环境微生物学(07微生物的遗传和变异)课件

1、环境微生物学（07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 (生物进化的基础）遗传是相对的，变异是绝对的遗传中有变异，变异中有遗传遗传学：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：变异与遗传在环境保护领域的应用：高效净化菌的选育第二节 微生物的遗传 一、遗传和变异的物质基础DNA1、对DNA的认识和研究历史孟德尔的理论（拉马克的理论）DNA（及RNA）是遗传物质的研究历史(从摩尔根到格里菲斯） 肺炎链球菌的转化实验 大肠杆菌T2噬

2、菌体感染实验 （只有DNA进入寄主细胞内）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。原核微生物：无细胞核，与少量蛋白质结合真核生物：有细胞核，与蛋白质结合形成结构复杂的染色体3、基因和遗传信息的传递 (1)基因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。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

3、活性蛋白的功能基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。按功能可把基因分为三种：结构基因、操纵基因、调节基因。(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(蛋白质）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。 （3）遗传信息的表

4、现二、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）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）相互配对。A-T,G-C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

5、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分子中核苷酸的排列顺序。 DNA的复制DNA链的延伸三、DNA的变性(解链）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

6、称为DNA变性。解链温度Tm：解链和双链DNA在A260处的吸收值不同，当A260上升到最高值一半时的温度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。DNA的变性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列相应的RNA，RNA上的碱基序列是由DN

7、A所决定的。(RNA序列与DNA的有义链还是互补链序列相似？DNA转录中的有义链和模板链？）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)，它可翻译成氨基酸，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。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。反义RNA起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。由mRNA、tRNA、rRNA和反义RNA协作,合成蛋白质。 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

8、，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RNA转录：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：由核糖体完成。合成多肽，最终生成具有特定功能的蛋白质核酸和蛋白质的合成六、微生物的细胞分裂DNA复制和蛋白质合成导致细胞质量增加，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

9、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，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。二、突变的类型1.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2.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

10、约10-4-110-5物理诱变剂，如紫外线。化学诱变剂，某些有三致效应的化学物质。 3.化学物致DNA突变机理 图5 ，6是碱基化学饰变或化学结合造成碱基置换的示意图 5图 6三、DNA损伤的修复 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是有限的。DNA的损伤修复有5种方式：(a)光复活 （蓝光波长）(b)切除修复 （Mg2+）(c)重组修复 （在复制过程中完成）(d)SOS修复 （严重受损） (e)适应性修复(产生突变耐受性）紫外辐射对DNA的损伤和DNA的修复 四、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

11、生物群体，并进行传种接代，积累和选择合适的突变体。在环境工程中，常采用定向培育的方法来培育菌种（驯化）。五、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。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。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

12、和原生质体融合等。DNA重组技术示意图重组DNA技术，是达成基因信息（DNA）在生物体之间转移的一系列实验流程的简称。有多种方法可以达到基因转移的目的。重组DNA实验通常遵循以下程序:1.供体的DNA经抽提、酶切、连接到另一个DNA载体上，形成一种新的重组DNA分子2.新的重组DNA转入宿主细胞，这一过程称为转化3.经过鉴定选出含有重组DNA的宿主细胞（称为转化子）4.重组DNA在宿主细胞中表达所需的蛋白质 六.PCR 技术PCR（polymerase chain reaction)技术是一种利用DNA变性与复性原理在体外进行特定序列DNA片段快速扩增的有效方法。PCR技术必需的条件是：两条合

13、成的寡核苷酸引物（各约20个核苷酸），它们与互补链上靶DNA两侧的区域互补，并在与模板DNA退火后，3末端羟基相对；DNA样品中位于两条引物中间的靶序列长度可在10035，000bp；热稳定性DNA聚合酶，能承受达95或更高温度；四种脱氧核苷酸。 PCR技术可广泛用于DNA的扩增和DNA序列分析 典型的PCR方法需要许多循环来扩增特异性DNA序列，每一个循环含以下三个步骤。1.变性：PCR扩增系统第一步是将反应管中DNA样品的温度升至95进行热变性。除了模板DNA，反应管中还含有分子浓度大大过量的两条寡核苷酸引物，热稳定性DNA聚合酶（即TaqDNA聚合酶，由嗜热菌Thermus aquati

14、cus中分离），和四种脱氧核苷酸，温度维持1分钟。2.复性：混合物的温度慢慢降至约55。这期间，引物与模板DNA上的互补序列配对。3.合成：温度升至约75，这是TaqDNA聚合酶催化功能的最适温度。DNA合成由每一条引物3端羟基开始 图 18. PCR的第一次循环。目的DNA是位于一条链的1和2之间以及互补链的1和2之间的序列。两条引物（P1和P2）与样品DNA混合。加入Taq DNA聚合酶和四种脱氧核糖核苷酸的混合物加热到95使DNA变性，再慢慢冷却至55。过量的引物能与样品中的DNA在复性（退火）时碱基配对。温度升至75时，DNA的合成由一条引物序列的3羟基末端开始，越过与另一引物序列互补的DNA区域，产生两条作为PCR第二循环模板的DNA长链。 图