微生物的遺傳與變異

關于微生物的遺傳與變異第一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日1.種瓜得瓜，種豆得豆；2.龍生龍，鳳生鳳，老鼠兒子會打洞；3.虎父無犬子；4.一母生九子，母子十不同。請大家想一想，與遺傳變異有關的俗語或諺語有哪些？第七章微生物的遺傳與變異第二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第七章微生物的遺傳與變異遺傳（heredity）和變異（variation）是生物界最本質的屬性之一。在應用微生物加工制造和發(fā)酵生產各種食品及微生物污染治理過程中，要想有效地大幅度提高產品的產量、質量和處理效果，首先必須選育優(yōu)良的生產菌種，才能達到目的。而優(yōu)良菌種的選育是在微生物遺傳變異的基礎上進行的。遺傳和變異是相互關聯(lián)，同時又相互矛盾對立的兩個方面，在一定條件下，二者是相互轉化的。認識和掌握微生物遺傳變異的規(guī)律是搞好菌種選育的關鍵。第三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第七章微生物的遺傳與變異遺傳：微生物在繁殖延續(xù)后代的過程中，親代與子代之間在形態(tài)、結構、生態(tài)、生理生化特性等方面具有一定的相似性，稱為微生物的遺傳。遺傳的保守性：相對穩(wěn)定有利：選育出的優(yōu)良菌種屬性穩(wěn)定地遺傳。不利：環(huán)境條件改變，微生物會不適應外界環(huán)境條件。保持物種延續(xù)。第四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第七章微生物的遺傳與變異變異：在微生物繁殖過程中，在世代之間、同代個體之間存在差異的現(xiàn)象，稱為變異。變異的多樣性個體形態(tài)的變化，菌落形態(tài)(光滑型／粗糙型)的變異，營養(yǎng)要求的變異，對溫度、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、產物的變異等。兩者的關系：遺傳是相對的，變異是絕對的，遺傳中有變異，變異中有遺傳，遺傳和變異的辨證關系使微生物不斷進化。第五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第七章微生物的遺傳與變異意義：遺傳和變異是一切生物存在和進化的基本要素育種環(huán)境保護領域第六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第七章微生物的遺傳與變異兩組基本概念：遺傳型（genotype）又稱基因型，指某一生物個體所含有的全部遺傳因子即基因組所攜帶的遺傳信息。表型（phenotype）指某一生物體所具有的一切外表特征及內在特性的總和。遺傳型（可能性）表型（現(xiàn)實性）環(huán)境條件代謝、發(fā)育第七頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第七章微生物的遺傳與變異兩組基本概念：變異（variation）生物體在某種外因或內因的作用下引起的遺傳物質結構或數(shù)量的改變，即遺傳型的改變。

特點：群體中幾率低，性狀變化幅度大，新性狀穩(wěn)定可遺傳。飾變（modification）修飾性改變，即不涉及遺傳物質結構改變而只發(fā)生在轉錄、翻譯水平上的表型變化。特點：群體中幾乎每一個體都同樣變化，性狀變化幅度小，不遺傳，引起飾變的因素消失后，表型即可恢復。例如：粘質沙雷氏菌：在25℃下培養(yǎng)，產生深紅色的靈桿菌素；在37℃下培養(yǎng)，不產生色素；如果重新將溫度降到25℃，又恢復產色素的能力。第八頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1微生物的遺傳遺傳變異的物質基礎

——DNA（脫氧核糖核酸）遺傳變異的物質基礎是蛋白質還是核酸，曾是生物學中激烈爭論的重大問題之一。直至1944年后由于連續(xù)利用微生物這一有利的實驗對象設計了3個著名的實驗，才以確鑿的事實證實了核酸尤其是DNA才是遺傳變異的真正物質基礎。

三個經典實驗與遺傳物質第九頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.1遺傳變異的物質基礎——DNA1、經典轉化實驗以肺炎鏈球菌(Streptococcuspneumoniae)作為研究對象，肺炎鏈球菌可以使人患肺炎，也可以使小白鼠患敗血病而死亡；有莢膜者是致病性的，它的菌落表面光滑(smooth)，稱為S型；有的不形成莢膜，無致病性，菌落外觀粗糙(rough)，故稱R型。有莢膜，致病的，菌落表面光滑（smooth）不形成莢膜，無致病性，菌落外觀粗糙（rough)第十頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第十一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日離體轉化實驗1944年，、和M.McCarty從熱死的S型肺炎鏈球菌中提純了可能作為轉化因子的各種成分，并在離體條件下進行了轉化實驗。Avery等的體外培養(yǎng)實驗(1944)分離后的S型細胞物質對R型細胞的轉化第十二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日分析：S型細菌的DNA能將肺炎鏈球菌的R型轉化為S型。而DNA純度越高，轉化效率也越高，只取純DNA的6Χ10-8的量時，仍有轉化能力。這說明，S型菌株轉移給R型菌株的是以DNA為基礎的遺傳因子。第十三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.1遺傳變異的物質基礎——DNA2、噬菌體感染實驗1952年，和M.Chase發(fā)表了證明噬菌體的遺傳物質基礎的著名實驗－噬菌體感染實驗。首先，他們將E.coli培養(yǎng)在以放射性32P3O4或35S2O4作為磷源或硫源的合成培養(yǎng)基中。結果,可以獲得含32P-DNA(噬菌體核心)的噬菌體或含35S-蛋白質(噬菌體外殼)的兩種實驗用噬菌體。第十四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第十五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.1遺傳變異的物質基礎——DNA3、煙花草葉病毒的拆開與重組實驗H.Fraenkel-Conrat(1956)用含RNA的煙草花葉病毒(TMV)進行了著名的植物病毒重建實驗。把TMV和HRV（霍氏車前花葉病毒）的蛋白質外殼與RNA相分離。用TMV的RNA與HRV的蛋白質外殼，HRV的RNA與TMV的蛋白質外殼重建后的雜合病毒去感染煙草。第十六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第十七頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日三個經典試驗結果

細胞生物的遺傳物質是雙鏈DNA；病毒的遺傳物質可以是單鏈的或雙鏈的DNA或RNA，即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。三個經典試驗結果第十八頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日

朊病毒的發(fā)現(xiàn)和思考無論是DNA還是RNA作為遺傳物質的基礎已是無可辨駁的事實。但朊病毒的發(fā)現(xiàn)對“蛋白質不是遺傳物質”的定論也帶來一些疑云。PrP是具有傳染性的蛋白質致病因子，迄今未發(fā)現(xiàn)蛋白內有核酸，但已知的傳染性疾病的傳播必須有核酸組成的遺傳物質，才能感染宿主并在宿主體內自然繁殖。那么這是生命界的又一特例呢？還是因為目前人們的認識和技術所限而尚未揭示的生命之謎呢？還有待于生命科學家去認識和探索。第十九頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日規(guī)則的雙螺旋結構通常呈單鏈結構脫氧核苷酸核糖核苷酸腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）脫氧核糖核糖磷酸磷酸DNA與RNA分子的比較第二十頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制1953年的克里克（FrancisCrick)（右）和沃森(JamesWatson)在實驗室里，他們兩人因為發(fā)現(xiàn)了DNA的分子結構，而在1962年與威爾金斯一起獲得諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。DNA（脫氧核糖核酸）：高分子化合物第二十一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制

DNA的結構DNA由兩條多核苷酸組成的鏈配對而成，兩條鏈彼此互補，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。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。A

T,GC互相間通過氫鍵連接。第二十二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制DNA的結構

每條核苷酸鏈均由脫氧核糖－磷酸－脫氧核糖－磷酸交替排列而成（磷酸二酯鍵）。第二十三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制DNA的結構四種堿基結構第二十四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制DNA的結構堿基配對（依靠氫鍵連接）GCAT第二十五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日ATGCATGC脫氧核糖磷酸堿基第二十六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第二十七頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日大部分DNA具有雙螺旋結構，亦稱為B型。小溝大溝第二十八頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制DNA的存在形式除部分病毒的遺傳物質是RNA外，其余病毒和全部具有典型細胞結構的生物體的遺傳物質都是DNA。按其在細胞中的存在形式可分成染色體DNA、染色體外DNA、RNA作為遺傳物質、朊病毒的遺傳物質。第二十九頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制1.染色體DNA真核生物的染色體。真核生物的染色體主要由DNA和組蛋白(H1，H2A，H2B，H3，H4)構成。原核生物的染色體。原核生物的染色體的DNA與很少量的蛋白質結合，或者是裸露的。它們大多是雙鏈的，呈環(huán)狀或線狀。第三十頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制2.染色體外DNA真核微生物中的細胞器DNA：葉綠體、線粒體、中心粒、毛基體等原核微生物和真核微生物的酵母菌：質粒插入序列、轉座子、Mu噬菌體等第三十一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日細菌等原核生物質粒染色體葉綠體中含有環(huán)狀DNA線粒體中含有環(huán)狀DNA第三十二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日染色體指攜帶細胞功能所必備的基因的遺傳單元。病毒是非細胞生物，它們的全套遺傳基因稱為基因組，但不足以形成染色體。原核生物的染色體常為一個環(huán)狀的DNA分子。=DNA真核生物的細胞有幾條至幾十條染色體，各含一個線狀的DNA分子。=DNA+組蛋白第三十三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日真核生物的染色體結構細菌染色體DNA的大小和結構第三十四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日原核生物的質粒游離于原核生物染色體外，具有獨立復制能力的小型共價閉合環(huán)狀DNA分子，即cccDNA(circularcovalentlyclosedDNA)，稱為質粒。質粒具有超螺旋狀的結構，攜帶著某些染色體所沒有的基因，賦予原核生物某些對其生存必不可少的特殊功能。并非細胞必須，僅與某些性狀有關;常作為基因轉移的運載工具。PlasmidpBR322第三十五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日質粒的主要類型致育因子Fertilityfactor，F(xiàn)因子（致育因子，性因子，約2%核染色體，94.5kb，編碼的基因約1/3與接合有關）抗性因子Resistancefactor，R因子（抗藥性因子，其基因編碼的物質對抗生素有抗性）Ti因子

誘癌質粒，可同植物細胞中的核染色體整合，破壞控制細胞分裂的激素調節(jié)系統(tǒng)，從而使其變成癌細胞。Col因子

大腸桿菌素因子，即使大腸桿菌分泌大腸桿菌素巨大質粒分子量200~300×106Da，比一般質粒大幾十到幾百倍，上面有固氮基因。降解性質粒

可以編碼許多降解性酶類，使細菌降解特殊物質。只在假單胞菌屬中發(fā)現(xiàn)。它們的降解性質?？蔀橐幌盗心芙到鈴碗s物質的酶編碼，從而能利用一般細菌所難以分解的物質做碳源。第三十六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制基因——遺傳因子基因是一切生物體內儲存遺傳信息的、有自我復制能力的遺傳功能單位。它是DNA分子上具有特定堿基順序，即核苷酸順序的片斷。遺傳物質的最小功能單位?；蚣仁且粋€結構單位，也是一個功能單位。按功能可把基因分為三種：結構基因、操縱基因、調節(jié)基因。第三十七頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制基因——遺傳因子結構基因：編碼蛋白質或酶的結構,控制某種蛋白質或酶的合成。操縱基因：操縱結構基因的表達。調節(jié)基因：控制結構基團。第三十八頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制遺傳信息的傳遞DNA遺傳信息需要通過一系列物質變化過程才能在生理上和形態(tài)上表達出相應的遺傳性狀?，F(xiàn)代生物遺傳學已經證明：親代的性狀是通過脫氧核糖核酸（DNA）將決定各種遺傳性狀的遺傳信息傳給子代的。子代根據(jù)DNA所攜帶的遺傳信息，產生一定形態(tài)結構的蛋白質，由一定結構的蛋白質就可決定子代具有一定形態(tài)結構和生理生化特性。第三十九頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制基因信息的傳遞分子遺傳學的中心法則1958年Crick和1970年Temin第四十頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.2DNA的結構與復制DNA的復制半保留式的自我復制能力解旋復制分配第四十一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日4dNTP第四十二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日注意：復制過程必須有酶的參與，如：解旋酶、聚合酶等。解旋過程中，并不是完全斷開后才開始復制，而是解開一段后，就進行復制。復制好的就開始形成雙螺旋。每個子代細胞都獲得了親代細胞的一個DNA單鏈。第四十三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.3DNA的變性與復性DNA的變性

雙鏈DNA受熱或其它因素的作用，兩條鏈之間的結合力被破壞而分開成單鏈的DNA，即稱為DNA變性。第四十四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.3DNA的變性與復性DNA的變性加熱引起DNA變性是實驗室最常用的方法。A260：260nm波長處DNA對紫外輻射的吸收值。Tm：解鏈溫度或熔解溫度，A260升高達到一半時的溫度。DNA分子越大，G-C堿基越多，Tm值越高。第四十五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.3DNA的變性與復性DNA的復性變性DNA溶液經適當處理后重新形成天然DNA的過程叫復性，或叫退火。注意：DNA的復性是隨機的。即復性的DNA不可能完全回復到原來狀態(tài)。第四十六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日高溫變性緩慢冷卻熱復性急速冷卻復性失敗第四十七頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.4RNARNA（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)。第四十八頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.4RNA

RNA有四種:tRNA、rRNA、mRNA和反義RNA，它們均由DNA轉錄而成。分別在蛋白質合成過程中擔任不同的角色。mRNA叫信使RNA，tRNA叫轉移RNA，反義RNA起調節(jié)作用，決定mRNA翻譯合成速度。rRNA（核糖體RNA）第四十九頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.4RNADNA轉錄成RNA非模板鏈模板鏈第五十頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日mRNA——翻譯的模板CAACUGCAGACAUAUAUGAUACAAUUUGAUCAGUAU5/3/-Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr-7.1.5遺傳密碼第五十一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日mRNA分子中，從5'-3'每三個相鄰的堿基組成的三聯(lián)體，代表某個氨基酸,共有64種。61種代表20種氨基酸3種UAA、UAG、UGA終止密碼(codon)AUG起始密碼甲硫氨酸（蛋氨酸）密碼子：7.1.5遺傳密碼第五十二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日遺傳密碼表第一堿基（5/-端）第二堿基第三堿基（3/-端）終止終止**在mRNA起始部位的AUG為起始信號第五十三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日遺傳密碼表第一堿基（5/-端）第二堿基第三堿基（3/-端）終止終止**在mRNA起始部位的AUG為起始信號第五十四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日

密碼子的特點(1)連續(xù)性:兩個密碼子之間無任何核苷酸加以隔開和重疊，如插入/刪除堿基，可發(fā)生移碼突變或框移5′….UACGGACAUCUG….3′5′….UACCGGACAUCUG….3′酪甘組蛋酪精蘇半胱5′….UACGACAUCUG….3′酪天異亮插入缺失第五十五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日密碼子的特點(2)簡并性:除Met（甲硫氨酸），Trp（色氨酸）外，其余氨基酸均由2個以上密碼子編碼（UUU和UUC都是苯丙氨酸的密碼子，UCU、UCC、UCA、UCG、AGU和AGC都是絲氨酸的密碼子）。其中

UAG,UAA,UGA是終止密碼子,AUG是起始密碼子同時又編碼甲硫氨酸；但細菌例外，在細菌中GUG表示起始的甲酰蛋氨酸。(3)通用性:所有的生物使用同一套密碼子，僅有少數(shù)例外，例如：線粒體起始密碼子為AUG、AUU;終止密碼為AGA，AGC；色氨酸為UGA等。第五十六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日密碼子的特點（四）擺動性：反密碼子與mRNA的第三個核苷酸配對時，不嚴格遵從堿基配對原則，可出現(xiàn)U-G,I-C,I-A,此種配對為不穩(wěn)定配對，又稱搖擺性。一般前兩個堿基決定其專一性，第三位堿基可有變異。tRNA反密碼環(huán)5′3′UGUThrACG5′3′mRNA第五十七頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.6微生物生長與蛋白質合成微生物生長的主要活動是蛋白質的合成。蛋白質合成(翻譯)在核糖體上進行，與RNA的復制（合成）及DNA的復制（合成）有關。蛋白質合成過程：

DNA復制：相應的DNA鏈進行自我復制；轉錄mRNA：由DNA轉錄成mRNA，同時也轉錄成其他幾種RNA；翻譯：由tRNA完成；蛋白質合成：合成多肽，最終生成具有特定功能的蛋白質。第五十八頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.6微生物生長與蛋白質合成第五十九頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日TCATGATTAAGTACTAATDNA的平面結構圖細胞核中第六十頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日AGTACTAATACGU游離的核糖核苷酸4NTPDNA解旋，一條鏈為模板合成RNA細胞核中ACGU第六十一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日AGT

AC

TA

A

T

DNA與RNA的堿基互補配對細胞核中聚合酶ACGU游離的核糖核苷酸ACGUUU4NTP第六十二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日

細胞質

核孔DNAmRNA在細胞核中合成

細胞核內UCAUGAUUAAGTACTAATmRNA第六十三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日UCAUGAUUAmRNAAGTACTAATUCAUGAUUAmRNA

細胞核內第六十四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日

密碼子

密碼子

密碼子

密碼子

mRNA上決定一個氨基酸的三個相鄰的堿基UCAUGAUAmRNAU第六十五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的幫助下，能夠識別相應的氨基酸，并通過tRNA氨基酸臂的3'-OH與氨基酸的羧基形成活化酯－氨基酰-tRNA。氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨基酰-tRNA+AMP+PPi3'-OH反密碼子第六十六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日AAUACUAUG

亮氨酸

天冬氨酸

異亮氨酸

氨基酸（原料）氨基酰-tRNA合成酶第六十七頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日

tRNA的一端運載著氨基酸

反密碼子

亮氨酸UAA天冬氨酸ACU

異亮氨酸AUG第六十八頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日

核糖體UCAUGAUAmRNAU

亮氨酸UAA天冬氨酸ACU

異亮氨酸AUG氨基酰-tRNA通過反密碼臂上的三聯(lián)體反密碼子識別mRNA上相應的遺傳密碼，并將所攜帶的氨基酸按mRNA遺傳密碼的順序安置在特定的位置，最后在核糖體中合成肽鏈。第六十九頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日細胞質中

核糖體UCAUGAUAmRNAU

亮氨酸UAA第七十頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日細胞質中

核糖體UCAUGAUAmRNAU

亮氨酸UAA天冬氨酸ACU

異亮氨酸AUG第七十一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日細胞質中

核糖體UCAUGAUAmRNAU

亮氨酸UAA天冬氨酸ACU

異亮氨酸AUG縮合第七十二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日

亮氨酸天冬氨酸

異亮氨酸以mRNA為模板形成了有一定氨基酸順序的蛋白質

細胞質中UCAUGAUAmRNAU第七十三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第七十四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第七十五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第七十六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日蛋白質的合成第七十七頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日蛋白質的合成第七十八頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日蛋白質的合成第七十九頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日蛋白質的合成第八十頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日蛋白質的合成第八十一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日蛋白質的合成第八十二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日蛋白質的合成第八十三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日蛋白質的合成第八十四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第八十五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.1.7微生物的細胞分裂由于DNA復制和蛋白質的合成而使兩者成倍增加后的一個有秩序的過程，即微生物細胞的分裂。成倍增加的核物質和蛋白質均等地分給兩個子細胞，在細胞中部合成橫隔膜并逐漸內陷，最終將兩個子細胞分開。第八十六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日一、變異的實質在微生物遺傳過程中，由于某種因素的影響，DNA上的堿基對發(fā)生差錯，出現(xiàn)堿基的缺失、置換或插入，改變了基因內原有的堿基順序，導致后代性狀的改變。當這種改變可以遺傳時，就是發(fā)生了突變。所以說基因突變是微生物發(fā)生變異的實質。

7.2微生物的變異第八十七頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.2微生物的變異突變率：某一細胞（或病毒顆粒）在每一世代中發(fā)生某性狀突變的頻率，稱突變率。例如：——突變率為10－8，表示該細胞在1億次分裂過程中，平均會發(fā)生1次突變?！部梢杂媚骋粏挝蝗后w在每一世代（即分裂一次）中產生突變株的數(shù)目來表示。某一基因的突變一般是獨立發(fā)生的，它的突變不會影響其它基因的突變率。表明雙重或多重基因突變的概率是很低的。第八十八頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日突變基因突變基因重組誘發(fā)突變自發(fā)突變點突變染色體畸變堿基置換移碼突變轉換顛換缺失添加缺失添加易位倒位二、突變的類型第八十九頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日二、突變的類型根據(jù)突變的條件和原因（突變機理）自發(fā)突變：微生物在自然條件下，沒有人工參與而發(fā)生的基因突變。——多因素低劑量的誘變效應背景因素和環(huán)境因素的誘變微生物自身有害代謝產物的誘變——互變異構效應堿基配對A-T、G-C，在DNA復制時出現(xiàn)與前不同的堿基對：G-T、C-A。——環(huán)出效應誘發(fā)突變——堿基對的置換點突變——移碼突變——染色體畸變7.2微生物的變異第九十頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日誘發(fā)突變第九十一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日堿基對的置換7.2微生物的變異堿基對的置換可分成兩個亞類：一類是DNA鏈上的一個嘌呤被另一個嘌呤或是一個嘧啶被另一個嘧啶所置換，稱為轉換；另一類是DNA鏈上的一個嘌呤被另一個嘧啶或是一個嘧啶被另一個嘌呤所置換，稱為顛換

.

（實線代表轉換，虛線代表顛換）直接引起置換的誘變劑：可直接與核酸的堿基發(fā)生化學反應的誘變劑，例如亞硝酸、羥胺和各種烷化劑。間接引起置換的誘變劑：堿基類似物，通過細胞的代謝活動滲入到DNA分子中引起。第九十二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日腺嘌呤次黃嘌呤①腺嘌呤氧化脫氨后形成烯醇式次黃嘌呤（He）②He通過互變異構效應形成酮式次黃嘌呤（HK）③DNA復制時，HK與胞嘧啶（C）配對④DNA第二次復制時，C與G正常配對，實現(xiàn)了轉換。第九十三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日堿基轉換的分子機制——以亞硝酸為例

HNO2胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）HNO2腺嘌呤（A）次黃嘌呤（H）HNO2鳥嘌呤（G）黃嘌呤（X）這些反應及形成物均可在DNA復制中產生影響，主要是使堿基對發(fā)生轉換。第九十四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第九十五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日移碼突變7.2微生物的變異指誘變劑會使DNA序列中一個或少數(shù)幾個核苷酸發(fā)生增添(插入)或缺失，從而使該部位后面的全部遺傳密碼發(fā)生轉錄和翻譯錯誤的一類突變。

能引起移碼突變的因素是一些吖啶類染料，包括原黃素、吖啶黃、吖啶橙和α-氨基吖啶等，以及一系列“ICR”類化合物。

第九十六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日吖啶類化合物誘發(fā)的移碼突變及其回復突變圖示：第九十七頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第九十八頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日染色體畸變7.2微生物的變異某些強烈理化因子，如X射線等的輻射及烷化劑、亞硝酸等，除了能引起上述的點突變外，還會引起DNA的大損傷——染色體畸變，既包括染色體結構上的缺失、重復、插入、易位和倒位，也包括染色體數(shù)目的變化。

第九十九頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日染色體畸變（chromosomalaberration）某些理化因子，如X射線等的輻射及烷化劑、亞硝酸等，除了能引起點突變外，還會引起DNA的大損傷（macrolesion）——染色體畸變，它包括：染色體結構上的變化：缺失（deletion）重復（duplication）易位（translocation）倒位（inversion）染色體數(shù)目的變化第一百頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日分為染色體內畸變和染色體間畸變兩類。染色體內畸變：只涉及一條染色體上的變化，如發(fā)生染色體的部分缺失或重復時，其結果可造成基因的減少或增加；如發(fā)生倒位或易位時，則可造成基因排列順序的改變，但數(shù)目卻不改變。倒位---是指斷裂下來的一段染色體旋轉180后，重新插入到原來染色體的原位置上，從而使其基因順序與其它的基因順序相反；易位---是指斷裂下來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。染色體間畸變：指非同源染色體間的易位。第一百零一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日第一百零二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日若干誘變劑的作用機制及誘變功能

誘變因素 在DNA上的初級效應 遺傳效應堿基類似物 摻入作用 AT=GC雙向轉換羥胺 與胞嘧啶起反應 GC→AT的轉換

亞硝酸 A、G、C的氧化脫氨作用 AT=GC雙向轉換交聯(lián) 缺失 烷化劑 烷化堿基（主要是G） AT=GC雙向轉換 烷化磷酸基團 AT→TA的顛換 喪失烷化的嘌呤 GC→CG的顛換 糖-磷酸骨架的斷裂 巨大損傷（缺失、重復、倒位、易位）

丫啶類堿基之間的相互作用（雙鏈變形） 碼組移動（＋或－） 紫外線 形成嘧啶的水合物 GC→AT轉換 形成嘧啶的二聚體 碼組移動（＋或－） 交聯(lián)

電離輻射 堿基的羥基化核降解 AT=GC雙向轉換

DNA降解 碼組移動（＋或－） 糖-磷酸骨架的斷裂 巨大損傷（缺失、重復、倒位、易位）

加熱 C脫氨基 CG→TA轉換

Mu噬菌體 結合到一個基因中間 碼組移動 第一百零三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日紫外輻射誘變作用機制7.2微生物的變異紫外輻射的生物學效應主要是引起DNA的變化。DNA鏈上的堿基對紫外輻射很敏感，嘌呤和嘧啶吸收的光波波長與紫外輻射波長接近，可強烈吸收紫外輻射。

嘧啶對紫外線的敏感性要比嘌呤強得多，其光化學反應產物主要是嘧啶二聚體和水合物，相鄰嘧啶形成二聚體后造成局部DNA分子無法配對，從而引起微生物的死亡或突變。第一百零四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日DNA損傷的修復7.2微生物的變異紫外輻射對DNA的破壞和DNA的修復

第一百零五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日DNA損傷的修復7.2微生物的變異光復活和暗復活重組修復SOS修復適應性修復

第一百零六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日切補修復〔暗修復〕

為把它與光復活作用區(qū)分開，切補修復常稱為暗修復。它作為許多不同類型的DNA損傷修復的普遍系統(tǒng)，如嘧啶二聚體和錯誤堿基配對引起的DNA損傷。B、C和基因產物結合形成一個核酸內切酶，它能識別堿基改變所引起的DNA螺旋扭曲。uvrABC內切核酸酶在損傷的任何一邊作一切口，聚合酶I切除和替換損傷部位的堿基，DNA連接酶將缺口填補上。

第一百零七頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日1、由核酸內切酶切開二聚體的5’末端，形成3’-OH和5’-P的單鏈缺口2、核酸外切酶從5’-P到3’-OH方向切除二聚體，并擴大缺口。3、DNA聚合酶以另一條互補鏈為模板，從原有鏈上暴露的3’-OH端起合成缺失片段。4、連接酶將新合成的3’-OH與原有的5’-P相連接。第一百零八頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日細胞在不切除二聚體的情況下，以帶有二聚體的這條鏈為模板合成互補單鏈，但在每個二聚體附近留有一空隙。通過染色體交換，空隙部位就不在面對著胸腺嘧啶二聚體，而是面對著正常的單鏈，在這種條件下，DNA聚合酶和連接酶起作用將空隙部位進行修復，重組修復中的DNA損傷并沒有去除，但隨著微生物的傳代繁殖，損傷的比例逐漸降低。第一百零九頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.2微生物的變異突變與育種

定向培育和馴化定向培育是指用某一特定因素長期處理某一微生物培養(yǎng)物，同時不斷對它們進行傳代，以達到累積并選擇相應的自發(fā)突變體的一種古老的育種方法。由于定向培育的自發(fā)突變頻率較低，變異程度較輕微，所以培育新種的過程十分緩慢。環(huán)境工程仍采用定向培育的方法培育菌種，也稱為馴化。

第一百一十頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.2微生物的變異突變與育種

誘變育種誘變育種是指利用物理或化學誘變劑處理均勻而分散的微生物細胞群，促進其突變頻率大幅度提高，然后設法采用簡便、快速高效的篩選方法，從中挑選少數(shù)符合育種目的的突變株，以供生產實踐或科學實驗之用。誘變育種不僅能提高菌種的生產性能而增加產品的產量外，而且還可達到改進產品質量、擴大品種和簡化生產工藝等目的，故仍是目前使用最廣泛的育種手段之一。第一百一十一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.2微生物的變異誘變育種第一百一十二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日變異基因突變基因重組(generecombination)誘變自發(fā)突變點突變染色體畸變堿基置換移碼突變轉換顛換缺失添加缺失添加易位倒位基因重組又稱為遺傳重組，它是指把兩個不同性狀個體內的遺傳基因轉移到一起，經過遺傳分子的重新組合后，形成新遺傳型個體的過程。第一百一十三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日微生物中各種基因重組形式的比較整套染色體局部雜合高頻率低頻率部分染色體個別或少數(shù)基因細胞融合或連接性細胞真菌的有性生殖體細胞真菌的準性生殖細胞間暫時溝通細菌的結合性導細胞間不接觸吸收游離DNA片段轉化噬菌體攜帶DNA轉導由噬菌體提供遺傳物質完整噬菌體溶原轉變噬菌體DNA轉染第一百一十四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.3基因重組基因重組時，是否發(fā)生基因突變？不重組是分子水平上的概念，可以理解成是遺傳物質分子水平上的雜交，而一般所說的雜交是細胞水平上的概念。雜交中必然包含著重組，而重組則不限于雜交一種形式。真核微生物中的有性雜交，準性生殖以及原核微生物中的轉化、轉導、接合和溶原轉變等都是基因重組在細胞水平上的反映。第一百一十五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.3基因重組一、雜交（hybridization）雜交是通過雙親細胞的融合，使整套染色體的基因重組，或是通過雙親細胞的溝通，是部分染色體基因重組。有性雜交：一般指不同遺傳型的兩性細胞間發(fā)生的接合和隨之進行的染色體重組，進而產生新遺傳型后代的一種育種技術。

準性雜交：是一種類似于有性生殖但比它更為原始的兩性生殖方式。它可使同一生物的兩個不同來源的體細胞經融合后，不通過減數(shù)分裂而導致低頻率的基因重組。

第一百一十六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.3基因重組二、轉化（transformation）受體細胞直接吸收來自供體細胞的DNA片段，并把它整合到自己的基因組中，從而獲得了供體細胞的部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉化。轉化后的受體菌，稱為轉化子。供體菌的DNA片段稱為轉化因子。只有處于感受態(tài)的細胞才能接受轉化因子，進行轉化作用。感受態(tài)細胞是能吸收外來的DNA片斷，并能把它整合到自己的染色體上以實現(xiàn)轉化的細胞。轉化現(xiàn)象是在1928年由Griffith進行肺炎雙球菌的研究中發(fā)現(xiàn)的。受體菌直接接受供體菌的DNA片段而獲得部分新的遺傳性狀的現(xiàn)象，就稱為轉化或轉化作用。第一百一十七頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.3基因重組二、轉化轉化過程：感受態(tài)細胞的出現(xiàn)DNA的吸附DNA進入細胞DNA解鏈，形成受體DNA－供體DNA復合物DNA復制分離第一百一十八頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.3基因重組三、轉導（transfection）轉導現(xiàn)象由J.Lederberg等首先在鼠傷寒沙門氏菌中發(fā)現(xiàn)，以后又在許多原核微生物中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。通過溫和噬菌體的媒介，把供體細胞的小片段DNA攜帶到受體細胞中，通過交換與整合，使后者獲得前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉導。由轉導作用而獲得部分新遺傳性狀的重組細胞，稱為轉導子。第一百一十九頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.3基因重組三、轉導（transfection）普遍性轉導由缺陷型噬菌體誤包（而非整合）供體細菌DNA中的任何一部分片段（包括核外遺傳物質在內）后，當它再次感染受體細菌時，使后者獲得了這部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為普遍性轉導。它的轉導頻率為10－5～10－8。第一百二十頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.3基因重組三、轉導（transfection）局限性轉導由溫和噬菌體侵染而形成的某一溶源細菌群被誘導裂解時，其中極少數(shù)個體的DNA可能與噬菌體DNA發(fā)生若干特定基因的交換，從而被整合到噬菌體的基因組上，當該噬菌體再次感染受體細菌時，就使受體細菌獲得了這一特定遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為局限性轉導，它的轉導頻率為10-6。第一百二十一頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日溶源轉變溶源轉變(lysogenicconversion)：是一種與轉導相似，但本質上卻不相同的特殊現(xiàn)象，即當溫和噬菌體感染其宿主后，發(fā)生溶源化，因噬菌體的基因整合到宿主的核基因組上，而使后者獲得除免疫性以外的新性狀的現(xiàn)象，稱為溶源轉變。當宿主喪失這一噬菌體時，通過溶源轉變而獲得的性狀也同時消失。溶源轉變與轉導有本質上的不同，首先是它的溫和噬菌體不攜帶任何供體菌的基因；其次，這種噬菌體是完整的，而不是缺陷的。第一百二十二頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日原生質體融合(protoplastfusion)通過人為的方法，使遺傳性狀不同的兩細胞的原生質體發(fā)生融合，并進而發(fā)生遺傳重組以產生同時帶有雙親性狀的、遺傳穩(wěn)定的融合子(fusant)的過程，稱為原生質體融合。第一百二十三頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.4突變體的檢測與篩選一、突變體的檢測

直接檢測表現(xiàn)型菌落、影印平板法等間接檢測法

通過控制培養(yǎng)條件獲得，如Ames試驗。影印平板技術

第一百二十四頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.4突變體的檢測與篩選二、突變體的篩選

為什么進行突變體的篩選？誘變處理使微生物群體中出現(xiàn)各種突變型，其中絕大多數(shù)是負變株。要獲得預定的效應表型主要靠科學的篩選方案和篩選方法。有效技術是創(chuàng)造一種只允許突變體生長，抑制原養(yǎng)型菌生長的培養(yǎng)基或生長環(huán)境條件。第一百二十五頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日7.5分子遺傳學新技術在環(huán)境工程與環(huán)境保護中的應用遺傳工程是從分子遺傳學,特別是從細菌質粒和限制性酶等研究中發(fā)展起來的一個分子遺傳學的分支學科。它綜合采用了生物化學和微生物學的現(xiàn)代技術和手段,尤其是酶學的方法,將某種生物的基因(DNA片段)轉移到另一生物的細胞中去,通過其復制以及表達,使該生物獲得新的遺傳性狀。遺傳工程可分為狹義和廣義兩種。狹義的遺傳工程即指基因工程,廣義的遺傳工程還包括細胞工程,染色體工程,細胞器工程等。習慣上所說的遺傳工程多指基因工程?；蚬こ逃址Q重組DNA技術,就是在體外對不同來源的DNA分子進行重組,將此重組DNA引入合適的寄主細胞內,并使之復制和表達。

第一百二十六頁，共一百三十九頁，2022年，8月28日質粒育種質粒：染色體外DNA，游離于原核生物染色體外,具有獨立復制能力的小型共價閉合環(huán)狀DNA分子，在細胞分裂過程中能復制將遺傳性狀傳給后代。質粒上攜帶著某些染色體上所沒有的基因,使細菌等原核生物被賦予了某些對其生存可有可無的特殊功能。外界因素可使質粒發(fā)生丟失或轉移，喪失由該質粒決定的某些性狀，但菌體不死亡。質粒可誘導產生。質粒有重組功能。7.5分子遺傳學新技術在環(huán)境工程與環(huán)境保護中的應用第一百二十七頁，共一百三十九頁，2022年，