《微生物的遗传变异 (2)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微生物的遗传变异 (2)（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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 遗传物质的复制 遗传信息的传递和表达 基因表达的调控,2,遗传性（heredity）：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，为什么？ 老龄菌遗传保守程度比幼龄菌大，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
2、和方式,（1）细胞水平 染色体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（chromosome）。,核外DNA（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：每一个核质体中通常只有一个裸露的、在光学显微镜下无法看到的环状染色体。,真核微生物：往往有多个线性的染色体，种间差异大。 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
3、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（功能和遗传单位）,基因：“a locatable region of genomic sequence, corresponding to a unit of inheritance, which is associated with regulatory regions, transcribed regions, and or other functional sequence regions “,Promoter：启动子 Enhancer：增强子 Attenu
4、ator：减弱子 Exon：外显子 Intron：内含子 Transcription：转录 Splicing：剪接 UTR：非翻译区 Translation：翻译 ORF：开放阅读框架,一个基因,典型的真核生物基因结构,7,典型的原核生物基因结构（操纵子，operon）,promoter,operator,CR 1,CR 2,CR 3,Operator：操作子 CR：coding region，编码区,8,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）,9,质粒（plasmid）
5、,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 (circular covalently closed DNA)，多存在于原核生物。 结构：具有超级螺旋结构，分子量106108道尔顿(660D/bp，1.5k-200kbp),BAC，Bacmid，YAC ,10,11,质粒的基本特性：,可移动性：异种间转移Genther F. J.(1998): 69种环境中的细菌中，38能从实验室的细菌接受质粒。 可整合性：可整合到染色体上 可重组性 可消除性,12,20世纪50年代在日本发现的一种质粒（从患痢疾且被抗生素治疗后的病人中分离出的痢疾志贺氏菌株，具有抗药性
6、，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12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。,13,2）F因子（Fertility factor）/致育因子、性因子,是E.coli中决定性别的质粒。62106Da，94.5kbp,特点：有时能够插入染色体，使染色体的长度增长。,14,3）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
7、）,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）,15,4. 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）,细胞器的起源？,16,5. 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DNA序列，可
8、以转移到不同的位点上，本身也可复制。大小位几个kb。,Class I: copy and paste Class II: cut and paste,17,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,18,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,19,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
9、理生化特性变异,20,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：,21,二、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,22,点变异：一个或数个碱基发生变化,23,畸 变：碱基片断发生变化,24,细菌基因突变的特点,无定向性（不对应性） 稀有性：频率低 10
10、51010 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/reverse mutation） 诱变性：诱变剂可大大提高突变率（10105倍）,自发突变、诱发突变（诱变） 诱变剂（mutagen）：亚硝酸、紫外线,25,2、基因重组,定义：凡把两个不同基因型的遗传分子转移到一起，通过遗传分子之间的交换组合，产生新的遗传性状（基因型），称基因重组。,重组的方式： 转化、接合、转导,26,1）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、
11、放线菌、真菌中有转化现象。,27,质粒转化是基因工程中最常用的人工DNA转化。,28,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。,29,30,31,如何筛选，如何稳定工程菌？,Hfr（high frequency recombination，高频重组）菌株,32,3）转导（transduction）,通过噬菌体（病毒）携带而转移的基因重组，无需供体-受体细胞接触。在自然界中比较普遍。,a. 完全转导(complete transduction),33,b. 局部转导(specialize
12、d transduction),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。（温和噬菌体）,4）原生质体融合（protoplast fusion）,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）,34,特点：1）重组频率10-1.（远远大于诱变育种，10-6） 2）不同属、科间亦可融合。,35,36,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,37,一、基因工程（Genetic engineering）,20
13、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，从而获得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。,38,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。（方法？）,2. 利用质粒载体导入外源基因的步骤：,39,具有自我复制能力； 能在受体细胞内大量增殖或表达目的基因； 要有一些限制性内切酶的切口（MCS）； 有一种选择性遗传标志，以便追踪。,常用载
14、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。,40,重组载体引入受体细胞,最广泛被应用的是E.coli、Bacillus subtilis（枯草杆菌）。,引入方法,转化（质粒作载体） 病毒感染,基因的体外重组,内切酶处理,两者混合在指定温度下混合“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)。,41,42,3. 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
15、、 枯杆等生产酒精； 改良农作物。,医疗上：遗传病的治疗等。,43,几点注意：,基因工程的成果往往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,44,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,45,一、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,46,1. 驯化的定义(Acclimation,
16、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：,47,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力所需要的时间。,48,2. 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）,49,1）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25分。 而驯化周期一般几天到几个月，很难全部用诱导酶解释,50,3）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
