環(huán)境微生物學(xué)(07微生物的遺傳和變異)課件

1、環(huán)境微生物學(xué)（07微生物的遺傳和變異）主要內(nèi)容：微生物的遺傳和變異現(xiàn)象微生物的遺傳微生物的變異及應(yīng)用第一節(jié) 遺傳和變異現(xiàn)象遺傳和變異是一切生物最本質(zhì)的屬性。 遺傳（保守性）變異 (生物進(jìn)化的基礎(chǔ)）遺傳是相對的，變異是絕對的遺傳中有變異，變異中有遺傳遺傳學(xué)：研究生物遺傳和變異現(xiàn)象的學(xué)科意義：遺傳和變異是一切生物存在和進(jìn)化的基本要素對于育種的意義：變異與遺傳在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用：高效凈化菌的選育第二節(jié) 微生物的遺傳 一、遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)DNA1、對DNA的認(rèn)識和研究歷史孟德爾的理論（拉馬克的理論）DNA（及RNA）是遺傳物質(zhì)的研究歷史(從摩爾根到格里菲斯） 肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗 大腸桿菌T2噬

2、菌體感染實(shí)驗 （只有DNA進(jìn)入寄主細(xì)胞內(nèi)）2、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞中的存在形式 除部分病毒的遺傳物質(zhì)是RNA外，其余病毒和全部具有典型細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物體的遺傳物質(zhì)都是DNA。按其在細(xì)胞中的存在形式可分成染色體DNA和染色體外DNA。原核細(xì)胞和真核細(xì)胞中DNA的存在形式不完全相同。原核微生物：無細(xì)胞核，與少量蛋白質(zhì)結(jié)合真核生物：有細(xì)胞核，與蛋白質(zhì)結(jié)合形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的染色體3、基因和遺傳信息的傳遞 (1)基因基因是一個具有遺傳因子效應(yīng)的DNA片段，它是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。它儲存了遺傳信息,又具有自我復(fù)制的能力基因具有特定的堿基順序，即核苷酸順序，它不僅可以決定生物的某一個性狀，而且還具有調(diào)控其他基因表達(dá)

3、活性蛋白的功能基因既是一個結(jié)構(gòu)單位，也是一個功能單位。按功能可把基因分為三種：結(jié)構(gòu)基因、操縱基因、調(diào)節(jié)基因。(2) 遺傳信息的傳遞現(xiàn)代生物遺傳學(xué)已經(jīng)證明：親代的性狀是通過脫氧核糖核酸（DNA）將決定各種遺傳性狀的遺傳信息傳給子代的。子代根據(jù)DNA所攜帶的遺傳信息，產(chǎn)生一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，由一定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)就可決定子代具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化特性。分子生物學(xué)中心法則基因控制遺傳性狀，但不等于遺傳性狀。任何一個遺傳性狀的表達(dá)都是在基因控制下的個體發(fā)育的結(jié)果。從基因型到表現(xiàn)型需要通過酶(蛋白質(zhì)）催化的代謝活動來實(shí)現(xiàn)?；蛑苯涌刂泼傅暮铣?，控制新陳代謝，從而決定遺傳性狀的表現(xiàn)。 （3）遺傳信息的表

4、現(xiàn)二、DNA的結(jié)構(gòu)與復(fù)制1、DNA的結(jié)構(gòu)DNA由兩條多個核苷酸組成的鏈配對而成，兩條鏈彼此互補(bǔ)，以右手螺旋的方式圍繞一根主軸而互相盤繞形成。四種堿基A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鳥嘌呤）、C（胞嘧啶）相互配對。A-T,G-C互相間通過氫鍵連接。1953年的克里克（Francis Crick,1916-2004)（右）和沃森(James Watson,1928-)在實(shí)驗室里，他們兩人因為發(fā)現(xiàn)了DNA的分子結(jié)構(gòu)，而在1962年與威爾金斯一起獲得諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。核苷酸的結(jié)構(gòu)四種堿基的結(jié)構(gòu)DNA分子結(jié)構(gòu)DNA的電子顯微鏡照片A與T、G與C的配對（依靠氫鍵連接）2、DNA的復(fù)制為確保微生物體內(nèi)

5、DNA堿基順序精確不變，保證微生物的所有屬性都得到遺傳，則在細(xì)胞分裂之前，DNA 必須十分精確地進(jìn)行復(fù)制。DNA具有獨(dú)特的半保留式的自我復(fù)制能力，確保了DNA復(fù)制精確，并保證一切生物遺傳性的相對穩(wěn)定。DNA是雙鏈分子，但作為基因則只有一條鏈為蛋白質(zhì)編碼（意義鏈），另一條只是使DNA分子處于穩(wěn)定狀態(tài)的互補(bǔ)鏈，稱為反義鏈。由DNA分子上的堿基順序通過轉(zhuǎn)錄過程決定RNA分子中核苷酸的排列順序。 DNA的復(fù)制DNA鏈的延伸三、DNA的變性(解鏈）和復(fù)性 DNA的變性：DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)由堿基對中堿基之間的氫鍵維持。當(dāng)天然雙鏈 DNA受熱或其他因素的作用下，兩條鏈之間的結(jié)合力被破壞而分開成單鏈DNA，即

6、稱為DNA變性。解鏈溫度Tm：解鏈和雙鏈DNA在A260處的吸收值不同，當(dāng)A260上升到最高值一半時的溫度DNA的復(fù)性：變性DNA溶液經(jīng)適當(dāng)處理后重新形成天然DNA的過程叫復(fù)性，或叫退火。用高溫使DNA變性后，再緩慢降低至自然溫度，變性的DNA會復(fù)性成天然雙鏈DNA。DNA的變性DNA復(fù)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脫氧核糖，以尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T)。RNA有四種:tRNA、rRNA、mRNA和反義RNA，它們均由DNA轉(zhuǎn)錄而成。分別在蛋白質(zhì)合成過程中擔(dān)任不同的角色。RNA來自DNA，通過轉(zhuǎn)錄過程生成下列相應(yīng)的RNA，RNA上的堿基序列是由DN

7、A所決定的。(RNA序列與DNA的有義鏈還是互補(bǔ)鏈序列相似？DNA轉(zhuǎn)錄中的有義鏈和模板鏈？）mRNA叫信使 RNA，作為多聚核苷酸的一級結(jié)構(gòu)，其上帶有指導(dǎo)氨基酸的信息密碼(三聯(lián)密碼子)，它可翻譯成氨基酸，具轉(zhuǎn)遞遺傳信息的功能。tRNA叫轉(zhuǎn)移RNA，其上有和mRNA 互補(bǔ)的反密碼子，能識別氨基酸及識別mRNA上的密碼子，在tRNA-氨基酸合成酶的作用下傳遞氨基酸。rRNA（核糖體RNA）和蛋白質(zhì)結(jié)合成的核糖體為合成蛋白質(zhì)的場所。反義RNA起調(diào)節(jié)作用，決定mRNA翻譯合成速度。由mRNA、tRNA、rRNA和反義RNA協(xié)作,合成蛋白質(zhì)。 五、微生物生長與蛋白質(zhì)合成微生物生長的主要活動是蛋白質(zhì)的合成

8、，同化的碳和消耗的能量有4/59/10直接或間接與蛋白質(zhì)合成有關(guān)。蛋白質(zhì)合成(翻譯)在核糖體上進(jìn)行，與RNA的復(fù)制（合成）及DNA的復(fù)制（合成）有關(guān)。蛋白質(zhì)合成過程：DNA復(fù)制：相應(yīng)的DNA鏈進(jìn)行自我復(fù)制RNA轉(zhuǎn)錄：由DNA轉(zhuǎn)錄成mRNA，同時也轉(zhuǎn)錄成其他幾種RNA翻譯：由tRNA完成蛋白質(zhì)合成：由核糖體完成。合成多肽，最終生成具有特定功能的蛋白質(zhì)核酸和蛋白質(zhì)的合成六、微生物的細(xì)胞分裂DNA復(fù)制和蛋白質(zhì)合成導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)量增加，最后導(dǎo)致微生物細(xì)胞的分裂。微生物將成倍增加的核物質(zhì)和蛋白質(zhì)均等地分配給兩個子細(xì)胞，在細(xì)胞中部形成橫隔膜，最終分裂成兩個細(xì)胞。第三節(jié) 微生物的變異 一、變異的實(shí)質(zhì)在微生物遺傳

9、過程中，由于某種因素的影響，DNA上的堿基對發(fā)生差錯，出現(xiàn)堿基的缺失、置換或插入，導(dǎo)致后代性狀的改變。當(dāng)這種改變可以遺傳時，就是發(fā)生了突變。所以說基因突變是微生物發(fā)生變異的實(shí)質(zhì)。在真核微生物中，變異也會發(fā)生在染色體水平上，如染色體的缺失、重復(fù)、倒位和易位等，都會引起遺傳信息的改變，稱為染色體畸變。二、突變的類型1.突變的特點(diǎn)基因突變的特點(diǎn)概括起來有三點(diǎn)，即稀有性、隨機(jī)性和可逆性2.突變的類型 自發(fā)突變：在自然條件下發(fā)生的突變。自發(fā)突變的概率很低（突變頻率），如細(xì)菌約為10-10誘發(fā)突變：人為地用某種因素處理后造成的突變。凡能提高突變率的因素稱為誘發(fā)因素或誘變劑。誘發(fā)突變的概率大大提高，可以達(dá)到

10、約10-4-110-5物理誘變劑，如紫外線?；瘜W(xué)誘變劑，某些有三致效應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。 3.化學(xué)物致DNA突變機(jī)理 圖5 ，6是堿基化學(xué)飾變或化學(xué)結(jié)合造成堿基置換的示意圖 5圖 6三、DNA損傷的修復(fù) 當(dāng)DNA分子被損傷后，細(xì)胞會利用某種方式進(jìn)行修復(fù)，以保證遺傳信息的正確傳遞。當(dāng)然這種修復(fù)的程度是有限的。DNA的損傷修復(fù)有5種方式：(a)光復(fù)活 （藍(lán)光波長）(b)切除修復(fù) （Mg2+）(c)重組修復(fù) （在復(fù)制過程中完成）(d)SOS修復(fù) （嚴(yán)重受損） (e)適應(yīng)性修復(fù)(產(chǎn)生突變耐受性）紫外輻射對DNA的損傷和DNA的修復(fù) 四、突變的應(yīng)用可進(jìn)行定向培育和馴化。人為地用某種特定的環(huán)境條件長期處理某一微

11、生物群體，并進(jìn)行傳種接代，積累和選擇合適的突變體。在環(huán)境工程中，常采用定向培育的方法來培育菌種（馴化）。五、基因重組基因重組是改變微生物遺傳性狀的另一途徑。把來自不同性狀的個體細(xì)胞的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到一起，使基因重新組合，產(chǎn)生新品種，稱為基因重組或遺傳重組?，F(xiàn)在人們不僅能在同種或相似物種間實(shí)現(xiàn)基因重組，而且已經(jīng)能夠在親源關(guān)系很遠(yuǎn)的生物間實(shí)現(xiàn)基因重組。重組是分子水平上的一個概念，可以理解為遺傳物質(zhì)分子水平的雜交。真核微生物的有性雜交、準(zhǔn)性雜交等和原核微生物的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)和原生質(zhì)體融合等都是基因重組在細(xì)胞水平上的反應(yīng)。對于原核微生物，由于不存在（或很少發(fā)生）有性過程，基因重組的方式主要是轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合

12、和原生質(zhì)體融合等。DNA重組技術(shù)示意圖重組DNA技術(shù)，是達(dá)成基因信息（DNA）在生物體之間轉(zhuǎn)移的一系列實(shí)驗流程的簡稱。有多種方法可以達(dá)到基因轉(zhuǎn)移的目的。重組DNA實(shí)驗通常遵循以下程序:1.供體的DNA經(jīng)抽提、酶切、連接到另一個DNA載體上，形成一種新的重組DNA分子2.新的重組DNA轉(zhuǎn)入宿主細(xì)胞，這一過程稱為轉(zhuǎn)化3.經(jīng)過鑒定選出含有重組DNA的宿主細(xì)胞（稱為轉(zhuǎn)化子）4.重組DNA在宿主細(xì)胞中表達(dá)所需的蛋白質(zhì) 六.PCR 技術(shù)PCR（polymerase chain reaction)技術(shù)是一種利用DNA變性與復(fù)性原理在體外進(jìn)行特定序列DNA片段快速擴(kuò)增的有效方法。PCR技術(shù)必需的條件是：兩條合

13、成的寡核苷酸引物（各約20個核苷酸），它們與互補(bǔ)鏈上靶DNA兩側(cè)的區(qū)域互補(bǔ)，并在與模板DNA退火后，3末端羥基相對；DNA樣品中位于兩條引物中間的靶序列長度可在10035，000bp；熱穩(wěn)定性DNA聚合酶，能承受達(dá)95或更高溫度；四種脫氧核苷酸。 PCR技術(shù)可廣泛用于DNA的擴(kuò)增和DNA序列分析 典型的PCR方法需要許多循環(huán)來擴(kuò)增特異性DNA序列，每一個循環(huán)含以下三個步驟。1.變性：PCR擴(kuò)增系統(tǒng)第一步是將反應(yīng)管中DNA樣品的溫度升至95進(jìn)行熱變性。除了模板DNA，反應(yīng)管中還含有分子濃度大大過量的兩條寡核苷酸引物，熱穩(wěn)定性DNA聚合酶（即TaqDNA聚合酶，由嗜熱菌Thermus aquati

14、cus中分離），和四種脫氧核苷酸，溫度維持1分鐘。2.復(fù)性：混合物的溫度慢慢降至約55。這期間，引物與模板DNA上的互補(bǔ)序列配對。3.合成：溫度升至約75，這是TaqDNA聚合酶催化功能的最適溫度。DNA合成由每一條引物3端羥基開始 圖 18. PCR的第一次循環(huán)。目的DNA是位于一條鏈的1和2之間以及互補(bǔ)鏈的1和2之間的序列。兩條引物（P1和P2）與樣品DNA混合。加入Taq DNA聚合酶和四種脫氧核糖核苷酸的混合物加熱到95使DNA變性，再慢慢冷卻至55。過量的引物能與樣品中的DNA在復(fù)性（退火）時堿基配對。溫度升至75時，DNA的合成由一條引物序列的3羥基末端開始，越過與另一引物序列互補(bǔ)的DNA區(qū)域，產(chǎn)生兩條作為PCR第二循環(huán)模板的DNA長鏈。 圖