第六章微生物的遺傳和變異

遺傳和變異是一切生物最本質的屬性。微生物的遺傳：微生物將其生長發育所需要的營養類型和環境條件，以及對這些營養和外界環境條件產生一定反應，或出現的一定性狀傳給后代，并相對穩定地一代一代傳下去。遺傳（保守性）

微生物的變異：當微生物從它適應的環境遷移到不適應的環境后，微生物改變自己對營養和環境條件的要求，在新的生活條件下產生適應新環境的酶，從而適應新環境并生長良好。

基因型：生物體所含有的全部遺傳因子所攜帶的遺傳信息。

表型：某一生物體所具有的一切外表特征和內在特性的總和，是其遺傳型在合適環境條件下通過代謝和發育而得到的具體體現。飾變：指外表的修飾性改變，它不涉及遺傳物質結構改變而只發生在轉錄、轉譯水平上的表型變化。遺傳和變異是一切生物存在和進化的基本要素。遺傳是相對的，變異是絕對的；遺傳中有變異，變異中有遺傳。對于育種的意義

在污水和有機固體廢物生物處理過程中，可利用自然條件或物理、化學因素來促進微生物變異，使它符合生產實戰的需要。

在工業廢水生物處理過程中，用含有某些污染物的工業廢水篩選、培養來自處理其他廢水的菌種，使它們適應該種工業廢水并有效降解其中污染物能力的方法叫馴化。

第一節微生物的遺傳一、遺傳和變異的物質基礎

1、三個經典試驗

（1）轉化實驗CAI

Griffith(1928)用肺炎鏈球菌S型和R型菌株進行實驗

Avery等人的實驗（1944）

（2）噬菌體感染實驗

Hershey和Chase(1952)

（3）植物病毒的重建實驗CAI

Fraenkel-Conrat(1956)

2、遺傳物質在細胞中的存在形式除部分病毒的遺傳物質是RNA外，其余生物均為DNA。按其在細胞中的存在形式可分為染色體DNA和染色體外DNA。

原核微生物的DNA不與蛋白質結合，也沒有核膜，而是由一條DNA細絲構成的環狀染色體，拉直時比細胞長許多倍，它在細胞的中央，高度折疊形成具有空間結構的核區。原核微生物DNA的負電荷被Mg2+和有機堿中和。真核生物的DNA與組蛋白結合在一起形成核染色體，染色體呈絲狀結構，細胞內所有染色體由核膜包裹構成真正的細胞核。

3、基因和遺傳信息的傳遞（1）基因基因是生物體內一切具有自主復制能力的最小遺傳功能單位，為一條有特定核苷酸排列序列的核酸片段。原核生物基因包括：操縱子與其調節基因

操縱子包括：結構基因操縱基因啟動基因

結構基因：決定蛋白質合成中氨基酸的排列順序操縱基因：控制結構基因的轉錄（執行off功能）啟動基因：是DNA聚合酶的結合部位和轉錄的啟動部位（執行on功能）調節基因：轉錄阻遏蛋白的mRNA，轉譯阻遏蛋白，后者與操縱基因結合控制結構基因是否轉錄蛋白質。

每個基因約1000～1500bp，分子量約6×105，每個細菌約具有5000～10000個基因?；蚩刂七z傳性狀，任何一個遺傳性狀的表現都是在基因控制下的個體發育的結果。

（2）遺傳信息的傳遞遺傳信息的傳遞可概括為3個步驟：

①將攜帶遺傳信息的DNA復制；②將DNA攜帶的遺傳信息轉錄到RNA上；③將RNA獲得的信息翻譯成蛋白質。

某些RNA病毒，侵入宿主后，通過反轉錄酶的作用，由RNA反轉錄為DNA。這種DNA的復制和遺傳信息傳遞的基本規則，稱為分子遺傳學中的中心法則。中心法則

二、DNA的結構與復制

1、

DNA的結構

DNA由兩條多核苷酸組成的鏈配對而成，兩條鏈彼此互補，排列方向相反，以右手螺旋的方式圍繞一根主軸而互相盤繞，形成具有一定空間距離的雙螺旋結構。四種堿基A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鳥嘌呤）、C（胞嘧啶）相互配對。

A-T，G-C互相間通過氫鍵連接。

1953年的克里克（FrancisCrick,1916-2004)（右）和沃森(JamesWatson，1928-)在實驗室里，他們兩人因為發現了DNA的分子結構，而在1962年與威爾金斯一起獲得諾貝爾生理學和醫學獎。

核苷酸的結構

四種堿基的結構DNA分子結構A與T、G與C的配對（依靠氫鍵連接）

2、DNA的復制CAI

半保留復制：首先DNA雙螺旋分子在解旋酶的作用下，兩條多核苷酸鏈之間的氫鍵斷裂，分離成兩條單鏈，然后各自以原有的多核苷酸鏈為模板，根據堿基配對原則合成新的互補鏈，這樣形成的兩個子代DNA分子與原來的DNA分子完全相同，故稱之為復制。又因子代DNA分子的雙鏈一條來自親代，另一條是新合成的，故稱為半保留復制。

DNA的復制

DNA是雙鏈分子，但作為基因則只有一條鏈為蛋白質編碼（意義鏈），另一條只是使DNA分子處于穩定狀態的互補鏈，稱為反義鏈。

原核微生物DNA的復制從一個位點開始，快速生長的微生物在同一時間里有多個復制點。真核微生物DNA的復制同時在各染色體中進行，在每個染色體中多位點上的DNA復制同時進行。

三、DNA的復性與變性

1、DNA變性

當天然雙鏈DNA分子在熱、酸或堿等因素作用下，氫鍵被破壞，成為不規則的卷曲單鏈，稱為DNA變性。

DNA變性時，雙螺旋松解，堿基暴露，OD260值增加（增色效應）。

DNA的變性作用發生在一個很窄的溫度范圍內，通常把光吸收增值一半時的溫度稱為該DNA的熔點或熔解溫度，用Tm表示。

2、DNA的復性

變性DNA溶液經適當處理后重新形成天然DNA的過程叫復性。

DNA復性時，單鏈DNA重新恢復雙螺旋結構，OD260值減?。p色效應）。

雜交：在DNA復性過程中，將不同的DNA單鏈分子放在同一溶液中，或將DNA和RNA分子放在一起，雙鏈分子的再形成既可以發生在序列完全互補的核酸分子間，也可發生在堿基序列部分互補的不同的DNA之間或DNA與RNA之間。固相雜交：用硝酸纖維素濾膜

四、RNA及其作用

RNA（核糖核酸）和DNA很相似，不同的是以核糖代替脫氧核糖，以尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T)。因此RNA鏈中的堿基配對為A-U、U-A、G-C、C-G。

RNA有四種:tRNA、rRNA、mRNA和反義RNA，它們均由DNA轉錄而成。分別在蛋白質合成過程中擔任不同的角色。RNA來自DNA，通過轉錄過程生成，RNA上的堿基序列是由DNA所決定的。mRNA叫信使

RNA，作為多聚核苷酸的一級結構，其上帶有指導氨基酸的信息密碼（三聯密碼子），它翻譯氨基酸，具轉遞遺傳信息的功能。tRNA叫轉移RNA，其上有和mRNA互補的反密碼子，能識別氨基酸及識別mRNA上的密碼子，在tRNA-氨基酸合成酶的作用下傳遞氨基酸。反義RNA起調節作用，決定mRNA翻譯合成速度。rRNA（核糖體RNA），和蛋白質結合成的核糖體，為合成蛋白質的場所。由mRNA、tRNA、反義

RNA和rRNA協作,合成蛋白質。

遺傳密碼遺傳密碼是存在于mRNA鏈上由3個核苷酸組成，代表一個氨基酸的核苷酸序列，即三聯密碼子。

五、微生物生長與蛋白質合成微生物生長的主要活動是蛋白質的合成，同化的碳和消耗的能量有4/5～9/10直接或間接與蛋白質合成有關。蛋白質合成（翻譯）在核糖體上進行，與RNA的復制（合成）及DNA的復制（合成）有關。

蛋白質合成過程：

DNA復制：相應的DNA鏈進行自我復制；轉錄mRNA：由DNA轉錄成mRNA，同時也轉錄成其他幾種RNA；翻譯：由tRNA完成；蛋白質合成：合成多肽，最終生成具有特定功能的蛋白質。儲存于DNA的遺傳信息通過轉錄傳遞到mRNA上，后者結構基因區每三聯堿基（密碼）代表一種氨基酸，因此密碼的排列順序決定了蛋白質的一級結構乃至高級結構。蛋白質的生物合成即翻譯。核酸和蛋白質的合成

六、微生物的細胞分裂由于DNA復制和蛋白質合成，兩者增加，最后導致微生物細胞的分裂。微生物將成倍增加的核物質和蛋白質均等地分配給兩個子細胞，在細胞中部形成橫隔膜，最終分裂成兩個細胞。

第二節微生物的變異微生物子代的表型特征與其親代的表型特征發生較大差異，這種差異是由于子代的基因發生了突變所引起的，即遺傳物質DNA（RNA病毒和噬菌體的RNA）中的核苷酸序列發生了一種穩定的和可遺傳的變化。

一、基因突變

基因突變：點突變，由于DNA（RNA病毒和噬菌體的RNA）鏈上的一對或少數幾對堿基被另一個或少數幾個堿基對取代發生改變的突變類型。如有莢膜、菌落光滑型的細菌變為無莢菌落粗糙型的細菌。基因突變的特點：1、自發性，基因突變可自發產生；2、不對應性，指突變性狀（如抗青霉素）與引起突變的原因無直接對應關系；3、稀有性，通常自發突變的幾率在10-6～10-9間；4、獨立性，某基因的突變率不受它種基因突變率的影響；5、可誘變性，自發突變的頻率可因誘變劑的影響而大為提高（提高10～105倍）；6、穩定性，基因突變后的新遺傳性狀是穩定的；7、可逆性，野生型菌株某一性狀可發生正向突變，也可發生相反的回復突變。二、突變的類型CAI1、自發突變自發突變：指生物體在無人工干預下自然發生的低頻率的突變。自發突變的原因：（1）多因素低劑量的誘變效應（2）互變異構效應和環出效應

2、誘發突變

誘變：指通過認為的方法，利用物理、化學或生物因素顯著提高基因自發突變頻率的手段。

誘變劑：具有誘變效應的任何因素，都稱誘變劑。

（1）物理誘變利用物理因素引起基因突變稱物理誘變。

物理誘變因素有紫外輻射、X-射線、γ-射線、快中子、β-射線和激光等。

①紫外輻射紫外輻射的生物學效應主要是引起DNA的變化。

DNA鏈上的堿基對紫外輻射很敏感，因為堿基吸收的光波波長和紫外輻射發射波波長非常接近。DNA強烈吸收紫輻射引起DNA結構變化。其變化形式是多方面的，如DNA鏈的斷裂，DNA分子內和分子間的交聯，胞嘧啶和鳥嘌呤的水合作用胸腺嘧啶二聚體的形成等。

紫外輻射的誘變劑量和照射方法：一般在暗室用15W的UV燈，將5mL菌懸液放在直徑6cm的培養皿底中，置于距燈管30cm處直接照射，同時用電磁攪拌棒或其他方法均勻旋轉并攪動懸液。選用照射時間或殺菌率作為相對劑量，照射時間30s~3min之間，殺菌率為70%~80%，甚至是30%~70%的劑量。②電離輻射

X-射線、β-射線、γ-射線等與DNA分子碰撞時，會將其全部或部分能量傳遞給原子而產生高能量的次級電子，通過電離作用，直接或間接改變DNA的化學結構。直接作用是使DNA分子中的化學鍵斷裂；而間接作用是從水或有機物中產生自由基，導致DNA分子的損傷或缺失。（2）化學誘變利用化學物質對微生物進行誘變，引起基因突變或染色體畸變，稱為化學誘變。

①亞硝酸、硫酸二乙酯等可直接與核酸的堿基發生化學反應，引起DNA復制時堿基配對的轉換而引起變異。以亞硝酸為例CAI圖7.5-7、3、4、5

②5-溴尿嘧啶、2-氨基嘌呤等堿基類似物，通過活細胞的代謝活動摻與到DNA分子中引起變異。以5-溴尿嘧啶為例CAI圖7.5-6③移碼突變移碼突變：由于DNA序列中一個或少數幾個核苷酸發生增添或缺失，從而使該處后面的全部遺傳密碼的閱讀框架發生改變，并進一步引起轉錄和轉譯錯誤的一類突變。能引起移碼突變的因素是一些吖啶類染料。圖7-11CAI

誘變劑的復合處理常有一定的協同效應，增強誘變效果。復合處理有①兩種或多種誘變劑先后使用；②同一誘變劑的重復使用；③兩種或多種誘變劑同時使用。

（3）DNA損傷的修復①光復活作用胸腺嘧啶二聚體與光解酶結合（在黑暗下），可見光下光解酶激活，分解二聚體成為單體。光解酶釋放，DNA鏈修復。②切除修復由四種酶參與的修復，不需可見光存在。③重組修復受損傷的DNA復制后，經染色體交換，使子鏈上的空隙部分面對正常的單鏈，DNA多聚酶和連接酶修復空隙部分成正常鏈。

④SOS修復在DNA受到較大范圍的重大損傷時誘導產生的一種應急反應，使細胞內所有的修復酶增加合成量，提高酶活性?；蛘T導產生新的修復酶修復損傷的DNA。

⑤適應性修復細菌由于長期接觸低劑量的誘變劑會產生修復蛋白（酶），修復DNA上因甲基化而遭受的損傷。將這種在適應期間產生的修復蛋白的修復作用稱為適應性修復。（4）定向培育和馴化定向培育是一種利用微生物的自發突變，并采用特定的選擇條件，通過對微生物群體不斷移植以選育出優良菌株的古老方法。環境工程中仍采用定向培育的方法培育菌種。在廢水生物處理過程中，微生物的變異現象很多，有營養要求的變異，對溫度、pH要求的變異，對毒物耐毒能力的變異，個體形態和菌落形態的變異及代謝途徑的變異。

第三節基因重組

基因重組：兩個不同性狀的個體細胞的DNA融合，使基因重新組合，從而發生遺傳變異，產生新品種的過程。原核微生物基因重組的方式主要是轉化、轉導、接合和原生質體融合等。

一、轉化轉化：受體菌直接吸收供體菌的DNA片段而獲得后者部分遺傳性狀的現象，稱為轉化。

感受態：受體細胞最易接受外源DNA片段，并實現轉化的生理狀態。感受態因子：調節感受態的特異蛋白，包括：膜相關DNA結合蛋白、細胞壁自溶素、核酸酶。轉化因子：離體DNA片段轉化過程：

二、轉導轉導：通過缺陷噬菌體的媒介，把供體細胞的DNA片段攜帶到受體細胞中，通過交換與整合，后者獲得前者部分遺傳性狀的現象。轉導的發現-U型管試驗

CAI

1、普遍轉導

普遍轉導：通過完全缺陷噬菌體對供體菌基因組上的任何小片段DNA進行誤包，而將其遺傳性狀傳遞給受體菌的現象。CAI

完全缺陷噬菌體：在噬菌體內只含有宿主細胞的DNA2、局限轉導局限轉導：通過部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌的少數特定基因攜帶到受體菌中，并與后者的基因組整合，形成轉導子的現象。CAI

局限轉導的特點：（1）只局限于轉導供體菌核染色體上的特定基因（噬菌體整合位點兩側的基因）（2）溫和噬菌體攜帶轉導的特定基因片斷（3）缺陷噬菌體由脫離宿主細胞時“誤切”或雙重溶源菌裂解形成。（4）局限轉導噬菌體需通過紫外線對溶源菌誘導產生。部分缺陷噬菌體：在噬菌體內同時含有宿主細胞的DNA和噬菌體DNA局限轉導包括：低頻轉導高頻轉導

低頻轉導：通過一般溶源菌釋放缺陷噬菌體所進行的轉導，因其只能形成極少數的轉導子（10-4～10-6）而稱為低頻轉導。低頻裂解物：含有極少數局限轉導噬菌體的裂解物

高頻轉導雙重溶源菌：同時感染正常噬菌體和缺陷噬菌體的受體菌誘導雙重溶源菌可產生50%的局限轉導噬菌體，這樣的裂解物為高頻轉導裂解物，轉導受體細胞可獲得50%的轉導子，稱為高頻轉導。

三、接合

CAI

接合：通過供體菌和受體菌完整細胞間的直接接觸，前者的部分DNA進入后者細胞內，并與其核染色體發生交換、整合，從而使后者獲得供體菌的遺傳性狀的現象。接合的檢測F因子：F因子是一種屬于附加體的質粒，也即它既可脫離核染色體組而在細胞質內游離存在，也可插入即整