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1、第六章 微生物的遗传和变异,内容提示,1. 遗传和变异的物质基础是DNA,用肺炎链球菌的转化实验及其补充实验和大肠杆菌T2噬菌体的感染实验证明DNA是遗传物质。 2.微生物的蛋白质合成是由DNA的自我复制、转录mRNA、rRNA、tRNA，由mRNA的三联密码子编码氨基酸序列，翻译氨基酸，再由tRNA上的反密码子识别氨基酸，并运送到核糖体上合成蛋白质。 3. 微生物DNA链上基因会由环境因子引起发生突变而导致发生变异，可以用诱变剂诱变、转化、转导、杂交、基因工程方法获得新种微生物。 4. DNA多聚酶链式反应 的应用于环境保护可快速检测和鉴定微生物。,第一节 微生物遗传 第二节 微生物的变异
2、第三节 基因重组 第四节 突变体的检测与筛选 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,遗传和变异是一切生物最本质的属性。 微生物将其生长发育所需要的营养类型和环境条件，以及对这些营养和外界环境条件产生的一定反应，或出现的一定性状(例如：形态、生理生化特性等)传给后代，并相对稳定地一代一代传下去这就是微生物的遗传。 大肠杆菌要求pH7.2、温度37，发酵糖(如葡萄糖、乳糖)，产酸、产气。为杆菌，在异常情况下呈短杆状、近似球形或呈丝状。亲代大肠杆菌将这些属性传给后代，这就是大肠杆菌的遗传。 遗传是相对稳定的，例如：某种微生物生长繁殖要求与它上代相同或相似的营养类型和外界环境条件，它们
3、对营养和对环境所产生的反应(表现型)也与亲代相同或相似。,第一节 微生物遗传,遗传保守性,微生物在它的系统发育(历史发育)过程中形成遗传保守性，系统发育越久其遗传的保守程度越大。不同种的微生物的遗传保守程度不同，同一种微生物因个体发育不同其遗传保守程度也不同。个体发育年龄越老，遗传保守程度越大；个体发育越年幼，其遗传保守程度越小。高等生物的遗传保守程度比低等生物的大。 遗传保守性对微生物有两面性 有利：可使生产中选育出来的优良菌种各属性稳定地一代一代传下去。 不利：当营养和环境条件改变，微生物因不适应改变了的营养和外界环境条件而死亡。,遗传变异,当微生物从它适应的环境迁移到不适应的环境后，微生
4、物改变自己对营养和环境条件的要求，在新的生活条件下产生适应新环境的酶(适应酶)，从而适应新环境并生长良好，这是遗传的变异。 变异了的微生物不同于原来的微生物，称变种。遗传变异性使微生物得到发展，为人类改造微生物提供理论依据。 变异现象 个体形态的变异； 菌落形态(光滑型/粗糙型)的变异； 营养要求的变异； 对温度、pH值要求的变异； 毒力的变异； 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。,驯化,利用物理手段、化学药物处理微生物可提高其变异频率。通过一定的筛选方法可获得生产上所需要的高产、优质的变异株。 在工农业生产和污（废）水、有机固体废物生物处理过程中，可利用自然条件或
5、物理、化学因素来促进微生物变异，使它符合生产实践的需要。 驯化：在工业废水生物处理中，用含有某些污染物的工业废水筛选、培养来自处理其他废水的菌种，使它们适应该种工业废水，并有高效降解其中污染物的能力，这种方法叫驯化。驯化是选育优良微生物品种的普通而有效的方法和途径。,第一节 微生物遗传,亲代生物如何将遗传性状传给子代? 亲代通过脱氧核糖核酸(DNA)将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代。 子代有了一定结构的 DNA，便产生一定形态结构的蛋白质，由一定结构的蛋白质就可决定子代具有一定形态结构和生理生化性质等的遗传性状。 DNA是遗传的物质基础。 该理论通过格里菲斯(Griffith)经典的转化实
6、验和大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌的实验得到证明。尤其是1928年格里菲斯的转化实验和1941年埃弗里(Avery)等人的的转化实验，确切地证明DNA是遗传的物质基础。,一、遗传和变异的物质基础DNA,肺炎链球菌的转化现象,图6-1 肺炎链球菌的转化现象,R型活菌,S型活菌,健康,R型活菌,病死,病死,病死,S型死菌,健康,S型活菌,R型活菌,S型DNA,注射,注射,注射,注射,注射,提取,S型死菌,格里菲斯经典的转化实验：,1.将无毒、活的R型(无荚膜，菌落粗糙型)肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae )注入小白鼠体内，小白鼠健康活着。 2.将有毒的 、活的S型(有荚
7、膜，菌落光滑型)肺炎链球菌注射到小白鼠体内，小白鼠病死。 3.将少量无毒、活的R型肺炎链球菌和大量经加热杀死的有毒的 S型肺炎链球菌混合注射入小白鼠体内，小白鼠病死，发现在死鼠体内有活的 S型肺炎链球菌。 4.若单独将加热杀死的 S型肺炎链球菌注入小白鼠体内，小白鼠活着。 可见，S型死菌体内有一种引起 R型活菌转化产生S型菌的物质。 S型死菌体内能引起转化的物质是什么？,埃弗里等的补充实验：,埃弗里(Avery)、麦克劳德(Macleod)和麦卡蒂(Mac Carty) 对转化的本质深入研究，从 S型活菌体内提取荚膜多糖、蛋白质、RNA和 DNA，将四种物质分别和R型活菌混合均匀后注射小白鼠。
8、 1.荚膜多糖 + R型活菌 小白鼠 活 2.蛋白质 + R型活菌 小白鼠 活 3. RNA + R型活菌 小白鼠 活 4. DNA + R型活菌 小白鼠 死,活,活,活,死,说明：只有注射S型活菌的DNA和R型活菌混合液的小白鼠死亡，这是部分R型菌转化产生有荚膜、菌落光滑型的、有毒的 S型菌所致。它们的后代都是有荚膜、有毒的。用DNA酶处理DNA则丧失转化作用。经元素分析、血清学分析，用超离心、电泳、紫外线吸收等方法测定，证明这转化因子是DNA。证明死的S型肺炎链球菌体内的起转化作用的物质确实是DNA。,赫西(Hershey)和蔡斯(Chase)的大肠杆菌 T2噬菌体感染实验,1.用 32P
9、O43和 35SO42标记大肠杆菌T2噬菌体，将T2噬菌体的头部DNA标上 32P，蛋白质衣壳被标上 35S。 2.用标上32P和35S的T2噬菌体感染大肠杆菌，10min后T2噬菌体完成了吸附和侵入的过程。 3.将被感染的大肠杆菌洗净放入组织捣碎器内强烈搅拌，吸附在菌体外的T2蛋白质外壳均匀散布在培养液中，离心沉淀。 4.分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记。,结果：全部32P和细菌在沉淀物中， 全部 35S留在上清液中。 证明只有DNA进入大肠杆菌体内，蛋白质外壳留在菌体外。进入大肠杆菌体内的T2噬菌体DNA，利用大肠杆菌体内的DNA、酶及核糖体复制大量T2噬菌体，再次证明DNA是遗传物质
10、。,二、DNA的结构与复制,沃森(Watson)和克里克(Crick)在1953年提出了DNA双螺旋结构理论和模型，认为 DNA是两条多核苷酸链彼此互补并排列方向相反的，以右手旋转的方式围绕同一根主轴而互相盘绕形成的，具有一定空间距离的双螺旋结构。其中的每条链均由脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸交替排列构成。,图6-2 DNA的结构及其化学组成,(一) DNA的结构,DNA的化学组成：碱基及碱基对,每条多核苷酸链上均有四种碱基：A(腺嘌呤Adenine)、T(胸腺嘧啶Thymine)、G(鸟嘌呤Guanine)、C(胞嘧啶Cytosine)有序地排列，它们以氢键与另一条多核苷酸链的四种碱基T、A、C、
11、G彼此互补相配对。由氢键连接的碱基组合，称碱基配对。具体是：A通过2对非共价氢键和T连接成A:T碱基对；G通过3对非共价氢键和C连接成GC碱基对。,DNA是高分子化合物，相对分子质量最小的为2.3104，最大的达1010，比蛋白质相对分子质量(51035106)大。一个DNA分子可含几十万或几百万碱基对，每一碱基对与其相邻碱基对之间的距离为0.34nm，每个螺旋的距离为3.4nm，包括10对碱基。每一个双螺旋的直径为2nm。,图6-2 DNA的结构图,DNA的结构（图6-2）,特定的种或菌株的DNA分子的碱基顺序固定不变，保证了遗传的稳定性。 一旦DNA的个别部位发生了碱基排列顺序的变化，例如
12、：在特定部位丢掉一个或一小段碱基，或增加了一个或一小段碱基，改变了DNA链的长短和碱基的顺序，都会导致细菌死亡或发生遗传性状的改变。在现代的细菌分类鉴定中，通过测定GC百分含量确定属、种或菌株。 20世纪50年代发现DNA的右旋双股螺旋结构。后来科学家在实验室设计，并合成由1525个核苷酸组成的短链反义核酸，这些反义核酸可被绑到DNA中形成三股螺旋的DNA。1992年我国科学家首先发现具有三股螺旋的天然DNA。现在，三股螺旋DNA的存在已被国际公认。,真核生物(人、高等动植物、真菌、藻类及原生动物)的DNA和组蛋白等组成染色体，少的的几个，多的几十或更多，染色体呈丝状结构，细胞内所有染色体由核
13、膜包裹成一个细胞核。 原核微生物的DNA只与很少量的蛋白质结合，没有核膜包围，单纯由一条DNA细丝构成环状的染色体，拉直时比细胞长许多倍，它在细胞的中央，高度折叠形成具有空间结构的一个核区。由于含有磷酸根，它带有很高的负电荷。原核微生物 DNA的负电荷被 Mg2+离子和有机碱（精胺、亚精胺和腐胺等）中和。真核生物 DNA的负电荷被碱性蛋白质（组蛋白和鱼精蛋白）中和。,1. DNA的存在形式,2.基因遗传因子,基因是一切生物体内储存遗传信息，有自我复制能力的遗传功能单位。它是DNA分子上一个具有特定碱基顺序(核苷酸顺序)的片断。 基因的定义：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。它
14、是编码多肽、tRNA或rRNA的多核苷酸序列。有编码蛋白质的基因和编码tRNA或rRNA的基因。 一个基因的相对分子质量大约为6105，约有1000个碱基对，每个细菌约具有5000至10000个基因。基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。任何一个遗传性状的表现都是在基因控制下的个体发育的结果。从基因型到表现型必须通过酶催化的代谢活动来实现，基因直接控制酶的合成，即控制一个生化步骤，控制新陈代谢，从而决定了遗传性状的表现。,按功能划分，基因有三种： （1）结构基因:编码蛋白质或酶的结构，控制某种蛋白质或酶的合成。 （2）操纵区:它的功能像“开关”，操纵三个结构基因的表达。 （3）调节基因:它控制结
15、构基因。先由调节基因决定一种阻抑蛋白封闭操纵区的作用，使三个结构基因都不能表达，阻抑了酶的合成。当培养基中有乳糖时阻抑蛋白失活，不能封闭操纵区，因而结构基因得以表达，合成能利用乳糖的酶。,大肠杆菌由三个结构基因(图6-4) O：操纵区；a、b、c:结构基因；R:调节基因；L:乳糖；A、B、C:蛋白质,3.遗传信息的传递,DNA上贮存的遗传信息需要通过一系列物质变化过程而在生理上和形态上表达出相应的遗传性状。不同细胞中DNA贮存的特定遗传信息如何转化为不同细胞，并具有特定酶促作用的蛋白质?,贮存在细胞生物和非细胞生物DNA上的遗传信息都通过DNA转录为RNA，将遗传信息传给后代，并通过RNA的中
16、间作用指导蛋白质的合成(图6-5)。只含RNA的病毒的遗传信息贮存在RNA上，通过反转录酶的作用由RNA转录为DNA，这叫反向转录。从而将遗传信息传给后代。 以上这些DNA的复制和遗传信息传递的基本规则，称为分子遗传学的中心法则。,图6-5 遗传信息传递方向,(二)DNA的复制,为确保微生物体内DNA碱基顺序精确不变，保证微生物的所有属性都得到遗传，在细胞分裂之前，DNA必须十分精确地进行复制。DNA具有独特的半保留式的自我复制能力，确保了 DNA复制精确，并保证一切生物遗传性的相对稳定。 DNA的自我复制：首先DNA分子中的两条多核苷酸链之间的氢键断裂,彼此分开成两条单链。然后各自以原有的多核苷酸链为模板，根据碱基配对的原则吸
