1、第三章 细菌的生长和遗传变异,3.2 细菌的遗传与变异,1,第一页，共八十一页。,主要内容,一、遗传与变异的根本概念二、遗传的物质根底三、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,2,第二页，共八十一页。,自学作业,细菌遗传的物质根底是什么？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
2、化的作用是什么？,3,第三页，共八十一页。,遗传性：亲代性状在子代重现，使其子代的性状与亲代根本上一致的现象。“种瓜得瓜种豆得豆继承亲代优点，保持物种延续,一、遗传与变异的根本概念,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、遗传与变异的根本概念,5,第五页，共八十一页。,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
3、变化称变异,6,第六页，共八十一页。,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屡次影响，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。,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。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
4、理，通过驯化，增强微生物的降解能力，提高处理效果。,9,第九页，共八十一页。,二、遗传的物质根底,细菌的遗传物质：一切生物遗传的物质根底是核酸特别是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 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 别离活的SIII菌,F.Griffith，研究对象：Streptococcus pneumoniae肺炎双球菌SIII型菌株：有荚膜，菌落外表光滑，有致病性RII型菌株：无荚膜，菌落外表粗糙，无致病性,证明核酸是遗传物质根底的经
5、典转化实验transformation,11,第十一页，共八十一页。,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,Griffith转化试验示意图,12,第十二页，共八十一页。,2细菌培养实验,3S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10-6S
6、III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、遗传的物质根底,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 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，遵循配对原那么：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的双链从一端翻开，别离成两条单链，然后以每条单链为模板，通过碱
7、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。,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，称为半保存复制。,17,第十七页，共八十一页。,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，DN
8、A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,18,第十八页，共八十一页。,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：往往有不同数目的染色体。酵母菌属saccharomycs17,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，只有局部病毒才是RNA。,19,第十九页，共八十一页。,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
9、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,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。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,21,第二十一页，共八十一页。,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cccDNAcircular covalently closed DNA结构：具有超级螺旋结构，分子量106108Da道尔顿 100
10、10000kbp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。,22,第二十二页，共八十一页。,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别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。,1R因子R质粒,23,第二十三页，共八十
11、一页。,2F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。,24,第二十四页，共八十一页。,3降解性质粒,二甲苯质粒：XYLXylene辛烷质粒：OCTOctane甲苯质粒：TOLToluene萘质粒：NAPNapthalene樟脑质粒：CAMCamphor水杨酸质粒：SALSalicylate,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,25,第二十五页
12、，共八十一页。,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。,26,第二十六页，共八十一页。,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
13、合成。,3.密码子 RNA上每三个碱基决定一个氨基酸,细菌的繁殖表达为：DNA、RNA、蛋白质等的合成,27,第二十七页，共八十一页。,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。,28,第二十八页，共八十一页。,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
14、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。,30,第三十页，共八十一页。,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,31,第三十一页，共八十一页。,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
15、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：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那么称为回复突变或回变back mutation或reverse mutation。,
16、33,第三十三页，共八十一页。,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。,34,第三十四页，共八十一页。,点变异：一个或数个碱基发生变化,35,第三十五页，共八十一页。,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。,36,第三十六页，共八十一页。,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
