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1、第六章微生物的遗传和变异第1页，本讲稿共47页 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。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，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。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，并产生高效降解其中污染物能力的方法叫驯化。第2页，本讲稿共47页主要内容三、基因
2、重组四、突变体的检测与筛选二、微生物的变异一、微生物的遗传五、分子遗传学新技术在环境工程与环境保护中的应用第3页，本讲稿共47页第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传 第4页，本讲稿共47页 一、遗传和变异的物质基础DNA 亲代生物如何将遗传性状传给子代？从分子遗传学角度看，亲代是通过脱氧核糖核酸（DNA）将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的。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，可通过格里菲斯经典的转化实验和大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌的实验得到证明。第5页，本讲稿共47页
3、格里菲斯经典的转化实验：S型死菌体内有一种物质引起R型活菌转化产生S型菌。S型死菌体内能引起转化的物质是什么？第6页，本讲稿共47页 大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌的实验：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。第7页，本讲稿共47页二、DNA的结构与复制 （一）DNA的结构 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。沃森和克里克在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。第8页，
4、本讲稿共47页 每条多核苷酸链上均有4种碱基：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）及胞嘧啶（C）有序地排列。这4种碱基以氢键与另一条多核苷酸链的4种碱基彼此互补配对。由氢键连接的碱基组合，称碱基配对。第9页，本讲稿共47页 1953年的沃森（左）和克里克在实验室里，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。第10页，本讲稿共47页 继20世纪50年代发现DNA的右旋双股螺旋结构后，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。DNA的电子显微照片DNA的分子结构 1992年我
5、国科学家首先发现三股螺旋的天然DNA。现在，三股螺旋DNA的存在已被国际公认。第11页，本讲稿共47页 1、DNA的存在形式 真核生物的DNA和组蛋白等组成染色体，少的几个，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模包裹成一个细胞核。原核微生物的DNA只与很少量的蛋白质结合，没有核模包围，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。第12页，本讲稿共47页 2、基因遗传因子 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rRN
6、A的基因，按功能可分为3种：（1）结构基因：编码蛋白质或酶的结构，控制蛋白质或酶的合成。（2）操纵基因：操纵3个结构基因的表达。（3）调节基因：它控制结构基因。基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。核苷酸的结构第13页，本讲稿共47页 3、遗传信息的传递 不同细胞中DNA贮存的特定遗传信息是如何转化为不同细胞，又如何传递给具有特定酶促作用的蛋白质？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。不论细胞生物还是非细胞生物，贮存在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的中间作用指导蛋白质的合成。第14页，本讲稿共47页 （二）DNA复制：首先是
7、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收细胞中游离的核苷酸，按照原有链上的碱基排列顺序，各自合成出一条新的互补的多核苷酸，新合成的一条多核苷酸链和原有的多核苷酸链又以氢键连接成新的双螺旋结构。DNA的半保留式的复制方式第15页，本讲稿共47页三、DNA的变性和复性 （一）DNA的变性：DNA的双螺旋结构由碱基对中碱基之间的氢键维持。当天然双链DNA受热或在其他因素的作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链DNA，即称为DNA变性。（二）DNA的复性：变性DNA溶液经适当处理后重新形成天然DNA的过程叫复性，或叫
8、退火。用高温致使DNA变性后，再降低至自然温度，变性的DNA会复制成天然双链DNA。第16页，本讲稿共47页四、RNA RNA和DNA很相似，不同的是以核糖代替脱氧核糖，以U代替T。因此，RNA中的碱基配对为：AU、UA、GC、CG 4种。mRNA称为信使RNA，作为多聚核苷酸的一级结构，其上带有指导氨基酸的信息密码（三联密码子），它翻译氨基酸，具传递遗传性的功能。tRNA称为转移RNA，其上有和mRNA互补的反密码子，能识别氨基酸及识别mRNA上的密码子，在tRNA氨基酸合成酶的作用下传递氨基酸。反义RNA起调节作用，决定mRNA翻译合成速率。rRNA和蛋白质结合成核糖体，它是合成蛋白质的场
9、所，由mRNA、tRNA、反义RNA和rRNA协作合成蛋白质。第17页，本讲稿共47页规则的双螺旋结构脱氧核苷酸腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）脱氧核糖磷酸通常呈单链结构核糖核苷酸腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）核糖磷酸DNA与RNA分子的比较第18页，本讲稿共47页五、遗传密码 遗传密码是存在于mRNA上、由相邻的3个核苷酸组成，代表一个氨基酸的核苷酸序列，即三联密码子。有64组密码子，其中61组分别为20种氨基酸编码，代表蛋白质中的20种氨基酸，称为有意义密码子；AUG是起始密码子。另外3组（UAA、UAG、UGA）称为无意义密码子，它们起终止蛋白质合成的
10、作用。第19页，本讲稿共47页六、微生物生长与蛋白质合成 微生物生长的主要活动是蛋白质的合成，同化的糖和消耗的能量有4/59/10直接或间接与蛋白质合成有关。蛋白质的合成在核糖体上进行，与RNA的复制（合成）及DNA的复制（合成）有关。RNA的合成速率是控制生长速率的关键因素。蛋白质合成的过程有以下几个步骤：1、DNA复制 首先，决定某种蛋白质分子结构的相应一段DNA链进行自我复制。其复制过程与前述的DNA复制相同。第20页，本讲稿共47页 2、DNA转录转录 DNA的转录实际是RNA的合成。转录是由DNA指导，在RNA聚合酶催化作用下的RNA的合成过程，此过程需要ATP、GTP、CTP和UT
11、P参与。（1）原核微生物的DNA转录：首先是双链DNA解旋、解链，两链分开，由因子协助，RNA聚合酶的核心酶识别基因转录的起始点并与DNA区域结合成启动因子。然后以它其中一条单链为模板遵循碱基配对的原则转录出一条mRNA。mRNA合成一旦开始，因子就从核心酶解离下来。新转录的mRNA链的核苷酸碱基的序列与模板DNA链的核苷酸碱基序列互补。（2）真核微生物的DNA转录：它有3种RNA聚合酶参与合成。在核基质中的RNA聚合酶与染色质结合催化mRNA的合成；RNA聚合酶和RNA聚合酶分别催化rRNA和tRNA的合成。第21页，本讲稿共47页 3、tRNA翻译 DNA转录成mRNA后，mRNA链上的核
12、苷酸碱基序列需要被翻译成相应的氨基酸序列，还要被转运到核糖体上，才能合成具有不同生理特性的功能蛋白。tRNA是起翻译和转运作用的。4、蛋白质合成 通过tRNA两端的识别作用，把特定氨基酸转送到核糖体上，使不同的氨基酸按照mRNA上的碱基序列连接起来，在多肽合成酶的作用下合成多肽链，多肽链通过高度折叠成特定的蛋白质结构，最终合成具有不同生理特性的功能蛋白。第22页，本讲稿共47页七、微生物的细胞分裂 随DNA复制和蛋白质合成而使两者成倍增加后的一个有秩序的过程，即为微生物细胞的分裂。微生物将成倍增加的核物质和蛋白质均等地分为二等份，然后分配给两个子细胞，在细胞的中部合成横膈膜并逐渐内陷，最终将两
13、个子细胞分开，细胞分裂完成。第23页，本讲稿共47页第二节第二节 微生物的变异微生物的变异 第24页，本讲稿共47页一、变异的实质基因突变 由于某种因素引起微生物DNA链上的AT碱基对发生错差，成了GT对，它的性状没有在当代表现。当DNA再一次复制时本应AT配对，却成GC配对，就成了与正常体不同的突变体。基因突变即微生物的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。当后代突然表现和亲代显然不同的、能遗传的性状时，就称为突变。第25页，本讲稿共47页二、突变的类型 （一）自发突变 自发突变是指某种微生物在自然条件下，没有人工参与而发生
14、的基因突变。1、多因素低剂量的诱变效应：不少自发突变是由于一些原因不详的低剂量诱变因素长期作用的综合效应。2、互变异构效应：通常DNA双链结构中总是以AT和GC碱基配对的形式出现。偶尔T不以酮基形式出现，而以烯醇式出现，C以亚氨基形式出现，在DNA复制时出现与之前不同的碱基对GT和AC。第26页，本讲稿共47页 （二）诱发突变 诱发突变是利用物理或化学的因素处理微生物群体，促使少数个体细胞的DNA分子结构发生改变，在基因内部碱基配对发生错差，引起微生物的遗传性状发生突变。发能提高突变率的因素都称诱发因素或诱变剂。1、物理诱变：利用物理因素引起基因突变的称物理诱变。紫外辐射对DNA的破坏和DNA
15、的修复第27页，本讲稿共47页 2、化学诱变：利用化学物质对微生物进行诱变，引起基因突变或真核生物染色体畸变的，称为化学诱变。3、复合处理及其协同效应：诱变剂的复合处理常有一定的协同效应，增强诱变效果。其突变率普遍比单独处理的高。（1）两种或多种诱变剂先后使用；（2）同一种诱变剂重复使用；（3）两种或多种诱变剂同时使用。4、定向培育和驯化：定向培育是人为用某一种特定环境条件长期处理某一微生物群体，同时不断将它们进行移种传代，以达到累积和选择合适的自发突变体的一种古老的育种方法。由于自发突变的变异频率较低，变异程度较轻，故变异过程均比诱变育种和杂交育种慢得多。如今，环境工程仍主要采用定向培育的方
16、法培育菌种。第28页，本讲稿共47页第三节第三节 基因重组基因重组 第29页，本讲稿共47页 两个不同性状个体细胞的DNA融合，使基因重新组合，从而发生遗传变异，产生新品种，此过程称为基因重组。一、杂交 杂交是通过双亲细胞的融合，使整套染色体的基因重组；或者是通过双亲细胞的沟通，使部分染色体基因重组。二、转化 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里，从而获得了供体细胞部分遗传性状的现象，称为转化。转化第30页，本讲稿共47页三、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）携带至受体细胞中，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为
17、转导。转导分普遍性转导和局限性转导。第31页，本讲稿共47页第四节第四节 突变体的检测与筛选突变体的检测与筛选 第32页，本讲稿共47页一、突变体的检测 （一）直接检测表现型：直接检测表现型通过观察菌落就可实现，是最简便易行的方法。影印平板法也是直观的，但较复杂。（二）间接检测法：高温菌、低温菌、嗜酸菌、嗜碱菌及营养缺陷型的微生物要通过控制培养条件而获得。第33页，本讲稿共47页二、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。例如：处理某种高温工业废水，要想获得能有效处理该种高温工业废水的菌种，就必须预先筛选培养高温菌。可以用完全培养基
18、和致死温度处理细菌，诱导其变异，待温度降到常温后放置一段时间，再用完全培养基分别在常温和高温条件下培养，若有菌落生长，就将它接种到含有处理目的物的培养基上，在高温条件下扩大培养，如此反复培养、筛选，可以获得处理该种工业废水的菌种。第34页，本讲稿共47页第第 五五 节节 分分 子子 遗遗 传传 学学 新新 技技 术术 在在 环环 境境 工程与环境保护中的应用工程与环境保护中的应用第35页，本讲稿共47页一、遗传工程在环境保护中的应用 （一）质粒育种简介 在原核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，也叫染色体外DNA。它们在细胞分裂过程中能复制，将
19、遗传性状传给后代。有的质粒独立存在于细胞质中，也有的和染色体结合，称为附加体。根据质粒的这些遗传性状，可利用质粒培育优良菌种。质粒在基因工程中常被用作基因转移的运载工具载体。第36页，本讲稿共47页第37页，本讲稿共47页 1、F因子：制育因子，性因子，约2%核染色体，94.5kb，编码的基因约1/3与接合有关。2、R因子：抗药性因子，其基因编码的物质对抗生素有抗性。3、Ti因子：诱癌质粒，可同植物细胞中的核染色体整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使其变成癌细胞。4、Col因子：大肠杆菌素因子，即使大肠杆菌分泌大肠杆菌素。5、巨大质粒：分子量200300106Da，比一般质粒大几十到几
20、百倍，上面有固氮基因。6、降解性质粒：可以编码许多降解性酶类，使细菌降解特殊物质。第38页，本讲稿共47页 （二）质粒育种举例 质粒育种是将两种或多种微生物通过细胞结合或融合技术，使供体菌的质粒转移到受体菌体内，使受体菌保留自身功能质粒，同时获得供体菌的功能质粒。即培育出具有两种功能质粒的新品种。1、多功能超级细菌的构建 2、解烷抗汞质粒菌的构建 3、脱色工程菌的构建 4、Q5T工程菌第39页，本讲稿共47页二、基因工程技术在环境保护中的应用 基因工程是指在基因水平上的遗传工程，又叫基因剪接或核酸体外重组。基因工程是用人工方法把所需要的某一供体生物的DNA提取出来，在离体的条件下用限制性内切酶
21、将离体DNA切割成带有目的基因的DNA片段，每一片段平均长度有几千个核苷酸，用DNA连接酶把它和质粒的DNA分子在体外连接成重组DNA分子，然后将重组体导入某一受体细胞中，以便外来的遗传物质在其中进行复制、扩增和表达，再进行重组体克隆的筛选和鉴定；最后对外源基因表达产物进行分离提纯，从而获得新品种。第40页，本讲稿共47页 基因工程操作分5步：（1）先从供体细胞中选择获取带有目的基因的DNA片段；（2）将目的DNA的片段和质粒在体外重组；（3）将重组体转入受体细胞；（4）重组体克隆的筛选与鉴定；（5）外源基因表达产物的分离与提纯。第41页，本讲稿共47页三、PCR技术在环境工程中的应用 PCR
22、即为DNA聚合酶链反应，是DNA不需通过克隆而在体外扩增，短时间内合成大量DNA片段的技术。（一）PCR技术基本原理：PCR技术是一种具有选择性的体外扩增DNA或RNA片段的方法。PCR全过程的实质是在适当条件下进行PCR循环（热变性复性延伸）的多次重复。第42页，本讲稿共47页 （二）PCR技术的操作方法 1、仪器 （1）PCR仪：全自动带有微型处理机。（2）DNA的凝胶电泳仪。PCR仪第43页，本讲稿共47页 2、试剂 （1）引物：根据待扩增的不同DNA，进行设计与合成。（2）Taq DNA 聚合酶：嗜热细菌的酶，能耐受高温93100。（3）5 mmol/L dNTP 贮备液：将4种dNT
23、Ps 的钠盐各100 mg合并，加3 mL灭菌去离子水溶解，用NaOH调pH至中性，分装：每份300 L，-20保存。（4）10PCR缓冲液：KCl 500 mmol/L，TrisHCl（pH8.4，20）100 mmol/L，MgCl2 15 mmol/L，明胶1 mg/mL。3、样品 样品为待扩增DNA。第44页，本讲稿共47页 （三）PCR技术的操作步骤 1、加热变性：将待扩增的DNA置于9495的高温水浴中加热5 min，使双链DNA解链为单链DNA，分开的两条单链DNA作为扩增的模板。2、退火：将加热变性的单链DNA溶液的温度缓慢下降至55。在此过程中将引物DNA的碱基与单链模板DN
24、A一端的碱基互补配对。3、延伸：在退火过程中，当温度下降至72时，在耐热性Taq DNA多聚酶、适当的pH和一定的离子浓度下，寡核苷酸引物碱基和模板DNA结合延伸成双链DNA。4、将扩增产物进行琼脂糖凝胶电泳观察第45页，本讲稿共47页 （四）PCR技术的应用 1、应用PCR技术研究特定环境中微生物区系的组成、结构，分析种群动态。2、应用PCR技术监测环境中的特定微生物。利斯特氏菌菌落第46页，本讲稿共47页四、分子遗传学的综合技术用于环境微生物鉴定和种群动态分析 20世纪60年代开始至今，分子遗传学和分子生物学技术迅速发展，使微生物分类学进入了分子生物学时代，许多新技术和新方法在微生物分类学中得到了广泛应用。包括16S rRNA序列分析、基因探针、PCR、DNA电泳等在内的综合检测技术加快了鉴定工作的速度，还使一些原来不可能实现的变成可能。16S rRNA序列分析技术的基本原理：从微生物样品中提取16S rRNA的基因片段，通过克隆、测序或酶切、探针杂交，获得16S rRNA序列信息，再与16S rRNA数据库中的序列数据或其他数据进行对照比较，确定其在进化树中的位置，从而鉴定样品中可能存在的微生物种类。第47页，本讲稿共47页