环境工程微生物学微生物的遗传和变异课件.ppt

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1、环境工程微生物学,主要内容,微生物的遗传(重点)微生物的变异基因重组遗传工程技术在环保中的应用(重点),微生物的遗传和变异（重点）,微生物的遗传,遗传和变异是一切生物最本质的属性。遗传（保守性/相对性）变异（绝对性）育种/废水（气、固废）降解菌的筛选遗传和变异进化遗传学：研究生物遗传和变异现象的学科。,微生物的遗传,遗传和变异的物质基础DNADNA的结构与复制DNA的变性和复性RNA的类型和结构蛋白质的合成,微生物的遗传,一、遗传和变异的物质基础DNA 三个经典实验,（一）经典转化实验（transformation）：,（二）噬菌体感染实验,（三）植物病毒的重建实验,经典转化实验,S,R,噬菌

2、体感染实验,噬菌体,1952.赫尔希和切斯,1952年 赫尔希和切斯 噬菌体侵染 大肠杆菌实验,噬菌体感染实验,为了证明核酸是遗传物质，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。,植物病毒的重建实验,1、DNA的结构 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。,DNA的结构与复制,1953年的

3、克里克（Francis Crick,1916-2004)（右）和沃森(James Watson,1928-)在实验室里，他们两人因为发现了DNA的分子结构，而在1962年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。,核苷酸的结构,DNA的结构,四种碱基 A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鸟嘌呤）C（胞嘧啶）,DNA的结构,DNA分子结构,DNA的结构,DNA的结构,AT,GC互相间通过 氢键连接。,DNA的存在形式,染色体（DNA和蛋白）,1.基因是一个具有遗传因子效应的DNA片段，它是遗传物质的最小功能单位。是生物染色体上的一段DNA，它储存了遗传信息，又具有自我复制的能力。基因具有特定的碱基顺序，

4、即核苷酸顺序，它不仅可以决定生物的某一个性状，而且还具有调控其他基因表达活性的功能。基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。,基因遗传因子,基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。任何一个遗传性状的表达都是在基因控制下的个体发育的结果。从基因型到表现型需要通过酶催化的代谢活动来实现。基因直接控制酶的合成，控制新陈代谢，从而决定遗传性状的表现。,基因遗传因子,？,遗传信息的传递,分子生物学中心法则,遗传信息通过DNA的复制和蛋白质的表达,1、DNA的复制DNA具有独特的半保留式的自我复制能力，确保了DNA复制精确，并保证一切生物遗传性的相对稳定。,DNA的复制,DNA的复制,2、DNA的复制的酶,（

5、1）解旋酶（2）DNA聚合酶（3）DNA连接酶,能使细胞中游离的四种脱氧核糖核苷三磷酸（dATP,dCTP,dTTP.dGTP）合成DNA(有适量DNA和Mg2+)；性质：模板指导性的酶 5-3 产物DNA和天然的DNA性质相同,DNA的变性：解链温度Tm：DNA的复性：,DNA的变性和复性,DNA的变性,DNA复性,mRNA叫信使 RNA，tRNA叫转移RNA，rRNA（核糖体RNA）反义RNA起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。由mRNA、tRNA、反义RNA和rRNA协作合成蛋白质。,RNA及其作用,DNA分子的四种碱基 A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鸟嘌呤）C（胞嘧啶）,RNA分子的

6、四种碱基 A（腺嘌呤）U（尿嘧啶）G（鸟嘌呤）C（胞嘧啶）,蛋白质合成,蛋白质合成,mRNA,mRNA+tRNA,mRNA+tRNA+rRNA,蛋白质合成,碱基配对,遗传密码-氨基酸,mRNA,tRNA,蛋白质合成,64,蛋白质合成,mRNA 合成,mRNA 合成,1.识别功能（起始；终止）2.解旋功能,特点：1.RNA很短 2.单链,蛋白质的合成,蛋白质的合成,蛋白质的合成,蛋白质的合成,蛋白质的合成,蛋白质的合成,蛋白质的合成,蛋白质的合成,蛋白质的合成,蛋白质的合成,蛋白质合成过程：转录mRNA：由DNA转录成mRNA，同时也转录成其他几种RNA；翻译：由tRNA完成；蛋白质合成：依托核

7、糖体，合成多肽，经修饰、折叠、加工，最终生成具有特定功能的蛋白质。,蛋白质的合成,第二节 微生物的变异,一、变异的实质在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，DNA上的碱基对发生差错，出现碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内原有的碱基顺序，导致后代性状的改变。当这种改变可以遗传时，就是发生了突变。所以说基因突变是微生物发生变异的实质。,“嵌入染料”：吖啶橙，原黄素、溴化乙锭,二、突变的类型突变的类型 自发突变 诱发突变,第二节 微生物的变异,物理诱变，如紫外线。化学诱变，利用化学物质促进突变。,紫外线的作用机理：形成T的二聚体，从而导致DNA复制出现错误。光复活性：核苷酸切除修复酶遗传病、癌症

8、,突变的应用可进行定向培育和驯化。在环境工程中，常采用定向培育的方法来培育菌种（驯化）。,第二节 微生物的变异,诱变育种,三、基因重组基因重组是改变微生物遗传性状的另一途径。把来自不同性状的个体细胞的遗传物质转移到一起，使基因重新组合，产生新品种，称为基因重组或遗传重组。重组是分子水平上的一个概念，可以理解为遗传物质分子水平的杂交。,第三节 基因重组,基因工程,基因工程过程示意图,从细胞中分离出DNA,限制酶截取DNA片断,分离大肠杆菌中的质粒,DNA重组,用重组质粒转化大肠杆菌,培养大肠杆菌克隆大量基因,剪切酶,连接酶,修饰酶,遗传工程技术在环保中的应用,（1）石油降解功能菌的构建（2）烃类

9、和抗汞质粒菌的构建（3）脱色工程菌的构建（4）特殊环境下的Q5T工程菌的构建（5）人工合成有机物工程菌的构建（6）重金属污染的基因工程修复,基因工程在环保方面的应用,（1）石油降解功能菌的构建,环境污染净化,20世纪70年代美国生物学家Chakrabarty等对假单胞杆菌属的不同菌种分解烃类化台物的遗传学进行了大量研究，发现假单胞杆菌属的许多菌种的细胞内含有某种降解质粒，它们控制着石油中烃类降解菌酶的合成。,基因工程在环保方面的应用,(2)烃类和抗汞质粒菌的构建,Chakrabartv等人同时将著油的假单胞菌体内能够阵解辛烷、乙烷、癸烷功能的0CT质粒和抗汞质粒MER向时转移到对20mg/L汞

10、敏感的恶臭假单胞菌体内，结果使对汞敏感的恶臭假单胞菌转变成了能抗5070mg/L汞，且能同时分解烷烃的抗汞质粒菌。,基因工程在环保方面的应用,（3）脱色工程菌的构建,基因工程在环保方面的应用,目前，已经将含有降解偶氮染料质粒的编号K24和K46两株假单胞菌通过质粒转移技术培育出兼有分解两种偶氮染料功能的脱色工程菌。,（4）特殊环境下的Q5T工程菌的构建,基因工程在环保方面的应用,Q5T工程菌是由将嗜温菌pseudomounas putda pawl 中能降解甲苯和二甲苯的质粒TOL转移到嗜冷菌Q5 菌株体内构建而成的。该Q5T工程菌在0摄氏度时仍能正常利用浓度为1000mg/L的甲苯作为碳源，这对寒冷地区进行废水生物处理既有十分重要的意义。,（5）人工合成有机物工程菌的构建,A.多氯联苯PCBs,基因工程在环保方面的应用,基因工程在环保方面的应用,B.除草剂：阿特拉津,B.除草剂：阿特拉津,B.除草剂：阿特拉津,基因工程在环保方面的应用,C.有机磷 农药,（中国期刊网）,基因工程在环保方面的应用,国外,国外,（中国期刊网）,基因工程在环保方面的应用,国内,基因工程在环保方面的应用,（6）重金属污染的基因工程修复,基因工程在环保方面的应用,DNA的结构与复制蛋白质的合成DNA的变性和复性,重点提示！,