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1、环 境 微 生 物 学第七章 微生物的遗传与变异uu 微生物的遗传微生物的遗传uu 微生物的变异微生物的变异uu 基因重组基因重组uu 突变体的检测与筛选突变体的检测与筛选uu 分子遗传学新技术在环分子遗传学新技术在环境工程与环境保护中的应用境工程与环境保护中的应用1.种瓜得瓜，种豆得豆； 2.龙生龙，凤生凤，老鼠儿子会打洞 ； 3.虎父无犬子； 4.一母生九子，母子十不同。请大家想一想，与遗传 变异有关的俗语或谚语 有哪些？第七章 微生物的遗传与变异第七章 微生物的遗传与变异遗传（heredity）和变异（variation）是生物界最本质的属性之一。在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品及
2、微生物污染治理过程中，要想有效地大幅度提高产品的产量、质量和处理效果，首先必须选育优良的生产菌种，才能达到目的。而优良菌种的选育是在微生物遗传变异的基础上进行的。遗传和变异是相互关联，同时又相互矛盾对立的两个方面，在一定条件下，二者是相互转化的。认识和掌握微生物遗传变异的规律是搞好菌种选育的关键。第七章 微生物的遗传与变异u遗传：微生物在繁殖延续后代的过程中，亲代与子代之间在形态、结构、生态、生理生化特性等方面具有一定的相似性，称为微生物的遗传。u遗传的保守性：相对稳定有利：选育出的优良菌种属性稳定地遗传。不利：环境条件改变，微生物会不适应外界环境条件。u保持物种延续。第七章 微生物的遗传与变
3、异u变异：在微生物繁殖过程中，在世代之间、同代个体之间存在差异的现象，称为变异。u变异的多样性个体形态的变化，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。第七章 微生物的遗传与变异u意义：遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素育种环境保护领域u两者关系：遗传是相对的，变异是绝对的，遗传中有变异，变异中有遗传，遗传和变异的辨证关系使微生物不断进化。第七章 微生物的遗传与变异两组基本概念：u遗传型（genotype）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。u表型（p
4、henotype）指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和。遗传型（可能性 ）表型（现实性）环境条件代谢、发育第七章 微生物的遗传与变异两组基本概念：u变异（variation）生物体在某种外因或内因的作用下引起的遗传物质结构或数量的改变，即遗传型的改变。特点：群体中几率低，性状变化幅度大，新性状稳定可遗传u饰变（modification）修饰性改变，即不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。特点：群体中几乎每一个体都同样变化，性状变化幅度小，不遗传。7.1 微生物的遗传遗传变异的物质基础DNA（脱氧核糖核酸）遗传变异的物质基础是蛋白质还是核酸，曾是生物学中激烈争论
5、的重大问题之一。直至1944年后由于连续利用微生物这一有利的实验对象设计了3个著名的实验，才以确凿的事实证实了核酸尤其是DNA才是遗传变异的真正物质基础。 7.1.1 遗传变异的物质基础DNA 经典转化实验肺炎链球菌uR型uS型7.1.1 遗传变异的物质基础DNA经典转化实验u1944年，Avery 、Macleod和 McCady转化实验u分析：S型细菌的DNA能将肺炎链球菌的R型转化为S型。而DNA纯度越高，转化效率也越高，只取纯DNA的610-8的量时，仍有转化能力。这说明，S型菌株转移给R型菌株的是以DNA为基础的遗传因子。7.1.1 遗传变异的物质基础DNAT2噬菌体感染实验7.1.
6、1 遗传变异的物质基础DNA烟花草叶病毒的拆开与重组实验u1956 年，美国的法朗克-康勒特(Fraenkel-Conrat)7.1.2 DNA的结构与复制DNA（脱氧核糖核酸）：高分子化合物1953年的克里克（Francis Crick)（右）和沃森(James Watson)在实验室 里，他们两人因为发现了DNA的分子结构，而在1962年与威尔金斯一起 获得诺贝尔生理学和医学奖。7.1.2 DNA的结构与复制DNA的结构uDNA由两条多核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互补，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕形成。四种碱基A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）相互配对
7、。AT,GC互相间通过氢键连接。7.1.2 DNA的结构与复制DNA的结构每条核苷酸链均由脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸交替排列而成（磷酸二酯键）7.1.2 DNA的结构与复制DNA的结构四种碱基结构7.1.2 DNA的结构与复制DNA的结构碱基配对（依靠氢键连接）ATGCATGC脱氧 核糖磷酸碱基7.1.2 DNA的结构与复制DNA的存在形式除部分病毒的遗传物质是RNA外，其余病毒和全部具有典型细胞结构的生物体的遗传物质都是DNA。按其在细胞中的存在形式可分成染色体DNA和染色体外DNA。1.染色体DNAu真核生物的染色体。真核生物的染色体主要由DNA和组蛋白构成，其次含有少量非组蛋白和RNA。u
8、原核生物的染色体。原核生物的染色体一般是裸露的DNA或RNA分子。它们大多是双链的，呈环状或线状。7.1.2 DNA的结构与复制DNA的存在形式u真核生物与原核生物染色体的主要区别有：（1）真核生物的染色体主要由DNA、组蛋白组成，原核生物的染色体是单纯的DNA或RNA；（2）真核生物的染色体不止一个，而原核生物的染色体往往只有一个（3）真核生物的染色体为核膜所包裹，原核生物的染色体外没有膜包裹。7.1.2 DNA的结构与复制DNA的存在形式2.染色体外DNA7.1.2 DNA的结构与复制基因遗传因子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DNA分子上具有特定碱基顺
9、序，即核苷酸顺序的片断。u遗传物质的最小功能单位。u它不仅可以决定生物的某一个性状，而且还具有调控其他基因表达活性的功能。u基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。u按功能可把基因分为三种：结构基因、操纵基因、调节基因。7.1.2 DNA的结构与复制基因遗传因子u结构基因：编码蛋白质或酶的结构,控制某种蛋白质或酶的合成u操纵基因：操纵结构基因的表达u调节基因：控制结构基团基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。任何一个遗传 性状的表达都是在基因控制下的个体发育的结果。从基因型到表现型需要通过酶催化的代谢活动来实现 。基因直接控制酶的合成，控制新陈代谢，从而决定遗传性 状的表现。7.1.2 DNA的
10、结构与复制基因信息的传递DNA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达出相应的遗传性状。现代生物遗传学已经证明：亲代的性状是通过脱氧核糖核酸（DNA）将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的。子代根据DNA所携带的遗传信息，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特性。7.1.2 DNA的结构与复制基因信息的传递分子遗传学的中心法则1958年Crick和1970年Temin7.1.2 DNA的结构与复制DNA的复制半保留式的自我复制能力l解旋l复制l分配注意：l 复制过程必须有酶的参与，如：解旋酶、聚合酶等。l 解旋过程中，并不是完全断
11、开后才开始复制，而是解开一段后，就进行复制。复制好的就开始形成双螺旋。l 每个子代细胞都获得了亲代细胞的一个DNA单链。7.1.3 DNA的变性与复性DNA的变性双链DNA受热或其它因素的作用，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链的DNA，即称为DNA变性。双螺旋结构变为无序缠绕的单链状态埋藏在分子内部的碱基暴露7.1.3 DNA的变性与复性DNA的变性加热引起DNA变性是实验室最常用的方法。uA260：260nm波长处DNA对紫外辐射的吸收率。uTm：解链温度或熔解温度，A260升高达到一半时的温度。uDNA分子越大，G-C碱基越多，Tm值越高。7.1.3 DNA的变性与复性DNA的复性变性
12、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。 注意：DNA的复性是随机的。即复性的 DNA不可能完全回复到原来状态。7.1.4 RNARNA（核糖核酸）和DNA很相似，不同的是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T)。7.1.4 RNARNA有四种:tRNA、rRNA、mRNA和反义RNA，它们均由DNA转录而成。分别在蛋白质合成过程中担任不同的角色。mRNA叫信使 RNA，tRNA叫转移RNA，反义RNA起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。rRNA（核糖体RNA）7.1.4 RNADNA转录成RNAmRNA翻译的模板CAACUGCAGACAUAUAUGAUA
13、CAAUUUGAUCAGUAU5/3/-Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr-7.1.5 遗传密码mRNA分子中，从5-3每三个相邻的 碱基组成的三联体，代表某个氨基酸共有64种61种代表20种氨基酸3种UAA、UAG、UGA终止密码(codon)AUG起始密码 甲硫氨酸（蛋氨酸）密码子：7.1.5 遗传密码遗传密码表第一碱基 （5/-端）第 二 碱 基第三碱基 （3/-端）终止终止*在mRNA起始部位的AUG为起始信号密码子的特点密码子的特点(1)连续性:两个密码子之间无任何核 苷酸加以隔开和重叠，如插入/删除碱 基，可发生移码突变或
14、框移 5. UACGGACAUCUG.35.UACCGGACAUCUG.3酪甘组亮酪精苏丝 5. UACGACAUCUG.3 酪天 异亮插入缺失密码子的特点密码子的特点(2)简并性: 除Met（甲硫氨酸），Trp（色氨酸）外，其余氨基酸均由2个以上密码子编码。其中 UAG,UAA,UGA是终止密码子,AUG是起始密码子同时又编码甲硫氨酸； (3)通用性:所有的生物使用同一套密码子，仅有少数例外，例如：线粒体起始密码子为AUG、AUU;终止密码为AGA，AGC；密码子的特点密码子的特点（四）摆动性：一种氨基酸可有多个密码子反密码子与mRNA的第三个核苷酸配对时，不严格 遵从碱基配对原则，可出现U
15、-G,I-C,I-A,此种配对为不稳 定配对，又称摇摆性。一般前两个碱基决定其专一性，第 三位碱基可有变异tRNA反密码环53UGUThrACG53mRNA规则的双螺旋结构通常呈单链结构脱氧核苷酸核糖核苷酸腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G）腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C） 胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C） 尿嘧啶（U）脱氧核糖核糖磷酸磷酸DNA与RNA分子的比较7.1.6 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。蛋白质合成(翻译)在核糖体上进行，与RNA的复制（合成）及DNA的复制（合成）有关。蛋白质合成过程： u DNA复制：相应的DNA链进行自我复制；u 转录mRNA：由DNA转
16、录成mRNA，同时也转录成其他几种 RNA； u 翻译：由tRNA完成；u 蛋白质合成：合成多肽，最终生成具有特定功能的蛋 白质。7.1.6 微生物生长与蛋白质合成TCATG A TT AAG T AC T A A T DNA的平面结构图细胞核中AG T AC T A A T ACGU游离的核糖核苷酸DNA 解旋，一条链为模板合成RNA细胞核中ACGUAG T AC T A A T DNA与RNA的碱基互补配对细胞核中聚合酶ACGU游离的核糖核苷酸ACGUUU细胞质核孔DNAmRNA在细胞核中合成细 胞 核 内UCAUG A UUAAG T AC T A A T mRNAUCAUG A UUAmRNAAG T AC T A A T UCAUG A UUAmRNA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
