微生物的遗传变异 (2)讲稿.ppt

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1、关于微生物的遗传变异(2)1第一页，讲稿共六十一页哦2遗传性（遗传性（heredity）：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。同其他生物一样，微生物有其固有的遗传性。微生物的遗传是在系统发育过程中形成的，系统发育愈久的微生物，其遗传的保守程度愈大，为什么？老龄菌遗传保守程度比幼龄菌大，高等生物遗传保守程度比低等生物大。一、遗传的基本概念第二节 微生物的遗传第二页，讲稿共六十一页哦3二、遗传的物质基础及其存在形式1.遗传的物质基础2.一切生物遗传的物质基础是核酸（DNA）。核酸的结构：双螺旋结构2.遗传物质在细胞内存在部位和方式（1）细胞水平染色体DNA集中在核质体中。（真

2、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。第二节 微生物的遗传第三页，讲稿共六十一页哦4（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，DNA与蛋白质结合，形成染色体（chromosome）。核外DNA（能自主复制）：广义上讲称质粒（plasmid）第二节 微生物的遗传第四页，讲稿共六十一页哦5（3）染色体水平原核微生物：每一个核质体中通常只有一个裸露的、在光学显微镜下无法看到的环状染色体。真核微生物：往往有多个线性的染色体，种间差异大。酵母菌属（saccharomycs）17个。染色体的套数：只有一套相同功能的染

3、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。第二节 微生物的遗传第五页，讲稿共六十一页哦6（5）基因水平（功能和遗传单位）基因：a locatable region of genomic sequence,corresponding to a unit of inheritance,which is associated with regulatory regions,transcribed regions,and or other functional sequence regions 第二节 微生物的遗传Promoter

4、：启动子Enhancer：增强子Attenuator：减弱子Exon：外显子Intron：内含子Transcription：转录Splicing：剪接UTR：非翻译区Translation：翻译ORF：开放阅读框架一个基因典型的真核生物基因结构第六页，讲稿共六十一页哦7第二节 微生物的遗传典型的原核生物基因结构（操纵子，operon）promoteroperatorCR 1CR 2CR 3Operator：操作子 CR：coding region，编码区真核原核编码结构有内含子，需剪接无内含子调控方式单顺反多顺反编码方向单向（同一区域）双向第七页，讲稿共六十一页哦8 遗传密码：DNA上各个核苷

5、酸的特定排列顺序。每个密码子有3个核苷酸顺序来决定。（7）核苷酸水平核苷酸腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T戊糖碱基磷酸核苷（6）密码水平（信息单位）（最低交换单位、突变单位）第二节 微生物的遗传磷酸戊糖碱基OATP(dATP)第八页，讲稿共六十一页哦93.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cccDNA(circular covalently closed DNA)，多存在于原核生物。结构：具有超级螺旋结构，分子量106108道尔顿(660D/bp，1.5k-200kbp)第二节 微生物的遗传BAC，Bacmid，YAC 第九页，讲稿共

6、六十一页哦10第十页，讲稿共六十一页哦11质粒的基本特性：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质粒。可整合性：可整合到染色体上可重组性可消除性第二节 微生物的遗传第十一页，讲稿共六十一页哦1220世纪50年代在日本发现的一种质粒（从患痢疾且被抗生素治疗后的病人中分离出的痢疾志贺氏菌株，具有抗药性，而且能把抗药性转移到E.coli。）1）R因子R质粒沙门氏菌属（Salmonalla）芽孢杆菌属（Bacillus）假单胞菌属（Pseudomonas）葡萄球菌属（Staphulococcus）曾发现R因子的细菌l R因子在细胞中的数

7、目12几十个。l 对多种抗生素有抗性，也可作为基因载体。l 具有R因子的细菌在自然界中的存活率高。第二节 微生物的遗传第十二页，讲稿共六十一页哦132）F因子（Fertility factor）/致育因子、性因子是E.coli中决定性别的质粒。62106Da，94.5kbpF+F+F+F-接合（接合（conjugation）特点：有时能够插入染色体，使染色体的长度增长。有F因子的细菌：F+雄菌没有F因子的细菌：F-雌菌第二节 微生物的遗传第十三页，讲稿共六十一页哦143）降解性质粒二甲苯质粒：XYL（Xylene）辛烷质粒：OCT（Octane）甲苯质粒：TOL（Toluene）萘质粒：NAP

8、（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）第二节 微生物的遗传第十四页，讲稿共六十一页哦154.细胞器DNA真核微生物中，染色体之外的遗传物质的另一种存在形式。与其他物质一起构成细胞器（如：叶绿体、线粒体等）主要特性：结构复杂多样功能不一数目多少不一自我复制可消除性（一旦消失，后代细胞中不再出现）第二节 微生物的遗传细胞器的起源？第十五页，讲稿共六十一页哦165.转座因子

9、可在染色体不同部位之间移动的DNA片断插入序列：能插入染色体或质粒的许多位点，并能改换位点转座子：能插入染色体或质粒的不同位点的一般DNA序列，可以转移到不同的位点上，本身也可复制。大小位几个kb。第二节 微生物的遗传Class I:copy and pasteClass II:cut and paste第十六页，讲稿共六十一页哦17第七章 微生物的生长和遗传变异第三节 微生物的变异基因突变基因重组第十七页，讲稿共六十一页哦18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）第三节 微生物的变异一、变异的基本概念第十

10、八页，讲稿共六十一页哦19细菌易变异：细菌繁殖快，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大的影响，在受物理、化学因素影响后，易产生适应新环境的酶（诱导酶）等，从而改变原有的特性，即产生了变异。变异形态变异菌落形态变异生理生化特性变异变异不一定都有遗传性第三节 微生物的变异第十九页，讲稿共六十一页哦20有目的地控制微生物的生长条件，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。定向培育：第三节 微生物的变异第二十页，讲稿共六十一页哦21二、基因变异基因突变基因重

11、组定义：微生物的遗传性状变化称变异1.基因突变（自发突变）定义：DNA链上因碱基的缺乏、置换、插入而发生的碱基排列顺序的变化，从而导致表现型发生了可遗传的变化，这种现象叫基因突变（变异）。基因突变的类型点突变畸变第三节 微生物的变异第二十一页，讲稿共六十一页哦22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：AG,GGTT,T颠换AACC,G缺失：添加：ABCABCAB ABCAA BCAB第三节 微生物的变异第二十二页，讲稿共六十一页哦23畸变缺失：添加易位：倒位：重复：插入：abcabcabcabcabcabcdefpqrdefpqrghighifdeghijkl*畸 变：碱基

12、片断发生变化第三节 微生物的变异第二十三页，讲稿共六十一页哦24细菌基因突变的特点v 无定向性（不对应性）v 稀有性：频率低 1051010v 自发性v 独立性：各细胞、基因间的变异没有必要的联系v 稳定性：可遗传v 可逆性：回复突变（back/reverse mutation）v 诱变性：诱变剂可大大提高突变率（10105倍）自发突变、诱发突变（诱变）诱变剂（mutagen）：亚硝酸、紫外线第三节 微生物的变异第二十四页，讲稿共六十一页哦252、基因重组定义：凡把两个不同基因型的遗传分子转移到一起，通过遗传分子之间的交换组合，产生新的遗传性状（基因型），称基因重组。第三节 微生物的变异重组的

13、方式：转化、接合、转导第二十五页，讲稿共六十一页哦261）转化（transformation）供体的DNA片段（可在自然条件下产生）进入受体细胞内发生重组，受体细胞获得供体细胞的一部分遗传特性。无需细胞接触。细菌、放线菌、真菌中有转化现象。第二十六页，讲稿共六十一页哦27质粒转化是基因工程中最常用的人工DNA转化。第二十七页，讲稿共六十一页哦28F因子、降解性质粒可通过此形式传递。2）接合（conjugation)细胞直接接触而进行的基因重组。大肠杆菌的接合是通过性纤毛（中空）进行的。第三节 微生物的变异第二十八页，讲稿共六十一页哦29第二十九页，讲稿共六十一页哦30第三十页，讲稿共六十一页哦

14、31如何筛选，如何稳定工程菌？Hfr（high frequency recombination，高频重组）菌株第三十一页，讲稿共六十一页哦323）转导（transduction）通过噬菌体（病毒）携带而转移的基因重组，无需供体-受体细胞接触。在自然界中比较普遍。噬菌体进入供体细胞宿主的核染色体被切断成熟与包装之际错误携带宿主部分DNA的噬菌体（假噬菌体）（完全缺陷噬体）与受体接触感染a.完全转导(complete transduction)第三节 微生物的变异第三十二页，讲稿共六十一页哦33b.局部转导(specialized transduction)由部分缺陷的噬菌体把少数特定的基因携带到

15、受体菌中，并获得转导的现象。（温和噬菌体）4）原生质体融合（protoplast fusion）通过人为的方法使两个遗传性状不同的细胞的原生质体发生融合，得到同时具有双亲性状的、遗传稳定的融合子（fusion），该过程称原生质体融合。（20世纪70年代）第三节 微生物的变异第三十三页，讲稿共六十一页哦34原核、真核高等植物、人体细胞 能进行原生质体融合的细胞非常广泛步骤：1)用脱壁酶去除细胞壁2)混合（加聚乙二醇PEG），或电脉冲促进融合3)培养，使之成为完整细胞4)鉴定特点：1）重组频率10-1.（远远大于诱变育种，10-6）2）不同属、科间亦可融合。第三节 微生物的变异第三十四页，讲稿共六

16、十一页哦35第三十五页，讲稿共六十一页哦36第七章 微生物的生长和遗传变异第四节 遗传工程基因工程遗传工程及其在环境污染控制中的应用第三十六页，讲稿共六十一页哦37一、基因工程（Genetic engineering）20世纪50年代遗传物质的研究20世纪70年代基因工程诞生1.定义：用人为的方法把供体生物的DNA导入受体生物中，并在其中“安家落户”，进行正常的复制、表达，从而获得新物种的一种育种技术。是一种分子水平上的基因重组技术。第四节 遗传工程第三十七页，讲稿共六十一页哦38用人为的方法，把供体生物的DNA大分子提取出来；在离体的条件下，用工具酶进行切割；之后把它与载体（vector）的

17、DNA分子连接起来；然后与载体一起导入受体生物。（方法？）2.利用质粒载体导入外源基因的步骤：第四节 遗传工程第三十八页，讲稿共六十一页哦39目的基因的取得：供体细胞中提取分离 合成载体的选择：对载体的要求 具有自我复制能力；能在受体细胞内大量增殖或表达目的基因；要有一些限制性内切酶的切口（MCS）；有一种选择性遗传标志，以便追踪。常用载体：细菌质粒、噬菌体。最常用：PBR322（抗四环素、青霉素性基因）。表达抗药性可以用选择性培养基检出它们。第四节 遗传工程第三十九页，讲稿共六十一页哦40重组载体引入受体细胞 最广泛被应用的是E.coli、Bacillus subtilis（枯草杆菌）。引入

18、方法1)转化（质粒作载体）2)病毒感染基因的体外重组内切酶处理载体形成缺口目的基因的切断两者混合在指定温度下混合“退火”；目的基因缝补上载体的缺口（动力:氢键作用而相互吸引并形成共价结合)。第四节 遗传工程第四十页，讲稿共六十一页哦41第四十一页，讲稿共六十一页哦423.基因工程在环境保护中的应用获得能同时分解多种污染物的新型菌种l 超级细菌l 耐汞质粒l 降解染料质粒工业上：高性能发酵微生物的育种、酶、抗生素的生产。农业上：l 固氮菌的基因转移到根系微生物或直接给植物；l 把降解木质素分解酶的基因转移导酵母菌使之 能利用稻草、枯杆等生产酒精；l 改良农作物。医疗上：遗传病的治疗等。第四节 遗

19、传工程第四十二页，讲稿共六十一页哦43几点注意：几点注意：基因工程的成果往往只是一株带有新性状的“工程菌”，只有通过微生物工程才能实现它的 经济与社会效益。DNA供体主要来源于微生物。基因工程菌存在的问题：安全性 混合培养系中的生存性 降解能力的安定性 大规模培养技术第四节 遗传工程第四十三页，讲稿共六十一页哦44第七章 微生物的生长和遗传变异第五节 微生物的驯化与保藏微生物的驯化微生物的保藏与复壮第四十四页，讲稿共六十一页哦45一、微生物的驯化时间t污染物浓度污染物的生物降解曲线（生物降解过程中污染物浓度随时间的变化）微生物的“驯化”现象“驯化”是获得高效微生物（群）的有效方法第五节 微生物

20、的驯化与保藏第四十五页，讲稿共六十一页哦461.驯化的定义(Acclimation,adaptation)一般：获得新的能力的过程 （新的分解能力、抗有毒物质能力）狭义：获得新的降解能力的过程使微生物接触待分解的化合物，给予适宜的营养和环境条件，进行培养。驯化操作：第五节 微生物的驯化与保藏第四十六页，讲稿共六十一页哦47驯化周期（时间）：时间t污染物浓度污染物降解曲线建议：从驯化开始到降解能力达到最大时所需的时间。驯化周期一般指从驯化操作开始到获得新的降解能力所需要的时间。第五节 微生物的驯化与保藏第四十七页，讲稿共六十一页哦482.驯化的机理生物降解的必要条件：有合成降解酶的基因 能合成降

21、解酶 微生物浓度高、环境条件适宜可能性驯化：从不能满足以上三个条件，到满足三个条件的过程。驯化机理：获得所需的基因（变异、基因重组）降解酶的诱导或抑制作用的解除降解微生物的的高浓度化（选择性繁殖）本质驯化表观驯化第五节 微生物的驯化与保藏第四十八页，讲稿共六十一页哦491）新基因的获得：突变：频率低106108 无定向性获得降解能力的几率很小降解基因的传递：几率更小水处理中一般发生驯化的现象很多，所以很难用“突变”来解释。2）诱导酶的激活或抑制剂的解除抑制系的解除一般只需要25分。而驯化周期一般几天到几个月，很难全部用诱导酶解释第五节 微生物的驯化与保藏第四十九页，讲稿共六十一页哦503）降解

22、微生物的高浓度化基因突变不可能同时产生大量变异细胞微生物的高浓度化是重要的步骤质粒的传递速度供体浓度 D（douor）（g/l）受体浓度 R（recipient）（g/l）转移体浓度 T（transconjugant）（g/l）接受质粒后的细胞（基因重组体）质粒的传递（基因重组）：接合等选择性繁殖高浓度化的途径第五节 微生物的驯化与保藏第五十页，讲稿共六十一页哦51c:转移体的损失速度a:从供体到受体的传递速度b:从转移体到受体的传递速度第五节 微生物的驯化与保藏第五十一页，讲稿共六十一页哦52COOHHCH3CH3NCOHCH3CH3NHCH3NHHCO2H O2+NH3Biodegrada

23、tion pathway of dimethylformamide(DMF)DMF驯化过程中微生物的选择性生长和群落结构的变化第五十二页，讲稿共六十一页哦53Experimental conditions*1:Cultivation of biofilm in the biofilter*2:The artificial wastewater composed from glucose and peptone(1:1,w/w)*3:Dimethylformamide,*4:Dissolved organic carbon第五十三页，讲稿共六十一页哦54Time courses of DMF r

24、emoval efficiency,REDMF(),and the removal rate of DMF per unit volume of the biofilter,-rDMF(),in the acclimation of biofilm to DMF第五十四页，讲稿共六十一页哦55Change in quinone profiles during the acclimation process of biofilm to DMF in the biofilter.第五十五页，讲稿共六十一页哦56Correlation of the specific DMF removal rate

25、-uDMF and the molar fraction of predominant quinones第五十六页，讲稿共六十一页哦57Analysis of the change in microbial diversity第五十七页，讲稿共六十一页哦58Classification of the microbial community based on the dissimilarity of quinone profiles第五十八页，讲稿共六十一页哦593.影响驯化的因素1）驯化操作方式活性污泥对苯酚的驯化的例子（中村，1990）驯化由快到慢的顺序：vi iv&iii I&v ii 间

26、歇操作比连续操作有利。i.好氧、间歇、负荷上升法ii.好氧、连续、负荷上升法iii.厌氧/好氧、间歇、负荷上升法（0.10.7kg/m3d）0.7kg/m3div.好氧、间歇、高负荷一定v.好氧、连续、高负荷一定vi:厌氧/好氧、间歇、高负荷一定第五节 微生物的驯化与保藏第五十九页，讲稿共六十一页哦602）接种微生物的种类活性污泥、土壤、接触污水的底泥、污水排放沟积泥3）水的硬度的影响硬水优于软水。软水中微量营养盐不足（Vashon R.D，1982）Nitrilotriacetate(NTA)去除率达90%时所需时间，硬水18天，软水28天第五节 微生物的驯化与保藏第六十页，讲稿共六十一页哦感谢大家观看第六十一页，讲稿共六十一页哦