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1、关于微生物的遗传变异(2)1现在学习的是第1页，共61页2 遗传性（遗传性（heredity）：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。同其他生物一样，微生物有其固有的遗传性。微生物的遗传是在系统发育过程中形成的，系统发育愈久的微生物，其遗传的保守程度愈大，为什么？老龄菌遗传保守程度比幼龄菌大，高等生物遗传保守程度比低等生物大。一、遗传的基本概念第二节 微生物的遗传现在学习的是第2页，共61页3二、遗传的物质基础及其存在形式遗传的物质基础 一切生物遗传的物质基础是核酸（DNA）。核酸的结构：双螺旋结构2.遗传物质在细胞内存在部位和方式（1）细胞水平染色体DNA集中在核质体中。
2、（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。第二节 微生物的遗传现在学习的是第3页，共61页4（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（chromosome）。核外DNA（能自主复制）：广义上讲称质粒（plasmid）第二节 微生物的遗传现在学习的是第4页，共61页5（3）染色体水平原核微生物：每一个核质体中通常只有一个裸露的、在光学显微镜下无法看到的环状染色体。真核微生物：往往有多个线性的染色体，种间差异大。酵母菌属（saccharomycs）17个。染色体的套数：只有一套
3、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。第二节 微生物的遗传现在学习的是第5页，共61页6（5）基因水平（功能和遗传单位）基因：a locatable region of genomic sequence,corresponding to a unit of inheritance,which is associated with regulatory regions,transcribed regions,and or other functional sequence regions 第二节 微生物的遗传
4、Promoter：启动子Enhancer：增强子Attenuator：减弱子Exon：外显子Intron：内含子Transcription：转录Splicing：剪接UTR：非翻译区Translation：翻译ORF：开放阅读框架一个基因典型的真核生物基因结构现在学习的是第6页，共61页7第二节 微生物的遗传典型的原核生物基因结构（操纵子，operon）promoteroperatorCR 1CR 2CR 3Operator：操作子 CR：coding region，编码区真核原核编码结构有内含子，需剪接无内含子调控方式单顺反多顺反编码方向单向（同一区域）双向现在学习的是第7页，共61页8 遗
5、传密码：DNA上各个核苷酸的特定排列顺序。每个密码子有3个核苷酸顺序来决定。（7）核苷酸水平核苷酸腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T戊糖碱基磷酸核苷（6）密码水平（信息单位）（最低交换单位、突变单位）第二节 微生物的遗传磷酸戊糖碱基OATP(dATP)现在学习的是第8页，共61页9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(circular covalently closed DNA)，多存在于原核生物。结构：具有超级螺旋结构，分子量106108道尔顿(660D/bp，1.5k-200kbp)第二节 微生物的遗传BAC，Bacmid
6、，YAC 现在学习的是第9页，共61页10现在学习的是第10页，共61页11质粒的基本特性：可移动性：异种间转移Genther F.J.(1998):69种环境中的细菌中，38能从实验室的细菌接受质粒。可整合性：可整合到染色体上可重组性可消除性第二节 微生物的遗传现在学习的是第11页，共61页1220世纪50年代在日本发现的一种质粒（从患痢疾且被抗生素治疗后的病人中分离出的痢疾志贺氏菌株，具有抗药性，而且能把抗药性转移到E.coli。）1）R因子R质粒沙门氏菌属（Salmonalla）芽孢杆菌属（Bacillus）假单胞菌属（Pseudomonas）葡萄球菌属（Staphulococcus）曾
7、发现R因子的细菌l R因子在细胞中的数目12几十个。l 对多种抗生素有抗性，也可作为基因载体。l 具有R因子的细菌在自然界中的存活率高。第二节 微生物的遗传现在学习的是第12页，共61页132）F因子（Fertility factor）/致育因子、性因子是E.coli中决定性别的质粒。62106Da，94.5kbpF+F+F+F-接合（接合（conjugation）特点：有时能够插入染色体，使染色体的长度增长。有F因子的细菌：F+雄菌没有F因子的细菌：F-雌菌第二节 微生物的遗传现在学习的是第13页，共61页143）降解性质粒二甲苯质粒：XYL（Xylene）辛烷质粒：OCT（Octane）甲
8、苯质粒：TOL（Toluene）萘质粒：NAP（Napthalene）樟脑质粒：CAM（Camphor）水杨酸质粒：SAL（Salicylate）在环保中有重要的意义：超级工程菌的获得。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）第二节 微生物的遗传现在学习的是第14页，共61页154.细胞器DNA 真核微生物中，染色体之外的遗传物质的另一种存在形式。与其他物质一起构成细胞器（如：叶绿体、线粒体等）主要特性：结构复杂多样功能不一数目多少不一自我复制可消除性（一旦消失，后代细胞中不再出现）第二节 微生物的遗传细胞
9、器的起源？现在学习的是第15页，共61页165.转座因子 可在染色体不同部位之间移动的DNA片断 插入序列：能插入染色体或质粒的许多位点，并能改换位点 转座子：能插入染色体或质粒的不同位点的一般DNA序列，可以转移到不同的位点上，本身也可复制。大小位几个kb。第二节 微生物的遗传Class I:copy and pasteClass II:cut and paste现在学习的是第16页，共61页17第七章 微生物的生长和遗传变异第三节 微生物的变异 基因突变 基因重组现在学习的是第17页，共61页18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
10、落形态、生理生化特性、代谢产物）第三节 微生物的变异一、变异的基本概念现在学习的是第18页，共61页19细菌易变异：细菌繁殖快，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大的影响，在受物理、化学因素影响后，易产生适应新环境的酶（诱导酶）等，从而改变原有的特性，即产生了变异。变异形态变异菌落形态变异生理生化特性变异变异不一定都有遗传性第三节 微生物的变异现在学习的是第19页，共61页20有目的地控制微生物的生长条件，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。定向
11、培育：第三节 微生物的变异现在学习的是第20页，共61页21二、基因变异基因突变基因重组定义：微生物的遗传性状变化称变异基因突变（自发突变）定义：DNA链上因碱基的缺乏、置换、插入而发生的碱基排列顺序的变化，从而导致表现型发生了可遗传的变化，这种现象叫基因突变（变异）。基因突变的类型点突变畸变第三节 微生物的变异现在学习的是第21页，共61页22点变异：一个或数个碱基发生变化点突变碱基置换移码突变转换：AG,GGTT,T颠换AACC,G缺失：添加：ABCABCAB ABCAA BCAB第三节 微生物的变异现在学习的是第22页，共61页23畸变缺失：添加易位：倒位：重复：插入：abcabcabc
12、abcabcabcdefpqrdefpqrghighifdeghijkl*畸 变：碱基片断发生变化第三节 微生物的变异现在学习的是第23页，共61页24细菌基因突变的特点v 无定向性（不对应性）v 稀有性：频率低 1051010v 自发性v 独立性：各细胞、基因间的变异没有必要的联系v 稳定性：可遗传v 可逆性：回复突变（back/reverse mutation）v 诱变性：诱变剂可大大提高突变率（10105倍）自发突变、诱发突变（诱变）诱变剂（mutagen）：亚硝酸、紫外线第三节 微生物的变异现在学习的是第24页，共61页252、基因重组定义：凡把两个不同基因型的遗传分子转移到一起，通过
13、遗传分子之间的交换组合，产生新的遗传性状（基因型），称基因重组。第三节 微生物的变异重组的方式：转化、接合、转导现在学习的是第25页，共61页261）转化（transformation）供体的DNA片段（可在自然条件下产生）进入受体细胞内发生重组，受体细胞获得供体细胞的一部分遗传特性。无需细胞接触。细菌、放线菌、真菌中有转化现象。现在学习的是第26页，共61页27质粒转化是基因工程中最常用的人工DNA转化。现在学习的是第27页，共61页28F因子、降解性质粒可通过此形式传递。2）接合（conjugation)细胞直接接触而进行的基因重组。大肠杆菌的接合是通过性纤毛（中空）进行的。第三节 微生物
14、的变异现在学习的是第28页，共61页29现在学习的是第29页，共61页30现在学习的是第30页，共61页31如何筛选，如何稳定工程菌？Hfr（high frequency recombination，高频重组）菌株现在学习的是第31页，共61页323）转导（transduction）通过噬菌体（病毒）携带而转移的基因重组，无需供体-受体细胞接触。在自然界中比较普遍。噬菌体进入供体细胞宿主的核染色体被切断成熟与包装之际错误携带宿主部分DNA的噬菌体（假噬菌体）（完全缺陷噬体）与受体接触感染a.完全转导(complete transduction)第三节 微生物的变异现在学习的是第32页，共61页
15、33b.局部转导(specialized transduction)由部分缺陷的噬菌体把少数特定的基因携带到受体菌中，并获得转导的现象。（温和噬菌体）4）原生质体融合（protoplast fusion）通过人为的方法使两个遗传性状不同的细胞的原生质体发生融合，得到同时具有双亲性状的、遗传稳定的融合子（fusion），该过程称原生质体融合。（20世纪70年代）第三节 微生物的变异现在学习的是第33页，共61页34原核、真核高等植物、人体细胞 能进行原生质体融合的细胞非常广泛步骤：用脱壁酶去除细胞壁混合（加聚乙二醇PEG），或电脉冲促进融合培养，使之成为完整细胞鉴定特点：1）重组频率10-1.（
16、远远大于诱变育种，10-6）2）不同属、科间亦可融合。第三节 微生物的变异现在学习的是第34页，共61页35现在学习的是第35页，共61页36第七章 微生物的生长和遗传变异第四节 遗传工程 基因工程 遗传工程及其在环境污染控制中的应用现在学习的是第36页，共61页37一、基因工程（Genetic engineering）20世纪50年代遗传物质的研究20世纪70年代基因工程诞生1.定义：用人为的方法把供体生物的DNA导入受体生物中，并在其中“安家落户”，进行正常的复制、表达，从而获得新物种的一种育种技术。是一种分子水平上的基因重组技术。第四节 遗传工程现在学习的是第37页，共61页38用人为的
17、方法，把供体生物的DNA大分子提取出来；在离体的条件下，用工具酶进行切割；之后把它与载体（vector）的DNA分子连接起来；然后与载体一起导入受体生物。（方法？）2.利用质粒载体导入外源基因的步骤：第四节 遗传工程现在学习的是第38页，共61页39目的基因的取得：供体细胞中提取分离 合成载体的选择：对载体的要求 具有自我复制能力；能在受体细胞内大量增殖或表达目的基因；要有一些限制性内切酶的切口（MCS）；有一种选择性遗传标志，以便追踪。常用载体：细菌质粒、噬菌体。最常用：PBR322（抗四环素、青霉素性基因）。表达抗药性可以用选择性培养基检出它们。第四节 遗传工程现在学习的是第39页，共61
18、页40重组载体引入受体细胞 最广泛被应用的是E.coli、Bacillus subtilis（枯草杆菌）。引入方法转化（质粒作载体）病毒感染基因的体外重组 内切酶处理载体形成缺口目的基因的切断 两者混合在指定温度下混合“退火”；目的基因缝补上载体的缺口（动力:氢键作用而相互吸引并形成共价结合)。第四节 遗传工程现在学习的是第40页，共61页41现在学习的是第41页，共61页423.基因工程在环境保护中的应用获得能同时分解多种污染物的新型菌种l 超级细菌l 耐汞质粒l 降解染料质粒工业上：高性能发酵微生物的育种、酶、抗生素的生产。农业上：l 固氮菌的基因转移到根系微生物或直接给植物；l 把降解木
19、质素分解酶的基因转移导酵母菌使之 能利用稻草、枯杆等生产酒精；l 改良农作物。医疗上：遗传病的治疗等。第四节 遗传工程现在学习的是第42页，共61页43几点注意：几点注意：基因工程的成果往往只是一株带有新性状的“工程菌”，只有通过微生物工程才能实现它的 经济与社会效益。DNA供体主要来源于微生物。基因工程菌存在的问题：安全性 混合培养系中的生存性 降解能力的安定性 大规模培养技术第四节 遗传工程现在学习的是第43页，共61页44第七章 微生物的生长和遗传变异第五节 微生物的驯化与保藏 微生物的驯化 微生物的保藏与复壮现在学习的是第44页，共61页45一、微生物的驯化时间t污染物浓度污染物的生物
20、降解曲线（生物降解过程中污染物浓度随时间的变化）微生物的“驯化”现象“驯化”是获得高效微生物（群）的有效方法第五节 微生物的驯化与保藏现在学习的是第45页，共61页461.驯化的定义(Acclimation,adaptation)一般：获得新的能力的过程 （新的分解能力、抗有毒物质能力）狭义：获得新的降解能力的过程使微生物接触待分解的化合物，给予适宜的营养和环境条件，进行培养。驯化操作：第五节 微生物的驯化与保藏现在学习的是第46页，共61页47驯化周期（时间）：时间t污染物浓度污染物降解曲线建议：从驯化开始到降解能力达到最大时所需的时间。驯化周期一般指从驯化操作开始到获得新的降解能力所需要的
21、时间。第五节 微生物的驯化与保藏现在学习的是第47页，共61页482.驯化的机理生物降解的必要条件：有合成降解酶的基因 能合成降解酶 微生物浓度高、环境条件适宜可能性驯化：从不能满足以上三个条件，到满足三个条件的过程。驯化机理：获得所需的基因（变异、基因重组）降解酶的诱导或抑制作用的解除降解微生物的的高浓度化（选择性繁殖）本质驯化表观驯化第五节 微生物的驯化与保藏现在学习的是第48页，共61页491）新基因的获得：突变：频率低106108 无定向性获得降解能力的几率很小降解基因的传递：几率更小水处理中一般发生驯化的现象很多，所以很难用“突变”来解释。2）诱导酶的激活或抑制剂的解除抑制系的解除一
22、般只需要25分。而驯化周期一般几天到几个月，很难全部用诱导酶解释第五节 微生物的驯化与保藏现在学习的是第49页，共61页503）降解微生物的高浓度化基因突变不可能同时产生大量变异细胞微生物的高浓度化是重要的步骤质粒的传递速度供体浓度 D（douor）（g/l）受体浓度 R（recipient）（g/l）转移体浓度 T（transconjugant）（g/l）接受质粒后的细胞（基因重组体）质粒的传递（基因重组）：接合等选择性繁殖高浓度化的途径第五节 微生物的驯化与保藏现在学习的是第50页，共61页51c:转移体的损失速度/gT L dayLrbp T 1/daya:从供体到受体的传递速度b:从转
23、移体到受体的传递速度1DRtrkD R/L gT gD gR day/gTL day2TRtrkT R/L gR day/gT L day第五节 微生物的驯化与保藏现在学习的是第51页，共61页52COOHHCH3CH3NCOHCH3CH3NHCH3NHHCO2H O2+NH3Biodegradation pathway of dimethylformamide(DMF)DMF驯化过程中微生物的选择性生长和群落结构的变化现在学习的是第52页，共61页53Experimental conditions*1:Cultivation of biofilm in the biofilter*2:The
24、 artificial wastewater composed from glucose and peptone(1:1,w/w)*3:Dimethylformamide,*4:Dissolved organic carbon现在学习的是第53页，共61页54Time courses of DMF removal efficiency,REDMF(),and the removal rate of DMF per unit volume of the biofilter,-rDMF(),in the acclimation of biofilm to DMF现在学习的是第54页，共61页55C
25、hange in quinone profiles during the acclimation process of biofilm to DMF in the biofilter.现在学习的是第55页，共61页56Correlation of the specific DMF removal rate-uDMF and the molar fraction of predominant quinones现在学习的是第56页，共61页57Analysis of the change in microbial diversity现在学习的是第57页，共61页58Classification o
26、f the microbial community based on the dissimilarity of quinone profiles现在学习的是第58页，共61页593.影响驯化的因素1）驯化操作方式活性污泥对苯酚的驯化的例子（中村，1990）驯化由快到慢的顺序：vi iv&iii I&v ii 间歇操作比连续操作有利。i.好氧、间歇、负荷上升法ii.好氧、连续、负荷上升法iii.厌氧/好氧、间歇、负荷上升法（0.10.7kg/m3d）0.7kg/m3div.好氧、间歇、高负荷一定v.好氧、连续、高负荷一定vi:厌氧/好氧、间歇、高负荷一定第五节 微生物的驯化与保藏现在学习的是第59页，共61页602）接种微生物的种类活性污泥、土壤、接触污水的底泥、污水排放沟积泥3）水的硬度的影响硬水优于软水。软水中微量营养盐不足（Vashon R.D，1982）Nitrilotriacetate(NTA)去除率达90%时所需时间，硬水18天，软水28天第五节 微生物的驯化与保藏现在学习的是第60页，共61页感谢大家观看感谢大家观看现在学习的是第61页，共61页