7第七章2节微生物的遗传变异.ppt

1 第七章微生物的生长和遗传变异第二节微生物的遗传 遗传的物质基础及其存在形式 重点 遗传物质的复制 自学 遗传信息的传递和表达 自学 基因表达的调控 自学 2 遗传性 亲代性状在子代重现 使其子代的性状与亲代基本上一致的现象 同其他生物一样 微生物有其固有的遗传性 微生物的遗传是在系统发育过程中形成的 系统发育愈久的微生物 其遗传的保守程度愈大 越不易受外界环境条件的影响 老龄菌遗传保守程度比幼令菌大 高等生物遗传保守程度比低等生物大 一 遗传的基本概念 3 二 遗传的物质基础及其存在形式 遗传的物质基础一切生物遗传的物质基础是核酸 DNA 核酸的结构 双螺旋结构 2 遗传物质在细胞内存在部位和方式 1 细胞水平DNA集中在核质体中 真核微生物 细胞核 杆菌细胞内大多存在两个核质体 而球菌一般只有一个 4 2 细胞核水平 原核微生物 无核膜包裹 呈松散无定型状态 核基团不与蛋白质结合 真核微生物 有核膜 DNA与蛋白质结合 形成染色体 genome 核外染色体 能自主复制 广义上讲称质粒 plasmid 5 3 染色体水平 原核微生物 每一个核质体中只有一个裸露的 在光学显微镜下无法看到的环状染色体 真核微生物 往往有不同数目的染色体 酵母菌属 saccharomycs 17个 染色体的套数 只有一套相同功能的染色体时称之为单倍体 有两套时称双倍体 4 核酸水平 绝大多数的微生物的遗传物质为DNA 只有部分病毒才是RNA 6 5 基因水平 功能单位 基因 一切具有自主复制能力的遗传功能单位 是一核酸片段 一般含有1000bp 碱基对 基因的分类 调节基因 regulator 控制结构基因的活性 结构基因 structuregene 操纵基因 operator 启动基因 promotor 7 遗传密码 DNA上各个核苷酸的特定排列顺序 每个密码子有3个核苷酸顺序来决定 7 核苷酸水平 核苷酸 6 密码水平 信息单位 最低交换单位 突变单位 8 质粒 plasmid 定义 游离于染色体外 具有独立复制能力的小型共价闭合环状DNA分子 即cccDNA circularcovalentlyclosedDNA 多指原核生物 结构 具有超级螺旋结构 分子量106 108道尔顿 100 10000kbp 9 10 质粒的基本特性 可移动性 异种间转移GentherF J 1998 69种环境中的细菌中 38 能从实验室的细菌接受R因子 可整合性 可整合到染色体上可重组性可消除性 11 20世纪50年代在日本发现的一种质粒 从患痢疾但被抗生素治疗后的病人中分离出的痢疾志贺式菌中 而且能把抗药性转移到E coli 1 R因子 R质粒 R因子在细胞中的数目1 2 几十个 对多种抗生素有抗性 也可作为基因载体 具有R因子的细菌在自然界中的存活率高 12 2 F因子 Fertilityfactor 致育因子 性因子 是E coli中决定性别的质粒 62 106Da 94 5kbp 特点 有时能够插入染色体 使染色体的长度增长 13 3 降解性质粒 二甲苯质粒 XYL Xylene 辛烷质粒 OCT Octane 甲苯质粒 TOL Toluene 萘质粒 NAP Napthalene 樟脑质粒 CAM Camphor 水杨酸质粒 SAL Salicylate 在环保中有重要的意义 超级工程菌的获得 含有能降解复杂物质的基因 从而使细菌能降解难降解有机物 大多在假单胞菌属中发现 至今发现的主要降解质粒 以其所能分解的底物命名 14 4 细胞器DNA 真核微生物中 染色体之外的遗传物质的另一种存在形式 与其他物质一起构成细胞器 如 叶绿体 线粒体等 主要特性 结构复杂多样 功能不一 数目多少不一 自我复制 可消除性 一旦消失 后代细胞中不再出现 15 5 转座因子 可在染色体不同部位之间移动的DNA片断插入序列 能插入染色体或质粒的许多位点 并能改换位点转座子 能插入染色体或质粒的不同位点的一般 可以转移到不同的位点上 本身也可复制 大小位几个kb 16 第七章微生物的生长和遗传变异第三节微生物的变异 基因突变基因重组 17 变异 任何一种生物 亲代和子代之间在生理 形态方面都有一定的差异 这种现象叫变异 个体形态 菌落形态 生理生化特性 代谢产物 一 变异的基本概念 18 细菌易变异 细菌繁殖快 又与外界环境接触面积大 环境条件在短时期内对菌体产生大的影响 在受物理 化学因素影响后 易产生适应新环境的酶 诱导酶 等 从而改变原有的特性 即产生了变异 形态变异菌落形态变异生理生化特性变异 19 有目的地控制微生物的生长条件 使其向人类需要的方向变异 在污水生物处理中称为驯化 acclimation adaption 有毒有害废水 难降解废水处理 通过驯化 增强微生物的降解能力 提高处理效果 定向培育 20 二 基因变异 定义 微生物的遗传性状变化称变异 基因突变 自发突变 定义 DNA链上因碱基的缺乏 置换 插入而发生的碱基排列顺序的变化 从而导致表现型发生了可遗传的变化 这种现象叫基因突变 变异 基因突变的类型 21 点变异 一个或数个碱基发生变化 22 畸变 碱基片断发生变化 23 细菌基因突变的特点 无定向性 不对应性 稀有性 频率低10 5 10 10自发性独立性 各细胞 基因间的变异没有必要的联系稳定性 可遗传可逆性 回复突变 back reversemutation 诱变性 诱变剂可大大提高突变率 10 105倍 自发突变 诱发突变 诱变 诱变剂 mutagen 亚硝酸 紫外线 24 1 转化 transformation 供体的DNA片段 可在自然条件下产生 进入受体细胞内发生重组 受体细胞获得供体细胞的一部分遗传特性 无需细胞接触 细菌 放线菌 真菌中有转化现象 2 基因重组 定义 两个不同性状的个体细胞 细胞水平 其中一个细胞 供体 DNA与另一个细胞的DNA融合 使基因重新排列遗传给后代 产生新的遗传性状 称基因重组 25 26 F因子 降解性质粒可通过此形式传递 2 接合 conjugation 细胞直接接触而进行的基因重组 大肠杆菌的接合是通过性纤毛 中空 进行的 27 28 29 3 转导 transduction 通过噬菌体携带而转移的基因重组 无需细胞接触 在自然界中比较普遍 a 完全转导 completetransduction 30 b 局部转导 specializedtransduction 由部分缺陷的噬菌体把少数特定的基因携带到受体菌中 并获得转导的现象 4 原生质体融合 protoplastfusion 通过人为的方法使两个遗传性状不同的细胞的原生质体发生融合 得到同时具有双亲性状的 遗传稳定的融合子 fusion 该过程称原生质体融合 20世纪70年代 31 特点 1 重组频率 10 1 远远大于诱变育种 2 不同属 科间亦可融合 32 33 第七章微生物的生长和遗传变异第四节遗传工程 基因工程遗传工程及其在环境污染控制中的应用 34 一 基因工程 Geneticengineering 20世纪50年代 遗传物质的研究20世纪70年代 基因工程诞生 1 定义 用人为的方法把供体生物的DNA导入受体生物中 并在其中 安家落户 进行正常的复制 表达 从而获新物种的一种育种技术 是一种分子水平上的基因重组技术 35 用人为的方法 把供体生物的DNA大分子提取出来 在离体的条件下 用工具酶进行切割 之后把它与载体 vector 的DNA分子连接起来 然后与载体一起导入受体生物 2 步骤 36 具有自我复制能力 能在受体细胞内大量增殖 最好只有一个限制性内切酶的切口 使供体DNA接合在一定位置上 有一种选择性遗传标志 以便追踪 常用载体 细菌质粒 噬菌体 最常用 PBR322 抗四环素 青霉素性基因 表达抗药性可以用选择性培养基检出它们 37 重组载体引入受体细胞 最广泛被应用的是E coli Bacillussubtilis 枯草杆菌 引入方法 转化 质粒作载体 病毒感染 E coli一般不发生转化 但发现CaCl2能促进E coli对DNA的吸收 基因的体外重组 内切酶处理 两者混合在低温下 5 6 C 混合 退火 目的基因缝补上载体的缺口 动力 氢键作用而相互吸引并形成共价结合 38 39 3 基因工程在环境保护中的应用 工业上 高性能发酵微生物的育种 酶 抗生素的生产 农业上 固氮菌的基因转移到根系微生物或直接给植物 把降解木质素分解酶的基因转移导酵母菌使之能利用稻草 枯杆等生产酒精 改良农作物 医疗上 遗传病的治疗等 40 几点注意 工程菌的成果只是一株带有新性状的 工程菌 只有通过微生物工程才能实现它的经济与社会效益 DNA供体主要来源于微生物 基因工程菌存在的问题 安全性混合培养系中的生存性降解能力的安定性大规模培养技术 41 第七章微生物的生长和遗传变异第五节微生物的驯化与保藏 微生物的驯化微生物的保藏与复壮 42 一 微生物的驯化 污染物的生物降解曲线 生物降解过程中污染物浓度随时间的变化 微生物的 驯化 现象 驯化 是获得高效微生物 群 的有效方法 43 1 驯化的定义 Acclimation adaptation 一般 获得新的能力的过程 新的分解能力 抗有毒物质能力 狭义 获得新的降解能力的过程 使微生物接触待分解的化合物 给予适宜的营养和环境条件 进行培养 驯化操作 44 驯化周期 时间 污染物降解曲线 建议 从驯化开始到降解能力达到最大时所需的时间 一般指从驯化操作开始到获得新的降解能所需要的时间 45 2 驯化的机理 生物降解的必要条件 驯化 从不能满足以上三个条件 到满足三个条件的过程 驯化机理 获得所需的基因 变异 基因重组 降解酶的诱导或抑制作用的解除 降解微生物的的高浓度化 选择性繁殖 46 1 新基因的获得 降解基因的传递 几率更小 水处理中一般发生驯化的现象很多 所以很难用 突变 来解释 2 诱导酶的激活或抑制剂的解除 抑制系的解除一般只需要2 5分 而驯化周期一般几天到几个月 很难全部用诱导酶解释 47 3 降解微生物的高浓度化 基因突变不可能同时产生大量变异细胞 微生物的高浓度化是重要的步骤 质粒的传递速度 供体浓度D douor g l 受体浓度R recipient g l 转移体浓度T transconjugant g l 高浓度化的途径 48 c 转移体的损失速度 a 从供体到受体的传递速度 b 从转移体到受体的传递速度 49 DMF驯化过程中微生物的选择性生长和群落结构的变化 50 Experimentalconditions 1 Cultivationofbiofilminthebiofilter 2 Theartificialwastewatercomposedfromglucoseandpeptone 1 1 w w 3 Dimethylformamide 4 Dissolvedorganiccarbon 51 TimecoursesofDMFremovalefficiency REDMF andtheremovalrateofDMFperunitvolumeofthebiofilter rDMF intheacclimationofbiofilmtoDMF 52 CorrelationofthespecificDMFremovalrate uDMFandthemolarfractionofpredominantquinones 53 Analysisofthechangeinmicrobialdiversity 54 Classificationofthemicrobialcommunitybasedonthedissimilarityofquinoneprofiles 55 3 影响驯化的因素 1 驯化操作方