微生物的遗传和变异rev.ppt

第六章 微生物的遗传 和变异,1,主要内容：微生物的遗传和变异现象微生物的遗传微生物的变异及应用,2,第一节 遗传和变异现象,3,遗传（heredity或inheritance）亲代的性状在子代表现出来，使子代与亲代有相似的现象，叫遗传。从分子水平上讲，遗传就是遗传信息的复制和表达。遗传即是生物的 保守性像。,4,变异（variation）亲代与子代及子代各个体之间，无论在形态结构和生理机能方面，总会有差异，这种同类型不同个体之间的差异称为变异。从分子水平讲，是遗传信息发生了变化。变化不像。遗传和变异是生物体最本质的属性之一,5,意义：遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素。对于育种的意义：前提条件是稳定性，同时又有变化。在环境保护领域的应用。遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变异，变异中有遗传。遗传学（Genetics):研究生物遗传和变异现象的学科。,6,第二节 微生物的遗传,7,一、遗传和变异的物质基础DNA,1、对DNA的认识和研究历史孟德尔的理论（1865年）豌豆实验孟德尔定理的重新发现（1900年）DNA（及RNA）是遗传物质的研究历史,8,三个经典实验,（1）肺炎链球菌的转化实验(F.Griffith，1928),9,在加热杀死的S型细菌中，必然存在某种活性物质转化因子，促使小鼠体内R型活细菌转化为有毒性S型活细菌。这种转化因子到底是什么物质呢？,10,（2）噬菌体感染实验（，M.Chase，1952）在噬菌体侵染细菌过程中，蛋白质外壳留在细菌细胞外，只有DNA进入了细胞。证明遗传物质是DNA，而不是蛋白质。,11,（3）病毒的拆开和重建实验(H.Fraenkel-Conrat,Singer.1956)结论：烟草花叶病毒中的遗传物质是RNA，而不是蛋白质。,12,二、DNA的结构与复制,（一）DNA结构DNA由两条多个核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互补，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕形成。四种碱基A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）相互配对。AT,GC互相间通过氢键连接。,13,核苷酸 的结构,14,四种碱基的结构,15,DNA分子结构,16,A与T、G与C的配对（依靠氢键连接）,17,18,1、DNA的存在形式真核生物：染色体（DNA+组蛋白），丝状结构，所有染色体由核膜包成一个细胞膜原核生物：DNA细丝构成环状的染色体，质粒 2、基因:是一切生物体内储存信息的，有自我复制能力的遗传功能单位。是具有固定起点和终点的核苷酸或密码的线性序列。3、遗传信息的传递:中心法则,19,(二）DNA的复制半保留复制以亲代DNA分子的两条链为模板合成各自的互补链，形成两个子代的DNA分子的过程称为复制，这个过程是半保留复制即合成新的DNA分子时，子代DNA的一条链来自亲代，另一条链为新合成的互补链。,20,过程：1、DNA解旋酶对DNA进行解旋.2、DNA结合蛋白结合在打开的DNA单链上，不与双链结合，促使反应向偏向单链形成的方向进行，使DNA在大大低于Tm温度下发生双链的解离，双螺旋则在复制叉的前方分开，并在复制叉处稳定单链结构，阻止再形成双螺旋。,21,3、DNA复制在一段RNA引物的基础上加进脱氧核苷酸。由RNA引物酶催化合成一段RNA。4、DNA聚合酶（I、II、III）催化DNA片段的延长。,5、DNA连接酶。DNA后随链上的复制是不连续的，冈崎片段形成后，5端的RNA引物通过DNA聚合酶I催化的切口移位而降解，并为DNA片段所置换，形成的切口由DNA连接酶封闭。6、DNA回旋酶使松弛DNA变成负超螺旋,22,DNA变性伴随着许多物理性质的变化，特别有用的是增色效应。DNA变性过程中，A260值先是缓慢上升到达一个温度值后骤然上升，吸收值增加的中点称为融解温度（melting temperature，Tm）,即解链温度。一般Tm在85-95度之间，Tm取决于DNA的G+C含量，含量高，Tm也高。,三、DNA的变性和复性,（一）DNA变性 DNA的双螺旋由氢键维持，当天然双螺旋DNA受热或其他因素作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成为单链DNA，即称为DNA变性。,23,（二）DNA复性热变性DNA若缓慢冷却，已分开的互补链又可重新形成天然DNA的过程叫复性或退火。复性的DNA是随机结合的。,由DNA复性研究发展成的一种实验技术是分子杂交，杂交可以发生在DNA之间或DNA与RNA 之间，DNA之间杂交可用于估测DNA间的同源序列，不同生物在进化过程中相关性。DNA与RNA杂交可通过RNA转录来检测DNA中特定基因的存在。,24,四、RNA,RNA（核糖核酸）和DNA很相似，不同的是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T)。,尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T),25,RNA分子的主要生物功能是参与蛋白质的生物合成，可分为tRNA、rRNA、mRNA和反义RNA，都由DNA转录而来。1、mRNAmessage RNA，信使RNA 多聚核苷酸的一级结构，其上带有指导蛋白质合成的密码子（三联密码子）。它的生物功能是从DNA上把遗传密码即蛋白质中氨基酸排列顺序的信息接受过来，并起模板作用合成蛋白质。,26,27,起始密码子,2、tRNA transfer RNA 转移RNA 是mRNA与氨基酸之间的接合体，带有能和mRNA互补的反密码子，3末端AMP上结合氨基酸，反密码子与mRNA上的密码子互补。一个氨基酸有一种或多种tRNA。三叶草结构(Holley,1965),28,3、rRNAribosomal RNA 核糖体RNA:rRNA与蛋白质共同组成核糖体。原核生物：5S、16S、23S 真核生物：5S、5.8S、16S、28S 4、反义RNAantisense RNA 与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链，并把另一条链根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为反义链，在DNA的复制、RNA转录和翻译以及传递氨基酸的过程中有调价或抑制作用。,29,五、微生物生长和蛋白质合成,微生物生长的主要活动是蛋白质的合成，同化的碳和消耗的能量80-90%直接或间接用于蛋白质的合成。DNA的复制合成和RNA的复制合成最终目的在于蛋白质的合成。蛋白质合成的过程：DNA复制DNA转录：合成mRNA、tRNA、rRNA及反义 RNAmRNA翻译成蛋白质,30,核酸和蛋白质的合成,31,32,六、微生物的细胞分裂,微生物将倍增的核物质和蛋白质均等地分配给两个细胞，在细胞的中部合成横隔膜并逐渐内陷，最终将两个子细胞分开，细胞分裂完成。,33,第二节微生物的变异,34,一、变异的实质基因突变,基因突变：DNA因某种因素引起碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序，从而引起其后代表型的改变,35,（一）自发突变:指微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变1、多因素低剂量的诱变效应2、互变异构效应 如T不以酮形式、而以烯醇式出现G-T C以亚氨基形式出现C-A,二、突变的类型,36,自发突变的概率很低（突变频率），细菌为10-10.,37,（二）诱发突变凡提高突变率的理化因子都可称诱变剂(mutagen)诱发突变的概率大大提高，可以达到10-410-5.1、物理诱变:（1）紫外辐射诱变作用机制：主要的生物效应是DNA吸收紫外辐射，引起DNA结构的变化。引起DNA结构的变化有很多方面：DNA断裂、DNA交联、DNA与蛋白质交联、胞嘧啶与鸟嘌呤的水合作用及嘧啶二聚体的形成。,38,（2）DNA损伤的修复光复活 光复活：光裂合酶在可见光下（300-500nm）会因获得光能而发生解离从而使二聚体重新分解成单体。,39,切除修复：需要三种酶协同作用，不需要可见光的激活。首先在二聚体两侧核酸内切酶作用下造成单链断裂并切除二聚体。DNA聚合酶I作用下修复，最后DNA连接酶缝合新合成的DNA片段和原DNA片段。重组修复：必须在DNA进行复制的情况下进行，所以又称复制后修复。大肠杆菌可以在不切除胸腺二聚体情况下以带有二聚体的这一单链为模板而合成互补单链，但在二聚体附近留下了一个空隙，经过染色体交换，使空隙部分面对正常单链，DNA聚合酶和连接酶将此修复。,40,暗复活：切除修复和重组修复,SOS修复：DNA大范围损失作为一种求救信号引发设计DNA修复的多种细胞功能参加的诱导作用。正常的SOS系统被LexA蛋白所抑制，DNA损伤时激活RecA蛋白酶活性，使LexA蛋白失活，启动SOS系统。一旦修复完成，SOS系统关闭。SOS系统是一种倾向差错的DNA修复机制，可造成突变。,41,适应性修复：细菌由于长期接触低剂量诱变剂会产生修复蛋白酶，修复DNA上因甲基化而遭受的损伤。,42,2、化学诱变；化学诱变可造成碱基对的置换转换（transition）：嘌呤被另一嘌呤或嘧啶被另一嘧啶取代颠换（transversion）：嘌呤被嘧啶取代化学诱变对DNA作用形式有三类：（1）直接引起置换的诱变剂 是一类可直接与核酸碱基发生化学反应的诱变剂。可与一个或几个核苷酸发生化学反应，引起DNA复制时碱基配对的转换。,43,亚硝酸可使碱基发生氧化脱氨，使腺嘌呤A转变为次黄嘌呤H，胞嘧啶C变成尿嘧啶U，引起A=T向G-=C转换,44,（2）间接引起置换的诱变剂这类诱变剂是一些碱基类似物，5-溴尿嘧啶（5-Bu）、5-氨基尿嘧啶（5-Au）、8-氮鸟嘌呤（8-NG）、2-氨基嘌呤（2-AP）等。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子后引起的，因此是间接的。（3）引起移码突变的诱变剂由诱变剂引起DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添、插入或缺失，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。,45,46,3、复合处理及协同效应 两种或多种诱变剂先后使用；同一种诱变剂重复使用；两种或多种诱变剂同时使用4、定向培育与驯化:用某一特定环境长期处理某一微生物群体，不断移种传代，从中选择具有合格性状的自发突变体。因自发突变率低，变异程度低，培育进程很缓慢。环境工程中仍采用定向培育的方法培育菌种驯化。,47,第三节 基因重组,基因重组：两个不同性状个体细胞的DNA融合，使基因重新组合，从而发生遗传变异，产生新品种，此过程称为基因重组。,48,一、杂交,杂交是在细胞水平上发生的一种遗传重组方式。有性杂交，一般指性细胞间的接合和随之发生染色体重组，并产生新遗传型后的一种方式。凡能产生有性孢子的酵母菌或霉菌，原则上都可应用与高等动、植物杂交育种相似的有性杂交方法进行育种。,49,二、转化 transformation,受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段，通过交换，把它组合到自己的基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的现象，称为转化。转化后的受体菌称为转化子。,50,三、转导(transduction)通过温和噬菌体的媒介，把供体细胞的DNA片段携带到受体细胞中，从而使后者获得了前者部分遗传性状的现象，称为转导。1、普遍转导(generalized transduction)噬菌体可误包供体菌中的任何基因(包括质粒)，并使受体菌实现各种性状的转导，此即普遍性转导。,51,52,裂解周期,噬菌体,2、局限转导(restricted specialized transduction)指通过某些部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中的转导现象。,53,第四节 遗传工程技术在环境保护中的应用,54,一、遗传工程技术在环境保护中的应用,（一）质粒育种 质粒是细菌体内一种独立于染色体外，与细菌细胞共生能独立复制和稳定地延续遗传的遗传单位，其基因由环状双链共价闭合DNA分子组成，长1-200kb。不带有重要基因，存在与否不对细菌产生致死效应。根据质粒的遗传性状，可以利用质粒间的传递，实现优良品种的培育。在基因工程中 被用作基因转移的运载工具 载体。,55,目前已知的降解质粒有4类：石油降解质粒农药降解质粒工业污染物降解质粒抗重金属离子的质粒,56,二、基因工程技术在环境保护中的作用,基因工程是指在基因水平上的遗传工程，又叫基因剪接或DNA体外重组。通过人工方法将某一供体生物的DNA提取出来，在离体条件下，通过限制性内切酶将DNA切割成带有目的基因的DNA片段，再用DNA酶把它和质粒（载体）的DNA分子在体外连接重组，然后将重组体导入目标受体细胞中，通过在受体中的复制、扩增和表达，进一步筛选、分离和提纯，得到新品种。,57,1、目的基因的获得2、DNA体外重组3、将重组体转入受体细胞4、重组体克隆的筛选和鉴定5、外源基因表达产物的分离与提纯,58,三、PCR技术在环境保护中的应用,PCR(DNA缩合酶链反应)的原理和操作：加热变性：将待扩增的DNA置于94-95度高温水浴中加热退火：将加热变性的单链DNA溶液的温度缓慢下降至55度，引物DNA碱基与单链模板DNA配对延伸：冷至延伸温度时，加入Taq DNA聚合酶反应1min 变性复性延伸，反复25-30次。将扩增产物进行琼脂糖凝胶电泳并观察。,59,60,PCR在环境微生物学的应用主要集中在：研究特定环境中微生物区系的组成、结构，分析种群动态监测环境中特定的微生物如致病菌和工程菌,61,