1、第三章 细菌(xjn)的生长和遗传变异,3.2 细菌的遗传(ychun)与变异,1,第一页，共八十一页。,主要(zhyo)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(j yn t bin)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,2,第二页，共八十一页。,自学(zxu)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(yuf)突变？请分别解
2、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用是什么？,3,第三页，共八十一页。,遗传性：亲代(qndi)性状在子代重现，使其子代的性状与亲代(qndi)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(ychun)与变异的基本概念,4,第四页，共八十一页。,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(xngchng)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(ychun)与变异的基本概念,5,第五页，共八十一页。,变异
3、(biny)：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(biny)（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(dngy)：细菌的遗传性状变化称变异,6,第六页，共八十一页。,细菌(xjn)易变异,细菌的繁殖快，又与外界环境(hunjng)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。,7,第七页，共八十一页。,细菌(xjn)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(wnd)、pH要求的变异，毒性
4、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。,8,第八页，共八十一页。,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(biny)。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(chl)，通过驯化，增强微生物的降解能力，提高处理(chl)效果。,9,第九页，共八十一页。,二、遗传(ychun)的物质基础,细菌的遗传物质：一切生物(shngw)遗传的物质基础是核酸（特别是DNA）,10,第十页，共八十一页。,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
5、 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(chu q)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(biomin)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(h sun)是遗传物质基础的经典转化实验（transformation）,11,第十一页，共八十一页。,Griffith转化(zhunhu)试验示意,混合(hnh)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(ji
6、nkng),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,12,第十二页，共八十一页。,（2）细菌培养(piyng)实验,（3）S型菌的无细胞(xbo)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(fngsh)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,13,第十三页，共八十一页。,二、遗传(ychun)的
7、物质基础,2.DNA的化学组成(z chn)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。,14,第十四页，共八十一页。,DNA双螺旋结构(jigu)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,15,第十五页，共八十一页。,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(dnwi)，新连接上的多核苷 酸与原有的多核苷酸链重新形成
8、新的双螺旋DNA。,16,第十六页，共八十一页。,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(chn wi)半保留复制。,17,第十七页，共八十一页。,遗传物质在细胞内存在(cnzi)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(ybn)只有一个。,（2）细胞核水平(shupng)：,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
9、染色 体（genome）,核外染色体（能自主复制）：广义上讲称质粒（plasmid）,18,第十八页，共八十一页。,（3）染色体水平(shupng),原核微生物：每一个(y)核质体中只有一个(y)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(wngwng)有不同数目的染色体。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。,19,第十九页，共八十一页。,（5）基因水平（功能(gngnng)单位）,基因：具有遗传功能的DNA分子的片
10、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(pili)序列不同。,基因(jyn)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）,20,第二十页，共八十一页。,遗传密码：DNA上各个核苷酸的特定排列顺序(shnx)。每个密码子由3个核苷酸顺序来决定。,（7）核苷酸水平(shupng)（最低交换单位、突变单位）,（6）密码水平(shupng)（信息单位）,21,第二十一页，共八十一页。,质粒（plasmid）,定义：游离于染色体外，具
11、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(y zhn)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(jishu)R因子。,22,第二十二页，共八十一页。,几种(j zhn)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(bngrn)中分离出的痢疾志贺式菌中），而且能把抗药性转移到E.coli。,后来在沙门氏菌属（Salmonalla）芽孢(y bo)
12、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,23,第二十三页，共八十一页。,2）F因子(ynz)（Fertility factor）、致育因子(ynz)、性因子(ynz),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(chngd)增长。,24,第二十四页，共八十一页。,3）降解(jin ji)性质粒,二甲苯质粒：XYL（Xylene）辛烷质粒
13、：OCT（Octane）甲苯(ji bn)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(choj)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）,25,第二十五页，共八十一页。,三、遗传信息的表达(biod)基因表达(biod),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(pili
14、)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。,26,第二十六页，共八十一页。,1.核糖核酸(h tn h sun)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(biod)基因表达(biod),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(xnx)，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
15、等的合成,27,第二十七页，共八十一页。,三、遗传信息的表达(biod)基因表达(biod),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(binhu)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(chn wi)转录。基因DNA上遗传信息转录下的RNA即为mRNA。,28,第二十八页，共八十一页。,三、遗传信息的表达(biod)基因表达(biod),（2）翻译(fny)：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
16、基酸的排列顺序，即遗传信息到蛋白质的传递为翻译。,29,第二十九页，共八十一页。,三、遗传信息的表达(biod)基因表达(biod),（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(cng r)使微生物表现出某种性状，称为性状表达（发育）。,30,第三十页，共八十一页。,四、微生物的基因突变(j yn t bin),定义：DNA链上因碱基的缺失、置换、插入(ch r)而发生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(j yn t bin),31,第三十一页，共八十一页。,2.基因突变(j yn t bin)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(chnw)（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）,32,第三十二页，共八十一页。,3.微生物基因突变(j yn t bin)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
