第九章微生物的遗传与变异10

污染控制微生物学 1. 绪论Æ 2. 原核微生物Æ 3. 真核微生物Æ 4. 非细胞生物——病毒Æ 5. 微生物的营养Æ 6. 微生物的代谢Æ 7. 微生物的生长繁殖Æ8. 微生物的生态Æ 9. 微生物的遗传和变异Æ 10. 废水生物处理基本原理和主要微生物类群Æ 11. 厌氧生物学原理及厌氧生物处理技术Æ 12. 水体的富营养化和氮磷的去除Æ 13. 污染控制微生物学的应用Æ 14. 生物修复技Æ9. 微生物的遗传和变异遗传性和变异性是生物界最本质的属性之一。遗传性是指亲代生物传递给子代的与自身相同性状的遗传信息，这种遗传性是相对稳定的。凡在遗传物质水平上发生了改变而引起某些相应性状发生改变的特性，称为变异性，这种变异性是可以遗传的。微生物的遗传变异特性在环境科学与工程中有重要应用价值。主要内容 9.1 微生物的遗传ù 9.2 微生物的变异与突变ù 9.3 细菌的基因重组ù 9.4 基因工程在环境科学中的应用ù 9.5 作业ù9.1 微生物的遗传 9.1.1 证明核酸是遗传物质的经典实验Ñ 9.1.2 DNA的化学组成与结构Ñ 9.1.3 DNA的复制Ñ 9.1.4 遗传信息的传递与表达—中心法则Ñ9.1.1 证明核酸是遗传物质的经典实验 P240 （1）肺炎双球菌的转化实验（2）噬菌体感染实验（3）病毒的拆开和重建实验（1）肺炎双球菌的转化实验 1928年，英国医生F.Griffith最早利用肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）[又称肺炎双球菌（Diplococcus pneumoniae）]进行了转化实验。在这一实验中，S. pneumoniae两个不同的菌株RⅡ型和SⅢ型被用作实验材料。 RⅡ型肺炎链球菌菌株不形成荚膜，菌落表面粗糙，不具有致病性。 SⅢ型肺炎链球菌菌株有荚膜，菌落表面光滑，它具有致病性，可使小鼠患败血症而死亡。RⅡ型活菌株小白鼠注射小白鼠健康 SⅢ型活菌株小白鼠注射小白鼠病死加热杀死的 SⅢ型菌株小白鼠注射小白鼠健康 RⅡ型活菌株小白鼠注射小白鼠病死加热杀死的 SⅢ型菌株 RⅡ型活菌株小白鼠注射小白鼠病死 SⅢ型菌株的DNA 肺炎链球菌的转化实验实验结论这些实验说明，在加热杀死的SⅢ型菌株的细胞内可能存在一种物质，它能通过某种方式进入RⅡ型菌株细胞，并使RⅡ型菌株细胞获得稳定的致病遗传性状。1944年，O.T.Avery等人对转化实验进行了进一步的研究。在实验中，他们从活的SⅢ型菌株中提纯了蛋白质、DNA 和荚膜多糖等各种细胞成分，并在离体条件下分别利用这几种物质进行了转化实验，结果只有SⅢ型菌株的DNA才能将RⅡ型菌株转化为SⅢ型菌株，从而证明了DNA是引起转化作用的物质。（2）噬菌体感染实验 1952年，Hershey和Chase利用示踪同位素的方法，对大肠杆菌T 2 噬菌体感染大肠杆菌进行了实验研究。捣碎器打散吸附 32 P标记的噬菌体 E.coli 离心上清液 15%放射性沉淀 85%放射性捣碎器打散吸附 35 S标记的噬菌体 E.coli 离心上清液 75%放射性沉淀 25%放射性噬菌体的感染实验实验结论发现几乎全部的 32 P和大肠杆菌都在沉淀物中，而几乎全部的 35 S都留在上清液中。有力地说明了T 2 噬菌体的蛋白质外壳并没有进入菌体，只有DNA进入宿主大肠杆菌的体内，并通过DNA的作用最终释放出大量与亲代有同样蛋白质外壳的子代T 2 噬菌体。由此可见，决定噬菌体遗传性的物质不是蛋白质，而是DNA。（3）病毒的拆开和重建实验 1956年，H.Fraenkel­Conrat用含RNA（核糖核酸）的烟草花叶病毒（TMV）进行了植物病毒重建实验。将TMV的蛋白质外壳与RNA核心分离。分离后的RNA在没有蛋白质外壳的情况下，仍能感染烟草并使其患病，而且在病斑中还能分离出正常的病毒粒子。在实验中还选用了与TMV近缘的霍氏车前花叶病毒（HRV）。当用以TMV的RNA与HRV的蛋白质外壳重建后的杂合病毒去感染烟草时，烟叶上出现了典型的TMV病斑，而且从中分离出来的新病毒也是典型TMV病毒。利用HRV的RNA与TMV的蛋白质外壳重建后的杂合病毒感染烟草后，同样可从中分离出典型 HRV病毒，从而证明病毒的遗传物质是RNA。9.1.2 核酸的化学组成与DNA结构（1）DNA的化学组成脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）脱氧核苷酸核苷酸磷酸脱氧核糖核糖碱基腺嘌呤A 鸟嘌呤G 胞嘧啶C 胸腺嘧啶T 尿嘧啶U（2）DNA的结构 DNA是由两条脱氧核苷酸链组成的双螺旋体结构；每条链中，核糖核磷酸交替连结排在外侧，与核糖相连的碱基排在内侧；两条链的碱基按照碱基配对原则以氢键相连。 DNA的碱基配对原则：A＝T，G≡C RNA的碱基配对原则：A＝U， A＝T， G≡CDNA的结构演示9.1.3 DNA的复制请观看演示9.1.4 遗传信息的传递与表达— 中心法则 RNA是怎样合成的（转录）？三种RNA 的功能有什么不同？P244 蛋白质的合成（翻译）（密码子）P244 性状表达 P245 什么是生物遗传的中心法则？P244 补充一个概念——生物的性状性状：由遗传物质决定，生物体所表现出的，可以观测到的，可以用物理、化学方法测定的性质和形状。9.2 微生物的变异与突变 9.2.1 变异的概念Ï 9.2.2 变异的原因Ï 9.2.3 基因突变Ï9.2.1 变异的概念由于遗传物质的改变，子代在性状上表现出的与亲代的差异性。9.2.2 变异的原因生物产生变异的根本原因，是在外部的和内在的因素作用下，遗传物质发生了改变，如果这一改变是可以稳定遗传的，则称为突变；突变包括基因突变、基因重组和染色体变异；9.2.3 基因突变（一）基因突变的概念Ñ（二）基因突变的分类Ñ（三）野生型和突变型Ñ（四）基因突变的机制Ñ（五）基因突变的后果Ñ（一）基因突变的概念（1）基因突变的概念 P246 （2）突变体：携带突变基因的生物个体或群体（株/系）称突变体（mutant）。（二）基因突变的分类（1）自然突变和诱变：根据诱发基因突变的原因，将突变分为自然突变和诱发突变（诱变） P246­247（2）从突变中碱基对变化的数目上来看，可分为单点突变和多点突变。单点突变是指仅发生一个碱基对的突变；多点突变是指两个以上碱基对的突变。（三）野生型和突变型（1）野生型是指没有发生突变的基因；（2）突变型是指相对于某一性状的野生型基因发生突变之后的表现型。（四）基因突变的机制就单点突变而言，存在三种突变形式：碱基替换、缺失和插入。其中，由于插入或缺失而造成的基因序列和遗传编码的改变，也称移码突变碱基替换碱基替换是突变发生的常见形式，可以分为两类：碱基替换转换颠换一种嘧啶（C、T）替换另一种嘧啶，或一种嘌呤（A、 G）替换另一种嘌呤一种嘧啶被一种嘌呤替换，或一种嘌呤被一种嘧啶替换缺失缺失是指一个或多个核苷酸从一个序列中被删除；插入插入是指一个或多个核苷酸被插入某一序列，但也包括从另一位点的移换；突变的三种替代野生型碱基替代碱基插入碱基缺失 ATGACCAGGTC ATGACTAGGTC ATGACACAGGTC ATGACAGGTC T替代C 插入碱基A 缺失碱基C 替代形式碱基序列变化现象（五）基因突变的后果生物基因突变，可能会造成功能丧失，也有可能获得新的功能。9.3 细菌的基因重组 9.3.1 基因重组的概念Ñ 9.3.2 转化Ñ 9.3.3 接合Ñ 9.3.4 转导Ñ9.3.1 基因重组的概念请参阅教材 P2499.3.2 转化请参阅教材 P250 转化、转化因子、感受态细胞9.3.3 接合（1）接合的概念 P250 （2）F因子、F －菌株、F ＋菌株P251 （3）Hfr菌株（高频重组菌株） P226 、 F′因子Hfr菌株内的F因子由于不正常切割而从染色体组脱落后，会在细胞内形成游离的带一小段细菌染色体DNA的F因子，称为F′因子，含有F′因子的菌株就是F′菌株。它的性状介于F + 菌株和Hfr 菌株之间。（4）R因子、降解质粒 P252 R因子与降解质粒在环境污染治理中有重要意义（培育抗药物毒性的菌种用以处理特种有机废水，通过质粒育种培育超级细菌等）9.3.4 转导（一）转导的概念 P253 （二）转导的种类（1）普遍性转导 P253 （2）局限性转导 P253 （三）转导的普遍性 P2549.4 基因工程在环境科学中的应用 9.4.1 诱变育种及其应用 P255 9.4.2 质粒育种及其应用 P256 9.4.3 基因工程与工程菌构建P257 9.4.4 分子生物学技术及其应用P260­263 PCR技术9.5 作业 P263思考题： 1、6、7、8、9