第七章微生物的遗传与变异

第七章微生物的遗传与变异微生物的遗传微生物的变异基因重组突变体的检测与筛选分子遗传学新技术在环境工程与环境保护中的应用1.种瓜得瓜，种豆得豆；2.龙生龙，凤生凤，老鼠儿子会打洞；3.虎父无犬子；4.一母生九子，母子十不同。请大家想一想，与遗传变异有关的俗语或谚语有哪些？第七章微生物的遗传与变异第七章微生物的遗传与变异遗传（heredity）和变异（variation）是生物界最本质的属性之一。在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品及微生物污染治理过程中，要想有效地大幅度提高产品的产量、质量和处理效果，首先必须选育优良的生产菌种，才能达到目的。而优良菌种的选育是在微生物遗传变异的基础上进行的。遗传和变异是相互关联，同时又相互矛盾对立的两个方面，在一定条件下，二者是相互转化的。认识和掌握微生物遗传变异的规律是搞好菌种选育的关键。第七章微生物的遗传与变异遗传：微生物在繁殖延续后代的过程中，亲代与子代之间在形态、结构、生态、生理生化特性等方面具有一定的相似性，称为微生物的遗传。遗传的保守性：相对稳定有利：选育出的优良菌种属性稳定地遗传。不利：环境条件改变，微生物会不适应外界环境条件。保持物种延续。第七章微生物的遗传与变异变异：在微生物繁殖过程中，在世代之间、同代个体之间存在差异的现象，称为变异。变异的多样性个体形态的变化，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。两者的关系：遗传是相对的，变异是绝对的，遗传中有变异，变异中有遗传，遗传和变异的辨证关系使微生物不断进化。第七章微生物的遗传与变异意义：遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素育种环境保护领域第七章微生物的遗传与变异两组基本概念：遗传型（genotype）又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。表型（phenotype）指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和。遗传型（可能性）表型（现实性）环境条件代谢、发育第七章微生物的遗传与变异两组基本概念：变异（variation）生物体在某种外因或内因的作用下引起的遗传物质结构或数量的改变，即遗传型的改变。特点：群体中几率低，性状变化幅度大，新性状稳定可遗传。饰变（modification）修饰性改变，即不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。特点：群体中几乎每一个体都同样变化，性状变化幅度小，不遗传，引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。例如：粘质沙雷氏菌：在25℃下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37℃下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25℃，又恢复产色素的能力。7.1微生物的遗传遗传变异的物质基础——DNA（脱氧核糖核酸）遗传变异的物质基础是蛋白质还是核酸，曾是生物学中激烈争论的重大问题之一。直至1944年后由于连续利用微生物这一有利的实验对象设计了3个著名的实验，才以确凿的事实证实了核酸尤其是DNA才是遗传变异的真正物质基础。三个经典实验与遗传物质7.1.1遗传变异的物质基础——DNA1、经典转化实验以肺炎链球菌(Streptococcuspneumoniae)作为研究对象，肺炎链球菌可以使人患肺炎，也可以使小白鼠患败血病而死亡；有荚膜者是致病性的，它的菌落表面光滑(smooth)，称为S型；有的不形成荚膜，无致病性，菌落外观粗糙(rough)，故称R型。有荚膜，致病的，菌落表面光滑（smooth）不形成荚膜，无致病性，菌落外观粗糙（rough)离体转化实验1944年，O.T.Avery、C.M.Macleod和M.McCarty从热死的S型肺炎链球菌中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化实验。Avery等的体外培养实验(1944)分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化分析：S型细菌的DNA能将肺炎链球菌的R型转化为S型。而DNA纯度越高，转化效率也越高，只取纯DNA的6Χ10-8的量时，仍有转化能力。这说明，S型菌株转移给R型菌株的是以DNA为基础的遗传因子。7.1.1遗传变异的物质基础——DNA2、噬菌体感染实验1952年，A.D.Hershey和M.Chase发表了证明噬菌体的遗传物质基础的著名实验－噬菌体感染实验。首先，他们将E.coli培养在以放射性32P3O4或35S2O4作为磷源或硫源的合成培养基中。结果,可以获得含32P-DNA(噬菌体核心)的噬菌体或含35S-蛋白质(噬菌体外壳)的两种实验用噬菌体。7.1.1遗传变异的物质基础——DNA3、烟花草叶病毒的拆开与重组实验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。把TMV和HRV（霍氏车前花叶病毒）的蛋白质外壳与RNA相分离。用TMV的RNA与HRV的蛋白质外壳，HRV的RNA与TMV的蛋白质外壳重建后的杂合病毒去感染烟草。三个经典试验结果细胞生物的遗传物质是双链DNA；病毒的遗传物质可以是单链的或双链的DNA或RNA，即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。三个经典试验结果朊病毒的发现和思考无论是DNA还是RNA作为遗传物质的基础已是无可辨驳的事实。但朊病毒的发现对“蛋白质不是遗传物质”的定论也带来一些疑云。PrP是具有传染性的蛋白质致病因子，迄今未发现蛋白内有核酸，但已知的传染性疾病的传播必须有核酸组成的遗传物质，才能感染宿主并在宿主体内自然繁殖。那么这是生命界的又一特例呢？还是因为目前人们的认识和技术所限而尚未揭示的生命之谜呢？还有待于生命科学家去认识和探索。规则的双螺旋结构通常呈单链结构脱氧核苷酸核糖核苷酸腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）脱氧核糖核糖磷酸磷酸DNA与RNA分子的比较7.1.2DNA的结构与复制1953年的克里克（FrancisCrick)（右）和沃森(JamesWatson)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。DNA（脱氧核糖核酸）：高分子化合物7.1.2DNA的结构与复制DNA的结构DNA由两条多核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互补，方向相反，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕形成。四种碱基A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）相互配对。AT,GC互相间通过氢键连接。7.1.2DNA的结构与复制DNA的结构每条核苷酸链均由脱氧核糖－磷酸－脱氧核糖－磷酸交替排列而成（磷酸二酯键）。7.1.2DNA的结构与复制DNA的结构四种碱基结构7.1.2DNA的结构与复制DNA的结构碱基配对（依靠氢键连接）GCATATGCATGC脱氧核糖磷酸碱基大部分DNA具有双螺旋结构，亦称为B型。小沟大沟7.1.2DNA的结构与复制DNA的存在形式除部分病毒的遗传物质是RNA外，其余病毒和全部具有典型细胞结构的生物体的遗传物质都是DNA。按其在细胞中的存在形式可分成染色体DNA、染色体外DNA、RNA作为遗传物质、朊病毒的遗传物质。7.1.2DNA的结构与复制1.染色体DNA真核生物的染色体。真核生物的染色体主要由DNA和组蛋白(H1，H2A，H2B，H3，H4)构成。原核生物的染色体。原核生物的染色体的DNA与很少量的蛋白质结合，或者是裸露的。它们大多是双链的，呈环状或线状。7.1.2DNA的结构与复制2.染色体外DNA真核微生物中的细胞器DNA：叶绿体、线粒体、中心粒、毛基体等原核微生物和真核微生物的酵母菌：质粒插入序列、转座子、Mu噬菌体等细菌等原核生物质粒染色体叶绿体中含有环状DNA线粒体中含有环状DNA染色体指携带细胞功能所必备的基因的遗传单元。病毒是非细胞生物，它们的全套遗传基因称为基因组，但不足以形成染色体。原核生物的染色体常为一个环状的DNA分子。=DNA真核生物的细胞有几条至几十条染色体，各含一个线状的DNA分子。=DNA+组蛋白真核生物的染色体结构细菌染色体DNA的大小和结构原核生物的质粒游离于原核生物染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状DNA分子，即cccDNA(circularcovalentlyclosedDNA)，称为质粒。质粒具有超螺旋状的结构，携带着某些染色体所没有的基因，赋予原核生物某些对其生存必不可少的特殊功能。并非细胞必须，仅与某些性状有关;常作为基因转移的运载工具。PlasmidpBR322质粒的主要类型致育因子Fertilityfactor，F因子（致育因子，性因子，约2%核染色体，94.5kb，编码的基因约1/3与接合有关）抗性因子Resistancefactor，R因子（抗药性因子，其基因编码的物质对抗生素有抗性）Ti因子诱癌质粒，可同植物细胞中的核染色体整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使其变成癌细胞。Col因子大肠杆菌素因子，即使大肠杆菌分泌大肠杆菌素巨大质粒分子量200~300×106Da，比一般质粒大几十到几百倍，上面有固氮基因。降解性质粒可以编码许多降解性酶类，使细菌降解特殊物质。只在假单胞菌属中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。7.1.2DNA的结构与复制基因——遗传因子基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制能力的遗传功能单位。它是DNA分子上具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。遗传物质的最小功能单位。基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。按功能可把基因分为三种：结构基因、操纵基因、调节基因。7.1.2DNA的结构与复制基因——遗传因子结构基因：编码蛋白质或酶的结构,控制某种蛋白质或酶的合成。操纵基因：操纵结构基因的表达。调节基因：控制结构基团。7.1.2DNA的结构与复制遗传信息的传递DNA遗传信息需要通过一系列物质变化过程才能在生理上和形态上表达出相应的遗传性状。现代生物遗传学已经证明：亲代的性状是通过脱氧核糖核酸（DNA）将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的。子代根据DNA所携带的遗传信息，产生一定形态结构的蛋白质，由一定结构的蛋白质就可决定子代具有一定形态结构和生理生化特性。7.1.2DNA的结构与复制基因信息的传递分子遗传学的中心法则1958年Crick和1970年Temin7.1.2DNA的结构与复制DNA的复制半保留式的自我复制能力解旋复制分配4dNTP注意：复制过程必须有酶的参与，如：解旋酶、聚合酶等。解旋过程中，并不是完全断开后才开始复制，而是解开一段后，就进行复制。复制好的就开始形成双螺旋。每个子代细胞都获得了亲代细胞的一个DNA单链。7.1.3DNA的变性与复性DNA的变性双链DNA受热或其它因素的作用，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链的DNA，即称为DNA变性。7.1.3DNA的变性与复性DNA的变性加热引起DNA变性是实验室最常用的方法。A260：260nm波长处DNA对紫外辐射的吸收值。Tm：解链温度或熔解温度，A260升高达到一半时的温度。DNA分子越大，G-C碱基越多，Tm值越高。7.1.3DNA的变性与复性DNA的复性变性DNA溶液经适当处理后重新形成天然DNA的过程叫复性，或叫退火。注意：DNA的复性是随机的。即复性的DNA不可能完全回复到原来状态。高温变性缓慢冷却热复性急速冷却复性失败7.1.4RNARNA（核糖核酸）和DNA很相似，不同的是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T)。7.1.4RNARNA有四种:tRNA、rRNA、mRNA和反义RNA，它们均由DNA转录而成。分别在蛋白质合成过程中担任不同的角色。mRNA叫信使RNA，tRNA叫转移RNA，反义RNA起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。rRNA（核糖体RNA）7.1.4RNADNA转录成RNA非模板链模板链mRNA——翻译的模板CAACUGCAGA