华北理工水处理生物学教案07细菌的生长和遗传变异2

1课程名称：《水处理生物学》第7讲次，总16讲摘要授课题目（章、节）第3章细菌的生长和遗传变异第二节细菌的遗传与变异本讲目的要求及重点难点：【目的要求】细菌遗传与变异的基本知识、遗传的物质基础；遗传性状的表达——基因表达；基因突变的机制、基因重组的方式；诱变育种与质粒育种；基因工程、基因工程在环境工程中的应用。【重点】基因突变的机制、基因重组的方式、诱变育种与质粒育种、基因工程、基因工程在环境工程中的应用。【难点】理解基因工程与遗传工程在水处理中的应用内容【本讲课程的引入】“种瓜得瓜，种豆得豆”、“龙生九子，各不相同”这都是关于遗传变异的谚语。微生物的遗传变异又是如何发生的呢？【本讲课程的内容】3.2.1遗传与变异的基本概念遗传性：亲代性状在子代重现，使其子代的性状与亲代基本上一致的现象。“种瓜得瓜种豆得豆”继承亲代优点，保持物种延续细菌同其他生物一样，有其固有的遗传性。细菌的遗传是在系统发育过程中形成的，系统发育愈久的细菌，其遗传的保守程度愈大，越不易受外界环境条件的影响。老龄菌遗传保守程度比幼龄菌大。变异：任何一种生物，亲代和子代之间在生理、形态方面都有一定的差异，这种现象叫变异（个体形态、菌落形态、生理生化特性、代谢产物）。细菌的变异包括基因突变和基因重组。“龙生九子，各不相同”细菌易变异∵细菌的繁殖快，又与外界环境接触面积大，∴环境条件在短时期内对菌体产生多次影响，在受物理、化学因素影响后，易产生适应新环境的酶（诱导酶），从而改变原有的特性，即产生了变异。细菌变异形式：个体形态的变化，菌落形态(光滑型／粗糙型)的变异，营养要求的变异，对温度、pH要求的变异，毒性的变异，抗毒能力的变异，生理生化特性的变异及代谢途径、产物的变异等。2定向培育：有目的地控制微生物生长条件，使其向人类需要的方向变异。在污水生物处理中称为驯化（acclimation、adaption）。有毒有害废水、难降解废水处理，通过驯化，增强微生物的降解能力，提高处理效果。3.2.2遗传的物质基础（1）细菌的遗传物质：一切生物遗传的物质基础是核酸（特别是DNA）。证明核酸是遗传物质基础的经典转化实验（transformation）——F.Griffith，研究对象：Streptococcuspneumoniae（肺炎双球菌）SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性（2）DNA的化学组成DNA是一种高分子化合物，它由四种核苷酸组成，每一种核苷酸均含环状碱基、脱氧核糖和磷酸根三种组分。四种碱基为：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C。（3）DNA双螺旋结构DNA是由两条多核苷酸分子的长链所组成。两条长链之间靠碱基上的氢键作用相联结，遵循配对原则：A——T，G——C（4）DNA复制DNA的复制过程首先是DNA的双链从一端打开，分离成两条单链，然后以每条单链为模板，通过碱基配对逐渐建立起完全互补的一套核苷酸单位，新连接上核苷酸腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T戊糖碱基磷酸核苷混合培养RII型活菌SIII型活菌SIII型热死菌RII型活菌SIII型活菌健康健康健康健康健康健康健康病死病死病死Griffith转化试验示意图3的多核苷酸与原有的多核苷酸链重新形成新的双螺旋DNA。在DNA聚合酶的催化下，一个DNA分子最终复制成两个结构完全相同的DNA，从而将遗传信息传递给子代。复制后的DNA分子有一条新链和一条旧链组成，称为半保留复制。（5）遗传物质在细胞内存在部位和方式（七个水平）：①细胞水平：DNA集中在核质体中。（真核微生物：细胞核）杆菌细胞内大多存在两个核质体，而球菌一般只有一个。②细胞核水平：原核微生物：无核膜包裹，呈松散无定型状态，核基团不与蛋白质结合真核微生物：有核膜，DNA与蛋白质结合，形成染色体（genome）核外染色体（能自主复制）：广义上讲称质粒（plasmid）③染色体水平原核微生物：每一个核质体中只有一个裸露的、在光学显微镜下无法看到的环状染色体。真核微生物：往往有不同数目的染色体。酵母菌属（saccharomycs）17染色体的套数：只有一套相同功能的染色体时称之为单倍体，有两套时称双倍体。④核酸水平绝大多数的微生物的遗传物质为DNA，只有部分病毒才是RNA。⑤基因水平（功能单位）基因：具有遗传功能的DNA分子的片段，平均含有1000bp（碱基对）。一个DNA分子中含有许多基因，不同基因分子含碱基对的数量和排列序列不同。基因的分类结构基因（structuregene）操纵基因（operator）启动基因（promotor）调节基因（regulator）：控制结构基因的活性⑥密码水平（信息单位）遗传密码：DNA上各个核苷酸的特定排列顺序。每个密码子由3个核苷酸顺序来决定。⑦核苷酸水平（最低交换单位、突变单位）（4）质粒（plasmid）定义：游离于染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状DNA分子，即cccDNA（circularcovalentlyclosedDNA）结构：具有超级螺旋结构，分子量106－108Da（道尔顿）100－10000kbp可移动性：异种间转移R因子－R质粒50年代在日本发现的一种质粒（从患痢疾但被抗生素治疗后的病人中分离出的痢疾志贺式菌中），而且能把抗药性转移到E.coli。R因子在细胞中的数目1~2—几十个。对多种抗生素有抗性，也可作为基因载体。具有R因子的细菌在自然界中的存活率高。F因子（Fertilityfactor）、致育因子、性因子F因子是E.coli中决定性别的质粒。62×106Da，94.5kbp。4有F因子的细菌：F+雄菌没有F因子的细菌：F-雌菌降解性质粒含有能降解复杂物质的基因，从而使细菌能降解难降解有机物。大多在假单胞菌属中发现。至今发现的主要降解质粒（以其所能分解的底物命名）：二甲苯质粒：XYL（Xylene）辛烷质粒：OCT（Octane）甲苯质粒：TOL（Toluene）萘质粒：NAP（Napthalene）樟脑质粒：CAM（Camphor）水杨酸质粒：SAL（Salicylate）（5）生物分子的合成细菌的繁殖体现为：DNA、RNA、蛋白质等的合成（6）DNA体外扩增技术PCR（PolymeraseChainReaction）DNA多聚酶链式反应3.2.3遗传信息的表达——基因表达细菌的繁殖体现为：DNA、RNA、蛋白质等的合成（1）核糖核酸RNA：RNA——核糖（DNA为脱氧核糖）尿嘧啶U代替胸腺嘧啶T（3）三种RNA信使核糖核酸mRNA：指导蛋白质的合成核蛋白体核糖核酸rRNA：rRNA与蛋白质组成核糖体，使蛋白质（多肽）的合成场所；转运核糖核酸tRNA：可识别mRNA上的信息，并将特定的氨基酸运送到rRNA上供蛋白质合成。（3）密码子：RNA上每三个碱基决定一个氨基酸。（4）基因表达：基因上贮存的遗传信息需要通过一系列的变化过程才能够在生理上或形态上表达出相应的遗传性状。转录：以DNA双链中的一条链为模板，按互补方式合成RNA，遗传信息由DNA到RNA的过程称为转录。基因DNA上遗传信息转录下的RNA即为mRNA。翻译：转录后的mRNA作为合成蛋白质的模板，并且由mRNA的碱基排列顺序决定多肽链中氨基酸的排列顺序，即遗传信息到蛋白质的传递为翻译。由基因DNA所决定的酶通过代谢作用建造出某种细胞结构（如荚膜、鞭毛、细胞成分等），从而使微生物表现出某种性状，称为性状表达（发育）。3.2.4微生物的基因突变微生物变异5突变：由于生物体DNA改变而引起的遗传性状的改变基因重组：不同个体基因重新组合（1）基因突变定义：DNA链上因碱基的缺失、置换、插入而发生的碱基排列顺序的变化，从而导致表现形状发生了可遗传的变化，这种现象叫基因突变（变异）。染色体畸变——细胞学上可以看到染色体的变化基因突变——细胞学上看不到遗传物质的变化（2）基因突变的原因自发突变：由于自然界的某些物理化学因子的干扰（辐射、臭氧），也可由微生物体内代谢产物（亚硝酸盐、过氧化氢）引起，自发突变频率低10-5～10-9诱发突变：通过施加物理化学因素（紫外线硝酸）诱变剂可大大提高突变率）（3）微生物基因突变的特点适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。稀有性：突变率低且稳定。独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。可诱发性：诱变剂可提高突变率。稳定性：变异性状稳定可遗传。可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变（forwardmutation），从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变（backmutation或reversemutation）。（4）微生物基因突变机制基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的，诱变又可分为点突变和畸变。诱发突变点突变畸变缺失：添加易位：倒位：重复：插入：碱基置换移码突变转换：AG,GCTT,T颠换AACC,G缺失：添加：ABCABCABABCAABCABabcabcabcabcabcabcdefpqrdefpqrghighifdeghijkl*诱发突变点突变畸变缺失：添加易位：倒位：重复：插入：碱基置换移码突变转换：AG,GCTT,T颠换AACC,G缺失：添加：ABCABCABABCAABCABabcabcabcabcabcabcdefpqrdefpqrghighifdeghijkl*6点变异：一个或数个碱基发生变化碱基置换（substitution）定义：对DNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（microlesion），一般也称点突变（pointmutation）。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。分类：转换（transition），即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；颠换（transversion），即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。移码突变frame-shiftmutation或phase-shiftmutation，指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，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。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株（frame-shiftmutant）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分子的微小损伤。丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和α-氨基丫啶等，以及一系列称为ICR类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。染色体畸变（chromosomalaberration）某些理化因子，如X射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起DNA的大损伤（macrolesion）——染色体畸变，它包括：染色体结构上的变化：缺失（deletion）重复（duplication）易位（translocation）倒位（inversion）染色体数目的变化自发突变机制自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。3.2.5基因重组定义：两个不同性状的个体细胞（细胞水平），其中一个细胞（供体）DNA与另一个细胞的DNA融合，使基因重新排列遗传给后代，产生新的遗传性状，称基因重组。作用：重组可使生物体在未发生突变的情况下，也能产生新遗传型的个体。（一）转化（transformation）定义：受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌的游离DNA片段，并把它整合到自己的基因组中，而获得部分新的遗传性状的基因转移过程，称为转化。转化后的的受体菌称为转化子（transformant）。发现：R型活菌+S型死菌→→S型活菌无需细胞接触。细菌、放线菌、真菌中有转化现象。有关名词：7受体菌：recipient/receptor，转化基因的接受者供体菌：donor，转化基因的提供者转化因子：来自供体菌的DNA片段转化子：transformant，将转化基