第七章 微生物遺傳和變異1

第六章微生物的遺傳和變異

遺傳和變異是一切生物最本質(zhì)的屬性。微生物的遺傳：微生物將其生長(zhǎng)發(fā)育所需要的營(yíng)養(yǎng)類型和環(huán)境條件，以及對(duì)這些營(yíng)養(yǎng)和外界環(huán)境條件產(chǎn)生一定反應(yīng)，或出現(xiàn)的一定性狀傳給后代，并相對(duì)穩(wěn)定地一代一代傳下去。遺傳（保守性）

微生物的變異：當(dāng)微生物從它適應(yīng)的環(huán)境遷移到不適應(yīng)的環(huán)境后，微生物改變自己對(duì)營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境條件的要求，在新的生活條件下產(chǎn)生適應(yīng)新環(huán)境的酶，從而適應(yīng)新環(huán)境并生長(zhǎng)良好。

基因型：生物體所含有的全部遺傳因子所攜帶的遺傳信息。

表型：某一生物體所具有的一切外表特征和內(nèi)在特性的總和，是其遺傳型在合適環(huán)境條件下通過代謝和發(fā)育而得到的具體體現(xiàn)。飾變：指外表的修飾性改變，它不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上的表型變化。遺傳和變異是一切生物存在和進(jìn)化的基本要素。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。對(duì)于育種的意義

在污水和有機(jī)固體廢物生物處理過程中，可利用自然條件或物理、化學(xué)因素來促進(jìn)微生物變異，使它符合生產(chǎn)實(shí)戰(zhàn)的需要。

在工業(yè)廢水生物處理過程中，用含有某些污染物的工業(yè)廢水篩選、培養(yǎng)來自處理其他廢水的菌種，使它們適應(yīng)該種工業(yè)廢水并有效降解其中污染物能力的方法叫馴化。

第一節(jié)微生物的遺傳一、遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)

1、三個(gè)經(jīng)典試驗(yàn)

（1）轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)CAI

Griffith(1928)用肺炎鏈球菌S型和R型菌株進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

Avery等人的實(shí)驗(yàn)（1944）

（2）噬菌體感染實(shí)驗(yàn)

Hershey和Chase(1952)

（3）植物病毒的重建實(shí)驗(yàn)CAI

Fraenkel-Conrat(1956)

2、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞中的存在形式除部分病毒的遺傳物質(zhì)是RNA外，其余生物均為DNA。按其在細(xì)胞中的存在形式可分為染色體DNA和染色體外DNA。

原核微生物的DNA不與蛋白質(zhì)結(jié)合，也沒有核膜，而是由一條DNA細(xì)絲構(gòu)成的環(huán)狀染色體，拉直時(shí)比細(xì)胞長(zhǎng)許多倍，它在細(xì)胞的中央，高度折疊形成具有空間結(jié)構(gòu)的核區(qū)。原核微生物DNA的負(fù)電荷被Mg2+和有機(jī)堿中和。真核生物的DNA與組蛋白結(jié)合在一起形成核染色體，染色體呈絲狀結(jié)構(gòu)，細(xì)胞內(nèi)所有染色體由核膜包裹構(gòu)成真正的細(xì)胞核。

3、基因和遺傳信息的傳遞（1）基因基因是生物體內(nèi)一切具有自主復(fù)制能力的最小遺傳功能單位，為一條有特定核苷酸排列序列的核酸片段。原核生物基因包括：操縱子與其調(diào)節(jié)基因

操縱子包括：結(jié)構(gòu)基因操縱基因啟動(dòng)基因

結(jié)構(gòu)基因：決定蛋白質(zhì)合成中氨基酸的排列順序操縱基因：控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄（執(zhí)行off功能）啟動(dòng)基因：是DNA聚合酶的結(jié)合部位和轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)部位（執(zhí)行on功能）調(diào)節(jié)基因：轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白的mRNA，轉(zhuǎn)譯阻遏蛋白，后者與操縱基因結(jié)合控制結(jié)構(gòu)基因是否轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)。

每個(gè)基因約1000～1500bp，分子量約6×105，每個(gè)細(xì)菌約具有5000～10000個(gè)基因。基因控制遺傳性狀，任何一個(gè)遺傳性狀的表現(xiàn)都是在基因控制下的個(gè)體發(fā)育的結(jié)果。

（2）遺傳信息的傳遞遺傳信息的傳遞可概括為3個(gè)步驟：

①將攜帶遺傳信息的DNA復(fù)制；②將DNA攜帶的遺傳信息轉(zhuǎn)錄到RNA上；③將RNA獲得的信息翻譯成蛋白質(zhì)。

某些RNA病毒，侵入宿主后，通過反轉(zhuǎn)錄酶的作用，由RNA反轉(zhuǎn)錄為DNA。這種DNA的復(fù)制和遺傳信息傳遞的基本規(guī)則，稱為分子遺傳學(xué)中的中心法則。中心法則

二、DNA的結(jié)構(gòu)與復(fù)制

1、

DNA的結(jié)構(gòu)

DNA由兩條多核苷酸組成的鏈配對(duì)而成，兩條鏈彼此互補(bǔ)，排列方向相反，以右手螺旋的方式圍繞一根主軸而互相盤繞，形成具有一定空間距離的雙螺旋結(jié)構(gòu)。四種堿基A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鳥嘌呤）、C（胞嘧啶）相互配對(duì)。

A-T，G-C互相間通過氫鍵連接。

1953年的克里克（FrancisCrick,1916-2004)（右）和沃森(JamesWatson，1928-)在實(shí)驗(yàn)室里，他們兩人因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了DNA的分子結(jié)構(gòu)，而在1962年與威爾金斯一起獲得諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

核苷酸的結(jié)構(gòu)

四種堿基的結(jié)構(gòu)DNA分子結(jié)構(gòu)A與T、G與C的配對(duì)（依靠氫鍵連接）

2、DNA的復(fù)制CAI

半保留復(fù)制：首先DNA雙螺旋分子在解旋酶的作用下，兩條多核苷酸鏈之間的氫鍵斷裂，分離成兩條單鏈，然后各自以原有的多核苷酸鏈為模板，根據(jù)堿基配對(duì)原則合成新的互補(bǔ)鏈，這樣形成的兩個(gè)子代DNA分子與原來的DNA分子完全相同，故稱之為復(fù)制。又因子代DNA分子的雙鏈一條來自親代，另一條是新合成的，故稱為半保留復(fù)制。

DNA的復(fù)制

DNA是雙鏈分子，但作為基因則只有一條鏈為蛋白質(zhì)編碼（意義鏈），另一條只是使DNA分子處于穩(wěn)定狀態(tài)的互補(bǔ)鏈，稱為反義鏈。

原核微生物DNA的復(fù)制從一個(gè)位點(diǎn)開始，快速生長(zhǎng)的微生物在同一時(shí)間里有多個(gè)復(fù)制點(diǎn)。真核微生物DNA的復(fù)制同時(shí)在各染色體中進(jìn)行，在每個(gè)染色體中多位點(diǎn)上的DNA復(fù)制同時(shí)進(jìn)行。

三、DNA的復(fù)性與變性

1、DNA變性

當(dāng)天然雙鏈DNA分子在熱、酸或堿等因素作用下，氫鍵被破壞，成為不規(guī)則的卷曲單鏈，稱為DNA變性。

DNA變性時(shí)，雙螺旋松解，堿基暴露，OD260值增加（增色效應(yīng)）。

DNA的變性作用發(fā)生在一個(gè)很窄的溫度范圍內(nèi)，通常把光吸收增值一半時(shí)的溫度稱為該DNA的熔點(diǎn)或熔解溫度，用Tm表示。

2、DNA的復(fù)性

變性DNA溶液經(jīng)適當(dāng)處理后重新形成天然DNA的過程叫復(fù)性。

DNA復(fù)性時(shí)，單鏈DNA重新恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)，OD260值減?。p色效應(yīng)）。

雜交：在DNA復(fù)性過程中，將不同的DNA單鏈分子放在同一溶液中，或?qū)NA和RNA分子放在一起，雙鏈分子的再形成既可以發(fā)生在序列完全互補(bǔ)的核酸分子間，也可發(fā)生在堿基序列部分互補(bǔ)的不同的DNA之間或DNA與RNA之間。固相雜交：用硝酸纖維素濾膜

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脫氧核糖，以尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T)。因此RNA鏈中的堿基配對(duì)為A-U、U-A、G-C、C-G。

RNA有四種:tRNA、rRNA、mRNA和反義RNA，它們均由DNA轉(zhuǎn)錄而成。分別在蛋白質(zhì)合成過程中擔(dān)任不同的角色。RNA來自DNA，通過轉(zhuǎn)錄過程生成，RNA上的堿基序列是由DNA所決定的。mRNA叫信使

RNA，作為多聚核苷酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)，其上帶有指導(dǎo)氨基酸的信息密碼（三聯(lián)密碼子），它翻譯氨基酸，具轉(zhuǎn)遞遺傳信息的功能。tRNA叫轉(zhuǎn)移RNA，其上有和mRNA互補(bǔ)的反密碼子，能識(shí)別氨基酸及識(shí)別mRNA上的密碼子，在tRNA-氨基酸合成酶的作用下傳遞氨基酸。反義RNA起調(diào)節(jié)作用，決定mRNA翻譯合成速度。rRNA（核糖體RNA），和蛋白質(zhì)結(jié)合成的核糖體，為合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所。由mRNA、tRNA、反義

RNA和rRNA協(xié)作,合成蛋白質(zhì)。

遺傳密碼遺傳密碼是存在于mRNA鏈上由3個(gè)核苷酸組成，代表一個(gè)氨基酸的核苷酸序列，即三聯(lián)密碼子。

五、微生物生長(zhǎng)與蛋白質(zhì)合成微生物生長(zhǎng)的主要活動(dòng)是蛋白質(zhì)的合成，同化的碳和消耗的能量有4/5～9/10直接或間接與蛋白質(zhì)合成有關(guān)。蛋白質(zhì)合成（翻譯）在核糖體上進(jìn)行，與RNA的復(fù)制（合成）及DNA的復(fù)制（合成）有關(guān)。

蛋白質(zhì)合成過程：

DNA復(fù)制：相應(yīng)的DNA鏈進(jìn)行自我復(fù)制；轉(zhuǎn)錄mRNA：由DNA轉(zhuǎn)錄成mRNA，同時(shí)也轉(zhuǎn)錄成其他幾種RNA；翻譯：由tRNA完成；蛋白質(zhì)合成：合成多肽，最終生成具有特定功能的蛋白質(zhì)。儲(chǔ)存于DNA的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄傳遞到mRNA上，后者結(jié)構(gòu)基因區(qū)每三聯(lián)堿基（密碼）代表一種氨基酸，因此密碼的排列順序決定了蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)乃至高級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的生物合成即翻譯。核酸和蛋白質(zhì)的合成

六、微生物的細(xì)胞分裂由于DNA復(fù)制和蛋白質(zhì)合成，兩者增加，最后導(dǎo)致微生物細(xì)胞的分裂。微生物將成倍增加的核物質(zhì)和蛋白質(zhì)均等地分配給兩個(gè)子細(xì)胞，在細(xì)胞中部形成橫隔膜，最終分裂成兩個(gè)細(xì)胞。

第二節(jié)微生物的變異微生物子代的表型特征與其親代的表型特征發(fā)生較大差異，這種差異是由于子代的基因發(fā)生了突變所引起的，即遺傳物質(zhì)DNA（RNA病毒和噬菌體的RNA）中的核苷酸序列發(fā)生了一種穩(wěn)定的和可遺傳的變化。

一、基因突變

基因突變：點(diǎn)突變，由于DNA（RNA病毒和噬菌體的RNA）鏈上的一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)堿基被另一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)堿基對(duì)取代發(fā)生改變的突變類型。如有莢膜、菌落光滑型的細(xì)菌變?yōu)闊o莢菌落粗糙型的細(xì)菌?；蛲蛔兊奶攸c(diǎn)：1、自發(fā)性，基因突變可自發(fā)產(chǎn)生；2、不對(duì)應(yīng)性，指突變性狀（如抗青霉素）與引起突變的原因無直接對(duì)應(yīng)關(guān)系；3、稀有性，通常自發(fā)突變的幾率在10-6～10-9間；4、獨(dú)立性，某基因的突變率不受它種基因突變率的影響；5、可誘變性，自發(fā)突變的頻率可因誘變劑的影響而大為提高（提高10～105倍）；6、穩(wěn)定性，基因突變后的新遺傳性狀是穩(wěn)定的；7、可逆性，野生型菌株某一性狀可發(fā)生正向突變，也可發(fā)生相反的回復(fù)突變。二、突變的類型CAI1、自發(fā)突變自發(fā)突變：指生物體在無人工干預(yù)下自然發(fā)生的低頻率的突變。自發(fā)突變的原因：（1）多因素低劑量的誘變效應(yīng)（2）互變異構(gòu)效應(yīng)和環(huán)出效應(yīng)

2、誘發(fā)突變

誘變：指通過認(rèn)為的方法，利用物理、化學(xué)或生物因素顯著提高基因自發(fā)突變頻率的手段。

誘變劑：具有誘變效應(yīng)的任何因素，都稱誘變劑。

（1）物理誘變利用物理因素引起基因突變稱物理誘變。

物理誘變因素有紫外輻射、X-射線、γ-射線、快中子、β-射線和激光等。

①紫外輻射紫外輻射的生物學(xué)效應(yīng)主要是引起DNA的變化。

DNA鏈上的堿基對(duì)紫外輻射很敏感，因?yàn)閴A基吸收的光波波長(zhǎng)和紫外輻射發(fā)射波波長(zhǎng)非常接近。DNA強(qiáng)烈吸收紫輻射引起DNA結(jié)構(gòu)變化。其變化形式是多方面的，如DNA鏈的斷裂，DNA分子內(nèi)和分子間的交聯(lián)，胞嘧啶和鳥嘌呤的水合作用胸腺嘧啶二聚體的形成等。

紫外輻射的誘變劑量和照射方法：一般在暗室用15W的UV燈，將5mL菌懸液放在直徑6cm的培養(yǎng)皿底中，置于距燈管30cm處直接照射，同時(shí)用電磁攪拌棒或其他方法均勻旋轉(zhuǎn)并攪動(dòng)懸液。選用照射時(shí)間或殺菌率作為相對(duì)劑量，照射時(shí)間30s~3min之間，殺菌率為70%~80%，甚至是30%~70%的劑量。②電離輻射

X-射線、β-射線、γ-射線等與DNA分子碰撞時(shí)，會(huì)將其全部或部分能量傳遞給原子而產(chǎn)生高能量的次級(jí)電子，通過電離作用，直接或間接改變DNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)。直接作用是使DNA分子中的化學(xué)鍵斷裂；而間接作用是從水或有機(jī)物中產(chǎn)生自由基，導(dǎo)致DNA分子的損傷或缺失。（2）化學(xué)誘變利用化學(xué)物質(zhì)對(duì)微生物進(jìn)行誘變，引起基因突變或染色體畸變，稱為化學(xué)誘變。

①亞硝酸、硫酸二乙酯等可直接與核酸的堿基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起DNA復(fù)制時(shí)堿基配對(duì)的轉(zhuǎn)換而引起變異。以亞硝酸為例CAI圖7.5-7、3、4、5

②5-溴尿嘧啶、2-氨基嘌呤等堿基類似物，通過活細(xì)胞的代謝活動(dòng)摻與到DNA分子中引起變異。以5-溴尿嘧啶為例CAI圖7.5-6③移碼突變移碼突變：由于DNA序列中一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)核苷酸發(fā)生增添或缺失，從而使該處后面的全部遺傳密碼的閱讀框架發(fā)生改變，并進(jìn)一步引起轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯錯(cuò)誤的一類突變。能引起移碼突變的因素是一些吖啶類染料。圖7-11CAI

誘變劑的復(fù)合處理常有一定的協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)誘變效果。復(fù)合處理有①兩種或多種誘變劑先后使用；②同一誘變劑的重復(fù)使用；③兩種或多種誘變劑同時(shí)使用。

（3）DNA損傷的修復(fù)①光復(fù)活作用胸腺嘧啶二聚體與光解酶結(jié)合（在黑暗下），可見光下光解酶激活，分解二聚體成為單體。光解酶釋放，DNA鏈修復(fù)。②切除修復(fù)由四種酶參與的修復(fù)，不需可見光存在。③重組修復(fù)受損傷的DNA復(fù)制后，經(jīng)染色體交換，使子鏈上的空隙部分面對(duì)正常的單鏈，DNA多聚酶和連接酶修復(fù)空隙部分成正常鏈。

④SOS修復(fù)在DNA受到較大范圍的重大損傷時(shí)誘導(dǎo)產(chǎn)生的一種應(yīng)急反應(yīng)，使細(xì)胞內(nèi)所有的修復(fù)酶增加合成量，提高酶活性?；蛘T導(dǎo)產(chǎn)生新的修復(fù)酶修復(fù)損傷的DNA。

⑤適應(yīng)性修復(fù)細(xì)菌由于長(zhǎng)期接觸低劑量的誘變劑會(huì)產(chǎn)生修復(fù)蛋白（酶），修復(fù)DNA上因甲基化而遭受的損傷。將這種在適應(yīng)期間產(chǎn)生的修復(fù)蛋白的修復(fù)作用稱為適應(yīng)性修復(fù)。（4）定向培育和馴化定向培育是一種利用微生物的自發(fā)突變，并采用特定的選擇條件，通過對(duì)微生物群體不斷移植以選育出優(yōu)良菌株的古老方法。環(huán)境工程中仍采用定向培育的方法培育菌種。在廢水生物處理過程中，微生物的變異現(xiàn)象很多，有營(yíng)養(yǎng)要求的變異，對(duì)溫度、pH要求的變異，對(duì)毒物耐毒能力的變異，個(gè)體形態(tài)和菌落形態(tài)的變異及代謝途徑的變異。

第三節(jié)基因重組

基因重組：兩個(gè)不同性狀的個(gè)體細(xì)胞的DNA融合，使基因重新組合，從而發(fā)生遺傳變異，產(chǎn)生新品種的過程。原核微生物基因重組的方式主要是轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合和原生質(zhì)體融合等。

一、轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化：受體菌直接吸收供體菌的DNA片段而獲得后者部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化。

感受態(tài)：受體細(xì)胞最易接受外源DNA片段，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的生理狀態(tài)。感受態(tài)因子：調(diào)節(jié)感受態(tài)的特異蛋白，包括：膜相關(guān)DNA結(jié)合蛋白、細(xì)胞壁自溶素、核酸酶。轉(zhuǎn)化因子：離體DNA片段轉(zhuǎn)化過程：

二、轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過缺陷噬菌體的媒介，把供體細(xì)胞的DNA片段攜帶到受體細(xì)胞中，通過交換與整合，后者獲得前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)-U型管試驗(yàn)

CAI

1、普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)

普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過完全缺陷噬菌體對(duì)供體菌基因組上的任何小片段DNA進(jìn)行誤包，而將其遺傳性狀傳遞給受體菌的現(xiàn)象。CAI

完全缺陷噬菌體：在噬菌體內(nèi)只含有宿主細(xì)胞的DNA2、局限轉(zhuǎn)導(dǎo)局限轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌的少數(shù)特定基因攜帶到受體菌中，并與后者的基因組整合，形成轉(zhuǎn)導(dǎo)子的現(xiàn)象。CAI

局限轉(zhuǎn)導(dǎo)的特點(diǎn)：（1）只局限于轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌核染色體上的特定基因（噬菌體整合位點(diǎn)兩側(cè)的基因）（2）溫和噬菌體攜帶轉(zhuǎn)導(dǎo)的特定基因片斷（3）缺陷噬菌體由脫離宿主細(xì)胞時(shí)“誤切”或雙重溶源菌裂解形成。（4）局限轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體需通過紫外線對(duì)溶源菌誘導(dǎo)產(chǎn)生。部分缺陷噬菌體：在噬菌體內(nèi)同時(shí)含有宿主細(xì)胞的DNA和噬菌體DNA局限轉(zhuǎn)導(dǎo)包括：低頻轉(zhuǎn)導(dǎo)高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)

低頻轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過一般溶源菌釋放缺陷噬菌體所進(jìn)行的轉(zhuǎn)導(dǎo)，因其只能形成極少數(shù)的轉(zhuǎn)導(dǎo)子（10-4～10-6）而稱為低頻轉(zhuǎn)導(dǎo)。低頻裂解物：含有極少數(shù)局限轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體的裂解物

高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)雙重溶源菌：同時(shí)感染正常噬菌體和缺陷噬菌體的受體菌誘導(dǎo)雙重溶源菌可產(chǎn)生50%的局限轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體，這樣的裂解物為高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)裂解物，轉(zhuǎn)導(dǎo)受體細(xì)胞可獲得50%的轉(zhuǎn)導(dǎo)子，稱為高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)。

三、接合

CAI

接合：通過供體菌和受體菌完整細(xì)胞間的直接接觸，前者的部分DNA進(jìn)入后者細(xì)胞內(nèi)，并與其核染色體發(fā)生交換、整合，從而使后者獲得供體菌的遺傳性狀的現(xiàn)象。接合的檢測(cè)F因子：F因子是一種屬于附加體的質(zhì)粒，也即它既可脫離核染色體組而在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)游離存在，也可插入即整