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1第三章细菌的生长和遗传变异3.2细菌的遗传与变异2主要内容一、遗传与变异的基本概念二、遗传的物质基础三、遗传信息的表达——基因表达四、微生物的基因突变五、基因重组六、遗传工程（Geneticengineering）七、基因工程（Geneticengineering）八、微生物的驯化——活性污泥驯化九、核酸探针杂交和PCR技术在环境保护中的应用3遗传性：亲代性状在子代重现，使其子代的性状与亲代基本上一致的现象。“种瓜得瓜种豆得豆”继承亲代优点，保持物种延续遗传性一、遗传与变异的基本概念4细菌同其他生物一样，有其固有的遗传性。细菌的遗传是在系统发育过程中形成的，系统发育愈久的细菌，其遗传的保守程度愈大，越不易受外界环境条件的影响。老龄菌遗传保守程度比幼龄菌大。遗传性一、遗传与变异的基本概念5变异：任何一种生物，亲代和子代之间在生理、形态方面都有一定的差异，这种现象叫变异（个体形态、菌落形态、生理生化特性、代谢产物）“龙生九子，各不相同”变异性基因突变基因重组定义：细菌的遗传性状变化称变异6细菌易变异∵细菌的繁殖快，又与外界环境接触面积大∴环境条件在短时期内对菌体产生多次影响，在受物理、化学因素影响后，易产生适应新环境的酶（诱导酶），从而改变原有的特性，即产生了变异。变异不一定都有遗传性7细菌变异形式：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。8定向培育：有目的地控制微生物生长条件，使其向人类需要的方向变异。在污水生物处理中称为驯化（acclimation、adaption）有毒有害废水、难降解废水处理，通过驯化，增强微生物的降解能力，提高处理效果。9二、遗传的物质基础1.细菌的遗传物质：一切生物遗传的物质基础是核酸（特别是DNA）101928年，Griffith进行了以下几组实验：（1）动物实验对小鼠注射活RII菌或死SIII菌————小鼠存活对小鼠注射活SIII菌————————小鼠死亡对小鼠注射活RII菌和热死SIII菌———小鼠死亡抽取心血分离活的SIII菌F.Griffith，研究对象：Streptococcuspneumoniae（肺炎双球菌）SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性证明核酸是遗传物质基础的经典转化实验（transformation）11Griffith转化试验示意混合培养RII型活菌SIII型活菌SIII型热死菌RII型活菌SIII型活菌健康健康健康健康健康健康健康病死病死病死Griffith转化试验示意图12（2）细菌培养实验（3）S型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。热死SIII菌—————不生长活RII菌—————长出RII菌热死SIII菌—————长出大量RII菌和10-6SIII菌活R菌+S菌无细胞抽提液——长出大量R菌和少量S菌+活RII菌平皿培养13二、遗传的物质基础2.DNA的化学组成DNA是一种高分子化合物，它由四种核苷酸组成，每一种核苷酸均含环状碱基、脱氧核糖和磷酸根三种组分。四种碱基为：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C。核苷酸腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T戊糖碱基磷酸核苷143.DNA双螺旋结构DNA是由两条多核苷酸分子的长链所组成。两条长链之间靠碱基上的氢键作用相联结，遵循配对原则：A—T，G—C154.DNA复制DNA的复制过程首先是DNA的双链从一端打开，分离成两条单链，然后以每条单链为模板，通过碱基配对逐渐建立起完全互补的一套核苷酸单位，新连接上的多核苷酸与原有的多核苷酸链重新形成新的双螺旋DNA。164.DNA复制在DNA聚合酶的催化下，一个DNA分子最终复制成两个结构完全相同的DNA，从而将遗传信息传递给子代。复制后的DNA分子有一条新链和一条旧链组成，称为半保留复制。25三、遗传信息的表达——基因表达基因：具有遗传功能的DNA分子的片段，平均含有1000bp（碱基对）。一个DNA分子中含有许多基因，不同基因分子含碱基对的数量和排列序列不同。基因：能够表达和产生基因产物（蛋白质或RNA）的DNA序列。261.核糖核酸RNARNA——核糖（DNA为脱氧核糖）尿嘧啶U代替胸腺嘧啶T三、遗传信息的表达——基因表达2.三种RNA（1）信使核糖核酸mRNA：指导蛋白质的合成（2）核蛋白体核糖核酸rRNA：rRNA与蛋白质组成核糖体，是蛋白质（多肽）的合成场所；（3）转运核糖核酸tRNA：可识别mRNA上的信息，并将特定的氨基酸运送到rRNA上供蛋白质合成。3.密码子RNA上每三个碱基决定一个氨基酸细菌的繁殖体现为：DNA、RNA、蛋白质等的合成27三、遗传信息的表达——基因表达4.基因表达：基因上贮存的遗传信息需要通过一系列的变化过程才能够在生理上或形态上表达出相应的遗传性状。需要经过转录——翻译——表达三个过程。（1）转录：以DNA双链中的一条链为模板，按互补方式合成RNA，遗传信息由DNA到RNA的过程称为转录。基因DNA上遗传信息转录下的RNA即为mRNA。28三、遗传信息的表达——基因表达（2）翻译：转录后的mRNA作为合成蛋白质的模板，并且由mRNA的碱基排列顺序决定多肽链中氨基酸的排列顺序，即遗传信息到蛋白质的传递为翻译。29三、遗传信息的表达——基因表达（3）由基因DNA所决定的酶通过代谢作用建造出某种细胞结构（如荚膜、鞭毛、细胞成分等），从而使微生物表现出某种性状，称为性状表达（发育）。30四、微生物的基因突变微生物变异突变：由于生物体DNA改变而引起的遗传性状的改变基因重组：不同个体间基因重新组合突变染色体畸变——细胞学上可以看到染色体的变化基因突变——细胞学上看不到遗传物质的变化定义：DNA链上因碱基的缺失、置换、插入而发生的碱基排列顺序的变化，从而导致表现形状发生了可遗传的变化，这种现象叫基因突变（变异）。1.基因突变312.基因突变的原因自发突变：由于自然界的某些物理化学因子的干扰（辐射、臭氧），也可由微生物体内代谢产物（亚硝酸盐、过氧化氢）引起，自发突变频率低10-5～10-9诱发突变：通过施加物理化学因素（紫外线硝酸）诱变剂可大大提高突变率）323.微生物基因突变的特点适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。稀有性：突变率低且稳定。独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。可诱发性：诱变剂可提高突变率。稳定性：变异性状稳定可遗传。可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变（forwardmutation），从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变（backmutation或reversemutation）。33诱发突变点突变畸变缺失：添加易位：倒位：重复：插入：碱基置换移码突变转换：AG,GCTT,T颠换AACC,G缺失：添加：ABCABCABABCAABCABabcabcabcabcabcabcdefpqrdefpqrghighifdeghijkl*4.微生物基因突变机制基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的，诱变又可分为点突变和畸变。34点变异：一个或数个碱基发生变化点突变碱基置换移码突变转换：AG,GCTT,T颠换AACC,G缺失：添加：ABCABCABABCAABCAB35碱基置换（substitution）定义：对DNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（microlesion），一般也称点突变（pointmutation）。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。分类：转换（transition），即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；颠换（transversion），即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一种功能。根据化学诱变剂是直接还是间接地引起置换，可把置换的机制分成以下两类来讨论。36移码突变frame-shiftmutation或phase-shiftmutation，指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，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。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株（frame-shiftmutant）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分子的微小损伤。丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和α-氨基丫啶等，以及一系列称为ICR类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。37染色体畸变（chromosomalaberration）某些理化因子，如X射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起DNA的大损伤（macrolesion）——染色体畸变，它包括：染色体结构上的变化：缺失（deletion）重复（duplication）易位（translocation）倒位（inversion）染色体数目的变化38畸变缺失：添加易位：倒位：重复：插入：abcabcabcabcabcabcdefpqrdefpqrghighifdeghijkl*畸变：碱基片断发生变化41作用：重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新遗传型的个体。五、基因重组定义：两个不同性状的个体细胞（细胞水平），其中一个细胞（供体）DNA与另一个细胞的DNA融合，使基因重新排列遗传给后代，产生新的遗传性状，称基因重组。42Ⅰ.转化Transformation（引进）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）。引进43老鼠体内提取物培养现象活的SⅢ肺炎双球菌活的RⅡ肺炎双球菌无毒杀死杀死转化现象加热杀死后的破碎细胞混合注射加热杀死后的破碎细胞格里菲斯实验无毒注射注射？？441944年才通过试验找出了其中的原因。试验方法如下：SⅢ型细菌光滑有毒的细胞破裂细胞DNA抽提物混合粗糙无毒的RⅡ细菌SⅢDNA抽提物被有些RⅡ细菌混合DNA酶降解的DNA残骸吸收SⅢDNA+未变化的RⅡ细菌少数转化成S细菌RⅡ细菌（1/106）+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。45定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的受体菌称为转化子（transformant）。特点：无需细胞接触。细菌、放线菌、真菌中有转化现象。有关名词：受体菌：recipient/receptor，转化基因的接受者供体菌：donor，转化基因的提供者转化因子：来自供体菌的DNA片段转化子：transformant，将转化基因重组进入自身染色体组的重组子转化（transformation）4647人工转化人工转化——是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNA的能力，或人工地将DNA导入细胞内。方法：①CaCl2处理细胞，使其成为能摄取外源DNA的感受态状态.②电穿孔法electroporation：用高压脉冲电流击破细胞膜，或击成小孔，使各种大分子（包括DNA）能通过这些小孔进入细胞。48到目前为止，已发现能发生转化作用的菌属主要有：Streptococcuspneumoniae、Haemophilus（嗜血杆菌属）、Bacillus、Neisseria（奈瑟氏球菌属）、Rhizobium（根瘤菌属）、Staphylococc