第六章+微生物的遗传与变异

nullnull第六章 微生物的遗传与变异null“种瓜得瓜，种豆得豆”“龙生龙，凤生凤”“老鼠生来会打洞”说明什么问?遗传现象“一龙生九子，九子各不同 ”又说明什么问题?变异现象null 遗传(heredity，inheritance)和变异(variation)是一切生物体最本质的属性之一。null 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(如生态、生理、生化特性等)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。null 微生物从它适应的环境迁移到不适应的环境后，微生物改变自己对营养和环境条件的要求，在新的生活条件下产生适应新环境的酶(适应酶)，从而适应新环境并生长良好，这是遗传的变异。 变异了的微生物不同于原来的微生物，称变种。 null 微生物的遗传具有稳定(保守)性。 遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变异，变异中有遗传。 null 根据彻底水解产物中所含糖的不同，核酸分为脱氧核糖核酸(deoxy-ribose nucleic acid, 简称DNA)和核糖核酸(ribose nucleic acid,简称RNA)两类。 RNA又分为mRNA(信使RNA，messenger RNA)、tRNA(转运RNA，transfer RNA)和rRNA(核糖体RNA,ribosomal RNA)等。null§6-1 微生物的遗传 null一、遗传变异的物质基础 1、DNA是遗传和变异的物质基础 DNA是怎么发现的呢？ 瑞士生理学家和有机化学家Mieshernull 通过格里菲斯(F. Griffith,1928)经典的转化(transformation)实验和A.D.Hersey、M.Chase的噬菌体感染实验(1952)得到证明。 DNA是遗传的物质基础 null 无毒 杀死 杀死转化现象格里菲斯实验？？null 上述4步实验是Griffith在1928年完成的，但是他没有证明这种因子是什么物质。 1944年，O.T.Avery等人发表了“脱氧核糖型的核酸是III型肺炎球菌转化要素的基本单位”，即DNA是细菌的转化因子，第一次证明了DNA是遗传物质。证明了Griffith所说的转化因子就是DNA。 null 从加热杀死的光滑型肺炎双球菌中提取DNA，并且尽可能地将混在DNA中的蛋白质除去，然后，将除去了蛋白质的DNA与粗糙型肺炎双球菌混合后，再注入小鼠体内，小鼠死掉。 O.T.Avery第五步实验nullnull32P标记噬菌体DNA 35S标记噬菌体的蛋白质外壳 大多数噬菌体的DNA存在于细菌中，而外壳留在上清液中。 噬菌体感染实验null 被感染的细菌内部出现了奇迹。随着被感染的细菌的培养，有的细菌破裂，释放出很多噬菌体来。 进一步的结果： 这说明用于复制的遗传信息通过病毒DNA，而不是通过病毒蛋白质导入细菌内的。 null2、例外 对某些动物和植物病毒以及某些噬菌体遗传物质的基础是RNA。null二、DNA的结构与复制 (一) DNA的存在形式 1、真核生物：真核生物(人、高等动物、植物、真菌、藻类及原生动物)的DNA和组蛋白等组成染色体，少的几个，多的几十或更多，染色体呈丝状结构，细胞内所有染色体由核膜包裹成一个细胞核。 2、原核微生物：原核微生物的DNA只与很少量的蛋白质结合，也没有核膜包裹，单纯由一条DNA细丝构成环状的染色体，位于细胞的中央，高度折叠形成具有空间结构的一个核区。 null由DNA的结构联想到什么？ 酶蛋白的结构？ 酶蛋白具有α-螺旋或片状的复杂空间结构。它由20种氨基酸按一定顺序以肽键（－CO－NH－）连接成多肽链，两条多肽链之间或一条多肽链卷曲后相邻的基团之间以氢键、二硫键、盐键（-NH3+-OOC-）、酯键（R－CO－O－R）、疏水键、范德华力及金属键等相连接而成。 酶蛋白的结构分一级、二级和三级结构，少数酶具有四级结构。 (二) DNA的结构 null(二) DNA的结构 1、DNA的一级结构 DNA一级结构指的是构成DNA的脱氧核苷酸按照一定的排列顺序通过3’,5’-磷酸二酯键连接而成的线性核苷酸链。 3’,5’-磷酸二酯键_前一个脱氧核苷酸的3’羟基与后一个分子的5’磷酸缩合生成null 核苷酸的结构可用下面简式表示(B表示嘌呤或嘧啶碱，直线表示戊糖，P表示磷酸基)： 表示一个核酸分子结构的方法由繁到简有许多种。由于核酸分子结构除了两端和碱基的排列顺序不同外，其它均相同。因此，在表示核酸分子时，只须注明其5’末端和3’末端，末端有无磷酸基，以及碱基顺序。 如未特别注明5’和3’末端，一般约定，碱基序列书写的方向由左向右，左侧是5’末端，右侧是3’末端。 nullDNA构造中的一小段 DNA构造中一小段的简单表示方式 null2、DNA的二级结构 (1)Chargaff定则或碱基等比定律 大多数DNA仅含有4种碱基：A(腺嘌呤adenine)，G(鸟嘌呤guanine)，C(胞嘧啶cytosine)，T(胸腺嘧啶thymine) 。 但也有少数DNA还含有其它一些稀有碱基，如小麦胚的DNA含有5-甲基胞嘧啶(m5C)。 结构式见下页null 嘌呤的总数等于嘧啶的总数(A+G=C+T)；腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相同(A=T)，而鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相同(G=C)。 几种碱基的结构式 (G)(A)(C)(T)(U)要点null Watson和Crick于1953年的4月25日在《Nature》上发表了题为“核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的结构”的文章，阐述了双螺旋结构模型的要点。(2) DNA二级结构的Watson－Crick模型 null小沟大沟(1) DNA由2条反平行的脱氧多核苷酸链构成，两条链绕同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋。 (2) 每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成，位于螺旋外侧，碱基位于螺旋的内侧，碱基平面与螺旋中心轴垂直，螺旋表面有2条螺旋形的凹槽：大沟和小沟。 (3) 双螺旋的直径是2nm，沿中心轴每个螺旋周期有10个核苷酸对，螺距为3.4nm，碱基对之间的距离为0.34nm。 (4) 两链间的碱基以氢键互相配对。A与T配，有2个氢键；G与C配，有3个氢键。 1.0 nmnullCGATGCTAnullnullnull要点(1) DNA由2条反平行的脱氧多核苷酸链构成，两条链绕同一中心轴盘旋而形成右手双螺旋。 (2) 每条主链由磷酸和脱氧核糖相间连接而成，位于螺旋外侧，碱基位于螺旋的内侧，碱基平面与螺旋中心轴垂直，螺旋表面有2条螺旋形的凹槽：大沟和小沟。 (3) 双螺旋的直径是2nm，沿中心轴每个螺旋周期有10个核苷酸对，螺距为3.4nm，碱基对之间的距离为0.34nm。 (4) 两链间的碱基以氢键互相配对。A与T配，有2个氢键；G与C配，有3个氢键。 null双螺旋结构有A、B、Z三种类型。A型螺旋比B型螺旋拧得紧一些。Z型螺旋是左手螺旋。 但目前公认B型螺旋是最接近天然状态的DNA结构，也是细胞内DNA的主要存在形式。null 特定的种或菌株的DNA分子，其碱基顺序固定不变，保证了遗传的稳定性。 一旦DNA的个别部位发生了碱基排列顺序的变化, 都会导致死亡或发生遗传性状的改变。例如:在特定部位丢掉一个或一小段碱基增加一个或一小段碱基改变了DNA链的长短和碱基顺序nulla.氢键。两条链间碱基的相互作用，A与T间两个氢键，G与C间三个氢键，虽然氢键是一个弱键，但DNA中氢键数量大，所以氢键是比较重要的因素。b.碱基堆积力(base stacking action)。是一条链上相邻两个平行碱基环间的相互作用，这是来自芳香族碱基π键电子之间的相互作用，是维持DNA双螺旋稳定的主要因素。碱基堆积使双螺旋内部形成疏水核心，从而有利于碱基间形成氢键。c.离子键。DNA分子中磷酸基团在生理条件下解离，使DNA成为一种多阴离子，这有利于与带正电荷的组蛋白或介质中的阳离子间形成静电作用，能减少双链间的静电排斥，有利于双螺旋的稳定。DNA双螺旋结构的稳定因素null（3）三股螺旋结构的DNA a. 科学家在实验室并合成由15-25个核苷酸组成的短链反义核酸，这些反义核酸可被绑到DNA中形成三股螺旋的DNA。b. 1992年我国科学家首先发现具有三股螺旋的天然DNA，已被国际公认。 P206null3、DNA的三级结构——超螺旋 DNA的三级结构是指双螺旋基础上分子的进一步扭曲或再次螺旋所形成的构象。 其中，超螺旋(superhelix)是最常见也是研究最多的DNA三级结构。 null 细胞内的DNA主要以超螺旋形式存在。 当超螺旋DNA的一条链上出现一个缺口时，超螺旋结构就会松开，而形成开环型结构。a.为直线型双螺旋结构；b.为开环型结构；c.为闭环型超螺旋结构null4、基因——遗传因子(1)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。它是DNA分子上一个具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。 null(2)分类(按功能分) (a) 结构基因：编码蛋白质或酶的结构，控制蛋白质或酶的合成，但tRNA和rRNA基因不编码蛋白质；如，大肠杆菌三种有关利用乳糖的酶是由三个结构基因决定的；(b) 操纵基因或操纵区：它的功能像“开关”，操纵三个结构基因的表达； (c) 调节基因，它是控制结构基因的。由调节基因决定一种阻抑蛋白封闭操纵区的作用，使三个结构基因都不能表达，阻抑了酶的合成。当培养基中有乳糖时阻抑蛋白失活，不能封闭操纵基因，因而结构基因得以表达，合成能利用乳糖的酶。 o.操纵基因；a,b,c结构基因；R.调节基因；L.乳糖；A. B. C蛋白质 null 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现都是在基因控制下的个体发育的结果。 从基因型到表现型必须通过酶催化的代谢活动来实现，基因直接控制酶的合成即控制一个生化步骤，控制新陈代谢，从而决定了遗传性状的表现。 null DNA上贮存的遗传信息需要通过一系列物质变化过程才能在生理上和形态上表达出相应的遗传性状。 DNA的复制和遗传信息传递的基本规则，称为分子遗传学的中心法则。包括3步：(1)DNA自身复制；(2)DNA遗传信息转录到RNA上；(3)将RNA翻译成蛋白质。5、遗传信息的传递null(三) DNA的复制过程 1953年J.D.Watson和F.H.Crick等认为，如果它们提出的双螺旋结构是正确的，则DNA分子合成的子代DNA分子就应该是“一条亲链加上一条子链”，这种复制分子的机制称为半保留复制(semiconservative replication)。 null 首先是DNA分子中的两条互补的多核苷酸链之间的氢键断裂，彼此分开成两条单链，然后各自以原有的多核苷酸链为模板，根据碱基配对的原则吸收细胞中游离的核苷酸，按照原有链上的碱基排列顺序，各自合成出一条新的互补的多核苷酸链，新合成的一条多核苷酸链和原有的多核苷酸链又可以氢键连接成新的双螺旋结构。1、半保留复制——DNA两条链都作为模板合成两条新链 nullnullnull 除半保留复制外，还有保留复制(conservative replication)和分散复制模式(dispersive replication)。 Watson和Crick所推测的DNA复制方式，是三种可能存在的复制机理中唯一合理的复制方式，是所有机体所共有的DNA复制的基础机理。 保留复制是指DNA的完整双螺旋作为新双螺旋的模板，因此亲本分子保留完整。 分散复制是指亲本粒子断片分布在两枚子代分子上。null DNA半保留复制仅说明DNA复制的总面貌，没有说明这一过程所包括的步骤。DNA复制的比较详细的研究还待进行。然而有许多试验研究曾指出，在复制过程中可能有RNA参与，起媒介作用。2、半不连续复制——新链一条连续、一条不连续合成 有一种说法，认为DNA的互补链的合成不是自链一端开始连续地进行，而是先形成较短的片断，冈崎片断(Okazaki fragment)。片断的合成用RNA作模板。DNA片断合成后，再集合成链，同时供作模板的RNA被破坏。 null3、滚环式复制 通过滚环式DNA复制方法产生DNA的串联体是一些噬菌体和病毒生活周期中的主要复制方法。是为解释单链DNA环状染色体的复制机制所提出的。 滚环模型是半保留复制的，两条母链中仅有一条涉及复制作用，而其它一条母链不论何时总是留在环内，因而总是维持一套完整齐备的遗传信息。 null三、DNA的变性和复性 1、DNA的变性 DNA的双螺旋结构由碱基对中碱基之间的氢键维持。 变性的实质是维持二级结构的作用力受到了破坏，即双螺旋破坏。但DNA的一级结构未变，即变性不引起共价键的断裂。 当天然双链DNA受热或其它因素的作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链DNA，即称为DNA变性。null 引起变性的外部因素：加热、极端的pH、有机溶剂、尿素和甲硫胺等。它们都能破坏氢键、疏水键、碱基堆积力，从而破坏双螺旋。 DNA的变性可发生在一个很窄的温度范围内。 null 变性DNA溶液经适当处理后重新形成天然DNA的过程叫复性，或叫退火(anneal)。2、DNA复性(renatuaration) 用高温使DNA变性后，再缓慢降低（必须逐渐冷却）至自然温度，变性的DNA会复性成天然双链DNA。但复性的DNA是随机结合的。 因此，复性后的DNA不可能全部是原来的DNA。如果两条DNA链来源不同，或者一条DNA链的碱基与另一条互补的RNA链配对就称为杂交。null四、RNA 1、DNA与RNA的区别 (1) RNA的戊糖为核糖，DNA的为脱氧核糖； (2) RNA的四种碱基中没有胸腺嘧啶(T)，以尿嘧啶(uracil, 简称U)代替；即为A、C、G、U； (3) RNA是单链自身回折结构；碱基配对：A－U，G－C。 null2、RNA的种类 (1)mRNA(messenger RNA)：约占总RNA量的5％。其上带有指导氨基酸的信息密码(三联密码子)，作用是翻译氨基酸，将遗传信息从DNA传到蛋白质，在肽链合成中起决定氨基酸排列顺序的模板作用。 (2)tRNA(transfer RNA)：约占总RNA的15％，相对分子量较小，游离于胞质中。其上有和mRNA互补的反密码子，能识别氨基酸及识别mRNA上的密码子，在tRNA-氨基酸合成酶的作用下传递氨基酸(实际上是起翻译作用)。 null(3)rRNA(ribosomal RNA)：约占总RNA量的80％，相对分子量较高，是核糖体的组成成分(占60％左右)，核糖体是蛋白质合成(翻译)的场所。 (4)反义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的RNA。 null3、蛋白质合成过程 (1)复制：决定该种蛋白质分子结构的相应一段DNA链(结构基因)的自我复制； (2)转录：蛋白质不能直接由DNA合成，而通过DNA的副本RNA合成。转录是双链DNA分开，以其中的一条单链为模板转录出一条mRNA。新转录的mRNA链的核苷酸碱基的排列顺序与模板DNA链的核苷酸碱基排列顺序互补。同样，也可以DNA分子的某些部分核苷酸碱基顺序转录成tRNA和rRNA。 null(3)翻译：翻译是由tRNA完成的，tRNA链上有与mRNA链上对氨基酸顺序编码的核苷酸碱基顺序(密码子)互补的反密码子 tRNA具有特定识别作用的两端：一端识别特定的、在ATP和氨基酸合成酶作用下被活化的氨基酸，并与之暂时结合形成氨基酸－tRNA的结合分子。另一端有三个核苷酸碱基顺序组成反密码子。tRNA上的反密码子能识别mRNA上的与之互补的密码子，并与之暂时结合。 null(4)蛋白质合成：通过两端识别作用，把特定氨基酸转送到一定位置上，使不同的氨基酸按照mRNA上的碱基顺序连接起来，在多肽合成酶的作用下合成多肽链(mRNA的碱基顺序决定了多肽链上氨基酸的排列顺序)，多肽链合成后组成特定的蛋白质结构。 null五、微生物的细胞分裂 DNA的复制和蛋白质合成而使两者成倍增加后的一个有秩序的过程，即微生物细胞的分裂。 微生物将成倍增加的核物质和蛋白质均等地分配给两个子细胞，在细胞的中部合成横隔膜并逐渐内陷，最终将两个子细胞分开，细胞分裂完成。 null§6-2 微生物的变异 null一、基因突变(gene mutation) 1、定义：基因突变简称突变，是变异的一类，泛指细胞内(或病毒粒内)遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，可自发或诱导产生。 2、本质：微生物的DNA被某种因素引起碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序，从而引起其后代表现型的改变。 null二、突变的类型 按突变的条件和原因划分，突变可分为两种类型：自发突变诱发突变null(一) 自发突变 1、定义：自发突变是指某种微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变。(2)互变异构效应：由DNA复制过程中碱基配对错误引起。 ①由背景辐射和环境因素引起，如天然的宇宙射线等； ②由微生物自身有害代谢产物引起，如H2O2；(1)多因素低剂量的诱变效应 2、自发突变的原因null(二)诱发突变(induced mutation) 1、定义：～是利用物理或化学因素处理微生物群体，促使少数个体细胞的DNA分子结构发生改变，在基因内部碱基配对发生差错，引起微生物的遗传性状发生突变。2、诱变剂(mutagen)：凡具有诱变效应的任何因素，都称诱变剂。 null3、物理诱变：利用物理因素引起的基因突变。（1）紫外辐射诱变作用机制：DNA链上的碱基(嘌呤碱和嘧啶碱)吸收的光波波长和紫外辐射发射波长非常接近，使DNA强烈吸收紫外辐射。（2）DNA结构变化的形式：DNA链断裂、DNA分子内和分子间交联、核酸与蛋白质交联，胞嘧啶和鸟嘌呤的水合作用及胸腺嘧啶二聚体的形成等。 物理诱变因素有：紫外辐射、X-射线、γ-射线、快中子、β-射线和激光等。null① 光复活(photoreactivation, photorestoration) 这是一种对紫外线引起的胸腺嘧啶二聚体高度专一的修复机制。(3)DNA损伤的修复 在所有原核生物和真核生物中都存在一种光复合酶。这种酶可以结合胸腺嘧啶二聚体的扭曲了的双螺旋部位。在可见光存在下，光复活酶催化2个胸腺嘧啶碱基再生，正常的A-T碱基对重新形成，过后，光复活酶从已修复好的DNA上脱落。null②切割(补、除)修复(excision repair) 切除修复是在多种酶参与下将DNA分子中受损伤的部分切除，并以完整的那一条链为模板，合成出切除的部分，从而使DNA恢复正常结构的过程。 这是生物界普遍存在的一种修复机制，它对多种损伤均能起修复作用。 参与DNA切除修复的酶主要有：特异的修复内切酶、核酸外切酶、DNA聚合酶及连接酶等。 null③重组修复 含嘧啶二聚体及其它损伤的DNA也可以先复制，后修复。但复制进行到损伤部位时，无法通过碱基配对合成子代DNA链，它就越过损伤部位，在下一个冈崎片断的起始位置上重新合成引物和DNA链，结果子链在损伤相对应处留下缺口。这种遗传信息有缺损的子代DNA与母链之间，在重组酶的作用下进行同源DNA片断的重组交换。结果子链上的缺口被母链上相应部位的片断所填补。母链上出现的新缺口可通过DNA聚合酶、连接酶修补起来。这种修复方式称为～～。 null④ SOS修复 在DNA受到大范围重大损伤时诱导产生一种应急反应，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(即DNA多聚酶)修复DNA受损伤的部分而成正常的DNA。 null⑤适应性修复 细菌由于长期接触低剂量的诱变剂如硝基胍(MNNG或NG)会产生修复蛋白(酶)，修复DNA上因甲基化而遭受的损伤。 在适应期间产生的修复蛋白的修复作用称为适应性修复。 null4、化学诱变：指利用化学物质对微生物进行诱变，引起基因突变或真核生物染色体的畸变。化学诱变因素对DNA作用形式有3类： （1）亚硝酸、硫酸二乙酸、甲基磺酸乙酯、硝基胍、亚硝基甲基脲等的其中一种，可与一个或多个核苷酸碱基起化学变化，引起DNA复制时碱基配对的转换而引起变异。 （2）5－尿嘧啶，5－氨基尿嘧啶，8－氮鸟嘌呤和2－氨基嘌呤等的结构与天然碱基十分接近，是类似物。它们中的一种可掺入到DNA分子中引起变异。 （3）在DNA分子上缺失或插入一、二个碱基，引起碱基突变点以下全部遗传密码转录和翻译的错误。这类由于遗传密码的移动而引起的突变体，称为码组移动突变体。这种突变称为移码突变。 null5、复合处理及其协同效应 诱变剂的复合处理常常表现出明显的协同效应，故其突变率普遍比单独处理高，因而对育种有利。 复合处理的方法有：①两种或多种诱变剂先后使用； ②两种或多种诱变剂同时使用等； ③同一诱变剂的重复使用。 null6、定向培育和驯化(1)定向培育: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古老的育种方法。在环境中则称为驯化。 null(2)应用 工业废水的生物处理中，通过驯化微生物，使其改变原来对营养、温度、pH等的要求，产生适应酶，从而得以处理特种工业废水。 废水生物处理中，微生物的变异现象有：①对营养要求的变异；②对温度、pH要求的变异；③对毒物的耐毒能力的变异；④个体形态和菌落形态的变异及代谢途径的变异等。 null例如 筛选能降解石油的细菌？收集长期被石油污染的土壤(天然选择性固体培养基），必有适应石油环境利用石油作为食物的细菌，将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，筛选分离，富集，为下一步的驯化工作奠定基础。　null 驯化选择性培养基（石油）浓度升高筛选分离23、414小考中考高考nullAmes试验：利用细菌模型了解潜在化学致癌物的诱变作用“生物化学统一性”法则： 人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。诱变剂的共性原则： 化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比 超过95%的致癌物质对微生物有诱变作用 90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用 null§6-3 基因重组 null一、定义 两个独立基因组内的遗传基因，通过一定的途径转移到一起，形成新的稳定基因组的过程，称为基因重组(gene recombination)或遗传重组(genetic recombination)，简称重组。可通过杂交、转化等手段达到基因重组。 null二、杂交(接合) 杂交是通过双亲细胞的融合，使整套染色体的基因重组(如酵母菌和霉菌等)，或者是通过双亲细胞的沟通，使部分染色体基因重组(如细菌)。 在真核微生物和原核微生物中可通过杂交获得有目的的、定向的新品种。如含有固氮基因的肺炎克氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)的固氮基因传递给大肠杆菌，产生了含有固氮基因并有固氮能力的nif+大肠杆菌，对农业生产和缺氮的工业废水处理很有意义。 null三、转化(transformation) （引进） 受菌体直接吸收供菌体的DNA片断而获得后者部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。DNA片断新的性状细胞供体细胞研碎微生物转化过程基本过程： 1928年，Griffith发现肺炎链球菌的转化现象,目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力。 通过转化方式而形成的杂种后代，称转化子(transformant)。nullnullnull四、转导(transduction) （间谍窃取） 通过缺陷噬菌体(defective phage)的媒介，把供体细胞的小片段DNA携到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。 由转导作用而获得部分新性状的重组细胞，称为转导子(transductant)。 nullTransductionFigure 8.28Recombinant1Phage protein coatBacterial chromosome23Bacterial DNAPhage DNA4Recipient cell5Donor bacterial DNARecipient bacterial DNARecombinant cellA phage infects the donor bacterial cell.Phage DNA and proteins are made, and the bacterial chromosome is broken down into pieces.Occasionally during phage assembly, pieces of bacterial DNA are packaged in a phage capsid. Then the donor cell lyses and releases phage particles containing bacterial DNA.A phage carrying bacterial DNA infects a new host cell, the recipient cell.Recombinant can occur, producing a recombinant cell with a genotype different from both the donor and recipient cells.nullLA-2A- B+LA-22A+ B-LA-2是能合成色氨酸（B+）但不能合成组氨酸（A-）的沙门氏伤寒杆菌超微烧结玻璃板细菌不能通过，噬菌体可以通过转导能合成色氨酸间谍侵入、重组“转移、导手”null§6-4 生物工程技术在环境保护中的应用 null 生物技术（Biotechnology）是指“用活的生物体（或生物体的物质）来改进产品、改良植物和动物，或为特殊用途而培养微生物的技术”。 生物工程则是生物技术的统称，是指运用生物化学、分子生物学、微生物学、遗传学等原理与生化工程相结合来改造或重新创造设计细胞的遗传物质、培育出新品种，以工业规模利用现有生物体系，以生物化学过程来制造工业产品。简言之，就是将活的生物体、生命体系或生命过程产业化过程。包括基因工程、细胞工程、酶工程、微生物发酵工程、生物电子工程、生物反应器、灭菌技术及新兴的蛋白质工程等，其中，基因工程是现代生物工程的核心。null 所谓遗传工程也就是根据人们的意愿，采用工程建筑的手法，按照预先设计的，借助于实验室手段将一个生物体的遗传物质定向地转移到另一个生物体中去，使后者获得人类希望的性状，成为一个新的“物种”。 广义的遗传工程包括细胞工程、染色体工程和基因工程三类，使用的是细胞生物学方法和分子生物学方法，包括细胞融合、细胞拆合 、染色体导入和基因或DNA分子的转移等。狭义的遗传工程仅限于基因工程。null 基因工程，是在基因水平上的遗传工程。是指人们利用分子生物学的理论和技术，自觉设计、操纵、改造和重建细胞的遗传核心――基因组，从而使生物体的遗传性状发生定向变异，以最大限度地满足人类活动的需要。这是一种自觉的、可人为操纵的体外DNA重组技术，是一种可达到超远缘杂交的育种技术，更是一种前景宽广、正在迅速发展的定向育种新技术。 nullnull质粒育种 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内，使受菌体保留自身功能质粒，同时获得供体菌的功能质粒，即培育出具有两种功能质粒的新品种，这已在环境工程中获得初步研究成果。 null Chakrabaryty最早采用基因工程手段，在一个菌株中组入4种假单胞菌的遗传基因，这些细菌分别带有CAM、OCT、SAL和NAH降解质粒(分别降解苯、甲苯、辛烷和樟脑)，得到的工程菌具有非凡的能力，能够同时降解脂肪烃、芳烃、萜笔多环芳烃，降解石油的速度快、效率高，在几小时内能降解掉海上溢油中2/3的烃类，而自然菌种要用一年多的时间。 此后解烃抗汞质粒菌的构建、高效降解三氯苯氧基醋酸的Pseudomonas putidaAC1100的构建、降解2种染料的脱色工程菌的构建，以及同时降解二氯苯氧基醋酸和三氯苯氧基醋酸的微生物菌种的构建，为组建带有多个质粒的新菌株展示了广阔的前景。 nullPCR技术 美国Cetus公司Mullis等人于1985年建立了无细胞分子克隆技术(Cell-free molecular cloning)即聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction)，简称PCR。 该反应是在体外合成特异性DNA片断的方法，是对基因克隆、分子杂交和序列等分子生物学方法的丰富和发展，它能快速扩增目的基因DNA或RNA片断。null PCR技术是分子生物学历史上又一次重要突破。1990年Williams等人在PCR基础上，改用了多对引物，获得了多态性DNA扩增片断。以此制作生物标记物，建立了RAPD（Random Amplified Polymorphic DNA）方法，为基因组研究奠定了基础，扩大了PCR的应用范围。null 用一对寡核苷酸作为引物，引导DNA聚合酶在引物识别位点之间的两条互补链上进行DNA合成。经过模板变性、引物复性、引物延伸三步反应的多次循环，可使特定的DNA片断在数量上呈指数增加。 原理null应用(1)检测1g样品中1～2个细胞的微量微生物。 (2)跟踪检测遗传工程菌； (3)检测水、土壤和沉积物等环境中的指示菌群和致病菌； (4)测定基因表达，可根据基因序列的诊断来检测特异性种群； (5)用来克隆基因，特别是对环境中无法人工培养的重要微生物的基因的克隆。 null§6-5 菌种的退化、复壮和保藏 null一、菌种的退化与复壮 (一) 菌种的退化(衰退) 1、衰退(degeneration)：是指由于自发突变的结果，而使某物种原有一系列生物学性状发生量变或质变的现象。 null2、衰退的具体表现 (1)原有形态性状变得不典型了，如，Bacillus thuringiensis(苏云金杆菌)的芽孢和伴孢晶体变小甚至丧失等； (2)生长速度变慢，产生的孢子变少； (3)代谢产物生产能力下降，即出现负变(minus mutation)，这种情况极其普遍，如Gibberella fujikuroi(藤仓赤霉)产赤霉素能力的明显下降等； (4)致病菌对宿主侵染力的下降或消失； (5)对外界不良条件包括低温、高温或噬菌体侵染等抵抗能力的下降等。 null3、衰退的防止 (1)控制传代次数 (2)创造良好的培养条件 (3)利用不易衰退的菌种传代 (4)采用有效的菌种保藏方法 null(二) 菌种的复壮 1、复壮 狭义的复壮仅是一种消极的措施，指的是在菌种已发生衰退的情况下，通过纯种分离和测定典型性状、生产性能等指标，从已衰退的群体中筛选出少数尚未退化的个体，以达到恢复原菌株固有性状的相应措施； 而广义的复壮则应是一项积极的措施，即在菌种的典型特征或生产性状尚未衰退前，就经常有意识地采取纯种分离和生产性状的测定工作，以期从中选择到自发的正变个体。 null2、菌种的复壮方法 (1)纯种分离法(pure culture isolation) 前已述及，在衰退菌种的细胞群中，一般还存在着仍保持原有典型性状的个体。通过纯种分离法，设法把这种细胞挑选出来即可达到复壮的效果。纯种分离方法极多，大体可分两类，一类较粗放，可达到“菌落纯”水平(pure culture in colony level )；另一类较精细，可达到“菌株纯” (pure culture in strain level )的水平，表解如下： null纯种分离法 菌落纯 (“菌种纯”) 细胞纯 (“菌株纯”) 平板表面涂布法 平板划线分离法 琼脂培养基浇注法 用“分离小室”进行单细胞分离 用显微操纵器进行单细胞分离 用菌丝尖端分割法进行单细胞分离 null(2)通过宿主体复壮 对于因长期在人工培养基上移种传代而衰退的病原菌，可接种到相应的昆虫或动、植物宿主体中，通过这种特殊的活的“选择性培养基”一至多次选择，就可从典型的病灶部位分离到恢复原始毒力的复壮菌株。 (3)淘汰已衰退的个体 null二、菌种的保藏 1、菌种保藏的原理 根据微生物的生理、生化特性、创造人工条件，如低温、干燥、缺氧、贫乏培养基和添加保护剂等，使微生物处于代谢极微弱、缓慢，生长繁殖受抑制的休眠状态。 null2、保藏方法 菌种保藏法生活态——传代培育保藏法 连续在培养基上(内)移种 连续在活宿主上(内)移种 藏在玻璃管内 滴入小试管内(再放入大试管干燥器中) 封入安瓿 菌液直接真空干燥法 冷冻真空干燥法 液氮保藏法 吸附在合适的载体上 细粒状载体：土壤、砂粒、土壤+砂粒 球块状载体：硅胶、瓷球 休眠态 干法 湿法 薄片状载体 滤纸片 明胶小片血清蛋白小片有机基质：曲料、麦粒、棉纤维 固体斜面 半固体琼脂法 液体介质：蒸馏水、甘油(约40％)、糖液、其它悬液 null表6-5-1 7种常用菌种保藏方法的比较 在国际上最有代表性的美国ATCC中，近年来仅选择两种最有效的方法保藏所有菌种，即冷冻干燥保藏法和液氮保藏法，两者结合既可最大限度减少不必要的传代次数，又不影响随时分发给全球用户，效果甚佳。我国CCCCM(China Committee for Culture collection of Microorganisms)的规模目前为亚洲第一，现采用3种保藏法(斜面传代法、冷冻干燥保藏法和液氮保藏法)进行保藏。