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1、第六章 微生物的遺傳與變異,所謂微生物的遺傳性是指每種微生物所具備的親代性狀在子代重現(xiàn)，子代性狀與親代基本上一致的現(xiàn)象。1.遺傳的保守性遺傳的作用在于保持生物物種的存在和延續(xù)，并保持物種的相對(duì)穩(wěn)定性。遺傳引起的親代與子代嚴(yán)格的相似性，稱(chēng)為遺傳的保守性。,例,大腸桿菌是短桿菌，生活條件要求pH為72，溫度37，在糖類(lèi)物質(zhì)存在的條件下產(chǎn)酸、產(chǎn)氣。大腸桿菌的親代將這些特性傳給子代，這就是大腸桿菌遺傳的保守性，其他生物也是如此。遺傳的保守性程度即親代與子代的相似程度與物種差異和個(gè)體生長(zhǎng)狀態(tài)不同有關(guān)，高等生物遺傳保守程度比低等生物大。老齡菌遺傳保守程度比幼齡菌大（這與老年人思想比年輕人保守倒是十分相似）

2、。細(xì)菌遺傳的保守性既有有利的一面也有不利的一面，當(dāng)環(huán)境條件改變，細(xì)菌會(huì)因?yàn)檫z傳的保守性，不適應(yīng)改變了的外界環(huán)境條件而死亡。,2.變異的多樣性,任何一種生物的親代和子代以及個(gè)體之間，在形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理機(jī)能方面都有所差異，這一現(xiàn)象叫做變異。變異是生物對(duì)環(huán)境能動(dòng)適應(yīng)性的表現(xiàn)。在新的生活條件下細(xì)菌基因突變，有些突變會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)新環(huán)境的酶(適應(yīng)酶)，從而適應(yīng)新環(huán)境并生長(zhǎng)良好，基因突變是變異的分子本質(zhì)。內(nèi)在的變化必然帶來(lái)外在的變化，細(xì)菌變異外在表現(xiàn)形式很多，例如：個(gè)體形態(tài)的變化，菌落形態(tài)(光滑型粗糙型)的變異，營(yíng)養(yǎng)要求的變異，對(duì)溫度、pH要求的變異，毒性的變異，抗毒能力的變異，生理生化特性的變異及代謝途徑、產(chǎn)

3、物的變異等。,3.遺傳與變異的辯證關(guān)系,遺傳與變異是所有生物包括細(xì)菌最基本的屬性，兩者相輔相成，相互依存，遺傳中有變異，變異中有遺傳，遺傳是相對(duì)的，變異是絕對(duì)的，有些變異了的形態(tài)或性狀，又會(huì)以相對(duì)穩(wěn)定的形式遺傳下去，但是并非一切變異都具有遺傳性。,4遺傳與變異的分子機(jī)制,與其他生物一樣，細(xì)菌的遺傳變異是由生物遺傳物質(zhì)DNA所決定的，有關(guān)DNA的生化知識(shí)我們?cè)谏锘瘜W(xué)課中已作了詳細(xì)介紹，此處只作一簡(jiǎn)單回顧。DNA是幾乎所有生物的遺傳物質(zhì)，基因是DNA上指導(dǎo)細(xì)菌蛋白質(zhì)以及RNA合成的DNA片段；DNA以及基因是由許許多多的核苷酸脫水通過(guò)磷酸二脂鍵相互連接而成的核苷酸聚合物，形成DNA的核苷酸主要有

4、四種，即腺嘌呤（A）、鳥(niǎo)嘌呤（G）、胸腺嘧啶（ T ）、胞嘧啶（ C ）。這四種核苷酸，每三個(gè)為一組的不同組合順序分別對(duì)應(yīng)于特定的氨基酸，這樣在DNA通過(guò)RNA間接指導(dǎo)細(xì)菌蛋白質(zhì)的合成時(shí)，細(xì)菌DNA的特定核苷酸排列形式就反映在細(xì)菌蛋白質(zhì)的特定氨基酸結(jié)構(gòu)中。,我們知道蛋白質(zhì)的氨基酸結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)的功能， 蛋白質(zhì)的功能體現(xiàn)在催化細(xì)菌的一切生化反應(yīng)，組成細(xì)胞結(jié)構(gòu)等方面，蛋白質(zhì)實(shí)際上對(duì)細(xì)菌生理起決定性的作用。由此不同細(xì)菌的不同DNA組成就間接決定了細(xì)菌的一切。DNA 通過(guò)復(fù)制而將一模一樣的DNA傳給后代，這樣DNA在復(fù)制并傳遞給下一代的穩(wěn)定性，就體現(xiàn)為子代與親代在各方面的相似性，也就是遺傳的保守性。

5、而子代細(xì)菌DNA組成上變異則必然引起子代功能與親代的差異，也就是變異性。,決定 決定（1）DNA 蛋白質(zhì) 細(xì)菌的幾乎一切 復(fù)制（2）親代DNA 子代DNA 決定（3）復(fù)制傳遞的穩(wěn)定性 遺傳的保守性 決定（4）子代DNA的變異 變異的多樣性,基因和性狀,定義：基因是一切生物體內(nèi)儲(chǔ)存遺傳信息的、有自我復(fù)制 能力的遺傳功能單位。 性狀是構(gòu)成一個(gè)生物個(gè)體的有關(guān)結(jié)構(gòu)、形態(tài)、物 質(zhì)和功能等各方面特征的總稱(chēng)?；驔Q定性狀，而性狀是基因表達(dá)的最終結(jié)果。 基因依其功能的差別可分成調(diào)節(jié)基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因3大類(lèi)。結(jié)構(gòu)基因是為細(xì)胞結(jié)構(gòu)、組成（如細(xì)胞生化反應(yīng)所需的酶）及完成細(xì)胞功能所需的蛋白質(zhì)等進(jìn)行編碼的基因。

6、蛋白的表達(dá)不僅受結(jié)構(gòu)基因控制，同時(shí)也受調(diào)節(jié)基因和操縱基因的調(diào)控。,5細(xì)菌的選育與細(xì)菌的變異,廢水生物處理中起決定性作用的自然是具有高效廢物降解能力的微生物（主要是細(xì)菌），這些微生物菌種通常都是通過(guò)對(duì)自然界微生物的篩選與定向培育獲得。細(xì)菌及其它微生物的篩選與定向培育就稱(chēng)為選育。細(xì)菌在自然界是混居的，從中挑選出符合我們需要的細(xì)菌就是細(xì)菌的篩選，一般而言篩選出來(lái)的細(xì)菌性能還不是十分理想，通常還需要定向培育，即通過(guò)有計(jì)劃、有目的地控制微生物生長(zhǎng)條件，改變細(xì)菌遺傳性，使其變異為我們需要的理想的廢物降解菌。,在水的生物處理中，這種定向培育過(guò)程通常又稱(chēng)為馴化。馴化方法的分子機(jī)制有兩種，一種是誘導(dǎo)細(xì)菌處于休眠

7、狀態(tài)的功能基因復(fù)蘇，產(chǎn)生相應(yīng)得酶；另一種是改變細(xì)菌的基因；后一種又分為兩條途徑，第一條是利用細(xì)菌的基因突變，另一條則是人為對(duì)細(xì)菌進(jìn)行基因重組改造。這里重點(diǎn)介紹細(xì)菌基因改造的馴化方法，我們首先介紹一下細(xì)菌的篩選，它是馴化工作的第一步。,(1)細(xì)菌的篩選方法,細(xì)菌的篩選方法原理是適者生存原理，利用選擇性培養(yǎng)基從混雜的各種細(xì)菌中單獨(dú)培養(yǎng)出能滿(mǎn)足特殊需要的天然細(xì)菌。通常的篩選都是通過(guò)人為篩選與天然篩選相結(jié)合來(lái)進(jìn)行的。例如篩選能降解石油的細(xì)菌。在長(zhǎng)期被石油污染的土壤里，適應(yīng)石油環(huán)境利用石油作為食物的細(xì)菌必然被天然篩選了出來(lái)，我們收集這種土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室用石油降解菌選擇性培養(yǎng)基，對(duì)樣品中的石油降解菌進(jìn)行進(jìn)

8、一步的選擇培養(yǎng)，篩選，富集，為下一步的馴化工作奠定基礎(chǔ)。,（2）細(xì)菌的馴化,誘導(dǎo)法誘導(dǎo)法通過(guò)以毒性底物為培養(yǎng)基中的唯一碳源，并逐漸提高其濃度，促使細(xì)菌由于這種底物的長(zhǎng)期缺乏而休眠的基因恢復(fù)活性，產(chǎn)生相應(yīng)的降解酶，從而恢復(fù)對(duì)毒性底物降解的能力。這種方法主要常用于有機(jī)毒物降解菌的馴化。優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，因而使用較為普遍，但由于受到細(xì)菌固有能力的限制，馴化的潛力有限。,基因突變法,能動(dòng)地利用細(xì)菌基因突變?cè)磉M(jìn)行細(xì)菌馴化的方法就是基因突變法。細(xì)菌的基因突變是細(xì)菌基因中的堿基組成、順序的突然改變。能造成這種改變的因素很多，如因溫度、紫外線(xiàn)、核輻射、酸、堿、人工誘變劑等自然和人為的因素，他們會(huì)造成DNA堿基

9、丟失或DNA復(fù)制出現(xiàn)錯(cuò)配或DNA修復(fù)時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)，這些將引起基因突變，基因突變有這樣幾個(gè)特點(diǎn)。,A基因突變的特點(diǎn),.無(wú)定向性 無(wú)定向性是指突變的發(fā)生沒(méi)有固定的方向。如在紫外線(xiàn)作用下，除產(chǎn)生抗紫外線(xiàn)的突變體外，還可誘發(fā)任何其他性狀的變異。其他誘變因子也是一樣，這樣突變體發(fā)生后，既可能造成細(xì)菌的死亡，也可能使細(xì)菌獲得了更適應(yīng)環(huán)境的能力，沒(méi)有特定的方向。對(duì)環(huán)境的適應(yīng)程度將決定突變后的細(xì)菌能否生存、繁殖。.稀有性突變發(fā)生的頻率很低，即稀有性。突變率是指每一細(xì)胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的機(jī)率，通常為10510-10。也就是說(shuō)十萬(wàn)至一百億個(gè)細(xì)菌中產(chǎn)可能有一個(gè)細(xì)菌的基因發(fā)生突變。.自發(fā)性細(xì)菌基因突變的發(fā)生

10、可以在沒(méi)有人為誘變因素的處理下自然發(fā)生。,.獨(dú)立性某一基因的突變，既不提高也不降低其他任何基因的突變率，說(shuō)明基因突變不僅對(duì)某一個(gè)細(xì)胞是隨機(jī)的，而且對(duì)某一基因也是隨機(jī)的。.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指由于突變的根源是遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了穩(wěn)定的變化，所以產(chǎn)生的新的變異性狀也是穩(wěn)定的、可遺傳的。.可逆性突變可以由原始的野生型向突變型方向進(jìn)行，稱(chēng)正向突變。也可以反過(guò)來(lái)，由突變型向野生型的轉(zhuǎn)變，稱(chēng)回復(fù)突變。.誘變性自發(fā)突變的發(fā)生頻率很低，但是通過(guò)人為施加誘變劑處理后突變率可大大提高，一般可提高10105倍。這是人工誘變情況下的基因突變特點(diǎn)突變利用基因突變的特點(diǎn)，人們通常通過(guò)人工誘變進(jìn)行細(xì)菌的基因改造。,B誘變,人為

11、地利用物理化學(xué)因素，引起細(xì)胞DNA分子中堿基對(duì)發(fā)生變化叫誘變。所利用的物理化學(xué)因素稱(chēng)為誘變劑。常用的誘變劑有紫外線(xiàn)、5溴尿嘧啶、亞硝酸、卟啶染料等。誘變的步驟為.制出發(fā)菌株的單細(xì)胞懸浮液為了使出發(fā)菌株均勻的接觸誘變劑，應(yīng)向細(xì)菌培養(yǎng)液中加入玻璃珠，并保持在誘變過(guò)程中始終進(jìn)行振蕩攪拌形成出發(fā)細(xì)菌的單細(xì)胞懸浮液；,.選擇合適的誘變劑劑量進(jìn)行誘變誘變劑對(duì)細(xì)菌而言都是毒藥，量太少起不到誘變作用，量太大則會(huì)完全殺死細(xì)菌，因此每一種誘變劑在使用時(shí)都有一定的最佳劑量。例如在進(jìn)行細(xì)菌紫外誘變時(shí)，通常使用15或20W的紫外燈距離細(xì)菌單細(xì)胞懸浮液1530cm，照射1520min。.篩選利用特制的選擇性培養(yǎng)基再?gòu)母鞣N

12、突變體中篩選出我們需要的突變體，并進(jìn)行富集培養(yǎng)。 至此誘變的任務(wù)就算完成了，獲得了理想的菌種，這種方法的潛力要遠(yuǎn)大于誘導(dǎo)法，但操作復(fù)雜，在實(shí)際誘變中，往往要經(jīng)過(guò)幾次不同誘變方法的誘變處理以及大量繁瑣的篩選分離工作才有可能獲得理想的突變體。最后這些突變體將會(huì)在實(shí)驗(yàn)室小試、中試的基礎(chǔ)上被投放到生產(chǎn)實(shí)踐中。,通常生產(chǎn)上更多利用的是細(xì)菌的自發(fā)誘導(dǎo)與突變，而不采用基因誘變，如馴化活性污泥及生物膜的方法，一般是把培養(yǎng)、選擇、淘汰結(jié)合在一起，在特定廢水中有些菌種不能適應(yīng)被淘汰，能產(chǎn)生誘導(dǎo)酶的菌株及自發(fā)突變體中能來(lái)降解此類(lèi)廢水的菌種能夠生存而被保留下來(lái)，同時(shí)大量繁殖，使廢水達(dá)到預(yù)期的排放標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，國(guó)外目

13、前正在研究針對(duì)某種廢水用人工誘變方法篩選大量具有很強(qiáng)分解能力及絮凝能力的菌株，并把它們做成干粉狀的產(chǎn)品，如同市面出售的酵母干粉一樣，這時(shí)細(xì)菌處于休眠狀態(tài)。當(dāng)工廠處理此類(lèi)廢水時(shí)，可把干粉狀菌種置于30 水中溶解30min，使細(xì)菌恢復(fù)活性，不必再馴化，對(duì)所需處理的廢水有較好效果。,基因重組法,A. 定義基因重組法是將供體細(xì)胞DNA融合入另一個(gè)細(xì)胞的DNA中，使受體細(xì)胞基因重新排列，并出現(xiàn)植入DNA基因?qū)?yīng)生物特性的細(xì)胞改造方法。基因重組是兩種DNA的拼接，不發(fā)生任何堿基對(duì)結(jié)構(gòu)上的變化。這是與基因突變最大的不同之處。 B重組形式 基因重組同樣有自發(fā)的基因重組與人工的基因重組之分，二者的原理本質(zhì)上是完

14、全相同的。微生物中基因重組的形式很多。在真核微生物中，基因重組是通過(guò)二個(gè)配子相互融合的有性繁殖的過(guò)程中發(fā)生的，故稱(chēng)為雜交。在細(xì)菌等原核微生物中通常只是部分遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和重組，如轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)和接合等都是基因重組在細(xì)胞水平上的反映。,.轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化(Transformation)是供體細(xì)胞研碎物中的DNA片段直接吸收進(jìn)入活的受體細(xì)胞的基因重組方式。受體細(xì)胞獲得了供體細(xì)胞的部分遺傳性狀。轉(zhuǎn)化現(xiàn)象是1928年英國(guó)的細(xì)菌學(xué)家格里菲斯首先發(fā)現(xiàn)的。為紀(jì)念格里菲思先生當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)被命名為格里菲斯實(shí)驗(yàn)。,格里菲斯實(shí)驗(yàn),肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象,1928年英國(guó)細(xì)菌學(xué)家格里菲斯(Grifftll)發(fā)現(xiàn)肺炎雙球菌

15、中S 型菌株，菌落光滑，產(chǎn)生莢膜，當(dāng)它感染人、小白鼠或家免等時(shí)均可致病。其中R 型菌株菌落粗糙，不產(chǎn)生莢膜物質(zhì)，感染人、小白鼠或家免均不致病。當(dāng)將R 型活菌注射小白鼠，小白鼠健康不致病，并可從健康的鼠體分離到R型肺炎雙球菌菌落；將S 型的肺炎雙球菌注射小白鼠，小白鼠被殺死，從小鼠體內(nèi)會(huì)分離出S 型的肺炎雙球菌；將加熱殺死的S 型細(xì)菌破碎細(xì)胞注射入小鼠細(xì)胞，小白鼠健康不致病，小鼠體內(nèi)沒(méi)有S 型細(xì)菌；將加熱殺死的S 型細(xì)菌與R 型活細(xì)菌混合后注射小白鼠，小白鼠死亡，并可從死鼠體內(nèi)分離到S 型活細(xì)菌。當(dāng)時(shí)雖然發(fā)現(xiàn)了這一有趣的現(xiàn)象，但并不知道其中的原因。,1944年才通過(guò)試驗(yàn)找出了其中的原因。試驗(yàn)方法

16、如下：,細(xì)菌轉(zhuǎn)化過(guò)程可大體分為以下幾步：感受態(tài)細(xì)胞的出現(xiàn) 吸附外源DNA片段 外源DNA進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)受體DNA解鏈 形成受體DNA供體DNA復(fù)合物 DNA復(fù)制和分離其中感受態(tài)細(xì)胞的出現(xiàn)是關(guān)鍵。所謂感受態(tài)細(xì)胞是能吸收外來(lái)的DNA片段，并能把它整合到自己的染色體組上以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的細(xì)胞。感受態(tài)細(xì)胞是由遺傳性決定的，也受細(xì)胞的生理狀態(tài)、菌齡、培養(yǎng)條件的影響。目前發(fā)現(xiàn)自然狀態(tài)下許多其它細(xì)菌、放線(xiàn)菌、真菌和高等動(dòng)植物中都也有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。,.接合 細(xì)菌的接合是細(xì)菌遺傳物質(zhì)染色體DNA片段或質(zhì)粒DNA通過(guò)細(xì)菌與細(xì)菌的直接接觸而進(jìn)行的轉(zhuǎn)移和重組的現(xiàn)象。在第一章細(xì)菌的繁殖一節(jié)中，細(xì)菌的有性繁殖實(shí)際上就是這里所說(shuō)的結(jié)合，有關(guān)內(nèi)容在此不再重復(fù)。,.轉(zhuǎn)導(dǎo) 遺傳物質(zhì)通過(guò)噬菌體的攜帶而轉(zhuǎn)移的基因重組現(xiàn)象稱(chēng)為轉(zhuǎn)導(dǎo)。轉(zhuǎn)導(dǎo)是1951年辛德?tīng)?Zinder)和萊德貝爾格(1Jederberg)在研究鼠沙門(mén)氏傷寒桿菌重組時(shí)發(fā)現(xiàn)的。,證實(shí)轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象的U形管實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中L-22細(xì)菌這一側(cè)出現(xiàn)（A+B+）菌，L-22菌是如何獲得色氨酸合成功能的呢？研究發(fā)現(xiàn)LA22在培養(yǎng)過(guò)程釋放溫和的噬菌體P22，P22通過(guò)濾板侵染供體LA2，當(dāng)LA2裂解