第一篇微生物的遺傳與變異詳解演示文稿

第一篇微生物的遺傳與變異詳解演示文稿當(dāng)前第1頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)優(yōu)選第一篇微生物的遺傳與變異當(dāng)前第2頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)第一節(jié)微生物的遺傳一、遺傳與變異的物質(zhì)基礎(chǔ)——DNA二、DNA的結(jié)構(gòu)與復(fù)制三、DNA的變形與復(fù)性四、RNA五、微生物的生長與蛋白質(zhì)合成六、微生物的細(xì)胞分裂當(dāng)前第3頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)一、遺傳與變異的物質(zhì)基礎(chǔ)——DNA遺傳與變異是一切生物最本質(zhì)的屬性，DNA而是生物遺傳與變異的物質(zhì)基礎(chǔ)。通過格里菲斯（Griffith）經(jīng)典的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、噬菌體感染細(xì)菌和植物病毒重建的實(shí)驗(yàn)可以證明。當(dāng)前第4頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)格里菲斯(Griffith)經(jīng)典的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)材料：肺炎雙球菌光滑型（S）粗糙型（R）有莢膜無莢膜菌落光滑菌落粗糙分泌毒素?zé)o毒致病不致病SSⅠSⅡSⅢ三個(gè)血清型RⅠRⅡRⅢ三個(gè)血清型當(dāng)前第5頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)格里菲斯(Griffith)經(jīng)典的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)圖示當(dāng)前第6頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)S型菌細(xì)胞抽提液試驗(yàn)R菌落活R菌S菌Pr+活R菌+S菌DNAS菌落S菌多糖R菌落活R菌+當(dāng)前第7頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)噬菌體感染實(shí)驗(yàn)原理：DNA只含P不含S；蛋白質(zhì)只含S不含P步驟：1：用含同位素35S

、32P的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌；2：讓T2感染上述大腸桿菌使其帶有35S

、32P標(biāo)記；當(dāng)前第8頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)吸附10分鐘后攪動(dòng)離心上清液沉淀結(jié)果：上清液中含15%放射擊性；沉淀中含85%放射性3、當(dāng)前第9頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)植物病毒的重建實(shí)驗(yàn)原理：植物病毒蛋白質(zhì)和RNA可以人為地分開，同時(shí)又可把它們重新組合成具感染性的病毒。甲R(shí)NA＋乙Pr→感染癥狀同甲病毒；分離得到甲病毒乙RNA＋甲Pr→感染癥狀同乙病毒；分離得到乙病毒當(dāng)前第10頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)TMVHRVHRVTMV原始株拆開重建感染分離純化植物病毒的重建實(shí)驗(yàn)圖示當(dāng)前第11頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)

遺傳(heredity或inhertiance)和變異(Variation)是生物體最本質(zhì)的屬性之一。

與之相關(guān)的幾個(gè)概念1、遺傳(heredity)生物的上一代將自己的遺傳因子傳遞給下一代的行為或功能，具有極其穩(wěn)定的特性。2、遺傳型(genotype)

某一生物所含有的遺傳信息即DNA中正確的核苷酸序列。生物體通過這個(gè)核苷酸序列控制蛋白質(zhì)或RNA的合成，一旦功能性蛋白質(zhì)合成，可調(diào)控基因表達(dá)。當(dāng)前第12頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)3、表型(phenotype)

某一生物體所具有的一切外表特征及內(nèi)在特性的總和，是遺傳型在合適環(huán)境條件下的具體體現(xiàn)。是一種現(xiàn)實(shí)性。遺傳型＋環(huán)境條件代謝發(fā)育表型遺傳型是一種內(nèi)在可能性或潛力，其實(shí)質(zhì)是遺傳物質(zhì)上所負(fù)載的特定遺傳信息。具有某遺傳型的生物只有在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下通過自身的代謝和發(fā)育，才能將它具體化，即產(chǎn)生表型。當(dāng)前第13頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)變異(Variation)是生物體在某種外因或內(nèi)因作用下引起的遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，亦即遺傳型的改變。特點(diǎn)：幾率極低(一般為10-5~10-6)；性狀變化幅度大；變化后的新性狀是穩(wěn)定的、可遺傳的。飾變(modification)：指不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上的表型變化。特點(diǎn)：每一個(gè)體都發(fā)生變化性狀變化的幅度?。灰蜻z傳物質(zhì)不變故飾變是不遺傳的。例子：粘質(zhì)沙雷氏菌(Serratiamarcescens)在25℃下培養(yǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生深紅色的靈桿菌素，在37℃時(shí)不產(chǎn)生色素。當(dāng)前第14頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)二、DNA的結(jié)構(gòu)與復(fù)制

結(jié)構(gòu)的提出：1953年，Watson、Crick提出DNA的雙螺旋模型，為合理解釋遺傳物質(zhì)的各種功能奠定了基礎(chǔ)。Watson—Crick模型是右手螺旋，堿基的平面對(duì)DNA分子的中軸是垂直的。當(dāng)前第15頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)DNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)（1）堿基AGC脫氧核糖磷酸T基本單位－脫氧核苷酸當(dāng)前第16頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)DNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)（2）A腺嘌呤脫氧核苷酸G鳥嘌呤脫氧核苷酸C胞嘧啶脫氧核苷酸T胸腺嘧啶脫氧核苷酸脫氧核苷酸的種類當(dāng)前第17頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)DNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)（3）連接

ATGCATGC當(dāng)前第18頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)DNA復(fù)制的發(fā)現(xiàn)

Watson和Crick在提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)之后，又提出了DNA復(fù)制的假說：DNA半保留復(fù)制模型；

1958年，Meselson米西爾森和Stanl斯坦?fàn)柌捎煤?5N重同位素的NH4Cl培養(yǎng)大腸桿菌，放在正常的培養(yǎng)液里繁殖，然后用梯度離心技術(shù)測(cè)定分裂時(shí)DNA復(fù)制時(shí)的密度變化，證實(shí)了DNA的半保留復(fù)制。

DNA的半保留復(fù)制是指在DNA聚合酶的作用下，以一個(gè)親代DNA分子的兩條鏈為模板，合成兩個(gè)結(jié)構(gòu)上完全相同的子代DNA分子的過程。當(dāng)前第19頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng)前第20頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)遺傳物質(zhì)在微生物細(xì)胞內(nèi)的存在部位和方式擬核遺傳物質(zhì)類型核遺傳物質(zhì)核外遺傳物質(zhì)真核生物細(xì)胞器原核生物質(zhì)粒原核生物：擬核真核生物：染色體當(dāng)前第21頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)DNA就是脫氧核糖核酸（長鏈）ATCTTTGGGGCCCCCCTTTGGGAAAAAA腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)胸腺嘧啶(T)胞嘧啶(C)基因測(cè)序就是讀出A-C-G-T-G-G-A-C-G…...當(dāng)前第22頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)基因是一段DNA染色體基因Ⅱ基因ⅠDNA基因是生命的密碼基因記錄和傳遞遺傳信息基因決定生物體的生長、疾病、衰老等生命現(xiàn)象當(dāng)前第23頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)大腸桿菌基因組4100個(gè)基因，4.7×106bp遺傳信息的連續(xù)性功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)基因單拷貝及rRNA多拷貝基因的重復(fù)序列少而短當(dāng)前第24頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)原核生物基因調(diào)控乳糖操縱子操縱基因調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)蛋白乳糖mRNA酶1酶2酶3當(dāng)前第25頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)質(zhì)粒：核外環(huán)狀小型DNA獨(dú)立復(fù)制穩(wěn)定遺傳。F因子：與有性接合有關(guān)種類

R因子：與抗藥性有關(guān)COL：編碼免疫蛋白Ti質(zhì)粒：誘癌質(zhì)粒降解散質(zhì)粒：編碼降解有害物質(zhì)的酶用途：基因工程中作為目的基因載體。質(zhì)粒：原核生物遺傳物質(zhì)存在的另一種方式當(dāng)前第26頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)五、微生物的生長與蛋白質(zhì)合成當(dāng)前第27頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)蛋白質(zhì)合成的過程1DNA的復(fù)制2轉(zhuǎn)錄mRNA3翻譯4蛋白質(zhì)的合成當(dāng)前第28頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯GATCTAGAUDNAmRNA天冬氨酸

氨基酸

轉(zhuǎn)錄

翻譯

當(dāng)前第29頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)第二節(jié)微生物的變異一、變異的實(shí)質(zhì)——基因突變二、突變的類型當(dāng)前第30頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)一、變異的實(shí)質(zhì)——基因突變基因突變即微生物被某種因素引起堿基的缺失、置換或插入，改變了基因內(nèi)部原有的堿基排列順序，從而引起其后代表現(xiàn)型的改變，即發(fā)生了變異。當(dāng)前第31頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)

基因突變及修復(fù)一、基因突變(一)基因突變的機(jī)制(二)突變株的篩選

當(dāng)前第32頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)(一）基因突變的機(jī)制1、基因突變(genemutation)

一個(gè)基因內(nèi)部結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變，改變一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)堿基的缺失、插入或置換，而導(dǎo)致的遺傳變化稱為基因突變。當(dāng)前第33頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)DNA序列范圍的改變從單個(gè)堿基改變通常稱為點(diǎn)突變(pointmutations)，到基因組大范圍的重排，有時(shí)稱為多位點(diǎn)突變，其中包括DNA鏈上短的一段序列或長的一段序列改變，從而影響許多基因。多位點(diǎn)突變可以是堿基序列的缺失、插入、倒位、置換(包括易位)和重復(fù)以及在基因組中發(fā)生重組或轉(zhuǎn)座的結(jié)果。2、點(diǎn)突變(pointmutations)當(dāng)前第34頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)點(diǎn)突變中由一個(gè)嘌呤變?yōu)榱硪粋€(gè)嘌呤(A?G)或一個(gè)嘧啶變?yōu)榱硪粋€(gè)嘧啶(C?T)稱為轉(zhuǎn)換(transition)，嘌呤變?yōu)猷缀袜奏ぷ優(yōu)猷堰史Q為顛換(transversions)。遺傳型上一個(gè)堿基的改變?cè)诒硇蜕系男?yīng)取決于突變的性質(zhì)和在基因組點(diǎn)突變發(fā)生的位置，有四種點(diǎn)突變類型：當(dāng)前第35頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)1）同義突變(same-sensemutations)

由于基因密碼的冗余[性]；同樣的氨基酸插入蛋白質(zhì)，結(jié)果表型上沒有看出變化。2）錯(cuò)義突變(mis-sensemutations)

指不同的氨基酸插入蛋白質(zhì)的多肽鏈中，多肽鏈相應(yīng)氨基酸改變的結(jié)果視蛋白質(zhì)的基本部分或非基本部分改變而定。前者蛋白質(zhì)功能改變或喪失，后者表型上沒有觀察到變化。

當(dāng)前第36頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)3）無義突變(nonsensemutations)是指堿基序列改變?yōu)榘被峤K止密碼子(UAA，UAG，UGA)。蛋白質(zhì)合成超前停止，導(dǎo)致一個(gè)截短的蛋白質(zhì)產(chǎn)生。4）移碼突變(frameshiftmutations)是DNA序列上缺失或插入1-2個(gè)核苷酸，引起從該突變點(diǎn)后翻譯閱讀框移位和變成一個(gè)完全改變的氨基酸序列。當(dāng)前第37頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)突變的效應(yīng)可以通過許多方法回復(fù)。最簡單的回復(fù)突變是回復(fù)到原來的堿基序列(野生型)。選擇回復(fù)突變是闡明突變類型好的檢驗(yàn)方法。如原來的突變型是點(diǎn)突變或缺失突變，不易在同一位點(diǎn)發(fā)生回復(fù)突變。那么一種獲得野生型表型的方法是通過阻抑的機(jī)制，其中第二次突變發(fā)生在基因組的不同位點(diǎn)，它補(bǔ)償了第一次突變的效應(yīng)。3、回復(fù)突變(backmutation)當(dāng)前第38頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)第二次突變可以在基因組的不同位點(diǎn)突變，此情況稱為校正突變(intragenicsuppressor)，移碼突變后閱讀框架復(fù)原的補(bǔ)償突變)或完全不同的基因突變，稱基因間抑制(intergenicsuppressor)。當(dāng)前第39頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)1、根據(jù)突變株類型分離鑒定和分離突變株時(shí)，根據(jù)突變株基因的特殊性質(zhì)，一般分成三類：（二）突變株篩選當(dāng)前第40頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)1）有毒化合物抗性突變株

如對(duì)抗生素或?qū)κ删w侵染的抗性。這些突變株能通過在有毒藥劑或噬菌體存在下生長來選擇。只有抗性突變株才生長。2）營養(yǎng)缺陷型突變株

突變株不能合成生長所必需的基本化合物如一個(gè)氨基酸或維生素。這些突變株不能直接分離，但能通過影印培養(yǎng)法(replicaplating)篩選。3）不能利用特殊底物如乳糖和麥芽糖生長的突變株，可以通過影印培養(yǎng)法鑒別。當(dāng)前第41頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)用于篩選大量特殊突變菌落的一個(gè)方法。細(xì)菌鋪制成平板，在所含營養(yǎng)成分的培養(yǎng)基上親本和突變株均能生長，采用一個(gè)稀釋度使單個(gè)菌落能在平板上看到；培養(yǎng)后，用一個(gè)無菌的絲絨布包裹的圓柱章的圓墊轉(zhuǎn)移上述菌落至可以檢出突變株的培養(yǎng)基平板上。2、影印培養(yǎng)法當(dāng)前第42頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)培養(yǎng)基的性質(zhì)根據(jù)突變株的需求，在營養(yǎng)缺陷型突變株的情況下，可以在有特殊生長因子和沒有特殊生長因子的平板上影印法轉(zhuǎn)移菌落，不能合成那種生長因子的突變菌株，在基本培養(yǎng)基上不能生長，但能在加入已知生長因子的基本培養(yǎng)基上生長(加富培養(yǎng)基)，突變株菌落通過在基本培養(yǎng)基不能生長來鑒別，可以從能生長的補(bǔ)充培養(yǎng)基平板上選出和純化。當(dāng)前第43頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng)前第44頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)選擇性培養(yǎng)基1選擇性培養(yǎng)基2選擇性培養(yǎng)基3當(dāng)前第45頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)3、突變的類型（1）自發(fā)突變：多因素低劑量的誘變效應(yīng)互變異構(gòu)效應(yīng)（2）誘發(fā)突變：物理誘變因子：紫外輻射、X—射線、β—射線、快中子、γ—射線和激光等。化學(xué)誘變因子：生物誘變因子：某些病毒當(dāng)前第46頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)突變是隨機(jī)的；整個(gè)基因組所有時(shí)間均可發(fā)生突變，但是一個(gè)基因組的某些位點(diǎn)比其它的位點(diǎn)更易突變。這些突變聚集的位點(diǎn)稱為熱點(diǎn)。一個(gè)基因的突變率是不一樣的，從每104個(gè)復(fù)制周期每個(gè)基因出現(xiàn)一個(gè)基因突變，到每1011復(fù)制周期每個(gè)基因出現(xiàn)一個(gè)基因突變，平均大約每106復(fù)制周期每個(gè)基因出現(xiàn)一個(gè)突變。當(dāng)前第47頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)1.定向培養(yǎng)(污泥馴化)：人為用某一特定環(huán)境條件長期處理某一微生物群體，不斷將其移種傳代，以達(dá)到積累和選擇合適的自發(fā)突變體。2.誘變育種：利用物理的、化學(xué)的或生物的誘變因子處理微生物，使之發(fā)生突變，并篩選出合適的突變體。突變?cè)谖⑸镉N方面的應(yīng)用當(dāng)前第48頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)誘變育種除能提高產(chǎn)量外，還可達(dá)到改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、擴(kuò)大品種和簡化生產(chǎn)工藝等目的，是目前最廣泛使用的育種手段。以高產(chǎn)為目標(biāo)的誘導(dǎo)育種大致路線如下：

當(dāng)前第49頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)第三節(jié)微生物基因的轉(zhuǎn)移和重組基因轉(zhuǎn)移(genetransfer)：外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌進(jìn)入某受體菌細(xì)胞內(nèi)的過程?；蛑亟M(recombination)：轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起，使受體菌獲得供體菌某些特性。外源性遺傳物質(zhì)：供體菌染色體DNA，質(zhì)粒DNA及噬菌體基因等。細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移和重組方式：轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)、溶原性轉(zhuǎn)換、細(xì)胞融合。當(dāng)前第50頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)一、接合(conjugation)接合是同通過質(zhì)粒使遺傳物質(zhì)在兩個(gè)細(xì)菌細(xì)胞間轉(zhuǎn)移的機(jī)制。細(xì)菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌。能通過結(jié)合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，不能通過性菌毛在細(xì)菌間轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒為非接合性質(zhì)粒。當(dāng)前第51頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)F+F-F+F-F+F+F+F+當(dāng)前第52頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)ElectronMicrographofEscherichiacoliwithaConjugationPilus當(dāng)前第53頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)二、轉(zhuǎn)化(Transformation)受體細(xì)胞直接吸收來自供體細(xì)胞的DNA片段（來自研碎物），并把它整合到自己的基因組中，從而獲得供體細(xì)胞部分遺傳性狀的現(xiàn)象。當(dāng)前第54頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)格里菲斯(Griffith)經(jīng)典的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)當(dāng)前第55頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)三、轉(zhuǎn)導(dǎo)(Transduction)

轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過溫和噬菌體的媒介作用，把供體細(xì)胞內(nèi)特定的基因（DNA片段誤包）攜帶至受體細(xì)胞中，使后者獲得前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象。根據(jù)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因片段的范圍，可將轉(zhuǎn)導(dǎo)分為兩類：普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（轉(zhuǎn)導(dǎo)的DNA可是供菌染色體上的任何部分）、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（轉(zhuǎn)導(dǎo)的DNA只限供菌染色體上的特定基因）。當(dāng)前第56頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng)前第57頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)四、

溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenicconversion)當(dāng)噬菌體感染細(xì)菌時(shí)，宿主菌染色體中獲得了噬菌體的DNA片段，使其成為溶原狀態(tài)時(shí)，而使細(xì)菌獲得新的性狀。當(dāng)前第58頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)五、原生質(zhì)體融合(protoplastfusion)當(dāng)前第59頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)第四節(jié)遺傳工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用一、遺傳工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用二、基因工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用三、PCR技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用當(dāng)前第60頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)一、遺傳工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用質(zhì)粒育種：質(zhì)粒是原核微生物中除染色體外的另一種較小的、攜帶少量遺傳基因的環(huán)狀DNA分子，也叫染色體外DNA。質(zhì)?？砂l(fā)生丟失和轉(zhuǎn)移，也可誘導(dǎo)產(chǎn)生。質(zhì)?？捎脕砼囵B(yǎng)優(yōu)良菌種，同時(shí)在基因工程中常被用作載體。當(dāng)前第61頁\共有66頁\編于星期五\21點(diǎn)二、基因工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用基因工程是指在基因水平上的遺傳工程，又叫基因剪接或核酸體外重組。（1）從供體細(xì)胞中選擇獲取帶有目的基因的DNA片段；（2）將目的DNA的片段和質(zhì)粒在體外重組；（3）