第06章微生物的遗传与变异

第六章微生物的遗传与变异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：生态、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。遗传具有保守性，优点：保障优良性状稳定遗传；缺点：环境变化，无法适应而死亡。当微生物从它适应的环境迁移到不适应的环境后，微生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。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。微生物的变异很普遍。1.种瓜得瓜，种豆得豆；2.龙生龙，凤生凤，老鼠儿子会打洞；3.虎父无犬子；4.一母生九子，母子十不同。请大家想一想，与遗传变异有关的俗语或谚语有哪些？第一节微生物的遗传一、遗传和变异的物质基础——DNA生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物遗传的物质基础是什么呢？答案是DNA，科学告诉我们，亲代将各种遗传性状通过DNA传递给了子代，子代获得DNA后形成一定的蛋白质，将遗传特性表现出来。哪些人用什么方法最终证明了遗传的物质基础是DNA呢？1.格里菲斯经典转化实（1928）及埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（1941）。2.赫西和蔡斯大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌实验。（粗糙、无毒性活的RII型）（光滑、有毒性的、活的SIII型）多糖类荚膜格里菲斯——肺炎双球菌转化实验一段时间后无毒的活的RII型将S型活有毒的菌注入小鼠体内一段时间后将杀死的S型菌注入小鼠体内一段时间后将R型活菌与杀死的S型菌注入小鼠体内一段时间后死鼠体内有活的SIII型，细菌发生转化，性状的转化可以遗传。埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验从S型肺炎球菌活体上取得蛋白质、荚膜、DNA、RNA，分别与R型肺炎球菌混合后注入到小白鼠体内，结果被注入DNA的小白鼠死亡，其它小白鼠存活。DNA蛋白质多糖RNADNA是遗传物质只有DNA引起R型肺炎球菌转化赫西和蔡斯实验——噬菌体侵染细菌的实验（含S）（含P）噬菌体感染实验用放射性同位素35S标记外壳蛋白质细菌内无放射性用放射性同位素32P标记内部DNA细菌内有放射性DNA是真正的遗传物质DNA—主要的遗传物质综上所述注：DNA不是唯一的遗传物质，较少的微生物也靠RNA进行遗传。二、DNA的结构与复制（一）.DNA结构最经典的结构：双螺旋结构。沃森、克里克1953年提出。沃森（左）和克里克与DNA分子双螺旋结构模型1953年的克里克（FrancisCrick,1916-2004)（右）和沃森(JamesWatson,1928-)在实验室里，他们两人因为发现了DNA的分子结构，而在1962年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。DNA有两条核苷酸链彼此围绕同一根轴互相盘绕形成，为双螺旋结构。每个单链均由脱氧核糖－磷酸－脱氧核糖－磷酸交替排列构成。每个核苷酸链上都有四个碱基：T——胸腺嘧啶A——腺嘌呤G——鸟嘌呤C——胞嘧啶彼此与另一条核苷酸链上的碱基组成碱基对：T—AA—TG—CC—G四种碱基的结构核苷酸的结构碱基AGCT脱氧核糖磷酸碱基AGCT脱氧核糖磷酸碱基DNA分子结构ATGCATGCDNA链的延伸DNA的电子显微镜照片A与T、G与C的配对（依靠氢键连接）一个DNA分子可包含几十万到几百万个碱基对，每个碱基之间间距为0.34nm。每10个碱基组成一个螺旋，螺距3.4nm。碱基之间一一对应，顺序固定，所以可以保证遗传的稳定性，但是，如果收到干扰，个别碱基排列顺序发生变化，都会导致微生物死亡或变异。1.DNA的存在形式真核生物中DNA以染色体存在于细胞核内，而在原核生物中，DNA存在于细胞质内。2.基因基因：生物体内贮存遗传信息、能进行自我复制能力的遗传功能单位。是DNA分子上的具有特定碱基排列顺序的核苷酸片断。每个细菌约有5000～10000个基因。3.遗传信息的传递贮存在DNA上的遗传信息都会转录到RNA上，通过RNA的翻译作用指导蛋白质的合成，最终依靠蛋白质体现遗传性状。DNARNA转录蛋白质翻译（二）DNA的复制微生物为了保证遗传的稳定性，DNA的复制十分精确。复制过程：1.解旋：DNA双链氢键断裂，双链分开；2.复制：以各自双链为模板，进行复制。3.分配：新复制的核苷酸链与原来的一条核苷酸链按照碱基配对原则形成新的双链结构并分给子代。DNA的复制注意：1.复制过程必须有酶的参与；如：解旋酶、聚合酶等。2.解旋过程中，并不是完全断开后才开始复制，而是解开一段后，就进行复制。复制好的就开始形成双螺旋。3.每个子代细胞都获得了亲代细胞的一个DNA单链。1868年的某天瑞士的生物化学家米歇尔(Miescher)研究一个病人的绷带，小心地将绷带上粘着的病人伤口处的物质洗下来。洗脱物中含有许多脓细胞。他向其中加入酒精，将细胞中的脂肪类物质除去，之后又加入含有胃蛋白酶的提取液清除各种杂蛋白，这样，他就可以拿到纯的浓细胞的细胞核了。于是米歇尔开始研究这些核。结果他意外地发现核中有一种从未认识到的新物质，并起名为“核素”。这就是现在我们知道的DNA。经过后人的研究，核素为酸性物质，含有三种成分：糖、磷酸、有机碱。又发现糖少了一个氧。称之为脱氧核糖。小资料——米歇尔的发现三、DNA的变性和复性1.DNA变性DNA双链受到外界作用（受热、提高pH），氢键被破坏而形成单链的现象。2.DNA的复性变性DNA重新形成天然DNA的过程。也称为退火。如：高温条件下变性的DNA在降温后回重新形成双链结构。注意：DNA的复性是随机的。即复性的DNA不可能完全回复到原来状态。复性实验：用非放射性同位素N15标记的DNA和用放射性同位素N14标记的DNA同时变性与复性实验，最终得到3种双链DNA。a.25％含N14的双链；b.25％含N15的双链；c.50％含有N14和N15的双链。四、RNA即核糖核酸。RNA与DNA相似，不同之处是核糖及碱基。RNA的碱基也有四个，为U——尿嘧啶（DNA为T：胸腺嘧啶）A——腺嘌呤G——鸟嘌呤C——胞嘧啶碱基对：U—AA—UG—CC—GRNA有四种：tRNA、rRNA、mRNA、反义RNA。mRNA：信使RNA，带有氨基酸的信息密码（三联密码子），用于翻译氨基酸。tRNA：转移RNA，带有与mRNA互补的反密码子，能识别氨基酸和mRNA的密码。rRNA：与蛋白质形成核糖体，作为蛋白质的合成场所。(核糖体RNA)反义RNA：起调节作用，主要决定mRNA的翻译速度。规则的双螺旋结构通常呈单链结构脱氧核苷酸核糖核苷酸腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）脱氧核糖核糖磷酸磷酸DNA与RNA分子的比较五、蛋白质合成共分成四个阶段1.DNA的复制细胞将某特定段DNA链进行复制。2.mRNA的转录DNA双链打开后，以单链为模板，按照碱基配对原则复制RNA。将DNA上的信息转给RNA。五、蛋白质合成3.翻译由tRNA完成。通过反密码子与mRNA密码子的互补，tRNA破译氨基酸的密码，进而将所需氨基酸送到核糖体处。4.蛋白质的合成特定的碱基顺序密码送到核糖体，氨基酸按照顺序连接在一起，在酶的作用下形成多肽链，进而形成蛋白质，最终将遗传信息表达出来。TCATGATTAAGTACTAATDNA的平面结构图细胞核中AGTACTAAT游离的核糖核苷酸DNA解旋，一条链为模板合成RNA细胞核中AGTACTAATDNA与RNA的碱基互补配对细胞核中聚合酶游离的核糖核苷酸AGTACTAATDNA与RNA的碱基互补配对细胞核中聚合酶游离的核糖核苷酸UU细胞质核孔DNAmRNA在细胞核中合成细胞核内UCAUGAUUAAGTACTAATmRNAUCAUGAUUAmRNAAGTACTAATUCAUGAUUAmRNA细胞核内密码子密码子密码子密码子mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基UCAUGAUAmRNAUACU亮氨酸天冬氨酸异亮氨酸氨基酸（原料）tRNA的一端运载着氨基酸反密码子亮氨酸天冬氨酸ACU异亮氨酸核糖体UCAUGAUAmRNAU异亮氨酸细胞质中核糖体UCAUGAUAmRNAU亮氨酸细胞质中核糖体UCAUGAUAmRNAU亮氨酸天冬氨酸ACU异亮氨酸细胞质中核糖体UCAUGAUAmRNAU亮氨酸天冬氨酸ACU异亮氨酸缩合以mRNA为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质细胞质中单击画面继续UCAUGAUAmRNAU第二节微生物的变异一、变异的本质——基因突变DNA双链间靠精密的碱基配对互相连接。但是，偶尔也会出现差错。如碱基丢失、置换、插入。这样就改变了碱基的原有顺序，引发后代的表现类型变异。如:R型菌S型菌。二、基因突变类型突变类型自发突变诱发突变低剂量多因素突变互变异构效应物理诱变化学诱变定向培育和驯化1.物理诱变利用物理因素导致的基因突变。UV、电离辐射等。重点：诱变机制及DNA损伤的修复(1)机制DNA的碱基对于UV敏感，当有UV辐射时，就会进行吸收，从而发生DNA结构变化。如：胸腺嘧啶聚合形成胸腺嘧啶二聚体。(2)DNA的修复（有5种）只讲a.光复活需要PHr酶b.切除修复需要DNA多聚酶、核酸酶及DNA连接酶c.重组修复先复制，组合，修复d.SOS修复在DNA受到大范围重大损伤时诱导产生一种应急反应，使细胞内所有的修复酶增加合成量，提高酶活性e.适应性修复2.化学诱变利用化学物质对微生物进行诱变，引起基因突变或染色体畸变。3.复合处理4.定向培育和驯化三、基因突变的特点1.自发性概率极低。每104～1010繁殖才有一次出现基因突变体。2.可诱变性3.可逆性4.不对应性指多种因素导致一种性状的出现。四、基因突变的表现类型1.形态突变发生可见的形态变化。如大小、结构变化。正常人的红细胞为圆饼状，可是贫血的人的红细胞为镰刀状，很容易破碎。2.生化突变指原有的特定功能的改变或丧失，但形态不一定变化。如野生菌营养缺陷型菌3.致死突变由于突变，无法生存4.条件致死突变经突变后，在某些条件下可以生存，换了就无法生存。如：温度敏感型对于温度要求严格，超出范围就会死亡。某菌在37℃可以生存，但降到34℃则死亡。第三节基因重组概念：两个不同性状的细胞DNA融合，使基因重新组合，导致遗传变异，产生新品种的过程。重组手段：杂交、转化、转导。1.杂交通过双亲细胞的融合，使整套或部分染色体的基因重组。通过杂交可以获得有目的的新品种。2.转化受体细胞直接吸收供体细胞的DNA片断，并将其整合到自己的基因组里，从而获得供体细胞部分遗传性状的现象。转化过程：感受态细胞出现；DNA吸附；DNA进入细胞内；DNA解链；形成受体DNA－供体DNA复合物；DNA复制和分离。3.转导利用到温和噬菌体做载体，将供体特定基因携带给受体细胞，使后者得到前者部分遗传性状的现象。注意：受体细胞和供体细胞不进行直接接触，靠的是温和噬菌体的媒介作用。普遍性转导第四节遗传工程技术在环境保护中的应用一遗传工程在环保中的应用质粒育种质粒是细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。•大质粒•小质粒质粒的特征•自我复制能力•编码产物赋予细菌某些性状特征•可自行丢失与消除•有转移性二基因工程在环保中的应用载体（质粒）的特征•自主复制的复制子，拷贝数多•抗生素抗性选择和松弛型复制•编码产物赋予细菌某些性状特征•能赋予宿主细胞易于检测的表型•携带外源DNA的幅度较宽•对其它生物及环境安全在基因工程中的应用基因工程是根据遗传变异中细菌可由基因转移和重组而获得新性状的原理设计的•切取目的基因——连接到载体上——转移到工程菌内，得到大量表达目的基因的产物•目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品在疾病的诊断、治疗与预防中的应用形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的变异，使得诊断复杂化•如金黄色葡萄球菌的耐药性菌株增加，绝大由金黄色变成灰白色，血浆凝固酶阴性的葡萄球菌也成为致病菌，给诊断带