微生物遗传与变异.pptx

1 1 微生物的遗传内容提要微生物的变异及应用 1 基因重组第1页/共66页n遗传（保守性、稳定性）:亲代与子代相似“种瓜得瓜种豆得豆”负面：？“劣汰劣汰”“优胜优胜”遗传和变异是生命的最本质特性之一正面：继承亲代优点，保持物种延续继承亲代优点，保持物种延续不适应变化的环境条件而死亡第2页/共66页 变异（多样性）变异（多样性）:亲代与子代、子代间不同个体不完全相同亲代与子代、子代间不同个体不完全相同 “龙生九子，各不相同龙生九子，各不相同”细菌变异形式如：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。第3页/共66页第一节 微生物的遗传 一、遗传和变异的物质基础DNA生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物遗传的物质基础是什么呢？答案是DNA，科学告诉我们，亲代将各种遗传性状通过DNA传递给了子代，子代获得DNA后形成一定的蛋白质，将遗传特性表现出来。第4页/共66页哪些人用什么方法最终证明了遗传的物质基础是DNA呢？1.格里菲斯经典转化实验（1928）及埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（1941）。2.赫西和蔡斯大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌实验。第5页/共66页光滑型（S）粗糙型（R）有 荚 膜菌落光滑分泌毒素致病无 荚 膜菌落粗糙无 毒不致病实验材料：肺炎链球菌（一）格里菲斯经典转化实验第6页/共66页老鼠体内提取物培养现象活的S 肺炎链球菌活的R 肺炎链球菌 无毒杀死 杀死 转转化化现现象象加热杀死后的破碎细胞混合注射加热杀死后的破碎细胞格里菲斯实验格里菲斯实验无毒注射注射？第7页/共66页埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验从S型肺炎球菌活体上取得蛋白质、荚膜、DNA、RNA，分别与R型肺炎球菌混合后注入到小白鼠体内，结果被注入DNA的小白鼠死亡，其它小白鼠存活。第8页/共66页DNA蛋白质多糖RNADNA是遗传物质只有DNA引起R型肺炎球菌转化第9页/共66页（二）赫西和蔡斯实验噬菌体侵染细菌的实验（含S）（含P）第10页/共66页第11页/共66页第12页/共66页含RNA(核糖核酸）的烟草花叶病毒（TMV)进行了植物病毒重建实验。植物病毒蛋白质和RNA可以人为地分开,同时又可把它们重新组合成具感染性的病毒粒子.植物病毒的拆开与重建实验H.Fraenkel-Conrat(1956)第13页/共66页TMVHRVHRVTMV原始株 拆开 重建 感染 分离纯化 TMV-烟草花叶病毒HRV-霍氏车前花叶病毒第14页/共66页二、DAN的结构与复制（一）DNA结构最经典的结构：双螺旋结构，沃森、克里克1953年提出。第15页/共66页3、每个核苷酸链上都有四个碱基：T胸腺嘧啶 A腺嘌呤G鸟嘌呤 C胞嘧啶彼此与另一条核苷酸链上的碱基组成碱基对：TA AT GC CG1、DNA有两条核苷酸链彼此围绕同一根轴互相盘绕形成，为双螺旋结构。DNA分子结构2、每个单链均由脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸交替排列构成。特点：第16页/共66页1、DNA的存在形式主要是染色体，另外还有质粒。第17页/共66页质粒1、定义质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。第18页/共66页2、结构特点通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；第19页/共66页F因子 与有性接合有关种类 R因子 与抗药性有关CoL 编码免疫蛋白Ti质粒 诱癌质粒降解性质粒：编码降解有害物质的酶用途 基因工程中作为目的基因载体第20页/共66页2、基因-遗传因子生物体内贮存遗传信息、能进行自我复制能力的遗传功能单位。是DNA分子上的具有特定碱基排列顺序的核苷酸片断。每个细菌约有500010000个基因。染色体基因基因DNA基因是一段DNA第21页/共66页原核生物基因调控系统操纵子RP O结构基因 启动基因 操纵基因调节基因第22页/共66页乳糖代谢基因表达调控（环境中没有乳糖时的基因状态）第23页/共66页乳糖代谢基因表达调控（环境中具有乳糖时的基因状态）第24页/共66页3、遗传信息的传递贮存在DNA上的遗传信息都会转录到RNA上，通过RNA的翻译作用指导蛋白质的合成，最终依靠蛋白质体现遗传性状。DNARNA转录蛋白质翻译第25页/共66页（二）DNA的复制微生物为了保证遗传的稳定性，DNA的复制十分精确。复制过程：1.解旋：DNA双链氢键断裂，双链分开；2.复制：以各自双链为模板，进行复制。3.分配：新复制的核苷酸链与原来的一条核苷酸链按照碱基配对原则形成新的双链结构并分给子代。第26页/共66页三、DNA的变性和复性（一）DNA变性DNA双链受到外界作用（受热、提高pH），氢键被破坏而形成单链的现象。第27页/共66页（二）DNA的复性变性DNA重新形成天然DNA的过程。也称为退火。注意：DNA的复性是随机的。及复性的DNA不可能完全回复到原来状态。第28页/共66页四、RNA即核糖核酸。RNA与DNA相似，不同之处是核糖及碱基。RNA的碱基也有四个，为U尿嘧啶（DNA为T：胸腺嘧啶）A腺嘌呤G鸟嘌呤 C胞嘧啶碱基对：UA AU GC CG第29页/共66页RNA有四种：tRNA、rRNA、mRNA、反义RNA。rRNA：核糖体RNA，与蛋白质形成核糖体，作为蛋白质的合成场所。mRNA：信使RNA，带有氨基酸的信息密码（三联密码子），用于翻译氨基酸。tRNA：转移RNA，带有与mRNA互补的反密码子，能识别氨基酸和mRNA的密码。反义RNA：起调节作用，主要决定mRNA的翻译速度。第30页/共66页五、蛋白质合成共分成四个阶段1.DNA的复制：细胞将某特定段DNA链进行复制。2.mRNA的转录：DNA双链打开后，以单链为模板，按照碱基配对原则复制RNA。将DNA上的信息转给RNA。3.翻译由tRNA完成。通过反密码子与mRNA密码子的互补，tRNA破译氨基酸的密码，进而将所需氨基酸送到核糖体处。4.蛋白质的合成按照特定的碱基顺序密码送到核糖体的氨基酸按照顺序连接在一起，在酶的作用下形成多肽链，进而形成蛋白质，最终将遗传信息表达出来。第31页/共66页TCATG A TT AAG T AC TA A T DNA的平面结构图细胞核中第32页/共66页AG T AC T A A T ACGU游离的核糖核苷酸DNA 解旋，一条链为模板合成RNA细胞核中ACGU第33页/共66页AG T AC T A A T DNA与RNA的碱基互补配对细胞核中聚合酶ACGU游离的核糖核苷酸ACGUUU第34页/共66页 细胞质 核孔DNAmRNA在细胞核中合成 细胞核内UCAUG A UUAAG T AC T A A T mRNA第35页/共66页UCAUG A UUAmRNAAG T AC T A A T UCAUG A UUAmRNA 细胞核内第36页/共66页 密码子 密码子 密码子 密码子 mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基UCAUG A UAmRNAU第37页/共66页 tRNA的一端运载着氨基酸 反密码子 亮氨酸UAA天冬氨酸AC U 异亮氨酸AUG第38页/共66页 核糖体UCAUG A UAmRNAU 亮氨酸UAA天冬氨酸AC U 异亮氨酸AUG第39页/共66页细胞质中 核糖体UCAUG A UAmRNAU 亮氨酸UAA第40页/共66页细胞质中 核糖体UCAUG A UAmRNAU 亮氨酸UAA天冬氨酸AC U 异亮氨酸AUG第41页/共66页细胞质中 核糖体UCAUG A UAmRNAU 亮氨酸UAA天冬氨酸AC U 异亮氨酸AUG缩合第42页/共66页 亮氨酸天冬氨酸 异亮氨酸以mRNA为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质 细胞质中UCAUG A UAmRNAU第43页/共66页第二节 微生物的变异一、变异的本质基因突变DNA双链间靠精密的碱基配对互相连接。但是，偶尔也会出现差错。如碱基丢失、置换、插入。这样就改变了碱基的原有顺序，引发后代的表现类型变异。如:R型 S型。第44页/共66页复制传递的稳定性遗传的保守性复制传递的差错性变异的多样性DNA第45页/共66页二、基因突变类型突变类型自发突变 诱发突变 低剂量多因素突变 互变异构效应 物理诱变 化学诱变 定向培育和驯化 第46页/共66页1 损伤机理2 修复光复活作用：把经紫外线照射的微生物立即暴露于可见光下，可显著降低其死亡率。暗修复作用：切除修复，有四种酶参与分别是UVR、AUVRB、UVRC酶及DNA连接酶紫外线对紫外线对DNADNA的损伤及修复的损伤及修复DNA的碱基对于UV敏感，当有UV辐射时，就会进行吸收，从而发生DNA结构变化。如：胸腺嘧啶聚会形成胸腺嘧啶二聚体。第47页/共66页细菌的选育与细菌的变异选育筛选与定向培育筛选“众里挑一”n定向培育“教育培训教育培训”n定向培育在水的生物处理俗称在水的生物处理俗称驯化。第48页/共66页 (1)细菌的筛选方法原理：优胜劣汰方式：选择性培养基（天然+人工）天然特殊区域采样例如例如 筛选能降解石油的细菌筛选能降解石油的细菌？n n收收集集长长期期被被石石油油污污染染的的土土壤壤(天天然然选选择择性性固固体体培培养养基基），必必有有适适应应石石油油环环境境利利用用石石油油作作为为食食物物的的细细菌菌，将将土土壤壤样样品品在在实实验验室室用用石石油油降降解解菌菌选选择择性性培培养养基基，对对样样品品中中的的石石油油降降解解菌菌进进行行进进一一步步的的选选择择培培养养，筛筛选选分分离离，富富集集，为为下一步的驯化工作奠定基础。下一步的驯化工作奠定基础。第49页/共66页 驯化驯化选择性培养基（选择性培养基（石油石油）浓度升高浓度升高筛选分离2 23 3、4 414小考小考1 1中考中考高考高考第50页/共66页（2）细菌的驯化渐变诱导法(休眠的酶基因复活+自然突变)方法：待降解物通常为有机毒物或惰性物。5 56 67 7N N选择性培养基（待降解物，如石油）浓度升高5n大一大一 大四大四N N+1 1死n n筛选与诱导驯化可以同时进行筛选与诱导驯化可以同时进行n n特点特点:操作简便，驯化的潜力有限，慢。结果第51页/共66页n诱变剂：温度、紫外线、核辐射、酸、碱、化学诱变剂等等。突变诱变法诱变法引起基因突变的因素第52页/共66页评价评价诱诱变变法法潜力要远大于诱导法，但操作复杂。在实际诱变中，往往要经过几次不同诱变方法的诱变处理以及大量繁琐的筛选分离工作才有可能获得理想的突变体。最后这些突变体将会在实验室小试、中试的基础上被投放到生产实践中。参见 环境微生物学技术手册第53页/共66页通常生产上更多利用的是诱导法。污泥培养初期逐步提高污水比例，有些菌种不能适应被淘汰(筛选)，能产生诱导酶的菌株及自发突变体中能来降解此类废水的菌种能够生存而被保留下来，且能力逐步提高，使废水达到预期的排放标准；第54页/共66页第三节 基因重组概念：两个不同性状的细胞DNA融合，使基因重新组合，导致遗传变异，产生新品种的过程。A A形式自发基因重组与人工基因重组自发基因重组a.a.真核生物为杂交；精卵细胞质融合过程中所有遗传物质的重组b.原核生物为转化、转导、接合；部分遗传物质的转移和重组第55页/共66页提问：要获取国外的某些先进技术（部分基因）（部分基因）有哪些途径？工业间谍（地下工作者）的拿来主义（地下工作者）的拿来主义引进 合作开发n细菌亦然第56页/共66页1 1、转化供体细菌研碎物中的DNADNA片段直接吸收进入活的受体细菌并发生基因重新组合的方式。n受体细菌获得了供体细菌的部分遗传性状“转运同化”n格里菲斯实验（证明DNA是生命遗传物质的经典实验之一）。（引进）引进第57页/共66页2.接合（合作）3.3.转导（间谍窃取）间谍？噬菌体细菌病毒通过噬菌体的携带而转移导手的基因重组现象称为转导。转导是19511951年辛德尔(Zinder)(Zinder)和莱德贝尔格(1Jederberg)(1Jederberg)在研究鼠沙门氏伤寒杆菌重组时发现的。n n细菌有性生殖第58页/共66页特点：利用到温和噬菌体做载体，将供体特定基因携带给受体细胞，使后者得到前者部分遗传性状的现象。注意：受体细胞和供体细胞不进行直接接触，靠的是温和噬菌体的媒介作用。第59页/共66页B.人工基因重组人工基因重组遗传工程遗传工程是70年代初发展起来的生物技术。定义：对遗传物质进行改造（人工干预下的杂交、转化、接合、转导）的技术。工程：类似工程设计那样有很高的预预见见性性、精精确确性性与与严密性严密性。第60页/共66页 a.遗传工程的方法遗传工程方法包括两个水平的研究：一种是细胞水平；另一种是基因水平。所以，又可把它分为细胞工程和基因工程。细胞工程两个细胞原生质体融合 体 外 切 割 导 入遗 传 物 质 基 因 片 段 受 体 细 胞n n基因工程基因工程两个细胞DNA片段剪接拼接n n狭义的讲，遗传工程就是基因工程。狭义的讲，遗传工程就是基因工程。n n原理：原理：限制性核酸内切酶第61页/共66页在特殊培养基上（如含有青霉素）筛选目的细菌质粒载体（具有抗性基因）如如抵抗青霉素长出必然是重组成功的细菌外源基因外源基因片段片段第62页/共66页 b.遗传工程在环境工程中的应用n n对对特特殊殊基基因因进进行行“剪剪切切粘粘贴贴链链接接”制制造造“超级细菌”+第63页/共66页.降解石油的工程细菌 7070年代美国生物学家查克捡巴蒂针对海洋输油，造成浮油污染，影响海洋生态等问题进行了研究。石油成分复杂，是由饱和、不饱和、直链、支链、芳香烃类组成，不溶于水。而海水含盐量高，虽发现9090多种微生物有不同程度降解烃类的能力，但不一定能在海水中大量繁殖生存，而且降解速率也较馒，查氏将能降解脂(含质粒A)A)的一种假单胞菌作受体细菌，分别将能降解芳烃(质粒B)B)、芳烃(质粒C)C)和多环芳烃(质粒D)D)的质粒，用遗传工程方法人工转入受体细菌，获得多质粒“超级细菌”，可除去原油中2 23 3的烃。浮油在一般条件下降解需一年以上时间，用“超级细菌”只需几小时即可把浮油去除，速度快效率高。第64页/共66页基因工程方法看似简单，但在具体实施上有较大的难度。A.细菌的质粒本身容易丢失或转移 B.质粒具有不相容性（只有在一定条件下，属于不同的不相容种群的质粒才能稳定地共存于同一宿主中。）第65页/共66页感谢您的观看！第66页/共66页