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1、第六章 微生物的遗传和变异,亲代的性状在子代表现出来，使子代与亲代有相似的现象，叫遗传。从分子水平上讲，遗传就是遗传信息的复制和表达。,亲代与子代及子代各个体之间，无论在形态结构和生理机能方面，总会有差异，这种同类型不同个体之间的差异称为变异。从分子水平讲，是遗传信息发生了变化。,遗传和变异是生物体最本质的属性之一。,遗传（heredity或inheritance）,变异（variation）,遗传型生物体所携带的全部遗传因子或基因的总称.表型具有一定遗传性的个体在特定的外界环境中通过生长发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和。,有些基因结构未发生变化仅表型改变不是变异，只能称适应或饰变（m
2、odification） 。变异是基因结构发生变化，而且往往是不可逆的变化，此变化可以遗传给子代形成新的品种。遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变异，变异中有遗传。,第一节 微生物的遗传,一、遗传和变异的物质基础DNA,一、遗传和变异的物质基础DNA 三个经典实验：,1、转化实验,2、噬菌体感染实验,二、DNA的结构与复制（一）DNA结构 一级结构：DNA中核苷酸之间的连结方式及其排列顺序。,二级结构：双螺旋结构。基本特点：（1） DNA由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成（2）脱氧核苷酸和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧（3）两条链上的碱基以氢键相结合形成碱基对,1
3、、DNA的存在形式 真核生物：染色体（DNA+组蛋白），丝状结构，所有染色体由核膜包成一个细胞膜；原核生物：DNA细丝构成环状的染色体。,2、基因: 基因是一切生物体内储存信息的，有自我复制能力的遗传功能单位。具有固定起点和终点的核苷酸线性序列。 结构基因：编码蛋白质或酶的结构，控制某种蛋白质和酶的合成。 操纵区：起开关功能，操纵3个结构基因的表达。 调节基因：控制结构基因。,DNA上储存的遗传信息需要通过一定的物质变化过程才能在生理和形态上表达出相应的遗传性状,3、遗传信息的传递 中心法则：,( 二）DNA的复制半保留复制 以亲代DNA分子的两条链为模板合成各自的互补链，形成两个子代的DNA
4、分子的过程称为复制，这个过程是半保留复制即合成新的DNA分子时，子代DNA的一条链来自亲代，另一条链为新合成的互补链。,过程如下：1、DNA解旋酶对DNA进行解旋.2、DNA结合蛋白结合在打开的DNA单链上，不与双链结合，促使反应向偏向单链形成的方向进行，使DNA在大大低于Tm温度下发生双链的解离，双螺旋则在复制叉的前方分开，并在复制叉处稳定单链结构，阻止再形成双螺旋。,三、DNA的变性和复性 （一）DNA变性 DNA的双螺旋由氢键维持，当天然双螺旋DNA受热或其他因素作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成为单链DNA，即称为DNA变性。,DNA变性伴随着许多物理性质的变化，特别有用的是增色
5、效应。DNA变性过程中，A260值先是缓慢上升到达一个温度值后骤然上升，吸收值增加的中点称为融解温度（melting temperature，Tm）。一般Tm在85-95度之间，Tm取决于DNA的G+C含量，含量高，Tm也高。,（二）DNA复性 热变性DNA若缓慢冷却，已分开的互补链又可重新形成天然DNA的过程叫复性或退火。复性的DNA是随机结合的。 由DNA复性研究发展成的一种实验技术是分子杂交，杂交可以发生在DNA之间或DNA与RNA 之间，DNA之间杂交可用于估测DNA间的同源序列，不同生物在进化过程中相关性。DNA与RNA杂交可通过RNA转录来检测DNA中特定基因的存在。,1、mRNA
6、message RNA，信使RNA 它的生物功能是从DNA上把遗传密码即蛋白质中氨基酸排列顺序的信息接受过来，并起模板作用合成蛋白质。,四、RNA RNA分子的主要生物功能是参与蛋白质的生物合成，可分为tRNA、rRNA、mRNA和反义RNA，都由DNA转录而来。,2、tRNA transfer RNA 转移RNA 是mRNA与氨基酸之间的接合体，带有能和mRNA互补的反密码子，3末端AMP上结合氨基酸，反密码子与mRNA上的密码子互补。一个氨基酸有一种或多种tRNA。,3、rRNA核糖体RNA: rRNA与蛋白质共同组成核糖体。 原核生物：5S、16S、23S 真核生物：5S、5.8S、16
7、S、28S,4、反义RNAantisense RNA 与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链，并把另一条链根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为反义链，因为只有mRNA携带的遗传信息才被用来指导蛋白质生物合成。,五、遗传密码,遗传密码存在于mRNA链上，由3个核苷酸组成，代表一个氨基酸的核苷酸序列，即三联子密码。共64组，其中61种代表20种氨基酸AUG是起始密码，另外三组无意义。,六、微生物生长和蛋白质合成 微生物生长的主要活动是蛋白质的合成，DNA的复制合成和RNA的复制合成最终目的在于蛋白质的合成。,蛋白质合成的过程：（1）DNA复制（2）RNA转录：以有义链作模板（3）mR
8、NA翻译成蛋白质,核糖体,蛋白质,tRNA,氨基酸,1、原核微生物DNA转录 双链DNA解旋、解链，两链分开，RNA聚合酶核心酶识别基因转录的起始点并与DNA区域结合成启动因子；转录过程不断吸收能量。 多基因细菌RNA，此链上除了编码多肽链核苷酸序列，还有不编码蛋白质的核苷酸序列，形成间隔区。,2、真核微生物的DNA转录 有三种酶参与合成，酶、，酶催化合成mRNA，酶、催化rRNA和tRNA. 酶结合DNA起始点，合成RNA前体，再由内切酶产生3羟基，再插入300个腺嘌呤核苷酸，加工成mRNA。 真核微生物基因包含内含子和外显子；因而mRNA片段也是不连续的。由细胞内小RNA识别特征序列，进而
9、辨别内含子和外显子的交接点，再精准切割，完成完整功能的mRNA.,3.tRNA翻译 DNA转录成mRNA后，mRNA链上的核苷酸序列需要被翻译成相应的氨基酸序列，还要被运到核糖体上，才能合成具有不同生理特性的功能蛋白。 tRNA具有互补反密码子，还具有特定识别作用的两端，一端识别氨基酸，一端识别mRNA密码子。,4、蛋白质的合成 通过tRNA的识别作用，把特定氨基酸转送到核糖体上，使得不同的氨基酸按照mRNA上的碱基序列连接起来，在多肽合成酶的作用下合成多肽链，多肽链通过高度折叠成特定蛋白质结构，最终合成具有不同生理特性的功能蛋白质。,七、微生物的细胞分裂 微生物将倍增的核物质和蛋白质均等地分
10、配给两个细胞，在细胞的中部合成横隔膜并逐渐内陷，最终将两个子细胞分开，细胞分裂完成。,第二节微生物的变异,一、变异的实质基因突变 基因突变：DNA因某种因素引起碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序，从而引起其后代表型的改变,二、突变的类型 （一）自发突变: 指微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变,1、多因素低剂量的诱变效应2、互变异构效应 T不以酮基出现，而以烯醇式出现；C以亚氨基出现；配对A-C、G-T.,（二）诱发突变 凡提高突变率的理化因子都可称诱变剂（mutagen）1、物理诱变: （1） 紫外辐射诱变作用机制： 主要的生物效应是DNA吸收紫外辐射，引起
11、DNA结构的变化。引起DNA结构的变化有很多方面：DNA断裂、DNA交联、DNA与蛋白质交联、胞嘧啶与鸟嘌呤的水合作用及嘧啶二聚体的形成。,（2）DNA损伤的修复光复活 光复活：光裂合酶在可见光下（300-500nm）会因获得光能而发生解离从而使二聚体重新分解成单体。 暗复活：切除修复和重组修复,切除修复：需要三种酶协同作用，不需要可见光的激活。首先在二聚体两侧核酸内切酶作用下造成单链断裂并切除二聚体。DNA聚合酶I作用下修复，最后DNA连接酶缝合新合成的DNA片段和原DNA片段。,重组修复：必须在DNA进行复制的情况下进行，所以又称复制后修复。大肠杆菌可以在不切除胸腺二聚体情况下以带有二聚体
12、的这一单链为模板而合成互补单链，但在二聚体附近留下了一个空隙，经过染色体交换，使空隙部分面对正常单链，DNA聚合酶和连接酶将此修复。, SOS修复：DNA大范围损失作为一种求救信号引发设计DNA修复的多种细胞功能参加的诱导作用。正常的SOS系统被LexA蛋白所抑制，DNA损伤时激活RecA蛋白酶活性，使LexA蛋白失活，启动SOS系统。一旦修复完成，SOS系统关闭。SOS系统是一种倾向差错的DNA修复机制，可造成突变。,适应性修复： 细菌由于长期接触低剂量诱变剂会产生修复蛋白酶，修复DNA上因甲基化而遭受的损伤。,2、化学诱变；化学诱变可造成碱基对的置换 转换（transition）：嘌呤被另
13、一嘌呤或嘧啶被另一嘧啶取代 颠换（transversion）：嘌呤被嘧啶取代,化学诱变对DNA作用形式有三类： （1）直接引起置换的诱变剂 是一类可直接与核酸碱基发生化学反应的诱变剂。可与一个或几个核苷酸发生化学反应，引起DNA复制时碱基配对的转换。,亚硝酸可使碱基发生氧化脱氨，使腺嘌呤A转变为次黄嘌呤H，胞嘧啶C变成尿嘧啶U，引起A=T向G-=C转换,腺嘌呤A氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（He） He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（HK）DNA复制时，HK 与胞嘧啶（C）配对 DNA第二次复制时，C与G正常配对，实现了转换。,（2）间接引起置换的诱变剂：这类诱变剂是一些碱基类似物，5-溴尿
14、嘧啶（5-Bu）、5-氨基尿嘧啶（5-Au）、8-氮鸟嘌呤（8-NG）、2-氨基嘌呤（2-AP）等。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子后引起的，因此是间接的。,（3）引起码组移动突变的诱变剂：由诱变剂引起DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添、插入或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。,3、复合处理及协同效应 两种或多种诱变剂先后使用； 同一种诱变剂重复使用； 两种或多种诱变剂同时使用；,4、定向培育与驯化: 用某一特定环境长期处理某一微生物群体，不断移种传代，从中选择具有合格性状的自发突变体。因自发突变率低，变异程度低，培育进程很缓慢。 环境工程
15、中仍采用定向培育的方法培育菌种驯化。,第三节 基因重组,一、杂交 杂交是在细胞水平上发生的一种遗传重组方式。有性杂交，一般指性细胞间的接合和随之发生染色体重组，并产生新遗传型后的一种方式。凡能产生有性孢子的酵母菌或霉菌，原则上都可应用与高等动、植物杂交育种相似的有性杂交方法进行育种。,基因重组：两个不同性状个体细胞的DNA融合，使基因重新组合，从而发生遗传变异，产生新品种，此过程称为基因重组。,二、转化 transformation 受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段，通过交换，把它组合到自己的基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的现象，称为转化。转化后的受体菌称为转化子。,两个菌种和菌株间
16、能否发生转化，与它们在进化上的亲缘关系有密切关系，但即使在转化率极高的那些种中，不同菌株间也不一定能发生转化，能进行转化的细胞必须是感受态的。受体菌最易接受外源DNA片段并实现转化的生理状态称为感受态。,感受态因子是一种胞外蛋白，可能是细胞膜上的一种组分，可催化外来DNA片段的吸收或降解表面某种成分，让细胞表面的DNA受体暴露出来。,转化过程大体如下： 1、双链DNA片段与感受态受体菌的细胞表面特定位点结合 2、DNA酶促分解 3、DNA一条单链进入细胞，分子量小于4105的不能进入 4、转化DNA单链与受体菌染色体组上的同源区段配对，受体染色体组的相应单链被切除，被外来的单链DNA片段取代，
17、形成杂种DNA片段。 5、受体菌染色体进行复制，形成一个转化子,三、 转导(transduction) 通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的DNA片段携带到受体细胞中，从而使后者获得了前者部分遗传性状的现象，称为转导。,1、普遍转导(generalized transduction) 噬菌体可误包供体菌中的任何基因(包括质粒)，并使受体菌实现各种性状的转导，此即普遍性转导。,2、局限转导(restricted specialized transduction)指通过某些部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中的转导现象。,第五节 分子遗传学新技术在环境保护中的应用,一、遗传工程技
18、术在环境保护中的应用（一）质粒育种 质粒是细菌体内一种独立于染色体外，与细菌细胞共生能独立复制和稳定地延续遗传的遗传单位，其基因由环状双链共价闭合DNA分子组成，长1-200kb。不带有重要基因，存在与否不对细菌产生致死效应。 质粒会因外界因素发生质粒丢失或转移的现象，具体则会失去由该质粒决定的遗传性状，但具体不会死亡。,根据质粒的功能可分为抗药性质粒、降解质粒、载体质粒等。 目前已知的降解质粒有4类：石油降解质粒农药降解质粒工业污染物降解质粒抗重金属离子的质粒,二、基因工程技术在环境保护中的作用 基因工程是指在基因水平上的遗传工程，又叫基因剪接或DNA体外重组。 基因工程育种打破了物种界限，
19、突破了亲缘关系的限制，加快突变速度，并且可以定向突变创造出自然界所没有的生物，其应用标志着现代遗传学已发展到能定向获得遗传性状的新阶段。,1、目的基因的获得2、DNA体外重组3、将重组体转入受体细胞4、重组体克隆的筛选和鉴定5、外源基因表达产物的分离与提纯,PCR的原理和操作：1、加热变性：将待扩增的DNA置于94-95度高温水浴中加热2、退火：将加热变性的单链DNA溶液的温度缓慢下降至55度，引物DNA碱基与单链模板DNA配对3、延伸：冷至延伸温度时，加入Taq DNA聚合酶反应1min 变性复性延伸，反复25-40次。将扩增产物进行琼脂糖凝胶电泳并观察。,三、PCR技术在环境保护中的应用,PCR在环境微生物学的应用主要集中在：1、研究特定环境中微生物区系的组成、结构，分析种群动态2、监测环境中特定的微生物如致病菌和工程菌,
