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1、第六章 微生物的遗传与变异,定义： 1、遗传 2、变异 子代在形态结构、生理或免疫学特征上，发生与亲代不同的某些改变，称为变异。,遗传性 “种瓜得瓜种豆得豆” 微生物在一定的条件下，亲代能通过一定方式将其生物学性状传给子代，代代相传，称为遗传。,正面：继承亲代优点，保持物种延续,1.遗传的保守性 子代与亲代相似性（“大同”）,负面：？,环境条件改变，微生物不适应变化而死亡,2.遗传可改变的一面是变异,细菌变异形式， 如：个体形态的变化，菌落形态(光滑型粗糙型)的变异，营养要求的变异，对温度、pH要求的变异，毒性的变异，抗毒能力的变异，生理生化特性的变异及代谢途径、产物的变异等。,3.遗传与变异
2、的分子机制,根源？,DNA,复制传递的稳定性,遗传的保守性,复制传递的差错性,变异的多样性,DNA,无毒,杀死,杀死,转化现象,格里菲斯实验,无毒,？,？,1944年才通过试验找出了其中的原因。试验方法如下：,目前发现自然状态下许多其它细菌、放线菌、真菌和高等动植物中都也有转化现象。,二、噬菌体感染实验,（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中,上清液中含 15%放射性,沉淀中含 85%放射性,以35S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验,上清液中含 75%放射性,沉淀中含 25%放射性,（2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中,二、 DNA的结构与复制,1 结构的提出：195
3、3年，Watson、Crick提出DNA的双螺旋模型，为合理解释遗传物质的各种功能奠定了基础。 2 WatsonCrick模型是右手螺旋，碱基的平面对DNA分子的中轴是垂直的。,DNA的化学结构（1）,脱氧 核糖,碱基,磷酸,A,G,C,T,基本单位脱氧核苷酸,DNA的化学结构（2）,脱氧核苷酸的种类,DNA的化学结构（3）,连 接,基因 基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制能力的遗传功能单位。是分子上一个具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。 基因是具有固定的起点和终点的核苷酸或密码的线性序列。,第二节 微生物的变异,一、变异的实质基因突变 二、突变的类型,一、变异的实质基因突变,基
4、因突变即微生物的DNA被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，从而引起其后代表现型的改变，即发生了变异。,二、突变的类型,一、自发突变： 多因素低剂量的诱变效应 互变异构效应 二、诱发突变： 物理诱变因子：紫外辐射、X射线、 射线、快中子、射线和激光等。 化学诱变因子： 复合处理及其协同效应 定向培育和驯化,A基因突变的特点,发生.随机性结果.无定向性 基因突变在哪一个细菌中发生是随机的，突变基因的部位也是随机的。突变的发生没有固定的方向。 频率.稀有性 可.诱变性 突变率（每一细菌在每一世代中发生某一性状突变的机率）通常为10-410-10。一万至一百亿个细菌
5、中才可能有一个细菌的基因发生突变。 人工诱变可提高10105倍,突变在微生物育种方面的应用： 1.定向培养(污泥驯化)：人为用某一特定环境条件长期处理某一微生物群体，不断将其移种传代，以达到积累和选择合适的自发突变体。 2.诱变育种：利用物理的、化学的或生物的诱变因子处理微生物，使之发生突变，并筛选出合适的突变体。,细菌的驯化,定向培养（渐变诱导法） 方法：,待降解物通常为有机毒物或惰性物。,5,选择性培养基（待降解物，如石油）浓度升高,5,n,死,筛选与诱导驯化可以同时进行 特点:操作简便，驯化的潜力有限，慢。,结果,诱变剂：温度、紫外线、核辐射、酸、碱、化学诱变剂等等。,诱变育种（突变诱变
6、法）,提问：哪些因素可以引起基因突变呢？,提问： 基因突变的分子机制？ DNA碱基丢失、增多、错配等 点突变染色体畸变,常用的诱变剂：紫外线、5溴尿嘧啶、亚硝酸、卟啶染料等。,诱变的步骤 .制出发菌株的单细菌悬浮液 如何在整个过程中尽量使细菌分散呢？ 诱变剂与细菌充分接触；向细菌培养液中加入玻璃珠，并保持在诱变过程中始终进行振荡搅拌形成出发细菌的单细菌悬浮液；,方法,.选择合适的诱变剂剂量进行诱变 提问：为什么要有剂量限制呢？ 少，效率低；过高， 会造成细菌大量死亡。 例如在进行细菌紫外诱变时，通常使用15或20W的紫外灯距离细菌单细菌悬浮液1530cm，照射1520min。 .筛选突变出的高
7、效菌 提问：如何筛？ 选择性培养基,评价,诱变法潜力要远大于定向培育，但操作复杂。在实际诱变中，往往要经过几次不同诱变方法的诱变处理以及大量繁琐的筛选分离工作才有可能获得理想的突变体。最后这些突变体将会在实验室小试、中试的基础上被投放到生产实践中。,通常生产上更多利用的是定向培育。 污泥培养初期逐步提高污水比例，有些菌种不能适应被淘汰(筛选)，能产生诱导酶的菌株及自发突变体中能降解此类废水的菌种能够生存而被保留下来，且能力逐步提高，使废水达到预期的排放标准；,第三节 基因重组法,不同个体基因重新组合 A形式 自发基因重组与人工基因重组 自发基因重组 a. 杂 交； 双亲细胞的融合使整套染色体的
8、基因重组；或者是通过双亲细胞的沟通，使部分染色体基因重组。,b. 转 化 、 转 导 、接合； 部分遗传物质的转移和重组,.转化Transformation,供体细菌研碎物中的DNA片段直接吸收进入活的受体细菌并发生基因重新组合的方式。,受体细菌获得了供体细菌的部分遗传性状“转运同化” 转化现象是1928年英国的细菌学家格里菲斯首先发现的,，被命名为格里菲斯实验（证明DNA是生命遗传物质的经典实验之一）。,无毒,杀死,杀死,转化现象,格里菲斯实验,无毒,？,？,1944年才通过试验找出了其中的原因。试验方法如下：,目前发现自然状态下许多其它细菌、放线菌、真菌和高等动植物中都也有转化现象。,、接
9、合 (conjugation) 接合是通过质粒使遗传物质在两个细菌细胞间转移的机制。,Electron Micrograph of Escherichia coli with a Conjugation Pilus,、转 导 (Transduction),转导： 通过温和噬菌体的媒介作用，把供体细胞内特定的基因（DNA片段误包）携带至受体细胞中，使后者获得前者部分遗传性状的现象。,LA-2,A,-,B,+,LA-22,A,+,B,-,LA-2,是,能合,成色氨酸,（,B,+,）但,不,能,合成组氨,酸,（,A,-,）的,沙门氏伤寒,杆菌,超微烧结玻璃板,细菌不能通过，,噬菌体可以通过,转导,能
10、合成色氨酸,侵入、重组,LA-22,是,不能合成,色氨酸,（,B,-,）但,能,合成组氨酸,（,A,+,）,的沙门氏伤寒杆菌,一些细胞中含有繁,殖速度较慢的,温和,噬菌体,P-22,突变体的检测 直接检测表现型 影印平板法,第四节 突变体的检测与筛选,突变体的筛选 筛选突变体的有效技术是创造一种只允许突变体生长，抑制原养型菌生长的培养基或生长环境条件。,第五节 分子遗传学新技术在环境工程与环境保护中的应用,遗传工程是70年代初发展起来的生物技术。 定义：对遗传物质进行改造（人工干预下的杂交、转化、接合、转导）的技术。 工程：类似工程设计那样有很高的预见性、精确性与严密性。,质粒育种简介 在原核
11、微生物中除有染色体外，还含有另一种较小的、携带少量遗传基因的环状DNA分子，称为质粒。 质粒在细胞分裂过程中能复制，将遗传性状传递给后代。 质粒在原核生物中不像染色体那样举足轻重，某种细菌一旦丧失质粒，就会丧失由该质粒决定的某些性状，但菌体不会死亡。,.降解石油的工程细菌 70年代美国生物学家查克捡巴蒂(Chakrabarty)针对海洋输油，造成浮油污染，影响海洋生态等问题进行了研究。石油成分复杂，是由饱和、不饱和、直链、支链、芳香烃类组成，不溶于水。而海水含盐量高，虽发现90多种微生物有不同程度降解烃类的能力，但不一定能在海水中大量繁殖生存，而且降解速率也较馒，查氏将能降解脂(含质粒A)的一
12、种假单胞菌作受体细菌，分别将能降解芳烃(质粒B)、脂烃(质粒C)和多环芳烃(质粒D)的质粒，用遗传工程方法人工转入受体细菌，获得多质粒“超级细菌”，可除去原油中23的烃。浮油在一般条件下降解需一年以上时间，用“超级细菌”只需几小时即可把浮油去除，速度快效率高。见下图。,.耐汞工程菌 日本水俣事件及瑞典鸟类汞中毒事件后，日本和瑞典对汞在自然界转化做了大量研究工作，提出了汞化合物转化的途径，主要是某些微生物使水体汞元素甲基化形成甲基汞，使人及生物中毒。另一面自然界中存在一些耐汞的微生物，它们的耐汞基因在质粒R因子上。 例如，恶臭假单胞菌一般在超过2ugml汞浓度中即将中毒死，查克拉巴蒂用质粒转移技
13、术，把嗜油假单胞菌的耐汞质粒(MER质粒)转移到恶臭假单胞菌中去，后者获得MER质粒，可在5070ugml氯化汞中生长。 脱色工程菌的构建 将分别含有降解偶氮染料质粒的偏号Kx和Kd两株假单胞菌通过质粒转移技术培育出兼有分解两种偶氮染料功能的脱色工程 菌。,基因工程方法看似简单，但在具体实施上有较大的难度。A.细菌的质粒本身容易丢失或转移 B.质粒具有不相容性 （只有在一定条件下，属于不同的相容种群的质粒才能稳定地共存于同一宿主中。）,基因工程技术,遗传工程方法包括两个水平的研究：一种是细胞水平；另一种是基因水平。所以，又可把它分为细胞工程和基因工程。 细胞工程两个细胞原生质体融合,基因工程两个细胞DNA片段剪接拼接,狭义的讲，遗传工程就是基因工程。 原理：限制性核酸内切酶,b.遗传工程在环境工程中的应用,
