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1、微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异 遗传和变异是一切生物体最本质遗传和变异是一切生物体最本质的属性之一。的属性之一。第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传第二节第二节 微生物的变异微生物的变异第三节第三节 遗传工程技术遗传工程技术微生物遗传变异的应用微生物遗传变异的应用 利用物理因素、化学药物处理微生物提高利用物理因素、化学药物处理微生物提高其变异频率，可获得具有优异特性的变异其变异频率，可获得具有优异特性的变异菌株。菌株。工业废水生物处理中，可以用含有某些污工业废水生物处理中，可以用含有某些污染物的废水筛选、培养菌种，使其适应并染物的废水筛选、培养菌种，使其适应并有高效降解其中污染物能力。
2、有高效降解其中污染物能力。驯化驯化1.1.格里菲斯经典转化实验（格里菲斯经典转化实验（19281928）及埃弗里、麦克）及埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（19411941）。）。2.2.赫西和蔡斯大肠杆菌赫西和蔡斯大肠杆菌T2T2噬菌体感染大肠杆菌实验。噬菌体感染大肠杆菌实验。3.H.Fraenkel-Conrat3.H.Fraenkel-Conrat植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传 一、遗传和变异的物质基础一、遗传和变异的物质基础二、二、DNADNA的结构与复制的结构与复制最经典的结构：双螺旋结构。沃森、克
3、里克最经典的结构：双螺旋结构。沃森、克里克1953年年提出。提出。1.DNA的结构的结构DNA由两条核苷酸链彼此围绕同一根轴互相盘绕由两条核苷酸链彼此围绕同一根轴互相盘绕形成，为双螺旋结构。形成，为双螺旋结构。每个单链均由脱氧核糖磷酸脱氧核糖每个单链均由脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸交替排列构成。每个核苷酸链上都有四磷酸交替排列构成。每个核苷酸链上都有四个碱基：个碱基：T胸腺嘧啶胸腺嘧啶 A腺嘌呤腺嘌呤G鸟嘌呤鸟嘌呤 C胞嘧啶胞嘧啶彼此与另一条核苷酸链上的碱基组成碱基对：彼此与另一条核苷酸链上的碱基组成碱基对：TA AT GC CG碱基之间一一对应，顺序固定，可以保证遗碱基之间一一对应，顺序固定，可
4、以保证遗传的稳定性。传的稳定性。如果受到干扰，个别碱基排列顺序发生变化，如果受到干扰，个别碱基排列顺序发生变化，会导致微生物死亡或变异。会导致微生物死亡或变异。基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制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。它是在能力的遗传功能单位。它是在DNADNA分子上具有特分子上具有特定碱基顺序的片段。定碱基顺序的片段。2.2.基因基因細胞細胞染色体染色体DNA蛋白质蛋白质基因基因3.3.遗传信息的传递遗传信息的传递 贮存在贮存在DNADNA上的遗传信息都会转录到上的遗传信息都会转录到RNARNA上，上，通过通过RNARNA的翻译作用指导蛋白质
5、的合成，最终依靠的翻译作用指导蛋白质的合成，最终依靠蛋白质体现遗传性状。蛋白质体现遗传性状。遗传信息流动的方向遗传信息流动的方向:中心法则中心法则第二节第二节 微生物的变异微生物的变异 一、变异的实质基因突变一、变异的实质基因突变 基因突变基因突变（gene mutation）简称突变，是变异）简称突变，是变异的一种，指生物体内遗传物质的分子结构或数量的一种，指生物体内遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化。突变率常在突然发生的可遗传的变化。突变率常在10-810-9范围内。范围内。按突变的条件和原因划分，突变可分为：自发突按突变的条件和原因划分，突变可分为：自发突变和诱发突变。变和诱
6、发突变。二、定向育种和驯化 选育选育筛选筛选与与定向培育定向培育 筛选筛选“众里挑一众里挑一”原理：原理：优胜劣汰优胜劣汰方式：方式：选择性培养基选择性培养基（天然（天然+人工）人工）天然天然特殊区域采样特殊区域采样第三节第三节 遗传工程技术遗传工程技术基因重组基因重组两个不同性状的个体细胞的DNA融合，使基因重新组合，从而发生遗传变异，产生新品种。可通过杂交杂交、转化转化和转导转导等手段实现。质粒育种质粒育种通过质粒转移，使受体菌获得供体菌的功能质粒功能质粒。可用来培育优良菌种或获得多质粒超级细菌。基因工程基因工程是离体的分子水平上的基因重组，可实现远缘杂交的育种新技术。PCR技术技术PCR
7、（Polymerase chain reaction）称聚合酶链式反应，是DNA在体外扩增的技术。PCR操作步骤：操作步骤：（1）加热变性（）加热变性（9495，DNA变性变性5分钟，分钟，双链解为单链）双链解为单链）（2）退火（缓慢降温至）退火（缓慢降温至55，引物退火互补到，引物退火互补到单链单链DNA模板上）模板上）（3）延伸（）延伸（72，在，在DNA多聚酶和适当的条件多聚酶和适当的条件下，引物延伸和模板下，引物延伸和模板DNA结合。）结合。）上述步骤多次循环，达到上述步骤多次循环，达到DNA扩增的目的。扩增的目的。分子生物学方法可以直接探询微生物种群中我们感兴趣微生物的基因信息，而这
8、些信息是传统的分析方法不可能获得的。利用分子生物学方法可以省去对微生物的选择培养以及利用形态特征进行鉴定微生物存在的偏差。1 分子生物学方法可以提供新的信息分子生物学方法可以提供新的信息分子生物学方法的应用分子生物学方法的应用为了确定群落中的微生物在系统发育上为了确定群落中的微生物在系统发育上的身份，以的身份，以 rRNA（通常是（通常是16S rRNA）或用于编码或用于编码 rRNA 的基因为分子检测的的基因为分子检测的目标。目标。从环境样品中分离出从环境样品中分离出rRNA并用于微生并用于微生物系统发育、种类鉴定、多态性及多样物系统发育、种类鉴定、多态性及多样性研究的方法已经全面建立。性研
9、究的方法已经全面建立。目前常用的分子方法有:核酸分子杂交变性梯度凝胶电泳荧光原位杂交技术2 常用的分子生物学方法常用的分子生物学方法核酸分子杂交技术 探针是能与特定核苷酸序列发生特异性结合的己知碱基序列的核酸片段。可以是PCR产物或人工合成的寡核苷酸探针。探针既可用放射性核苷酸标记，也可用非放射性分子标记。核酸分子杂交的高度特异性以及检测方法的高度灵敏性，使核酸分子杂交技术广泛应用于检测环境中的微生物，并对它们的存在、分布、丰度和适应性等进行定性和定量分析。核酸杂交的主要步骤是核酸分子的变性和核酸杂交的主要步骤是核酸分子的变性和选择性退火。双链选择性退火。双链DNA或处于二级结构或处于二级结构
10、的的RNA分子通过变性回复到它们原来的分子通过变性回复到它们原来的单链、线性形式，从而使它们处于能与互单链、线性形式，从而使它们处于能与互补的核苷酸链退火杂交的状态。补的核苷酸链退火杂交的状态。变性梯度凝胶电泳法是一种使用日益广泛的方变性梯度凝胶电泳法是一种使用日益广泛的方法。法。DNA在含聚丙烯酰胺凝胶电泳池的一端。在含聚丙烯酰胺凝胶电泳池的一端。电泳池两端的电极形成一个电场，带负电的电泳池两端的电极形成一个电场，带负电的DNA向正极运动。向正极运动。DNA分子的移动速率取决于分子的移动速率取决于其分子大小与带电量之间的比值，因此，不同其分子大小与带电量之间的比值，因此，不同的的DNA分子运
11、动到两个电极之间的不同位置上分子运动到两个电极之间的不同位置上停下，从而形成具有指纹作用的停下，从而形成具有指纹作用的DNA带。将带。将DNA带从凝胶中分离出来，可以进行进一步的带从凝胶中分离出来，可以进行进一步的扩增及测序。扩增及测序。变性梯度凝胶电泳法变性梯度凝胶电泳法一些复杂系统中实际的微生物种群组成不能一些复杂系统中实际的微生物种群组成不能够仅仅根据够仅仅根据16S rRNA基因库来推测，而必基因库来推测，而必须根据定量荧光原位杂交分析结果来确定。须根据定量荧光原位杂交分析结果来确定。荧光原位杂交荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization,FISH)是在是在20世纪世纪80年代末在放射性原位杂交技术年代末在放射性原位杂交技术的基础上发展起来的一种非放射性分子细胞遗的基础上发展起来的一种非放射性分子细胞遗传技术传技术,以荧光标记取代同位素标记而形成的以荧光标记取代同位素标记而形成的一种新的原位杂交方法一种新的原位杂交方法。3 小结小结 利用分子生物方法可以原位研究废水生物处理过程中微生物群落的组成，跟踪活性污泥中一些起关键作用的微生物，为我们提供有关活性污泥中微生物种群的基因信息。这对于深刻理解废水生物处理的原理、提高处理系统的性能以及开发新的处理工艺极为重要。
