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1、第六章、微生物的遗传与变异,细菌的遗传与变异,一、细菌的遗传,遗传 (heredity或inheritance) ： 亲子间的关系，指生物的上一代将自己的一整套遗传因子传递给下一代的行为或功能，它具有极其稳定的特性。,细菌的遗传与变异,一、细菌的遗传,变异（variation）： 生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。 特点： 在群体中以极低的几率 (一般为105一101) 出现； 性状变化的幅度大； 变化后的新性状是稳定的、可遗传的。,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,细菌遗传物质DNA 基本单位脱氧核苷酸,脱氧 核糖,碱基,磷酸,A,G,C,T,细菌
2、的遗传与变异,细菌的遗传,脱氧核苷酸的种类（deoxyribonucleic acid） There are four nucleotides: those with cytosine (C), those with guanine (G), those with adenine (A), and those with thymine (T).,腺嘌呤脱氧核苷酸,鸟嘌呤脱氧核苷酸,胞嘧啶脱氧核苷酸,胸腺嘧啶脱氧核苷酸,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,脱氧核苷酸的连接,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,1953年华特生(James Watson)和克里克(Francis Crick)通过X射线衍射法观
3、察DNA结构，提出了DNA双螺旋结构模型。,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,DNA的双螺旋结构： DNA分子是由两条反向平行的脱氧核糖核酸组成的螺旋状长链,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,证明DNA是遗传物质的Griffth转化实验,如何证明DNA是遗传物质？,（一）经典转化实验（transformation）： F.Griffith， 研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌） SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性 RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性,1928年，Griffith进行了以下几组实验： （1）动物实验 对小鼠注射活RII菌或死SII
4、I菌 小鼠存活 对小鼠注射活SIII菌小鼠死亡 对小鼠注射活RII菌和热死SIII菌 小鼠死亡 抽取心血 分离 活的SIII菌,Griffith 转化试验示意,混合培养,RII型活菌,SIII型活菌,SIII型热死菌,RII型活菌,SIII型活菌,健康,健康,健康,健康,健康,健康,健康,病死,病死,病死,（2）细菌培养实验,（3）S型菌的无细胞抽提液试验,以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。,热死SIII菌不生长 活 RII 菌长出RII菌 热死SIII菌长出大量RII菌和
5、10-6SIII菌,活R菌+S菌无细胞抽提液长出大量R菌和少量S菌,+活RII菌,平皿培养,加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖,活R菌,长出S菌,只有R菌,1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从热死S型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：,只有S型细菌的DNA才能将S. pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,微生
6、物中的DNA：染色体,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,微生物中的DNA上含大量不同基因 （Partial gene map of the operons）,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,微生物中的质粒,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,RNA在细胞里有三种类型： 信使RNA（mRNA) 转移RNA（tRNA) 核糖体RNA（rRNA),细菌的遗传与变异,细菌的遗传,信使RNA（mRNA) 约占总RNA的5%。 不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。 它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地 核糖核蛋白体。,细菌的遗传与变异,第四章 细菌的生长和遗传变异,细菌的遗传,转移RNA（tRNA)
7、 约占总RNA的10-15%。 它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。 已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。 RNA分子的大小很相似，链长一般在73-78个核苷酸之间。,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,tRNA的空间结构,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,核糖体RNA（rRNA) 约占全部RNA的80% 是核糖核蛋白体的主要组成部分 rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,DNA的复制：半保留复制（semiconservative replication）,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,真核微生物DNA半保留复制过程,细菌的
8、遗传与变异,细菌的遗传,遗传信息的传递和表达：中心法则,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,翻译：将RNA获得的信息（遗传密码： 3个碱基序列决定一个氨基酸）翻译成蛋白质,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,密码AUG为翻译启动信号,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,密码UAA（UAG、UGA）为翻译终止信号,细菌的遗传与变异,细菌的遗传与变异,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,基因表达的调控： 结构基因 调节基因 操纵基因,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,大肠杆菌乳糖操纵子负控制,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,大肠杆菌乳糖操纵子,细菌的遗传与变异,细菌的遗传,大肠杆菌乳糖操纵子,细菌的遗传与变异,二、细菌的变异,
9、变异的途径： 基因突变（gene mutation） 基因重组（gene recombination）,基因突变类型： 点突变(point mutation) 倒位(inversion) 易位(translocation) 缺失(deletion) 插入(insertion),基因重组类型： 转化(transformation) 转导(transduction) 接合(conjugation),细菌的遗传与变异,细菌的变异,基因突变： 倒位(inversion) 易位(translocation),细菌的遗传与变异,细菌的变异,基因突变： 缺失(deletion) 插入(insertion),
10、细菌的遗传与变异,细菌的变异,基因突变的主要特点： 无定向性 稀有性 自发性 独立性 稳定性 可逆性 诱变性,细菌的遗传与变异,细菌的变异,基因突变无定向性的变量试验证明,细菌的遗传与变异,细菌的变异,基因突变无定向性的影映试验证明,细菌的遗传与变异,细菌的变异,根据基因突变的方式分类： 自发突变（spontaneous mutation） 诱发突变（induced mutation）,细菌的遗传与变异,细菌的变异,自发突变： 外界环境的自然作用引起 或细菌自身的变化引起 回复突变：突变体回复野生表型 菌种退化问题,诱发突变： 人为利用物理化学因素（诱变剂）引起 诱变剂可以诱导各种类型的点突变
11、 某些情况下突变能修复,细菌的遗传与变异,细菌的变异,常用诱变剂： 紫外线 X射线 r射线 化学诱变剂,诱变育种： 通过人工的方法处理微生物，使之发生突变，并应用合理的筛选程序和方法，把适合人类需要的优良菌种选育出来的过程。,细菌的遗传与变异,细菌的变异,诱变育种工作中应考虑的几个原则： 选择简便有效的诱变剂 挑选优良的出发菌株(original strain） 处理单泡子(或单细胞)悬液 选用最适剂量 充分利用复合处理的协同效应(synergism) 利用和创造形态、生理与产量间的相关指标 设计或采用高效筛选方案或方法,细菌的遗传与变异,细菌的变异,紫外线引起DNA中相邻胸腺嘧啶碱基彼此结合
12、,细菌的遗传与变异,细菌的变异,基因重组：转化,细菌的遗传与变异,细菌的变异,Certain types of bacteria can “donate“ a piece of the their DNA to a recipient cell. The recombination is the bacterial equivalent of sexual reproduction in eukaryotes. Note that the entire DNA is not usually transferred, only a small piece.,细菌的遗传与变异,细菌的变异,基因重组
13、：限制性转导,细菌的遗传与变异,细菌的变异,基因重组：普遍性转导,细菌的遗传与变异,细菌的变异,基因重组：接合,细菌的遗传与变异,细菌的变异,基因重组：接合过程,细菌的遗传与变异,细菌的变异,E. coli strains undergoing conjugation (TEM x27,700).,细菌的遗传与变异,三、遗传工程,基因工程： 用人工的方法通过体外基因重组和载体作用，使新构建的遗传物质组合进入新的个体，并在新的个体中得以稳定遗传和表达的过程。,细菌的遗传与变异,基因工程的工具,1、DNA的切割工具：限制性内切酶分子剪刀 2、DNA的缝合工具：DNA连接酶分子针线 3、DNA的转运
14、工具：质粒或病毒分子载体,细菌的遗传与变异,基因工程的工具,1、限制性内切酶（restriction endonucleases） 能识DNA分子上某种特殊的核苷酸序列，并在二个特定的碱基之间破坏其磷酸二酯键，从而将DNA分子的双链交错地切断。,细菌的遗传与变异,基因工程的工具,2、DNA连接酶（DNA ligase） 能在二个DNA分子片断的末端之间形成磷酸二酯键，从而将DNA分子连接起来。,细菌的遗传与变异,基因工程的工具,3、DNA运载体 能自由进出细胞，而且在装载了外来DNA分子片断后仍能照样复制的小分子DNA。 如： 细菌质粒DNA、噬菌体DNA、动物病毒DNA,细菌的遗传与变异,基
15、因工程的步骤,1、取得目的基因 2、目的基因与运载体结合 3、杂种DNA分子进入受体细胞,细菌的遗传与变异,基因工程的步骤,1、取得目的基因 限制性内切酶处理DNA分子 反转录酶处理mRNA分子 化学方法合成DNA分子,细菌的遗传与变异,基因工程的步骤,2、目的基因与运载体结合 如嵌合质粒（chimera）,细菌的遗传与变异,基因工程的步骤,3、杂种DNA分子进入受体细胞,细菌的遗传与变异,基因工程在环境工程中的应用,1、在降解人工合成化合物和难降解物方面发挥重要作用 2、教材例：降解石油的超级细菌、耐汞质粒、降解染料的质粒,思 考 题,1、直接计数法与间接计数法、保藏与复壮、分批培养与连续培养、基因与DNA分子、突变与重组分别有何不同？ 2、什么叫细菌的生长曲线？各期有何特点？ 3、证实DNA是遗传物质、DNA半保留复制的经典实验是什么？ 4、基因表达与细菌代谢有何联系？ 5、试述波动试验的实验设计逻辑思想。 6、遗传密码本质是什么？能改变吗？ 7、中心法则的含义和步骤？ 8、已知哪些化学和物理诱变剂引起突变？ 9、试讨论细菌的突变效应。 10、转化中的DNA片断在染色体还是质粒进行？ 11、人类基因能在细菌质粒插入并表达吗？,
