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1、第七章 微生物的遗传和变异,主要内容： 遗传和变异的基本概念 遗传变异的物质基础 基因突变和诱变育种 现代基因工程的基本原理及在环境 领域的应用,本章提示： 遗传和变异是一切生物最本质的属性 DNA是遗传的物质基础 DNA的结构、遗传信息的传递、遗传密码 微生物的变异 变异的实质基因突变,第一节 微生物的遗传和变异现象,遗传和变异是一切生物最本质的属性。 遗传是相对的，变异是绝对的。 遗传中有变异，变异中有遗传。 意义：遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素。 对于育种的意义 在环境保护领域的应用 遗传学：研究生物遗传和变异现象的学科。,第二节 微生物的遗传,1.证明DNA（包括RNA）是遗
2、传物质的研究历史 DNA是遗传的物质基础，可通过格里菲斯(Griffith) 经典的转化实验和大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌等实 验得到证明。,肺炎链球菌 的转化现象,一、遗传和变异的物质基础DNA,2.遗传物质在细胞中的存在形式 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。原核细胞和真核细胞中DNA的存在形式不完全相 同（如真核细胞细胞内所有染色体由核膜包裹成一个细 胞核 ）。 3.基因和遗传信息的传递 基因 现在一般认为，基因是一个具有遗传因子效应的DNA 片段，它是遗传物质的最
3、小功能单位。 按功能可把基因分为三种：结构基因、操纵基因、 调节基因。,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。 (2) 遗传信息的传递（图） 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。,分子生物学中心法则,1.DNA的结构 DNA由两条多个核
4、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。A=T,GC互相间通过氢键连接（图）。,脱氧核苷酸的结构,遗传信息的传递方向,二、DNA的结构与复制,四种碱基的结构,DNA的结构及其化学组成,DNA链的延伸,2.DNA的复制 为确保微生物体内 DNA碱基顺序精确不变，保证微生 物的所有属性都得到遗传，则在细胞分裂之前，DNA 必须 十分精确地进行复制。DNA具有独特的半保留式的自我复 制能力，确保了DNA复制精确，并保证一切生物遗传性的 相对稳定。,DNA的复制,DNA是双链分子，但作为
5、基因则只有一条链为蛋白质 编码（意义链），另一条只是使DNA分子处于稳定状态的 互补链，称为反义链。 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。 DNA的复性：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。,三、DNA的变性和复性,DNA的变性(92.6),DNA复性,RNA（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(
6、T)。 RNA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。 RNA来自DNA，通过转录过程生成相应的RNA，RNA上的 碱基序列是由DNA所决定的。,组成RNA的核糖和尿嘧啶,四、RNA及其作用,RNA有四种： mRNA叫信使 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，具转递遗传信息的功能。 tRNA叫转移RNA，其上有和mRNA 互补的反密码子， 能识别氨基酸及识别mRNA上的密码子，在tRNA-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翻译
7、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、tRNA、反义 RNA和rRNA协作,合成蛋白质。,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。 蛋白质合成过程： DNA复制：相应的DNA链进行自我复制； 转录mRNA：由DNA转录成mRNA，同时也转录成其他几 种RNA； 翻译：由tRNA完成； 蛋白质合成：合成多肽，最终生成具有特定功能的 蛋白质（图）。,五、微生物生长与蛋白质合成,从DNA序列到氨基酸序列的信息传递,核酸和蛋白质的合成模式,第三节 微生物的变异,在微生物遗传过程中，由
8、于某种因素的影响，DNA上 的碱基对发生差错，出现碱基的缺失、置换或插入，改 变了基因内原有的碱基顺序，导致后代性状的改变。当 这种改变可以遗传时，就是发生了突变。所以说基因突 变是微生物发生变异的实质。 在真核微生物中，变异也会发生在染色体水平上， 如染色体的缺失、重复、倒位和易位等，都会引起遗传 信息的改变，称为染色体畸变。,一、变异的实质,.突变的特点： 基因突变的特点概括起来有三点，即稀有性、随机 性和可逆性。 .突变的类型 自发突变：在自然条件下发生的突变。 自发突变的概率很低，如细菌约为10-10。 诱发突变： 人为地用某种因素处理后造成的突变。诱发突变的 概率大大提高，可以达到约
9、10-4 110-5,二、突变的类型,基因重组是改变微生物遗传性状的另一途径。把来 自不同性状的个体细胞的遗传物质转移到一起，使基因 重新组合，产生新品种，称为基因重组或遗传重组。 重组是分子水平上的一个概念，可以理解为遗传物 质分子水平的杂交。真核微生物的有性杂交、准性杂交 等和原核微生物的转化、转导和原生质体融合等都是基 因重组在细胞水平上的反应。 对于原核微生物，由于不存在或很少发生有性过 程，基因重组的方式主要是转化、转导、接合和原生 质体融合等。 这部分内容参阅教材和有关参考书。,三、基因重组,四、基因工程在环境领域中的应用,基因工程是指在基因水平上的遗传工程，又叫基因 剪接或核酸体外重组。 1.基因工程的主要步骤 先从供体细胞中选择获取带有目的基因的DNA片段（工具酶）； 将目的DNA的片段和质粒在体外重组（载体如质粒）； 将重组体转入受体细胞； 重组体克隆的筛选与鉴定； 外源基因表达产物的分离与提纯（教材图）。,基因工程的操作步骤（DNA体外基因重组）,2.基因工程在环境领域的应用 环境保护方面，利用基因工程获得了分解多种有毒 物质的新型菌种。如采用这种多功能的超级细菌可望提 高废水生物处理的效果。将降解氯化芳香化合物的基因 和降解甲基芳香化合物的基因分别切割下来组合在一起 构建成工程菌，使它同时具有降解上述两种物质的功 能。,用遗传工程获得多质粒超级细菌,
