《微生物的遗传》PPT课件.ppt

环境工程微生物学 第十四讲,第六章 微生物的遗传和变异（1）,第六章 微生物的遗传和变异,遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。遗传就是指子代和亲代相似的现象；变异就是子代与亲代间的差异。遗传保证了种的存在和延续；而变异则推动了种的进化和发展。 遗传型又称基因型，指某一生物个体所含有全部遗传因子即基因的总和。它是一种内在潜力，只有在适当的环境条件下，通过自身的代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型。,表型是指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境下的具体体现。 变异是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。 由于微生物有一系列非常独特的生物学特性，因而在研究现代遗传学和其他许多重要的生物学基本理论问题中，微生物成为最热衷的研究对象。如：个体微小，结构简单；营养体一般都是单倍体；繁殖快；易于累积不同的中间代谢物；菌落形态可见性与多样性等。 对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展，而且还为育种工作提提供了丰富的理论基础，促使育种工作向着不自觉到自觉，从低效到高效，从随机到定向，从近缘杂交到远缘杂交等方向发展。,第一节 微生物的遗传 一、遗传和变异的物质基础DNA,亲代生物如何将遗传性状传给子代？从分子遗传学角度看，是亲代通过脱氧核糖核酸（DNA）将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的。子代有了一定结构的DNA，便产生一定形态结构的蛋白质，由一定结构的蛋白质就可决定子代具有一定形态结构和生理生化性质的遗传性状。 DNA是遗传物质基础。可通过1928年格里菲斯(F.Griffith)经典的转化大实验，加上1944年埃弗里(o.T.Avert) 等人的的转化补充实验，确切证明DNA是遗传和变异的物质基础。,1928年，Griffith进行了以下几组实验： （1）动物实验 对小鼠注射活R菌或死S菌 小鼠存活 对小鼠注射活S菌小鼠死亡 对小鼠注射活R菌和热死S菌 小鼠死亡 抽取心血分离活的S菌,一、证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验,（一）肺炎双球菌转化实验（transformation）：F.Griffith， 研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌） S型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有荚膜 R型菌株：无致病性，菌落表面粗糙，无荚膜,（2）细菌培养实验 热死S菌不生长 活R 菌长出R菌 热死S菌+活R 菌长出大量R菌和10-6S菌,（3）S型菌的无细胞抽提液试验 活R菌+S菌无细胞抽提液长出大量R菌和少量S菌,以上实验说明：加热杀死的S型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入R型细胞并使R型细胞获得稳定的遗传性状,加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以 外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖,活R菌,长出S菌,只有R菌,1944年O.T.Avery(埃弗里)、C.M.MacLeod(麦克劳德)和M。McCarty(麦卡蒂)从热死S型肺炎球菌 S.pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，在离体条件下进行了转化试验：,只有S型细菌的DNA才能将肺炎球菌 S.Pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。,2、噬菌体的感染实验 美国人（赫西） A. D. Hershey和（蔡斯）M.Chase， 1952年,将大肠杆菌E.coli分别培养在以放射性32PO43-或35SO42-作为磷源或硫源的组合培养基中，可以获得含32P-DNA的噬菌体或含35S-蛋白质的噬菌体。 将两种带有不同放射性的噬菌体分别感染寄主，10min后用捣碎器使噬菌体外壳脱离寄主细胞，离心后测定上清液和沉淀的放射性。 （1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀 （2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中所以，进入细胞的是噬菌体的核酸而不是蛋白质。,噬菌体的感染实验,3、烟草花叶病毒的拆开与重组实验,为了证明核酸是遗传物质，弗朗克康勒脱 H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。 将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。,选用烟草普通花叶病毒 (TMV)和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒： （1）RNA（TMV） 蛋白质（HRV） （2）RNA（HRV） 蛋白质（TMV） 用两种杂合病毒感染寄主： （1）表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子 （2）表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子。 上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。,二、DNA的结构与复制 （一）DNA的结构,DNA分子是由两条平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成的；DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连结，排列在外侧；碱基排列在内侧，两条链上的碱基通过氢键连结起来，形成碱基对，活像一个螺旋形的梯子，生命的遗传密码就刻在梯子的横档上。,DNA结构,DNA分子结构,DNA结构,A-T G-C配对,DNA就是脱氧核糖核酸（长链）,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,胸腺嘧啶（T）,胞嘧啶（C）,A,T,C,G,A,A,A,T,T,T,T,T,T,A,A,A,G,G,G,G,G,C,C,C,C,C,G,C,基因测序就是读出 A-C-G-T-G-G-A-C-G.,每条多核苷酸链上均有四种碱基的结构,核苷酸 的结构,1、DNA存在的形式 （1）核染色体 在真核微生物的细胞核中，DNA与RNA蛋白质结合在一起，形成染色体，外包有核膜，每一种真核微生物都有其固定的染色体数目。原核微生物的DNA或RNA在细胞内单独以裸露的核质体的形式存在。,1、DNA存在的形式,（2）质粒 质粒是独立于染色体外，存在于细胞质的核酸（DNA或RNA，环状或线状），在细胞中能独立进行复制，并表现一定的遗传特性，主要发现于原核微生物内，有些酵母菌也含有质粒。原核微生物的代表性质粒有致育因子、抗性因子、产细菌因子、诱癌质粒、巨大质粒、降解性质质粒等。,（2）质粒 致育因子（F因子） 又称两性因子，是小分子DNA，能以自身复制的环状分子存在于细菌染色体之外，也能整合到细菌染色体上。大肠杆菌的雌性菌株无F因子，称F菌株；雄性菌株F+菌株，其细胞中存在游离的F因子，细胞表面还有与F因子数目相当的性菌毛（F菌株菌毛）。若F因子整合在染色体上，则该菌株称为HFr菌株，即高频重组菌株。该菌株在与F菌株杂交时，比F+与F菌株所产生的遗传重组型要高103倍。HFr菌株中的F因子从染色体切离时，偶而会出现偏差，形成携带一小段细菌染色体基因的游离的F因子，谓F/因子。含F/因子的菌株称F/菌株。,（2）质粒 抗性因子（R因子） R因子携带的基因，能使宿主细胞产生抗多种药物的特性，如抗多种抗生素、紫外线、杀菌剂、重金属、磺胺类药物等。R因子也可携带与抗性无关的基因。其中最主要的是产生F和I菌毛的基因。R因子还携带使它们本身得以复制的基因和产生阻遏物的基因。一种质粒的阻遏物能阻止其他有关的质粒侵入，所以一种R因子的存在会抑制另一种R因子的侵入。R因子可作为筛选时的理想标记，也可用作基因载体。,（2）质粒 产细胞素因子 是与细菌素合成有关的质粒。细菌素是一类具有杀菌作用的蛋白质分子，绝大多数是单纯蛋白质，有些含有蛋白质和碳水化合物。它们与抗生素不同，只对产生细菌素细菌种内的其他菌株和关系密切的菌种即近缘菌有杀害作用。其作用为：影响DNA代谢，抑制DNA合成；抑制蛋白质合成；影响能量代谢等。细菌素是由产细菌因子编码的。大肠杆菌产细菌素因子称为大肠杆菌因子又称COL因子（Colicinogenic factor）。所产杀菌素称大肠杆菌素(Colicin)。,（2）质粒 诱癌质粒（Ti质粒） 根癌土壤杆菌侵入植物细胞并在其中溶解后，把细菌的DNA释入植物细胞中，含有复制基因的Ti质粒的小片断即与植物细胞中的核染体组发生整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，使之转变成癌细胞。当前Ti质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体。一些具有重要性状的外源基因可借DNA重组技术插入到Ti质粒中，进一步整合到植物染色体上，以改变该植物的遗传性，培育优良品种。,（2）质粒 巨大质粒（mega质粒） 是近年来在根瘤菌属中发现的一种质粒，比一般质粒大几十倍到几百倍，其上有一系列固氮基团。 降解性质粒 降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌难以分解的物质作为碳源。,2、基因遗传因子,基因是具有特定核苷酸顺序的核酸区段，是生物体内具有自主复制能力的遗传功能单位。 原核生物的基因调控系统是由一个操纵子和它的调节基因组成的。一个操纵子包含三种基因，第一种是结构基因，编码蛋白和酶的结构，但tRNA（转运RNA）和rRNA（核糖体RNA）基因不编码蛋白质。控制某种蛋白质或酶的合成。第二种是操纵区，它的功能像“开关”，操纵三个结构基因的表达。第三种是调节基因，它控制结构基因。先由调节基因决定一种阻抑蛋白质封闭操纵区的作用，使三个结构基因都不能表达，阻抑了酶的合成。 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。,3、遗传信息的传递,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现相应的遗传性状。不同细胞中DNA贮存的特定遗传信息是如何转化为不同细胞，又具有特定酶促作用的蛋白质？这是遗传信息传递的问题。 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。不论细胞生物还是非细胞生物，贮存的DNA的遗传信息都通过DNA转录为RNA，将遗传信息传给后代，并通过RNA的中间作用指导蛋白质的合成。只含RNA病毒其遗传信息贮存在RNA上，通过反转录酶的作用由RNA转录为DNA，这叫反向转录。从而将遗传信息传给后代。,（二）DNA的复制,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苷酸链。新合成的一条多苷酸链和原有的多苷酸链又以氢键连接成新的双螺旋结构。 DNA复制是在环上的一个点开始的，从复制点以恒定速率沿着DNA环移动，DNA多聚酶参与DNA复制。,细菌 DNA的复制,DNA复性,DNA的复制,G与C 、 A与T的配对（依靠氢键连接）,复制叉结构,DNA的滚环复制模式,切口,5,5,3,3,3,模板 新生链,新链连续复制,互补链合成,DNA链的延伸,三、DNA的变性和复性,（一）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。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变性。 除温度使DNA变性外，提高PH也使双链DNA变性的极好方法，当PH达11.3时，所有氢键消失，DNA完全变性。尿素和甲硫胺也可致使DNA变性。,（二）DNA复性 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。用高温使DNA变性后，再缓慢降低至自然温度，变性的DNA会复性成天然双链DNA。,四、RNA,RNA有四种：tRNA（转运RNA）;rRNA（核糖体RNA）;mRNA（信使RNA）和反义RNA。 它们均由DNA转录而成。DNA转录mRNA（信使RNA）的同时转录反义RNA。mRNA（信使RNA）作为多聚核苷酸的一级结构，其上带有指导氨基酸的信息密码（三联密码子），它翻译氨基酸，具转递遗传性的功能。,tRNA（转运RNA）上有和mRNA（信使RNA）互补的反密码子，能识别氨基酸及识别mRNA（信使RNA）上的密码子，在tRNA（转运RNA）氨基酸合成酶的作用下传递氨基酸。反义RNA起调节作用。决定mRNA（信使RNA）翻合成速度。rRNA（核糖体RNA）和蛋白质结合成的核糖体为合成蛋白质的场所。由mRNA（信使RNA）、tRNA（转运RNA）、反义RNA和rRNA（核糖体RNA）协作合成蛋白质。 反义RNA是能与DNA碱基互补，并能阻止、干扰复制转录和翻译的短小的RNA。,五、遗传密码 是指DNA链上的特定核苷酸排列顺序。每个密码子是由三个核苷酸（三联体）所决定的，它是负载遗传信息的基本单位。 微生物与其他高等的生物机体一样，在其生命活动中进行着许多生化反应，而这些反应是那样的互相协调和有节奏，使其对于变化了的环境有高度的适应能力。这一切都是由体内基因调控系统操纵着的。,六、微生物生长与蛋白质合成 微生物生长的主要活动是蛋白质的合成，同化的碳和消耗的能量有4/59/10直接或间接与蛋白质合成有关。蛋白质的合成在核糖体上进行，与RNA的复制及DNA复制有关。,蛋白质合成的过程有以下几个步骤：,1、DNA复制 其复制的过程与前述的DNA的复制相同。 2、转录mRNA（信使RNA） DNA的碱基排列顺序决定mRNA（信使RNA）核苷酸碱基的排列顺序叫转录。转录是双链DNA分开，以它其中一条单链（无义链）为模板遵循碱基配对的原则转录出一条mRNA（信使RNA）。新转录的mRNA（信使RNA）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。 DNA除转录mRNA（信使RNA）外，DNA分子的某些部分核苷酸碱基排列顺序还转录成反义RNA、tRNA（转运RNA）、rRNA（核糖体RNA）。