環(huán)境工程微生物學微生物的遺傳和變異3課件

環(huán)境工程微生物學環(huán)境工程微生物學主要內容微生物的遺傳(重點)微生物的變異基因重組遺傳工程技術在環(huán)保中的應用(重點)微生物的遺傳和變異（重點）主要內容微生物的遺傳(重點)微生物的遺傳和變異（重點）2微生物的遺傳遺傳和變異是一切生物最本質的屬性。遺傳（保守性/相對性）變異（絕對性）——育種/廢水（氣、固廢）降解菌的篩選遺傳和變異——進化遺傳學：研究生物遺傳和變異現象的學科。微生物的遺傳遺傳和變異是一切生物最本質的屬性。3微生物的遺傳遺傳和變異的物質基礎－－DNADNA的結構與復制DNA的變性和復性RNA的類型和結構蛋白質的合成微生物的遺傳遺傳和變異的物質基礎－－DNA4微生物的遺傳一、遺傳和變異的物質基礎－－DNA三個經典實驗（一）經典轉化實驗（transformation）：（二）噬菌體感染實驗（三）植物病毒的重建實驗微生物的遺傳一、遺傳和變異的物質基礎－－DNA（一）經典轉5經典轉化實驗SR經典轉化實驗SR6噬菌體感染實驗噬菌體1952.赫爾希和切斯噬菌體感染實驗噬菌體1952.赫爾希和切斯7

1952年赫爾希和切斯噬菌體侵染大腸桿菌實驗噬菌體感染實驗1952年噬菌體感染實驗8為了證明核酸是遺傳物質，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的煙草花葉病毒（TMV）進行了著名的植物病毒重建實驗。將TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質外殼與RNA核心相分離。分離后的RNA在沒有蛋白質包裹的情況下，也能感染煙草并使其患典型癥狀，而且在病斑中還能分離出正常病毒粒子。植物病毒的重建實驗為了證明核酸是遺傳物質，H.Fraenkel-Conrat91、DNA的結構DNA由兩條多個核苷酸組成的鏈配對而成，兩條鏈彼此互補，以右手螺旋的方式圍繞一根主軸而互相盤繞形成。DNA的結構與復制1、DNA的結構DNA的結構與復制101953年的克里克（FrancisCrick,1916-2004)（右）和沃森(JamesWatson,1928-)在實驗室里，他們兩人因為發(fā)現了DNA的分子結構，而在1962年與威爾金斯一起獲得諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。1953年的克里克（FrancisCrick,1916-211核苷酸的結構DNA的結構核苷酸的結構DNA的結構12四種堿基A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鳥嘌呤）C（胞嘧啶）DNA的結構四種堿基DNA的結構13DNA分子結構DNA的結構DNA分子結構DNA的結構14DNA的結構A~T,G~C互相間通過

氫鍵連接。DNA的結構A~T,G~C互相間通過15DNA的存在形式染色體（DNA和蛋白）DNA的存在形式染色體（DNA和蛋白）161.基因是一個具有遺傳因子效應的DNA片段，它是遺傳物質的最小功能單位。是生物染色體上的一段DNA，它儲存了遺傳信息，又具有自我復制的能力?；蚓哂刑囟ǖ膲A基順序，即核苷酸順序，它不僅可以決定生物的某一個性狀，而且還具有調控其他基因表達活性的功能?；蚣仁且粋€結構單位，也是一個功能單位。基因——遺傳因子1.基因基因——遺傳因子17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都是在基因控制下的個體發(fā)育的結果。從基因型到表現型需要通過酶催化的代謝活動來實現?；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?；颉z傳因子？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都18遺傳信息的傳遞分子生物學中心法則遺傳信息通過DNA的復制和蛋白質的表達遺傳信息的傳遞分子生物學中心法則遺傳信息通過DNA的復制和蛋191、DNA的復制DNA具有獨特的半保留式的自我復制能力，確保了DNA復制精確，并保證一切生物遺傳性的相對穩(wěn)定。DNA的復制1、DNA的復制DNA的復制20DNA的復制2、DNA的復制的酶（1）解旋酶（2）DNA聚合酶（3）DNA連接酶能使細胞中游離的四種脫氧核糖核苷三磷酸（dATP,dCTP,dTTP.dGTP）合成DNA(有適量DNA和Mg2+)；性質：模板指導性的酶

5’---3’

產物DNA和天然的DNA性質相同DNA的復制2、DNA的復制的酶（1）解旋酶能使細胞中游離的21環(huán)境工程微生物學微生物的遺傳和變異3課件22DNA的變性：解鏈溫度Tm：DNA的復性：DNA的變性和復性DNA的變性：DNA的變性和復性23DNA的變性DNA的變性24DNA復性DNA復性25mRNA叫信使RNA，tRNA叫轉移RNA，rRNA（核糖體RNA）反義RNA起調節(jié)作用，決定mRNA翻譯合成速度。由mRNA、tRNA、反義RNA和rRNA協作合成蛋白質。RNA及其作用

DNA分子的四種堿基A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鳥嘌呤）C（胞嘧啶）

RNA分子的四種堿基A（腺嘌呤）

U（尿嘧啶）G（鳥嘌呤）C（胞嘧啶）mRNA叫信使RNA，RNA及其作用DNA分子的四種堿基26蛋白質合成蛋白質合成27蛋白質合成mRNAmRNA+tRNAmRNA+tRNA+rRNA蛋白質合成mRNAmRNA+tRNAmRNA+tRNA+28蛋白質合成堿基配對遺傳密碼-氨基酸mRNAtRNA蛋白質合成堿基配對遺傳密碼-氨基酸mRNAtRNA29蛋白質合成蛋白質合成30646431蛋白質合成蛋白質合成32mRNA合成mRNA合成33mRNA合成1.識別功能（起始；終止）2.解旋功能特點：1.RNA很短2.單鏈mRNA合成1.識別功能特點：1.RNA很短34環(huán)境工程微生物學微生物的遺傳和變異3課件35環(huán)境工程微生物學微生物的遺傳和變異3課件36蛋白質的合成蛋白質的合成37蛋白質的合成蛋白質的合成38蛋白質的合成蛋白質的合成39蛋白質的合成蛋白質的合成40蛋白質的合成蛋白質的合成41蛋白質的合成蛋白質的合成42蛋白質的合成蛋白質的合成43蛋白質的合成蛋白質的合成44蛋白質的合成蛋白質的合成45蛋白質的合成蛋白質的合成46蛋白質合成過程：

轉錄mRNA：由DNA轉錄成mRNA，同時也轉錄成其他幾種RNA；

翻譯：由tRNA完成；

蛋白質合成：依托核糖體，合成多肽，

經修飾、折疊、加工，最終生成具有特定功能的蛋白質。蛋白質的合成蛋白質合成過程：蛋白質的合成47第二節(jié)微生物的變異一、變異的實質在微生物遺傳過程中，由于某種因素的影響，DNA上的堿基對發(fā)生差錯，出現堿基的缺失、置換或插入，改變了基因內原有的堿基順序，導致后代性狀的改變。當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)生變異的實質?！扒度肴玖稀保哼灌こ?，原黃素、溴化乙錠第二節(jié)微生物的變異一、變異的實質“嵌入染料”：吖啶橙，原48二、突變的類型突變的類型自發(fā)突變

誘發(fā)突變第二節(jié)微生物的變異物理誘變，如紫外線?；瘜W誘變，利用化學物質促進突變。紫外線的作用機理：形成T的二聚體，從而導致DNA復制出現錯誤。光復活性：核苷酸切除修復酶遺傳病、癌癥二、突變的類型第二節(jié)微生物的變異物理誘變，如紫外線。紫外線49突變的應用可進行定向培育和馴化。在環(huán)境工程中，常采用定向培育的方法來培育菌種（馴化）。第二節(jié)微生物的變異誘變育種突變的應用第二節(jié)微生物的變異誘變育種50三、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胞的遺傳物質轉移到一起，使基因重新組合，產生新品種，稱為基因重組或遺傳重組。重組是分子水平上的一個概念，可以理解為遺傳物質分子水平的雜交。第三節(jié)基因重組基因工程三、基因重組第三節(jié)基因重組基因工程51基因工程過程示意圖①從細胞中分離出DNA①②③④⑤⑥②限制酶截取DNA片斷③分離大腸桿菌中的質粒④DNA重組⑤用重組質粒轉化大腸桿菌⑥培養(yǎng)大腸桿菌克隆大量基因剪切酶連接酶修飾酶基因工程過程示意圖①從細胞中分離出DNA①②③④⑤⑥②限制酶52遺傳工程技術在環(huán)保中的應用（1）石油降解功能菌的構建（2）烴類和抗汞質粒菌的構建（3）脫色工程菌的構建（4）特殊環(huán)境下的Q5T工程菌的構建（5）人工合成有機物工程菌的構建（6）重金屬污染的基因工程修復

遺傳工程技術在環(huán)保中的應用（1）石油降解功能菌的構建53基因工程在環(huán)保方面的應用（1）石油降解功能菌的構建環(huán)境污染凈化

20世紀70年代美國生物學家Chakrabarty等對假單胞桿菌屬的不同菌種分解烴類化臺物的遺傳學進行了大量研究，發(fā)現假單胞桿菌屬的許多菌種的細胞內含有某種降解質粒，它們控制著石油中烴類降解菌酶的合成?；蚬こ淘诃h(huán)保方面的應用（1）石油降解功能菌的構建環(huán)境污54基因工程在環(huán)保方面的應用基因工程在環(huán)保方面的應用55(2)烴類和抗汞質粒菌的構建Chakrabartv等人同時將著油的假單胞菌體內能夠陣解辛烷、乙烷、癸烷功能的0CT質粒和抗汞質粒MER向時轉移到對20mg/L汞敏感的惡臭假單胞菌體內，結果使對汞敏感的惡臭假單胞菌轉變成了能抗50—70mg/L汞，且能同時分解烷烴的抗汞質粒菌?；蚬こ淘诃h(huán)保方面的應用(2)烴類和抗汞質粒菌的構建Chakrabartv56（3）脫色工程菌的構建基因工程在環(huán)保方面的應用

目前，已經將含有降解偶氮染料質粒的編號K24和K46兩株假單胞菌通過質粒轉移技術培育出兼有分解兩種偶氮染料功能的脫色工程菌。（3）脫色工程菌的構建基因工程在環(huán)保方面的應用目前，57（4）特殊環(huán)境下的Q5T工程菌的構建基因工程在環(huán)保方面的應用

Q5T工程菌是由將嗜溫菌pseudomounasputdapawl中能降解甲苯和二甲苯的質粒TOL轉移到嗜冷菌Q5

菌株體內構建而成的。

該Q5T工程菌在0攝氏度時仍能正常利用濃度為1000mg/L的甲苯作為碳源，這對寒冷地區(qū)進行廢水生物處理既有十分重要的意義。（4）特殊環(huán)境下的Q5T工程菌的構建基因工程在環(huán)保方面的應用58（5）人工合成有機物工程菌的構建A.多氯聯苯PCBs基因工程在環(huán)保方面的應用（5）人工合成有機物工程菌的構建A.多氯聯苯PCBs基因工程59基因工程在環(huán)保方面的應用B.除草劑：阿特拉津B.除草劑：阿特拉津B.除草劑：阿特拉津基因工程在環(huán)保方面的應用B.除草劑：B.除草劑：B.除草劑：60基因工程在環(huán)保方面的應用C.有機磷農藥基因工程在環(huán)保方面的應用C.有機磷61（中國期刊網）基因工程在環(huán)保方面的應用國外國外（中國期刊網）基因工程在環(huán)保方面的應用國外國外62（中國期刊網）基因工程在環(huán)保方面的應用國內（中國期刊網）基因工程在環(huán)保方面的應用國內63基因工程在環(huán)保方面的應用基因工程在環(huán)保方面的應用64（6）重金屬污染的基因工程修復基因工程在環(huán)保方面的應用（6）重金屬污染基因工程在環(huán)保方面的應用65DNA的結構與復制蛋白質的合成DNA的變性和復性重點提示??！DNA的結構與復制重點提示??！66環(huán)境工程微生物學環(huán)境工程微生物學主要內容微生物的遺傳(重點)微生物的變異基因重組遺傳工程技術在環(huán)保中的應用(重點)微生物的遺傳和變異（重點）主要內容微生物的遺傳(重點)微生物的遺傳和變異（重點）68微生物的遺傳遺傳和變異是一切生物最本質的屬性。遺傳（保守性/相對性）變異（絕對性）——育種/廢水（氣、固廢）降解菌的篩選遺傳和變異——進化遺傳學：研究生物遺傳和變異現象的學科。微生物的遺傳遺傳和變異是一切生物最本質的屬性。69微生物的遺傳遺傳和變異的物質基礎－－DNADNA的結構與復制DNA的變性和復性RNA的類型和結構蛋白質的合成微生物的遺傳遺傳和變異的物質基礎－－DNA70微生物的遺傳一、遺傳和變異的物質基礎－－DNA三個經典實驗（一）經典轉化實驗（transformation）：（二）噬菌體感染實驗（三）植物病毒的重建實驗微生物的遺傳一、遺傳和變異的物質基礎－－DNA（一）經典轉71經典轉化實驗SR經典轉化實驗SR72噬菌體感染實驗噬菌體1952.赫爾希和切斯噬菌體感染實驗噬菌體1952.赫爾希和切斯73

1952年赫爾希和切斯噬菌體侵染大腸桿菌實驗噬菌體感染實驗1952年噬菌體感染實驗74為了證明核酸是遺傳物質，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的煙草花葉病毒（TMV）進行了著名的植物病毒重建實驗。將TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質外殼與RNA核心相分離。分離后的RNA在沒有蛋白質包裹的情況下，也能感染煙草并使其患典型癥狀，而且在病斑中還能分離出正常病毒粒子。植物病毒的重建實驗為了證明核酸是遺傳物質，H.Fraenkel-Conrat751、DNA的結構DNA由兩條多個核苷酸組成的鏈配對而成，兩條鏈彼此互補，以右手螺旋的方式圍繞一根主軸而互相盤繞形成。DNA的結構與復制1、DNA的結構DNA的結構與復制761953年的克里克（FrancisCrick,1916-2004)（右）和沃森(JamesWatson,1928-)在實驗室里，他們兩人因為發(fā)現了DNA的分子結構，而在1962年與威爾金斯一起獲得諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。1953年的克里克（FrancisCrick,1916-277核苷酸的結構DNA的結構核苷酸的結構DNA的結構78四種堿基A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鳥嘌呤）C（胞嘧啶）DNA的結構四種堿基DNA的結構79DNA分子結構DNA的結構DNA分子結構DNA的結構80DNA的結構A~T,G~C互相間通過

氫鍵連接。DNA的結構A~T,G~C互相間通過81DNA的存在形式染色體（DNA和蛋白）DNA的存在形式染色體（DNA和蛋白）821.基因是一個具有遺傳因子效應的DNA片段，它是遺傳物質的最小功能單位。是生物染色體上的一段DNA，它儲存了遺傳信息，又具有自我復制的能力?；蚓哂刑囟ǖ膲A基順序，即核苷酸順序，它不僅可以決定生物的某一個性狀，而且還具有調控其他基因表達活性的功能?；蚣仁且粋€結構單位，也是一個功能單位?；颉z傳因子1.基因基因——遺傳因子83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都是在基因控制下的個體發(fā)育的結果。從基因型到表現型需要通過酶催化的代謝活動來實現?；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?；颉z傳因子？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都84遺傳信息的傳遞分子生物學中心法則遺傳信息通過DNA的復制和蛋白質的表達遺傳信息的傳遞分子生物學中心法則遺傳信息通過DNA的復制和蛋851、DNA的復制DNA具有獨特的半保留式的自我復制能力，確保了DNA復制精確，并保證一切生物遺傳性的相對穩(wěn)定。DNA的復制1、DNA的復制DNA的復制86DNA的復制2、DNA的復制的酶（1）解旋酶（2）DNA聚合酶（3）DNA連接酶能使細胞中游離的四種脫氧核糖核苷三磷酸（dATP,dCTP,dTTP.dGTP）合成DNA(有適量DNA和Mg2+)；性質：模板指導性的酶

5’---3’

產物DNA和天然的DNA性質相同DNA的復制2、DNA的復制的酶（1）解旋酶能使細胞中游離的87環(huán)境工程微生物學微生物的遺傳和變異3課件88DNA的變性：解鏈溫度Tm：DNA的復性：DNA的變性和復性DNA的變性：DNA的變性和復性89DNA的變性DNA的變性90DNA復性DNA復性91mRNA叫信使RNA，tRNA叫轉移RNA，rRNA（核糖體RNA）反義RNA起調節(jié)作用，決定mRNA翻譯合成速度。由mRNA、tRNA、反義RNA和rRNA協作合成蛋白質。RNA及其作用

DNA分子的四種堿基A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鳥嘌呤）C（胞嘧啶）

RNA分子的四種堿基A（腺嘌呤）

U（尿嘧啶）G（鳥嘌呤）C（胞嘧啶）mRNA叫信使RNA，RNA及其作用DNA分子的四種堿基92蛋白質合成蛋白質合成93蛋白質合成mRNAmRNA+tRNAmRNA+tRNA+rRNA蛋白質合成mRNAmRNA+tRNAmRNA+tRNA+94蛋白質合成堿基配對遺傳密碼-氨基酸mRNAtRNA蛋白質合成堿基配對遺傳密碼-氨基酸mRNAtRNA95蛋白質合成蛋白質合成96646497蛋白質合成蛋白質合成98mRNA合成mRNA合成99mRNA合成1.識別功能（起始；終止）2.解旋功能特點：1.RNA很短2.單鏈mRNA合成1.識別功能特點：1.RNA很短100環(huán)境工程微生物學微生物的遺傳和變異3課件101環(huán)境工程微生物學微生物的遺傳和變異3課件102蛋白質的合成蛋白質的合成103蛋白質的合成蛋白質的合成104蛋白質的合成蛋白質的合成105蛋白質的合成蛋白質的合成106蛋白質的合成蛋白質的合成107蛋白質的合成蛋白質的合成108蛋白質的合成蛋白質的合成109蛋白質的合成蛋白質的合成110蛋白質的合成蛋白質的合成111蛋白質的合成蛋白質的合成112蛋白質合成過程：

轉錄mRNA：由DNA轉錄成mRNA，同時也轉錄成其他幾種RNA；

翻譯：由tRNA完成；

蛋白質合成：依托核糖體，合成多肽，

經修飾、折疊、加工，最終生成具有特定功能的蛋白質。蛋白質的合成蛋白質合成過程：蛋白質的合成113第二節(jié)微生物的變異一、變異的實質在微生物遺傳過程中，由于某種因素的影響，DNA上的堿基對發(fā)生差錯，出現堿基的缺失、置換或插入，改變了基因內原有的堿基順序，導致后代性狀的改變。當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)生變異的實質?！扒度肴玖稀保哼灌こ?，原黃素、溴化乙錠第二節(jié)微生物的變異一、變異的實質“嵌入染料”：吖啶橙，原114二、突變的類型突變的類型自發(fā)突變

誘發(fā)突變第二節(jié)微生物的變異物理誘變，如紫外線?；瘜W誘變，利用化學物質促進突變。紫外線的作用機理：形成T的二聚體，從而導致DNA復制出現錯誤。光復活性：核苷酸切除修復酶遺傳病、癌癥二、突變的類型第二節(jié)微生物的變異物理誘變，如紫外線。紫外線115突變的應用可進行定向培育和馴化。在環(huán)境工程中，常采用定向培育的方法來培育菌種（馴化）。第二節(jié)微生物的變異誘變育種突變的應用第二節(jié)微生物的變異誘變育種116三、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胞的遺傳物質轉移到一起，使基因重新組合，產生新品種，稱為基因重組或遺傳重組。重組是分子水平上的一個概念，可以理解為遺傳物質分子水平的雜交。第三節(jié)基因重組基因工程三、基因重組第三節(jié)基因重組基因工程117基因工程過程示意圖①從細胞中分離出DNA①②③④⑤⑥②限制酶截取DNA片斷③分離大腸桿菌中的質粒④DNA重組⑤用重組質粒轉化大腸桿菌⑥培養(yǎng)大腸桿菌克隆大量基因剪切酶連接酶修飾酶基因工程過程示意圖①從細胞中分離出DNA①②③④⑤⑥②限制酶118遺傳工程技術在環(huán)保中的應用（1）石油降解功能菌的構建（2）烴類和抗汞質粒菌的構建（3）脫色工程菌的構建（4）特殊環(huán)境下的Q5T工程菌的構建（5）人工合成有機物工程菌的構建（6）重金屬污染的基因工程修復

遺傳工程技術在環(huán)保中的應用（1）石油降解功能菌的構建119基因工程在環(huán)保方面的應用（1）石油降解功能菌的構建環(huán)境污染凈化

20世紀70年代美國生物學家Chakrabarty等對假單胞桿菌屬的不同菌種分解烴類化臺物的遺傳學進行了大量研究，發(fā)現假單胞桿菌屬的許多菌種的細胞內含有某種降解質粒，它們控制著石油中烴類降解菌酶的合成?；蚬こ淘诃h(huán)保方面的應用（1）石油降解功能菌的構建環(huán)境污120基因工程在環(huán)保方面的應用基因工程在環(huán)