细菌的遗传与变异（备）

1、第六章 微生物的遗传与变异,所谓微生物的遗传性是指每种微生物所具备的亲代性状在子代重现，子代性状与亲代基本上一致的现象。 1.遗传的保守性 遗传的作用在于保持生物物种的存在和延续，并保持物种的相对稳定性。遗传引起的亲代与子代严格的相似性，称为遗传的保守性。,例,大肠杆菌是短杆菌，生活条件要求pH为72，温度37，在糖类物质存在的条件下产酸、产气。大肠杆菌的亲代将这些特性传给子代，这就是大肠杆菌遗传的保守性，其他生物也是如此。遗传的保守性程度即亲代与子代的相似程度与物种差异和个体生长状态不同有关，高等生物遗传保守程度比低等生物大。老龄菌遗传保守程度比幼龄菌大（这与老年人思想比年轻人保守倒是十分相似）。 细菌遗传的保守性既有有利的一面也有不利的一面，当环境条件改变，细菌会因为遗传的保守性，不适应改变了的外界环境条件而死亡。,2.变异的多样性,任何一种生物的亲代和子代以及个体之间，在形态结构和生理机能方面都有所差异，这一现象叫做变异。变异是生物对环境能动适应性的表现。 在新的生活条件下细菌基因突变，有些突变会产生适应新环境的酶(适应酶)，从而适应新环境并生长良好，基因突变是变异的分子本质。

2、内在的变化必然带来外在的变化，细菌变异外在表现形式很多，例如：个体形态的变化，菌落形态(光滑型粗糙型)的变异，营养要求的变异，对温度、pH要求的变异，毒性的变异，抗毒能力的变异，生理生化特性的变异及代谢途径、产物的变异等。,3.遗传与变异的辩证关系,遗传与变异是所有生物包括细菌最基本的属性，两者相辅相成，相互依存，遗传中有变异，变异中有遗传，遗传是相对的，变异是绝对的，有些变异了的形态或性状，又会以相对稳定的形式遗传下去，但是并非一切变异都具有遗传性。,4遗传与变异的分子机制,与其他生物一样，细菌的遗传变异是由生物遗传物质DNA所决定的，有关DNA的生化知识我们在生物化学课中已作了详细介绍，此处只作一简单回顾。 DNA是几乎所有生物的遗传物质，基因是DNA上指导细菌蛋白质以及RNA合成的DNA片段； DNA以及基因是由许许多多的核苷酸脱水通过磷酸二脂键相互连接而成的核苷酸聚合物，形成DNA的核苷酸主要有四种，即腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（ T ）、胞嘧啶（ C ）。这四种核苷酸，每三个为一组的不同组合顺序分别对应于特定的氨基酸，这样在DNA通过RNA间接指导细菌蛋白质的合成时

3、，细菌DNA的特定核苷酸排列形式就反映在细菌蛋白质的特定氨基酸结构中。,我们知道蛋白质的氨基酸结构决定了蛋白质的功能， 蛋白质的功能体现在催化细菌的一切生化反应，组成细胞结构等方面，蛋白质实际上对细菌生理起决定性的作用。由此不同细菌的不同DNA组成就间接决定了细菌的一切。 DNA 通过复制而将一模一样的DNA传给后代，这样DNA在复制并传递给下一代的稳定性，就体现为子代与亲代在各方面的相似性，也就是遗传的保守性。而子代细菌DNA组成上变异则必然引起子代功能与亲代的差异，也就是变异性。,决定 决定 （1）DNA 蛋白质 细菌的几乎一切 复制 （2）亲代DNA 子代DNA 决定 （3）复制传递的稳定性 遗传的保守性 决定 （4）子代DNA的变异 变异的多样性,基因和性状,定义：基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制 能力的遗传功能单位。 性状是构成一个生物个体的有关结构、形态、物 质和功能等各方面特征的总称。 基因决定性状，而性状是基因表达的最终结果。 基因依其功能的差别可分成调节基因、操纵基因和结构 基因3大类。结构基因是为细胞结构、组成（如细胞生化反 应所需的酶）及完成细胞功能所

4、需的蛋白质等进行编码的基 因。 蛋白的表达不仅受结构基因控制，同时也受调节基因 和操纵基因的调控。,5细菌的选育与细菌的变异,废水生物处理中起决定性作用的自然是具有高效废物降解能力的微生物（主要是细菌），这些微生物菌种通常都是通过对自然界微生物的筛选与定向培育获得。细菌及其它微生物的筛选与定向培育就称为选育。 细菌在自然界是混居的，从中挑选出符合我们需要的细菌就是细菌的筛选，一般而言筛选出来的细菌性能还不是十分理想，通常还需要定向培育，即通过有计划、有目的地控制微生物生长条件，改变细菌遗传性，使其变异为我们需要的理想的废物降解菌。,在水的生物处理中，这种定向培育过程通常又称为驯化。驯化方法的分子机制有两种，一种是诱导细菌处于休眠状态的功能基因复苏，产生相应得酶；另一种是改变细菌的基因；后一种又分为两条途径，第一条是利用细菌的基因突变，另一条则是人为对细菌进行基因重组改造。这里重点介绍细菌基因改造的驯化方法，我们首先介绍一下细菌的筛选，它是驯化工作的第一步。,(1)细菌的筛选方法,细菌的筛选方法原理是适者生存原理，利用选择性培养基从混杂的各种细菌中单独培养出能满足特殊需要的天然细菌。通常

5、的筛选都是通过人为筛选与天然筛选相结合来进行的。 例如筛选能降解石油的细菌。在长期被石油污染的土壤里，适应石油环境利用石油作为食物的细菌必然被天然筛选了出来，我们收集这种土壤样品在实验室用石油降解菌选择性培养基，对样品中的石油降解菌进行进一步的选择培养，筛选，富集，为下一步的驯化工作奠定基础。,（2）细菌的驯化,诱导法 诱导法通过以毒性底物为培养基中的唯一碳源，并逐渐提高其浓度，促使细菌由于这种底物的长期缺乏而休眠的基因恢复活性，产生相应的降解酶，从而恢复对毒性底物降解的能力。 这种方法主要常用于有机毒物降解菌的驯化。优点是操作简便，因而使用较为普遍，但由于受到细菌固有能力的限制，驯化的潜力有限。,基因突变法,能动地利用细菌基因突变原理进行细菌驯化的方法就是基因突变法。细菌的基因突变是细菌基因中的碱基组成、顺序的突然改变。 能造成这种改变的因素很多，如因温度、紫外线、核辐射、酸、碱、人工诱变剂等自然和人为的因素，他们会造成DNA碱基丢失或DNA复制出现错配或DNA修复时出现差错，这些将引起基因突变，基因突变有这样几个特点。,A基因突变的特点,.无定向性 无定向性是指突变的发生没有固定的

6、方向。如在紫外线作用下，除产生抗紫外线的突变体外，还可诱发任何其他性状的变异。其他诱变因子也是一样，这样突变体发生后，既可能造成细菌的死亡，也可能使细菌获得了更适应环境的能力，没有特定的方向。对环境的适应程度将决定突变后的细菌能否生存、繁殖。 .稀有性 突变发生的频率很低，即稀有性。突变率是指每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的机率，通常为10510-10。也就是说十万至一百亿个细菌中产可能有一个细菌的基因发生突变。 .自发性 细菌基因突变的发生可以在没有人为诱变因素的处理下自然发生。,.独立性 某一基因的突变，既不提高也不降低其他任何基因的突变率，说明基因突变不仅对某一个细胞是随机的，而且对某一基因也是随机的。 .稳定性 稳定性是指由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化，所以产生的新的变异性状也是稳定的、可遗传的。 .可逆性 突变可以由原始的野生型向突变型方向进行，称正向突变。也可以反过来，由突变型向野生型的转变，称回复突变。 .诱变性 自发突变的发生频率很低，但是通过人为施加诱变剂处理后突变率可大大提高，一般可提高10105倍。这是人工诱变情况下的基因突变特点突变 利用基

7、因突变的特点，人们通常通过人工诱变进行细菌的基因改造。,B诱变,人为地利用物理化学因素，引起细胞DNA分子中碱基对发生变化叫诱变。所利用的物理化学因素称为诱变剂。常用的诱变剂有紫外线、5溴尿嘧啶、亚硝酸、卟啶染料等。 诱变的步骤为 .制出发菌株的单细胞悬浮液 为了使出发菌株均匀的接触诱变剂，应向细菌培养液中加入玻璃珠，并保持在诱变过程中始终进行振荡搅拌形成出发细菌的单细胞悬浮液；,.选择合适的诱变剂剂量进行诱变 诱变剂对细菌而言都是毒药，量太少起不到诱变作用，量太大则会完全杀死细菌，因此每一种诱变剂在使用时都有一定的最佳剂量。例如在进行细菌紫外诱变时，通常使用15或20W的紫外灯距离细菌单细胞悬浮液1530cm，照射1520min。 .筛选 利用特制的选择性培养基再从各种突变体中筛选出我们需要的突变体，并进行富集培养。 至此诱变的任务就算完成了，获得了理想的菌种，这种方法的潜力要远大于诱导法，但操作复杂，在实际诱变中，往往要经过几次不同诱变方法的诱变处理以及大量繁琐的筛选分离工作才有可能获得理想的突变体。最后这些突变体将会在实验室小试、中试的基础上被投放到生产实践中。,通常生产上更多利

8、用的是细菌的自发诱导与突变，而不采用基因诱变，如驯化活性污泥及生物膜的方法，一般是把培养、选择、淘汰结合在一起，在特定废水中有些菌种不能适应被淘汰，能产生诱导酶的菌株及自发突变体中能来降解此类废水的菌种能够生存而被保留下来，同时大量繁殖，使废水达到预期的排放标准； 另一方面，国外目前正在研究针对某种废水用人工诱变方法筛选大量具有很强分解能力及絮凝能力的菌株，并把它们做成干粉状的产品，如同市面出售的酵母干粉一样，这时细菌处于休眠状态。当工厂处理此类废水时，可把干粉状菌种置于30 水中溶解30min，使细菌恢复活性，不必再驯化，对所需处理的废水有较好效果。,基因重组法,A. 定义 基因重组法是将供体细胞DNA融合入另一个细胞的DNA中，使受体细胞基因重新排列，并出现植入DNA基因对应生物特性的细胞改造方法。基因重组是两种DNA的拼接，不发生任何碱基对结构上的变化。这是与基因突变最大的不同之处。 B重组形式 基因重组同样有自发的基因重组与人工的基因重组之分，二者的原理本质上是完全相同的。微生物中基因重组的形式很多。在真核微生物中，基因重组是通过二个配子相互融合的有性繁殖的过程中发生的，故称为

9、杂交。在细菌等原核微生物中通常只是部分遗传物质的转移和重组，如转化、转导和接合等都是基因重组在细胞水平上的反映。,.转化,转化(Transformation)是供体细胞研碎物中的DNA片段直接吸收进入活的受体细胞的基因重组方式。受体细胞获得了供体细胞的部分遗传性状。 转化现象是1928年英国的细菌学家格里菲斯首先发现的。为纪念格里菲思先生当时发现这一现象的实验被命名为格里菲斯实验。,格里菲斯实验,肺炎链球菌的转化现象,1928年英国细菌学家格里菲斯(Grifftll)发现肺炎双球菌中S 型菌株，菌落光滑，产生荚膜，当它感染人、小白鼠或家免等时均可致病。其中R 型菌株菌落粗糙，不产生荚膜物质，感染人、小白鼠或家免均不致病。当将R 型活菌注射小白鼠，小白鼠健康不致病，并可从健康的鼠体分离到R型肺炎双球菌菌落；将S 型的肺炎双球菌注射小白鼠，小白鼠被杀死，从小鼠体内会分离出S 型的肺炎双球菌；将加热杀死的S 型细菌破碎细胞注射入小鼠细胞，小白鼠健康不致病，小鼠体内没有S 型细菌；将加热杀死的S 型细菌与R 型活细菌混合后注射小白鼠，小白鼠死亡，并可从死鼠体内分离到S 型活细菌。 当时虽然发现了这一有趣的现象，但并不知道其中的原因。,1944年才通过试验找出了其中的原因。试验方法如下：,细菌转化过程可大体分为以下几步： 感受态细胞的出现 吸附外源DNA片段 外源DNA进入细胞内 受体DNA解链 形成受体DNA供体DNA复合物 DNA复制和分离 其中感受态细胞的出现是关键。所谓感受态细胞是能吸收外来的DNA片段，并能把它整合到自己的染色体组上以实现转化的细胞。感受态细胞是由遗传性决定的，也受细胞的生理状态、菌龄、培养条件的影响。 目前发现自然状态下许多其它细菌、放线菌、真菌和高等动植物中都也有转化现象。,.接合 细菌的接合是细菌遗传物质染色体DNA片段或质粒DNA通过细菌与细菌的直接接触而进行的转移和重组的现象。在第一章细菌的繁殖一节中，细菌的有性繁殖实际上就是这里所说的结合，有关内容在此不再重复。,.转导 遗传物质通过噬菌体的携带而转移的基因重组现象称为转导。转导是19

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