第六章微生物的遗传和变异

第六章微生物的遗传和变异 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。遗传有保守性，是在微生物的系统发育过程中形成的。个体发育年龄越老，保守程度越大（高等生物比低等生物保守程度大）。当微生物改变生存环境时，微生物改变自己对营养和外界环境条件的要求，产生适应新环境的酶，以适应新环境并生长良好这就是变异。微生物的变异很普遍。变异了的微生物成为变种。

第一节微生物的遗传 1、DNA的存在形式。（1）DNA作为遗传物质的证明：肺炎球菌转化实验（ 1944年，O.T.Avery）大肠杆菌 T2 噬菌体的感染实验（1952 年，A. Hershey和M. Chase)）烟草花叶病毒的拆开与重组实验（1956年，H. Fraenkel-Conrat）（2）存在形式真核生物的DNA和组蛋白等组成染色体。原核微生物的DNA只与很少量的蛋白质结合，没有核膜包围，单纯由一条DNA细丝构成环状的染色体，位于细胞中央，折叠形成具有空间结构的一个核区。带有很高的负电荷。被Mg2+和精胺、亚精胺和腐胺等中和（原核微生物）。被碱性蛋白质(组蛋白和鱼精蛋白中和）

2、基因 基因是DNA分子上一个具有特定碱基顺序的片断。是具有固定的起点和终点的核苷酸或密码的线性序列。分类：（1）编码蛋白质的基因。包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码作用于结构基因的阻遏蛋白或激活蛋白的调节基因。（2）没有翻译产物的基因。转录成为RNA以后不再翻译成为蛋白质的转移核糖核酸(tRNA)基因和核糖体核酸（rRNA）基因。（3）不转录的DNA区段。如启动区、操纵基因等。前者是转录时RNA多聚酶开始和DNA结合的部位；后者是阻遏蛋白或激活蛋白和DNA结合的部位。

外显子：基因组DNA中出现在成熟RNA分子上的序列。外显子被内含子隔开，转录后经过加工被连接在一起，生成成熟的RNA分子。信使核糖核酸(mRNA)所携带的信息参与指定蛋白质产物的氨基酸排列。外显子：基因组DNA中出现在成熟RNA分子上的序列。外显子被内含子隔开，转录后经过加工被连接在一起，生成成熟的RNA分子。信使核糖核酸(mRNA)所携带的信息参与指定蛋白质产物的氨基酸排列。内含子：真核生物细胞DNA中的间插序列。这些序列被转录在前体RNA中，经过剪接被去除，最终不存在于成熟RNA分子中。内含子和外显子的交替排列构成了割裂基因。在前体RNA中的内含子常被称作“间插序列”。

组蛋白 DNA 从染色质到染色体的四级结构示意图 1、DNA蛋白纤丝 2、螺旋管 3、超级螺旋管 4、染色体 1 2 3 4

原核生物（细菌、古生菌）的基因组结构的特点原核生物（细菌、古生菌）的基因组结构的特点 1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）； 2）基因组上遗传信息具有连续性；基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。 3）功能相关的结构基因组成操纵子结构； 4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝； 5）基因组的重复序列少而短；个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的rRNA和tRNA中也发现有内含子或间插序列。

真核微生物（啤酒酵母）的基因组结构的特点 1）典型的真核染色体结构；啤酒酵母基因组大小为13.5×106bp，分布在16条染色体中。 2）没有明显的操纵子结构； 3）有间隔区（即非编码区）和内含子列； 4）重复序列多；

3、DNA的复制 DNA的复制时在环上的的一个点开始，从复制点以恒定速率沿着DNA环移动。在正常速率和慢速率生长的细胞中合成DNA所用时间约为物种世代时间的2/3。快速生长的微生物， DNA的第一轮复制还没有完成，就开始第二轮复制。在同一时间里，有许多复制点出现在细胞中，在每个生长周期末， DNA的副本总是生长周期开始时的两倍，当DNA的副本被分配到子细胞时，它们在新一轮复制前，已有部分复制了。真核微生物的DNA复制同时在各染色体中进行，每个染色体中有许多分立的位点，各位点上DNA的复制同时进行。

DNA的滚环复制模式 模板新生链切口 3’ 5’ 新链连续复制 3’ 3’ 互补链合成 5’

4、反义RNA 从DNA的无义链上与mRNA同时转录下来的RNA，能与DNA的碱基互补，并能阻止、干扰复制转录和翻译的短小RNA。它在DNA复制、RNA转录和翻译及传递氨基酸过程中均有调节（抑制）作用。 1981年科学家在研究ColE1质粒的复制时发现。

5、微生物生长与蛋白质合成 （1）微生物的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4/5～9/10直接或间接与蛋白质的合成有关。（2）蛋白质的合成与RNA、DNA的复制（合成）有关。以细菌为例：在停滞期细胞内所有成分出现一个不平衡的生长状态。进入对数期细胞内所有成分都以相同的速率生长，叫平衡生长。

将平衡生长的细菌移入丰富的培养基中，生长速率加快，此时RNA的合成速率首先增加，稍后DNA和蛋白质的合成速率随之增加。较长一段时间后，细胞分裂的速度也上升，最后全部成分的合成速度再达平衡。将平衡生长的细菌移入丰富的培养基中，生长速率加快，此时RNA的合成速率首先增加，稍后DNA和蛋白质的合成速率随之增加。较长一段时间后，细胞分裂的速度也上升，最后全部成分的合成速度再达平衡。若作下降实验，RNA的合成速率首先减小， DNA和蛋白质的合成速率随之减小。这说明RNA的合成速率是控制生长速率的关键因素。（3）蛋白质的合成过程 ADNA复制 B 转录mRNA C翻译 D 蛋白质合成

第二节微生物的变异 一、突变类型 1、自发突变多因素低剂量的诱变效应：原因不详的低剂量诱变因素长期作用的综合效应。互变异构效应：碱基的配对错误。突变概率低，细菌为1×10-4 1×10-10。 2、诱发突变（1）物理（UV）诱变及修复机制：断链、交联，A、C的水合作用，T-T。修复： A光复活、暗复活（1949年Kelner发现）

光复活：经UV照射损伤的DNA在蓝色可见光 （尤其是510nm）照射时DNA修复酶将受损区域两端的磷酸二酯键水解，切割低凹并插入新的核苷酸，修复DNA。（光激活酶与T-T结合，光照时分解，释放出来，T-T解体）暗复活：无光条件下的修复，又称切除修复作用。内切核酸酶从T-T的5′—端切开一个3′—OH和5′—P的单链缺口；外切核酸酶从5′—P至3′—OH方向切除T-T，扩大缺口（12-13个核苷酸；DNA聚合酶合成新的DDNA；连接酶连接。

紫外线对DNA的损伤及其修复 UV 嘧啶嘧啶二聚体光复活作用光解酶嘧啶嘧啶二聚体

B、切除修复

C重组修复：受损伤的DNA先经复制， 染色体交换，使子链上的空隙部分面对正常的单链再经DNA聚合酶修复。 D SOS修复：在DNA受到大范围的重大损伤时诱导产生的一种应急反应，使细胞内所有的修复酶增加合成量，提高酶活性。或诱导产生新的修复酶（DNA多聚酶）修复DNA受损伤的部分。

E 适应性修复：细菌由于长期接触低剂量的诱变剂如硝基胍会产生修复蛋白（酶），修复DNA上因甲基化而遭受的损伤。这种在适应期间产生的修复蛋白的修复作用称为适应性修复。（2）化学诱变化学诱变因素对DNA的作用形式：碱基变化；碱基类似物；移码突变。

3、复合处理及协同效应 诱变剂的复合处理的协同效应，分为如下几类：两种或多种诱变剂先后使用；同一种诱变剂的重复使用；两种或多种诱变剂同时使用。 4、定向培育和驯化人为用某一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育种方法。

1881年，巴斯德用42℃去培养炭疽杆菌，20天后失去产芽孢能力，2-3月后失去致病力，可作灭活疫苗 。 Calmette和Guerin把牛型结核杆菌接种在牛胆汁、甘油、马铃薯培养基上，移种了230多代，用了13年到1923年获得了BCG（卡介苗）。

第三节基因重组 概念：两个不同性状的个体细胞的DNA融合，使基因重新组合，从而发生遗传变异，产生新品种，这个过程称为基因重组。 1、杂交（结合、接合）通过双亲细胞的融合，使整套染色体的基因重组，或是通过双亲细胞的沟通，使部分染色体基因重组。传递大段DNA。

实验证据 1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Taturm细菌的多重营养缺陷型杂交实验中间平板上长出的原养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致！

DNA片段 受体菌供体菌 2、转化受体细胞直接吸收来自供体细胞的DNA片断（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的部分遗传性状的现象。转化过程可分为以下几步：感受态细胞的出现；DNA的吸附(细胞表面的的特定位点)；酶促分解（4-5*106）；DNA进入细胞内；DNA解链；形成DNA-供体DNA复合物；DNA的复制和分离形成转化子等。

感受态细胞：能吸收外来DNA（1*107，占染色体组0.3% ）片断（比一般细胞大1000倍），并能把它整合到自己染色体组上以实现转化的细胞。 1928年，Griffith发现肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）的转化现象用CaCl2处理细胞，使其成为能摄取外源DNA的感受态状态。电穿孔等是常用的人工转化手段：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。

转化过程（革兰氏阳性菌的转化模型） • 以S. Pneumonia strr（肺炎链球菌抗链霉素菌株）为例，大致可分为六阶段： • 吸附：双链DNA片段与细胞表面的特定位点（主要在新形成细胞壁的赤道区）结合，此时，细胞膜上的胆碱可促进这一过程。在吸附过程的前阶段，如外界加入DNA酶，就会减少转化子的产生。稍后，DNA酶即无影响，说明此时该转化因子已进入细胞； • 切割：在吸附位点上的DNA被核酸内切酶分解，形成平均分子量为4~5×106的DNA片段； • 入胞：DNA双链中的一条单链被膜上的另一种核酸酶切除，另一条单链逐步进入细胞，这是一个耗能的过程。分子量小于5×105的DNA片段不能进入细胞。这时如用低浓度溶菌酶处理，因它提高了细胞壁的通透性，故可提高转化频率； • 重组：来自供体菌的单链DNA片段在细胞内与受体细胞核染色体组上的同源区配对，接着受体染色体组上的相应单链片段被切除，并被外来的单链DNA交换、整合和取代，于是形成了一个杂合DNA区段（heterozygous region）。在这一过程中，有核酸酶、DNA聚合酶和DNA连接酶的参与； • 复制：受体菌的染色体组进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一获得了供体菌的转化基因，另一个未获供体基因； • 转化子形成：当细胞发生分裂后，一个子细胞含供体基因，这就是转化子；另一个细胞与原始受体菌一样。

安全普遍转导 流产普遍转导普通转导细菌转导的类型低频转导高频转导局限转导 3、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片断）携带至受体细胞中，使后者获得前者部分遗传性状的现象。局限转导与普遍转导的主要区别：溶源转变

细菌的转导（transduction） 普遍转导—噬菌体可误包供体菌中的任何基因，并使受体菌实现各种性状的转导。（完全、流产）根据噬菌体转导的供体细胞DNA是否整合到受体细胞染色体上，又可将普遍性转导分为完全转导和流产转导。局限转导—通过某些部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌。（低频、高频）根据转导的效率区分。

大肠杆菌l噬菌体介导的转导 (a) 普遍性转导 (b) 特异性转导

第四节遗传工程技术在环境保护中的应用 一、遗传工程技术在环境保护中的应用新污染新菌种 1、质粒育种（作为运载工具-载体）质粒—较小的、携带少量遗传基因的环状DNA分子，也称染色体外DNA，它们在细胞分裂过程中能复制，传递给后代。有的独立存在于细胞质中，有的和染色体结合称为附加体。

质粒可因某种外界因素而丢失或转移，某种细菌一旦丧失质粒，就会失去该质粒决定的某些性状，但菌体不死亡。质粒可因某种外界因素而丢失或转移，某种细菌一旦丧失质粒，就会失去该质粒决定的某些性状，但菌体不死亡。可从供体菌转移到受体菌，使受体得到某些性状，也可携带一部分供体的染色体转移，使受体同时得到供体的某些性状。

2、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，使受体菌保留自身的功能质粒，同时获得供体菌的功能质粒，即培养出具有两种功能质粒的新品种。如：多功能超级细菌的构建解烷抗贡质粒菌的构建脱色工程菌的构建 Q5T工程菌

3.PCR技术（DNA多聚酶链式反应） 1985年由美国人Millus创立，是一种DNA扩增技术。操作步骤： 1）、加热变性 2）、退火 3）、延伸

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