微生物遗传和变异.doc

微生物的遗传变异和育种遗传 (inheritance) ：是发生在亲子之间即上下代间的关系，即指上一代生物如何将自身的一套遗传基因稳定地传递给下一代的行为或功能，它具有极其稳定的保守特性。变异：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。注：遗传和变异是生命的最本质特性之一（1）遗传型：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。是一种内在的可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。（2）表现型：具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。注：表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。（3）表型饰变：即外表的修饰性改变，是发生在转录、转译水平上的变化，不涉及遗传物质的结构改变。特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为（4）遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变特点：遗传性、群体中极少数个体的行为微生物是遗传学研究中的明星：（1）微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。（2）很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。（3）对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。第一节 遗传变异的物质基础一、核酸为遗传的物质基础生物分子：糖类、脂类、蛋白质、核酸1、肺炎双球菌实验证明了：DNA是转化所必需的转化因子；2、噬菌体感染实验证明了：遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质；3、植物病毒的重建实验证明了：在RNA病毒中，遗传物质基础也是核酸，只不过是RNA罢了。通过上述三个实验证明了：只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式1、细胞水平：在细胞水平上，真核微生物和原核微生物的大部分DNA都集中在细胞核或核区中。分为原核微生物基因组、真核微生物基因组。2、细胞核水平：真核生物的细胞核是有核膜包囊，形态固定的真核，核内的DNA与组蛋白结合在一起形成一种在光学显微镜下能见的核染色体；（1）基因组(genome)：一个物种的单倍体内的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称。（2）真核微生物，多条染色体(例如啤酒酵母有16条染色体)有时为双倍体。（3）原核微生物：多为单倍体(在一般情况下仅一条染色体)。（4）质粒(plasmid)：细胞质内能自主复制的核外染色体 原核生物的质粒：质粒：游离于原核生物染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状DNA分子，即cccDNA(circular,covalently closed DNA)。质粒具有超螺旋结构，分子量一般在106108Da间，大小约为1%核基因组。携带有某些染色体上所没有的基因，赋予细胞某些特殊功能。严紧型复制控制：质粒的复制与核染色体复制同步。松弛型复制控制：质粒的复制与核染色体复制不同步。质粒消除(curing或elinination)：含质粒的细胞在正常培养基上遇化学、物理因素处理时，质粒的复制受到抑制而核染色体的复制继续进行，子代细胞中质粒消除。附加体(episome)：某些质粒具有与核染色体整合、脱离的功能，这类质粒称附加体。3、染色体水平：（1）染色体数：不同生物染色体数差别很大，包括人类在内的一批代表性真核生物和原核生物的染色体数及其基因组大小。（2）染色体倍数：指同意细胞中相同染色体的套数。（3）双倍体：一个细胞中含有两套功能相同的染色体。（4）合子：由两个单倍体细胞通过结合形成的。4、核酸水平：（1）核酸种类：绝大数生物的遗传物质是DNA，只是部分病毒，包括多数植物病毒和少数噬菌体等的遗传物质才是RNA。（2）核酸结构：绝大数微生物的DNA是双链的，只有少数病毒的DNA是单链。（3）DNA长度：即基因组的大小，一般可用bp（碱基对）、kb（千碱基对）和Mb（兆碱基对）作单位。5、基因水平：（1）基因：是生物体内一切具有自主复制能力的最小遗传功能单位，其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段。（2）结构基因：是决定某一多肽链结构的DNA模板，它是通过转录和翻译过程来执行多肽链合成任务的。（3）操纵基因：是位于启动基因和结构基因之间的一段核苷酸序列，它与结果基因紧密哦连锁在一起，通过与阻遏物的结合与否，控制结构基因是否转录。（4）启动基因：是一种依赖于DNA德RNA多聚酶所识别的核苷酸序列，它既是DNA多聚酶的结合部位，又是转录的起始位点。（5）操纵子（operon）：由功能上密切相关且前后相连的结构基因及其共同的转录控制区（启动子P、操作基因等）的核苷酸序列构成。注：所以操纵基因和启动基因既不能转录出mRNA，也不能产生任何基因产物。注：真核生物的基因与原核生物的基因有许多不同处，最明显的是它们一般无操纵子结构，存在着大量不编码序列和重复序列，转录与翻译在细胞中有空间分隔，以及基因被许多物编码功能的内含子阻隔，从而使编码序列变成不连续的外显子状态。注：一般规范化的符号表示基因名称，一般都用3个小写英文字母表示，且应排成斜体；若同一基因有不同位点，可在基因符号后加一正体大写字母或数字。基因表达产物蛋白质的名称，一般用3个大写英文字母表示，并必须用正体；抗性基因，一般吧“抗”用大写R注在基因符号的右上角。6、密码水平：（1）遗传密码：是指DNA链上决定咯具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。遗传密码的信息单位是密码子，每一个密码子由3个核苷酸序列即1个三联体所组成。7、核苷酸水平：（1）每个碱基对的平均相对分子量约650；（2）1106的dsDNA约1.5kb或0.5m；（3）3nmol碱基的重量约等于1g。三、微生物的基因组结构 原核微生物的基因组（大肠杆菌）1、染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；注1：链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式存在于细胞中，该小体称为拟核(nucliod)，其上结合有类组蛋白的蛋白质和少量RNA分子，使其压缩成一种手脚架形的致密结构。2、基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数；3、一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。注2：原核微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质、RNA；用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。4、染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；5、基因组上遗传信息具有连续性；6、结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；7、基因组的重复序列少而短。注3：古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统(复制、转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生物。 真核微生物的基因组（啤酒酵母） 1）典型的真核染色体结构；如啤酒酵母基因组大小为13.5106bp，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）和内含子序列；4）重复序列多；四、质粒质粒（plasmid）：是细胞中除染色体以外的遗传因子。注：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。 质粒的分子结构：通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；细胞内的质粒分子可以有三种不同的构型；质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；（细菌质粒多在10kb以内） 质粒的主要类型：1、根据质粒拷贝数进行分类高拷贝数(high copy number)质粒（每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝）松弛型质粒(relaxed plasmid)低拷贝数(low copy number)质粒（每个宿主细胞中可以有1-4个拷贝）严谨型质粒(stringent plasmid)2、根据质粒宿主范围进行分类窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid)（只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒(broad host range plasmid)（可以在许多种细菌中复制） 质粒的主要类型：1、致育因子(Fertility factor，F因子)：又称F质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。注：F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。2、抗性因子（Resistance factor，R因子）：包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。注：抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。3、产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）：由细菌产生的、能够抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的蛋白质类代谢产物。细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因。注1：一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。注2：由G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G+细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。4、毒性质粒（virulence plasmid）：许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。（1）产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒；（2）苏云金杆菌含有编码内毒素(伴孢晶体中)的质粒；（3）根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子。5、代谢质粒（Metabolic plasmid）：质粒上携带有利于微生物生存的基因，使细胞能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。（1）降解质粒：将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，在环境保护方面具有重要的意义。（2）假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4-dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。6、隐秘质粒（cryptic plasmid）：隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。注：在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因） 有关质粒的功能：1、质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；2、在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。 质粒的不亲和性（Incompatibility）：不同种类的质粒在同一细胞中不能长期共存的特性。不亲和群（Incompatibility group）：能在同一细胞中并存的质粒属于不同的不亲和群；而在同一细胞中不能并存的质粒属于同一不亲和群；注：质粒之间的不亲和性、以及质粒拷贝数的多少、能适应的宿主范围的宽窄等特性均与质粒的复制控制类型有关，欲了解详细内容请参阅相关专著。第二节 基因突变与诱变育种基因突变(Gene mutation)：简称突变，是变异的一种，泛指细胞内（或病毒颗粒内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。注1：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，可自发或诱导产生。（点）突变：仅影响一对碱基染色体畸变：影响一段染色体注2：基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因转移、基因重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。一、突变类型：突变产生的原因、机制以及突变株的表型进行分类1、自发突变：环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等而导致。一般频率较低，通常为10-6-10-9 。2、诱变：某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接作用，突变以较高的频率产生。（1）点突变：碱基置换（转换、巅换）；移码突变（缺失、添加）；（2）染色体畸变：缺失添加（重复、插入）易位倒位3、不同的碱基变化对遗传信息改变的作用是不同的（1）同义突变：某个碱基的变化没有改变产物氨基酸序列的密码子变化密码子的简并性；（2）错义突变：碱基序列的改变引起产物氨基酸序列的改变；（3）无义突变：某个碱基的改变，使代表某种氨基酸的密码子改变成蛋白质合成的终止密码子（UAA，UAG，UGA）。蛋白质的合成提前终止，产生截短的蛋白质；（4）移码突变：DNA序列中发生核苷酸的缺失或插入，使翻译的阅读框发生改变，从而导致从改变以后的氨基酸序列的完全变化。4、突变株的表型（1）选择性突变株：营养缺陷型（auxotroph）：因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子（包括氨基酸、维生素、碱基等），因而不能在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。注：营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段。表型判断的标准：在基本培养基上能否生长。特点：在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长。营养缺陷型的表示方法：基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC（组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变）表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC。注：在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。抗药性突变型（resistant mutant）：因发生基因突变而产生的对某化学药物或致死物理因子的抗性变异类型。特点：正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得-在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）表示方法：所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”或“s”表示，如strr 和 strs 分别表示对链霉素的抗性和敏感性条件致死突变型（conditional lethal mutant）：因基因突变而使得在某种条件下可正常生长繁殖并呈现其固有的表型特征，而在另一条件下却无法生长繁殖的变异类型。注：常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts（temperaturesensitive）表示，这类突变在高温下（如42）是致死的，但可以在低温（如25-30）下得到这种突变。特点：负选择标记。这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因。形态突变型（morphological mutant）：由于基因突变而造成个体或菌落形态改变的变异类型。特点：非选择性突变，突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。举例：产蛋白酶缺陷突变株的筛选；菌落颜色变化；形成芽孢缺陷菌株；细胞水平上的形态突变，突变株的检出更加困难。产量突变型（Metabolite quantitative mutant)：通过突变使得代谢产物在产量上明显发生变化的变异类型。两种情况：正变株：产量显著高于原始株；负变株：产量显著低于原始株二、基因突变的特点：1）非对应性；2）稀有性通常自发突变率在10-610-9；3）独立性；4）遗传性；5）可逆性；6）自发性；7）可诱变性。三、突变机制： 诱发突变(Induced mutation)：又称诱变，指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因突变频率的手段。1、很多种化学物质，能以各种机制导致DNA的突变a）利用各种诱变剂获得各类遗传突变，进行诱变育种；b）对有害微生物进行控制；c）危害人类自身的健康。2、机理1：诱变剂引起碱基置换（1）直接引起置换：可直接与核酸的碱基发生化学反应，在体内、体外均有作用。如亚硝酸，羟胺，各种烷化剂等 主要引起碱基转换（2）间接引起置换：通过活细胞的代谢活动掺入到DNA中。如5-溴尿嘧啶（5-BU），5-氨基尿嘧啶等碱基类似物引起碱基置换3、机理2：诱变剂引起移码突变一些结构与一个嘌呤-嘧啶对相似的平面型三环分子嵌入两个相邻的DNA碱基对之间。链上增添或缺失一个碱基。如吖啶类染料：原黄素，吖啶黄，吖啶橙以及一些由烷化剂和吖啶类化合物相结合的化合物（“ICR”类化合物）4、机理3：诱变剂引起染色体畸变，缺失、重复、插入、异位、倒位、染色体数量的变化。特别提出两点：(1) “生物化学统一性”法则：(2) 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注：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。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5、回复突变(reverse mutation或back mutation)：突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变 自发突变(Spontaneous mutation)：是指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。1、背景辐射和环境因素的诱变：各种短波辐射或高温诱变效应2、微生物自身有害代谢产物的诱变效应：如过氧化氢等内源性诱变剂3、碱基的互变异构效应4、环出效应四、紫外线对DNA的损伤及其修复1、DNA 损伤：微生物经过紫外线照射，局部DNA分子无法配对，造成微生物死亡或突变。2、DNA损伤的修复：（1）光复活作用(Photoreactivation, Photorestoration)：把经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下时，就可以出现明显降低其死亡率的现象。（2）切除修复：又称暗修复，是一种不依赖可见光，只通过酶切作用去除嘧啶二聚体，随后重新合成一段正常DNA链的核酸修复方式。五、诱变育种：是指利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，提高基因的随机突变频率并采用简便、快速、高效的筛选方法获得所需目的菌株的过程。1、意义可获得供工业和实验室应用的各种菌株：（1）生产角度大幅度提高有用代谢产物的产量，提高产品质量、扩大品种和简化工艺等；（2）选育方法简便易行、条件和设备要求较低。2、诱变育种的一般步骤：诱变筛选高产的实现3、诱变育种的基本环节4、诱变育种的原则：选择简便有效的诱变剂；选择优良的出发菌株；处理单孢子悬液；选择最适剂量；利用复合处理的协同效应；利用和创造与形态、生理、产量等相关的指标。5、营养缺陷型的筛选（1）与缺陷型筛选有关的三类培养基：-基本培养基(MM)：野生型能长，最低营养成分的合成培养基+完全培养基(CM)：天然培养基，各种营养缺陷型都能生长A补充培养基(SM)：基本培养基+补充成分，相应的缺陷型能生长基本培养基（Minimum medium, MM）：-，仅能满足某微生物的野生型菌株生长所需要的最低成分的组合培养基。完全培养基（Complete medium, CM）：+，凡能满足一切营养缺陷型菌株的营养需要的天然或半组合培养基。补充培养基（Supplemental medium, SM）：A或B，凡能满足相应的营养缺陷型突变株生长需要的组合或半组合培养基。（2）与缺陷型突变有关的三类一种型：营养缺陷型（Auxotroph）：A+B-或A-B+或A-B-，野生型菌株经诱变剂处理后，由于发生了丧失某酶合成能力的突变，因而只能在加有该酶合成产物的培养基中才能生长的一类突变菌株。野生型（Wild type, Wild strain）：A+B+，指从自然界分离到的任何微生物在其发生认为营养缺陷突变前的原始菌株。原养型（Wild type, Wild strain）：A+B+，一般指营养缺陷型突变株经回复突变或重组后产生的、营养要求在表型上与野生型相同的菌株。（3）营养缺陷型的筛选方法：营养缺陷型的诱发淘汰野生型菌株营养缺陷型的检出营养缺陷型的鉴定6、营养缺陷型的应用：（1）在生产实践中用于工业微生物育种：协助解除代谢反馈调控机制，从而达到大量积累代谢产物；作为生产菌种杂交、重组育种时的遗传标记；（2）在基础理论研究中，常作为转化、转导、原生质体融合、质粒和转座因子等研究中的标记。第三节 基因重组和杂交育种基因重组（Gene recombination)：又称遗传重组（Genetic recombination)，简称重组。是指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。是遗传物质(核酸)在分子水平上的杂交。一、原核微生物的基因重组方式：转化、转导、接合、原生质体融合。(一) 转化转化(Transformation)：受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得后者部分遗传形状的现象。转化子：通过转化作用形成的杂种后代，称为转化子1、转化的必备条件（1）转化因子：离体的DNA片段或游离的质粒（2）感受态细胞：具有摄取外源DNA能力的细胞（3）感受态：易于接受外源DNA片段并能实现转化的一种细胞生理状态。2、转化的种类：（1）自然转化（natural transformation）自然感受态：细胞感受态的出现是细胞在一定生长阶段的生理特性，受细菌自身的基因控制；（2）人工转化（artificial transformation）人工感受态：是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNA的能力，或人为地将DNA导入细胞内。（该过程与细菌自身的遗传控制无关！）3、自然转化自然转化过程的特点：a）对核酸酶敏感；b）不需要活的DNA给体细胞；c）转化是否成功及转化效率的高低主要取决于给体菌株和受体菌株之间的亲源关系；d）通常情况下质粒的自然转化效率要低得多；4、人工转化：在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基因重组手段，是基因工程的奠基石和基础技术。不是由细菌自身的基因所控制；注：用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地处于一种可以摄取外源DNA的“人工感受态”。常用的人工转化手段：用CaCl2处理及电穿孔等。质粒的转化效率高。5、一类特殊的转化现象：转染(transfection)：噬菌体DNA被感受态细胞摄取并产生有活性的病毒颗粒的现象说明两点：游离的（提纯的）噬菌体DNA以转化的（而非感染）途径进入细胞并表达后产生完整的病毒颗粒。现在把DNA转移至动物细胞的过程也称转染（二）转导（transduction）转导：细菌细胞间进行遗传交换的另一种方式，指通过缺陷噬菌体的媒介，将供体细胞的小片段DNA携带到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象。转导子：由转导作用获得部分新性状的重组细胞转导噬菌体：能将一个宿主（细菌）的部分染色体或质粒DNA带到另一个宿主（细菌）的噬菌体1、普遍转导（generalized transduction）：通过少数完全缺陷噬菌体对供体菌基因组上任何小片段进行“误包”而将其遗传性状转移给受体菌的现象。注：噬菌体的DNA包装酶酶也能识别染色体DNA上类似pac的位点并进行切割，以“headful”的包装机制包装进P22噬菌体外壳，形成只含宿主DNA的转导噬菌体颗粒（假噬菌体）。因为染色体上的pac与P22 DNA的pac序列不完全相同，利用效率较低，这种“错装”机率一般仅约10-6-10-8（1）普遍转导的基本要求：形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是烈性的，但必须具有能偶尔识别宿主DNA的包装机制并在宿主基因组完全降解以前进行包装。（2）普遍转导的三种后果：转导DNA不能进行重组和复制，但其携带的基因可经过转录而得到表达。进入受体的外源DNA通过与细胞染色体重组交换而形成稳定的转导子。外源DNA被降解，转导失败。注：DNA不能复制，因此群体中仅一个细胞含有DNA，而其它细胞只能得到其基因产物。特点：在选择培养基平板上形成微小菌落2、局限性转导：也称局限转导，指通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并与后者的基因整合、重组形成转导子的现象。过程：温和噬菌体感染整合到细菌染色体的特定位点上溶源菌因诱导而发生裂解时，在前噬菌体二侧的少数宿主基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体DNA上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中特点：只局限于传递供体菌核染色体上的个别特定基因，一般为噬菌体整合位点两侧的基因；该特定基因由部分缺陷的温和噬菌体携带；缺陷噬菌体的产生要通过UV等因素对溶源菌的诱导并产生裂解后才产生；缺陷噬菌体的形成方式是由于它在脱离宿主核染色体过程中发生低频率的误切或由于双重溶源菌的裂解而形成；注：缺陷噬菌体在宿主细胞内能够象正常的DNA分子一样进行复制、包装，提供所需要的裂解功能，形成转导颗粒。但没有正常噬菌体的溶源性和增殖能力，感染受体细胞后，通过DNA整合进宿主染色体而形成稳定的转导子。注：局限性转导与普遍性转导的主要区别：a）被转导的基因共价地与噬菌体DNA连接，与噬菌体DNA一起 进行复制、包装以及被导入受体细胞中。而普遍性转导包装的可能全部是宿主菌的基因。b）局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因导入受体，故称为局限性转导。而普遍性转导携带的宿主基因具有随机性。（三） 接合 (conjugation)：通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程。1、接合机制：以大肠杆菌为例，接合作用由F因子介导，F因子的分子量通常为5107，上面有编码细菌产生性菌毛（sex pili）及控制接合过程进行的20多个基因。含有F因子的细胞：“雄性”菌株(F+)，其细胞表面有性菌毛；不含F因子的细胞：“雌性”菌株(F-)，细胞表面没有性菌毛。注：F因子为附加体质粒，既可脱离染色体在细胞内独立存在，也可插入（整合）到染色体上。2、大肠杆菌的四种细胞形式a）F-菌株， 不含F因子，没有性菌毛，但可以通过 接合作用接收F因子而变成雄性菌株（F+）；b）F+菌株， F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。c）Hfr菌株，F因子插入到染色体DNA上，细胞表面有性菌毛。d）F菌株，Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，特称为F 因子。 细胞表面同样有性菌毛。3、F+F-杂交：F+菌株的F因子向F-细胞转移，但含F因子的宿主细胞的染色体DNA一般不被转移。杂交的结果：给体细胞和受体细胞均成为F+细胞，理化因子的处理可将F因子消除而使F+菌株变成F-菌株。4、Hfr F-杂交：Hfr菌株的F因子插入到染色体DNA上，因此只要发生接合转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F-细胞并发生重组，由此而得名为高频重组菌株。(四) 原生质体融合：通过人为的方法使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程。特点：重组频率高，达到10-1；应用范围宽，可种内、种间、科间及更远源的微生物及高等生物间。 原核微生物的基因重组特点：片段性：仅一小段DNA序列参与重组单向性：从供体菌向受体菌（或从供体基因组向受体基因组）作单方向转移转移机制独特而多样：转化、转导、接合、原生质体融合 真核微生物的基因重组1、 有性杂交：是指不同遗传型的两性细胞间发生的接合和随之进行的染色体重组，进而产生新遗传型后代的一种育种技术。杂交：是指在细胞水平上的一种遗传重组方式。2、准性生殖（Parasexual reproduction, Parasexuality）：是一种类似于有性生殖，但比有性生殖更为原始的两性生殖方式，是指一种在同种而不同菌株的体细胞间发生的融合，它不借减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子。注：自然条件下，真核微生物体细胞间的一种自发性的原生质体融合现象。过程：菌丝联结形成异核体核融合体细胞交换和单倍体化(五)基因定位和基因组测序1、基因定位：通过遗传重组等手段确定不同的基因在染色体上的位置及相对距离，从而获得遗传图谱。2、基因组测序：测定待测生物基因组的所有碱基排列顺序，并在此基础上对遗传信息进行研究和分析。3、中断杂交（interrupted mating）技术：利用HfrF-的接合过程，在不同时间取样，并把样品猛烈搅拌以分散接合中的细菌，然后分析受体细菌基因型，以时间(分钟)为单位绘制遗传图谱，该图谱是细菌染色体上基因顺序的直接反映。4、基因连锁：接合作用（中断杂交）作图只能判断相距较远的基因间的相对位置；转导、转化则可用于对相隔很近的基因进行定位；注：连锁的二基因间的距离与其共转化，或共转导的频率成反比，因此，可根据二个基因被共转化或共转导的频率判断它们在染色体上的相对距离。第四节 菌种的衰退、复壮和保藏影响微生物菌种稳定性的因素：变异、污染、死亡一、菌种的衰退与复壮菌种衰退的特点：大量群体中的自发突变菌种的复壮：1） 从衰退的菌种群体中把少数个体再找出来，重新获得具有原有典型性状的菌种。a） 纯种分离；b） 通过寄主体进行复壮；2）有意识地利用微生物会发生自发突变的特性，在日常的菌种维护工作中不断筛选“正变”个体。二、防止衰退的措施1）减少传代次数；2）创造良好的培养条件；3）经常进行纯种分离，并对相应性状指标进行检查；4）采用有效的菌种保藏方法；三、菌种保藏基本要求：在一定时间内使菌种不死、不变、不乱；基本手段：干燥、低温、缺氧、避光、缺乏营养、添加保护剂。注：由于微生物的多样性，不同的微生物往往对不同的保藏方法有不同的适应性，迄今为止尚没有一种方法能被证明对所有的微生物均适宜。因此，在具体选择保藏方法时必须对被保藏菌株的特性、保藏物的使用特点及现有条件等进行综合考虑。对于一些比较重要的微生物菌株，则要尽可能多的采用各种不同的手段进行保藏，以免因某种方法的失败而导致菌种的丧失。1. 微生物的遗传基因是什么？微生物的遗传信息是如何传递的？答：微生物的遗传基因是微生物体内储存传递信息的、有自我复制功能的单位。从分子遗传学的角度看，微生物的遗传信息是通过DNA将决定各种遗传性状的信息传递给子代的。2. DNA是如何复制的？何谓DNA的变性和复性？答：DNA的自我复制大致如下：首先是DNA分子中的两条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。新合成额一条多核苷酸链和原有的多核苷酸链又以氢键连接成新的双螺旋结构。当天然双链DNA受热或其他因素的作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链DNA，即称为DNA的变性。变性的DNA溶液经适当处理后重新形成天然DNA的过程叫复性。3. 微生物生长过程中蛋白质是如何合成的？细胞是如何分裂的？答：(1) DNA复制：首先，决定某种蛋白质分子结构的相应一段DNA链的自我复制。(2) 转录mRNA：转录是双链DNA分开，以它其中一条单链为模板遵循碱基配对的原则转录出一条mRNA。新转录的mDNA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。转录后，mRNA的顺序又通过三联密码子的方式由tRNA翻译成相应的氨基酸排列顺序，产生具有不同生理特性的功能蛋白。(3) 翻译：翻译由tRNA完成，tRNA链上有反密码子与mRNA链上对氨基酸顺序编码的核苷酸碱基顺序互补。tRNA具有特定识别作用的两端：tRNA的一端识别特定的氨基酸，并与之暂时结合形成氨基酸-tRNA的结合分子。另一端上有三个核苷酸碱基顺序组成的反密码子。它识别mRNA上的互补的三联密码子，并与之暂时结合。(4) 蛋白质合成：通过两端的识别作用，把特定氨基酸转送到核糖体上，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，多肽链通过高度折叠形成特定的蛋白质结构，最终产生具有不同生理特性的功能蛋白。由于DNA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膈膜并逐渐内陷，最终将两个子细胞分开，细胞分裂完成。4. 微生物变异的实质是什么？微生物突变类型有几种？变异表现在哪些方面？答：微生物变异的实质是基因突变。突变的类型有自发突变和诱发突变。表现在个体形态的变异、菌落形态的变异、营养要求的变异、对温度，pH要求的变异，毒力的变异，抵抗能力的变异，生理生化特性的变异以及代谢途径产物的变异等。5. 废水处理中变异现象有哪几方面？答：废水处理中变异现象有：有营养要求的变异；对温度，pH要求的变异；对毒物的耐毒能力的变异；个体形态和菌落形态的变异及代谢途径产物的变异等。6. 什么叫定向培育和驯化？答：定向培育是人为用某一特定环境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。定向培育在环境工程中称为驯化。17. 试述紫外辐射杀菌的作用机理。答：紫外辐射的波长范围是200390nm，紫外辐射对微生物有致死作用是由于微生物细胞中的核酸、嘌呤、嘧啶、及蛋白质对紫外辐射有特别强的吸收能力。DNA和RNA对紫外辐射的吸收峰在260nm处，蛋白质对紫外辐射的吸收峰在280nm处.紫外辐射能引起DNA链上两个邻近的胸腺嘧啶分子形成胸腺嘧啶二聚体，致使DNA不能复制，导致微生物死亡。8. DNA损伤修复有几种形式？各自如何修复？答：(1) 光复活和暗复活：一部分损伤的DNA在蓝色区域可见光处，尤其510nm波长的光照的条件下，DNA修复酶将损伤区域两端的磷酸酯键水解，切割受损的DNA，将新的核苷酸插入，由连接好形成正常的DNA，这叫光复活。受损伤的DNA也可能在黑暗时被修复成正常的DNA。这叫暗复活。(2) 切除修复：在有Mg和ATP存在的条件下，uvrABC核酸酶在同一条单链上的胸腺嘧啶二聚体两侧位置，将包括胸腺嘧啶二聚体内的有1213个核苷