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1、1,第三章 细菌的生长和遗传变异,3.2 细菌的遗传与变异,2,主要内容,一、遗传与变异的基本概念 二、遗传的物质基础 三、遗传信息的表达基因表达 四、微生物的基因突变 五、基因重组 六、遗传工程（Genetic engineering） 七、基因工程（Genetic engineering） 八、微生物的驯化活性污泥驯化 九、核酸探针杂交和PCR技术在环境保护中的应用,3,自学作业,细菌遗传的物质基础是什么？ 简述DNA的复制过程？ 请说明什么是点突变和染色体畸变、自发突变和诱发突变？ 请分别解释转化、接合、转导，三者的区别是什么？ 请简要说明遗传工程在环境工程中的应用？ 废水处理中驯化的作
2、用是什么？,4,遗传性：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。 “种瓜得瓜种豆得豆” 继承亲代优点，保持物种延续,一、遗传与变异的基本概念,5,细菌同其他生物一样，有其固有的遗传性。 细菌的遗传是在系统发育过程中形成的，系统发育愈久的细菌，其遗传的保守程度愈大，越不易受外界环境条件的影响。 老龄菌遗传保守程度比幼龄菌大。,一、遗传与变异的基本概念,6,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） “龙生九子，各不相同”,定义：细菌的遗传性状变化称变异,7,细菌易变异,细菌的繁殖快，又与外界环境
3、接触面积大 环境条件在短时期内对菌体产生多次影响，在受物理、化学因素影响后，易产生适应新环境的酶（诱导酶），从而改变原有的特性，即产生了变异。,8,细菌变异形式：,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。,9,定向培育：有目的地控制微生物生长条件，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。,10,二、遗传的物质基础,细菌的遗传物质： 一切生物遗传的
4、物质基础是核酸（特别是DNA）,11,1928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SIII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,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,证明核酸是遗传物质基础的经典转化实验（transformation）,12,Griffith 转化试验示意,混合培养,RII型活菌,SIII型活菌
5、,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,Griffith 转化试验示意图,13,（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,14,二、遗传的物质基础,2. DNA的化学组成 DNA是一种高分
6、子化合物，它由四种核苷酸组成，每一种 核苷酸均含环状碱基、脱氧核糖和磷酸根三种组分。 四种碱基为：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C。,15,DNA双螺旋结构 DNA是由两条多核苷酸分子的长链所组成。两条长链之间靠碱基上的氢键作用相联结，遵循配对原则：AT， GC,16,4. DNA复制 DNA的复制过程首先是DNA的双链从一端打开，分离成 两条单链，然后以每条单链为模板，通过碱基配对逐渐 建立起完全互补的一套核苷酸单位，新连接上的多核苷 酸与原有的多核苷酸链重新形成新的双螺旋DNA。,17,4. DNA复制 在DNA聚合酶的催化下，一个DNA分子最终复制成两个结构完全相同的DNA，从而
7、将遗传信息传递给子代。 复制后的DNA分子有一条新链和一条旧链组成，称为半保留复制。,18,遗传物质在细胞内存在部位和方式（七个水平）：,（1）细胞水平： 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。,（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（genome）,核外染色体（能自主复制）：广义上讲称质粒（plasmid）,19,（3）染色体水平,原核微生物：每一个核质体中只有一个裸露的、在光学 显微镜下无法看到的环状染色体。,真核微生物：往往有不同数
8、目的染色体。 酵母菌属（saccharomycs）17,染色体的套数：只有一套相同功能的染色体时称之为 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。,20,（5）基因水平（功能单位）,基因：具有遗传功能的DNA分子的片段，平均含有1000bp（碱基对）。一个DNA分子中含有许多基因，不同基因分子含碱基对的数量和排列序列不同。,基因的分类,调节基因（regulator）：控制结构基因的活性,结构基因（structure gene）操纵基因（operator） 启动基因（promotor）,21,遗传密码：DNA上各个核苷酸的特定排列顺序
9、。 每个密码子由3个核苷酸顺序来决定。,（7）核苷酸水平（最低交换单位、突变单位）,（6）密码水平（信息单位）,22,质粒（plasmid）,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） 结构：具有超级螺旋结构，分子量106108Da（道尔顿） 10010000kbp 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R因子。,23,几种典型的质粒,50年代在日本发现的一种质粒（从患痢疾但被抗生素治疗后的病人中分离出的痢疾志贺式菌中）
10、，而且能把抗药性转移到E.coli。,后来在沙门氏菌属（Salmonalla） 芽孢杆菌属（Bacillus） 假单胞菌属（Pseudomonas） 葡萄球菌属（Staphulococcus）,中找到。,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。,1）R因子R质粒,24,2）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：能够插入染色体，使染色体的长度增长。,25,3）降解性质粒,二甲苯质粒：XYL（Xylene） 辛烷质粒：OCT（Octa
11、ne） 甲苯质粒：TOL（Toluene） 萘质粒：NAP（Napthalene） 樟脑质粒：CAM（Camphor） 水杨酸质粒：SAL（Salicylate）,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）,26,三、遗传信息的表达基因表达,基因：具有遗传功能的DNA分子的片段，平均含有1000bp（碱基对）。一个DNA分子中含有许多基因，不同基因分子含碱基对的数量和排列序列不同。 基因：能够表达和产生基因产物（蛋白质或RNA）的DNA序列。,27,1. 核糖核酸
12、RNA RNA核糖（DNA为脱氧核糖） 尿嘧啶U代替胸腺嘧啶T,三、遗传信息的表达基因表达,2. 三种RNA （1）信使核糖核酸mRNA：指导蛋白质的合成 （2）核蛋白体核糖核酸rRNA： rRNA与蛋白质组成核糖 体，是蛋白质（多肽）的合成场所； （3）转运核糖核酸tRNA：可识别mRNA上的信息，并将特 定的氨基酸运送到rRNA上供蛋白质合成。,3. 密码子 RNA上每三个碱基决定一个氨基酸,细菌的繁殖体现为：DNA、RNA、蛋白质等的合成,28,三、遗传信息的表达基因表达,4. 基因表达：基因上贮存的遗传信息需要通过一系列的变化过 程才能够在生理上或形态上表达出相应的遗传性状。需要经过转
13、录翻译表达三个过程。,（1）转录：以DNA双链中的一条链为模板，按互补方式合成RNA，遗传信息由DNA到RNA的过程称为转录。基因DNA上遗传信息转录下的RNA即为mRNA。,29,三、遗传信息的表达基因表达,（2）翻译：转录后的mRNA作为合成蛋白质的模板，并且由mRNA的碱基排列顺序决定多肽链中氨基酸的排列顺序，即遗传信息到蛋白质的传递为翻译。,30,三、遗传信息的表达基因表达,（3）由基因DNA所决定的酶通过代谢作用建造出某种细胞结构（如荚膜、鞭毛、细胞成分等），从而使微生物表现出某种性状，称为性状表达（发育）。,31,四、微生物的基因突变,定义：DNA链上因碱基的缺失、置换、插入而发生
14、的碱基排列顺序的变化，从而导致表现形状发生了可遗传的变化，这种现象叫基因突变（变异）。,基因突变,32,2. 基因突变的原因,自发突变：由于自然界的某些物理化学因子的干扰（辐射、臭氧），也可由微生物体内代谢产物（亚硝酸盐、过氧化氢）引起，自发突变频率低 10-510-9 诱发突变：通过施加物理化学因素（紫外线硝酸）诱变剂可大大提高突变率）,33,3.微生物基因突变的特点,适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。 不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。 自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。 稀有性：突变率低且稳定。 独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。 可诱发性：
15、诱变剂可提高突变率。 稳定性：变异性状稳定可遗传。 可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突 变（forward mutation），从突变株回到野生型的 过程则称为回复突变或回变（back mutation或 reverse mutation）。,34,4.微生物基因突变机制,基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的，诱变又可分为点突变和畸变。,35,点变异：一个或数个碱基发生变化,36,碱基置换（substitution）,定义：对DNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（microlesion），一般也称点突变（point mutation）。它只涉及一对碱基被另
16、一对碱基所置换。 分类：转换（transition），即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换； 颠换（transversion），即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。,对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一种功能。根据化学诱变剂是直接还是间接地引起置换，可把置换的机制分成以下两类来讨论。,37,移码突变,frame-shift mutation 或 phase-shift mutation，指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。 由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株（frame-shift mutant）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分子的微小损伤。 丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和-氨基丫啶等，以及一系列称为ICR类的化合物，都是移码突变的有效
