1、环境微生物学（07微生物的遗传和变异）主要内容主要内容：微生物的遗传和变异现象微生物的遗传和变异现象微生物的遗传微生物的遗传微生物的变异及应用微生物的变异及应用第一节第一节 遗传和变异现象遗传和变异现象遗传和变异是一切生物最本质的属性。遗传和变异是一切生物最本质的属性。遗传（保守性）遗传（保守性）变异变异 (生物进化的基础）生物进化的基础）遗传是相对的，变异是绝对的遗传是相对的，变异是绝对的遗传中有变异，变异中有遗传遗传中有变异，变异中有遗传遗传学：研究生物遗传和变异现象的学科遗传学：研究生物遗传和变异现象的学科意义：遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素意义：遗传和变异是一切生物存在和进化
2、的基本要素对于育种的意义：变异与遗传对于育种的意义：变异与遗传在环境保护领域的应用：高效净化菌的选育在环境保护领域的应用：高效净化菌的选育第二节第二节 微生物的遗传微生物的遗传 一、遗传和变异的物质基础一、遗传和变异的物质基础DNADNA1 1、对、对DNADNA的认识和研究历史的认识和研究历史 孟德尔的理论（拉马克的理论）孟德尔的理论（拉马克的理论）DNADNA（及（及RNARNA）是遗传物质的研究历史）是遗传物质的研究历史(从摩尔根到格里从摩尔根到格里菲斯）菲斯）肺炎链球菌的转化实验肺炎链球菌的转化实验 大肠杆菌大肠杆菌T2T2噬菌体感染实验噬菌体感染实验 （只有（只有DNADNA进入寄主
3、细胞内）进入寄主细胞内）2 2、遗传物质在细胞中的存在形式、遗传物质在细胞中的存在形式 除部分病毒的遗传物质是除部分病毒的遗传物质是RNARNA外，其余病毒和全部具有典外，其余病毒和全部具有典型细胞结构的生物体的遗传物质都是型细胞结构的生物体的遗传物质都是DNADNA。按其在细胞中的存在形式可分成染色体按其在细胞中的存在形式可分成染色体DNADNA和染色体外和染色体外DNADNA。原核细胞和真核细胞中。原核细胞和真核细胞中DNADNA的存在形式不完全相的存在形式不完全相同。同。原核微生物：无细胞核，与少量蛋白质结合原核微生物：无细胞核，与少量蛋白质结合真核生物：有细胞核，与蛋白质结合形成结构复
4、杂的染真核生物：有细胞核，与蛋白质结合形成结构复杂的染色体色体3 3、基因和遗传信息的传递、基因和遗传信息的传递 (1)(1)基因基因基因是一个具有遗传因子效应的基因是一个具有遗传因子效应的DNADNA片段，它是遗传物质的片段，它是遗传物质的最小功能单位。它储存了遗传信息最小功能单位。它储存了遗传信息,又具有自我复制的能力又具有自我复制的能力基因具有特定的碱基顺序，即核苷酸顺序，它不仅可以决基因具有特定的碱基顺序，即核苷酸顺序，它不仅可以决定生物的某一个性状，而且还具有调控其他基因表达活性定生物的某一个性状，而且还具有调控其他基因表达活性蛋白的功能蛋白的功能基因既是一个结构单位，也是一个功能单
5、位。按功能可把基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。按功能可把基因分为三种：结构基因、操纵基因、调节基因。基因分为三种：结构基因、操纵基因、调节基因。(2)(2)遗传信息的传递遗传信息的传递现代生物遗传学已经证明：亲代的性状是通过脱氧核糖现代生物遗传学已经证明：亲代的性状是通过脱氧核糖核酸（核酸（DNADNA）将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的）将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的。子代根据。子代根据DNADNA所携带的遗传信息，产生一定形态结构的所携带的遗传信息，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
6、生理生化特性。态结构和生理生化特性。分子生物学中心法则分子生物学中心法则基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。任何一个遗传性基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。任何一个遗传性状的表达都是在基因控制下的个体发育的结果。状的表达都是在基因控制下的个体发育的结果。从基因型到表现型需要通过酶从基因型到表现型需要通过酶(蛋白质）催化的代谢活动蛋白质）催化的代谢活动来实现。基因直接控制酶的合成，控制新陈代谢，从而决来实现。基因直接控制酶的合成，控制新陈代谢，从而决定遗传性状的表现。定遗传性状的表现。（3 3）遗传信息的表现）遗传信息的表现二、二、DNADNA的结构与复制的结构与复制1 1、DNADNA的结构
7、的结构DNADNA由两条多个核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互由两条多个核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互补，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕形成。补，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕形成。四种碱基四种碱基A A（腺嘌呤）、（腺嘌呤）、T T（胸腺嘧啶）、（胸腺嘧啶）、G G（鸟嘌呤）、（鸟嘌呤）、C C（胞嘧啶）相互配对。（胞嘧啶）相互配对。A-T,G-CA-T,G-C互相间通过氢键连接互相间通过氢键连接。19531953年的克里克（年的克里克（Francis Crick,1916-2004)Francis Crick,1916-2004)（右）和沃森（右）和沃森(James
8、 Watson,1928-)(James Watson,1928-)在实验室里，他们两人因为发现了在实验室里，他们两人因为发现了DNADNA的的分子结构，而在分子结构，而在19621962年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。奖。核苷酸的结构核苷酸的结构四种碱基的结构四种碱基的结构DNADNA分子结构分子结构DNA的电子显微镜照片的电子显微镜照片A与与T、G与与C的配对（依靠氢键连接）的配对（依靠氢键连接）2 2、DNADNA的复制的复制为确保微生物体内为确保微生物体内DNADNA碱基顺序精确不变，保证微生物的碱基顺序精确不变，保证微生物的所有属性都得
9、到遗传，则在细胞分裂之前，所有属性都得到遗传，则在细胞分裂之前，DNA DNA 必须十分必须十分精确地进行复制。精确地进行复制。DNADNA具有独特的半保留式的自我复制能具有独特的半保留式的自我复制能力，确保了力，确保了DNADNA复制精确，并保证一切生物遗传性的相对复制精确，并保证一切生物遗传性的相对稳定。稳定。DNADNA是双链分子，但作为基因则只有一条链为蛋白质编码是双链分子，但作为基因则只有一条链为蛋白质编码（意义链），（意义链），另一条只是使另一条只是使DNADNA分子处于稳定状态的分子处于稳定状态的互补互补链，称为反义链链，称为反义链。由。由DNADNA分子上的碱基顺序通过转录过程
10、分子上的碱基顺序通过转录过程决定决定RNARNA分子中核苷酸的排列顺序。分子中核苷酸的排列顺序。DNADNA的复制的复制DNADNA链的延伸链的延伸三、三、DNADNA的变性的变性(解链）和复性解链）和复性 DNADNA的变性：的变性：DNADNA的双螺旋结构由碱基对中碱基之间的氢的双螺旋结构由碱基对中碱基之间的氢键维持。当天然双链键维持。当天然双链 DNADNA受热或其他因素的作用下，两受热或其他因素的作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链条链之间的结合力被破坏而分开成单链DNADNA，即称为，即称为DNADNA变性。变性。解链温度解链温度TmTm：解链和双链：解链和双链DNADNA在
11、在A A260260处的吸收值不同，当处的吸收值不同，当A A260260上升到最高值一半时的温度上升到最高值一半时的温度DNADNA的复性：变性的复性：变性DNADNA溶液经适当处理后重新形成天然溶液经适当处理后重新形成天然DNADNA的过程叫复性，或叫退火。用高温使的过程叫复性，或叫退火。用高温使DNADNA变性后，再缓慢变性后，再缓慢降低至自然温度，变性的降低至自然温度，变性的DNADNA会复性成天然双链会复性成天然双链DNADNA。DNADNA的变性的变性DNADNA复性复性四、四、RNARNA及其作用及其作用RNARNA（核糖核酸）和（核糖核酸）和DNADNA很相似，不同的是以核糖代
12、替脱很相似，不同的是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶氧核糖，以尿嘧啶(U)(U)代替胸腺嘧啶代替胸腺嘧啶(T)(T)。RNARNA有四种有四种:tRNA:tRNA、rRNArRNA、mRNAmRNA和反义和反义RNARNA，它们均由，它们均由DNADNA转录而成。分别在蛋白质合成过程中担任不同的角色。转录而成。分别在蛋白质合成过程中担任不同的角色。RNARNA来自来自DNADNA，通过转录过程生成下列相应的，通过转录过程生成下列相应的RNARNA，RNARNA上上的碱基序列是由的碱基序列是由DNADNA所决定的。所决定的。(RNA(RNA序列与序列与DNADNA的有义链的有义链还是互补链序列相似？
13、还是互补链序列相似？DNADNA转录中的有义链和模板链？）转录中的有义链和模板链？）mRNAmRNA叫信使叫信使 RNARNA，作为多聚核苷酸的一级结构，其上带，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有指导氨基酸的信息密码(三联密码子三联密码子)，它可翻译成氨，它可翻译成氨基酸，具转递遗传信息的功能。基酸，具转递遗传信息的功能。tRNAtRNA叫转移叫转移RNARNA，其上有和，其上有和mRNA mRNA 互补的反密码子，能识互补的反密码子，能识别氨基酸及识别别氨基酸及识别mRNAmRNA上的密码子，在上的密码子，在tRNA-tRNA-氨基酸合成氨基酸合成酶的作用下传递氨基酸。
14、酶的作用下传递氨基酸。rRNArRNA（核糖体（核糖体RNARNA）和蛋白质结合成的核糖体为合成蛋白）和蛋白质结合成的核糖体为合成蛋白质的场所。质的场所。反义反义RNARNA起调节作用，决定起调节作用，决定mRNAmRNA翻译合成速度。翻译合成速度。由由mRNAmRNA、tRNAtRNA、rRNArRNA和反义和反义RNARNA协作协作,合成蛋白质。合成蛋白质。五、微生物生长与蛋白质合成五、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，同化的碳和消微生物生长的主要活动是蛋白质的合成，同化的碳和消耗的能量有耗的能量有4/54/59/109/10直接或间接与蛋白质合成有关。直接或间接与
15、蛋白质合成有关。蛋白质合成蛋白质合成(翻译翻译)在核糖体上进行，与在核糖体上进行，与RNARNA的复制（合的复制（合成）及成）及DNADNA的复制（合成）有关。的复制（合成）有关。蛋白质合成过程：蛋白质合成过程：DNADNA复制：相应的复制：相应的DNADNA链进行自我复制链进行自我复制RNARNA转录：由转录：由DNADNA转录成转录成mRNAmRNA，同时也转录成其他几种，同时也转录成其他几种RNARNA翻译：由翻译：由tRNAtRNA完成完成蛋白质合成：由核糖体完成。合成多肽，最终生成具有蛋白质合成：由核糖体完成。合成多肽，最终生成具有特定功能的蛋白质特定功能的蛋白质核酸和蛋白质的合成核
16、酸和蛋白质的合成六、微生物的细胞分裂六、微生物的细胞分裂DNADNA复制和蛋白质合成导致细胞质量增加，最后导致微生复制和蛋白质合成导致细胞质量增加，最后导致微生物细胞的分裂。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配给两个子细胞，在细胞中部形成横隔膜，最终等地分配给两个子细胞，在细胞中部形成横隔膜，最终分裂成两个细胞。分裂成两个细胞。第三节第三节 微生物的变异微生物的变异 一、变异的实质一、变异的实质在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，DNADNA上的碱上的碱基对发生差错，出现碱基的缺失、置换或插入，导
17、致后基对发生差错，出现碱基的缺失、置换或插入，导致后代性状的改变。当这种改变可以遗传时，就是发生了突代性状的改变。当这种改变可以遗传时，就是发生了突变。所以说基因突变是微生物发生变异的实质。变。所以说基因突变是微生物发生变异的实质。在真核微生物中，变异也会发生在染色体水平上，如染在真核微生物中，变异也会发生在染色体水平上，如染色体的缺失、重复、倒位和易位等，都会引起遗传信息色体的缺失、重复、倒位和易位等，都会引起遗传信息的改变，称为染色体畸变。的改变，称为染色体畸变。二、突变的类型二、突变的类型1.1.突变的特点突变的特点基因突变的特点概括起来有三点，即稀有性、随机性和基因突变的特点概括起来有
18、三点，即稀有性、随机性和可逆性可逆性2.2.突变的类型突变的类型 自发突变：在自然条件下发生的突变。自发突变的概率自发突变：在自然条件下发生的突变。自发突变的概率很低（突变频率），如细菌约为很低（突变频率），如细菌约为1010-10-10诱发突变：人为地用某种因素处理后造成的突变。凡能诱发突变：人为地用某种因素处理后造成的突变。凡能提高突变率的因素称为诱发因素或诱变剂。诱发突变的提高突变率的因素称为诱发因素或诱变剂。诱发突变的概率大大提高，可以达到约概率大大提高，可以达到约1010-4-4-1-11010-5-5物理诱变剂，如紫外线。物理诱变剂，如紫外线。化学诱变剂，某些有三致效应的化学物质。
19、化学诱变剂，某些有三致效应的化学物质。3.3.化学物致化学物致DNADNA突变机理突变机理 图图5，6是碱基化学饰变或化学结合造成碱基置换的示意是碱基化学饰变或化学结合造成碱基置换的示意图 5图 6三、三、DNADNA损伤的修复损伤的修复 当当DNADNA分子被损伤后，细胞会利用某种方式进行修复，以分子被损伤后，细胞会利用某种方式进行修复，以保证遗传信息的正确传递。当然这种修复的程度是有限保证遗传信息的正确传递。当然这种修复的程度是有限的。的。DNADNA的损伤修复有的损伤修复有5 5种方式：种方式：(a)(a)光复活光复活 （蓝光波长）（蓝光波长）(b)(b)切除修复切除修复 （MgMg2+
20、2+）(c)(c)重组修复重组修复 （在复制过程中完成）（在复制过程中完成）(d)SOS(d)SOS修复修复 （严重受损）（严重受损）(e)(e)适应性修复适应性修复(产生突变耐受性）产生突变耐受性）紫外辐射对紫外辐射对DNA的损伤和的损伤和DNA的修复的修复 四、突变的应用四、突变的应用可进行定向培育和驯化。可进行定向培育和驯化。人为地用某种特定的环境条件长期处理某一微生物群体人为地用某种特定的环境条件长期处理某一微生物群体，并进行传种接代，积累和选择合适的突变体。，并进行传种接代，积累和选择合适的突变体。在环境工程中，常采用定向培育的方法来培育菌种（驯在环境工程中，常采用定向培育的方法来培
21、育菌种（驯化）。化）。五、基因重组五、基因重组基因重组是改变微生物遗传性状的另一途径。把来自不同性基因重组是改变微生物遗传性状的另一途径。把来自不同性状的个体细胞的遗传物质转移到一起，使基因重新组合，产状的个体细胞的遗传物质转移到一起，使基因重新组合，产生新品种，称为基因重组或遗传重组。现在人们不仅能在同生新品种，称为基因重组或遗传重组。现在人们不仅能在同种或相似物种间实现基因重组，而且已经能够在亲源关系很种或相似物种间实现基因重组，而且已经能够在亲源关系很远的生物间实现基因重组。远的生物间实现基因重组。重组是分子水平上的一个概念，可以理解为遗传物质分子水重组是分子水平上的一个概念，可以理解为
22、遗传物质分子水平的杂交。真核微生物的有性杂交、准性杂交等和原核微生平的杂交。真核微生物的有性杂交、准性杂交等和原核微生物的转化、转导和原生质体融合等都是基因重组在细胞水平物的转化、转导和原生质体融合等都是基因重组在细胞水平上的反应。上的反应。对于原核微生物，由于不存在（或很少发生）有性过程，基对于原核微生物，由于不存在（或很少发生）有性过程，基因重组的方式主要是转化、转导、接合和原生质体融合等。因重组的方式主要是转化、转导、接合和原生质体融合等。DNADNA重组技术示意图重组技术示意图重组重组DNADNA技术，是达成基因信息技术，是达成基因信息（DNADNA）在生物体之间转移的一）在生物体之间
23、转移的一系列实验流程的简称。有多种方系列实验流程的简称。有多种方法可以达到基因转移的目的。法可以达到基因转移的目的。重组重组DNADNA实验通常遵循以下程序实验通常遵循以下程序:1.1.供体的供体的DNADNA经经抽提、酶切、连抽提、酶切、连接接到另一个到另一个DNADNA载体上，形成一载体上，形成一种新的重组种新的重组DNADNA分子分子2.2.新的重组新的重组DNADNA转入转入宿主细胞，宿主细胞，这一过程称为这一过程称为转化转化3.3.经过经过鉴定鉴定选出含有重组选出含有重组DNADNA的的宿主细胞（称为转化子）宿主细胞（称为转化子）4.4.重组重组DNADNA在宿主细胞中在宿主细胞中表
24、达表达所所需的蛋白质需的蛋白质 六六.PCR.PCR 技术技术PCRPCR（polymerase chain reaction)技术是一种利用技术是一种利用DNADNA变变性与复性原理在体外进行特定序列性与复性原理在体外进行特定序列DNADNA片段快速扩增的片段快速扩增的有效方法。有效方法。PCRPCR技术必需的条件是：两条合成的寡核苷酸引物技术必需的条件是：两条合成的寡核苷酸引物（各约（各约2020个核苷酸），它们与互补链上靶个核苷酸），它们与互补链上靶DNADNA两侧的区两侧的区域互补，并在与模板域互补，并在与模板DNADNA退火后，退火后，33末端羟基相对；末端羟基相对；DNADNA样品
25、中位于两条引物中间的靶序列长度可在样品中位于两条引物中间的靶序列长度可在1001003535，000bp000bp；热稳定性；热稳定性DNADNA聚合酶，能承受达聚合酶，能承受达9595或更或更高温度；四种脱氧核苷酸。高温度；四种脱氧核苷酸。PCRPCR技术可广泛用于技术可广泛用于DNADNA的扩增和的扩增和DNADNA序列分析序列分析 典型的典型的PCRPCR方法需要许多循环来扩增特异性方法需要许多循环来扩增特异性DNADNA序列，每一序列，每一个循环含以下三个步骤。个循环含以下三个步骤。1.1.变性：变性：PCRPCR扩增系统第一步是将反应管中扩增系统第一步是将反应管中DNADNA样品的温
26、度样品的温度升至升至9595进行热变性。除了模板进行热变性。除了模板DNADNA，反应管中还含有分，反应管中还含有分子浓度大大过量的两条寡核苷酸引物，热稳定性子浓度大大过量的两条寡核苷酸引物，热稳定性DNADNA聚合聚合酶（即酶（即TaqTaqDNADNA聚合酶，由嗜热菌聚合酶，由嗜热菌Thermus aquaticusThermus aquaticus中中分离），和四种脱氧核苷酸，温度维持分离），和四种脱氧核苷酸，温度维持1 1分钟。分钟。2.2.复性：混合物的温度慢慢降至约复性：混合物的温度慢慢降至约5555。这期间，引物与。这期间，引物与模板模板DNADNA上的互补序列配对。上的互补序列
27、配对。3.3.合成：温度升至约合成：温度升至约7575，这是，这是TaqTaqDNADNA聚合酶催化功能聚合酶催化功能的最适温度。的最适温度。DNADNA合成由每一条引物合成由每一条引物33端羟基开始端羟基开始 图图 1818.PCRPCR的第一次循环。目的的第一次循环。目的DNADNA是位于是位于一条链的一条链的1 1和和2 2之间以及互补链的之间以及互补链的1 1和和2 2之间的序列。之间的序列。两条引物（两条引物（P P1 1和和P P2 2）与样品）与样品DNADNA混混合。加入合。加入TaqTaq DNA DNA聚合酶和四种脱聚合酶和四种脱氧核糖核苷酸的混合物加热到氧核糖核苷酸的混合
28、物加热到9595使使DNADNA变性，再慢慢冷却至变性，再慢慢冷却至5555。过量的引物能与样品中的过量的引物能与样品中的DNADNA在复在复性（退火）时碱基配对。温度升至性（退火）时碱基配对。温度升至7575时，时，DNADNA的合成由一条引物序的合成由一条引物序列的列的3 3羟基末端开始，越过与另一羟基末端开始，越过与另一引物序列互补的引物序列互补的DNADNA区域，产生两区域，产生两条作为条作为PCRPCR第二循环模板的第二循环模板的DNADNA长链长链。图图 19.PCR19.PCR的第二次循环的第二次循环这一循环的模板是第一个这一循环的模板是第一个PCRPCR循环产生的循环产生的长模
29、板和原始的长模板和原始的DNADNA链。经过变性与复性链。经过变性与复性后，引物与原始的后，引物与原始的DNADNA链及长模板链上互链及长模板链上互补区域配对，由原始的补区域配对，由原始的DNADNA链合成出更多链合成出更多的长模板链，而由长模板链合成出短模板的长模板链，而由长模板链合成出短模板链。短模板链上一端具有引物序列，另一链。短模板链上一端具有引物序列，另一端具有与第二条引物互补的序列。端具有与第二条引物互补的序列。图图20.PCR20.PCR的第三次循环的第三次循环在复性阶段，引物与原始模板、长模板和在复性阶段，引物与原始模板、长模板和短模板链的互补区域杂交，由原始链合成短模板链的互补区域杂交，由原始链合成产生更多的长模板链，由长模板链和短模产生更多的长模板链，由长模板链和短模板链合成产生更多的短模板链板链合成产生更多的短模板链
