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，使其子代的性狀與親代基本上一致的現象。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、遺傳的物質基礎及其存在形式遺傳的物質基礎一切生物遺傳的物質基礎是核酸（DNA）。核酸的結構：雙螺旋結構2.遺傳物質在細胞內存在部位和方式（1）細胞水平染色體DNA集中在核質體中。（真核微生物：細胞核）桿菌細胞內大多存在兩個核質體，而球菌一般只有一個。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

不與蛋白質結合。真核微生物：有核膜，DNA與蛋白質結合，形成染色體（chromosome）。核外DNA（能自主復制）：廣義上講稱質粒（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：每一個核質體中通常只有一個裸露的、在光學顯微鏡下無法看到的環(huán)狀染色體。真核微生物：往往有多個線性的染色體，種間差異大。酵母菌屬（saccharomycs）17個。染色體的套數：只有一套相同功能的染色體時稱之為

單倍體，有兩套時稱雙倍體。（4）核酸水平絕大多數的微生物的遺傳物質為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：啟動子Enhancer：增強子Attenuator：減弱子Exon：外顯子Intron：內含子Transcription：轉錄Splicing：剪接UTR：非翻譯區(qū)Translation：翻譯ORF：開放閱讀框架一個基因典型的真核生物基因結構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構（操縱子，operon）promoteroperatorCR1CR2CR3Operator：操作子CR：codingregion，編碼區(qū)真核原核編碼結構有內含子，需剪接無內含子調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上各個核苷酸的特定排列順序。每個密碼子有3個核苷酸順序來決定。（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日質粒（plasmid）定義：游離于染色體外，具有獨立復制能力的小型共價閉合環(huán)狀DNA分子，即cccDNA(circularcovalentlyclosedDNA)，多存在于原核生物。結構：具有超級螺旋結構，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日質粒的基本特性：可移動性：異種間轉移GentherF.J.(1998):69種環(huán)境中的細菌中，38％能從實驗室的細菌接受質粒?？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50年代在日本發(fā)現的一種質粒（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，而且能把抗藥性轉移到E.coli。）1）R因子－R質粒沙門氏菌屬（Salmonalla）芽孢桿菌屬（Bacillus）假單胞菌屬（Pseudomonas）葡萄球菌屬（Staphulococcus）曾發(fā)現R因子的細菌R因子在細胞中的數目1~2—幾十個。對多種抗生素有抗性，也可作為基因載體。具有R因子的細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中決定性別的質粒。62×106Da，94.5kbpF+F+F+F-接合（conjugation）特點：有時能夠插入染色體，使染色體的長度增長。有F因子的細菌：F+雄菌沒有F因子的細菌：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）降解性質粒二甲苯質粒：XYL（Xylene）辛烷質粒：OCT（Octane）甲苯質粒：TOL（Toluene）萘質粒：NAP（Napthalene）樟腦質粒：CAM（Camphor）水楊酸質粒：SAL（Salicylate）在環(huán)保中有重要的意義：超級工程菌的獲得。含有能降解復雜物質的基因，從而使細菌能降解難降解有機物。大多在假單胞菌屬中發(fā)現。

至今發(fā)現的主要降解質粒（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.細胞器DNA真核微生物中，染色體之外的遺傳物質的另一種存在形式。與其他物質一起構成細胞器（如：葉綠體、線粒體等）主要特性：－結構復雜多樣－功能不一－數目多少不一－自我復制－可消除性（一旦消失，后代細胞中不再出現）第二節(jié)微生物的遺傳細胞器的起源？15第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日5.轉座因子可在染色體不同部位之間移動的DNA片斷插入序列：能插入染色體或質粒的許多位點，并能改換位點轉座子：能插入染色體或質粒的不同位點的一般DNA序列，可以轉移到不同的位點上，本身也可復制。大小位幾個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，這種現象叫變異（個體形態(tài)、菌落形態(tài)、生理生化特性、代謝產物）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日細菌易變異：∵細菌繁殖快，又與外界環(huán)境接觸面積大∴環(huán)境條件在短時期內對菌體產生大的影響，在受物理、化學因素影響后，易產生適應新環(huán)境的酶（誘導酶）等，從而改變原有的特性，即產生了變異。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，從而導致表現型發(fā)生了可遺傳的變化，這種現象叫基因突變（變異）。基因突變的類型點突變畸變第三節(jié)微生物的變異21第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日點變異：一個或數個堿基發(fā)生變化點突變堿基置換移碼突變轉換：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日畸變缺失：添加易位：倒位：重復：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日細菌基因突變的特點

無定向性（不對應性）稀有性：頻率低10－5～10－10

自發(fā)性獨立性：各細胞、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：凡把兩個不同基因型的遺傳分子轉移到一起，通過遺傳分子之間的交換組合，產生新的遺傳性狀（基因型），稱基因重組。

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

細胞直接接觸而進行的基因重組。大腸桿菌的接合是通過性纖毛（中空）進行的。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）轉導（transduction）通過噬菌體（病毒）攜帶而轉移的基因重組，無需供體-受體細胞接觸。在自然界中比較普遍。噬菌體進入供體細胞宿主的核染色體被切斷成熟與包裝之際錯誤攜帶宿主部分DNA的噬菌體（假噬菌體）（完全缺陷噬體）與受體接觸感染a.完全轉導(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.局部轉導(specializedtransduction)由部分缺陷的噬菌體把少數特定的基因攜帶到受體菌中，并獲得轉導的現象。（溫和噬菌體）4）原生質體融合（protoplastfusion）通過人為的方法使兩個遺傳性狀不同的細胞的原生質體發(fā)生融合，得到同時具有雙親性狀的、遺傳穩(wěn)定的融合子（fusion），該過程稱原生質體融合。（20世紀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、人體細胞

能進行原生質體融合的細胞非常廣泛步驟：用脫壁酶去除細胞壁混合（加聚乙二醇PEG），或電脈沖促進融合培養(yǎng)，使之成為完整細胞鑒定特點：1）重組頻率>10-1.（遠遠大于誘變育種，~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50年代——遺傳物質的研究20世紀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導入受體生物中，并在其中“安家落戶”，進行正常的復制、表達，從而獲得新物種的一種育種技術。是一種分子水平上的基因重組技術。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然后與載體一起導入受體生物。（方法？）2.利用質粒載體導入外源基因的步驟：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

具有自我復制能力；能在受體細胞內大量增殖或表達目的基因；要有一些限制性內切酶的切口（MCS）；有一種選擇性遺傳標志，以便追蹤。常用載體：細菌質粒、噬菌體。最常用：PBR322（抗四環(huán)素、青霉素性基因）。表達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胞最廣泛被應用的是E.coli、Bacillussubtilis（枯草桿菌）。引入方法轉化（質粒作載體）病毒感染<3>基因的體外重組內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”；目的基因縫補上載體的缺口（動力:氫鍵作用而相互吸引并形成共價結合)。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)境保護中的應用獲得能同時分解多種污染物的新型菌種

超級細菌耐汞質粒降解染料質粒工業(yè)上：高性能發(fā)酵微生物的育種、酶、抗生素的生產。農業(yè)上：

固氮菌的基因轉移到根系微生物或直接給植物；把降解木質素分解酶的基因轉移導酵母菌使之能利用稻草、枯桿等生產酒精；改良農作物。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現它的經濟與社會效益。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間的變化）微生物的“馴化”現象“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（時間）：時間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到最大時所需的時間。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條件，到滿足三個條件的過程。∴馴化機理：①獲得所需的基因（變異、基因重組）②降解酶的誘導或抑制作用的解除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)生馴化的現象很多，所以很難用“突變”來解釋。2）誘導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月，很難全部用誘導酶解釋第五節(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產生大量變異細胞∴微生物的高濃度化是重要的步驟質粒的傳遞速度供體濃度D（douor）（g/l）受體濃度R（recipient）（g/l）轉移體濃度T（transconjugant）（g/l）接受質粒后的細胞（基因重組體）質粒的傳遞（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:轉移體的損失速度a:從供體到受體的傳遞速度b:從轉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