第六微生物的遺傳和變異

第六微生物的遺傳和變異第一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一

親代的性狀在子代表現(xiàn)出來，使子代與親代有相似的現(xiàn)象，叫遺傳。從分子水平上講，遺傳就是遺傳信息的復(fù)制和表達(dá)。生物親代與子代之間，子代個(gè)體之間有差異的現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在形態(tài)和生理性狀。從分子水平講，是遺傳信息發(fā)生了變化。遺傳（heredity）

變異（variation）

第二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一遺傳型——生物體所攜帶的全部遺傳因子或基因的總稱。表型——具有一定遺傳性的個(gè)體在特定的外界環(huán)境中通過生長發(fā)育所表現(xiàn)出來的種種形態(tài)和生理特征的總和。有些基因結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化僅表型改變不是變異，只能稱適應(yīng)或飾變（modification）。變異是基因結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而且往往是不可逆的變化，此變化可以遺傳給子代形成新的品種。遺傳是相對的，變異是絕對的；遺傳中有變異，變異中有遺傳。第三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)

微生物的遺傳第四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)證明了核酸(DNA和RNA)是遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)。1.肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象2.噬菌體感染實(shí)驗(yàn)3.植物病毒重建實(shí)驗(yàn)一、遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)-DNA第五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一1、轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)最早進(jìn)行轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的是F.Griffith（1928）第六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一2噬菌體感染實(shí)驗(yàn)第七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一3、病毒的拆開和重建實(shí)驗(yàn)霍氏車前花葉病毒煙草花葉病毒第八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一兩類核酸的基本化學(xué)組成DNARNA嘌呤堿腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）嘧啶堿胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）戊糖D-2-脫氧核糖D-核糖酸磷酸磷酸核酸是一種多聚核苷酸，它的基本單位是核苷酸。核苷酸由堿基、磷酸和戊糖組成第九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一（一）DNA的結(jié)構(gòu)1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測。二、DNA的結(jié)構(gòu)與復(fù)制第十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一一級結(jié)構(gòu)：DNA中核苷酸之間的連結(jié)方式及其排列順序。二級結(jié)構(gòu)：雙螺旋結(jié)構(gòu)?；咎攸c(diǎn)：（1）DNA由兩天互相平行的脫氧核苷酸長鏈盤繞而成。（2）脫氧核苷酸和磷酸交替連接，排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)側(cè)。（3）兩條鏈上的堿基以氫鍵相結(jié)合形成堿基對。第十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一堿基的相互結(jié)合具有嚴(yán)格的配對規(guī)律，即A與T結(jié)合，G與C結(jié)合，這種配對關(guān)系，稱為堿基互補(bǔ)。A和T之間形成兩個(gè)氫鍵，G與C之間形成三個(gè)氫鍵。在DNA分子中，嘌呤堿基的總數(shù)與嘧啶堿基的總數(shù)相等。第十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一1、DNA的存在形式真核生物：染色體（DNA+組蛋白），絲狀結(jié)構(gòu)，所有染色體由核膜包成一個(gè)細(xì)胞膜原核生物：DNA細(xì)絲構(gòu)成環(huán)狀的染色體，質(zhì)粒2、基因:基因是一切生物體內(nèi)儲存信息的，有自我復(fù)制能力的遺傳功能單位。第十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一(二）DNA的復(fù)制——半保留復(fù)制以親代DNA分子的兩條鏈為模板合成各自的互補(bǔ)鏈，形成兩個(gè)子代的DNA分子的過程稱為復(fù)制，這個(gè)過程是半保留復(fù)制即合成新的DNA分子時(shí)，子代DNA的一條鏈來自親代，另一條鏈為新合成的互補(bǔ)鏈。第十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一三、DNA的變性和復(fù)性（一）DNA變性DNA的雙螺旋由氫鍵維持，當(dāng)天然雙螺旋DNA受熱或其他因素作用下，兩條鏈之間的結(jié)合力被破壞而分開成為單鏈DNA，即稱為DNA變性。天然狀態(tài)的DNA在完全變性后，紫外吸收(260nm)值增加25－40%；RNA變性后，約增加1.1%。這種現(xiàn)象稱為增色效應(yīng)。DNA的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內(nèi)完成。因此，通常將引起DNA變性的溫度稱為融點(diǎn)，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之間。DNA的Tm值與分子中的G和C的含量有關(guān)。G和C的含量高，Tm值高。第十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一（二）DNA復(fù)性變性DNA在適當(dāng)?shù)臈l件下，兩條彼此分開的單鏈可以重新締合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一過程稱為復(fù)性。DNA復(fù)性后，一系列性質(zhì)將得到恢復(fù)，但是生物活性一般只能得到部分的恢復(fù)。DNA復(fù)性的程度、速率與復(fù)性過程的條件有關(guān)。將熱變性的DNA驟然冷卻至低溫時(shí)，DNA不可能復(fù)性。但是將變性的DNA緩慢冷卻時(shí)，可以復(fù)性。分子量越大復(fù)性越難。濃度越大，復(fù)性越容易。此外，DNA的復(fù)性也與它本身的組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)。第十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一由DNA復(fù)性研究發(fā)展成的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)是分子雜交，雜交可以發(fā)生在DNA之間或DNA與RNA之間，DNA之間雜交可用于估測DNA間的同源序列，不同生物在進(jìn)化過程中的相關(guān)性。DNA與RNA雜交可通過RNA轉(zhuǎn)錄來檢測DNA中特定基因的存在。核酸雜交第十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一1、mRNA——messageRNA，信使RNA它的生物功能是將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)合成基地–核糖體。四、RNARNA分子的主要生物功能是參與蛋白質(zhì)的生物合成，可分為tRNA、rRNA、mRNA和反義RNA，都由DNA轉(zhuǎn)錄而來。第十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一2、tRNA——transferRNA轉(zhuǎn)移RNA是mRNA與氨基酸之間的接合體，帶有能和mRNA互補(bǔ)的反密碼子，3’末端AMP上結(jié)合氨基酸，反密碼子與mRNA上的密碼子互補(bǔ)。一個(gè)氨基酸有一種或多種tRNA。呈三葉草結(jié)構(gòu)。第十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一3、rRNA——ribosomalRNA核糖體RNArRNA與蛋白質(zhì)共同組成核糖體。原核生物：5S、16S、23S真核生物：5S、5.8S、16S、28S4、反義RNA——antisenseRNA是能與DNA堿基互補(bǔ)，并能阻止、干擾復(fù)制轉(zhuǎn)錄和翻譯的短小RNA。起調(diào)節(jié)作用，決定mRNA翻譯合成速度。第二十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一五、微生物生長和蛋白質(zhì)合成微生物生長的主要活動(dòng)是蛋白質(zhì)的合成，DNA的復(fù)制合成和RNA的轉(zhuǎn)錄合成最終目的在于蛋白質(zhì)的合成。DNA通過轉(zhuǎn)錄作用，將其所攜帶的遺傳信息傳遞給mRNA,在三種RNA（mRNA、tRNA和rRNA）的共同作用下，完成蛋白質(zhì)的合成。第二十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一DNA復(fù)制RNA轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)翻譯逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制中心法則生物的遺傳信息從DNA傳遞給mRNA的過程稱為轉(zhuǎn)錄。根據(jù)mRNA鏈上的遺傳信息合成蛋白質(zhì)的過程，被稱為翻譯和表達(dá)。1958年Crick將生物遺傳信息的這種傳遞方式稱為中心法則。第二十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一1.轉(zhuǎn)錄–mRNA的合成轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板合成與其堿基順序互補(bǔ)的mRNA的過程。細(xì)胞生長周期的某個(gè)階段，DNA雙螺旋解開成為轉(zhuǎn)錄模板，在RNA聚合酶催化下，合成mRNA。第二十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一轉(zhuǎn)錄——以DNA為模板，按堿基配對原則（dA-U、dT-A、dG-C、dC-G)合成RNA鏈。DNA復(fù)制RNA轉(zhuǎn)錄第二十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一不對稱轉(zhuǎn)錄——只能以雙鏈中固定的一條鏈（模板鏈）為模板轉(zhuǎn)錄RNA開始(啟動(dòng)子)與mRNA序列相同的那條DNA鏈稱為編碼鏈或有義鏈，并把另一條鏈根據(jù)堿基互補(bǔ)原則指導(dǎo)mRNA合成的DNA鏈稱為反義鏈。第二十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一mRNA攜帶有合成蛋白質(zhì)的全部信息。蛋白質(zhì)的生物合成是以mRNA作為模板進(jìn)行的。第二十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一遺傳密碼mRNA分子中所存儲的蛋白質(zhì)合成信息，是由組成它的四種堿基（A、G、C和U）以特定順序排列成三個(gè)一組的三聯(lián)體代表的，即每三個(gè)堿基代表一個(gè)氨基酸信息。這種代表遺傳信息的三聯(lián)體稱為密碼子，或三聯(lián)體密碼子。mRNA分子的堿基順序即表示了所合成蛋白質(zhì)的氨基酸順序。第二十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一遺傳密碼第二十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一2.蛋白質(zhì)的生物合成(1)tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的幫助下，能夠識別相應(yīng)的氨基酸，并通過tRNA氨基酸臂的3'-OH與氨基酸的羧基形成活化酯－氨基酰-tRNA。第二十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一每一種氨基酸至少有一種對應(yīng)的氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸與ATP的作用,也催化氨基酰基轉(zhuǎn)移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶具有高度的專一性。每一種氨基酰-tRNA合成酶只能識別一種相應(yīng)的tRNA。tRNA分子能接受相應(yīng)的氨基酸,決定于它特有的堿基順序,而這種堿基順序能夠被氨基酰-tRNA合成酶所識別。第三十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一(2)氨基酰-tRNA在mRNA模板指導(dǎo)下組裝成蛋白質(zhì)氨基酰-tRNA通過反密碼臂上的三聯(lián)體反密碼子識別mRNA上相應(yīng)的遺傳密碼，并將所攜帶的氨基酸按mRNA遺傳密碼的順序安置在特定的位置，最后在核糖體中合成肽鏈。第三十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一六、微生物的細(xì)胞分裂微生物將倍增的核物質(zhì)和蛋白質(zhì)均等地分配給兩個(gè)細(xì)胞，在細(xì)胞的中部合成橫隔膜并逐漸內(nèi)陷，最終將兩個(gè)子細(xì)胞分開，細(xì)胞分裂完成。第三十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)微生物的變異第三十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一一、變異的實(shí)質(zhì)——基因突變基因突變：DNA因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，從而引起其后代表型的改變.二、突變的類型（一）自發(fā)突變:指微生物在自然條件下，沒有人工參與而發(fā)生的基因突變第三十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一（二）誘發(fā)突變指在細(xì)菌的環(huán)境中加入理化因素而誘導(dǎo)細(xì)菌發(fā)生的突變。凡提高突變率的理化因子都可稱誘變劑（mutagen）1、物理誘變:（1）紫外輻射誘變作用機(jī)制：主要的生物效應(yīng)是DNA吸收紫外輻射，引起DNA結(jié)構(gòu)的變化。引起DNA結(jié)構(gòu)的變化有很多方面：DNA斷裂、DNA交聯(lián)、DNA與蛋白質(zhì)交聯(lián)、胞嘧啶與鳥嘌呤的水合作用及嘧啶二聚體的形成。第三十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一（2）DNA損傷的修復(fù)①光復(fù)活和暗復(fù)活光復(fù)活：光裂合酶在可見光下（300-500nm）會因獲得光能而發(fā)生解離從而使二聚體重新分解成單體。暗復(fù)活：切除修復(fù)和重組修復(fù)第三十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一②切除修復(fù)：需要三種酶協(xié)同作用，不需要可見光的激活。首先在二聚體兩側(cè)核酸內(nèi)切酶作用下造成單鏈斷裂并切除二聚體。DNA聚合酶I作用下修復(fù)，最后DNA連接酶縫合新合成的DNA片段和原DNA片段。③重組修復(fù)：必須在DNA進(jìn)行復(fù)制的情況下進(jìn)行，所以又稱復(fù)制后修復(fù)。大腸桿菌可以在不切除胸腺二聚體情況下以帶有二聚體的這一單鏈為模板而合成互補(bǔ)單鏈，但在二聚體附近留下了一個(gè)空隙，經(jīng)過染色體交換，使空隙部分面對正常單鏈，DNA聚合酶和連接酶將此修復(fù)。第三十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一④SOS修復(fù)：DNA大范圍損失作為一種求救信號引發(fā)設(shè)計(jì)DNA修復(fù)的多種細(xì)胞功能參加的誘導(dǎo)作用。正常的SOS系統(tǒng)被LexA蛋白所抑制，DNA損傷時(shí)激活RecA蛋白酶活性，使LexA蛋白失活，啟動(dòng)SOS系統(tǒng)。一旦修復(fù)完成，SOS系統(tǒng)關(guān)閉。SOS系統(tǒng)是一種傾向差錯(cuò)的DNA修復(fù)機(jī)制，可造成突變。⑤適應(yīng)性修復(fù)：細(xì)菌由于長期接觸低劑量誘變劑會產(chǎn)生修復(fù)蛋白酶，修復(fù)DNA上因甲基化而遭受的損傷。第三十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一2、化學(xué)誘變化學(xué)誘變可造成堿基對的置換轉(zhuǎn)換（transition）：嘌呤被另一嘌呤或嘧啶被另一嘧啶取代。顛換（transversion）：嘌呤被嘧啶取代?；瘜W(xué)誘變對DNA的作用形式有三類：（1）直接引起置換的誘變劑是一類可直接與核酸堿基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的誘變劑?？膳c一個(gè)或幾個(gè)核苷酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起DNA復(fù)制時(shí)堿基配對的轉(zhuǎn)換。

第三十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一亞硝酸可使堿基發(fā)生氧化脫氨，使腺嘌呤A轉(zhuǎn)變?yōu)榇吸S嘌呤H，胞嘧啶C變成尿嘧啶U，引起A=T向G=C轉(zhuǎn)換

①腺嘌呤氧化脫氨后形成烯醇式次黃嘌呤（He）②He通過互變異構(gòu)效應(yīng)形成酮式次黃嘌呤（HK）③DNA復(fù)制時(shí)，HK與胞嘧啶（C）配對④DNA第二次復(fù)制時(shí)，C與G正常配對，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換。第四十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一（2）間接引起置換的誘變劑：這類誘變劑是一些堿基類似物，5-溴尿嘧啶（5-Bu）、5-氨基尿嘧啶（5-Au）、8-氮鳥嘌呤（8-NG）、2-氨基嘌呤（2-AP）等。它們的作用是通過活細(xì)胞的代謝活動(dòng)摻入到DNA分子后引起的，因此是間接的。（3）引起移碼突變的誘變劑：由誘變劑引起DNA分子中的一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)核苷酸的增添、插入或缺失，從而使該部位后面的全部遺傳密碼發(fā)生轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯錯(cuò)誤的一類突變。第四十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一3、復(fù)合處理及協(xié)同效應(yīng)兩種或多種誘變劑先后使用；同一種誘變劑重復(fù)使用；兩種或多種誘變劑同時(shí)使用4、定向培育與馴化:用某一特定環(huán)境長期處理某一微生物群體，不斷移種傳代，從中選擇具有合格性狀的自發(fā)突變體。因自發(fā)突變率低，變異程度低，培育進(jìn)程很緩慢。

環(huán)境工程中仍采用定向培育的方法培育菌種——馴化。第四十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)基因重組

兩個(gè)不同性狀個(gè)體細(xì)胞的DNA融合，使基因重新組合，從而發(fā)生遺傳變異，產(chǎn)生新品種，此過程稱為基因重組。第四十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一一、雜交

雜交是在細(xì)胞水平上發(fā)生的一種遺傳重組方式。有性雜交，一般指性細(xì)胞間的接合和隨之發(fā)生染色體重組，并產(chǎn)生新遺傳型后的一種方式。凡能產(chǎn)生有性孢子的酵母菌或霉菌，原則上都可應(yīng)用與高等動(dòng)、植物雜交育種相似的有性雜交方法進(jìn)行育種。第四十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一二、轉(zhuǎn)化（transformation）受體菌直接吸收來自供體菌的DNA片段，通過交換，把它組合到自己的基因組中，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的受體菌稱為轉(zhuǎn)化子。第四十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一兩個(gè)菌種和菌株間能否發(fā)生轉(zhuǎn)化，與它們在進(jìn)化上的親緣關(guān)系有密切關(guān)系，但即使在轉(zhuǎn)化率極高的那些種中，不同菌株間也不一定能發(fā)生轉(zhuǎn)化，能進(jìn)行轉(zhuǎn)化的細(xì)胞必須是感受態(tài)的。受體菌最易接受外源DNA片段并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的生理狀態(tài)稱為感受態(tài)。感受態(tài)因子是一種胞外蛋白，可能是細(xì)胞膜上的一種組分，可催化外來DNA片段的吸收或降解表面某種成分，讓細(xì)胞表面的DNA受體暴露出來。第四十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一三、轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction)

通過缺陷噬菌體的媒介，把供體細(xì)胞的DNA片段攜帶到受體細(xì)胞中，從而使后者獲得了前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)。1、普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)(generalizedtransduction)噬菌體可誤包供體菌中的任何基因(包括質(zhì)粒)，并使受體菌實(shí)現(xiàn)各種性狀的轉(zhuǎn)導(dǎo)，此即普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。2、局限轉(zhuǎn)導(dǎo)(restrictedspecializedtransduction)指通過某些部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌的少數(shù)特定基因轉(zhuǎn)移到受體菌中的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。第四十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一第四節(jié)遺傳工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用第四十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期一一、遺傳工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用（一）質(zhì)粒育種質(zhì)粒是細(xì)菌體內(nèi)一種獨(dú)立于染色體外，與細(xì)菌細(xì)胞共生能獨(dú)立復(fù)制和穩(wěn)定地延續(xù)遺傳的遺傳單位，其基因由環(huán)狀雙鏈共價(jià)閉合DNA分子組成，長1-200kb。不帶有重要基因，存在與否不對細(xì)菌產(chǎn)生致死效應(yīng)。不同質(zhì)粒拷貝數(shù)不同，根據(jù)其數(shù)目分為嚴(yán)緊型和松弛型兩類。嚴(yán)緊型質(zhì)粒多半是一些