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1、第七章 微生物的遗传和变异,主要内容： 微生物的遗传和变异现象 微生物的遗传 微生物的变异及应用,第一节 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（保守性） 变异 遗传学：研究生物遗传和变异现象的学科。,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 遗传是相对的，变异是绝对的； 遗传中有变异，变异中有遗传。,第二节 微生物的遗传,一、遗传和变异的物质基础DNA 1、对DNA的认识和研究历史 孟德尔的理论 DNA（及RNA）是遗传物质的研究历史,肺炎链球菌的转化实验,大肠杆菌T2噬菌体感染实验,2、遗传物质在细胞中的存在形式 除部分病毒的
2、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。 原核微生物 真核生物,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，它是遗传物质的最小功能单位。 基因是生物染色体上的一段DNA，它储存了遗传信息，又具有自我复制的能力。基因具有特定的碱基顺序，即核苷酸顺序，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。基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。,基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。任何一个遗传性
3、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 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,二、DNA的结构与复制 1、DNA的结构 DNA由两条多个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
4、）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）相互配对。AT,GC互相间通过氢键连接。,1953年的克里克（Francis Crick,1916-2004)（右）和沃森(James Watson,1928-)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。,核苷酸 的结构,四种碱基的结构,DNA分子结构,DNA链的延伸,DNA的电子显微镜照片,A与T、G与C的配对（依靠氢键连接）,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
5、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。 由DNA分子上的碱基顺序通过转录过程决定RNA 分子。,三、DNA的变性和复性 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。 解链温度Tm： 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
6、会复性成天然双链DNA。,DNA的变性,DNA变性时，双螺旋松解，碱基暴露，OD260值增加（增色效应）。 DNA复性时，单链DNA重新恢复双螺旋结构， OD260值减小（减色效应）。,DNA复性,四、RNA及其作用 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(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，通过转录过程生成下因相应的RNA，RNA上的碱基序列是由DNA所决定的。,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
7、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。,核酸和蛋白质的合成,五、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。 蛋白质合成(翻译)在核糖体上进行，与RNA的复制（合成）及DNA的复
8、制（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。,六、微生物的细胞分裂 由于DNA复制和蛋白质合成，两者增加，最后导致微生物细胞的分裂。微生物将成倍增加的核物质和蛋白质均等地分配给两个子细胞，在细胞中部形成横隔膜，最终分裂成两个细胞。,第三节 微生物的变异,一、变异的实质 在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，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
9、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。,二、突变的类型 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（突变型频率），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。凡能提高突变率的因素称为诱发因素或诱变剂。诱发突变的概率大大提高，可以达到约10-4-110-5 物理诱变，如紫外线。 化学诱变，利用化学物质促进突变。,DNA损伤的修
10、复 ： 当DNA分子被损伤后，细胞会利用某种方式进行修复，以保证遗传信息的正确传递。当然这种修复的程度有限的。DNA的损伤修复有5种方式： (a)光复活 (b)切除修复 (c)重组修复 (d)SOS修复 (e)适应性修复,紫外辐射对DNA的损伤和DNA的修复,突变的应用 可进行定向培育和驯化。 人为地用某种特定的环境条件长期处理某一微生物群体，并进行传种接代，积累和选择合适的自发突变体。 在环境工程中，常采用定向培育的方法来培育菌种（驯化）。,三、基因重组 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。
11、 在基因重组过程中，两个不同性状的个体细胞，其中一个细胞(供体细胞)的DNA与另一个细胞(受体细胞)的DNA融合，使基因重新排列，遗传给后代，产牛新品种或表达新的遗传性状。（基因没有变化，只是重新排列）,在真核生物中，二个配子相互融合的有性过程中发生基因重组（杂交）。 在细菌中，不存在类似高等生物的有性过程，但也有基因重组的发生。 基因重组的方式主要是转化、转导、接合和原生质体融合等。,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。 现在人们不仅能在同种或相似物种间实现基因重组，而且已经能够在亲源关系很远的生物间实现基因重组。 这部分内容和有关基因工程的内容，请大家参阅教材和有关参考书。,
