水处理微生物学课件7

第八章微生物的遗传与变异内容提要遗传、变异、遗传型、表型等概念遗传变异的物质基础三个经典实验DNA的结构及性质遗传信息的传递和表达微生物突变的实质和类型基因重组指每种微生物所具备的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。遗传遗传具有保守性优点：保障优良性状稳定遗传；缺点：环境变化，无法适应而死亡。几个重要概念：遗传、遗传型、表型、变异金丝猴的后代仍然是金丝猴遗传型又称基因型，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指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的综合，是其遗传性在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体表现。是一种现实性。遗传型（可能性）+环境条件表型（现实性）代谢，发育任何一种生物的亲代和子代以及个体之间，在形态结构和生理机能方面都有所差异，这种现象叫做变异。特点：遗传是相对的，变异是绝对的性状变化幅度大新性状稳定、可遗传变异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？一、遗传的物质基础一切生物遗传变异的物质基础是核酸，包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），含有DNA的微生物中遗传物质是DNA，不含DNA只含RNA的微生物中，遗传物质是RNA。第一节微生物的遗传如流感病毒、爱滋病病毒、烟草花叶病毒等以RNA为遗传物质仅含RNA的生物：噬菌体流感病毒艾滋病毒烟草花叶病毒含DNA的生物：以DNA为遗传物质如真核生物、原核生物和只含DNA的病毒等生物的遗传物质：蓝藻细菌动植物噬菌体流感病毒艾滋病毒烟草花叶病毒哪些人用什么方法最终证明了遗传的物质基础？（1）格里菲斯经典转化实验（1928）（2）埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验（1941）。（3）赫西和蔡斯大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌实验。（4）H.Fraenkel-Conrat植物病毒的重建实验R型菌（粗糙、无毒性）S型菌（光滑、有毒性）多糖类荚膜（1）格里菲斯——肺炎双球菌转化实验一段时间后将R型活菌注入小鼠体内一段时间后将S型活菌注入小鼠体内一段时间后将灭活的S型菌注入小鼠体内一段时间后将R型活菌与灭活的S型菌注入小鼠体内（2）埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验从S型肺炎球菌活体上取得蛋白质、荚膜、DNA、RNA，分别与R型肺炎球菌混合后注入到小白鼠体内结果被注入DNA的小白鼠死亡，其它小白鼠存活。DNA蛋白质多糖RNA只有DNA引起R型肺炎球菌转化，DNA是其遗传物质（3）赫西和蔡斯实验——噬菌体侵染细菌的实验（含S）（含P）用放射性同位素35S标记外壳蛋白质细菌内无放射性用放射性同位素32P标记内部DNA细菌内有放射性表明DNA是遗传物质（4）植物病毒的重建试验H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行植物病毒重建实验：将TMV放在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将它的蛋白质外壳和RNA核心分离，发现裸露的RNA能感染烟草，而蛋白质不感染烟草。选用一株与TMV近缘的霍氏车前花叶病毒HRV进行实验。TMV重建试验红蓝箭头表示遗传信息的走向正常花叶病课堂小结核酸是一切生物的遗传物质，核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），绝大多数生物都是以DNA作为遗传物质的，只有少数病毒的遗传信息贮存在RNA上，因此DNA是主要的遗传物质。1、DNA的结构二、核酸的结构最经典的结构：双螺旋结构。沃森、克里克1953年提出。沃森（左）和克里克与DNA分子双螺旋结构模型（1）两条走向相反的多核苷酸链，以右手方向沿同一轴心平行盘绕成双螺旋，螺旋直径为2nm。（2）脱氧核苷酸链（DNA）是由脱氧核苷酸按一定顺序排列组成双螺旋结构模型脱氧核糖碱基磷酸AGCT碱基AGCT脱氧核糖磷酸碱基4种脱氧核苷酸A——腺嘌呤G——鸟嘌呤C——胞嘧啶T——胸腺嘧啶ATGCATGC脱氧核糖磷酸碱基每个单链均由脱氧核糖－磷酸－脱氧核糖－磷酸交替排列构成。两条核苷酸链靠碱基对之间的氢键连接：T—AA—TG—CC—GA与T之间有2个氢键，G与C之间有3个氢键。（3）一个DNA分子可包含几十万到几百万个碱基对，每个碱基之间间距为0.34nm。每10个碱基组成一个螺旋，螺距3.4nm。碱基之间一一对应，顺序固定，可以保证遗传的稳定性。如果受到干扰，个别碱基排列顺序发生变化，会导致微生物死亡或变异。DNA的存在形式真核生物中DNA与组蛋白结合成染色体，少的几个，多的几十个，被核膜包围。原核生物中DNA与很少量的蛋白结合，以单独裸露状态存在无核膜包围，单纯由一条DNA细丝构成环状的染色体細胞染色体DNA蛋白质2、RNA的结构RNA与DNA相似，不同之处是核糖及碱基。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脱氧核糖碱基磷酸AGCT碱基核糖碱基磷酸AGCT碱基DNARNAAGCU核糖磷酸碱基4种核苷酸AUGCAUGC核糖磷酸碱基通常是单链，由核糖－磷酸－核糖－磷酸交替排列构成。两条核苷酸链靠碱基对之间的氢键连接：U—AA—UG—CC—GmRNA：以DNA的一条单链为模板，在RNA聚合酶的催化下，按碱基互补原则合成的。由于传达了DNA的遗传信息，故称信使RNAtRNA：存在于细胞质里，在蛋白质合成过程中起转移氨基酸的作用rRNA：与蛋白质形成核糖体，作为蛋白质的合成场所，(核糖体RNA)反义RNA：起调节作用，主要决定mRNA的翻译速度RNA种类三、遗传信息的传递和表达贮存在DNA上的遗传信息都会转录到RNA上，通过RNA的翻译作用指导蛋白质的合成，最终依靠蛋白质体现遗传性状。遗传信息流动的方向:中心法则复制1、DNA的复制微生物为了保证遗传的稳定性，DNA的复制十分精确－半保留复制方式。复制过程：（1）解旋：DNA双链氢键断裂，双链分开；（2）复制：以各自双链为模板，进行复制。（3）分配：新复制的核苷酸链与原来的一条核苷酸链按照碱基配对原则形成新的双链结构。TCATGATTAAGTACTAATDNA的平面结构图细胞核中AGTACTAAT游离的脱氧核糖核苷酸解旋酶作用下，DNA解旋，一条链为模板复制DNA细胞核中AGTACTAATDNA的碱基互补配对细胞核中DNA聚合酶游离的脱氧核糖核苷酸AGTACTAATDNA与RNA的碱基互补配对细胞核中DNA聚合酶游离的脱氧核糖核苷酸TT细胞质核孔DNADNA在细胞核中复制细胞核内TCATGATTAAGTACTAAT2、mRNA的转录复制后的DNA双链打开后，以单链为模板，按照碱基配对原则复制RNA。将DNA上的信息转给RNA。TCATGATTAAGTACTAATDNA的平面结构图细胞核中AGTACTAAT游离的核糖核苷酸DNA解旋，一条链为模板合成RNA细胞核中AGTACTAATDNA与RNA的碱基互补配对细胞核中RNA聚合酶游离的核糖核苷酸AGTACTAATDNA与RNA的碱基互补配对细胞核中RNA聚合酶游离的核糖核苷酸UU细胞质核孔DNAmRNA在细胞核中合成细胞核内UCAUGAUUAAGTACTAATmRNA3、翻译由tRNA完成。通过反密码子与mRNA密码子的互补，tRNA破译氨基酸的密码，进而将所需氨基酸送到核糖体处。4、蛋白质的合成按照特定的碱基顺序密码送到核糖体的氨基酸按照顺序连接在一起，在酶的作用下形成多肽链，进而形成蛋白质，最终将遗传信息表达出来。UCAUGAUUAmRNAAGTACTAATUCAUGAUUAmRNA细胞核内密码子密码子密码子密码子mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基UCAUGAUAmRNAUACU亮氨酸天冬氨酸异亮氨酸氨基酸（原料）tRNA的一端运载着氨基酸反密码子亮氨酸天冬氨酸ACU异亮氨酸核糖体UCAUGAUAmRNAU细胞质中核糖体UCAUGAUAmRNAU亮氨酸细胞质中核糖体UCAUGAUAmRNAU亮氨酸天冬氨酸ACU异亮氨酸细胞质中核糖体UCAUGAUAmRNAU亮氨酸天冬氨酸ACU异亮氨酸缩合以mRNA为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质细胞质中UCAUGAUAmRNAU第二节微生物的变异一、变异的本质——基因突变DNA双链间靠精密的碱基配对互相连接。但是，偶尔也会出现差错。如碱基丢失、置换、插入。这样就改变了碱基的原有顺序，引发后代的表现类型变异。突变类型自发突变诱发突变低剂量多因素突变互变异构效应物理诱变化学诱变定向培育和驯化二、基因突变类型（1）低剂量多因素的诱变效应自然界中存在一些低浓度诱变物质及微生物自身代谢所产生的一些诱变物质综合作用是长期作用的结果1、自发突变（2）互变异构效应碱基以不同基团形式出现，导致错配自发突变的概率很低，细菌一般在一万到一百亿次分裂中才出现一个突变体2、诱发突变（1）物理诱变利用物理因素引起基因突变物理因素：紫外辐射、激光、Ｘ射线、β射线等紫外辐射诱变机制DNA碱基吸收的光波波长与紫外辐射波长非常接近，因此碱基对于UV敏感，当有UV辐射时，就会进行吸收，吸收的光能会使DNA结构变化。如：胸腺嘧啶聚会形成胸腺嘧啶二聚体。损伤DNA的修复光复活和暗复活切除修复重组修复SOS修复适应性修复光复活和暗复活•光复活：一部分受损伤的DNA在可见光，尤其是510nm波长的光照射下，DNA修复酶水解损伤区域两端的磷酸脂键，切割受损伤的DNA，将新的核苷酸插入，连接酶连接成正常的DNA。•黑暗情况下修复，为暗复活。（2）化学诱变利用化学物质引起基因突变三种形式：亚硝酸、硝基胍、硫酸二乙酸等可与核苷酸碱基起化学反应，引起碱基错配5－尿嘧啶、5－氨基尿嘧啶等结构与天然碱基接近，可代替天然碱基配对在DNA分子上缺失或插入一两个碱基，引起遗传密码转录和翻译的错误（3）定向培育和驯化定向培育：人为用一种特定环境条件长期处理某一微生物群体，同时不断将它们进行移种传代，以达到累积和选择合适的自发突变体的一种育种方法。变异程度较轻，变异过程缓慢。应用：环境工程中培育菌种例如将处理生活污水的活性污泥（菌种）移到其它各种废水（如印染废水，含酚、氰废水）中，菌种的营养需求和代谢途径逐渐发生变化三、基因突变的特点1.自发性概率极低。每104～1010繁殖才有一次出现基因突变体。2.可诱变性3.可逆性4.不对应性指多种因素导致一种性状的出现。第三节基因重组概念：两个不同性状的细胞DNA融合，使基因重新组合，导致遗传变异，产生新品种的过程。重组手段：杂交、转化、转导。通过双亲细胞的融合，使整套或部分染色体的基因重组。通过杂交可以获得有目的的新品种。应用有固氮基因的肺炎克雷伯氏菌和不含固氮基因的大肠杆菌杂交，使大肠杆菌含有固氮基因并有固氮能力1、杂交受体细胞直接吸收供体细胞的DNA片断，并将其整合到自己的基因组里，从而获得供体细胞部分遗传性状的现象转化过程：（1）感受态细胞出现；（2）DNA吸附；（3）DNA进入细胞内；（4）DNA解链；（5）形成受体DNA－供体DNA复合物；（6）DNA复制和分离2、转化感受态细胞：能吸收外来DNA片段，并能把它整合到自己的染色体组上以实现转化的细胞。利用到温和噬菌体做载体，将供体特定基因携带给受体细胞，使后者得到前者部分遗传性状的现象。注意：受体细胞和供体细胞不进行直接接触，靠的是温和噬菌体的媒介作用。3、转导U形管实验思考1.微生物的遗传和变异的概念？遗传和变异的物质基础是什么？2.微生物的遗传信息是如何传递的？3.基因突变的类型和特点是什么？