《微生物遗传与变异》PPT课件.ppt

第六章 微生物的遗传与变异,微生物的遗传,内容提要,微生物的变异及应用,基因重组,遗传（保守性、稳定性）:亲代与子代相似 “种瓜得瓜种豆得豆”,负面：？,“劣汰”,“优胜”,遗传和变异是生命的最本质特性之一,正面： 继承亲代优点，保持物种延续,不适应变化的环境条件而死亡,变异（多样性） : 亲代与子代、子代间不同个体不完全相同 “龙生九子，各不相同”,细菌变异形式 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。,第一节 微生物的遗传,一、遗传和变异的物质基础DNA,生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物遗传的物质基础是什么呢？ 答案是DNA，科学告诉我们，亲代将各种遗传性状通过DNA传递给了子代，子代获得DNA后形成一定的蛋白质，将遗传特性表现出来。,哪些人用什么方法最终证明了 遗传的物质基础是DNA呢？,1.格里菲斯经典转化实验（1928）及埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（1941）。 2.赫西和蔡斯大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌实验。,有 荚 膜 菌落光滑 分泌毒素 致病,无 荚 膜 菌落粗糙 无 毒 不致病,实验材料： 肺炎链球菌,（一）格里菲斯经典转化实验,无毒,杀死,杀死,转化现象,格里菲斯实验,无毒,？,？,埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验,从S型肺炎球菌活体上取得蛋白质、荚膜、DNA、RNA，分别与R型肺炎球菌混合后注入到小白鼠体内，结果被注入DNA的小白鼠死亡，其它小白鼠存活。,DNA 是 遗 传 物 质,只 有DNA引 起 R 型 肺 炎 球 菌 转 化,（二）赫西和蔡斯实验噬菌体侵染细菌的实验,（含S）,（含P）,含RNA(核糖核酸）的烟草花叶病毒（TMV)进行了植物病毒重建实验。 植物病毒蛋白质和RNA可以人为地分开, 同时又可把它们重新组合成具感染性的病毒粒子.,植物病毒的拆开与重建实验 H.Fraenkel-Conrat(1956),原始株 拆开 重建 感染 分离纯化,TMV- 烟草花叶病毒 HRV- 霍氏车前花叶病毒,二、DAN的结构与复制,（一）DNA结构 最经典的结构：双螺旋结构，沃森、克里克1953年提出。,3、每个核苷酸链上都有四个碱基： T胸腺嘧啶 A腺嘌呤 G鸟嘌呤 C胞嘧啶 彼此与另一条核苷酸链上的碱基组成碱基对：TA AT GC CG,1、DNA有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。,DNA分子结构,2、每个单链均由脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸交替排列构成。,特点：,1、DNA的存在形式,主要是染色体，另外还有质粒。,质粒,1、定义 质粒（plasmid）：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。 质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的； 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。,2、结构特点 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；,F因子 与有性接合有关,种类,R因子 与抗药性有关,CoL 编码免疫蛋白,Ti质粒 诱癌质粒,降解性质粒：编码降解有害物质的酶,用途 基因工程中作为目的基因载体,2、基因-遗传因子 生物体内贮存遗传信息、能进行自我复制能力的遗传功能单位。是DNA分子上的具有特定碱基排列顺序的核苷酸片断。 每个细菌约有500010000个基因。,基因是一段DNA,原核生物基因调控系统,R,P,O,结构基因,启动基因 操纵基因,调节基因,乳糖代谢基因表达调控 （环境中没有乳糖时的基因状态）,乳糖代谢基因表达调控 （环境中具有乳糖时的基因状态）,3、遗传信息的传递,贮存在DNA上的遗传信息都会转录到RNA上，通过RNA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。,（二） DNA的复制,微生物为了保证遗传的稳定性，DNA的复制十分精确。 复制过程： 1.解旋：DNA双链氢键断裂，双链分开； 2.复制：以各自双链为模板，进行复制。 3.分配：新复制的核苷酸链与原来的一条核苷酸链按照碱基配对原则形成新的双链结构并分给子代。,三、DNA的变性和复性 （一）DNA变性 DNA双链受到外界作用（受热、提高pH），氢键被破坏而形成单链的现象。,（二）DNA的复性 变性DNA重新形成天然DNA的过程。也称为退火。,注意：DNA的复性是随机的。及复性的DNA不可能完全回复到原来状态。,四、RNA 即核糖核酸。 RNA与DNA相似，不同之处是核糖及碱基。 RNA的碱基也有四个，为 U尿嘧啶（DNA为T：胸腺嘧啶） A腺嘌呤 G鸟嘌呤 C胞嘧啶 碱基对： UA AU GC CG,RNA有四种：tRNA、rRNA、mRNA、反义RNA。,rRNA：核糖体RNA，与蛋白质形成核糖体，作为蛋白质的合成场所。 mRNA：信使RNA，带有氨基酸的信息密码（三联密码子），用于翻译氨基酸。 tRNA：转移RNA，带有与mRNA互补的反密码子，能识别氨基酸和mRNA的密码。 反义RNA：起调节作用，主要决定mRNA的翻译速度。,。,五、蛋白质合成 共分成四个阶段 1.DNA的复制：细胞将某特定段DNA链进行复制。 2.mRNA的转录：DNA双链打开后，以单链为模板，按照碱基配对原则复制RNA。将DNA上的信息转给RNA。 3.翻译 由tRNA完成。通过反密码子与mRNA密码子的互补，tRNA破译氨基酸的密码，进而将所需氨基酸送到核糖体处。 4.蛋白质的合成 按照特定的碱基顺序密码送到核糖体的氨基酸按照顺序连接在一起，在酶的作用下形成多肽链，进而形成蛋白质，最终将遗传信息表达出来。,T,C,A,T,G,A,T,T,A,A,G,T,A,C,T,A,A,T,DNA的平面结构图,细胞核中,A,C,G,游离的核糖核苷酸,DNA 解旋，一条链为模板合成RNA,细胞核中,A,C,G,A,G,T,A,C,T,A,A,T,DNA与RNA的碱基互补配对,细胞核中,聚合酶,A,C,G,游离的核糖核苷酸,A,C,G,细胞质,核孔,DNA,mRNA在细胞核中合成,细胞核内,U,C,A,U,G,A,U,U,A,mRNA,U,C,A,U,G,A,U,U,A,mRNA,U,C,A,U,G,A,U,U,A,mRNA,细胞核内,密码子,密码子,密码子,密码子,mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基,U,C,A,U,G,A,U,A,mRNA,U,tRNA的一端运载着氨基酸,核糖体,细胞质中,核糖体,细胞质中,核糖体,亮氨酸,U,天冬氨酸,A,C,U,异亮氨酸,A,U,G,细胞质中,核糖体,亮氨酸,U,天冬氨酸,A,C,U,异亮氨酸,缩合,亮氨酸,天冬氨酸,异亮氨酸,以mRNA为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质,细胞质中,第二节 微生物的变异,一、变异的本质基因突变,DNA双链间靠精密的碱基配对互相连接。 但是，偶尔也会出现差错。如碱基丢失、 置换、插入。这样就改变了碱基的原有顺序， 引发后代的表现类型变异。 如: R型 S型。,复制传递的稳定性,遗传的保守性,复制传递的差错性,变异的多样性,DNA,二、基因突变类型,突变类型,自发突变,诱发突变,低剂量多因素突变,互变异构效应,物理诱变,化学诱变,定向培育和驯化,1 损伤机理,2 修复,光复活作用：把经紫外线照射的微生物立即暴露于可见光下，可显著降低其死亡率。 暗修复作用：切除修复，有四种酶参与分别是UVR、AUVRB、UVRC酶及DNA连 接酶,紫外线对DNA的损伤及修复,DNA的碱基对于UV敏感，当有UV辐射时，就会进行吸收，从而发生DNA结构变化。如：胸腺嘧啶聚会形成胸腺嘧啶二聚体。,细菌的选育与细菌的变异,选育筛选与定向培育 筛选“众里挑一”,定向培育“教育培训”,定向培育在水的生物处理俗称驯化。,(1)细菌的筛选方法,原理：优胜劣汰 方式：选择性培养基（天然+人工） 天然特殊区域采样 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。,驯化,选择性培养基（石油）浓度升高,筛选分离,2,3、4,1,4,小考,中考,高考,（2）细菌的驯化,渐变诱导法(休眠的酶基因复活+自然突变) 方法：,待降解物通常为有机毒物或惰性物。,5,选择性培养基（待降解物，如石油）浓度升高,5,n,大一 大四,死,筛选与诱导驯化可以同时进行 特点: 操作简便，驯化的潜力有限，慢。,结果,诱变剂：温度、紫外线、核辐射、酸、碱、化学诱变剂等等。,突变诱变法,引起基因突变的因素,评价,诱变法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。 参见 环境微生物学技术手册,通常生产上更多利用的是诱导法。 污泥培养初期逐步提高污水比例，有些菌种不能适应被淘汰(筛选)，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，且能力逐步提高，使废水达到预期的排放标准；,第三节 基因重组,概念：两个不同性状的细胞DNA融合，使基因重新组合，导致遗传变异，产生新品种的过程。,A形式 自发基因重组与人工基因重组 自发基因重组 a. 真核生物为杂交； 精卵细胞质融合过程中所有遗传物质的重组,b. 原核生物为转化、转导、接合； 部分遗传物质的转移和重组,提问：要获取国外的某些先进技术（部分基因）有哪些途径？,工业间谍 （地下工作者）的拿来主义,引进,合作开发,细菌亦然,1、转化,供体细菌研碎物中的DNA片段直接吸收进入活的受体细菌并发生基因重新组合的方式。,受体细菌获得了供体细菌的部分遗传性状“转运同化” 格里菲斯实验（证明DNA是生命遗传物质的经典实验之一）。,（引进）,引进,2.接合 （合作）,3.转导（间谍窃取） 间谍？ 噬菌体细菌病毒 通过噬菌体的携带而转移导手的基因重组现象称为转导。 转导是1951年辛德尔(Zinder)和莱德贝尔格(1Jederberg)在研究鼠沙门氏伤寒杆菌重组时发现的。,细菌有性生殖,特点：利用到温和噬菌体做载体，将供体特定基因携带给受体细胞，使后者得到前者部分遗传性状的现象。 注意：受体细胞和供体细胞不进行直接接触，靠的是温和噬菌体的媒介作用。,B.人工基因重组遗传工程,遗传工程是70年代初发展起来的生物技术。 定义：对遗传物质进行改造（人工干预下的杂交、转化、接合、转导）的技术。 工程：类似工程设计那样有很高的预见性、精确性与严密性。,a.遗传工程的方法,遗传工程方法包括两个水平的研究：一种是细胞水平；另一种是基因水平。所以，又可把它分为细胞工程和基因工程。 细胞工程两个细胞原生质体融合,基因工程两个细胞DNA片段剪接拼接,狭义的讲，遗传工程就是基因工程。 原理：限制性核酸内切酶,在特殊培养基上（如含有青霉素）筛选目的细菌,长出必然是重组成功的细菌,外源基因片段,b.遗传工程在环境工程中的应用,.降解石油的工程细菌 70年代美国生物学家查克捡巴蒂针对海洋输油，造成浮油污染，影响海洋生态等问题进行了研究。石油成分复杂，是由饱和、不饱和、直链、支链、芳香烃类组成，不溶于水。而海水含盐量高，虽发现90多种微生物有不同程度降解烃类的能力，但不一定能在海水中大量