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第六章微生物的遗传与变异教学目的与要求了解DNA分子的结构与复制和微生物的突变类型。掌握污泥驯化的原理与方法。了解遗传工程技术在环境保护中的应用。第一节微生物的遗传一、遗传与变异的物质基础——DNA二、DNA的结构与复制三、DNA的变形与复性四、RNA五、微生物的生长与蛋白质合成六、微生物的细胞分裂一、遗传与变异的物质基础——DNA遗传与变异是一切生物最本质的属性，DNA而是生物遗传与变异的物质基础。通过格里菲斯（Griffith）经典的转化实验、噬菌体感染细菌和植物病毒重建的实验可以证明。格里菲斯(Griffith)经典的转化实验实验材料：肺炎双球菌光滑型（S）粗糙型（R）有荚膜无荚膜菌落光滑菌落粗糙分泌毒素无毒致病不致病SSⅠSⅡSⅢ三个血清型RⅠRⅡRⅢ三个血清型格里菲斯(Griffith)经典的转化实验图示转化实验S型菌细胞抽提液试验R菌落活R菌S菌Pr+活R菌+S菌DNAS菌落S菌多糖R菌落活R菌+噬菌体感染实验原理：DNA只含P不含S；蛋白质只含S不含P步骤：1：用含同位素35S、32P的培养基培养大肠杆菌；2：让T2感染上述大肠杆菌使其带有35S、32P标记；吸附10分钟后搅动离心上清液沉淀结果：上清液中含15%放射击性；沉淀中含85%放射性3、植物病毒的重建实验原理：植物病毒蛋白质和RNA可以人为地分开，同时又可把它们重新组合成具感染性的病毒。甲RNA＋乙Pr→感染症状同甲病毒；分离得到甲病毒乙RNA＋甲Pr→感染症状同乙病毒；分离得到乙病毒TMVHRVHRVTMV原始株拆开重建感染分离纯化植物病毒的重建实验图示遗传(heredity或inhertiance)和变异(Variation)是生物体最本质的属性之一。与之相关的几个概念1、遗传(heredity)生物的上一代将自己的遗传因子传递给下一代的行为或功能，具有极其稳定的特性。2、遗传型(genotype)某一生物所含有的遗传信息即DNA中正确的核苷酸序列。生物体通过这个核苷酸序列控制蛋白质或RNA的合成，一旦功能性蛋白质合成，可调控基因表达。3、表型(phenotype)某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境条件下的具体体现。是一种现实性。遗传型＋环境条件代谢发育表型遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下通过自身的代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型。变异(Variation)是生物体在某种外因或内因作用下引起的遗传物质结构改变，亦即遗传型的改变。特点：几率极低(一般为10-5~10-6)；性状变化幅度大；变化后的新性状是稳定的、可遗传的。饰变(modification)：指不涉及遗传物质结构改变，只发生在转录、转译水平上的表型变化。特点：每一个体都发生变化性状变化的幅度小；因遗传物质不变故饰变是不遗传的。例子：粘质沙雷氏菌(Serratiamarcescens)在25℃下培养时会产生深红色的灵杆菌素，在37℃时不产生色素。二、DNA的结构与复制结构的提出：1953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。Watson—Crick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）碱基AGC脱氧核糖磷酸T基本单位－脱氧核苷酸DNA的化学结构（2）A腺嘌呤脱氧核苷酸G鸟嘌呤脱氧核苷酸C胞嘧啶脱氧核苷酸T胸腺嘧啶脱氧核苷酸脱氧核苷酸的种类DNA的化学结构（3）连接ATGCATGCDNA复制的发现Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构之后，又提出了DNA复制的假说：DNA半保留复制模型；1958年，Meselson米西尔森和Stanl斯坦尔采用含15N重同位素的NH4Cl培养大肠杆菌，放在正常的培养液里繁殖，然后用梯度离心技术测定分裂时DNA复制时的密度变化，证实了DNA的半保留复制。DNA的半保留复制是指在DNA聚合酶的作用下，以一个亲代DNA分子的两条链为模板，合成两个结构上完全相同的子代DNA分子的过程。遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式拟核遗传物质类型核遗传物质核外遗传物质真核生物细胞器原核生物质粒原核生物：拟核真核生物：染色体DNA就是脱氧核糖核酸（长链）TCGCCCCTTTGGG腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胸腺嘧啶(T)胞嘧啶(C)基因测序就是读出A-C-G-T-G-G-A-C-G…...基因是一段DNA染色体基因Ⅱ基因ⅠDNA基因是生命的密码基因记录和传递遗传信息基因决定生物体的生长、疾病、衰老等生命现象大肠杆菌基因组4100个基因，4.7×106bp遗传信息的连续性功能相关的结构基因组成操纵子结构基因单拷贝及rRNA多拷贝基因的重复序列少而短原核生物基因调控乳糖操纵子操纵基因调节基因结构基因调节蛋白乳糖mRNA酶1酶2酶3质粒：核外环状小型DNA独立复制稳定遗传。F因子：与有性接合有关种类R因子：与抗药性有关COL：编码免疫蛋白Ti质粒：诱癌质粒降解散质粒：编码降解有害物质的酶用途：基因工程中作为目的基因载体。质粒：原核生物遗传物质存在的另一种方式五、微生物的生长与蛋白质合成蛋白质合成的过程1DNA的复制2转录mRNA3翻译4蛋白质的合成基因的转录和翻译GATCTAGAUDNAmRNA天冬氨酸氨基酸转录翻译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——基因突变基因突变即微生物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。基因突变及修复一、基因突变(一)基因突变的机制(二)突变株的筛选(一）基因突变的机制1、基因突变(genemutation)一个基因内部结构或DNA序列的任何改变，改变一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换，而导致的遗传变化称为基因突变。DNA序列范围的改变从单个碱基改变通常称为点突变(pointmutations)，到基因组大范围的重排，有时称为多位点突变，其中包括DNA链上短的一段序列或长的一段序列改变，从而影响许多基因。多位点突变可以是碱基序列的缺失、插入、倒位、置换(包括易位)和重复以及在基因组中发生重组或转座的结果。2、点突变(pointmutations)点突变中由一个嘌呤变为另一个嘌呤(A↔G)或一个嘧啶变为另一个嘧啶(C↔T)称为转换(transition)，嘌呤变为嘧和嘧啶变为嘌呤称为颠换(transversions)。遗传型上一个碱基的改变在表型上的效应取决于突变的性质和在基因组点突变发生的位置，有四种点突变类型：1）同义突变(same-sensemutations)由于基因密码的冗余[性]；同样的氨基酸插入蛋白质，结果表型上没有看出变化。2）错义突变(mis-sensemutations)指不同的氨基酸插入蛋白质的多肽链中，多肽链相应氨基酸改变的结果视蛋白质的基本部分或非基本部分改变而定。前者蛋白质功能改变或丧失，后者表型上没有观察到变化。3）无义突变(nonsensemutations)是指碱基序列改变为氨基酸终止密码子(UAA，UAG，UGA)。蛋白质合成超前停止，导致一个截短的蛋白质产生。4）移码突变(frameshiftmutations)是DNA序列上缺失或插入1-2个核苷酸，引起从该突变点后翻译阅读框移位和变成一个完全改变的氨基酸序列。突变的效应可以通过许多方法回复。最简单的回复突变是回复到原来的碱基序列(野生型)。选择回复突变是阐明突变类型好的检验方法。如原来的突变型是点突变或缺失突变，不易在同一位点发生回复突变。那么一种获得野生型表型的方法是通过阻抑的机制，其中第二次突变发生在基因组的不同位点，它补偿了第一次突变的效应。3、回复突变(backmutation)第二次突变可以在基因组的不同位点突变，此情况称为校正突变(intragenicsuppressor)，移码突变后阅读框架复原的补偿突变)或完全不同的基因突变，称基因间抑制(intergenicsuppressor)。1、根据突变株类型分离鉴定和分离突变株时，根据突变株基因的特殊性质，一般分成三类：（二）突变株筛选1）有毒化合物抗性突变株如对抗生素或对噬菌体侵染的抗性。这些突变株能通过在有毒药剂或噬菌体存在下生长来选择。只有抗性突变株才生长。2）营养缺陷型突变株突变株不能合成生长所必需的基本化合物如一个氨基酸或维生素。这些突变株不能直接分离，但能通过影印培养法(replicaplating)筛选。3）不能利用特殊底物如乳糖和麦芽糖生长的突变株，可以通过影印培养法鉴别。用于筛选大量特殊突变菌落的一个方法。细菌铺制成平板，在所含营养成分的培养基上亲本和突变株均能生长，采用一个稀释度使单个菌落能在平板上看到；培养后，用一个无菌的丝绒布包裹的圆柱章的圆垫转移上述菌落至可以检出突变株的培养基平板上。2、影印培养法培养基的性质根据突变株的需求，在营养缺陷型突变株的情况下，可以在有特殊生长因子和没有特殊生长因子的平板上影印法转移菌落，不能合成那种生长因子的突变菌株，在基本培养基上不能生长，但能在加入已知生长因子的基本培养基上生长(加富培养基)，突变株菌落通过在基本培养基不能生长来鉴别，可以从能生长的补充培养基平板上选出和纯化。选择性培养基1选择性培养基2选择性培养基33、突变的类型（1）自发突变：多因素低剂量的诱变效应互变异构效应（2）诱发突变：物理诱变因子：紫外辐射、X—射线、β—射线、快中子、γ—射线和激光等。化学诱变因子：生物诱变因子：某些病毒突变是随机的；整个基因组所有时间均可发生突变，但是一个基因组的某些位点比其它的位点更易突变。这些突变聚集的位点称为热点。一个基因的突变率是不一样的，从每104个复制周期每个基因出现一个基因突变，到每1011复制周期每个基因出现一个基因突变，平均大约每106复制周期每个基因出现一个突变。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。突变在微生物育种方面的应用诱变育种除能提高产量外，还可达到改进产品质量、扩大品种和简化生产工艺等目的，是目前最广泛使用的育种手段。以高产为目标的诱导育种大致路线如下：第三节微生物基因的转移和重组基因转移(genetransfer)：外源性的遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内的过程。基因重组(recombination)：转移的基因与受体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌某些特性。外源性遗传物质：供体菌染色体DNA，质粒DNA及噬菌体基因等。细菌的基因转移和重组方式：转化、接合、转导、溶原性转换、细胞融合。一、接合(conjugation)接合是同通过质粒使遗传物质在两个细菌细胞间转移的机制。细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。能通过结合方式转移的质粒称为接合性质粒，不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为非接合性质粒。F+F-F+F-F+F+F+F+ElectronMicrographofEscherichiacoliwithaConjugationPilus二、转化(Transformation)受体细胞直接吸收来自供体细胞的DNA片段（来自研碎物），并把它整合到自己的基因组中，从而获得供体细胞部分遗传性状的现象。格里菲斯(Griffith)经典的转化实验三、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。根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类：普遍性转导（转导的DNA可是供菌染色体上的任何部分）、局限性转导（转导的DNA只限供菌染色体上的特定基因）。四、溶原性转换(lysogenicconversion)当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的DNA片段，使其