1、1 第三章第三章 细菌的生长和遗细菌的生长和遗传变异传变异 3.2 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异 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
2、中的应用？废水处理中驯化的作用是什么？4 遗传性：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”“种瓜得瓜种豆得豆”继承亲代优点，保持物种延续 遗传性遗传性 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。遗传性遗传性 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”“龙生
3、九子，各不相同”变异性变异性 基因突变 基因重组 定义：细菌的遗传性状变化称变异 7 细菌易变异细菌易变异 细菌的繁殖快，又与外界环境接触面积大 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。变异不一定都有遗传性变异不一定都有遗传性 8 细菌变异形式：细菌变异形式：个体形态的变化，菌落形态个体形态的变化，菌落形态(光滑型光滑型粗糙型粗糙型)的变异，营养要求的变异，对的变异，营养要求的变异，对温度、温度、pH要求的变异，毒性的变异，要求的变异，毒性的变异，抗毒能力的变异，生理生化特性的变抗毒能力的变异，生理生化特
4、性的变异及代谢途径、产物的变异等。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 1.细菌的遗传物质：一切生物遗传的物质基础是核酸（特别是核酸（特别是DNA）11 1928年，年，Griffith进行了以下几组实验：进行了以下几组实验：（1）动物实验）动物实验 对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌或死菌或死SIII菌菌 小鼠存活小鼠存活 对小鼠注射活对小鼠注射活SIII菌菌小鼠死亡小
5、鼠死亡 对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌和热死菌和热死SIII菌菌 小鼠死亡小鼠死亡 抽取心血抽取心血 分离分离 活的活的SIII菌菌 F.Griffith，研究对象：研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌）（肺炎双球菌）SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性型菌株：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 转化试验示转化试验示意意 混合培养混合培养 RI
6、I型活菌型活菌 SIII型活菌型活菌 SIII型热死菌型热死菌 RII型活菌型活菌 SIII型活菌型活菌 健康健康 健康健康 健康健康 健康健康 健康健康 健康健康 健康健康 病死病死 病死病死 病死病死 Griffith 转化试验示意图转化试验示意图 13（2）细菌培养实验细菌培养实验（3）S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验 以上实验说明：以上实验说明：加热杀死的加热杀死的SIII型细菌细胞内可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能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型型细胞并使细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为型细胞获得稳定的遗传性状，转变
7、为SIII型细胞。型细胞。热死热死SIII菌菌不生长不生长 活活 RII 菌菌长出长出RII菌菌 热死热死SIII菌菌长出大量长出大量RII菌和菌和10-6SIII菌菌 活活R菌菌+S菌无细胞抽提液菌无细胞抽提液长出大量长出大量R菌菌和少量和少量S菌菌+活活RII菌菌 平皿培养平皿培养 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、脱氧核糖和磷酸根环状碱基、脱氧核糖和磷酸根三种组分。四种碱基为：腺嘌呤腺嘌呤A、鸟嘌呤、鸟嘌呤G、胸腺嘧啶、胸腺嘧啶T、胞嘧啶、胞嘧啶C。核苷酸 腺嘌呤A 鸟嘌呤G 胞嘧啶C 胸腺嘧啶T 戊
8、糖 碱基 磷酸 核苷 15 3.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的双链从一端打开双链从一端打开，分离成 两条单链，然后以每条单链为模板单链为模板，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，一个个DNA分子最终复分子最终复制成两个结构完全相同的制成两个结构完全相同的DNA，从而
9、将遗传信息，从而将遗传信息传递给子代传递给子代。复制后的DNA分子有一条新链和一条旧链一条新链和一条旧链组成，称为半保留复制。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（蛋白质或基因：能够表达和产生基因产物（蛋白质或RNA）的）的DNA序列。序列。27 1.核糖核酸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）信使核糖核酸信使核糖核酸mRNA：指导蛋白质的合成 （2）核
10、蛋白体核糖核酸核蛋白体核糖核酸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。需要经过转录转录翻译翻译表表达达三个过程。（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。
11、基因基因DNA上遗传信息转上遗传信息转录下的录下的RNA即为即为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，即遗遗传信息到蛋白质的传递为翻译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，称为性性状表达（发育）。状表达（发育）。31 四、微生物的基因突变四、微生物的基因突变 微生物变异 突变：由于生物体DNA改变而引起的遗传性状的改变 基因重组：不同个体间基因重新
12、组合 突变 染色体畸变染色体畸变细胞学上可以看到染色体的变化细胞学上可以看到染色体的变化 基因突变基因突变细胞学上看不到遗传物质的变化细胞学上看不到遗传物质的变化 定义：DNA链上因碱基的缺失、置换、插入而发生缺失、置换、插入而发生的碱基排列顺序的变化的碱基排列顺序的变化，从而导致表现形状从而导致表现形状发生了可遗传的变化发生了可遗传的变化，这种现象叫基因突变（变异）。1.基因突变 32 2.基因突变的原因 自发突变：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：诱发突变：通过施加物理
13、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 适用于整个生物界适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例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：突变率低且稳定稀有性：突变率低且稳定。独立性：各种突变独立发生独立性：各种突变独立发生，不会互相影响不会互相影响。可诱发性：诱变剂可提高突变率可诱发性：诱变剂可提高突变率。稳定性：变异性状稳定可遗传稳定性：变异性状稳定可遗传。可逆性：从原
14、始的野生型基因到变异株的突变称为正向突可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突 变（变（forward mutation），从突变株回到野生型的），从突变株回到野生型的 过程则称为回复突变或回变（过程则称为回复突变或回变（back mutation或或 reverse mutation）。）。34 诱发突变 点突变 畸变 缺失：添加 易位：倒位：重复：插入：碱基置换 移码突变 转换：A G,G C T T,T 颠换 A A C C,G 缺失：添加：ABC ABC AB ABCA A BCAB abc abc abc abc abc abc def pqr def pqr ghi gh
15、i fde ghijkl*4.微生物基因突变机制 基因突变的原因基因突变的原因是多种多样的，是多种多样的，可以是自发的或可以是自发的或诱发的，诱变又诱发的，诱变又可分为点突变和可分为点突变和畸变。畸变。35 点变异：一个或数个碱基发生变化点变异：一个或数个碱基发生变化 点突变 碱基置换 移码突变 转换：A G,G C T T,T 颠换 A A C C,G 缺失：添加：ABC ABC AB ABCA A BCAB 36 碱基置换（碱基置换（substitution）定义：对定义：对DNADNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（microlesion
16、microlesion），一般也称点突变（），一般也称点突变（point mutationpoint mutation）。它只涉及一）。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。对碱基被另一对碱基所置换。分类：转换（分类：转换（transitiontransition），即），即DNADNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是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；一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；颠换（颠换（transversiontransversion），即一个嘌呤被一个嘧啶），即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。被一个嘌呤所置换。对某一具体诱变剂来对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转说，即可同时引起转换与颠换，也可只具换与颠换，也可只具其中的一种功能。根其中的一种功能。根据化学诱变剂是据化学诱变剂是直接直接还是还是间接间接地引起置换，地引起置换，可把置换的机制分成可把置换的机制分成以下两类来讨论。以下两类来讨论。37 移码突变移码突变 frameframe-shift mutation shift mutation 或或 phasephase-shi
