚，能抵抗不良環(huán)境。PSB：細(xì)菌葉綠素a、bGSB：細(xì)菌葉綠素c、d、eP/GNSB：（3）紫外光對微生物的損傷與修復(fù)紫外輻射（200~380nm）可以殺滅微生物，尤其260nm左右的紫外波長殺滅細(xì)菌的作用是使細(xì)菌DNA分子形成嘧啶二聚體，或引起染色體的斷裂、細(xì)胞分裂受到抑制、存活率下降。

實驗室、食品、醫(yī)院等的紫外滅菌。黑暗光復(fù)活作用UVdark（4）磁場影響微生物的分子生態(tài)效應(yīng)20世紀(jì)70年代，美國微生物學(xué)家勃萊克摩在大西洋底發(fā)現(xiàn)了一種奇異的細(xì)菌，它們總是沿著地磁場的磁力線運動。行動時，“手拉手”排成一條條“生物磁力線”，十分整齊美觀。這些就是活體“司南”，其軸向總是南北，決不會自亂陣腳。死后亦然。勃萊克摩美其名曰“趨磁細(xì)菌”。趨磁細(xì)菌具有趨磁性，是因為細(xì)菌體內(nèi)含有一定數(shù)量的磁小體。磁小體在細(xì)胞內(nèi)排列呈鏈狀，是由雙層膜包裹的磁鐵礦（Fe3O4）或鐵硫礦（Fe3S4

）晶體，約幾十個納米。趨磁細(xì)菌中鐵的含量占自身重的2%~4%，是非磁細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)含量的100倍，細(xì)胞內(nèi)鐵濃度時培養(yǎng)基中鐵濃度的2萬~4萬倍，磁小體中鐵含量為84%以上。

趨磁細(xì)菌為什么要沿著地磁場方向運動呢？趨磁細(xì)菌是些厭氧性革蘭氏陰性細(xì)菌，需遠(yuǎn)離水面到含氧量低的洋底進(jìn)行生活，但海水的浮力很大，它們的身軀又很輕，要想生活在洋底不被漂起實屬不易，經(jīng)過若干億年的進(jìn)化，它們細(xì)胞中進(jìn)化出了磁小體這種奇特的結(jié)構(gòu)，成為磁性很強的磁體，可以隨著磁場進(jìn)行運動，到達(dá)最適合它們生長的環(huán)境。

磁小體特點包被磁小體的磷脂、蛋白或糖蛋白分散性極好，顆粒間不會聚集；單位體積的磁性很強。趨磁細(xì)菌及磁小體的應(yīng)用前景信息存儲和電子領(lǐng)域：理想磁性生物材料，磁小體記錄材料比現(xiàn)在使用的磁粉粒度小、品質(zhì)更均勻、磁能積提高數(shù)十倍、價格便宜，適用于制作高清晰、高保真、輕薄的大容量超高密度磁記錄材料和存儲器。醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域：藥物、酶、DNA、RNA等的載體，可直接運載到靶向病灶，提高對癌細(xì)胞的殺傷力和命中率；也可用于核磁共振成像的造影劑，用以檢測微型腫瘤以及用于磁熱療以殺死癌細(xì)胞。生物傳感器、免疫檢測、廢水處理、回收環(huán)境中的放射性核素污染、等。（5）溫度對微生物的影響溫度是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的環(huán)境因子，是影響微生物生命活動的最重要因素之一。溫度通過影響微生物膜的液晶結(jié)構(gòu)，酶和蛋白質(zhì)的合成和活性，RNA的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄等，影響微生物的生命活動。耐熱菌兼性嗜熱菌專性嗜熱菌極端嗜熱菌超嗜熱菌

（6）水活度對微生物的影響一切生物都離不開水，它們從環(huán)境中吸取營養(yǎng)物質(zhì)，分解營養(yǎng)物產(chǎn)生能量及合成細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能物質(zhì)等都需要水的存在與參與。但影響微生物生長的不僅僅是水的含量，更重要的是環(huán)境中水的可利用性，即水的活度。aw=Pw/PowPw代表溶液蒸汽壓力；Pow代表純水蒸汽壓力。aw純水為1，溶液中溶質(zhì)越多，aw越小。

（7）pH對微生物的影響微生物生長和代謝過程中的酶促反應(yīng)都有一個最適的pH范圍，在此范圍內(nèi)，微生物生長最快，酶活力最高。

一般細(xì)菌的最適pH范圍為6.5~7.5，在pH4~10可以生長；放線菌的最適pH范圍為7.5~8；酵母菌和霉菌適于在pH5~6的酸性環(huán)境下生長，但在pH1.5~10的范圍都可以生長，一般真菌生長的pH范圍比細(xì)菌廣，細(xì)菌對環(huán)境pH范圍要求相對嚴(yán)格。

（8）微波對微生物的影響微波是以頻率介于無線電波（低于300MHz/s）和紅外線（高于300000MHz/s）的電磁波，它對微生物的致死作用是微波能量產(chǎn)生的熱效應(yīng)使微生物致死。

（9）壓力對微生物的影響陸地細(xì)菌在30℃和3.03×104kPa（300atm）下生長緩慢，4.04×104kPa（400atm）下生長停止；深海中的嗜壓細(xì)菌在30~40℃和6.06×104kPa（600atm）下還能正常生長繁殖。有些抗壓力強的微生物甚至在高于3.03×105kPa（3000atm）的環(huán)境下也不會死亡。

（10）氧化還原電位（Eh）對微生物的影響

Eh是一種物質(zhì)給出電子的趨勢，Eh越高其給出電子的趨勢越?。挥捎谖⑸镆铆h(huán)境中的各類物質(zhì)給出電子時產(chǎn)生的能量才能生長，因此微生物所處環(huán)境的Eh對微生物的生長有顯著影響。

自然環(huán)境中的Eh上限是0.816V，存在于高濃度氧而沒有氧利用的環(huán)境中；Eh下限是-0.421V，存在于富含氫的系統(tǒng)中。

（11）其它環(huán)境因子對微生物的影響化學(xué)物質(zhì)：鹽類、重金屬、氧化劑、有機物、表面活性劑等。2.4：極端環(huán)境微生物的適應(yīng)性機制及應(yīng)用在永久凍土中沉睡了3萬多年之后，柳葉蠅子草的種子被科學(xué)家成功復(fù)活，現(xiàn)在已經(jīng)開花結(jié)果。/cul/2012/03-07/3723773.shtml據(jù)英國《每日郵報》報道，在猛犸尸體的鼻粘液中發(fā)現(xiàn)了存活的古老細(xì)菌，這種細(xì)菌的年齡是300萬年到500萬年。/jykj/2009-02/13/content_450830.htm炭疽桿菌的孢子在液體空氣（-190℃~-180℃）中可存活數(shù)日。肺結(jié)核菌在-10℃條件下，6周之后毒力未減。

有些分歧桿菌和葡萄球菌耐干旱能力很強，一些乳酸菌和固氮菌能耐受10年以上的干旱。有些微生物可耐受高溫，東太平洋海底350℃環(huán)境下發(fā)現(xiàn)有細(xì)菌存在。Bacillusvermicosum能在20%NaCl和25%MgSO4溶液中生長；有的酵母菌和霉菌能在70%~80%的糖液中生活。（1）高溫環(huán)境中的微生物細(xì)胞壁有G-M及短肽構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)呼吸鏈蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性高細(xì)胞膜中含高比例的長鏈飽和脂肪酸和具有分支鏈的脂肪酸，胞膜中含有甘油醚化合物tRNA中GC含量高細(xì)胞內(nèi)含大量的多聚胺胞內(nèi)蛋白增加分子內(nèi)疏水性和分子外親水性，共價結(jié)合許多酶類蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，含有鈣離子的保護(hù)耐熱機制淀粉酶嗜熱菌產(chǎn)物及應(yīng)用熱穩(wěn)定的淀粉酶和葡萄糖淀粉酶高溫下有活性的異淀粉酶環(huán)糊精葡萄糖轉(zhuǎn)移酶纖維素酶熱穩(wěn)定的纖維素酶降解木聚糖的酶熱穩(wěn)定木聚糖酶幾丁質(zhì)降解酶蛋白質(zhì)降解酶DNA分子克隆工具酶DNA聚合酶反轉(zhuǎn)錄酶連接酶表面活性劑廢物處理與甲烷生產(chǎn)堆肥、乙醇生產(chǎn)、石油開采、冶金等（2）低溫環(huán)境中的微生物通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)使低溫微生物適應(yīng)低溫環(huán)境調(diào)整不飽和脂肪酸的組成和比例，維持細(xì)胞膜的流動性改變細(xì)胞膜組成、合成組成型蛋白質(zhì)和酶產(chǎn)生冷沖擊蛋白核冷適應(yīng)蛋白RNA降解體的作用細(xì)胞體內(nèi)糖、糖醇和氨基酸冷凍保護(hù)劑的作用形成休眠體耐冷機制酶結(jié)構(gòu)的調(diào)整紡織工業(yè)用酶環(huán)境微生物修復(fù)低水活度條件下的生物催化嗜冷菌的應(yīng)用洗滌劑的添加劑食品工業(yè)（3）高鹽環(huán)境中的微生物Na+對維持細(xì)胞膜、細(xì)胞壁構(gòu)造和功能有特別重要的作用蛋白質(zhì)和酶的鹽適應(yīng)性嗜鹽菌具有異常的膜。嗜鹽菌細(xì)胞膜外有一個亞基呈六角形排列的s單層，由磺化的糖蛋白組成,由于磺酸基團(tuán)的存在使s層呈負(fù)電性,因此使組成亞基的糖蛋白得到屏蔽,在高鹽環(huán)境中保持穩(wěn)定。H+質(zhì)子泵具有排鹽作用細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)濃度的調(diào)節(jié)耐鹽基因耐鹽機制多聚物嗜鹽菌產(chǎn)物及應(yīng)用多聚-β-羥丁酸（PHB）胞外多糖食物和食品工業(yè)食用蛋白食品添加劑酶工業(yè)酶的保護(hù)劑和穩(wěn)定劑酶制劑生物電子、表面活性劑、生物化工等醫(yī)藥工業(yè)醫(yī)用表面活性劑抗微生物物質(zhì)類激素生物反應(yīng)調(diào)節(jié)劑（4）堿性環(huán)境中的微生物通過呼吸作用建立質(zhì)子電化學(xué)勢梯度，使Na+/H+反向載體能化，催化Na+排除H+攝入，H+得以在細(xì)胞質(zhì)中積累，維持細(xì)胞質(zhì)pH低于其生長的環(huán)境。Na+/溶質(zhì)同向載體輸送溶質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞Na+梯度為ATP合成提供動力產(chǎn)生嗜堿酶,堿性條件下在酶或蛋白質(zhì)表面所形成的離子屏蔽效應(yīng),對它們的構(gòu)象起穩(wěn)定作用。耐堿機制（5）酸性環(huán)境中的微生物細(xì)胞表面存在大量重金屬離子，可與環(huán)境中的H+進(jìn)行交換，阻止H+對細(xì)胞的損傷。細(xì)胞壁和細(xì)胞膜中含有特殊化學(xué)成分（如磷、硫酯、環(huán)己烷脂肪酸、五環(huán)萜烯衍生物）含有抗酸水解的蛋白質(zhì)通過膜電荷調(diào)節(jié)細(xì)胞膜電勢，維持細(xì)胞內(nèi)pH穩(wěn)定耐酸機制脫羧酶反應(yīng)煤和石油脫硫：酸熱硫化葉菌酸礦水的微生物修復(fù)嗜酸菌的應(yīng)用細(xì)菌冶金：氧化硫硫桿菌生產(chǎn)肥料：硫桿菌產(chǎn)生硫酸分解磷礦粉（6）高輻射環(huán)境中的微生物微生物細(xì)胞本身具有許多保護(hù)機構(gòu)（色素、氧化酶、磷酸糖脂等）防止輻射對細(xì)胞的有害影響受損DNA的光復(fù)活修復(fù)和暗修復(fù)SOS修復(fù)電離輻射引起的DNA損傷超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶能有效清除細(xì)胞內(nèi)的超氧陰離子自由基、羥自由基和過氧化氫?？馆椛錂C制修復(fù)酶制備抗輻射蛋白作為輻射防護(hù)劑抗輻射菌的應(yīng)用耐輻射異常球菌對DNA損傷因子具有超強的抗性和DNA修復(fù)功能，克隆相關(guān)基因并轉(zhuǎn)到入哺乳類細(xì)胞，可提高細(xì)胞的抗輻射能力。放射化療副作用的消除2.5：微生物質(zhì)粒的分子生態(tài)效應(yīng)

（1）質(zhì)粒定義和命名 質(zhì)粒是染色體以外能自主復(fù)制的遺傳因子，不具有胞外期，對寄主細(xì)胞來說是非必需的，符合這三條標(biāo)準(zhǔn)的染色體外DNA或RNA分子都可以稱為質(zhì)粒。狹義的質(zhì)粒一般是指細(xì)菌染色體外的環(huán)狀DNA分子。質(zhì)粒的命名：一個小寫字母p加2-3個大寫字母和數(shù)字，如pJP4，pDTG1。細(xì)菌質(zhì)粒：細(xì)菌細(xì)胞中染色體以外的共價閉合環(huán)狀DNA分子(cccDNA)，其大小在1-1700kb之間。根據(jù)質(zhì)?？刂频男誀?，可以把細(xì)菌質(zhì)粒分成抗性質(zhì)粒、降解質(zhì)粒、毒力質(zhì)粒和共生質(zhì)粒等類型。細(xì)菌質(zhì)?？刂频男誀?-抗性

a.抗生素抗性細(xì)菌質(zhì)?？刂频男誀?-抗性

a.抗生素抗性

b.重金屬抗性

c.陽離子抗性

d.其它抗性細(xì)菌質(zhì)粒控制的性狀—結(jié)合轉(zhuǎn)移

a.致育性：F因子最早在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)，以后在其他菌中也觀察到，主要見于革蘭氏陰性菌。在電鏡下可觀察到細(xì)菌間借伸長的性菌毛進(jìn)行接合。細(xì)菌能否在接合中作為基因傳遞供體取決于致育因子（Fertilityfactor）又稱F因子。這是最早發(fā)現(xiàn)的一種質(zhì)粒。F因子編碼在細(xì)菌表面產(chǎn)生性菌毛。F因子的特性為可以促進(jìn)供體菌向受體菌傳遞染色體DNA或質(zhì)粒。細(xì)菌質(zhì)?？刂频男誀睢x能力

a.轉(zhuǎn)基因Ti（tumor-inducing）質(zhì)粒。Ti是在根瘤土壤桿菌細(xì)胞中存在的一種染色體外自主復(fù)制的環(huán)形雙鏈DNA分子。它控制根瘤的形成，可作為基因工程的載體細(xì)菌質(zhì)粒控制的性狀—代謝能力

b.抗生素和細(xì)菌素的產(chǎn)生

c.固氮：含Nit質(zhì)粒的根瘤菌

d.糖、蛋白質(zhì)、檸檬酸等代謝

e.色素合成

f.等。真核生物的DNA質(zhì)粒：

環(huán)狀DNA質(zhì)粒：酵母2mm質(zhì)粒，植物線立體中的環(huán)狀DNA質(zhì)粒，人和動物的核DNA質(zhì)粒等，它們都是不知其功能的隱蔽質(zhì)粒。線狀DNA質(zhì)粒：乳酸克魯維酵母的嗜殺線狀DNA質(zhì)粒，植物線粒體中與雄性不育有關(guān)的線狀DNA質(zhì)粒。有殼體的dsRNA質(zhì)粒：由蛋白質(zhì)殼體包裹，存在于某些真菌和植物細(xì)胞中，由于它們酷似病毒，所以也常被稱作真菌病毒和植物隱蔽病毒，或稱類病毒顆粒，典型代表是釀酒酵母的嗜殺dsRNA質(zhì)粒。與RNA病毒的主要區(qū)別是它們不具有感染性．無殼體的dsRNA質(zhì)粒：存在于脂質(zhì)小囊中的栗疫菌減毒dsRNA質(zhì)粒，玉米線粒體中與雄性不育有關(guān)的dsRNA質(zhì)粒。（2）質(zhì)粒的生物學(xué)特性復(fù)制(Replication)

質(zhì)粒的復(fù)制起始和拷貝數(shù)是由質(zhì)粒DNA序列控制的。質(zhì)粒分子中為質(zhì)粒復(fù)制所必需的最小區(qū)段稱為基本復(fù)制子，它由兩部分組成，一是復(fù)制原點(ori)，二是調(diào)節(jié)復(fù)制起始的基因（編碼蛋白質(zhì)或RNA)。不相容性(Incompatibility)在無選擇壓力的條件下，親緣關(guān)系密切的不同質(zhì)粒或同一不相容群的質(zhì)粒不能穩(wěn)定共存于同一宿主細(xì)胞，在細(xì)胞增殖過程中將有一種被排斥的現(xiàn)象。當(dāng)一種新的質(zhì)粒進(jìn)入已經(jīng)含有質(zhì)粒的細(xì)胞中時，若兩種質(zhì)粒同源或近緣，它們就會競爭資源，而競爭的結(jié)果就是一個勝利另一個則被消除。但此過程需要幾代或幾十代或更長的細(xì)菌繁殖周期，而并不是一個快速的過程。不相容性(Incompatibility)質(zhì)粒之間的不相容性，是由于它們存在—種或幾種與質(zhì)粒復(fù)制或分配有關(guān)的相同因子，如基本復(fù)制子中的反向轉(zhuǎn)錄區(qū)(ColE1質(zhì)粒的RNAⅠ)，ori區(qū)中的重復(fù)子(Iteron)，與分配蛋白結(jié)合的分配位點。不相容性是質(zhì)粒分類的理想標(biāo)準(zhǔn)。腸道細(xì)菌質(zhì)粒分別屬于30多個不相容組，用Inc表示。轉(zhuǎn)移性(Transferability)

通過細(xì)胞與細(xì)胞之間的接觸，使DNA從一個細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另外一個細(xì)胞的現(xiàn)象叫接合(Conjugation)。這一過程由接合性質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移(tra)基因區(qū)編碼。被轉(zhuǎn)移的DNA可以是接合質(zhì)粒本身，也可以是染色體或可誘動的非接合性質(zhì)粒。得到供體DNA的受體細(xì)胞稱為接合體或接合子。每個供體細(xì)胞所產(chǎn)生的接合體數(shù)稱為接合頻率。接合（conjunction）

F質(zhì)粒的分子大小為100kb，編碼接合轉(zhuǎn)移功能的tra基因區(qū)位于遺傳和物理圖譜的66.6－100kb位置，編碼37個蛋白質(zhì)和1個反義RNA，這些分子分別負(fù)責(zé)性菌毛的合成和裝配，雜交對的穩(wěn)定，表面排斥，DNA轉(zhuǎn)移，以及tra區(qū)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)化（transformation）轉(zhuǎn)化是某一基因型的細(xì)胞從周圍介質(zhì)中吸收來自另一基因型的細(xì)胞的DNA而使它的基因型和表型發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象。（3）質(zhì)粒功能的鑒定帶質(zhì)粒菌株的特征自然界中同樣細(xì)菌中存在有和沒有某種檢驗的功能的兩種菌株時，應(yīng)懷疑可能有質(zhì)粒；當(dāng)檢驗的性狀不穩(wěn)定、易于丟失時；在上述觀察的基礎(chǔ)上用接合或轉(zhuǎn)化的方法把所檢測性狀轉(zhuǎn)移到另一菌株，則可能是有質(zhì)粒決定的；d.假如能從結(jié)構(gòu)上檢測出或看到寄主染色體外的DNA，就可以探討該種DNA的存在與否和要檢測的性狀的有無之間是否存在平行關(guān)系；e.檢查決定所檢測性狀的DNA與宿主染色體不存在直接的聯(lián)系。質(zhì)粒的消除利用染料（吖啶橙，溴化乙錠）、抗生素（如絲裂霉素C）、表面活性劑（如SDS）、高溫等方法進(jìn)行人工消除。其工作機制：一是抑制質(zhì)粒本身的復(fù)制和分離；二是選擇性抑制帶質(zhì)粒細(xì)菌的生長。（4）質(zhì)粒的分子生態(tài)效應(yīng)質(zhì)粒基因作用引起種的多樣性質(zhì)粒在許多菌種廣泛存在，在特殊環(huán)境中攜帶著起重要作用的基因，從遺傳學(xué)角度，質(zhì)粒擴(kuò)大了宿主細(xì)胞的遺傳程度；從進(jìn)化角度，它為種群變異提供了條件，增加了種的多樣性。質(zhì)粒是微生物進(jìn)化的象征特殊質(zhì)粒的存在使宿主細(xì)胞完善自己的生存機會，，例如，根瘤農(nóng)桿菌利用Ti質(zhì)粒感染植物細(xì)胞，完成互利共生的關(guān)系；通過主動適應(yīng)（信號調(diào)控）和被動適應(yīng)（基因轉(zhuǎn)移）在特殊環(huán)境中生存。降解性質(zhì)粒和環(huán)境凈化的分子生態(tài)學(xué)

自然界中很多人造的化合物，例如除草劑、殺蟲劑、溶劑、去污劑等，自然界的自凈作用很難或需較長時間將它們分解，很多帶有降解性質(zhì)粒的微生物卻可以快速利用和分解這些物質(zhì)。

質(zhì)粒的進(jìn)化；

質(zhì)粒轉(zhuǎn)移。

2.6：微生物分子生態(tài)學(xué)研究方法微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性是微生物生態(tài)學(xué)研究的熱點內(nèi)容。群落結(jié)構(gòu)決定了生態(tài)功能的特性和強弱。群落結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性是實現(xiàn)生態(tài)功能的重要因素。群落結(jié)構(gòu)變化是標(biāo)記環(huán)境變化的重要方面。通過對環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性進(jìn)行解析并研究其動態(tài)變化，可以為調(diào)節(jié)群落功能和發(fā)現(xiàn)新的重要微生物功能類群提供可靠的依據(jù)。20世紀(jì)70年代以前：傳統(tǒng)的培養(yǎng)分離方法，依靠形態(tài)學(xué)、培養(yǎng)特征、生理生化特性的比較進(jìn)行分類鑒定和計數(shù)，認(rèn)識是不全面和有選擇性的，方法的分辨水平低。在70和80年代：對微生物化學(xué)成分的分析，建立了一些微生物分類和定量的方法（生物標(biāo)記物方法），對環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性的認(rèn)識進(jìn)入到較客觀的層次上。在80和90年代：現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)以DNA為目標(biāo)物，通過rRNA基因測序技術(shù)和基因指紋圖譜等方法，比較精確地揭示了微生物種類和遺傳的多樣性，并給出了關(guān)于群落結(jié)構(gòu)的直觀信息（1）傳統(tǒng)的微生物研究方法Live:culturedABNC:uncultured1%BIOLOG鑒定系統(tǒng)在96孔細(xì)菌培養(yǎng)板上檢測微生物對不同發(fā)酵性碳源（95種）利用情況。干膜上都含有培養(yǎng)基和氧化還原染料四唑微生物利用碳源進(jìn)行呼吸時（產(chǎn)生的NADH），會將四唑從無色還原成紫色。每個孔中含有不同的底物菌懸液或無菌水自動化、快速僅能鑒定快速生長的微生物，誤差較大（pH），擁有的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫還不完善醌指紋法(QuinonesProfiling)呼吸醌廣泛存在于微生物細(xì)胞膜中，在電子傳遞鏈中起重要作用，主要有泛醌(ubiquinone輔酶Q)和甲基萘醌(menaquinone維生素K)。醌可以依據(jù)側(cè)鏈含異戊二烯單元的數(shù)目和側(cè)鏈上使雙鍵飽和的氫原子數(shù)進(jìn)一步區(qū)分。每一種微生物都含有一種占優(yōu)勢的醌，而且不同的微生物含有不同種類和分子結(jié)構(gòu)的醌。因此，醌的多樣性可定量表征微生物的多樣性，醌譜圖（即醌指紋）的變化可表征群落結(jié)構(gòu)的變化。磷脂是構(gòu)成生物細(xì)胞膜的主要成分，約占細(xì)胞干重的5%。在細(xì)胞死亡時，細(xì)胞膜很快被降解，磷脂脂肪酸被迅速的代謝掉，因此它只在活細(xì)胞中存在，十分適合于微生物群落的動態(tài)監(jiān)測。磷脂脂肪酸（PLFA）、甲基脂肪酸酯（FAME）譜圖分析脂肪酸具有屬的特異性，特殊的甲基脂肪酸已經(jīng)被作為微生物分類的依據(jù)。甲基脂肪酸酯是細(xì)胞膜磷脂水解產(chǎn)物，氣相色譜分析系統(tǒng)分析出全細(xì)胞的FAME譜圖。脂肪酸譜圖法分類水平較低，不能鑒定到種。另外，不同微生物種屬之間脂肪酸組成有重疊，外來生物污染也限制了脂肪酸譜圖法對種群結(jié)構(gòu)解析的可靠性。分子生物技術(shù)：在核酸、蛋白質(zhì)的分子水平進(jìn)行相關(guān)的核酸和蛋白質(zhì)的研究。（2）基于分子生物技術(shù)的方法21世紀(jì)的開端是微生物生態(tài)學(xué)研究能力革命性進(jìn)展的時期，處于這次革新前沿的是從分子生物學(xué)發(fā)展而來的研究工具?；赑CR的技術(shù)核酸分子雜交技術(shù)流式細(xì)胞技術(shù)（FCM）微陣列技術(shù)反轉(zhuǎn)錄PCR（rt-PCR）競爭性PCR（Q-PCR）熒光定量PCR基因指紋圖譜技術(shù)擴(kuò)增rDNA限制性片段分析（ARDRA）限制性酶切片段長度多態(tài)性分析（RFLP）單鏈構(gòu)象多態(tài)性分析（SSCP）末端限制性片段長度多態(tài)性分析（T-RFLP）變性梯度凝膠電泳（DGGE）溫度梯度凝膠電泳（TGGE）擴(kuò)增片斷長度多態(tài)性（AFLP)隨機擴(kuò)增多態(tài)性DNA（RAPD)斑點印記Southern雜交和Northern雜交熒光原位雜交（FISH）宏基因組文庫

1）熒光原位雜交（FISH）FISH（Fluorescenceinsituhybridization）是一門新的分子生物技術(shù)，是20世紀(jì)80年代末在原有的放射性原位雜交技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種非放射性原位雜交技術(shù)，目前這項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于動植物基因組結(jié)構(gòu)、染色體結(jié)構(gòu)變異分析、產(chǎn)前診斷、基因組進(jìn)化分析和環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)研究中。FISH基本原理是將DNA(或RNA)探針用特殊的核苷酸分子標(biāo)記,然后將探針直接雜交到染色體或DNA纖維切片上,再用與熒光素分子偶聯(lián)的單克隆抗體與探針分子特異性結(jié)合來檢測DNA序列在染色體或DNA纖維切片上的定性、定位、相對定量分析。熒光標(biāo)記間接標(biāo)記：用生物素或地高辛標(biāo)記稱為間接標(biāo)記,雜交后需要通過免疫熒光抗體檢測方能看到熒光信號,因而步驟較多,操作麻煩,其優(yōu)點是在信號較弱或較小時可經(jīng)抗原抗體反應(yīng)擴(kuò)大。直接標(biāo)記：直接用熒光素標(biāo)記DNA的方法稱為直接標(biāo)記。由于直接標(biāo)記的探針雜交后可馬上觀察到熒光信號,省去了煩瑣的免疫熒光反應(yīng),不需要購買熒光抗體,也由于近